Ubiquitin - Ubiquitin

Nem tévesztendő össze az Ubiquinollal .
Ubiquitin család
Ubiquitin rajzfilm-2-.png
Az ubiquitin diagramja . A hét lizin oldallánc sárga/narancssárga színnel látható.
Azonosítók
Szimbólum ubiquitin
Pfam PF00240
InterPro IPR000626
PROSITE PDOC00271
SCOP2 1aar / SCOPe / SUPFAM

Az ubiquitin egy kicsi (8,6 kDa ) szabályozó fehérje, amely az eukarióta szervezetek legtöbb szövetében megtalálható , azaz mindenütt megtalálható . 1975 -ben fedezte fel Gideon Goldstein, és az 1970 -es évek végén és az 1980 -as években tovább jellemezte. Az emberi genomban négy gén kódolja az ubikvitint: UBB , UBC , UBA52 és RPS27A .

A mellett az ubiquitin egy szubsztrátumra fehérjét nevezzük ubiquitylation (vagy, alternatív módon, ubikvitináció vagy ubiquitiniiáció ). Az ubikvitaláció sokféleképpen érinti a fehérjéket: megjelölheti őket a proteaszóma útján történő lebomlás szempontjából , megváltoztathatja a sejtek elhelyezkedését , befolyásolhatja aktivitásukat, és elősegíti vagy megakadályozza a fehérjék kölcsönhatását . Az ubikvitiláció három fő lépésből áll: aktiválás, konjugáció és ligálás, amelyet ubikvitint aktiváló enzimek (E1), ubikvitint konjugáló enzimek (E2s) és ubikvitin ligázok (E3s) végeznek. Ennek eredménye szekvenciális kaszkád, hogy kötődnek ubiquitin a lizin maradékok a protein szubsztráton keresztül izopeptid kötéssel , cisztein -maradékok egy tioészter kötést , szerin és treonin aminosavak keresztül észter kötéssel , vagy az amino-csoport a protein N-terminális keresztül peptidkötés .

A fehérje módosítások lehetnek egyetlen ubikvitinfehérje (monoubikvitaláció) vagy ubikvitinlánc (polibikvitiláció). A másodlagos ubiquitin-molekulák mindig a hét lizincsoport egyikéhez vagy az előző ubiquitin-molekula N-terminális metioninjához kapcsolódnak. Ezeket az "összekötő" maradékokat "K" vagy "M" (a lizin és a metionin egybetűs aminosav-jelölése ) és egy szám jelöli, amely az ubikvitin-molekulában elfoglalt helyére utal, mint a K48, K29 vagy M1 . Az első ubiquitin-molekula C-terminális karboxilátcsoportján keresztül kovalensen kötődik a célfehérje egy adott lizinjéhez, ciszteinéhez, szerinjéhez, treoninjához vagy N-terminálisához. A polibikvitiláció akkor következik be, amikor egy másik ubikvitin C-terminálisát a korábban hozzáadott ubikvitinmolekula hét lizinmaradékának egyikéhez vagy az első metioninhoz kapcsolják, és láncot hoznak létre. Ez a folyamat többször megismétlődik, ami több ubiquitin hozzáadásához vezet. Csak meghatározott lizineken, főleg K48 -on és K29 -en, a polibubicitiláció kapcsolódik a proteaszóma általi lebomláshoz ("halál molekuláris csókja" -nak nevezik), míg más polibikvitalitások (pl. olyan folyamatokat, mint az endocita kereskedelem , gyulladás , transzláció és DNS -javítás .

2004 -ben a kémiai Nobel -díjjal tüntették ki azt a felfedezést, hogy az ubiquitin láncokat célozza meg a fehérjékhez a proteaszómához, amely lebontja és újrahasznosítja a fehérjéket .

Azonosítás

Az Ubiquitin felszíni ábrázolása.

Az ubiquitint (eredetileg mindenütt jelenlévő immunopoietikus polipeptidet ) először 1975 -ben azonosították, mint 8,6 kDa fehérjét, amely minden eukarióta sejtben expresszálódik. Az alapfunkciók ubiquitin és a komponensek a ubiquitylation útvonal megvilágították a korai 1980-as években a Technion által Aaron Ciechanover , Avram Hersko és Irwin Rose , melyek a kémiai Nobel-díjat kapott 2004-ben megítélt.

A mindenütt jelenlevő rendszert kezdetben ATP -függő proteolitikus rendszerként jellemezték a sejtkivonatokban. Az ezekben a kivonatokban jelen lévő hőstabil polipeptidről , az ATP-függő proteolízis 1-es faktorról (APF-1), az ATP- és Mg 2+ -függő eljárás során kovalensen kötődött a modell fehérje szubsztrát lizozimhoz . Több APF-1 molekula kapcsolódott egyetlen szubsztrát molekulához egy izopeptid kötéssel, és a konjugátumok gyorsan lebomlottak a szabad APF-1 felszabadulásával. Nem sokkal az APF-1-fehérje konjugáció jellemzése után az APF-1-et ubiquitinként azonosították. A karboxil-csoport a C-terminális glicin-maradékkal az ubiquitin (Gly76) azonosították, mint a résszel konjugálva szubsztrát lizin maradékok.

A fehérje

Ubiquitin tulajdonságok (emberi)
A maradékok száma 76
Molekulatömeg 8564,8448 Da
Izoelektromos pont (pI) 6,79
Génnevek RPS27A (UBA80, UBCEP1), UBA52 (UBCEP2), UBB , UBC
Sorozat ( egybetűs ) MQIFV K TLTG K TITLEVEPSDTIENV K A K IQD K EGIPPD

QQRLIFAG K QLEDGRTLSDYNIQ K ESTLHLVLRLRGG

Az ubiquitin egy kis fehérje, amely minden eukarióta sejtben megtalálható . Számos funkcióját látja el a célfehérjék széles köréhez való konjugáció révén. Különféle módosítások történhetnek. Maga az ubiquitin fehérje 76 aminosavból áll, és molekulatömege körülbelül 8,6 kDa. A legfontosabb jellemzők közé tartozik a C-terminális farka és a 7 lizincsoport . Nagyon konzervált az eukarióta evolúció során; az emberi és az élesztő ubiquitin 96% -os szekvenciaazonossággal rendelkezik .

