2013蛋白质降解相关细胞器修订

蛋白质是否能够发挥功能的调控环节（1）量：量：降解或清除结构：构象，折叠，装配位置：去向和定位活性：剪切或有限水解修饰（磷酸化、泛素化、SUMO化、乙酰化…）√信号转导相关的？√蛋白质分选核糖体内质网高尔基体泛素-蛋白酶体系统溶酶体蛋白质蛋白质蛋白质

、加工、折叠蛋白质加工、分选蛋白质降解蛋白质降解细胞结构*蛋白质数量的控制环节之二：降解环节尤其是蛋白质数量需要快速调节时*蛋白质质量的控制环节降解*蛋白质降解产物为短肽和氨基酸，可作为蛋白质重新 的原料来源之一.蛋白质降解相关细胞器蛋白质为什么被降解清除？不需要的快速应答应激的错误的多余的“外来的”“蛋白质质量和数量的控制”蛋白质降解2条途径

蛋白酶体途径溶酶体途径蛋白质降解相关细胞器I、蛋白酶体（proteasome）一、形态：光镜、电镜下均看不到*蛋白质复合体（大小：20S、26S）*

无膜核糖体：80S，15-20nm比较：核糖体（电镜）二、结构及化学成分化学成分：蛋白质复合体结构：桶状19S

调节颗粒

“帽”20S

颗粒最常见的蛋白酶体：26S蛋白酶体19S调节颗粒*ATP水解活性位点：水解ATP*泛素结合活性位点：识别“泛素连接的底物

蛋白质”（泛素化修饰蛋白质）泛素底物20S

颗粒顶面正面α亚基β亚基

α亚基)“锚着（docking蛋白酶活性位点水解蛋白质为短肽或氨基酸三、功能：蛋白质降解降解“不需要的、损伤的”蛋白质To

degrade

unneeded

or

damaged

proteinsProteasomes

are

part

of

a

major

mechanism

bywhich

cells

regulate

the

concentration

of

particular

proteins

and

degrade

misfolded

proteins

byproteolysis.例1：细胞周期蛋白（cyclin）周期性降解，细胞才能进入下一个周期G1

cyclin,S期“不需要”例2：细胞周期相关的蛋白质降解p53-UbP53degradation例3：P53降解抑癌蛋白： 安全卫士DNA修复、细胞周期阻滞、细胞衰老、细胞凋亡（

调控蛋白：调节下游

转录）组安全时，不需要p53“降解”例4：HIF1-a降解低氧诱导因子，常氧时不需要，降解例5.内质网中的蛋白质质量控制未正确折叠和装配的蛋白质（错误的）蛋白酶体(降解)正确折叠和装配的蛋白质发挥功能正确折叠蛋白质伴侣蛋白小泡Staining

with

20S

proteasome

marker

protein（Sun

X，Yan

S

et

al.

unpublished）细胞核、细胞质均有定位蛋白酶体介导的蛋白质降解功能特征1修高度选择性：泛素化修饰的降解底物功能特征2.泛素（ubiquitin）:一种含76个氨基酸的多肽,作为

共价结合到要被降解的蛋白质上，称为“泛素化饰”（ubiquitination)。泛素的广泛性（ubiquitous)存在于不同组织细胞，进化保守。泛素－蛋白酶体系统(ubiquitin-proteasome

system,

UPS)功能特征3.泛素化修饰是一个精细的过程*多步骤反应过程*多种不同蛋白质参与*耗能泛素化修饰：要被降解的蛋白在三类酶（E1、E2、E3）的次第作用下，与至少4个泛素分子结合（多聚泛素化），从而被泛素分子“标记”。功能特征4.蛋白酶水解底物为短肽或氨基酸Protease

active

sites：蛋白水解反应底物蛋白质泛素化修饰：被蛋白酶体识别蛋白质去折叠（移位）泛素重利用被水解蛋白质泛素化降解的过程123,4总结功能：识别并结合特异的底物：“泛素连接的底物蛋白质”（泛素化修饰蛋白质具有蛋白水解酶的活性，将底物蛋白质降解成短肽和氨基酸。细胞质和细胞核内均有分布。蛋白质的数量和质量控制，参与细胞功能和生命活动例：蛋白酶体、蛋白质快速降解蛋白质数量控制：细胞周期相关蛋白P53(

稳定性的“安全卫士”）低氧诱导因子（HIF1a)蛋白质质量控制：错误折叠蛋白例1：细胞周期相关的蛋白质降解Securin:

