泛素化蛋白修饰PPT课件

1、泛素化蛋白修饰 Protein Modification by Ubiquitination 北京协和医学院研究生课程：细胞信息与调控 2010年10月13日,The Central Dogma （Revised,E1,E1,E2,E2,底物,E3,ATP,AMP+PPi,Ub,Ub,Ub,泛素蛋白酶体通路,Ub: 泛素 (Ubiquitin)，一高度保守的，由76个氨基酸组成的多肽。 E1: 泛素激活酶 (Ubiquitin-activating enzyme)，人类仅有2种E1。 E2: 泛素载体蛋白 (Ubiquitin-carrier protein)， 人类约有 30 种E2s。 E

2、3: 泛素蛋白连接酶 (Ubiquitin-protein ligase)， 人类有500多种E3s,9,泛素化(ubiquitination)即蛋白质被泛素(ubiquitin，由76个氨基酸组成的多肽）共价修饰的过程，在几乎所有的真核细胞活动中起着关键作用。泛素 蛋白酶体(proteasome)通路则是真核细胞内最主要的蛋白质降解途径。泛素化调控的细胞活动至少包括: 细胞周期（Cell cycle progression）细胞凋亡（Apoptosis）转录调控（Transcriptional regulation）DNA修复（DNA repair）免疫应答（Immune response）

3、蛋白质降解及质量控制（Protein degradation and quality control,2,The Nobel Prize in Chemistry 2004 for the discovery of ubiquitin-mediated proteolysis,Aaron Ciechanover Avram Hershko Irwin Rose 阿龙.西查诺瓦 阿夫拉姆.赫希科 欧文.罗斯,3,近年与泛素蛋白酶体相关的PubMed论文数在持续增长,4,篇数,年份,本专题内容,1. 泛素蛋白酶体通路的组成及重要性 2. 泛素化与泛素化酶 3. 去泛素化酶 4. 泛素化异常与人类重

4、大疾病的发生 5. 蛋白酶体构成 6. 蛋白酶体抑制剂与药物 7. 调节蛋白酶体活性的新机制 8. 类泛素蛋白（SUMO, NEDD8, ISG15, APG8, APG12， PUP等,5,中国协和医科大学出版社， 2008年,泛素介导的蛋白质降解 Ubiquitin-Mediated Proteolysis 主编：邱小波 王琛 王琳芳,参考书,陈竺和诺贝尔奖得主Aaron Ciechanover作序,蛋白质泛素化研究简史,1975年，Goldstein误将泛素（Ubiquitin)当作胸腺激素而发现。 1977年，Goldknopf和Busch认定组蛋白2A与泛素以异肽键（Isopepti

5、de Bond）结合。 1977年，Goldberg证明人类细胞中存在一可溶的，直接依赖于能量的非溶 酶体类蛋白酶 。 1978年，Ciechanover 和 Hershko发现了APF-1是Goldberg系统中蛋白酶 系的必要成分，结果发表在BBRC。 1980年，Ciechanover，Hershko和Rose等人证明了APF-1与当时已被发 现的泛素是同一物质 。 1984年，Finley和Varshavsky等发现泛素在细胞周期中的重要性。 1987年，Goldberg和Rechsteiner两个小组几乎同时分离出分子量很大的 依赖于ATP并降解泛素化底物的蛋白水解酶。 1988年，

6、Goldberg将这种蛋白水解酶命名为Proteasome（蛋白酶体）。 1997年，Yeh 等小组发现类泛素蛋白SUMO和NEDD8的功能。 2003年，美国FDA批准了用Velcade来治疗多发性骨髓瘤； Velcade 是 在Goldberg发明的蛋白酶体抑制剂MG132的基础上研发而成的。 2004年，Ciechanover，Hershko和Rose因发现泛素介导的蛋白质降解共 同获得诺贝尔化学奖。 2008年，Darwin等在细菌中发现类泛素化修饰,7,Figure 8-34 Ubiquitin (泛素,泛素由76个氨基酸残基组成，其中包括7个赖氨酸残基(K), 其C末端可与底物的赖