Gének

Az ubiquitint 4 különböző gén kódolja az emlősökben. Az UBA52 és az RPS27A gének az ubikvitin egyetlen példányát kódolják az L40 és S27a riboszómális fehérjékhez fuzionálva. Az UBB és UBC gének polibikvitin prekurzor fehérjéket kódolnak.

Mindenütt jelenlét

A mindenütt jelenlévő rendszer (RING E3 ligázt mutat).

Az ubikvitiláció (más néven ubikvitináció vagy ubikvitiniláció) egy enzimatikus poszt-transzlációs módosítás , amelyben egy ubikvitin fehérje kapcsolódik egy szubsztrát fehérjéhez . Ez a folyamat leggyakrabban kötődik az utolsó aminosav a ubiquitin ( glicin 76) egy lizin maradékot a szubsztrát. Egy izopeptid kötést között van kialakítva karboxil -csoport (COO - ) az ubiquitin a glicint és a epsilon- aminocsoport (ε- NH+
3) a szubsztrát lizinjéből. Az ubikvitinnel konjugált szubsztrát tripszin hasításával egy di-glicin "maradék" marad, amelyet az ubikviláció helyének azonosítására használnak. Az ubiquitin egy fehérje más helyeihez is kötődhet, amelyek elektronban gazdag nukleofilek , és ezt „nem kanonikus ubikvitilációnak ” nevezik. Ezt először a fehérje N-terminális amincsoportjával figyelték meg a MyoD fehérjében, nem pedig lizinmaradék helyett, és ezt azóta 22 másik fehérjében is megfigyelhették, beleértve az ubiquitint is. Egyre több bizonyíték van a nem-lizin-maradékokra is, mint ubikvillációs célpontok nem-amin csoportokat használva, mint például a cisztein szulfhidril-csoportja , és a treonin és a szerin hidroxil- csoportja. Ennek a folyamatnak a végeredménye egy ubikvitin molekula (monoubikvitaláció) vagy ubikvitin molekulák lánca (polibikvitináció) hozzáadása a szubsztrát fehérjéhez.

Az ubikvitinációhoz háromféle enzimre van szükség: ubikvitint aktiváló enzimekre , ubikvitint konjugáló enzimekre és ubikvitin- ligázokra, amelyek E1s, E2s és E3s néven ismertek. A folyamat három fő lépésből áll:

  1. Aktiválás: Az ubiquitint kétlépéses reakcióban egy E1 ubikvitint aktiváló enzim aktiválja , amely függ az ATP-től . A kezdeti lépés egy ubikvitin-adenilát intermedier előállítása. Az E1 megköti az ATP-t és az ubikvitint, és katalizálja az ubikvitin-molekula C-terminálisának acil-adenilezését . A második lépésben az ubikvitint az aktív hely cisztein -maradékába juttatja, az AMP felszabadulásával . Ez a lépés tioészter kötést eredményez az ubiquitin C-terminális karboxilcsoportja és az E1 cisztein- szulfhidril-csoport között . Az emberi genom két gént tartalmaz, amelyek enzimeket termelnek, amelyek képesek aktiválni az ubikvitint: UBA1 és UBA6 .
  2. Konjugáció: Az E2 ubikvitint konjugáló enzimek katalizálják az ubiquitin átvitelét az E1- ből az E2 aktív helyének ciszteinjébe egy transz (tio) észterezési reakción keresztül. E reakció végrehajtásához az E2 kötődik mind az aktivált ubikvitinhez, mind az E1 enzimhez. Az emberek 35 különböző E2 enzimet tartalmaznak, míg más eukarióta organizmusok 16 és 35 között vannak. Jellemzőjük a rendkívül konzervált szerkezetük, az ubiquitin-konjugáló katalitikus (UBC) redő.
    A glicin és a lizin izopeptidkötéssel kapcsolódik. Az izopeptidkötés sárgával van kiemelve.
  3. Ligáció: Az E3 ubikvitin ligázok katalizálják az ubikvitinációs kaszkád utolsó lépését. Leggyakrabban izopeptidkötést hoznak létre a célfehérje lizinje és az ubiquitin C-terminális glicine között. Általában ez a lépés megköveteli a több száz E3 aktivitását. Az E3 enzimek a rendszer szubsztrátfelismerő moduljaiként működnek, és képesek kölcsönhatásba lépni mind az E2 -vel, mind a szubsztráttal . Néhány E3 enzim szintén aktiválja az E2 enzimeket. Az E3 enzimek a két tartomány egyikét tartalmazzák : az E6-AP karboxiterminális ( HECT ) doménnel homológ és az igazán érdekes új gén ( RING ) domén (vagy a közeli rokon U-box domén). A HECT domén E3-jai ebben a folyamatban átmenetileg megkötik az ubikvitint (kötelező tioészter-köztitermék képződik az E3 aktív helyének ciszteinjével), míg a RING domén E3-katalizátorai az E2 enzimről a szubsztrátumra történő közvetlen átvitelt katalizálják. Az anafázis-elősegítő komplex (APC) és az SCF-komplex (Skp1-Cullin-F-box fehérje komplex esetében) két példa az E3 több alegységre, amelyek részt vesznek a specifikus célfehérjék felismerésében és mindenütt történő elterjedésében a proteaszóma általi lebomlás érdekében .

Az ubikvitinációs kaszkádban az E1 számos E2 -hez kötődhet, amelyek több száz E3 -hoz köthetnek hierarchikus módon. A kaszkádon belüli szintek lehetővé teszik az ubikvitináló gép szigorú szabályozását. Más ubiquitin-szerű fehérjék (UBL-k) szintén módosulnak az E1 – E2 – E3 kaszkádon keresztül, bár ezekben a rendszerekben is vannak eltérések.

Az E4 enzimek vagy ubiquitin-lánc megnyúlási faktorok képesek előre kialakított polibikvitin láncok hozzáadására a szubsztrát fehérjékhez. Például a p53 daganatszuppresszor Mdm2 általi többszörös monoubikvitilációját követheti egy polubiquitin lánc hozzáadása p300 és CBP segítségével .

