泛素化修飾與身體調(diào)控及疾病的關(guān)系,細(xì)胞生物學(xué)論文

泛素化修飾與身體調(diào)控及疾病的關(guān)系,細(xì)胞生物學(xué)論文為維持本身穩(wěn)態(tài)〔homeostasis〕，細(xì)胞必須能夠及時(shí)回應(yīng)內(nèi)部及外部環(huán)境的迅速變化，而針對(duì)特定蛋白質(zhì)的翻譯后修飾〔post-translationalmodification,PTM〕正是一種極其敏感、迅速并且可逆的調(diào)節(jié)方式[1].小分子修飾如磷酸化、甲基化及乙?；揎椀臋C(jī)制與功能在細(xì)胞生物學(xué)的各個(gè)方面都已得到廣泛而深切進(jìn)入的研究。而泛素化〔ubiquitination〕，作為一類作用方式愈加復(fù)雜且作用結(jié)果愈加多樣的蛋白質(zhì)修飾，在細(xì)胞生命周期各個(gè)方面扮演著同樣重要的角色。通過對(duì)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性、定位、活性以及互相作用的調(diào)控，泛素化廣泛介入了諸如轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、DNA損傷修復(fù)、細(xì)胞周期、細(xì)胞凋亡、囊泡運(yùn)輸?shù)壬斫?jīng)過[2~7].與磷酸化、甲基化以及乙?；揎椝砑拥膯我换鶊F(tuán)不同，泛素〔ubiquitin,Ub〕是一種由76個(gè)氨基酸組成的小分子蛋白質(zhì)，廣泛存在于所有真核細(xì)胞中，且序列高度保守，從酵母到人僅相差3個(gè)氨基酸[8].泛素化是指泛素在一系列酶的催化作用下共價(jià)結(jié)合到靶蛋白的經(jīng)過。泛素化經(jīng)過通常需要3種泛素化酶的協(xié)同作用：E1泛素激活酶〔ubiquitin-activatingenzyme〕、E2泛素偶聯(lián)酶〔ubiquitin-conjugatingenzymes〕和E3泛素連接酶〔ubiquitin-ligaseenzymes〕。首先，E1利用ATP提供的能量在泛素C端賴氨酸〔Lys〕殘基上的羧基基團(tuán)與本身的半胱氨酸〔Cys〕殘基上的巰基基團(tuán)間構(gòu)成高能硫酯鍵，進(jìn)而活化泛素分子。然后，激活的泛素通過硫酯鍵再被接合到E2的Cys殘基上。最終，激活的泛素或者通過E2直接連到蛋白底物上，或是在E3作用下通過泛素的羧基末端與靶蛋白Lys殘基的e-氨基之間構(gòu)成氨基異肽鍵而將泛素轉(zhuǎn)移到靶蛋白上。假如靶蛋白結(jié)合單個(gè)泛素分子，則稱為單泛素化；假如靶蛋白的多個(gè)Lys殘基同時(shí)被單個(gè)泛素分子標(biāo)記稱為多泛素化；而靶蛋白的單個(gè)Lys殘基被多個(gè)泛素分子標(biāo)記則稱為多聚泛素化。在這一系列酶促級(jí)聯(lián)反響當(dāng)中，E3在靶蛋白的特異性辨別以及泛素化系統(tǒng)活性的調(diào)控中起著最重要的作用。據(jù)估計(jì)人基因組編碼2種E1s、大約40種E2s和超過600種E3s[9],根據(jù)E3的構(gòu)造特點(diǎn)可將其分為含RING〔reallyinterestingnewgene〕構(gòu)造域的E3s,和含HECT〔homologoustoE6-APcarboxylterminus〕構(gòu)造域的E3s以及含U-box構(gòu)造域的E3s.華而不實(shí)，含RING和U-box構(gòu)造域的E3,在功能與構(gòu)造都高度類似，均作為腳手架蛋白將具有催化活性的E2與靶蛋白連接起來進(jìn)而促進(jìn)泛素化反響。而具有HECT構(gòu)造域的E3s本身就具有催化活性，能將泛素從E2轉(zhuǎn)移到本身半胱氨酸上再直接連接到底物蛋白。因而，對(duì)于前兩類E3s,E2與E3共同決定泛素化鏈的長度與種類，而具有HECT構(gòu)造域的E3s則本身起著決定性的影響[10].