泛素蛋白酶体途径.ppt

蛋白质降解的蹊径蛋白质降解的蹊径泛素泛素-蛋白酶途径蛋白酶途径 一、发现的过程一、发现的过程二、泛素二、泛素-蛋白酶途径概述蛋白酶途径概述三、泛素三、泛素蛋白酶体途径蛋白酶体途径(upp)(upp)的组成的组成四、泛素四、泛素蛋白酶体途径过程蛋白酶体途径过程五、五、UPPUPP途径生物学意义途径生物学意义六六 小小 结结阿龙阿龙切哈诺沃切哈诺沃出生时间：出生时间：19471947年年出生地：以色列海法市出生地：以色列海法市国籍：以色列国籍：以色列学位：学位：19811981年以色列理工学院医学博士学位年以色列理工学院医学博士学位获得成果时间：获得成果时间：2020世纪世纪7070年代末和年代末和8080年代初年代初获得成果地点：以色列获得成果地点：以色列理理工学院工学院 美国费城福克斯美国费城福克斯切斯癌症研究中心切斯癌症研究中心 获奖年龄：获奖年龄：5757岁岁 现任职地点：以色列理工学院，该学院生物化学部的现任职地点：以色列理工学院，该学院生物化学部的教授，同时兼任拉帕波特医学研究学院的负责人。教授，同时兼任拉帕波特医学研究学院的负责人。阿弗拉姆阿弗拉姆赫尔什科赫尔什科 出生时间：出生时间：19371937年年出生地：出生地：匈牙利考尔曹格匈牙利考尔曹格国籍：以色列国籍：以色列 学位：学位：19691969年年以色列耶路撒冷希伯莱大学哈达萨赫以色列耶路撒冷希伯莱大学哈达萨赫医学院医学博士学位医学院医学博士学位获得成果时间：获得成果时间：2020世纪世纪7070年代末和年代末和8080年代初年代初获得成果获得成果地点：以色列理工学院地点：以色列理工学院 美国费城福克斯美国费城福克斯切斯癌症研究中心切斯癌症研究中心 获奖年龄：获奖年龄：6767岁岁 现任职地点：以色列理工学院，该学院现任职地点：以色列理工学院，该学院拉帕波特医学拉帕波特医学研究学院的著名教授。研究学院的著名教授。欧文欧文罗斯罗斯 出生时间：出生时间：19201920年年出生地：美国纽约出生地：美国纽约国籍：美国国籍：美国 学位：学位：19521952年美国芝加哥大学博士学位年美国芝加哥大学博士学位获得成果时间：获得成果时间：2020世纪世纪7070年代末和年代末和8080年代初年代初获得成果地点：获得成果地点：美国费城福克斯美国费城福克斯切斯癌症研究中心切斯癌症研究中心 获奖年龄：获奖年龄：7878岁岁 现任职地点：现任职地点：美国加州大学医学院，该学院生理学和美国加州大学医学院，该学院生理学和生物物理学系资深专家。生物物理学系资深专家。一、发现的过程一、发现的过程1 1、二十世纪、二十世纪7070年代蛋白质的研究状况：年代蛋白质的研究状况：科学家关于蛋白质如何科学家关于蛋白质如何“诞生诞生”的研究的研究成果很多，迄今为止至少有成果很多，迄今为止至少有5 5次诺贝尔奖授次诺贝尔奖授予了从事这方面研究的科学家，但关于蛋予了从事这方面研究的科学家，但关于蛋白质是如何白质是如何“死亡死亡”的研究却相对较少。的研究却相对较少。2 2、三位科学家的兴趣所在：、三位科学家的兴趣所在：A.A.蛋白质在细胞内到底是如何蛋白质在细胞内到底是如何“死亡死亡”的？的？B.B.为什么细胞需要能量来降解蛋白质？为什么细胞需要能量来降解蛋白质？3 3、三名科学家的汇合：、三名科学家的汇合：2020世纪世纪7070年代末期，切哈诺沃和赫尔什年代末期，切哈诺沃和赫尔什科以停薪留职的方式前往美国，与当时正科以停薪留职的方式前往美国，与当时正在费城福克斯在费城福克斯切斯癌症研究中心从事研切斯癌症研究中心从事研究工作的罗斯汇合，开始进行他们的研究究工作的罗斯汇合，开始进行他们的研究工作。