Ubiquitin - Ubiquitin

For ikke at forveksle med Ubiquinol .
Ubiquitin familie
Ubiquitin tegneserie-2-.png
Et diagram over ubiquitin . De syv lysin sidekæder er vist i gul/orange.
Identifikatorer
Symbol ubiquitin
Pfam PF00240
InterPro IPR000626
PROSIT PDOC00271
SCOP2 1aar / SCOPe / SUPFAM

Ubiquitin er et lille (8,6 kDa ) regulatorisk protein, der findes i de fleste væv af eukaryote organismer, dvs. det findes allestedsnærværende . Det blev opdaget i 1975 af Gideon Goldstein og yderligere karakteriseret i slutningen af ​​1970'erne og 1980'erne. Fire gener i det humane genomkode for ubiquitin: UBB , UBC , UBA52 og RPS27A .

Tilsætning af ubiquitin til et substratprotein kaldes ubiquitylation (eller alternativt ubiquitination eller ubiquitinylation ). Ubiquitylation påvirker proteiner på mange måder: det kan markere dem for nedbrydning via proteasomet , ændre deres cellulære placering , påvirke deres aktivitet og fremme eller forhindre proteininteraktioner . Ubiquitylering involverer tre hovedtrin: aktivering, konjugering og ligering udført af henholdsvis ubiquitinaktiverende enzymer (E1'er), ubiquitinkonjugerende enzymer (E2s) og ubiquitinligaser (E3s). Resultatet af denne sekventielle kaskade er at binde ubiquitin til lysinrester på proteinsubstratet via en isopeptidbinding , cysteinrester gennem en thioesterbinding , serin- og threoninrester gennem en esterbinding eller aminogruppen i proteinets N-terminal via en peptidbinding .

Proteinmodifikationerne kan enten være et enkelt ubiquitinprotein (monoubiquitylation) eller en kæde af ubiquitin (polyubiquitylation). Sekundære ubiquitin-molekyler er altid forbundet med en af ​​de syv lysinrester eller den N-terminale methionin i det tidligere ubiquitin-molekyle. Disse 'sammenkædende' rester repræsenteres af et "K" eller "M" ( aminosyrenotationen af henholdsvis lysin og methionin på et bogstav ) og et tal, der henviser til dets position i ubiquitinmolekylet som i K48, K29 eller M1 . Det første ubiquitin-molekyle er kovalent bundet gennem sin C-terminale carboxylatgruppe til et bestemt lysin, cystein, serin, threonin eller N-terminal af målproteinet. Polyubiquitylering opstår, når C-terminalen i et andet ubiquitin er forbundet med en af ​​de syv lysinrester eller den første methionin på det tidligere tilføjede ubiquitinmolekyle, hvilket skaber en kæde. Denne proces gentages flere gange, hvilket fører til tilføjelse af flere ubiquitiner. Kun polyubiquitylering på definerede lysiner, mest på K48 og K29, er relateret til nedbrydning af proteasomet (omtalt som "molekylært dødskys "), mens andre polyubiquitylationer (f.eks. På K63, K11, K6 og M1) og monoubiquitylations kan regulere processer som endocytisk menneskehandel , betændelse , translation og DNA -reparation .

Opdagelsen af, at ubiquitinkæder målretter proteiner til proteasomet, som nedbryder og genbruger proteiner, blev hædret med Nobelprisen i kemi i 2004.

Identifikation

Overflade repræsentation af Ubiquitin.

Ubiquitin (oprindeligt allestedsnærværende immunopoietisk polypeptid ) blev først identificeret i 1975 som et 8,6 kDa protein udtrykt i alle eukaryote celler. Ubiquitins grundlæggende funktioner og komponenterne i ubiquitationsvejen blev belyst i begyndelsen af ​​1980'erne ved Technion af Aaron Ciechanover , Avram Hershko og Irwin Rose, som Nobelprisen i kemi blev tildelt i 2004.

Ubiquityleringssystemet blev oprindeligt karakteriseret som et ATP -afhængigt proteolytisk system til stede i cellulære ekstrakter. Et varmestabilt polypeptid til stede i disse ekstrakter, ATP-afhængig proteolysefaktor 1 (APF-1), blev fundet at blive kovalent bundet til modelproteinsubstratets lysozym i en ATP -og Mg2 + -afhængig proces. Flere APF-1-molekyler blev forbundet til et enkelt substratmolekyle ved en isopeptidbinding , og konjugater blev hurtigt nedbrudt med frigivelsen af ​​frit APF-1. Kort tid efter, at APF-1-proteinkonjugering var karakteriseret, blev APF-1 identificeret som ubiquitin. Carboxylgruppen i den C-terminale glycinrest af ubiquitin (Gly76) blev identificeret som delen konjugeret til substrat lysin -rester.

Proteinet

Ubiquitin egenskaber (mennesker)
Antal rester 76
Molekylær masse 8564.8448 Da
Isoelektrisk punkt (pI) 6,79
Gen navne RPS27A (UBA80, UBCEP1), UBA52 (UBCEP2), UBB , UBC
Sekvens ( enkelt bogstav ) MQIFV K TLTG K TITLEVEPSDTIENV K A K IQD K EGIPPD

QQRLIFAG K QLEDGRTLSDYNIQ K ESTLHLVLRLRGG

Ubiquitin er et lille protein, der findes i alle eukaryote celler . Det udfører sine utallige funktioner gennem konjugering til et stort udvalg af målproteiner. En række forskellige ændringer kan forekomme. Ubiquitinproteinet i sig selv består af 76 aminosyrer og har en molekylmasse på ca. 8,6 kDa. Nøglefunktioner inkluderer dens C-terminale hale og de 7 lysinrester . Det er stærkt bevaret gennem hele eukaryote evolution; human og gær ubiquitin deler 96% sekvensidentitet .