7、氨酸残基形成异肽键，从而引起底物泛素化。泛素的K11、K29、K48和K63均能参与形成泛素与泛素间的异肽键 (Isopeptide bond,E1与ATP结合后，催化泛素羧基末端腺嘌呤化，同时释放无机焦磷酸（PPi）。E1活化位点的半胱氨酸硫醇激活泛素腺嘌呤核苷酸中间产物上的羧基，形成一个泛素硫酯键。 E2激活的重要条件是位于UBC结构域的一个保守半胱氨酸催化位点与泛素羧基端形成一个硫酯键。 E3催化被E2活化的泛素C-端甘氨酸与底物或下一个泛素的赖氨酸间形成泛素异肽键 (Isopeptide bond,11,调节蛋白质内吞，修饰和转录,靶蛋白必须经多聚泛素(多于4个泛 素分子)修饰才能被蛋

8、白酶体识别 与降解,泛素化模式（Ubiquitination Modes,调节蛋白质的活性和定位,K48 polyubiquitylation,K63 polyubiquitylation,Monoubiquitylation,Multiple monoubiquitylation,12,a. RING finger domain（SCF复合体，APC， MDM2， Parkin, 和c-Cb1） b. U-box domain（CHIP) c. HECT domain（能与底物形成硫酯键) d. N-End Rule,E3的种类,13,E3泛素连接酶以单体和复合体两种形式存在,14,Amer

9、ik and Hochstrasser, 2004,去泛素化作用 （Deubiquitination,15,泛素-C-末端水解酶 ，通常参与蛋白降解后泛素分子的再利用及对多聚泛素链的修饰，也参与由泛素前体产生泛素单体的过程（如UCH37、UCH-L1)。 泛素特异性蛋白酶 ，参与去除蛋白质上的多聚泛素链，也可从短泛素链的末端去掉单个泛素（如USP8)。 去泛素化酶属半胱氨酸蛋白酶，目前已发现90多种,去泛素化酶可分为两类,去泛素化酶(Deubiquitinating enzyme,16,泛素化途径的异常与人类重大疾病,神经退行性疾病（如帕金森氏症）： Parkin, UCH-L1 癌症: BR

10、CA1, CYLD, Mdm2, Nrdp1, pVHL 传染病病原体的入侵、致病机制: E6-AP,17,泛素连接酶Parkin的失活与帕金森氏症（AR-JP,Current Opinion in Neurobiology 2004, 14:384389,18,Current Opinion in Neurobiology 2004, 14:384389,Parkin Substrates,19,UCH-L1为一去泛素化酶，它在帕金森氏症病人中的突变可能导致其酶活性的丧失，减少了泛素自由单体的供应及底物蛋白的降解，进而导致黑质病变,帕金森氏症中的去泛素化,20,失调蛋白 底物 修饰 肿瘤类别

11、 SKP2 p27 (KIP) Polyubiquitylation Malignant melanoma MDM2 p53 Polyubiquitylation Non-small-cell lung cancer, soft-tissue carcinoma, colorectal cancer HAUSP p53, MDM2 De-ubiquitylation Non-small-cell lung cancer lymphoma APC Cyclin B, Polyubiquitylation Colorectal cancer securin FANCL FANCD2 Monoubi

12、quitylation Fanconi anaemia-related cancers CYLD IKK De-ubiquitylation Cylindromatosis IAP2 BCL10 Polyubiquitylation MALT lymphomas CBL RTKs Multiple Lymphoma, AML and monoubiquitylation gastric carcinoma pVHL HIFPolyubiquitinationvon Hippel-Lindau disease,泛素化失调与肿瘤,21,CYLD具有TRAF2（TNF-receptor-associ

13、ated factor 2， 为 I B 的泛素连接酶) 结合位点，可促进 I B 的去泛素化,去泛素化酶CYLD的突变与圆柱瘤Cylindromatos的发生相关,22,CYLD促进IB的去泛素化，从而抑制NF-B的活性,23,N ENGL J MED 2004, 350:187-188,圆柱瘤Cylindromatos也称 “头帕肿瘤综合症”(turban tumour syndrome), 其患者细胞CYLD的两个等位基因都发生了突变，结果使患者细胞中CYLD丧失功能，导致核转录因子NF-B的过度活化；启动基因的转录，导致细胞的过度增殖,24,泛素连接酶Mdm2和E6-AP与p53的降解