泛素分子全長包含7個(gè)賴氨酸位點(diǎn)〔K6,K11,K27,K29,K33,K48和K63〕和1個(gè)位于C端的甘氨酸〔Gly〕位點(diǎn)以及位于N端的甲硫氨酸〔Met1〕位點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)有研究，無論在細(xì)胞內(nèi)環(huán)境還是胞外反響體系，泛素本身的每個(gè)賴氨酸位點(diǎn)以及N端的甲硫氨酸〔Met1〕位點(diǎn)都能夠發(fā)生泛素化進(jìn)而延伸泛素鏈[11,12].華而不實(shí)對(duì)K48和K63位多聚泛素化的研究最廣泛，而其他類型的泛素化鏈研究較少且被以為是非典型泛素化。但是隨著對(duì)泛素化鏈的裝配、辨別以及水解的深切進(jìn)入研究，非典型泛素化的功能與意義也逐步得到了重視。由于泛素化修飾對(duì)底物的宏大影響，因而與其他PTM如磷酸化、乙酰化類似，泛素化也是一個(gè)被嚴(yán)格調(diào)控的可逆經(jīng)過，尤其是去泛素化酶使泛素化修飾具有良好的平衡性。研究表示清楚，細(xì)胞內(nèi)廣泛存在很多去泛素化酶〔deubiquitinatingenzymes,DUBs〕，主要分為以泛素羧基末端水解酶家族和泛素特異性加工酶家族為主的5種類型[13].去泛素化酶對(duì)泛素化經(jīng)過不僅起著抑制作用，而且能夠通過分解泛素化抑制因子、再循環(huán)泛素分子、校對(duì)泛素化進(jìn)程等方式促進(jìn)泛素化經(jīng)過[14],進(jìn)而與泛素化系統(tǒng)共同組成一個(gè)覆蓋幾乎所有細(xì)胞功能的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。本文將通過介紹泛素化在細(xì)胞周期、受體內(nèi)化、DNA損傷修復(fù)及細(xì)胞凋亡中所扮演的角色來闡述泛素化作為細(xì)胞最復(fù)雜且最重要的PTM之一，怎樣發(fā)揮其多層面的調(diào)節(jié)功能介入各個(gè)生理經(jīng)過以維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，以及泛素化異常又怎樣介入并牽涉臨床重大疾病如癌癥與神經(jīng)退行性疾病的病理經(jīng)過，進(jìn)而為細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ)研究與臨床重大疾病提供新的見解與思路。1泛素化修飾與細(xì)胞生物學(xué)功能調(diào)控1.1泛素化修飾與細(xì)胞周期調(diào)控對(duì)所有真核細(xì)胞而言，將蛋白質(zhì)標(biāo)記上泛素對(duì)正確的細(xì)胞分裂至關(guān)重要。在超過600種E3連接酶中，SCF〔skp1cullin1F-box〕與APC/C〔anaphaseprom-otingcomplex/cyclosome〕E3連接酶對(duì)細(xì)胞周期調(diào)控最重要，它們具有類似的構(gòu)造，都含有cullin〔在SCF中〕或cullin相關(guān)〔在APC/C中〕腳手架作為RING構(gòu)造域結(jié)合E2以及底物進(jìn)而催化泛素化反響[15,16].SCF與APC/C可通過促進(jìn)細(xì)胞周期蛋白〔Cyclins〕，Aurora,Polo-like激酶，Cdc25磷酸酶及細(xì)胞周期蛋白依靠性激酶〔Cyclin-dependentkinase,CDK〕抑制因子的降解而完成不可逆的細(xì)胞周期轉(zhuǎn)換[15,17],而細(xì)胞則通過一系列調(diào)控機(jī)制影響SCF與APC/C進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞周期的進(jìn)程。盡管SCF與APC/C的構(gòu)造與功能高度類似，它們的調(diào)控方式卻迥然不同。