工作。4 4、发现泛素分子、发现泛素分子 19791979年，当三人试图用层析法去掉血红蛋年，当三人试图用层析法去掉血红蛋白时，他们发现萃取液分成了两个部分，每白时，他们发现萃取液分成了两个部分，每个单独的部分处于静止状态，但一旦将两个个单独的部分处于静止状态，但一旦将两个部分重新融合在一起，依靠部分重新融合在一起，依靠ATPATP的蛋白质降的蛋白质降解过程被再次启动。在其中一部分溶液中活解过程被再次启动。在其中一部分溶液中活跃的成份是一个具有热稳定性的多肽，这个跃的成份是一个具有热稳定性的多肽，这个多肽含有一个分子量为多肽含有一个分子量为90009000的分子，并将这的分子，并将这个分子取名为个分子取名为APFAPF-1-1，即溶液，即溶液1 1中的基本活跃中的基本活跃因子，后来证实这个蛋白质就是泛素。因子，后来证实这个蛋白质就是泛素。5 5、发现蛋白质降解过程的机理、发现蛋白质降解过程的机理 7070年代末年代末8080年代初，三位科学家继续进年代初，三位科学家继续进行泛素分子的研究，进一步发现了泛素分行泛素分子的研究，进一步发现了泛素分子调节蛋白质降解的机理，从而解释了蛋子调节蛋白质降解的机理，从而解释了蛋白质在细胞内白质在细胞内“死亡死亡”的过程。的过程。2004年10月16日瑞典皇家科学院将本年度诺贝尔化学奖授予以色列科学家阿龙切哈诺沃、阿夫拉姆赫什科和美国科学家欧文罗斯，以表彰他们在泛素调节的 蛋 白 质 降 解 研 究 领 域 中 的 卓 越 成 就。生物体内存在着两类蛋白质降解过程，一种是不需要能量的，比如发生在消化道中的降解，这一过程只需要蛋白质降解酶参与，可以在小肠内将食物降解为氨基酸；另一种则需要能量，它是一种高效率、指向性很强的降解过程。比如多数细胞内的蛋白质降解需要能量，这是由于在细胞内蛋白质的降解过程中发生了一系列的反应，最终使得将要被降解的蛋白质被一种多肽链所标记，这就意味着细胞对蛋白质降解具有很高的选择性，这种标记势必需要一定的能量，而这种能量在生物体内是以三磷酸腺苷的形式提供的。二、泛素二、泛素-蛋白酶途径概述蛋白酶途径概述 蛋白质的降解是一个精细控制的过程，首先有待降解的蛋白质被一种多肽（称之为泛素）所标记，接着这些蛋白质进入细胞的蛋白酶复合体中，蛋白酶复合体是一个上下有盖的圆桶状酵素，它们如同细胞的垃圾桶，专门负责蛋白质的分解及再循环利用，泛素在这一过程中释出讯号，让蛋白酶复合体分辨出有待降解的蛋白质。二、泛素二、泛素-蛋白酶途径概述蛋白酶途径概述三、泛素三、泛素蛋白酶体途径蛋白酶体途径(upp)(upp)的组成的组成 泛素蛋白酶体途径(upp)由泛素(ubiquitin,ub)以及一系列相关的酶组成。除泛素以外还包括4 种酶家族:泛素活化酶(ubiquitin-activating enzyme,E1)、泛素偶连酶(ubiquitin-conjugating enzymes,E2 s)也称泛素载体蛋白(ubiquitin-carrier protein)、泛素-蛋白连接酶(ubiquitin-ligating enzymes,E3 s)和蛋白酶体(proteasome)。蛋白的泛素化和去泛素化都需要多种酶介导,upp既有高度底物多样性又具有针对不同调控机制的多样性。泛素泛素-Ubiquitin Ubiquitin（UbUb）的结构与组成的结构与组成 泛素含有76个氨基酸残基,广泛存在于真核生物,目前尚未发现泛素存在于原核生物中，泛素的氨基酸序列极其保守。