蛋白質(zhì)量控制的方式和機(jī)制

1、蛋白質(zhì)量控制的方式和機(jī)制學(xué)院:動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院 班級(jí)：遺傳4班 姓名：李波 學(xué)號(hào)：2015050509目錄一、分子伴侶和折疊酶1（一）水性域和分子伴侶1（二）蛋白質(zhì)的二硫鍵異構(gòu)酶2二、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)質(zhì)量控制3（一）真核細(xì)胞的未折疊蛋白應(yīng)答3（二）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)的蛋白質(zhì)降解31、泛素化的分子機(jī)制32.蛋白酶體的分子機(jī)制43.非泛素依賴的蛋白質(zhì)降解5三、線粒體的蛋白質(zhì)質(zhì)量控制6（一）線粒體蛋白氧化損傷的修復(fù)機(jī)制6（二）線粒體基質(zhì)的蛋白質(zhì)質(zhì)量控制6四、蛋白質(zhì)質(zhì)量控制自噬7 胞內(nèi)與蛋白質(zhì)合成相關(guān)的信息傳遞是一個(gè)非線性過程，如哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)mRNA的豐度與蛋白質(zhì)的表達(dá)水平在多數(shù)情況下不相關(guān)。這是由于遺傳信息

2、流動(dòng)存在三個(gè)層次的調(diào)控，即轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控、翻譯水平調(diào)控和翻譯后水平調(diào)控。這些調(diào)控機(jī)制對(duì)蛋白質(zhì)的合成和功能化具重要的生物學(xué)意義。那么，有調(diào)控就意味著有選擇，哺乳動(dòng)物細(xì)胞具備清除異常蛋白的機(jī)制，即正確合成的蛋白質(zhì)被利用，錯(cuò)誤合成的蛋白質(zhì)被降解，這也被稱為蛋白質(zhì)質(zhì)量控制。 目前認(rèn)為選擇性降解異常蛋白的主要場(chǎng)所是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體。 蛋白質(zhì)質(zhì)量控制的重要意義主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：它是細(xì)胞維持自穩(wěn)狀態(tài)的一種選擇性分解代謝機(jī)制；失效的蛋白質(zhì)質(zhì)量控制是很多疾病的分子病因。這個(gè)復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中仍存在眾多未解決的問題。作為功能蛋白基礎(chǔ)研究的焦點(diǎn)之一，蛋白質(zhì)質(zhì)量控制的機(jī)制也越來越多地被用于解釋與多種人類健康相關(guān)的問題，從

3、而成為藥物開功能蛋白質(zhì)研究發(fā)的重要基礎(chǔ)理論之一。一、分子伴侶和折疊酶 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)為蛋白質(zhì)折疊提供必要的內(nèi)環(huán)境、大量分子伴侶(molecular chaperon)和與蛋白質(zhì)修飾相關(guān)的折疊酶。 分子伴侶是一類能夠協(xié)助其他多肽進(jìn)行正常折疊、組裝、轉(zhuǎn)運(yùn)和降解的蛋白質(zhì)，在真核細(xì)胞中，其主要成員是熱激蛋白同系物。其中，最值得關(guān)注的是BipGRP78(Hsp70家族成員)和GPR94(Hsp90家族成員)，它們負(fù)責(zé)與多數(shù)轉(zhuǎn)位至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔體的新生蛋白結(jié)合。與胞漿不同，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔體為氧化環(huán)境，為分泌型和膜蛋白的二硫鍵形成和穩(wěn)定所必需，該反應(yīng)由蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶(PDI)催化。PDI也被稱為折疊酶。（一）水性域和分子伴