對(duì)于SCF而言，底物通常都需要被磷酸化修飾才能被SCF辨別，假如底物的磷酸化位點(diǎn)發(fā)生突變就會(huì)導(dǎo)致不受限的細(xì)胞分裂。而大部分APC/C的底物都不需要依靠磷酸化被APC/C辨別，反而是細(xì)胞通過磷酸化或其他機(jī)制調(diào)控APC/C本身的活性而調(diào)節(jié)細(xì)胞周期轉(zhuǎn)換。因而，SCF,APC/C和細(xì)胞構(gòu)成了一種雙向調(diào)控關(guān)系：E3s調(diào)控細(xì)胞周期，但是與此同時(shí)，細(xì)胞周期調(diào)控泛素化。而近年來的研究又進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)非典型泛素化修飾，新的底物與E3s以及不同的細(xì)胞周期相關(guān)E3s的互相調(diào)控在細(xì)胞周期調(diào)控中的不容忽視的作用，尤其引人注意的便是K11泛素化修飾[18].在酵母細(xì)胞周期調(diào)控蛋白的蛋白酶體降解實(shí)驗(yàn)證明其泛素化修飾依靠于K48多聚泛素鏈，并且在酵母中K48也是泛素分子中唯一對(duì)細(xì)胞周期不可或缺的賴氨酸。進(jìn)一步研究又發(fā)現(xiàn)酵母中SCF與APC/C通過對(duì)底物催化K48多聚泛素化修飾而促進(jìn)其降解[19~21].有趣的是，在更高層次等的真核細(xì)胞中，研究者發(fā)現(xiàn)APC/C能夠催化底物發(fā)生另一種泛素化修飾，K11多聚泛素化修飾，而不是K48[22].事實(shí)上研究者早在之前的生化實(shí)驗(yàn)中就發(fā)現(xiàn)了K11多聚泛素化修飾，但其功能卻無法徹底說明[11,23].由于將細(xì)胞蛋白酶體抑制后，K11多聚泛素化會(huì)增加，研究者以為其可介導(dǎo)蛋白降解。通過使用泛素鏈特異性抗體，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)胞激活A(yù)PC/C時(shí)，K11多聚泛素化鏈水平急劇增加[24];與之相反抑制K11多聚泛素化后可導(dǎo)致APC/C底物穩(wěn)定性增加，進(jìn)而發(fā)生細(xì)胞周期阻滯[25].因而，在更高層次等的真核細(xì)胞中，K11多聚泛素化，通過介導(dǎo)關(guān)鍵細(xì)胞周期調(diào)控蛋白的蛋白酶體降解，對(duì)正確的細(xì)胞分裂而言不可或缺。1.2泛素化修飾與受體內(nèi)化配體誘導(dǎo)的跨膜受體的激活可啟動(dòng)一系列胞內(nèi)信號(hào)通路而調(diào)控關(guān)鍵的細(xì)胞生物學(xué)經(jīng)過，如細(xì)胞增殖、分化、遷移與存活。因而受體通路的時(shí)空調(diào)控對(duì)細(xì)胞正確的生物學(xué)功能極為重要。華而不實(shí)一類調(diào)控機(jī)制便是對(duì)受體的泛素化修飾，通過促進(jìn)受體內(nèi)化并靶向溶酶體降解，進(jìn)而確保受體通路的及時(shí)終止[7].研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)貨物蛋白進(jìn)行的單泛素化修飾〔monoubiquitination〕已經(jīng)足夠?qū)⑵浒邢蛉苊阁w[26],但從酵母菌的空泡分選研究中提示K63泛素鏈修飾可進(jìn)一步增加此經(jīng)過的效率[27],也許是由于K63泛素鏈采取了一種開放性的構(gòu)型而增加了本身與泛素作用構(gòu)造域〔ubiquitin-interactingdomains〕的親和力。一項(xiàng)最近的質(zhì)譜研究提示超過50%表皮生長因子受體〔epidermalgrowthfactorreceptor,EGFR〕連接的泛素是以K63泛素鏈形式存在的[28].而幾個(gè)過表示出K63突變泛素的實(shí)驗(yàn)清