泛素基因主要编码两种泛素前体蛋白质:一种是多聚泛素,另一种是泛素融合蛋白。泛素分子调节蛋白质降解的机理泛素分子调节蛋白质降解的机理待降解的目标蛋白待降解的目标蛋白泛素化蛋白泛素化蛋白蛋白酶体蛋白酶体-泛素化蛋白复合物泛素化蛋白复合物肽链肽链泛素分子泛素分子蛋白酶体蛋白酶体泛素分子与目标泛素分子与目标蛋白结合，此过蛋白结合，此过程需要能量。程需要能量。蛋白酶体与泛素化蛋白酶体与泛素化蛋白结合，开始分蛋白结合，开始分解目标蛋白。解目标蛋白。目标蛋白被分解目标蛋白被分解蛋白酶体和泛素蛋白酶体和泛素分子可循环利用分子可循环利用1.1.组成：组成：泛素分子是由泛素分子是由7676个个a.aa.a组成的小蛋白，组成的小蛋白，分子量为分子量为86008600，等电点，等电点PIPI为为6.76.7。2.2.结构：结构：UbUb分子大约分子大约87%87%的肽链通过氢键形成的肽链通过氢键形成二级结构，二级结构包括二级结构，二级结构包括3 3个个-螺旋，螺旋，5 5个个-折叠（折叠（-sheetsheet），），7 7个个-转角（转角（-turnturn）。）。（一）泛素（一）泛素（Ubiquitin Ubiquitin 简称简称UbUb）整个分子呈紧凑的球形，整个分子呈紧凑的球形，N N-末末端为较紧密的球状结构域，端为较紧密的球状结构域，C C-末端是松散的末端是松散的伸展结构，具有高度的保守性。伸展结构，具有高度的保守性。C C-末端的末端的4 4个残基从球形结构中伸出供个残基从球形结构中伸出供UbUb与靶蛋白形成与靶蛋白形成UBUB-蛋白复合物。蛋白复合物。UbUb-C C末端的两个末端的两个GlyGly(7575GlyGly和和7676GlyGly)不可替不可替代，否则代，否则UbUb分子将完全失活。分子将完全失活。3.3.UbUb分子的稳定性：分子的稳定性：由于由于UbUb分子包含一个显著的疏水核，并富含分子包含一个显著的疏水核，并富含大量氢键，因而大量氢键，因而UbUb分子特别稳定，对酸、碱、热分子特别稳定，对酸、碱、热富于抵抗力，一旦折叠，能很快恢复天然状态。富于抵抗力，一旦折叠，能很快恢复天然状态。4.4.UbUb分子的功能位点：分子的功能位点：a.C-a.C-末端的末端的7676GlyGly b.b.4848LysLys5.5.UbUb分子的分布分子的分布:UbUb分子广泛分布于各种真核生物中，从不同分子广泛分布于各种真核生物中，从不同种类高等生物中得到的泛素的一级结构几乎相同。种类高等生物中得到的泛素的一级结构几乎相同。对植物、酵母、动物中对植物、酵母、动物中UbUb分子的一级结构进行分分子的一级结构进行分析，仅有析，仅有1 1、2 2、3 3个个a.aa.a残基不同，而其三维构象也残基不同，而其三维构象也基本相同。基本相同。(二二)、泛素、泛素蛋白酶体途径蛋白酶体途径(upp)(upp)中其它中其它相关酶相关酶 泛素活化酶(E1)是催化泛素与底物结合所需的第一个酶。细胞内仅有单一的泛素活化酶基因。利用不同的转录起始点,它可产生E1 a 和E1 b两种泛素活化酶,它们的生物功能可能有所不同。泛素偶连酶(E2)是泛素与蛋白底物结合所需的第二个酶。细胞内有多种泛素偶连酶基因,大多数泛素偶连酶有一个1416 KD的核心,含有活性所必需的半胱氨酸残基。在不同的泛素偶连酶间有约35%的同源性,这一区域可能参与泛素偶连酶和蛋白底物的结合。泛素-蛋白连接酶是泛素与底物蛋白结合所需的第三个酶。泛素-蛋白连接酶在决定泛素介导的底物降解方面有特殊的作用。