Gener

Ubiquitin er kodet i pattedyr af 4 forskellige gener. UBA52- og RPS27A -gener koder for en enkelt kopi af ubiquitin fusioneret til henholdsvis de ribosomale proteiner L40 og S27a. Den UBB og UBC gener koder for polyubiquitin precursorproteiner.

Ubiquitylation

Ubiquitylationssystemet (viser en RING E3 ligase).

Ubiquitylation (også kendt som ubiquitination eller ubiquitinylation) er en enzymatisk posttranslationel modifikation , hvor et ubiquitinprotein er knyttet til et substratprotein . Denne proces binder oftest den sidste aminosyre af ubiquitin ( glycin 76) til en lysinrest på substratet. En isopeptidbinding er dannet mellem carboxylgruppen gruppe (COO - ) af ubiquitinpromotoren s glycin og epsilon- aminogruppe (ε- NH+
3) af substratets lysin. Trypsin-spaltning af et ubiquitin-konjugeret substrat efterlader en di-glycin "rest", der bruges til at identificere stedet for ubiquitylation. Ubiquitin kan også bindes til andre steder i et protein, som er elektronrige nukleofiler , betegnet "ikke-kanonisk ubiquitylering". Dette blev først observeret med amingruppen i et proteins N-terminal, der blev brugt til ubiquitylering i stedet for en lysinrest i proteinet MyoD og er blevet observeret siden i 22 andre proteiner i flere arter, herunder ubiquitin selv. Der er også stigende beviser for nonlysinrester som ubiquitationsmål ved hjælp af ikke-amingrupper, såsom sulfhydrylgruppen på cystein og hydroxylgruppen på threonin og serin. Slutresultatet af denne proces er tilsætning af et ubiquitinmolekyle (monoubiquitylation) eller en kæde af ubiquitinmolekyler (polyubiquitination) til substratproteinet.

Ubiquitination kræver tre typer enzymer: ubiquitinaktiverende enzymer , ubiquitinkonjugerende enzymer og ubiquitinligaser , kendt som henholdsvis E1s, E2s og E3s. Processen består af tre hovedtrin:

  1. Aktivering: Ubiquitin aktiveres i en totrinsreaktion af et E1 ubiquitin-aktiverende enzym , som er afhængigt af ATP . Det indledende trin involverer produktion af et ubiquitin-adenylat-mellemprodukt. E1 binder både ATP og ubiquitin og katalyserer acyl-adenyleringen af ubiquitinmolekylets C-terminal . Det andet trin overfører ubiquitin til en cysteinrest på et aktivt sted med frigivelse af AMP . Dette trin resulterer i en thioesterbinding mellem den C-terminale carboxylgruppe af ubiquitin og El-cystein- sulfhydrylgruppen . Det menneskelige genom indeholder to gener, der producerer enzymer, der er i stand til at aktivere ubiquitin: UBA1 og UBA6 .
  2. Konjugering: E2 ubiquitin-konjugerende enzymer katalyserer overførslen af ​​ubiquitin fra E1 til det aktive sted cystein af E2 via en trans (thio) esterificeringsreaktion. For at udføre denne reaktion binder E2 til både aktiveret ubiquitin og E1 -enzymet. Mennesker besidder 35 forskellige E2-enzymer, hvorimod andre eukaryote organismer har mellem 16 og 35. De er kendetegnet ved deres stærkt bevarede struktur, kendt som ubiquitinkonjugerende katalytisk (UBC) fold.
    Glycin og lysin forbundet med en isopeptidbinding. Isopeptidbindingen er markeret gul.
  3. Ligation: E3 ubiquitin ligaser katalyserer det sidste trin i ubiquitinationskaskaden. Mest almindeligt skaber de en isopeptidbinding mellem en lysin af målproteinet og den C-terminale glycin af ubiquitin. Generelt kræver dette trin aktiviteten af ​​en af ​​de hundredvis af E3'er. E3-enzymer fungere som substrat moduler i systemet anerkendelse og er i stand til interaktion med både E2 og substrat . Nogle E3 -enzymer aktiverer også E2 -enzymerne. E3-enzymer besidder et af to domæner : det homologe med E6-AP carboxylterminus ( HECT ) domænet og det virkelig interessante nye gen ( RING ) domæne (eller det nært beslægtede U-box domæne). HECT-domæne E3'er forbinder ubiquitin forbigående i denne proces (et obligat thioester-mellemprodukt dannes med E3's aktive cystein), mens RING-domæne E3'er katalyserer den direkte overførsel fra E2-enzymet til substratet. Det anafasefremmende kompleks (APC) og SCF-komplekset (for Skp1-Cullin-F-box proteinkompleks) er to eksempler på multi- underenhed E3'er involveret i genkendelse og ubiquitination af specifikke målproteiner til nedbrydning af proteasomet .

I ubiquitinationskaskaden kan E1 binde med mange E2'er, som kan binde med hundredvis af E3'er på en hierarkisk måde. At have niveauer inden for kaskaden tillader stram regulering af ubiquitineringsmaskineriet. Andre ubiquitinlignende proteiner (UBL'er) ændres også via E1-E2-E3-kaskaden, selvom der er variationer i disse systemer.