4、侶 蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)具有一定的規(guī)律性和可預(yù)測(cè)性。新生肽被分配(targering)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)后，具備跨內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔的能力。此時(shí)，除了自裝配，新生肽可能具有兩種命運(yùn)。第一種命運(yùn)，如果沒有分子伴侶輔助，疏水性氨基酸可以彼此結(jié)合介導(dǎo)蛋白質(zhì)聚集，從而不能形成功能蛋白質(zhì)，并可能在細(xì)胞內(nèi)形成包裹體。第二種命運(yùn)，分子伴侶可以瞬時(shí)結(jié)合疏水性氨基酸，從而阻斷蛋白質(zhì)聚集，在折疊酶催化下，介導(dǎo)蛋白質(zhì)正確折疊。不僅如此，分子伴侶也通過分子競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合作用介導(dǎo)聚集蛋白的解離和進(jìn)一步正確折疊。 分子伴侶與疏水性氨基酸的結(jié)合活性也可用于識(shí)別變性和錯(cuò)誤折疊蛋白。疏水性氨基酸殘基具斥水性分子力，它們通常在蛋白質(zhì)內(nèi)部，這就保持

5、了蛋白質(zhì)的低能級(jí)狀態(tài)，從而在穩(wěn)定三級(jí)結(jié)構(gòu)方面起作用。新生蛋白若錯(cuò)誤折疊，或在熱激(heat shock)狀態(tài)下，蛋白質(zhì)的疏水性氨基酸可被暴露。這時(shí)，分子伴侶可與之結(jié)合并達(dá)到識(shí)別未折疊蛋白的目的，這也是一種應(yīng)對(duì)應(yīng)激和蛋白質(zhì)質(zhì)量控制的重要機(jī)制。（二）蛋白質(zhì)的二硫鍵異構(gòu)酶 大多數(shù)真核細(xì)胞的分泌型蛋白質(zhì)都具有二硫鍵，也就是由兩個(gè)半胱氨酸(S)的巰基基團(tuán)氧化脫氫后形成SS結(jié)構(gòu)分子鍵，它是蛋白質(zhì)正確折疊和實(shí)現(xiàn)生物學(xué)功能的必要條件之一。在分子伴侶的協(xié)助下，新生肽可以免于聚集，在此基礎(chǔ)上新生肽可以非常緩慢的自發(fā)氧化形成二硫鍵。顯然，這種速率在應(yīng)激狀態(tài)下可能無法滿足大量蛋白質(zhì)折疊的需要，因此，需要特異性的酶催化

6、二硫鍵形成，這種特異性的酶就是蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶，而且發(fā)現(xiàn)其除了催化二硫鍵形成以外，這種酶還可以介導(dǎo)蛋白質(zhì)異構(gòu)化。 PDI主要存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，也有少量分布于線粒體和胞漿中，其分子質(zhì)量約為55kDa，由約500個(gè)氨基酸殘基組成的5個(gè)結(jié)構(gòu)域分別為a、a、b、b和c。 PDI的活性可歸納為兩個(gè)方面：催化兩個(gè)半胱氨酸殘基的巰基基團(tuán)的氧化反應(yīng)，從而形成二硫鍵；催化錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)異構(gòu)化以形成正確折疊。 PDI識(shí)別錯(cuò)誤折疊蛋白的機(jī)制與PDI的分子伴侶活性相關(guān)。PDI可識(shí)別錯(cuò)誤折疊蛋白的暴露的疏水性氨基酸殘基，并利用b 7結(jié)構(gòu)域與底物蛋白質(zhì)結(jié)合。PDI-蛋白復(fù)合體形成后將發(fā)生復(fù)雜構(gòu)象變化，并由a和a 7結(jié)構(gòu)

