蛋白质经泛素-蛋白酶体降解研究基本思路（文详解）

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泛素 为含76个氨基酸、大小约为8.6 kDa的小蛋白质，在真核生物中普遍存在且高度保守。人类基因组中的四个基因编码泛素： UBB ， UBC ， UBA52 和 RPS27A 。

泛素具有7个赖氨酸残基（K6，K11，K27，K29，K33，K48，K63）和一个甲硫氨酸残基（M1）。泛素之间主要通过赖氨酸残基和甲硫氨酸残基进行各种连接。由此产生的泛素链产生一定的拓扑结构，可通过对蛋白底物进行修饰并决定底物的功能。

将泛素添加到底物蛋白质中称为蛋白质的 泛素化 。蛋白质泛素化是一种动态的多方面翻译后修饰，涉及真核生物学的几乎所有方面。泛素化涉及三个主要步骤：活化，结合和连接，分别由泛素激活酶（E1），泛素结合酶（E2s）和泛素连接酶（E3s）执行。其中人源E1有2种： UBA1 和 UBA6 ；人源E2有35种；人源E3有数百种。

E3酶具有两个结构域之一：HECT结构域以及RING结构域。HECT结构域的E3连接酶先自身结合泛素然后将泛素转移至底物，而RING结构域的E3连接酶使E2酶直接将泛素转移至底物。

HECT结构域E3通过2种机制连接遍在蛋白质靶底物：首先，遍在蛋白从E2的活性位点转移到E3的活性位点中的Cys，然后遍在蛋白化目标底物中的Lys残基。相反，RING-和RING相关的结构域E3连接酶在一步中用作泛素化靶基质的支架：E2将遍在蛋白直接转移至靶底物中的Lys残基。

目前，人体内还存在E4酶。E4酶为泛素链延伸因子，能够对单泛素化的底物进行泛素链的延伸形成多聚泛素化。

单泛素化 是在一个底物蛋白残基上添加一个泛素分子。 多单泛素化 是将一个泛素分子添加到多个底物残基中。 多泛素化 是在底物蛋白上的单个残基上形成遍在蛋白链。目前，泛素可结合的底物残基有赖氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、酪氨酸

根据泛素与底物的连接位点，目前有9种方式的泛素化，包括M1, K6，K11，K27，K29，K33，K48，K63, G76。不同方式的泛素化调控不同的功能。其中，与蛋白酶体降解相关的泛素化为K48。

全面的蛋白质组学研究确定了成千上万种蛋白质上成千上万的泛素化位点。大多数蛋白质在其细胞寿命的某些时刻将经历泛素化。

研究蛋白质泛素-蛋白酶体降解大部分是研究两个蛋白质之间的关系，即一个E3连接酶和一个底物蛋白。

环己酰亚胺（Cycloheximide, CHX）为细胞内蛋白合成抑制剂。MG132为蛋白酶体抑制剂。

图3中，相对于MG132未处理组中SUBSTRATE蛋白在各时间点无明显变化，MG132处理组中的SUBSTRATE蛋白在2h、4h、8h的水平明显减小。说明SUBSTRATE的降解与蛋白酶体相关。

图4中，随着E3泛素连接酶表达量的增加，底物蛋白的表达水平相应降低。图5中，随着E3泛素连接酶酶活性失活突变表达量的增加，底物蛋白的表达水平无明显变化。图6中，用E3泛素连接酶的siRNA敲低细胞内E3泛素连接酶的表达水平，底物蛋白的表达水平相应增加。图7中，过表达E3泛素连接酶酶，底物蛋白的半衰期减少。图8中，敲低E3泛素连接酶酶，底物蛋白的半衰期增加。说明E3泛素连接酶能降低底物蛋白的表达水平。

使用免疫共沉淀的方法检测两个蛋白质之间的相互作用。大致分为以下三种：

通过文献或者生物信息学分析E3泛素连接酶和底物蛋白不同的结构域。图15上为E3泛素连接酶的不同结构域示意图：Domain1, Domain2, Domain3, Domain4；图15下为底物蛋白的不同结构域示意图：DomainA, DomainB, DomainC, DomainD。使用免疫共沉淀的方法检测两个蛋白质之间不同结构域的相互作用，见图16和图17。找到相应结构域后，检测这两个结构域之间的相互作用，见图18和图19。