E4-enzymer eller ubiquitinkædeforlængelsesfaktorer er i stand til at tilføje præformede polyubiquitinkæder til substratproteiner. For eksempel kan multiple monoubiquitylering af tumorsuppressoren p53 ved Mdm2 efterfølges af tilsætning af en polyubiquitinkæde ved anvendelse af p300 og CBP .

Typer

Ubiquitination påvirker cellulær proces ved at regulere nedbrydning af proteiner (via proteasomet og lysosomet ), koordinere den cellulære lokalisering af proteiner, aktivering og inaktivering af proteiner og modulering af protein-protein-interaktioner . Disse virkninger medieres af forskellige typer af ubiquitination af substrater, f.eks. Tilføjelse af et enkelt ubiquitinmolekyle (monoubiquitination) eller forskellige typer ubiquitinkæder (polyubiquitination).

Monoubiquitination

Monoubiquitination er tilsætning af ét ubiquitinmolekyle til én substratproteinrest. Multi-monoubiquitination er tilsætning af et ubiquitin-molekyle til flere substratrester. Monoubikitinering af et protein kan have forskellige virkninger på polyubiquitinering af det samme protein. Tilføjelsen af ​​et enkelt ubiquitinmolekyle menes at være påkrævet før dannelsen af ​​polyubiquitinkæder. Monoubiquitination påvirker cellulære processer såsom membranhandel , endocytose og viral spiring .

Polyubiquitinkæder

Diagram over lysin 48-koblet diubiquitin . Koblingen mellem de to ubiquitinkæder er vist i orange.
Diagram over lysin 63-koblet diubiquitin . Koblingen mellem de to ubiquitinkæder er vist i orange.

Polyubiquitination er dannelsen af ​​en ubiquitinkæde på en enkelt lysinrest på substratproteinet. Efter tilsætning af en enkelt ubiquitindel til et proteinsubstrat kan yderligere ubiquitinmolekyler sættes til den første, hvilket giver en polyubiquitinkæde. Disse kæder fremstilles ved at koble glycinresten i et ubiquitinmolekyle til en lysin af ubiquitin bundet til et substrat. Ubiquitin har syv lysinrester og en N-terminal, der fungerer som ubiquitinationspunkter; de er henholdsvis K6, K11, K27, K29, K33, K48, K63 og M1. Lysin 48-bundne kæder var de første identificerede og er den bedst karakteriserede type ubiquitinkæde. K63-kæder har også været velkarakteriserede, hvorimod funktionen af ​​andre lysinkæder, blandede kæder, forgrenede kæder, M1-bundne lineære kæder og heterologe kæder (blandinger af ubiquitin og andre ubiquitinlignende proteiner) fortsat er mere uklar.

Lysin 48-bundne polyubiquitinkæder målretter proteiner til destruktion ved en proces kendt som proteolyse . Multi-ubiquitinkæder på mindst fire ubiquitinmolekyler skal være knyttet til en lysinrest på det fordømte protein for at det kan genkendes af 26S-proteasomet . Dette er en tøndeformet struktur omfattende en central proteolytisk kerne lavet af fire ringstrukturer, flankeret af to cylindre, der selektivt tillader indtastning af ubiquitinerede proteiner. Når de er inde, nedbrydes proteinerne hurtigt til små peptider (normalt 3-25 aminosyrerester i længden). Ubiquitin -molekyler spaltes af proteinet umiddelbart før destruktion og genbruges til yderligere brug. Selvom størstedelen af ​​proteinsubstrater er ubiquitinerede, er der eksempler på ikke-ubiquitinerede proteiner målrettet mod proteasomet. Polyubiquitinkæderne genkendes af en underenhed af proteasomet: S5a/Rpn10. Dette opnås ved et ubiquitin-interaktivt motiv (UIM) fundet i et hydrofobt plaster i C-terminalområdet i S5a/Rpn10-enheden.

Lysin 63-bundne kæder er ikke forbundet med proteasomal nedbrydning af substratproteinet. I stedet tillader de koordinering af andre processer såsom endocytisk menneskehandel , betændelse , translation og DNA -reparation . I celler er lysin 63-bundne kæder bundet af ESCRT-0- komplekset, hvilket forhindrer deres binding til proteasomet. Dette kompleks indeholder to proteiner, Hrs og STAM1, der indeholder et UIM, som gør det muligt at binde til lysin 63-kæder.

Mindre forstås om atypiske (ikke-lysin 48-koblede) ubiquitinkæder, men forskning begynder at foreslå roller for disse kæder. Der er tegn på, at atypiske kæder forbundet med lysin 6, 11, 27, 29 og methionin 1 kan forårsage proteasomal nedbrydning.

Forgrenede ubiquitinkæder indeholdende flere typer bindinger kan dannes. Funktionen af ​​disse kæder er ukendt.