7、域誘導(dǎo)新二硫鍵形成，從而介導(dǎo)蛋白質(zhì)異構(gòu)化。二、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)質(zhì)量控制（一）真核細(xì)胞的未折疊蛋白應(yīng)答 細(xì)胞在包括熱、滲透壓和細(xì)胞外物質(zhì)等刺激下往往面臨細(xì)胞內(nèi)酶活性、離子濃度和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路等內(nèi)環(huán)境的變化。這種應(yīng)激狀態(tài)的直接結(jié)果之一就是細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成后修飾的異常，從而可能導(dǎo)致未折疊蛋白的增加。若分泌型蛋白和膜蛋白沒能在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔體內(nèi)正確折疊，且呈積累效應(yīng)，則會(huì)引發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERS)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)一系列保護(hù)性反應(yīng)以應(yīng)對(duì)ERS，這被稱為未折疊蛋白應(yīng)答(UPR)。UPR啟動(dòng)的首要目的是保護(hù)細(xì)胞自身，即上調(diào)細(xì)胞存活基因的表達(dá)、減少新生肽的合成，以及增加分子伴侶和折疊酶的產(chǎn)量以促進(jìn)蛋白質(zhì)正確折疊，這與肌醇酶

8、一1(Irel)、激活轉(zhuǎn)錄因子一6(ATF6)和蛋白激酶RNA樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PERK)3種關(guān)鍵的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜蛋白密切相關(guān)。此外，UPR將持續(xù)激活包括線粒體依賴和非依賴細(xì)胞凋亡途徑。與此同時(shí)，UPR將通過泛素化一蛋白酶體途徑介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)蛋白質(zhì)降解(ERAD)，以盡量清除未折疊蛋白。（二）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)的蛋白質(zhì)降解 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)的蛋白質(zhì)降解(ERAD)是蛋白質(zhì)質(zhì)量控制的核心環(huán)節(jié)，在UPR上調(diào)生存基因，降低總轉(zhuǎn)錄和翻譯的同時(shí)，ERAD選擇性水解未折疊和錯(cuò)誤折疊蛋白顯然是一種降低內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的直接手段。這種水解機(jī)制被稱為泛素一蛋白酶體信號(hào)通路(UPP)，顧名思義，UPP要有兩個(gè)核心部分：泛素(Ub)系統(tǒng)和蛋白

9、酶體，它們分工非常明確，Ub負(fù)責(zé)標(biāo)記未折疊蛋白，蛋白酶體負(fù)責(zé)特異性水解這些標(biāo)記蛋白。Ub和蛋白酶體也被稱為泛素蛋白酶系統(tǒng)(UPS)。1、泛素化的分子機(jī)制 Ub是一個(gè)小分子蛋白質(zhì)，由76個(gè)氨基酸組成，它是一個(gè)廣泛表達(dá)于真核細(xì)胞的保守蛋白質(zhì)，因而得名泛素，最早它被認(rèn)為是胸腺的一種激素。后來發(fā)現(xiàn)，Ub的主要生物學(xué)特性是可通過其C端的甘氨酸殘基與底物蛋白質(zhì)的N端或內(nèi)部序列中賴氨酸(Lys)殘基的e_氨基形成異肽鍵。所謂異肽鍵，是指位于蛋白質(zhì)側(cè)鏈氨基基團(tuán)和羧基基團(tuán)形成的酰胺鍵。這種以Ub共價(jià)標(biāo)記底物蛋白質(zhì)的后翻譯修飾被稱為泛素化。 泛素化過程是一種與泛素活化酶(E1)、泛素交聯(lián)酶(E2)和泛素連接酶(E

10、3)3種酶相關(guān)的級(jí)聯(lián)催化反應(yīng)。首先，E1水解一個(gè)分子ATP并將一個(gè)Ub分子C端的甘氨酸殘基結(jié)合一個(gè)分子的腺苷酸(AMP)。其次，在E1的催化下，Ub被去AMP化，并與E1活性中心的半胱氨酸殘基形成硫酯鍵，從而完成Ub的E1轉(zhuǎn)移。此時(shí)，E2催化E1-Ub復(fù)合體硫酯鍵的還原反應(yīng)，從而介導(dǎo)E1與Ub解離，進(jìn)而催化E2的半胱氨酸殘基與Ub的甘氨酸殘基形成新的硫酯鍵，此反應(yīng)的結(jié)果是Ub的E2轉(zhuǎn)移和E1解離。最后，E3催化E1一Ub復(fù)合體硫酯鍵的還原反應(yīng)，并介導(dǎo)Ub與底物蛋白質(zhì)賴氨酸殘基的連接反應(yīng)，結(jié)局是以異肽鍵形式將底物蛋白質(zhì)標(biāo)記Ub，完成一輪泛素化反應(yīng)。Ub分子本身也有幾個(gè)賴氨酸殘基，因此，Ub分子可

