细胞生物学作业 5页

蛋白质的降解途径及其机制姓名：朱云霞学号：20122603专业：临床血液病学摘要：人体组织细胞中存在多种蛋白降解途径，目前研究最多的是溶酶体降解途径和泛素一蛋白酶体降解途径，其中溶酶体途径主要降解细胞内吞的胞外蛋白质，泛素化降解途径主要降解胞内泛素标记的蛋白质。泛素蛋白降解系统是细胞内一系列生命进程的重要调节方式，与疾病的发生发展关系密切。目前的研究热点主要是针对泛素蛋白酶体系统的治疗疾病的新方法研究。然而，很少关注蛋白酶体以非泛素依赖方式降解蛋白质的可能性．近年来，已发现不少蛋白质被蛋白酶体以非泛素依赖方式降解，该文就蛋白质降解系统的组成及其机制进行综述。关键词：蛋白质降解；自噬；泛素蛋白酶体系统；非泛素依赖生命有机体是一个复杂、动态的系统，时刻进行着不断的新陈代谢，产生新物质、清除废物质及有害物质、协调各个部位间的功能发挥。偶尔该系统也会发生紊乱，引发各种异常功能，出现疾病的症状。而这所有的一切都依赖于生物大分子蛋白质。蛋白质是机体内各种功能的执行者，如机体免疫、细胞凋亡、信号转导、刺激反应及个体发育等。蛋白质功能的正常发挥决定着有机体能否有序、高效的进行体内基因表达产物的正确折叠、空间构象的正确形成决定了蛋白质的正常功能，因为只有当其折叠形成正确的三维空间结构才可能具有正常的生物学功能，如果这些生物大分子的折叠在体内发生了故障，形成错误的空间结构，不但将丧失其生物学功能，甚至会引起疾病。细胞是生命体的基本单位，每一个活细胞执行功能的背后，都有大量的通过特殊途径折叠的蛋白质执行着非常专一的任务，但是如果此生物功能的源头出现了错误就会引起麻烦：一个细胞的日常活动充满着潜在的隐患，出现错误会引起严重后果：从细胞的死亡（如：神经变性疾病）到癌细胞不受控制的生长以及细胞毒性等等一系列问题。在内质网和分泌路径的下游细胞器中，有多种质量控制机制以保证在细胞生命过程中蛋白质表达的精确性，只有那些能够通过严格选择程序的蛋白质才能达到其相应的靶组织和细胞器，如果不能通过正常的成熟选择，歧变的产物被降解，质量控制通过将蛋白质保护在内质网内特殊的折叠环境，以防止有害的、能够引起蛋白质不完全折叠或装配的过程。因此，阐明错误蛋白折叠降解的类型、机制及其功能对保障生命有机体的正常运转，预防、治疗相关的疾病有着重要意义。已发现有4种蛋白质水解体系，分别是自噬．溶酶体体系、线粒体蛋白酶体系、钙依赖蛋白酶体系和泛素．蛋白酶体体系。1.自噬目前的资料表明，自噬是一个在真核生物中高度保守的过程，它发生在细胞质中，细胞内过多或异常的细胞器被运输到溶酶体中被降解。在细胞内主要有3种类型的自噬，即分子伴侣介导的自噬、巨自噬(Macroautoph89y)和微自噬(Microautophagy）。这些自噬过程都有一个共同点，即都是在溶酶体中实现蛋白的降解。微自噬是溶酶体直接通过溶酶体膜的突出、隔膜或，和内陷来直接吞噬细胞质。而巨自噬则是细胞内过多或异常的细胞器及其周围的蛋白质和部分细胞质被双层膜所包裹形成自噬体，随后自噬体与溶酶体融合并且辟解其所包裹的内容物【1】。分子伴侣介导的自噬是具有高度选择性的。\n-并且只能降解一些特定蛋白而不能降饵细胞器，这些能够被降解的蛋白都舍有特定的氨基酸序列且能被Hsc70分子伴侣或其复合物所识别并结合，随后底物蛋白和分子伴侣复合物能被直接运送到溶酶体内，底物则在溶酶体内降解【1】。1.1自噬过程及其分子机制目前，在酵母和其他真核生物中鉴定了许多参与自噬的基因，这些基因被命名为自噬相关基因(Auto-phagy-relatedgenes,ATG).一系列由atg基因的产物组成的复合物参与协调自噬体(Autophagosomes)的形成。，mTORcl是细胞生长和代谢的重要调节因子，它由5个亚基组成。其中包括Raptor(与uLKl相互作用)和m1DR(具有的丝氯酸，苏氨酸激酶活性)。mToRcl通过磷酸化ATG1/ULKl和ATG13从而抑制自噬的起始。在饥饿的条件下，mTORC1从ATG1/ULKl上分离，从而诱导自噬体的成核(Nucleation)和延伸(Elongation)【2】。