Típusok

Az ubikvitináció befolyásolja a sejtfolyamatot a fehérjék lebomlásának szabályozásával ( proteaszóma és lizoszóma útján ), a fehérjék sejtbeli lokalizációjának koordinálásával , fehérjék aktiválásával és inaktiválásával, valamint a fehérje-fehérje kölcsönhatások modulálásával . Ezeket a hatásokat különböző típusú szubsztrát ubikvitinációk közvetítik, például egyetlen ubiquitin -molekula hozzáadása (monoubiquitination) vagy különböző típusú ubiquitin -láncok (polyubiquitination).

Monoubiquitination

A monoubiquitination egy ubiquitin molekula hozzáadása egy szubsztrát fehérje maradékhoz. A multi-monoubiquitination egy ubiquitin molekula hozzáadása több szubsztrát maradékhoz. Egy fehérje monoubikvitinálása eltérő hatást gyakorolhat ugyanazon fehérje polibikvitinálására. Úgy gondolják, hogy egyetlen ubiquitin -molekula hozzáadása szükséges a poliubikvitin -láncok kialakulása előtt. Monoubiquitination befolyásolja celluláris folyamatokat, mint a membrán-kereskedelem , endocitózis és a virális bimbózó .

Polyubiquitin láncok

A lizin 48-hoz kapcsolt diubikvitin diagramja . A két ubiquitin lánc közötti kapcsolat narancssárga színnel látható.
A lizin 63-hoz kapcsolt diubikvitin diagramja . A két ubiquitin lánc közötti kapcsolat narancssárga színnel látható.

A polubikvitináció egy ubikvitinlánc képződése a szubsztrátfehérje egyetlen lizinmaradékán. Miután egyetlen ubikvitin -részt fehérje -szubsztráthoz adtak, további ubikvitin -molekulákat adhatunk az elsőhöz, ami polibikvitin -láncot eredményez. Ezeket a láncokat úgy állítják elő, hogy egy ubikvitin molekula glicinmaradékát egy szubsztráthoz kötött ubikvitin lizinnel kapcsolják össze. Az ubiquitin hét lizinmaradékkal és egy N-terminállal rendelkezik , amely az ubikvitináció pontjaiként szolgál; ezek K6, K11, K27, K29, K33, K48, K63 és M1. A lizin 48-hoz kötött láncokat azonosították először, és ezek a legjobban jellemzett ubiquitin-láncok. A K63 láncokat szintén jól jellemezték, míg más lizinláncok, vegyes láncok, elágazó láncok, M1-hez kapcsolódó lineáris láncok és heterológ láncok (ubikvitin és más ubikvitin-szerű fehérjék keverékei) funkciója még tisztázatlan.

A lizin 48-hoz kapcsolt polibikvitin láncok a fehérjéket pusztítják, proteolízis néven ismert eljárással . Ahhoz, hogy a 26S proteaszóma felismerje, legalább négy ubiquitin-molekula láncot kell kötni az elítélt fehérje lizinmaradékához . Ez egy hordó alakú szerkezet, amely négy gyűrűs szerkezetből álló központi proteolitikus magot tartalmaz, két hengerrel, amelyek szelektíven lehetővé teszik az ubikvitinált fehérjék bejutását. A fehérjék bejutva gyorsan kis peptidekké bomlanak (általában 3–25 aminosav maradék hosszúak). Az ubiquitin molekulákat közvetlenül a megsemmisítés előtt lehasítják a fehérjéről, és újra felhasználják további felhasználásra. Bár a fehérje szubsztrátok többsége ubikvitinált, vannak példák a nem ubikvitinált fehérjékre, amelyek a proteaszómát célozzák. A polubikvitin láncokat a proteaszóma alegysége ismeri fel: S5a/Rpn10. Ezt az ubikvitinnel kölcsönható motívum (UIM) éri el, amely az S5a/Rpn10 egység C-terminális régiójában található hidrofób foltban található .

A lizin 63-hoz kapcsolt láncok nem járnak a szubsztrát fehérje proteaszómális lebomlásával. Ehelyett lehetővé teszik más folyamatok, például az endocita kereskedelem , a gyulladás , a transzláció és a DNS -javítás koordinálását . A sejtekben a lizin 63-hoz kapcsolt láncokat az ESCRT-0 komplex köti , ami megakadályozza a proteaszómához való kötődésüket. Ez a komplex két fehérjét, a Hrs-t és a STAM1-et tartalmaz, amelyek UIM-t tartalmaznak, amely lehetővé teszi, hogy kötődjön a lizin 63-hoz kapcsolt láncokhoz.

Kevesebbet értenek az atipikus (nem lizinnel 48-hoz kapcsolt) ubiquitin láncokról, de a kutatások kezdenek sugallni ezeknek a láncoknak a szerepét. Bizonyíték van arra, hogy a 6 -os, 11 -es, 27 -es, 29 -es és 1 -es metionin által összekapcsolt atipikus láncok proteaszómális lebomlást okozhatnak.

Elágazó, több kötéstípust tartalmazó ubiquitin -láncok alakíthatók ki. Ezeknek a láncoknak a funkciója ismeretlen.

Szerkezet

A különböző láncok specifikus hatást gyakorolnak a fehérjére, amelyhez kapcsolódnak, a fehérje láncok konformációinak különbségei miatt. A K29-, K33-, K63- és M1-láncú láncok meglehetősen lineáris konformációjúak; nyílt konformációjú láncokként ismertek. A K6-, K11- és K48-hoz kapcsolódó láncok zárt konformációkat képeznek. A nyílt konformációjú láncok ubikvitin-molekulái nem lépnek kölcsönhatásba egymással, kivéve az őket összekötő kovalens izopeptidkötéseket . Ezzel szemben a zárt konformációs láncok egymással kölcsönhatásban lévő maradékokkal rendelkeznek. A lánckonformációk megváltoztatása az ubiquitin fehérje különböző részeit tárja fel és rejti el, és a különböző kötéseket olyan fehérjék ismerik fel, amelyek specifikusak az egyedi topológiákhoz , amelyek a kötődéshez tartoznak. A fehérjék specifikusan kötődhetnek az ubikvitinhez ubikvitinkötő doméneken (UBD) keresztül. A láncok egyes ubiquitin egységei közötti távolságok eltérnek a lizin 63 és 48 kapcsolt láncok között. Az UBD-k ezt kihasználják azzal, hogy kis távközök vannak az ubikvitinnel kölcsönhatásba lépő motívumok között , amelyek a lizin 48-hoz kapcsolt láncokat (kompakt ubikvitin láncok) kötik, és a nagyobb távtartók a 63 lizin-kapcsolt láncokhoz. A poliubikvitin láncok felismerésében részt vevő gépek különbséget tudnak tenni a K63-hoz kötött láncok és az M1-hez kapcsolódó láncok között is, amit az is bizonyít, hogy ez utóbbi a szubsztrát proteaszomális lebomlását idézheti elő.