11、以通過上述反應(yīng)級(jí)聯(lián)泛素化Ub分子，形成多泛素鏈(Ub chain)結(jié)構(gòu)。研究表明，靶蛋白被泛素鏈結(jié)構(gòu)標(biāo)記是其可被蛋白酶體識(shí)別的前提。2.蛋白酶體的分子機(jī)制 A底物識(shí)別 細(xì)胞內(nèi)分布著大量單泛素化或多泛素化的底物蛋白質(zhì)，一般認(rèn)為被超過4個(gè)Ub分子標(biāo)記的底物蛋白質(zhì)能被蛋白酶體識(shí)別。 酵母Rpnl0(人細(xì)胞中為hRpnlO)是最早被發(fā)現(xiàn)的Ub受體，也研究得最為充分。其中，hRpnl0可以通過其C端的兩個(gè)泛素作用基序(UIM)識(shí)別Ub。根據(jù)剪接位點(diǎn)不同，UIM又可分為UIMl和UIM2，它們各自包含一個(gè)a螺旋，而UIM2與ub的結(jié)合力至少是UIMl的5倍，在多個(gè)Ub分子存在的條件下，UIMl和UIM2顯

12、示協(xié)同作用。與此類似，酵母Rpnl3(人細(xì)胞中為hRpnl3)也是蛋白酶體的一個(gè)內(nèi)源性Ub受體，不過它是通過一個(gè)被稱為PH結(jié)構(gòu)域的血小板蛋白樣泛素受體(Pru)識(shí)別Ub分子的。 UBLUBA蛋白的底物運(yùn)輸機(jī)制還可能與泛素化反應(yīng)中的連接酶相關(guān)。也就是說，連接酶可能催化UBLUBA蛋白的UBL結(jié)構(gòu)域與底物蛋白質(zhì)結(jié)合。 B去泛素化 當(dāng)?shù)孜锏鞍踪|(zhì)被轉(zhuǎn)位到CP的僅環(huán)之前，必須首先發(fā)生去泛素化，其目的是加工底物蛋白質(zhì)，使其暴露可被p環(huán)識(shí)別的活性位點(diǎn)。但是，這兩種反應(yīng)的具體機(jī)制還不清楚。目前認(rèn)為三種位于RP蓋狀結(jié)構(gòu)的去泛素化酶與該反應(yīng)相關(guān)，它們分別是Rpnl 1、Uch37和Ubp6。Ub鏈?zhǔn)菢O性的分子結(jié)構(gòu)

13、，Rpnl l對(duì)Ub的切割具有原點(diǎn)特異性，也就是說它會(huì)介導(dǎo)切除整個(gè)Ub鏈。有研究表明，如果Ub鏈保留，CP切割底物蛋白質(zhì)的能力會(huì)顯著降低，然而這種現(xiàn)象的機(jī)制不清楚。Ub的物理結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，因此，如果它不被徹底切除，可能會(huì)降低接下來的去折疊速率。有研究表明，如果誘導(dǎo)UBP6基因突變，細(xì)胞內(nèi)的Ub周轉(zhuǎn)率就會(huì)顯著降低。這是因?yàn)椋泻芏嗟鞍踪|(zhì)被不止一條Ub鏈標(biāo)記，這時(shí)Ubp6的作用可能就相對(duì)重要，因?yàn)镽pnll只能切除單個(gè)Ub鏈標(biāo)記的蛋白質(zhì)。而Uch37的主要功能被認(rèn)為是調(diào)節(jié)CP活性并且介導(dǎo)單個(gè)或兩個(gè)Ub分子標(biāo)記的蛋白質(zhì)。 C去折疊反應(yīng) 去折疊反應(yīng)的機(jī)制目前尚不清楚，而且有爭(zhēng)議?？傮w而言，去折疊反應(yīng)有