降解，最终导致姐妹染色单体分离特异的E3连接酶：APC/C

CDC20底物：Securin蛋白酶体E3连接酶：APC/CCDC20例2：P53降解DNA损伤时，细胞不能进入S期发生DNA

，或者诱导细胞凋亡，机制在于：p53快速增多。减少降解方法：增加MDM2的降解Substrate

protein：P53，MDM2E3

ligase

for

p53：MDM2例3：HIF1-a降解降解常氧低氧不降解调控蛋白，可促进EPO转录，抵抗低氧。Unneeded

and

damaged短寿蛋白（

short

life

time）;应激应答蛋白（

p53, HIF-1)3.错误折叠蛋白ttyeiannsdquanlity

control

systemQ1:哪类蛋白质在蛋白酶体降解?tyquanlity与细胞周期,表达调控,应激应答活动有关The

Nobel

Prize

in

Chemistry

2004“Thanks

to

the

work

of

the

three

Laureates

it

is

now

possible

to

understand

atmolecularlevel

how

the

cell

controls

a

number

of

central

processes

by

breaking

down

certainproteins

and

not

others.

Examples

ofprocesses erned

by

ubiquitin-mediated

proteindegradation

are

cell

division,

DNA

repair,

quality

control

of

newly-produced

proteins,

andimportant

parts

of

the

immune

defence.

When

the

degradation

does

not

work

correctly,

wefall

ill.

Cervical

cancer

and

cystic

fibrosis

are

two

examples.

Knowledge

of

ubiquitin-mediated

protein

degradation

offers

an

opportunity

to

develop

drugs

against

thesediseases

and

others.

”“for

the

discovery

of

ubiquitin-mediated

protein

degradation"蛋白酶体抑制剂：bortezomib

（硼替佐米抗癌药物用于多发性骨髓瘤其他类型肿瘤动物水平验证；早期临床试验。淡蓝色显示Bortezomib，结合在蛋白酶体的β亚基总结：泛素-蛋白酶体与蛋白质降解*快速调节数量的蛋白质（短寿的）、应激产生的、错误折叠的蛋白质的降解。*蛋白质降解前首先加上 ：泛素化修饰*这种蛋白质降解方式是相对保守的，在酵母、线虫、果蝇中可看到，在古菌和部分细菌中也可看到。蛋白质降解相关细胞器II、溶酶体（lysosome）与“蛋白质分选”联系，与“内质网、高尔基体”联系一、形态和特性*单层膜包围的

泡*有较高电子密度*形态多型性大小不一,直径一般0.25～0.8μm，结构特征特别的膜：*质子泵，腔内酸性（pH=5)；*很多转运蛋白；*

膜蛋白：高度糖基化;特别的腔：酸性水解酶酸性水解酶蛋白酶核酸酶酯酶

糖苷酶磷脂酶等糖基二、溶酶体的形成2条路:two

ways内质网和高尔基体的参与，与胞吞过程的内体相关。难点多泡体Multivesicularbody早期内体晚期内体Early

EndosomeLate

Endosome早期内体膜内陷形成内部小泡，形成多泡体质膜高尔基体分选（sorting)胞吞(endocytosis)高尔基体溶酶体溶酶体膜蛋白、膜脂、溶酶体酶

到晚期内体内体含内吞的液体、颗粒内体逐渐演化为溶酶体多泡体Multivesicularbody早期内体晚期内体Early

EndosomeLate

Endosome早期内体膜内陷形成内部小泡，形成多泡体质膜溶酶体细胞外液体/质膜内体（endosome)含内吞的液体、颗粒内体膜：膜蛋白早期内体靠近细胞膜；内吞过程开始时经由的小的、不规则的细胞器。高尔基体

晚期内体靠近溶酶体；内环境开始变为酸性；内吞物质开始消化的部位。溶酶体三、溶酶体的功能—“消化”Q:哪些物质和蛋白质在溶酶体消化？外来胞吞物质的消化细胞自身物质的消化自体吞噬，

自噬物质细胞外物质的消化胞吞endocytosis吞噬（phagocytosis）*吞噬的大的固体颗粒物质，专职吞噬细胞特有吞饮（pinocytosis）*随机胞吞的水溶性大分子，所有哺乳动物细胞共有受体介导的胞吞作用（receptor-mediated

endocytosi*特异胞吞水溶性大分子，如某些信号分子、胆固醇、铁离子/载铁蛋白等。所有哺乳动物细胞共有功能1.胞吞物质的消化吞噬吞饮多泡体Multivesicularbody早期内体晚期内体Early