Funkció

Az ubikvitinációs rendszer számos sejtfolyamatban működik, többek között:

Membránfehérjék

A multi-monoubikvitináció megjelölheti a transzmembrán fehérjéket (például receptorokat ) a membránokról való eltávolításra (internalizáció), és számos jelző szerepet tölthet be a sejtben. Amikor a sejtfelszíni transzmembrán molekulákat ubiquitinnel jelölik, a fehérje szubcelluláris lokalizációja megváltozik, gyakran a fehérjét a lizoszómákban történő megsemmisítésre irányítva. Ez negatív visszacsatolási mechanizmusként szolgál, mivel a receptorok ligandumok általi stimulálása gyakran növeli ubikvitinációjuk és internalizációjuk sebességét. A monoubiquitinationhez hasonlóan a lizin 63-hoz kapcsolt polibikvitin láncok is szerepet játszanak bizonyos membránfehérjék forgalmazásában.

Fougaro rendszer

A fougaro-rendszer (görögül; Fougaro, kémény) a sejtmagban található egy organelláris rendszer, amely mechanizmus lehet a sejtekből a külső közegbe történő molekulák újrahasznosítására vagy eltávolítására. A molekulákat vagy peptideket ubikvitinálják, mielőtt felszabadítják őket a sejtek magjából. Az ubikvitinált molekulák önállóan szabadulnak fel, vagy társulnak endoszomális fehérjékhez, például a Beclinhez.

Genomikus karbantartás

A proliferáló sejtmag -antigén (PCNA) egy fehérje, amely részt vesz a DNS -szintézisben . Normális élettani körülmények között a PCNA szumoiilezett (hasonló a poszt-transzlációs módosításhoz, mint az ubiquitination). Ha a DNS -t ultraibolya sugárzás vagy vegyi anyagok károsítják , a lizinmaradékhoz kapcsolt SUMO molekulát ubiquitin helyettesíti. A monoubikvitinált PCNA olyan polimerázokat toboroz, amelyek képesek sérült DNS -sel DNS -szintézist végezni; de ez nagyon hibára hajlamos, valószínűleg mutált DNS szintézisét eredményezi. A PCNA lizin 63-hoz kapcsolt polibikvitinálása lehetővé teszi, hogy a sablonváltási útvonal által ismert, kevésbé hibára hajlamos mutáció-bypass-t végezzen.

A H2AX hiszton ubikvitinációja részt vesz a DNS kettős szálú töréseinek DNS-károsodásának felismerésében . A lizin 63-hoz kapcsolt poliubikvitin láncokat H2AX hisztonon az E2/E3 ligázpár, az Ubc13-Mms2/RNF168 képezi. Úgy tűnik, hogy ez a K63 lánc RAP80 -at toboroz, amely UIM -t tartalmaz , és a RAP80 ezután segít a BRCA1 lokalizálásában . Ez az út végül felveszi a homológ rekombináció javításához szükséges fehérjéket .

Transzkripciós szabályozás

A hisztonok ubikvitinálhatók, és ez általában monoubikvitináció formájában történik (bár előfordulnak polubikvitinált formák is). A hiszton ubikvitináció megváltoztatja a kromatin szerkezetét, és lehetővé teszi a transzkripcióban részt vevő enzimek hozzáférését. A hisztonokon található ubiquitin kötőhelyként is működik a fehérjékhez, amelyek vagy aktiválják vagy gátolják a transzkripciót, és további fehérje-transzláció utáni módosításokat is kiválthatnak. Ezek a hatások mind módosíthatják a gének transzkripcióját.

Deubiquitination

A deubikvitináló enzimek (DUB) ellenzik az ubiquináció szerepét azáltal, hogy eltávolítják az ubiquitint a szubsztrátfehérjékből. Ezek cisztein proteázok, amelyek lehasítják a két fehérje közötti amidkötést . Nagyon specifikusak, csakúgy, mint az ubikvitint kötő E3 ligázok, enzimenként csak néhány szubsztráttal. El tudják hasítani mind az izopeptidet (az ubikvitin és a lizin között), mind a peptidkötéseket (az ubikvitin és az N-terminális között ). Amellett, hogy a DUB -k eltávolítják az ubiquitint a szubsztrátfehérjékből, sok más szerepe is van a sejtben. Az ubiquitint vagy több példányban fejezik ki, amelyek lánchoz kapcsolódnak (polyubiquitin), vagy riboszómális alegységekhez kapcsolódnak. A DUB -k ezeket a fehérjéket hasítják, hogy aktív ubiquitint termeljenek. Újrafeldolgozzák az ubikvitint is, amely kis nukleofil molekulákhoz kötött az ubikvitinálási folyamat során. A monoubikvitint olyan DUB -ok alkotják, amelyek az ubiquitint a fehérjékből korábban eltávolított szabad polibikvitinláncokból hasítják le.

Ubiquitin-kötő domének

A jellemzett Ubiquitin-kötő domének táblázata
Tartomány Fehérjék száma

a Proteome -ban

Hossz

(aminosavak)

Ubiquitin kötés

Affinitás

DÁKÓ S. cerevisiae : 7

H. sapiens : 21

42–43 ~ 2-160 μM
GATII S. cerevisiae : 2

H. sapiens : 14

135 ~ 180 μM
RAGASZTÓ S. cerevisiae :?

H. sapiens :?

~ 135 ~ 460 μM
NZF S. cerevisiae : 1

H. sapiens : 25

~ 35 ~ 100–400 μM
PAZ S. cerevisiae : 5

H. sapiens : 16

~ 58 Nem ismert
UBA S. cerevisiae : 10

H. sapiens : 98

45–55 ~ 0,03-500 μM
UEV S. cerevisiae : 2

H. sapiens :?

~ 145 ~ 100-500 μM
UIM S. cerevisiae : 8

H. sapiens : 71

~ 20 ~ 100–400 μM
VHS S. cerevisiae : 4

H. sapiens : 28

150 Nem ismert

Az ubiquitin-kötő domének (UBD-k) moduláris fehérje domének, amelyek nem kovalensen kötődnek az ubiquitinhez, ezek a motívumok szabályozzák a különböző sejtes eseményeket. A részletes molekuláris szerkezetek számos UBD -ről ismertek, a kötődési specifitás meghatározza hatásmechanizmusukat és szabályozásukat, valamint azt, hogy hogyan szabályozza a sejtfehérjéket és -folyamatokat.