不同类型的泛素-蛋白连接酶间缺乏序列同源性,而且分子量差异较大 蛋白酶体是催化泛素与底物蛋白偶联体降解的关键酶,包括20 s蛋白酶体和26 s蛋白酶体。26 s是由20 s和19 s复合体共同结合装配而成,此组装过程需要耗能。20 s蛋白酶体是主要起催化作用的复合体,它由14个不同的蛋白组装成一个筒状结构,由内层2个环和外层2个环组成,每个环含有7个亚基,基本结构可书写成7777。亚基主要用于底物识别,亚基主要参与底物降解。19 s复合体由17或18个亚基组成,在特定条件下又可分成2个次级复合物,一个叫盖子(lid),一个叫底座(base)。底座由10个亚基组成,其中6个有ATP酶活性,它们与底物泛素化有关,盖子由8个没有ATP酶活性的亚基组成,其中一个亚基Rpn11/Pda/s13在泛素循环方面起重要作用。26S蛋白酶体的结构 一一个个细细胞胞大大约约含含3000030000个个细细胞胞废废弃弃物物处处理理装装置置即即蛋蛋白白酶酶复复合合体体蛋蛋白白酶酶体体，这这些些桶桶状状结结构构可可以以几几乎乎将将所所有有蛋蛋白白质质分分解解为为7-97-9个个氨氨基基酸酸长长度度的的缩缩氨氨酸酸，蛋蛋白白酶酶体体的的活活性性表表面面在在桶桶状状结结构构的的内内部部。蛋蛋白白酶酶体体能能辨辨别别出出与与泛泛素素结结合合的的蛋蛋白白质质，一一旦旦作作为为标标签签的的泛泛素素脱脱离离蛋蛋白白质质，即即可可利利用用三三磷磷酸酸腺腺苷苷提提供供的的能能量量改改变变蛋蛋白白质质的的性性质质使使其其从从一一端端进进入入蛋蛋白白酶酶复复合合体体内内发发生生降降解解，并并最最终终以以缩缩氨氨酸酸的的形形式式从从另另一一端端释释放放出出来来。这这一一过过程程如如此此复复杂杂，需需要要消消耗耗能能量量。然然而而蛋蛋白白酶酶体体并并不不能能选选择择待待降降解解的的蛋蛋白白质质，细细胞胞内内主主要要是是通通过过E3E3类类酶酶的的特特异异性性选选择择并并利利用用泛泛素素加加以以标标签签，从从而而选选择择正正确确的待降解蛋白质。的待降解蛋白质。蛋白酶体：蛋白酶体：黑点表示活性区域，蛋白质降解的场所 由泛素介导的蛋白水解过程,分为2个阶段。第一阶段:多个泛素分子与靶蛋白共价结合。首先,泛素经泛素活化酶E1 活化,泛素上76位的Gly与泛素活化酶上特殊的Cys残基形成一个高能硫酯键,并伴有ATP水解;然后,通过转酯作用,泛素从泛素活化酶转移到泛素结合酶E2 的Cys上,形成泛素结合酶-泛素;最后,在泛素连接酶E3 参与下,泛素又从泛素结合酶转移到受体蛋白(靶蛋白)的Lys残基上,形成泛素-靶蛋白,使靶蛋白发生泛素化。多个遍泛素分子重复地附加到靶蛋白上,则形成分枝的多Ub链。泛素共有7个Lys残基,在多聚泛素链结构中,其中一个泛素的C-末端Gly与相邻的泛素之间通过Lys48、Lys63或Lys29连接。四四 、泛素、泛素蛋白酶体途径过程蛋白酶体途径过程（一）、略解（一）、略解第二阶段:靶蛋白在26 s蛋白酶体的作用下,由泛素介导的蛋白水解过程。经泛素活化的底物蛋白被展平后,通过两个狭孔,进入26 s蛋白酶体的催化中心,蛋白降解在20 s蛋白酶体内部发生。进入26 s蛋白酶体的底物蛋白质被多次切割,最后形成322个氨基酸残基的小肽。整个流程分为以下六个步骤：1、E1类酶激活泛素，该过程需要ATP（三磷酸腺苷）提供一定能量；2、泛素转移至E2类酶；3、E3类酶具有特异性，可以识别出需破坏的目标蛋白质，与目标蛋白质接近的E2-泛素复合体将泛素转移至目标蛋白质；4、E3类酶释放出被泛素标记的蛋白质；5、被标记的蛋白质分子尾端形成一小段泛素分子链；6、泛素分子链在蛋白酶体的端口被识别并脱离蛋白质，目标蛋白质进入蛋白酶复合体的桶状通道最终降解为缩氨酸并由另一端口释放出去。