Struktur

Forskelligt forbundne kæder har specifikke virkninger på det protein, som de er knyttet til, forårsaget af forskelle i proteinkædernes konformationer. K29-, K33-, K63- og M1-forbundne kæder har en ret lineær konformation; de er kendt som open-conformation kæder. K6-, K11- og K48-forbundne kæder danner lukkede konformationer. Ubiquitin-molekylerne i åbne konformationskæder interagerer ikke med hinanden, undtagen de kovalente isopeptidbindinger, der forbinder dem med hinanden. I modsætning hertil har de lukkede konformationskæder grænseflader med interagerende rester. Ændring af kædekonformationerne afslører og skjuler forskellige dele af ubiquitinproteinet, og de forskellige koblinger genkendes af proteiner, der er specifikke for de unikke topologier, der er iboende for koblingen. Proteiner kan specifikt binde til ubiquitin via ubiquitin-bindende domæner (UBD'er). Afstandene mellem individuelle ubiquitin-enheder i kæder varierer mellem lysin 63- og 48-kædede kæder. UBD'erne udnytter dette ved at have små afstandsstykker mellem ubiquitin-interagerende motiver, der binder lysin 48-bundne kæder (kompakte ubiquitinkæder) og større afstandsstykker til lysin 63-kæder. Maskinen, der er involveret i genkendelse af polyubiquitinkæder, kan også skelne mellem K63-forbundne kæder og M1-forbundne kæder, demonstreret ved, at sidstnævnte kan forårsage proteasomal nedbrydning af substratet.

Fungere

Ubiquitinationssystemet fungerer i en lang række cellulære processer, herunder:

  • Antigenbehandling
  • Apoptose
  • Biogenese af organeller
  • Cellecyklus og division
  • DNA -transkription og reparation
  • Differentiering og udvikling
  • Immunrespons og betændelse
  • Neural og muskulær degeneration
  • Vedligeholdelse af pluripotens
  • Morfogenese af neurale netværk
  • Modulation af celleoverfladereceptorer, ionkanaler og sekretorisk vej
  • Reaktion på stress og ekstracellulære modulatorer
  • Ribosombiogenese
  • Virusinfektion

Membranproteiner

Multi-monoubiquitination kan markere transmembrane proteiner (f.eks. Receptorer ) til fjernelse fra membraner (internalisering) og udføre flere signalroller inden for cellen. Når transmembranmolekyler på celleoverflade er mærket med ubiquitin, ændres proteinets subcellulære lokalisering, ofte målrettet mod proteinet til destruktion i lysosomer. Dette fungerer som en negativ feedback -mekanisme, fordi stimulering af receptorer med ligander ofte øger deres ubiquitinerings- og internaliseringshastighed. Ligesom monoubiquitination har lysin 63-linkede polyubiquitinkæder også en rolle i handelen med nogle membranproteiner.

Fougaro System

Fougaro-systemet (græsk; Fougaro, skorsten) er et underorganelle system i kernen, der kan være en mekanisme til at genbruge eller fjerne molekyler fra cellen til det eksterne medium. Molekylerne eller peptiderne ubiquitineres, inden de frigives fra cellernes kerne. De ubiquitinerede molekyler frigives uafhængigt eller associeret med endosomale proteiner, såsom Beclin.

Genomisk vedligeholdelse

Prolifererende cellekerne -antigen (PCNA) er et protein involveret i DNA -syntese . Under normale fysiologiske betingelser summeres PCNA (en lignende posttranslationel ændring til ubiquitination). Når DNA er beskadiget af ultraviolet stråling eller kemikalier, erstattes SUMO- molekylet, der er knyttet til en lysinrest, med ubiquitin. Monoubiquitineret PCNA rekrutterer polymeraser, der kan udføre DNA -syntese med beskadiget DNA; men dette er meget fejlbehæftet, hvilket muligvis resulterer i syntese af muteret DNA. Lysin 63-koblet polyubiquitinering af PCNA gør det muligt at udføre en mindre fejl-tilbøjelig mutations-bypass kendt af skabelonskiftevejen.

Ubiquitination af histon H2AX er involveret i DNA-skadesgenkendelse af DNA dobbeltstrengede brud. Lysin 63-koblede polyubiquitinkæder dannes på H2AX histon af E2/E3 ligasepar, Ubc13-Mms2/RNF168. Denne K63 -kæde ser ud til at rekruttere RAP80, som indeholder en UIM , og RAP80 hjælper derefter med at lokalisere BRCA1 . Denne vej vil i sidste ende rekruttere de nødvendige proteiner til homolog rekombinationsreparation .

Transkriptionel regulering

Histoner kan ubiquitineres, og dette er normalt i form af monoubiquitination (selvom der forekommer polyubiquitinerede former). Histon ubiquitination ændrer chromatinstruktur og giver adgang til enzymer involveret i transkription. Ubiquitin på histoner fungerer også som et bindingssted for proteiner, der enten aktiverer eller hæmmer transkription og også kan fremkalde yderligere posttranslationelle modifikationer af proteinet. Disse effekter kan alle modulere transskriptionen af ​​gener.

Deubiquitination

Deubiquitinerende enzymer (DUB'er) modsætter sig ubiquinationens rolle ved at fjerne ubiquitin fra substratproteiner. De er cysteinproteaser, der spalter amidbinding mellem de to proteiner. De er meget specifikke, ligesom E3 -ligaser, der fæstner ubiquitinet, med kun få substrater pr. Enzym. De kan spalte både isopeptid (mellem ubiquitin og lysin) og peptidbindinger (mellem ubiquitin og N-terminalen ). Ud over at fjerne ubiquitin fra substratproteiner har DUB'er mange andre roller i cellen. Ubiquitin udtrykkes enten som flere kopier forbundet i en kæde (polyubiquitin) eller knyttet til ribosomale underenheder. DUB'er spalter disse proteiner for at producere aktivt ubiquitin. De genbruger også ubiquitin, der har været bundet til små nukleofile molekyler under ubiquitineringsprocessen. Monoubiquitin dannes af DUB'er, der spalter ubiquitin fra frie polyubiquitinkæder, der tidligere er blevet fjernet fra proteiner.