Betegség egyesületek

Patogenezis

Az ubiquitin útvonal számos betegség és rendellenesség patogenezisébe kapcsolódik, beleértve:

Neurodegeneráció

Az ubiquitin szerepet játszik a proteosztázis diszfunkciójához kapcsolódó neurodegeneratív betegségekben, beleértve az Alzheimer -kórt , a motoros neuronokat , a Huntington -kórt és a Parkinson -kórt . Az ubiquilin-1 különböző izoformáit kódoló transzkripciós változatok megtalálhatók az Alzheimer- és Parkinson-kórhoz társuló elváltozásokban . Kimutatták, hogy az agyban az ubiquilin magasabb szintje csökkenti az Alzheimer -kór kiváltásában kulcsszerepet játszó amiloid prekurzor fehérje (APP) malformációját . Ezzel szemben az ubiquilin-1 alacsonyabb szintje az agyban az APP fokozott malformációjával járt . Az ubiquitin B keretváltási mutációja azt eredményezheti, hogy a csonkított peptidből hiányzik a C-terminális glicin . Ez az UBB+1 néven ismert abnormális peptid bizonyítottan szelektíven halmozódik fel az Alzheimer -kórban és más tauopathiákban .

Fertőzés és immunitás

Az ubiquitin és az ubiquitin-szerű molekulák gyakorlatilag minden szakaszában kiterjedten szabályozzák az immunjelek transzdukciós útvonalait , beleértve az egyensúlyi állapotú elnyomást, a fertőzés során történő aktiválást és a felszabadulás utáni csillapodást. E szabályozás hiányában a kórokozók elleni immunaktiváció hibás lehet, ami krónikus betegséghez vagy halálhoz vezethet. Alternatív megoldásként az immunrendszer hiperaktiválódhat, és a szervek és szövetek autoimmun károsodásoknak lehetnek kitéve .

Másrészt a vírusoknak blokkolniuk vagy át kell irányítaniuk a gazdasejt folyamatait, beleértve az immunitást is, hogy hatékonyan szaporodjanak, ugyanakkor sok, a betegség szempontjából releváns vírus információs szempontból korlátozott genomokkal rendelkezik . A sejtben játszott nagyon sok szerepe miatt az ubiquitin -rendszer manipulálása hatékony módja annak, hogy az ilyen vírusok blokkolják, felforgatják vagy átirányítják a kritikus gazdasejt -folyamatokat saját replikációjuk támogatására.

A retinsav-indukálható gén I ( RIG-I ) fehérje elsődleges immunrendszer-szenzor a vírusos és más invazív RNS-hez emberi sejtekben. A RIG-I-szerű receptor ( RLR ) immunjelző útvonala az egyik legszélesebb körben tanulmányozott az ubiquitin immunszabályozásban betöltött szerepe tekintetében.

Genetikai rendellenességek

  • Az Angelman-szindrómát az UBE3A megzavarása okozza , amely az ubiquitin ligáz (E3) enzimet kódolja, amelyet E6-AP-nek neveznek.
  • A Von Hippel-Lindau-szindróma magában foglalja a VHL tumorszuppresszornak vagy VHL- génnek nevezett ubiquitin E3 ligáz megszakítását .
  • Fanconi -vérszegénység : A tizenhárom azonosított gén közül nyolc, amelyek megzavarása ezt a betegséget okozhatja, olyan fehérjéket kódolnak, amelyek nagy ubikvitin -ligáz (E3) komplexet alkotnak.
  • A 3-M szindróma egy autoszomális-recesszív növekedési retardációs rendellenesség, amely a Cullin7 E3 ubiquitin ligáz mutációival jár .

Diagnosztikai felhasználás

Az ubiquitin elleni antitesteket alkalmazó immunhisztokémia képes azonosítani e fehérje kóros felhalmozódását a sejtekben, jelezve a betegség folyamatát. Ezeket a fehérje -felhalmozódásokat zárványtesteknek nevezik (ez egy általános kifejezés a sejtekben előforduló kóros anyagok mikroszkopikusan látható gyűjteményére). Például:

Link a rákhoz

A fehérjék poszttranszlációs módosítása általánosan használt mechanizmus az eukarióta sejtek jelátvitelében. Az ubikvitináció vagy a fehérjékhez való ubiquitin konjugáció kulcsfontosságú folyamat a sejtciklus progressziója, valamint a sejtproliferáció és fejlődés szempontjából. Bár az ubikvitináció rendszerint jelzésként szolgál a fehérjék lebomlásához a 26S proteaszóma révén , más alapvető sejtfolyamatokban is szolgálhat, például endocitózisban , enzimatikus aktivációban és DNS -javításban. Továbbá, mivel ubikvitináció funkciók szorosan szabályozzák a sejtek szintjén ciklinek , a hibás szabályozását várhatóan súlyos hatásai. Az első bizonyítékot az ubikvitin/proteaszóma út jelentőségéről az onkogén folyamatokban a proteaszóma inhibitorok magas tumorellenes aktivitása miatt figyelték meg. Különböző vizsgálatok kimutatták, hogy az ubikvitinációs folyamatok hibái vagy elváltozásai általában emberi karcinómához kapcsolódnak vagy jelen vannak. Rosszindulatú daganatok alakulhatnak ki a funkciómutáció elvesztésével közvetlenül a tumorszuppresszor génnél , az ubikvitináció fokozott aktivitásával és/vagy az ubiquitináció közvetett gyengülésével a rokon fehérjék mutációja miatt.