（一）、略解（一）、略解 在此过程中，需要泛素分子、三种细胞中在此过程中，需要泛素分子、三种细胞中天然存在的泛素酶天然存在的泛素酶UbUb活化酶（活化酶（E1E1）、）、UbUb结合酶结合酶（E2E2）和）和UbUb蛋白质连接酶（蛋白质连接酶（E3E3）以及蛋白酶以及蛋白酶体的参与。体的参与。（一）、略解（一）、略解 泛泛素素通通过过E1E1和和E2E2被被激激活活的的过过程程称称为为泛泛素素的的活活化化。泛泛素素的的活活化化过过程程是是一一个个依依赖赖ATPATP的的酶酶促促反反应：应：首首先先泛泛素素活活化化酶酶(ubiquitin ubiquitin activatingenzyme activatingenzyme E1 E1)催催化化泛泛素素C C 末末端端的的甘甘氨氨酸酸(Gly)Gly)形形成成UbUb腺腺苷苷酸酸中中间间产产物物,然然后后激激活活的的泛泛素素C C末末端端被被转转移移至至E1E1酶酶内内CysCys残残基基的的SHSH键上键上,形成高能硫酯键形成高能硫酯键;含含有有高高能能硫硫酯酯键键的的泛泛素素通通过过转转酰酰基基作作用用使使其其进进一一步步转转移移到到泛泛素素载载体体蛋蛋白白(ubiquitin ubiquitin conjugating conjugating enzyme,enzyme,E2)E2)特特异异的的CysCys残残基基上上,形形成成E2E2UbUb巯巯基基酯酯;E2;E2UbUb巯巯基基酯酯提提供供泛泛素素分分子子,使使泛泛素素C C端端甘甘氨氨酸酸与与底底物物蛋蛋白白的的LysLys残残基基的的氨氨基基形形成成共共价价键键,由由第第一一个个泛泛素素单单体体与与底底物物蛋蛋白白内内部的部的LysLys残基的残基的氨基氨基(或或氨基氨基)结合结合;四、泛素四、泛素蛋白酶体途径过程蛋白酶体途径过程（二）、详解（二）、详解泛泛素素可可以以直直接接从从E2E2转转移移给给底底物物蛋蛋白白形形成成UbUb蛋蛋白白复复合合物物,这这时时的的底底物物多多是是些些碱碱性性蛋蛋白白(如如组组蛋蛋白白),而而在在大大多多数数情情况况下下,底底物物蛋蛋白白先先与与泛泛素素连连接接酶酶(ubiquitin ubiquitin ligating ligating enzyme,enzyme,E3)E3)特特异异性性结结合合,E3,E3可可使使E2E2和和底底物物蛋蛋白白相相互互接接近近,继继而而蛋蛋白白底底物物与与E2E2酶酶连连接的泛素结合接的泛素结合,这样就完成了底物蛋白质的泛素化。这样就完成了底物蛋白质的泛素化。1 1和和3 3：E E1 1、E E2 2催催化化的的泛泛素素激激活活反反应应，消消耗耗ATPATP；2 2：E E3 3催催化化的的蛋蛋白白质质激激活活反反应应，消消耗耗ATPATP；4 4：依依赖赖于于E E3 3的的蛋蛋白白质质泛泛素素化化反反应应；5 5：不不依依赖赖于于E E3 3的的蛋蛋白白质质泛泛素素化化反反应应；6 6：26S26S蛋蛋白白体体催催化化蛋蛋白白质水解；质水解；7 7和和8 8：异肽酶催化的水解反应，使泛素游离出来。：异肽酶催化的水解反应，使泛素游离出来。去去泛泛素素化化作作用用是泛素化过程的逆转。在真核细胞内已发现多种去泛素化酶,它们能够水解泛素和底物蛋白之间的硫酯键,还能把错误识别的底物从泛素化复合体中释放出来。