Ubiquitin-bindende domæner

Tabel over karakteriserede Ubiquitin-bindende domæner
Domæne Antal proteiner

i Proteome

Længde

(aminosyrer)

Ubiquitin -binding

Tilhørsforhold

CUE S. cerevisiae : 7

H. sapiens : 21

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

H. sapiens : 14

135 ~ 180 μM
LIM 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 Ikke kendt
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 Ikke kendt

Ubiquitin-bindende domæner (UBD'er) er modulære proteindomæner, der ikke-kovalent binder til ubiquitin, disse motiver styrer forskellige cellulære hændelser. Detaljerede molekylære strukturer er kendt for en række UBD'er, bindingsspecificitet bestemmer deres virkningsmekanisme og regulering, og hvordan den regulerer cellulære proteiner og processer.

Sygdomsforeninger

Patogenese

Ubiquitinvejen har været impliceret i patogenesen af ​​en lang række sygdomme og lidelser, herunder:

Neurodegeneration

Ubiquitin er impliceret i neurodegenerative sygdomme forbundet med proteostasedysfunktion, herunder Alzheimers sygdom , motorneuronsygdom , Huntingtons sygdom og Parkinsons sygdom . Transkriptvarianter, der koder for forskellige isoformer af ubiquilin-1 , findes i læsioner forbundet med Alzheimers og Parkinsons sygdom. Højere niveauer af ubiquilin i hjernen har vist sig at reducere misdannelse af amyloidprækursorprotein (APP) , som spiller en central rolle i udløsningen af ​​Alzheimers sygdom. Omvendt har lavere niveauer af ubiquilin-1 i hjernen været forbundet med øget misdannelse af APP . En rammeskiftmutation i ubiquitin B kan resultere i, at et afkortet peptid mangler den C-terminale glycin . Dette unormale peptid, kendt som UBB+1 , har vist sig at akkumulere selektivt ved Alzheimers sygdom og andre tauopatier .

Infektion og immunitet

Ubiquitin og ubiquitin-lignende molekyler regulerer i vid udstrækning immunsignaltransduktionsveje på stort set alle stadier, herunder steady-state undertrykkelse, aktivering under infektion og dæmpning ved clearance. Uden denne regulering kan immunaktivering mod patogener være defekt, hvilket kan resultere i kronisk sygdom eller død. Alternativt kan immunsystemet blive hyperaktiveret, og organer og væv kan blive udsat for autoimmun skade .

På den anden side skal vira blokere eller omdirigere værtscelleprocesser, herunder immunitet for effektivt at replikere, men mange vira, der er relevante for sygdom, har informationsmæssigt begrænsede genomer . På grund af dets meget store antal roller i cellen repræsenterer manipulation af ubiquitinsystemet en effektiv måde for sådanne vira at blokere, undergrave eller omdirigere kritiske værtscelleprocesser til at understøtte deres egen replikation.

Det retinsyre-inducerbare gen I ( RIG-I ) -protein er en primær immunsystemsensor for viralt og andet invasivt RNA i humane celler. Den RIG-I-lignende receptor ( RLR ) immunsignalvej er en af ​​de mest omfattende undersøgte med hensyn til ubiquitins rolle i immunregulering.

Genetiske lidelser

  • Angelman syndrom er forårsaget af en afbrydelse af UBE3A , som koder for et ubiquitin ligase (E3) enzym kaldet E6-AP.
  • Von Hippel-Lindau syndrom involverer afbrydelse af en ubiquitin E3-ligase betegnet VHL-tumorsuppressor eller VHL- genet.
  • Fanconi anæmi : Otte af de tretten identificerede gener, hvis afbrydelse kan forårsage denne sygdom, koder for proteiner, der danner et stort ubiquitin ligase (E3) kompleks.
  • 3-M syndrom er en autosomal-recessiv væksthæmningsforstyrrelse forbundet med mutationer af Cullin7 E3 ubiquitin ligase.

Diagnostisk brug

Immunhistokemi ved hjælp af antistoffer mod ubiquitin kan identificere unormale akkumuleringer af dette protein inde i celler, hvilket indikerer en sygdomsproces. Disse proteinakkumuleringer omtales som inklusionslegemer (hvilket er en generel betegnelse for enhver mikroskopisk synlig samling af unormalt materiale i en celle). Eksempler omfatter:

Link til kræft

Posttranslationel ændring af proteiner er en almindeligt anvendt mekanisme i eukaryot cellesignalering. Ubiquitination eller ubiquitinkonjugering til proteiner er en afgørende proces for cellecyklusprogression og celleproliferation og udvikling. Selvom ubiquitination normalt tjener som et signal for proteinnedbrydning gennem 26S -proteasomet , kan det også tjene til andre fundamentale cellulære processer, f.eks. Ved endocytose , enzymatisk aktivering og DNA -reparation. Da ubiquitinering desuden fungerer til at regulere cellelinjen i cycliner tæt , forventes dens fejlregulering at have alvorlige konsekvenser. Første tegn på betydningen af ​​ubiquitin/proteasom -vejen i onkogene processer blev observeret på grund af den høje antitumoraktivitet af proteasomhæmmere. Forskellige undersøgelser har vist, at defekter eller ændringer i ubiquitineringsprocesser normalt er forbundet med eller til stede i humant carcinom. Maligniteter kunne udvikles gennem tab af funktionsmutation direkte ved tumorsuppressorgenet , øget aktivitet af ubiquitination og/eller indirekte dæmpning af ubiquitination på grund af mutation i beslægtede proteiner.