Az E3 ubiquitin ligáz funkciómutációjának közvetlen elvesztése

Vesesejtes karcinóma

A VHL ( Von Hippel – Lindau ) gén egy E3 Ubiquitin Ligase összetevőjét kódolja . A VHL komplex a hipoxia által indukálható transzkripciós faktorcsalád (HIF) egyik tagját célozza meg a lebomlás érdekében azáltal, hogy normális körülmények között kölcsönhatásba lép az oxigénfüggő pusztulási doménnel. A HIF aktiválja a downstream célpontokat, például a vaszkuláris endoteliális növekedési faktort (VEGF), elősegítve az angiogenezist . A VHL mutációi megakadályozzák a HIF lebomlását, és így hypervascularis elváltozásokhoz és vesetumorokhoz vezetnek .

Mellrák

A BRCA1 gén egy másik tumorszuppresszor gén emberben, amely a BRCA1 fehérjét kódolja, amely részt vesz a DNS -károsodásra. A fehérje RING motívumot tartalmaz E3 Ubiquitin Ligase aktivitással. A BRCA1 ubikvitinációs aktivitása miatt dimereket képezhet más molekulákkal, például a BARD1 és a BAP1 . A ligázfunkciót befolyásoló mutációk gyakran megtalálhatók és különböző rákos megbetegedésekhez kapcsolódnak.

Cyclin E.

Mivel a sejtciklus előrehaladásának folyamatai a legalapvetőbb folyamatok a sejtnövekedés és a differenciálódás szempontjából, és a leggyakrabban változnak humán karcinómákban, várhatóan a sejtciklus-szabályozó fehérjék szigorú szabályozás alatt állnak. A ciklinek szintje, ahogy a neve is sugallja, csak a sejtciklus bizonyos időszakaiban magas. Ezt úgy érik el, hogy a ciklinek/CDK -k szintjét folyamatosan szabályozzák ubikvitinációval és lebomlással. Amikor a ciklin E társul a CDK2-hez és foszforilálódik, az SCF-hez kapcsolódó Fbw7 fehérje felismeri a komplexet, és ezáltal lebontásra irányítja. Az Fbw7 mutációit az emberi daganatok több mint 30% -ában találták, ami tumorszuppresszor fehérjeként jellemzi.

Fokozott ubikvitinációs aktivitás

Méhnyakrák

Ismeretes, hogy a humán papillomavírus (HPV) onkogén típusai eltérítik a sejtes ubikvitin- proteaszóma útvonalat a vírusfertőzés és a replikáció szempontjából. A HPV E6 fehérjéi a sejtes E6-AP E3 ubiquitin ligáz N-terminálisához kötődnek, átirányítva a komplexet a p53 , egy jól ismert tumorszuppresszor gén megkötésére , amely inaktivációt számos rákfajta esetében találnak. Így a p53 ubikvitináción és proteaszóma által közvetített degradáción megy keresztül. Eközben az E7, a korai expresszált HPV-gének egyike, az Rb- hez kötődik , szintén tumorszuppresszor gén, közvetítve annak lebomlását. A p53 és az Rb elvesztése a sejtekben lehetővé teszi a korlátlan sejtproliferációt.

p53 szabályozás

A gének sokszorozódása gyakran előfordul különböző daganatos esetekben, beleértve az MDM2 -t is , amely a p53 aktivitás csökkentéséért felelős RING E3 ubiquitin ligázt kódoló gén. Az MDM2 a p53 -at célozza meg az ubikvitináció és a proteaszóma lebomlása érdekében, ezáltal megtartva a normál sejtállapotnak megfelelő szintet. Az MDM2 túlzott expressziója a p53 aktivitás elvesztését okozza, és ezáltal lehetővé teszi a sejtek korlátlan replikációs potenciálját.

27. o

Egy másik gén, amely a génamplifikáció célpontja, az SKP2 . Az SKP2 egy F-box fehérje, amely szerepet játszik a szubsztrát felismerésében az ubikvitináció és a lebomlás szempontjából. Az SKP2 a p27 Kip-1 , a ciklinfüggő kinázok ( CDK ) inhibitorát célozza . CDKs2 / 4 partner a ciklinek E / D, illetve család sejtciklus szabályozására sejtciklus progresszióját a G1 fázisban. A p27 Kip-1 fehérje alacsony szintje gyakran megtalálható különböző rákos megbetegedésekben, és ennek oka az ubikvitin által közvetített proteolízis túlzott aktiválása az SKP2 túlzott expressziója révén.

Efp

Az Efp vagy ösztrogén által indukálható RING- ujjfehérje egy E3 ubikvitin ligáz, amely kimutatták, hogy a túlzott expresszió az ösztrogén- független mellrák fő oka . Az Efp szubsztrátja a 14-3-3 fehérje, amely negatívan szabályozza a sejtciklust.

Az ubikvitináció elkerülése

Colorectalis rák

A vastag- és végbélrákhoz társuló gén az adenomatózus polyposis coli (APC), amely egy klasszikus tumorszuppresszor gén . Az APC géntermék a béta-katenint célozza meg az N-terminális ubikvitináción keresztül történő lebomlás érdekében , ezáltal szabályozza annak sejtszintjét. A legtöbb vastag- és végbélrákot az APC gén mutációival találják meg. Azokban az esetekben azonban, amikor az APC gén nem mutálódott, mutációk találhatók a béta-katenin N-terminálisában, ami ubikvitináció mentessé és ezáltal fokozott aktivitást eredményez.

Glioblastoma

Mivel a legagresszívabb rák az agyból származik, a glioblasztómában szenvedő betegeknél talált mutációk az epidermális növekedési faktor receptor (EGFR) extracelluláris doménjének egy részének törléséhez kapcsolódnak . Ez a deléció azt eredményezi, hogy a CBL E3 ligáz nem képes megkötni a receptort annak újrahasznosítása és lebomlása céljából ubikvitin-lizoszomális úton. Így az EGFR konstitutívan aktív a sejtmembránban, és aktiválja a sejtproliferációban és a migrációban részt vevő effektusait.