14、和癌症,25,Ubiquitination occurs on histones H1, H2A, H2B and H3. This modification on different histones plays distinct roles in regulation of chromatin structures, and hence gene expression and genome stability,Ubiquitination and transcriptional regulation,Ubiquitination of histone H2A and H2B has opp

15、osite effects on transcription. Ubiquitination of H2B is associated with gene activation, while H2A ubiquitination contributes to gene silencing,Wang et al., NATURE |VOL 431 | 14 OCTOBER 2004,Lee et al., Cell 131, 10841096, 2007,Histone Crosstalk between H2B Mono-ubiquitination and H3 Methylation Me

16、diated by COMPASS,Cps35 Is Required for Translating Histone Crosstalk between H2B Monoubiquitination and H3 Methylation by COMPASS,1.Nrdp1 是一新的含有RING finger 结构域的泛素连接酶,Nrdp1 是一促进ErbB3及BRUCE泛素化 和降解的泛素连接酶,2. ErbB3 是表皮生长因子受体家族 (EGFR family)成员之一， 在生长，发育及细胞存活中起着关键的作用。该家族与许多 肿瘤密切相关，已成为癌症治疗的重要标靶之一。 3. BRUCE

17、/Apollon 是一含有BIR domain（凋亡抑制蛋白的标志性结构域） 和E2 domain 的巨型 (530 kDa) 膜蛋白,26,Nrdp1促进细胞凋亡并可能与癌症和帕金森氏症相关,1. Qiu* & Goldberg* (2002), PNAS 2. Qiu* et al. (2004), EMBO J 3. Qiu* & Goldberg* (2005), J. Biol. Chem. 4. Liu, Qiu* et al. Manuscript in preparation,27,本专题内容,1. 泛素蛋白酶体通路的组成及重要性 2. 泛素化与泛素化酶 3. 去泛素化酶 4.

18、 泛素化异常与人类重大疾病的发生 5. 蛋白酶体构成 6. 蛋白酶体抑制剂与药物 7. 调节蛋白酶体活性的新机制 8. 类泛素蛋白,28,The Biochemical Roles of Protein Degradation in a Cell,1. 溶酶体 (Lysosomes)Non-selective Hydrolyze proteins from autophagy Digest proteins from endocytosis Membrane proteins Extracellular proteins 2. 泛素-蛋白酶体通路Selective and (Ubiquitin

19、-Proteasome Pathway)ATP-Dependent Regulate biochemical reactions Discard unnecessary proteins Degrade damaged or misfolded proteins Present internalized antigens in immunological responses,29,20S 催化颗粒,19S 调节颗粒,19S,10 nm,电镜下的26S蛋白酶体(Proteasome,Yifan Cheng, Xiao-Bo Qiu et al., unpublished data,30,26S

20、蛋白酶体的亚基组成,31,32,免疫蛋白酶体(Immunoproteasome)负责抗原提呈(Antigen Presentation,免疫蛋白酶体的催化颗粒(20S) 有三个特殊亚单位LMP2、LMP7 和MECL-1。其调节颗粒为PA28（11S,20S颗粒,33,MHC class I antigen presentation pathway,T cell,Peptide MHC class I,Protein antigen,Proteasome +/- Ubiquitin,Peptides (2-24 a.a.,TAP (8-16 a.a.,Endoplasmic Reticulum

21、,CD8,Golgi,8-10 a.a,Amino acids,ERAP1,34,35,The proteasome inhibitor, Velcade (Botezomib/PS-341), has been approved by FDA to treat multiple myeloma and mantle cell lymphoma,36,中药雷公藤中的抗癌活性成分雷公藤红素Celastrol是一种蛋白酶体抑制剂，它能通过控制癌细胞的蛋白酶体活性进而诱发癌细胞凋亡。 Yang, H. et al., Cancer Res. (2006,37,1、 蛋白酶体亚单位hRpn13能激活存