Direkte tab af funktionsmutation af E3 ubiquitin ligase

Nyrecellekarcinom

VHL ( Von Hippel – Lindau ) genet koder for en komponent i en E3 Ubiquitin Ligase . VHL-komplekset retter sig mod medlem af hypoxi-inducerbare transkriptionsfaktorfamilien (HIF) for nedbrydning ved at interagere med det iltafhængige ødelæggelsesdomæne under normoksisk tilstand. HIF aktiverer nedstrøms mål såsom den vaskulære endotelvækstfaktor (VEGF) og fremmer angiogenese . Mutationer i VHL forhindrer nedbrydning af HIF og fører dermed til dannelse af hypervaskulære læsioner og nyretumorer.

Brystkræft

Den BRCA1 genet er en anden tumorsuppressorgen i mennesker, der koder BRCA1 protein, der er involveret i respons på DNA beskadigelse. Proteinet indeholder et RING -motiv med E3 Ubiquitin Ligase -aktivitet. BRCA1 kunne danne dimer med andre molekyler, såsom BARD1 og BAP1 , for dets ubiquitineringsaktivitet. Mutationer, der påvirker ligasefunktionen, findes ofte og er forbundet med forskellige kræftformer.

Cyclin E.

Da processer i cellecyklusprogression er de mest grundlæggende processer for cellulær vækst og differentiering og er de mest almindelige, der ændres i humane carcinomer, forventes det, at cellecyklusregulerende proteiner er under stram regulering. Niveauet af cykliner, som navnet antyder, er kun højt på et bestemt tidspunkt under cellecyklussen. Dette opnås ved kontinuerlig kontrol af cykliner/CDK -niveauer gennem ubiquitination og nedbrydning. Når cyclin E indgår et partnerskab med CDK2 og bliver phosphoryleret, genkender et SCF-associeret F-box-protein Fbw7 komplekset og målretter det således mod nedbrydning. Mutationer i Fbw7 er fundet i mere end 30% af humane tumorer, hvilket karakteriserer det som et tumorundertrykkende protein.

Øget ubiquitineringsaktivitet

Livmoderhalskræft

Onkogene typer af det humane papillomavirus (HPV) vides at kapre cellulær ubiquitin- proteasom- vej til virusinfektion og replikation. E6-proteinerne af HPV vil binde til N-terminalen i den cellulære E6-AP E3 ubiquitin ligase og omdirigere komplekset til at binde p53 , et velkendt tumorsuppressorgen, som inaktivering findes i mange kræftformer. Således gennemgår p53 ubiquitination og proteasom-medieret nedbrydning. I mellemtiden vil E7, en anden af ​​de tidligt udtrykte HPV-gener, binde til Rb , også et tumorsuppressorgen, der medierer dens nedbrydning. Tabet af p53 og Rb i celler tillader ubegrænset celleproliferation.

p53 regulering

Genamplifikation forekommer ofte i forskellige tumortilfælde, herunder MDM2 , et gen, der koder for en RING E3 Ubiquitin -ligase, der er ansvarlig for nedregulering af p53 -aktivitet. MDM2 retter sig mod p53 for ubiquitination og proteasomal nedbrydning og holder dermed sit niveau passende for normal celletilstand. Overekspression af MDM2 forårsager tab af p53 -aktivitet og tillader derfor celler at have et ubegrænset replikativt potentiale.

s27

Et andet gen, der er et mål for genamplifikation, er SKP2 . SKP2 er et F-box-protein, der spiller en rolle i substratgenkendelse til ubiquitination og nedbrydning. SKP2 retter sig mod p27 Kip-1 , en hæmmer af cyclinafhængige kinaser ( CDK'er ). CDKs2/4 samarbejder med cyklinerne E/D, henholdsvis, familie af cellecyklusregulatorer for at kontrollere cellecyklusprogression gennem G1 -fasen. Lavt niveau af p27 Kip-1- protein findes ofte i forskellige kræftformer og skyldes overaktivering af ubiquitin-medieret proteolyse gennem overekspression af SKP2.

Efp

Efp , eller østrogeninducerbart RING-fingerprotein, er en E3 ubiquitin ligase, som overekspression har vist sig at være hovedårsagen til østrogen- uafhængig brystkræft . Efps substrat er 14-3-3 protein, som negativt regulerer cellecyklus.

Unddragelse af ubiquitination

Kolorektal kræft

Genet forbundet med kolorektal cancer er adenomatøs polyposis coli (APC), som er et klassisk tumorsuppressorgen . APC-genprodukt retter sig mod beta-catenin til nedbrydning via ubiquitination ved N-terminalen og regulerer dermed dets cellulære niveau. De fleste tilfælde af kolorektal kræft findes med mutationer i APC -genet. I tilfælde, hvor APC-genet ikke er muteret, findes mutationer i N-terminalen af ​​beta-catenin, hvilket gør det ubiquitineringsfrit og dermed øget aktivitet.

Glioblastom

Da den mest aggressive kræft opstod i hjernen, er mutationer fundet hos patienter med glioblastom relateret til sletning af en del af det ekstracellulære domæne i den epidermale vækstfaktorreceptor (EGFR). Denne sletning bevirker, at CBL E3-ligase ikke er i stand til at binde receptoren til genanvendelse og nedbrydning via en ubiquitin-lysosomal vej. Således er EGFR konstitutivt aktiv i cellemembranen og aktiverer dens nedstrøms effektorer, der er involveret i celleproliferation og migration.