一般使用外源表达的泛素分子检测蛋白质的泛素化，也可使用内源的泛素抗体。因为泛素化为泛素分子与底物蛋白质的共价结合，SDS无法破坏此种相互作用力，所以图20中能够看到多聚泛素化链的存在。一个泛素分子大约为8.5KD，因此IB结果可能会出现基于底物蛋白质清晰的ladder带或smear带。

蛋白质泛素化为一种蛋白质翻译后修饰，能够调控蛋白质的功能。目前的泛素化种类有K6，K11，K27，K29，K33，K48，K63，即泛素分子的K6，K11，K27，K29，K33，K48，K63与底物蛋白质共价结合。一般认为，K48的泛素化可被蛋白酶体识别。因此，需要确认底物蛋白质的泛素链为K48链。将泛素分子赖氨酸单位点突变（见图21）或泛素分子单赖氨酸保留突变（见图23），通过免疫沉淀和免疫印迹的方法检测底物蛋白质泛素化的种类，见图22和图24。

通过过表达（图25）或敲低（图26）E3泛素连接酶的方式检测底物蛋白质泛素化水平的改变。

体外泛素化能够排除体内复杂的环境，让E3泛素连接酶直接与底物蛋白质作用，使E3泛素连接酶泛素化底物蛋白质更有说服力。体外UB, E1, E2, ATP以及buffer均有商业化试剂盒。只需纯化E3泛素连接酶和底物蛋白质进行体外泛素反应，检测底物蛋白质的泛素化。

泛素-蛋白酶体介导的蛋白质降解途径

大多数蛋白酶（包括溶酶体酶体系）降解底物时不需要三磷酸腺苷（ATP）提供能量，如胃蛋白酶、胰蛋白酶等。20世纪50年代初，Simpson在肝脏组织培养的切片中检测到了氨基酸的产生，揭示出细胞内大部分蛋白质的降解需要能量。真核生物如何识别和选择性降解蛋白质是细胞生命过程中的重要环节，对于维持蛋白质在细胞内含量的动态平衡起着关键性作用。泛素-蛋白酶体需能降解途径的发现，揭示了蛋白质在细胞内选择性降解的普遍方式。需要清除的蛋白质，通过其赖氨酸残基侧链ε-氨基连接多聚泛素链（降解标签），继而在蛋白酶体中被降解。泛素-蛋白酶体降解途径包括两个主要阶段。第一阶段为泛素与蛋白底物的相互作用：①高能硫酯键E1-泛素复合物的形成，消耗一分子ATP，并释放一分子单磷酸腺苷（AMP）和一分子焦磷酸。②活化泛素（E1-泛素复合物）转移到E2s上，释放出E1，形成高能键E2-泛素复合物。③底物（被磷酸化、氧化、错误折叠或与辅助蛋白结合的蛋白质）被E3s识别并与之结合。④E2-泛素复合物上的泛素转移到E3s上，形成高能键复合物，继而底物通过赖氨酸的ε-氨基形成酰胺键与泛素连接，泛素分子逐个相加形成链状结构。此外，第一个泛素分子也可与底物N末端氨基酸残基连接。第二阶段为蛋白酶体对底物的降解：⑤底物泛素链与蛋白酶体19S的泛素受体相互作用，蛋白底物去折叠，并通过蛋白酶体受体端裂隙进入20S核心颗料内部，被逐步降解；⑥在泛素C-端水解酶、脱泛素酶和寡肽酶的作用下，释放出泛素分子（可再次参与循环）。 泛素-蛋白酶体系统由以下几个组分构成。①泛素：含有76个氨基酸残基，分子量约8.5kDa，广泛存在于真核细胞（原核细胞中尚未发现）。泛素链与蛋白底物的结合形成被蛋白酶体降解的识别信号。另外，泛素化在蛋白的内吞和外泌作用中有目标定位功能。②泛素活化酶E1：通过半胱氨酸残基与泛素C端活化的甘氨酸残基形成硫酯键，E1-泛素中间体中的泛素可以转移给数个E2s。③泛素转移酶E2s：以泛素结合酶方式起作用，活性部位为半胱氨酸，部分E2成员在细胞特定过程中发挥作用，但E2的全部作用尚不清楚。④泛素连接酶E3s：为泛素-蛋白酶体系统选择性降解机制的关键因素，识别被降解的蛋白并将泛素连接到底物上。目前对E3s作用方式了解相对较少。不同E3s的氨基酸序列差异较大，并且与多种不明功能的亚单位组成复合物，其功能需进一步研究。⑤蛋白酶体（2.5MDa）：由2个19S和1个20S亚单位组成的桶状结构，19S为调节亚单位，位于桶状结构的两端，识别多聚泛素化蛋白并使其去折叠。19S亚单位上还具有一种去泛素化的同功肽酶，使底物去泛素化。20S为催化亚单位，位于两个19S亚单位的中间，其活性部位处于桶状结构的内表面，可避免细胞环境的影响。酵母20S亚单位由四个环状结构（αββα）组成。