Foszforiláció-függő ubiquitination

Az ubikvitináció és a foszforiláció közötti kölcsönhatás folyamatos kutatási érdeklődés, mivel a foszforilezés gyakran jelzőként szolgál, ahol az ubikvitináció degradációhoz vezet. Ezenkívül az ubikvitináció be- és kikapcsolhatja a fehérje kinázaktivitását . A foszforiláció kritikus szerepét nagyrészt aláhúzzák a Cbl fehérje autoinhibíciójának aktiválásában és eltávolításában . A Cbl egy E3 ubikvitin ligáz RING ujj doménnel, amely kölcsönhatásba lép a tirozin kináz kötő (TKB) doménjével , megakadályozva a RING domén kölcsönhatását egy E2 ubikvitint konjugáló enzimmel . Ez az intramolekuláris kölcsönhatás egy autoinhibíciós szabályozás, amely megakadályozza a különböző növekedési faktorok, valamint a tirozin-kináz jelátvitel és a T-sejt aktiváció negatív szabályozó szerepét . Az Y363 foszforilezése enyhíti az autoinhibíciót és fokozza az E2 -hez való kötődést. Kimutatták, hogy azok a mutációk, amelyek a Cbl fehérjét a ligáz/tumorszuppresszor funkció elvesztése és a pozitív jelző/onkogén funkció fenntartása miatt működésképtelenné teszik, diszfunkcionálisak.

Drogcélpontként

Ubiquitin ligáz szubsztrátok szűrése

Az E3 ligáz szubsztrátok azonosítása kritikus fontosságú annak megértéséhez, hogy milyen hatással van az emberi betegségekre, mivel az E3-szubsztrát kölcsönhatások deregulációját gyakran sokan okozzák. Az E3 Ubiquitin Ligase szubsztrátjainak azonosítására használt mechanizmus korlátainak leküzdése érdekében 2008-ban kifejlesztették a „Global Protein Stability (GPS) Profiling” elnevezésű rendszert. Ez a nagy teljesítményű rendszer riporterfehérjéket használt fel, amelyek több ezer potenciállal olvadtak össze egymástól függetlenül hordja fel. A ligáz aktivitás gátlásával (a Cul1 domináns negatívvá tétele révén ezáltal az ubikvitináció nem fordul elő) a fokozott riporter aktivitás azt mutatja, hogy az azonosított szubsztrátok felhalmozódnak. Ez a megközelítés nagyszámú új szubsztráttal egészítette ki az E3 ligáz szubsztrátok listáját.

Lehetséges terápiás alkalmazások

A specifikus szubsztrátfelismerés blokkolása az E3 ligázok által, pl . Bortezomib .

Kihívás

Az egyik fontos és bővülő kutatási terület továbbra is egy olyan specifikus molekula megtalálása, amely szelektíven gátolja egy bizonyos E3 ligáz aktivitását és/vagy a betegségben szerepet játszó fehérje-fehérje kölcsönhatásokat. Ezenkívül, mivel az ubiquitination többlépcsős folyamat, különböző szereplőkkel és köztes formákkal, a kis molekulájú inhibitorok tervezésekor erősen figyelembe kell venni a komponensek közötti sok bonyolult kölcsönhatást.

Hasonló fehérjék

Fő cikk: Ubiquitin-szerű fehérje

Bár az ubiquitin a leginkább értett transzláció utáni módosító, egyre több ubiquitin-szerű fehérjecsalád (UBL) létezik, amelyek az ubikvitinnel párhuzamos, de attól eltérő úton módosítják a sejtcélokat. Ismert UBL-k: kis ubikvitin-szerű módosító ( SUMO ), ubikvitin keresztreaktív fehérje (UCRP, más néven interferon-stimulált gén-15 ISG15 ), ubikvitinnel kapcsolatos módosító-1 ( URM1 ), neuronális prekurzor-sejtben expresszált fejlettségileg lecsökkent fehérje-8 ( NEDD8 , más néven Rub1 S. cerevisiae-ben ), humán leukocita-antigén F-asszociált ( FAT10 ), autofágia-8 ( ATG8 ) és -12 ( ATG12 ), kevés ubiquitin-szerű fehérje ( FUB1 ), MUB (membránhoz rögzített UBL), ubiquitin fold-modifier-1 ( UFM1 ) és ubiquitin-szerű fehérje-5 ( UBL5 , amely az ubikitin-1 [Hub1] homológjaként ismert S. pombe-ban ). Míg ezek a fehérjék csak szerény elsődleges szekvenciaazonossággal rendelkeznek az ubiquitinnel, szoros rokonságban állnak a három dimenzióban. Például a SUMO csak 18% -os szekvenciaazonossággal rendelkezik, de ugyanazt a szerkezeti redőt tartalmazza. Ezt a hajtást "ubiquitin fold" -nak nevezik. A FAT10 és az UCRP kettőt tartalmaz. Ez a kompakt, gömb alakú béta-megfogási ránc megtalálható az ubiquitinben, az UBL-ekben és az ubikvitin-szerű domént tartalmazó fehérjékben, pl. Az S. cerevisiae orsó pólustest duplikációs fehérje, a Dsk2 és a NER fehérje, Rad23, mindkettő N-terminális ubiquitin domént tartalmaz .

Ezek a rokon molekulák új funkciókkal rendelkeznek, és befolyásolják a különböző biológiai folyamatokat. A különböző konjugációs utak között keresztszabályozás is van, mivel egyes fehérjék több UBL-vel módosulhatnak, és néha még ugyanazon a lizinmaradékon is. Például a SUMO módosítás gyakran antagonista módon hat az ubikvitinációval szemben, és a fehérje szubsztrátok stabilizálására szolgál. Az UBL -hez konjugált fehérjék jellemzően nem a proteaszóma általi lebontásra irányulnak, hanem inkább a különböző szabályozási tevékenységekben működnek. Az UBL -k kötődése megváltoztathatja a szubsztrát konformációját, befolyásolhatja a ligandumokkal vagy más kölcsönhatásba lépő molekulákkal szembeni affinitást, megváltoztathatja a szubsztrát lokalizációját és befolyásolhatja a fehérje stabilitását.

Az UBL -k szerkezetileg hasonlóak az ubiquitinhez, és olyan enzimatikus lépésekkel dolgozzák fel, aktiválják, konjugálják és szabadítják fel a konjugátumokból, amelyek hasonlóak az ubiquitin megfelelő mechanizmusaihoz. Az UBL-ket C-terminális bővítményekkel is lefordítják, amelyeket feldolgoznak, hogy feltárják az invariáns C-terminális LRGG-t. Ezek a módosítók saját specifikus E1 (aktiváló), E2 (konjugáló) és E3 (ligáló) enzimekkel rendelkeznek, amelyek konjugálják az UBL -ket az intracelluláris célpontokhoz. Ezeket a konjugátumokat megfordíthatják UBL-specifikus izopeptidázok, amelyek hasonló mechanizmusokkal rendelkeznek, mint a deubiquitináló enzimek.