Fosforyleringsafhængig ubiquitination

Samspillet mellem ubiquitination og phosphorylering har været en løbende forskningsinteresse, da phosphorylering ofte fungerer som en markør, hvor ubiquitination fører til nedbrydning. Desuden kan ubiquitination også virke til at tænde/slukke kinaseaktiviteten af et protein. Fosforyleringens kritiske rolle er i høj grad understreget i aktiveringen og fjernelsen af ​​autoinhibering i Cbl -protein. Cbl er en E3 ubiquitin ligase med et RING finger domæne, der interagerer med dets tyrosinkinase bindende (TKB) domæne , hvilket forhindrer interaktion mellem RING domænet og et E2 ubiquitin-konjugerende enzym . Denne intramolekylære interaktion er en autoinhiberingsregulering, der forhindrer dens rolle som en negativ regulator af forskellige vækstfaktorer og tyrosinkinasesignalering og T- celleaktivering. Fosforylering af Y363 lindrer autoinhiberingen og øger bindingen til E2. Mutationer, der gør Cbl -proteinet dysfunktionelt på grund af tabet af dets ligase/tumorsuppressorfunktion og vedligeholdelse af dets positive signalering/onkogen funktion har vist sig at forårsage udvikling af kræft.

Som et lægemiddelmål

Screening for ubiquitin ligase substrater

Identifikation af E3-ligasesubstrater er afgørende for at forstå dens implikation i menneskelige sygdomme, da deregulering af E3-substratinteraktioner ofte tjener som hovedårsag hos mange. For at overvinde begrænsningen af ​​mekanismen, der bruges til at identificere substraterne i E3 Ubiquitin Ligase, blev et system kaldet 'Global Protein Stability (GPS) Profiling' udviklet i 2008. Dette system med høj kapacitet gjorde brug af reporterproteiner smeltet med tusinder af potentiale substrater uafhængigt. Ved inhibering af ligaseaktiviteten (ved fremstilling af Cul1 -dominerende negative gør således, at ubiquitination ikke forekommer), viser øget reporteraktivitet, at de identificerede substrater akkumuleres. Denne fremgangsmåde tilføjede et stort antal nye substrater til listen over E3 -ligasesubstrater.

Mulige terapeutiske anvendelser

Blokering af specifik substratgenkendelse af E3 -ligaserne, f.eks. Bortezomib .

Udfordring

At finde et specifikt molekyle, der selektivt hæmmer aktiviteten af ​​en bestemt E3-ligase og/eller de protein-protein-interaktioner, der er impliceret i sygdommen, forbliver som et af de vigtige og ekspanderende forskningsområder. Da ubiquitination desuden er en proces i flere trin med forskellige spillere og mellemformer, skal der tages højde for hensynet til de meget komplekse interaktioner mellem komponenter, når de designer små molekylehæmmere.

Lignende proteiner

Hovedartikel: Ubiquitin-lignende protein

Selvom ubiquitin er den mest forståede efteroversættelsesmodifikator , er der en voksende familie af ubiquitinlignende proteiner (UBL'er), der ændrer cellulære mål på en vej, der er parallel med, men adskiller sig fra ubiquitins. Kendte UBL'er omfatter: lille ubiquitin-lignende modifikator ( SUMO ), ubiquitin krydsreaktivt protein (UCRP, også kendt som interferon-stimuleret gen-15 ISG15 ), ubiquitin-relateret modifikator-1 ( URM1 ), neuronal-forstadie-celle-udtrykt udviklingsmæssigt nedreguleret protein-8 ( NEDD8 , også kaldet Rub1 i S. cerevisiae ), humant leukocytantigen F-associeret ( FAT10 ), autophagy-8 ( ATG8 ) og -12 ( ATG12 ), få ​​ubiquitinlignende protein ( FUB1 ), MUB (membranforankret UBL), ubiquitin fold-modifikator-1 ( UFM1 ) og ubiquitin-lignende protein-5 ( UBL5 , som men er kendt som homolog med ubiquitin-1 [Hub1] i S. pombe ). Selvom disse proteiner kun deler beskeden primær sekvensidentitet med ubiquitin, er de nært beslægtede tredimensionelt. For eksempel deler SUMO kun 18% sekvensidentitet, men de indeholder den samme strukturelle fold. Denne fold kaldes "ubiquitin fold". FAT10 og UCRP indeholder to. Denne kompakte globulære beta-gribe fold findes i ubiquitin, UBL'er og proteiner, der omfatter et ubiquitinlignende domæne, f.eks. S. cerevisiae spindle pol body duplication protein, Dsk2 og NER protein, Rad23, begge indeholder N-terminale ubiquitin domæner .

Disse beslægtede molekyler har nye funktioner og påvirker forskellige biologiske processer. Der er også krydsregulering mellem de forskellige konjugeringsveje, da nogle proteiner kan blive modificeret af mere end én UBL og nogle gange endda ved den samme lysinrest. For eksempel virker SUMO -modifikation ofte antagonistisk mod ubiquitinering og tjener til at stabilisere proteinsubstrater. Proteiner, der er konjugeret til UBL'er, er typisk ikke målrettet mod nedbrydning af proteasomet, men fungerer snarere i forskellige regulatoriske aktiviteter. Vedhæftning af UBL'er kan ændre substratkonformation, påvirke affinitet for ligander eller andre interagerende molekyler, ændre lokalisering af substrat og påvirke proteinstabilitet.

