真核細胞中的蛋白質翻譯加工主要有兩條途徑,一條是信號肽引導的內質網-高爾基體途徑,即分泌途徑,另一條是游離核糖體途徑。前者包括分泌蛋白、膜蛋白和溶酶體蛋白,后者主要是胞漿蛋白、核蛋白和一些細胞器蛋白。
分泌途徑的翻譯主要在內質網完成,而另一條途徑是在游離核糖體上完成翻譯,然后被特異定位標簽引導進入線粒體、葉綠體、過氧化物酶體及細胞核等處,沒有標簽的就留在胞漿。
2004年諾貝爾化學獎頒發給以兩名色列和一名美國科學家,以表彰他們發現了泛素調節的蛋白質降解,從此拉開了研究生物體泛素化修飾的序幕;
泛素(Ubiquitin)是一種由76個氨基酸組成的小分子多肽,存在于真核生物的所有組織中;在哺乳動物、酵母和植物之間只有三種氨基酸的差異,泛素表現出顯著的進化保守性;
人類基因組中的四個基因編碼泛素:UBB,UBC,UBA52和RPS27A,所編碼的泛素多肽可聚集形成多聚泛素鏈;
泛素化系統降解蛋白質的原理:
(1)泛素活化酶( ubiquitin activating enzyme,E1) 在ATP的參與下催化泛素C 末端的甘氨酸( Gly ), 形成泛素-腺苷酸中間產物, 然后激活的泛素被轉移至E1酶的半胱氨酸(Cys)殘基上。
(2)活化的泛素通過轉酰基作用進一步轉移到泛素結合蛋白( ubiquitin conjugating enzyme, E2)上, 形成E2-泛素巰基酯。
(3)E2- 泛素復合體接下來可以有兩種方式與要降解的底物蛋白質結合: 一是直接從E2 轉移給底物蛋白質形成泛素- 蛋白質復合體; 二是底物蛋白質首先與泛素連接酶( ubiquitin ligating enzyme, E3) 結合, 然后底物蛋白質與E2 轉移的泛素結合。在所有依賴E3 的連接和一些非依賴E3 的連接反應中, 多個泛素單元可與底物蛋白質連接成泛素多聚鏈, 各個泛素單體之間連接的位點主要是第48 位的賴氨酸( Lys48) 。最終泛素- 蛋白質復合體主要是被一種沉降系數為26S 的蛋白酶體所識別降解, 少數被溶酶體和小泡內的酶降解。同時由泛素C 末端水解酶( Ub C terminal hydrolase) 釋放泛素供再循環利用。E3對靶蛋白的特異性識別在泛素調節路徑中起決定作用。
(Stone, Sophia L., 2019)
泛素化是一個可逆的過程,它存在一個重要的對立機制——去泛素化,這一途徑的存在,使得調控可以向兩個方向進行,提高了細胞內的信號通路的多樣性。
去泛素化作用原理:催化水解泛素分子C末端的多肽鏈連接,即從活性硫醇位點將泛素與靶蛋白拆開,從而去除和解聚底物蛋白質上的多聚泛素鍵,防止多聚泛素在底物蛋白的聚集(Kim JH et al., 2003)。
目前已在人類發現的有600多種E3連接酶;在穩定狀態下,可以檢測到數千個細胞內蛋白上的20000個泛素化位點(Clague et al., 2015; Kim et al., 2011; Udeshi et al., 2013);
E3連接酶(根據結構域的不同)主要分兩種類型:HECT結構域以及RING結構域。HECT結構域的E3連接酶先自身結合泛素然后將泛素轉移至底物,而RING結構域的E3連接酶使E2酶直接將泛素轉移至底物(Husnjak K et al., 2012);
E3對靶蛋白的特異性識別在泛素調節路徑中起決定作用。
小結:
泛素-蛋白水解酶體途徑(UPP)是通過E1、E2、E3酶系統將泛素或泛素樣蛋白標記到靶蛋白,從而蛋白酶體將其降解的過程,生物體為保持平衡,還存在對立的去泛素化系統,即水解泛素與靶蛋白的連接。E3連接酶特異性識別靶蛋白,在UPP過程中起決定性作用,因此對泛素化的研究主要集中在E3連接酶與靶蛋白之間相互作用的研究。