14、兩類模型：模型I認(rèn)為去折疊反應(yīng)發(fā)生在蛋白酶體表面，而且發(fā)生在CP轉(zhuǎn)位之前；模型II認(rèn)為底物去折疊發(fā)生在CP通道內(nèi)，也就是說去折疊和轉(zhuǎn)位是不分先后的，是同一過程。 如果底物蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)允許通過13A的孔徑，那么在UBLUBA將底物轉(zhuǎn)運(yùn)至CP時(shí)即可發(fā)生轉(zhuǎn)位，并且在轉(zhuǎn)位過程中邊轉(zhuǎn)位邊繼續(xù)去折疊(模型II)；但如果蛋白質(zhì)較大，由于無法通過孔徑，其在RP滯留從而增加了CP轉(zhuǎn)位前去折疊反應(yīng)的時(shí)間，在蛋白質(zhì)逐級(jí)失去空間結(jié)構(gòu)并達(dá)到可以通過孔徑時(shí)，CP轉(zhuǎn)位即發(fā)生，由于存在滯留時(shí)長(zhǎng)，看上去好像去折疊在前，轉(zhuǎn)位在后(模型I)。 D底物蛋白質(zhì)在CP通道內(nèi)降解 底物蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)位至CP通道后被p亞基以蘇氨酸依賴的親核攻擊

15、形式降解。這一降解過程與位于底物蛋白質(zhì)上的兩類信號(hào)有關(guān)：起始信號(hào)和部分降解信號(hào)。底物蛋白質(zhì)上往往存在一個(gè)類似信號(hào)肽的無結(jié)構(gòu)又能進(jìn)入a環(huán)的起始位點(diǎn)，也被稱為起始信號(hào)。起始信號(hào)是一個(gè)內(nèi)源型的未折疊蛋白片段，也就是蛋白質(zhì)內(nèi)部的水解位點(diǎn)。目前至少在細(xì)胞周期蛋白B(cyclinB)、Sicl和伊半乳糖苷酶(fl-galactosidase)等底物蛋白質(zhì)中已經(jīng)證實(shí)有起始信號(hào)的存在。具部分水解特性的底物蛋白質(zhì)常有相似的結(jié)構(gòu)序列特征，即一個(gè)高度折疊的結(jié)構(gòu)域(元素II，element II)和在其附近的一個(gè)2030個(gè)氨基酸殘基的低復(fù)雜度序列(元素I，element I)。元素I和元素II統(tǒng)稱為部分水解，其中，元

16、素I負(fù)責(zé)啟動(dòng)CP蛋白降解，而降解過程將會(huì)跨過元素II形成部分降解。比較典型的例子就是哺乳動(dòng)物的NF-xB復(fù)合物，它在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)以無活性的前體分子存在，一旦接受UPR等信號(hào)，經(jīng)UPS部分水解而轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚苑肿?；在酵母蛋白中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。這種選擇性降解被稱為“受調(diào)控的泛素一蛋白酶體依賴的剪切”。 3.非泛素依賴的蛋白質(zhì)降解 既然UBL蛋白能夠參入U(xiǎn)b鏈中，那么可能有更多的蛋白質(zhì)可以模擬Ub反應(yīng)，或者蛋白質(zhì)本身就具有蛋白質(zhì)水解起始信號(hào)以供被蛋白酶體識(shí)別，從而省去了泛素化反應(yīng)。這種不需要泛素化修飾即可降解蛋白質(zhì)的機(jī)制確實(shí)存在，被稱為非泛素依賴的蛋白質(zhì)降解(ubiquitin-independent