Egyes fajokon belül a sperma mitokondriumok felismerése és megsemmisítése az ubiquitint is magában foglaló mechanizmus révén felelős a spermiumok mitokondriumának ártalmatlanításáért a megtermékenyítés után.

Prokarióta eredet

Az ubiquitin feltételezések szerint a ThiS ( O32583 ) vagy a MoaD ( P30748 ) -hoz hasonló baktériumfehérjékből származik . Ezek a prokarióta fehérjék, annak ellenére, hogy kevés szekvenciaazonosságot mutatnak (a ThiS 14% -os azonosságot mutat az ubiquitinnel), ugyanazt a fehérjeredőt osztják. Ezek a fehérjék kénkémiailag is osztoznak az ubiquitinnel. A MoaD, amely részt vesz a molibdopterin bioszintézisében, kölcsönhatásba lép a MoeB-vel, amely úgy működik, mint egy E1 ubikvitint aktiváló enzim a MoaD számára, erősítve a kapcsolatot ezen prokarióta fehérjék és az ubiquitin rendszer között. Hasonló rendszer létezik a ThiS esetében is, az E1-szerű ThiF enzimmel . Azt is feltételezik, hogy a Saccharomyces cerevisiae fehérje, az Urm-1, egy ubiquitinnel kapcsolatos módosító, "molekuláris fosszília", amely összeköti az evolúciós kapcsolatot a prokarióta ubiquitin-szerű molekulákkal és az ubiquitinnel.

Az archaeák funkcionálisan közelebb állnak az ubiquitin módosító rendszer homológjához, ahol SAMP -okkal (kis régészeti módosító fehérjék) végzett "sampilezést" végeznek. A sampilezési rendszer csak az E1 -et használja a fehérjék proteoszómába vezetésére . A Proteoarchaeota , amely az eukarióták őséhez kapcsolódik, rendelkezik az összes E1, E2 és E3 enzimmel, valamint szabályozott Rpn11 rendszerrel. A SAMP -tól eltérően, amelyek jobban hasonlítanak a ThiS -hez vagy a MoaD -hoz, a Proteoarchaeota ubiquitin leginkább az eukarióta homológokhoz hasonlít.

Prokarióta ubiquitin-szerű fehérje (Pup) és ubiquitin bakteriális (UBact)

A prokarióta ubiquitin-szerű fehérje (Pup) az ubiquitin funkcionális analógja , amelyet a gram-pozitív bakteriális Actinobacteriumokban találtak . Ugyanazt a funkciót tölti be (a fehérjék lebontását célozza), bár az ubikvitináció és a pupiláció enzimológiája eltérő, és a két családnak nincs homológiája. Az ubikvitináció háromlépéses reakciójával szemben a pupiláció két lépést igényel, ezért csak két enzim vesz részt a pupilációban.

2017-ben a Pup homológjait öt gramm-negatív baktériumból, hét jelölt baktériumfillából és egy archeonból jelentették. A Pup-homológok szekvenciái nagyon különböznek a Pup-tól a gram-pozitív baktériumokban, és ubiquitin-baktériumnak nevezték (UBact), bár a megkülönböztetést még nem bizonyították, hogy filogenetikailag alátámasztaná egy különálló evolúciós eredet, és kísérleti bizonyítékokat nem tartalmaz.

A Pup/UBact-proteaszóma rendszer megállapítása gram-pozitív és gram-negatív baktériumokban egyaránt azt sugallja, hogy vagy a Pup/UBact-proteaszóma-rendszer fejlődött ki a baktériumokban, mielőtt több mint 3000 millió évvel ezelőtt gram-pozitív és negatív kládokra osztották, vagy hogy ezeket a rendszereket különböző bakteriális törzsek szerezték be vízszintes géntranszfer (ek) révén egy harmadik, még ismeretlen szervezetből. A második lehetőség alátámasztására két UBact lókuszt találtak egy kulturálatlan anaerob metanotróf Archaeon genomjában (ANME-1; locus CBH38808.1 és locus CBH39258.1 ).

Ubiquitin domént tartalmazó humán fehérjék

Ide tartoznak az ubiquitin-szerű fehérjék.

ANUBL1 ; BAG1 ; BAT3/BAG6 ; C1orf131 ; DDI1 ; DDI2 ; FAU ; HERPUD1 ; HERPUD2 ; HOPS ; IKBKB ; ISG15 ; LOC391257 ; MIDN ; NEDD8 ; OASL ; PARK2 ; RAD23A ; RAD23B ; RPS27A ; SACS ; 8U SF3A1 ; SUMO1 ; SUMO2 ; SUMO3 ; SUMO4 ; TMUB1 ; TMUB2 ; UBA52 ; UBB ; UBC ; UBD ; UBFD1 ; UBL4 ; UBL4A ; UBL4B ; UBL7 ; UBLCP1 ; UBQLN1 ; UBQLN2 ; UBQLN3 ; UBQLN4 ; UBQLNL ; UBTD1 ; UBTD2 ; UHRF1 ; UHRF2 ;

Rokon fehérjék

Az ubikvitináció előrejelzése

A jelenleg rendelkezésre álló előrejelző programok a következők:

  • Az UbiPred egy SVM alapú előrejelző szerver, amely 31 fizikai -kémiai tulajdonságot használ az ubikvitinációs helyek előrejelzésére.
  • Az UbPred egy véletlenszerű erdőalapú előrejelző a fehérjék potenciális ubikvitinációs helyein. 266 nem redundáns, kísérletileg ellenőrzött ubiquitinációs helyszínen, a kísérleteinkből és két nagyszabású proteomikai vizsgálatból elérhető kombinált készleten képezték.
  • A CKSAAP_UbSite egy SVM-alapú előrejelzés, amely a lekérdezési oldalt körülvevő k-távolságú aminosav-párok összetételét (azaz a lekérdezéssorozat bármely lizinjét) használja bemenetként, ugyanazt az adatkészletet használja, mint az UbPred.

Podcast

  • Az ubiquitin proteaszóma rendszerének vizsgálata egy demenciakutató podcast fókuszában volt, [1] . A podcast 2021. augusztus 16 -án jelent meg, házigazdája Selina Wray professzor a University College Londonból.

Lásd még

Hivatkozások

Külső linkek