自噬小泡的成核需要含有ATG6(其哺乳动物同源蛋白命名为Beclin1)的复合物，这个复合物能够与第三类磷酸肌醇3激酶vPs34形成超级复会物(第三类磷酸肌醇3激酶复合物)并使其激活产生磷脂酰肌醇3磷酸(Phosphatidylinositol-3-phosHate,PI3P)【3】.自噬体膜的延伸涉及两个类泛察的蛋白质ATG12和ATG8/Lc3)和两个相关的连接系统。其中一个途径是在类El连接酶ATG7和类E2连接酶ATGlO的作用下把ATGl2共价连接到ATG5上，并与Atgl6L1形成自噬体结构(Pre-autophagosomal-structures,PAS)。第二个类泛素化途径是ATG8，Lc3首先被蛋白酶ATG4剪切，磷脂酰乙醇胺在类El连接酶ATG7和类E2连接酶ATG3的作用下共价连接到剪切过的ATG8／Lc3上。这个过程导致LC3由可溶形式(LC3一I)转变为脂溶形式(LC3-II)，Lc3一II能够与新形成的自噬体膜结合。Lc3-II一直结合在自噬体膜上直到自噬体与溶酶体融合，因此，它也经常被用作细胞内自噬的标记物【2-4】。ATG9复合物在自噬体形成的过程中也起着重要的作用，它可能为自噬体的形成提供膜来源【3】。其机制还不是很清楚。最后，自噬体通过与溶酶体融合而形成成熟的自噬体即自噬溶酶体(Aut01ysosomes)。在自噬溶酶体内，自噬体内层膜以及内容物在溶酶体内被降解。然后，溶酶体通透酶释放出降解产物到细胞质中以供生物合成和代谢，这些降解产物包括氨基酸、脂类、核苷酸和碳水化合物等【2-4】。2,蛋白酶体系真核细胞中非溶酶体蛋白质降解主要依赖于蛋白酶体的作用，细胞内被降解的蛋白质70％~80％以上由蛋白酶体体系负责降解，主要降解短寿命蛋白如新合成的蛋白质、错误折叠的蛋白质和调节蛋白质。蛋白酶体是多亚基的、把蛋白质降解为含7至9个氨基酸肽段的蛋白酶，是负责选择性降解短寿命调节蛋白质和损伤蛋白质的主要蛋白酶，有酶促活性的蛋白酶体是由圆柱形的20S核心颗粒和3个蛋白酶体激活因子：PA700、PA28和PA200构成，20S核心颗粒是由4个七聚体环堆叠而成：2个外α环在两端，2个内β环在中间，形成αββα结构．α环负责结合调节因子，β环含有肽谷氨酰基肽水解酶、胰蛋白酶样和胰凝乳蛋白酶样活性位点(分别为β1、β2和β5)．当蛋白质底物进入由2个β环构成的20S腔内，蛋白质被降解为肽段．然而，没有蛋白酶体激活因子，20S的α环通常被其氨基端的肽所阻止而关闭，蛋白质底物被阻止进入20S腔内．当蛋白酶体激活因子结合α环时，α环氨基端的肽阻止被解除，其孔成为蛋白质底物进入20S蛋白酶体的入口．20S蛋白酶体存在于细胞核和细胞质中．19S(或PA700)蛋白酶体激活因子结合20S形成26S蛋白酶体，这是一种ATP和泛素依赖的蛋白酶复合体．大多数细胞蛋白质是泛素化后经26S蛋白酶体降解，泛素-\n蛋白酶体体系是降解蛋白质的最主要体系之一．已在19S激活因子内发现6种不同的ATP酶亚基，它们很可能在蛋白质底物转入20S腔前提供ATP、解折叠蛋白质底物并使蛋白质底物去泛素化．然而，蛋白酶体激活因子REG(也称为11S或PA28)不含ATP酶活性，不依赖ATP和泛素介导蛋白酶体降解。2.1泛素一蛋白酶体系统的组成及功能泛素一蛋白酶体系统主要由泛素、泛素启动酶(包括泛素激活酶、泛素结合酶、泛素连接酶)、26S蛋白酶体和去泛素化酶组成。泛素蛋白酶体系统在高等真核生物细胞中的功能主要体现在两个方面：一方面降解细胞内的蛋白，另一方面是非降解作用，调节细胞内不同蛋白的定位和活性。泛素蛋白酶体系统的功能是维持正常细胞的生理活动，包括：细胞周期进程、信号转导、细胞应激和DNA修复。另外，还可以降解对细胞产生破坏作用的错误折叠蛋白和错误组装蛋白等[5]。泛素泛素是首先由Goldstein发现的广泛存在于真核细胞内高度保守的多肽，由76个氨基酸组成，分子量约8．5kD。泛素分子折叠成球形，分子结构中含有一个疏水中心且富含氢键，表现出很高的热稳定性，其C一末端的第76位甘氨酸是与底物蛋白的结合位点。