UBL'er ligner strukturelt ubiquitin og behandles, aktiveres, konjugeres og frigives fra konjugater ved hjælp af enzymatiske trin, der ligner de tilsvarende mekanismer for ubiquitin. UBL'er oversættes også med C-terminaludvidelser, der behandles for at afsløre den invariante C-terminal LRGG. Disse modifikatorer har deres egne specifikke E1 (aktiverende), E2 (konjugerende) og E3 (ligerende) enzymer, der konjugerer UBL'erne til intracellulære mål. Disse konjugater kan reverseres af UBL-specifikke isopeptidaser, der har lignende mekanismer som deubiquitinerende enzymer.

Inden for nogle arter er anerkendelse og ødelæggelse af sædmitokondrier gennem en mekanisme, der involverer ubiquitin, ansvarlig for sædmitokondriers bortskaffelse efter befrugtning.

Prokaryotisk oprindelse

Ubiquitin menes at have nedstammer fra bakterielle proteiner ligner dette ( O32583 ) eller MoaD ( P30748 ). Disse prokaryote proteiner, på trods af at de har lille sekvensidentitet (ThiS har 14% identitet med ubiquitin), deler den samme proteinfold. Disse proteiner deler også svovlkemi med ubiquitin. MoaD, som er involveret i molybdopterin biosyntese, interagerer med MoeB, der fungerer som et E1 ubiquitin-aktiverende enzym for MoaD, hvilket styrker forbindelsen mellem disse prokaryote proteiner og ubiquitinsystemet. Et lignende system findes for ThiS med sit E1-lignende enzym ThiF . Det menes også, at Saccharomyces cerevisiae- proteinet Urm-1, en ubiquitin-relateret modifikator, er et "molekylært fossil", der forbinder det evolutionære forhold med de prokaryote ubiquitin-lignende molekyler og ubiquitin.

Archaea har en funktionelt tættere homolog af ubiquitin -modifikationssystemet, hvor "sampylering" med SAMP'er (små archaeal modifier -proteiner) udføres. Sampyleringssystemet bruger kun E1 til at lede proteiner til proteosomet . Proteoarchaeota , der er relateret til forfader til eukaryoter, besidder alle E1-, E2- og E3 -enzymer plus et reguleret Rpn11 -system. I modsætning til SAMP, der ligner mere ThiS eller MoaD, ligner Proteoarchaeota ubiquitin mest eukaryote homologer.

Prokaryotisk ubiquitinlignende protein (Pup) og ubiquitinbakteriel (UBact)

Prokaryot ubiquitinlignende protein (Pup) er en funktionel analog af ubiquitin, som er fundet i den gram-positive bakterielle phylum Actinobacteria . Det tjener den samme funktion (målrettet proteiner til nedbrydning), selv om enzymologi for ubiquitination og pupylering er forskellig, og de to familier ikke deler nogen homologi. I modsætning til trestegsreaktionen ved ubiquitination kræver pupylering to trin, derfor er kun to enzymer involveret i pupylering.

I 2017 blev homologer af Pup rapporteret i fem phyla af gramnegative bakterier, i syv kandidatbakterielle phyla og i en arkæon Sekvenserne for Pup-homologerne er meget forskellige fra sekvenserne af Pup i grampositive bakterier og blev betegnet Ubiquitin-bakteriel (UBact), selvom sondringen endnu ikke har vist sig at være fylogenetisk understøttet af en separat evolutionær oprindelse og er uden eksperimentelt bevis.

Fundet af Pup/UBact-proteasom-systemet i både gram-positive og gram-negative bakterier tyder på, at enten Pup/UBact-proteasom-systemet udviklede sig i bakterier forud for opdelingen i grampositive og negative klader for over 3000 millioner år siden eller, at disse systemer blev erhvervet af forskellige bakterielle slægter gennem horisontale genoverførsler fra en tredje, men ukendt, organisme. Til støtte for den anden mulighed blev der fundet to UBact loci i genomet af en ukultiveret anaerob metanotrofisk Archaeon (ANME-1; locus CBH38808.1 og locus CBH39258.1 ).

Humane proteiner indeholdende ubiquitin domæne

Disse inkluderer ubiquitinlignende proteiner.

ANUBL1 ; BAG1 ; BAT3/BAG6 ; Clorf131 ; 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 ;

Relaterede proteiner

Forudsigelse af ubiquitination

I øjeblikket tilgængelige forudsigelsesprogrammer er:

  • UbiPred er en SVM -baseret forudsigelsesserver, der bruger 31 fysisk -kemiske egenskaber til at forudsige ubiquitineringssteder.
  • UbPred er en tilfældig skovbaseret forudsigelse af potentielle ubiquitineringssteder i proteiner. Det blev trænet på et kombineret sæt af 266 ikke-redundante eksperimentelt verificerede ubiquitineringssteder, der er tilgængelige fra vores eksperimenter og fra to store proteomikstudier.
  • CKSAAP_UbSite er SVM-baseret forudsigelse, der anvender sammensætningen af ​​k-adskilte aminosyrepar, der omgiver et forespørgselssted (dvs. ethvert lysin i en forespørgselssekvens) som input, bruger det samme datasæt som UbPred.

Podcast

  • Undersøgelse af ubiquitin -proteasom -systemet var fokus for en demensforsker -podcast, [1] . Podcasten blev udgivet den 16. august 2021, hostet af professor Selina Wray fra University College London.

Se også

Referencer

eksterne links