泛素-蛋白酶体系统与蛋白质质量控制、细胞周期、DNA修复、转录及免疫应激等密切相关，也与许多种疾病的发生相关。为了证实泛素-蛋白酶体系统在细胞生命过程中的重要作用，Masa-atsu Yamada等（1980）建立了泛素-蛋白酶体缺陷型细胞系，通过诱变鼠细胞并筛选出温度敏感型ts85细胞系，在敏感温度下该细胞株出现染色体异常浓缩和组蛋白磷酸化不足，细胞周期被固定在G2期（DNA复制完成，尚未进入有丝分裂期）。这表明此缺陷可能导致染色质结构的异常改变。上述ts85细胞系的研究工作奠定了泛素参与细胞周期调控的基础。同时，细胞周期调控因子Cdc34被证实是泛素转运酶E2中成员之一，在进化上高度保守。Kirschner等进一步证明了细胞退出有丝分裂的关键是细胞周期蛋白经泛素-蛋白酶体途径降解所致。后来，Nasmyth等证实在有丝分裂和减数分裂过程中，E3对染色体的分离起着关键作用。有丝分裂和减数分裂过程中染色体的错误分离则可导致染色体数目改变，也是导致人类自发性流产的最主要原因。泛素-蛋白酶体降解系统的发现为深入理解细胞诸多生理过程奠定了基础。可以预见，将会发现更多的蛋白质和细胞生理过程与此途径相关，也会有一些疾病的病理机制基于此系统得以阐明，以该系统为靶点的新药也将逐渐增多。泛素-蛋白酶体系统研究领域有着巨大的发展潜力

主要有四步：

1、泛素的活化：泛素甘氨酸端的羧基连接到泛素活化酶E1的巯基，这个需要以ATP作为能量，最终形成一个泛素和泛素活化酶E1之间的硫酯键。?

2、E1将活化后的泛素通过交酯化过程交给泛素结合酶E2。?

3、泛素连接酶E3将结合E2的泛素连接到目标蛋白质上并释放E2，形成特定的泛素化的蛋白质。

4、泛素化的蛋白质被特定的蛋白酶体识别并结合，最终在蛋白酶的催化下蛋白质分解为短肽或氨基酸。

扩展资料：

泛素样蛋白的来源：

泛素蛋白由76个氨基酸残基组成的多肽，它可以被一系列的酶促反应活化，进而与底物靶蛋白相连接（如图中箭头所示）。UBL修饰系统采用的也是类似途径。

有三种酶——E1、E2和E3——参与了泛素修饰反应，这包括多泛素蛋白合成反应，即在一个泛素蛋白的基础之上再添加好几个泛素蛋白。

E1酶负责活化泛素蛋白、E2酶通过转硫醇作用从E1酶处获得泛素蛋白，并将其与底物蛋白相结合，然后E3酶将泛素蛋白与底物连接（在某些情况下会先形成一种硫酯中间产物，然后再与底物结合）。

所有真核生物编码的E2和E3同工酶种类非常多，其中E2同工酶有几十种，而E3同工酶则多达数百种。这样，细胞就能对多种蛋白进行各种方式、特异性的修饰和调节，而且这些修饰调控作用也都会受到严密的时空调控。

泛素蛋白的C末端通常都经由酰胺键（amide linkage）与靶蛋白的氨基团连接在一起。最常见的连接是与靶蛋白赖氨酸的ε氨基团相连，不过也可以与靶蛋白的N末端相连。此外，最近还发现泛素蛋白可以与靶蛋白上的半胱氨酸、丝氨酸和苏氨酸相连。

在多泛素链中，一个泛素蛋白分子的赖氨酸侧链与另一个泛素蛋白的C末端相连，如此反复形成多泛素链。泛素蛋白含有7个赖氨酸残基，所有这些赖氨酸残基都可以参与上述多泛素链的合成过程。

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