它们又可以分为两类:（1）泛素羧端水解酶(ubiquitin C-terminal hydrolases(UCHs)：分子量为2030 KD,水解去除和泛素C末端连接的小肽,也参与泛素多聚体产生泛素单体的过程,促进泛素再循环,对泛素系统的正常运行是很有必要的。（2）泛素特异性加工酶(ubiquitin-spicific prote2ases-UBPs/USPs)：分子量大约为100 KD,参与去除和解聚底物蛋白质上的多聚泛素键,从而防止多聚泛素在底物蛋白的聚集。（一）、生化功能（一）、生化功能1 1介导细胞内某些多余的、暂时不需要的或异常蛋白介导细胞内某些多余的、暂时不需要的或异常蛋白质的降解，以调控细胞代谢消除它们对细胞的危害。质的降解，以调控细胞代谢消除它们对细胞的危害。2 2参与某些重要蛋白质翻译后的修饰和改造，调节其参与某些重要蛋白质翻译后的修饰和改造，调节其功能。功能。3 3参与离子通道、分泌的调控及神经网络、细胞器的参与离子通道、分泌的调控及神经网络、细胞器的形成形成五、UPP途径生物学意义1、抗原提呈：抗原分子泛素化后被26 s蛋白酶体降解成多肽,然后由组织相容性复合体(MHC)I类分子提呈到细胞表面,再被细胞毒性T细胞(CTL)识别。2、调节细胞周期：UPP调节降解调节蛋白,如细胞周期因子、信号传导蛋白等,在控制细胞周期尤其是生殖细胞方面起重要作用。细胞周期因子先被泛素化,然后由26 s蛋白酶体降解,导致周期因子依赖的激酶失活,从而使细胞有丝分裂期中止。细胞周期因子-周期因子依赖的激酶复合体可由它们特定的抑制因子使其失活,这些抑制因子也由泛素-蛋白酶体途径降解。（二）、一些生理学功能（二）、一些生理学功能（三）、（三）、UPPUPP与疾病与疾病 UPP与许多人类疾病有关。与泛素相关的疾病可分为2种:一种是泛素体系酶的突变导致的功能丧失或者是目标底物蛋白识别基序的改变,而导致某种蛋白的稳定。另一种是目标蛋白功能不正常或加速降解的结果。泛素蛋白酶体途径是细胞内环境稳定的关键调节因素,细胞的许多重要蛋白都在此通路的调控之下。泛素蛋白酶体通路对细胞内信号转导及细胞生长调控是一个很重要的调节因素,并与许多生理及病理过程密切相关。例如：当蛋白质裂解作用发生异常时，蛋白质裂解作用发生异常时，人体就会产生不适甚至疾病，人体就会产生不适甚至疾病，如子宫颈癌症和囊肿纤维症等。如子宫颈癌症和囊肿纤维症等。肿瘤发病机制中的作用肿瘤发病机制中的作用 泛素蛋白酶体通路在肿瘤的发病机制中起重要作用。肿瘤可以起因于癌基因蛋白生长促进因子的稳定或由于肿瘤抑癌基因的不稳定。某些常规通过蛋白酶体降解的癌基因蛋白,如果不能及时地从细胞中清除,就会诱导细胞恶变。神经系统疾病发病机制中的作用神经系统疾病发病机制中的作用 近年来发现泛素系统也与神经细胞变性有关。如引起帕金森病的一个重要因子是Parkin,后者是泛素和蛋白的E3连接酶,能与E2 UbcH7 和UbcH8 共同作用,而Parkin自身也是经泛素化调节降解,一旦Parkin变性,影响某些蛋白降解,就会引起多巴胺类神经元的毒性损伤而引起常染色体隐性少年型帕金森病(autosomal recessive juvenile parkinsomism)。六、小六、小 结结 泛素-蛋白酶体途径是调节细胞内蛋白水平与功能的重要机制,涉及许多重要的生理过程和许多疾病及肿瘤的发病机制。尽管泛素蛋白酶体途径与人类疾病机制的关系还有待于进一步的研究,但此途径为人类克服许多难以治疗的疾病提供了一个新思路。此课件下载可自行编辑修改，供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！