泛素启动酶泛素化系统是一连串的级联酶促反应，依赖三种重要的酶：泛素活化酶(ubiquitin—activatingenzyme，简称E1)、泛素结合酶(ubiquitin—conjugatingenzymes，简称E2s)、泛素连接酶(ubiquitin—ligaseenzymes，简称E3s)。已经发现E3s约有500种亚型，分三类：含有HECT结构域的E3s(HECTE3s)、含有环指状结构域的E3s(RINGE3s)和含有U—box(或F—box)结构域的E3s3“J。其中HECTE3s家族是近来研究的热点，根据N一末端氨基酸序列的不同又可分为3个亚家族：含有RLDs(RCC1一likedomains)结构域的HECTE3s(简称HERC)、含有Ww结构域的HECTE3s(简称Nedd4／Nedd4一likeE3s)及不含有RLDs和ww结构域的HECTE3s(简称SI—HECTE3s)。26S蛋白酶体26S蛋白酶体是降解泛素化底物蛋白的一个ATP依赖型蛋白水解复合体，由20S蛋白酶体和19S调节复合体组成。20S蛋白酶体是26S蛋白酶体的水解核心，由4个7聚体蛋白环层叠在一起形成的桶状结构(od一7Bl一7131—7cd一7)。19S调节复合体由基底和盖子两个亚单化组成，能够识别泛素化蛋白底物及其结合位点、去泛素化酶等，分别与20S蛋白酶体两端的仅环相连，将结合底物展平并送到20S蛋白酶体。去泛素化酶(deubiquitinationenzynles，简称DUBs)泛素参与细胞内蛋白的快速降解，但是泛素本身并没有被蛋白酶体降解。泛素是长寿命蛋白，这是由于在泛素蛋白偶连物水解之前，去泛素化酶将泛素从底物上解离下来，继续标记卜一个蛋白，循环利用。DUBs是一个蛋白酶超家族，大部分为半胱氨酸蛋白酶。DUBs能够识别最近的泛素基序，特异性地在泛素和与C一末端甘氨酸残基相连的分子之间断开[6]。泛素一蛋白酶体途径E1通过ATP依赖的方式激活泛素，并将泛素转移给E2s的半胱氨酸活化位点，形成E2s一泛素中间体。进-步在E3s的作用～将泛素结合到底物蛋白。E3s町以直接或间接与底物结合，促使泛素C一末端的甘氨酸残翠与靶蛋白赖氨酸残基的s氨基基团上，形成异肽键。继第一个泛素分子连接到靶蛋白上后，另外一些泛素分子在E3s的作用_F相继与底物相连的泛素分子的第48位赖氨酸残基相连，肜成多聚泛素化链，作为底物被26S蛋白酶体识别和降解的靶向性信号。E3s在底物蛋白的泛素化调节起着中心作¨\nJ，它们能够识别特殊的底物蛋白并且将泛素从E2s上转移到底物蛋白上。2.2非泛素依赖的蛋白质降解最近的研究表明20S蛋白酶体和26S蛋白酶体可泛素依赖和非泛素依赖降解衰老蛋白质、氧化蛋白质或错误折叠的蛋白质．值得注意的是负责降解一种特异蛋白质的各种途径取决于该蛋白质所遭受的损伤，如相关文献表明，衰老的CaM很可能被26S蛋白酶体途径降解，而氧化的CaM可优先被结合Hsp90伴侣蛋白的20S蛋白酶体途径降解．因此体内降解损伤的蛋白质可能涉及各种机理的组合，这些机理的相对贡献可能取决于损害的种类．目前蛋白酶体非泛素依赖地降解蛋白质机理又取得一新进展———REGγ的作用研究显示，REGγ在甲状腺癌和结肠直肠癌中高度表达，在结肠癌和扩散性癌中表达增高，提示REGγ在癌病变的所有时期内起重要作用．例如，REGγ可以非泛素依赖的方式激活蛋白酶体降解致瘤蛋白SRC-3，而SRC-3常在激素敏感肿瘤如乳腺癌、前列腺癌和卵巢癌以及非激素依赖的肿瘤如胰腺癌和胃癌中过度表达．REGγ也能以非泛素依赖的方式降解肿瘤抑制因子如p21、p16和p19【7】，还能以非泛素依赖的方式降解其他致瘤蛋白如肝炎C病毒的核心蛋白，也有研究显示，REGγ通过泛素依赖和非泛素依赖两种方式调节降解肝炎C病毒的核心蛋白，从而不仅涉及该病毒病理发生也涉及其增殖【8】．研究表明REGγ-蛋白酶体降解靶蛋白的过程不依赖于泛素化。3.总结与展望UPS和ALP一度被认为是两个相互独立的系统。