22、在于蛋白酶 体的去泛素化酶UCH37。2、 c-Abl通过引起蛋白酶体磷酸化而抑制其活性,蛋白酶体的调控,38,hRpn13能激活去泛素化酶UCH37,control,hRpn13,S5a,hRpn13+Ub-H,Qiu, X.B. * et al., EMBO J. （2006） 25:5742-5753,39,其它研究表明Rpn13可作为泛素受体而结合于泛素链的近端,Husnjak et al. Nature 453:481, 2008 Schrener et al. Nature 453:548, 2008,41,c-Abl通过引起蛋白酶体磷酸化而抑制其活性,Liu, X., Huang

23、, W., Li., C., Li, P., Yuan, J., Li, X., Qiu, X.B., Ma, Q., and Cao, C.(2006). Molecular Cell. 22, 317-327,42,The 26S proteasome is a multisubunit complex, consisting of the 20S catalytic particle and the 19S regulatory particle, and selectively degrades ubiquitinated proteins in the presence of ATP

24、. Proteasomes are responsible for degradation of most cellular proteins, while lysosomes degrade extracellular proteins and most membrane proteins. Upon immune responses, cells generate special types of proteasomes, immunoproteasomes, which possess distinct regulatory particle (11S ) and catalytic p

25、article (with different catalytic subunits), for more efficient antigen presentation,Proteasomes are responsible for degradation of most cellular proteins,本专题内容,1. 泛素蛋白酶体通路的组成及重要性 2. 泛素化与泛素化酶 3. 去泛素化酶 4. 泛素化异常与人类重大疾病的发生 5. 蛋白酶体构成 6. 蛋白酶体抑制剂与药物 7. 调节蛋白酶体活性的新机制 8. 类泛素蛋白（SUMO, NEDD8, ISG15, ATG8, PUP等,

26、43,类泛素蛋白及其同源性,44,Ubiquitin-Like Protein Involved in the Proteasome Pathway of Mycobacterium tuberculosis Pearce et al. (2008) Science 322:1104PUP-conjugation is found remarkably in mycobacteria and allied actinobacterias, and is sporadically present in other lineages, such as verrucomicrobia, nitros

27、pirae, deltaproteobacteria and planctomycetes.Iyer et al. (2008 ) Biology Direct, 3:45,Protein modification by ubiquitin-like protein, PUP, in prokaryotes,PUP is predicted to encode a 64amino acid protein with a molecular size of 6.9 kD,类泛素蛋白的结构高度相似,Ubiquitin,ISG15,Sumo,NEDD8,45,Activating enzyme co

28、mplex has two subunits AOS1 is similar to the N-terminal half of Ub E1 UBA2 is homologous to the C-terminal half of Ub E1 and contains the cysteine necessary for linkage with SUMO Conjugating enzyme: UBC9,SUMO (Small ubiquitin-like modifier) 101 amino acids,46,SUMO修饰的功能,47,SUMO化修饰的底物,48,Desumoylatin

29、g enzymes,Ulp1 Has both isopeptidase and C-terminal hydrolase activity Required for G2/M transition Sumo C-terminal hydrolases, e.g. SENP1,49,Nedd8 (neural precursor cell-expressed developmentally downregulated) -81 residues,Activating enzyme complex (2 subunits) -APP-BP1 and UBA3 The APP-BP1 N-term

30、inal half is homologous to the N-terminal half of ubiquitin E1 UBA3 is homologous to the C-terminal half of ubiquitin E1 and contains the cysteine required for thiol ester linkage with Nedd8,Conjugating enzyme: UBC12,50,Function of Neddylation,Substrates (SCF components) Cdc53 in yeast Cullin family

31、 members in humans,51,Crystal structure,52,Deneddylation: COP9 Signalosome (CSN,500 kDa protein complex 8 distinct subunits CSN5/Jab1 is catalytic component of isopeptidase Homology to subunits of the proteasome (CSN5=RPN11,53,Other NEDD8-specific hydrolases and isopeptidases,UCH-L3 has NEDD8 C-term

32、inal hydrolase activity USP21 deconjugates ubiquitin and deneddylates from NEDD8 conjugates,54,ISG15 (Interferon-stimulated gene 15,Induced by interferon, lipopolysaccharides, or upon viral infections E1 (ISG15 activating enzyme) UBP43, ISG15-specific isopeptidase Modified proteins: JAK-STAT proteins,55,Aut7/Apg8/ATG8 in Autophagy,Aut7 /Apg8 is necessary for formation of membr