17、 protein degradation)。最早發(fā)現(xiàn)的具有這種機(jī)制的底物蛋白質(zhì)是鳥氨酸脫羧酶(ODC)，它可以與抗酶非共價(jià)結(jié)合而發(fā)生構(gòu)象變化，暴露其C端的降解起始信號(hào)，進(jìn)而介導(dǎo)蛋白酶體依賴的降解作用。三、線粒體的蛋白質(zhì)質(zhì)量控制（一）線粒體蛋白氧化損傷的修復(fù)機(jī)制 呼吸鏈的氧化磷酸化反應(yīng)可介導(dǎo)線粒體生成大量ROS，因此，線粒體也是細(xì)胞內(nèi)RoS最富集的細(xì)胞器。雖然折疊酶的活性依賴于氧化環(huán)境，但是，過多的ROS將介導(dǎo)產(chǎn)生線粒體蛋白的氧化損傷。 幾乎所有蛋白質(zhì)內(nèi)部的氨基酸殘基都可以被氧化，其中最易被氧化的是含有S的氨基酸(半胱氨酸和蛋氨酸)和含芳香環(huán)的氨基酸(酪氨酸和蛋氨酸)。 因此，應(yīng)對(duì)抗氧化損傷是線

18、粒體蛋白質(zhì)量控制的一道重要防線。目前已知的逆轉(zhuǎn)氧化損傷的機(jī)制僅限于含S氨基酸的氧化產(chǎn)物還原。這些產(chǎn)物包括二硫分子橋、半胱次磺酸、半胱亞磺酸和半胱磺酸。甲硫氨酸氧化反應(yīng)為：首先生成甲硫氨酸亞砜，進(jìn)而形成甲硫氨酸砜。其中，甲硫氨酸砜的形成一般伴隨蛋白質(zhì)疏水性增加和功能損傷。線粒體中存在高豐度的硫氧還原蛋白硫氧還原蛋白還原酶，這兩種氧化還原蛋白可以誘導(dǎo)二硫分子橋和磺酸的還原反應(yīng)；而谷胱氧化還原蛋白谷胱甘肽谷胱甘肽還原酶反應(yīng)系統(tǒng)也可以減少二硫分子橋。（二）線粒體基質(zhì)的蛋白質(zhì)質(zhì)量控制 幾乎所有的基質(zhì)蛋白是在胞漿中合成的，然后通過蛋白質(zhì)分配(targeting)機(jī)制轉(zhuǎn)位到線粒體的外膜和內(nèi)膜，這時(shí)的蛋白質(zhì)多

19、處于未折疊狀態(tài)。線粒體內(nèi)含有多種分子伴侶，包括線粒體Hsp70(mtHsp70)、mtHsp60和mtHspl00家族成員，它們可以輔助新生蛋白質(zhì)的基質(zhì)轉(zhuǎn)位，進(jìn)而輔助蛋白質(zhì)折疊。然而，未折疊蛋白可被基質(zhì)特異性的蛋白酶識(shí)別，這些蛋白酶包括Lon蛋白酶和CIpXP蛋白酶等。線粒體基質(zhì)的蛋白質(zhì)量控制中具有代表性的是線粒體的自噬。 線粒體自噬(mitophage)現(xiàn)象最早是在饑餓誘導(dǎo)的酵母菌死亡模型中被發(fā)現(xiàn)的。在當(dāng)時(shí)，普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為線粒體可以直接被囊泡(vacuole)吞噬降解，然而，線粒體自噬的發(fā)現(xiàn)可以說開創(chuàng)了一個(gè)新的領(lǐng)域，因?yàn)?，種種證據(jù)表明，這不但是受損細(xì)胞器的清除機(jī)制，而且也是一些高分子蛋白的質(zhì)量控制手段。其中，最為重要的發(fā)現(xiàn)是UTHl基因與