但研究发现，蛋白酶体抑制剂可诱导ALP，抑制ALP可增强蛋白酶体抑制剂诱导的多聚泛素化蛋白的聚集，内质网应激和细胞死亡口，说明UPS513ALP在功能上有直接和(或)间接的联系。同时还发现，蛋白酶体抑制剂可能是通过内质网应激激活蛋白自噬【9】。另有研究表明，ALP是UPS受损时的代偿途径，而组蛋白脱乙酰基酶(HDAC6)，一种微管相关去乙酰化酶是这种代偿的重要联接点。体内实验中，HDAC6可以通过激活ALP干扰UPS受损所致的神经退行性病变，由HDAC6介导的微管逆向转运过程是自噬的高效、选择性降解所需的，这为某些疾病例如神经退行性疾病的治疗提供了新的方向。然而，新近的研究表明，ALP的长期抑制可以导致UPS功能受损口，一方面说明ALP受损可能启动蛋白降解功能失衡，另一方面提示这些信号蛋白的激活可能是单向的，即ALP可以在UPS抑制时激活，而UPS不能代偿ALP被抑制的功能，这对人们利用两种途径的代偿联系提出了挑战。因此，还需要更加详细的研究来确定具体蛋白是通过什么途径来降解的。然后再设计一些药物来抑制或者激活其降解通路，用于治疗一些人类疾病。我们可以预计在将来，将鉴定出更多介导蛋白底物降解的酶或者信号通路，并且会有更多、更有效的药物用于治疗与蛋白降解相关的人类疾病。参考文献\n[1]WangCW，KlionskyDJ．Themolecularmechanismofautophagy．MolMed，Z2003，9(34)：65—76．[2]RabinowitzJD，whiteE．Autophagyandmetabolism．Science，2010，330(6009)1344—1348．[3]MaiuriMC，ZalckvarE，KimchiA，KroemerGSelf_eatingandself-killing：crosstalkbetweenautophagyandapoptosis．NatRevMolCellBiol，2007，8(9)：741—752．[4]ThnidaI，UenoT，KominamiE．LC3conjugationsysteminmammalianautophagy．IntJBiochemCellBiol，2004，36(12)：2503—2518．[5]PaulGCom．Roleoftheubiquitinproteasomesysteminrenalcellcarci—noma[J]．BMCBiochemistry，2007，8(Suppl1)：S4[6]FangY，FuD，ShenXZ．ThepotentialroleofubiquitinC—terminalhydrolasesinoncogenesis[J]．BiochimBiophysActa，2010，1806(1)：1[7]GomardT,Jariel-EncontreI,BasbousJ,etal.Fosfamilyproteindegradationbytheproteasome.BiochemSocTrans,2008,36(Pt5):858-863[8]MoriishiK,ShojiI,MoriY,etal.InvolvementofPA28γinthepropagationofhepatitisCvirus.Hepatology,2010,52(2):411-420[9]DingWX，NiHM，GaowT，eta1．LinkingofAutophagytoUbiquitin—ProteasomeSystemisImportantfortheRegulationofEndoplasmicReticulumStressandCellViability[JJ．AmJPatbol，2007，171：513524[10]KorolchukVI，MansillaA，MenziesFM，eta1．Autophagyinhibitioncompromisesdegradationofubiquitin—proteasomepathwaysubstrates[J]．MolCell，2009，33：517—527