EndosomeLate

Endosome早期内体膜内陷形成内部小泡，形成多泡体质膜高尔基体溶酶体内体（endosome)含内吞的液体、颗粒内体膜：膜蛋白溶酶体消化：

外来蛋白、膜蛋白多泡体形成：膜蛋白内翻细胞外液体/质膜2.自噬物质的消化（1）自噬（Autophagy)*细胞内一部分细胞质和细胞器及其内含物由双

层膜

形成自噬小体。自噬小体与溶酶体融合，形成自噬溶酶体，内容物被消化，这种现象为自噬。自噬的过程经典自噬过程1.双层膜包围的胞质物质自噬小体溶酶体4.自噬溶酶体Autophogosome自噬小体Autolysosome自噬溶酶体*双层膜，来源未知，可能为内质网*双层膜

可溶性细胞质基质成分或细胞器（线粒体或过氧化物酶体等）.*自噬小体与溶酶体或晚期内体融合，内层膜开始消化，内容物开始消化。自噬功能意义生理状态：基础水平的自噬清除衰老、损坏细胞器提供原料和能量用于细胞成分的更新病理状态：诱导性自噬增多或减少Impairment

or

activation

of

autophagy

contributesto

pathogenesis

of

diverse

diseases,

from

neuro-degenerative

disease

such

as

Parkinson

disease

toinflammatory

disorderssuch

as

Crohn

disease.氧化应激Oxidative

stressMitochondriondamaged细胞命运Cell

fate例1:损伤线粒体的降解细胞生存细胞例2:胞质蛋白p62的降解P62广泛存在于细胞内的蛋白质，其累积不能降解被发现在许多疾病中，包括神经退行AlzheimerDisease,肿瘤等。细胞稳态（homeostasis)异常营养缺乏-饥饿细胞，自噬明显增多自噬小体自噬溶酶体内质网片段例3.营养饥饿的小鼠胚胎成纤维细胞Yi

J,

et

al.

Functional

implication

of

autophagy

in

steroidsecreting

cells

of

the

rat.

The

Anatomical

Record,1995,242:137大鼠Leydig

细胞，制造X激素的细胞M:

MitochondrionL:

lysosomeMVB:

multivesicular

body(late

endosome)Autophagosome例4.Take-homemessages:自噬可以被诱导增多， 是否可以控制自噬量？How

can

we

manipulate

autophagy?Methods:

small

molecules,

genetic

methods

or

anything

else?自噬性细胞

？ Autophagic

cell

death?*细胞内一部分细胞质和细胞器及其内含物由双层

膜

形成自噬小体。自噬小体与溶酶体融合，形成自噬溶酶体，内容物被消化。生理和病理状态下均可出现。自噬的意义:清除细胞内某些细胞器及蛋白质;消化产物及节约的能量被重新利用.细胞更新(renovation)和细胞稳态(homeostasis)Physiological

and

pathological

of

Autophagy自噬物质的消化(2)

自噬内

细胞，可以 激素并以

颗粒的形式保存在细胞质，接受外界信号时才

，多余的即形成 自噬泡。与溶酶体融合后，该激素被降解，氨基酸重新利用。胰岛素 细胞自噬泡颗粒溶酶体的种类内体2.吞饮1.吞噬3.自噬溶酶体4.

颗粒颗粒与溶酶体或晚期内体融合自噬泡:残余体常见溶酶体的类型（根据底物来源和消化程度）异噬溶酶体:吞噬小体与溶酶体或晚期内体融合异体吞噬泡（heterophagic

vacuole）自噬溶酶体:自噬小体与溶酶体或晚期内体融合自体吞噬泡（autophagic

vacuole）3.细胞外物质的消化在破骨细胞溶酶体酶 ，消化有机骨质；在

细胞溶酶体酶 ，消化卵外膜滤泡细胞；溶酶体对细胞功能和活动的贡献Not

just

“Cellular

Garbage

Can”消除异物（吞噬细胞，吞噬物的降解）提供营养（吞饮的大分子营养物质的降解）更新细胞成分（细胞器和蛋白质的自噬）调节激素

（多余激素降解，

自噬）四.溶酶体与疾病硅肺、石棉肺、类风湿等储积病(lysosome

storage

disease,LSD)I-细胞病(Inclusion

cell

disease)1.溶酶体、吞噬与尘肺、类风湿关节炎等硅粉末、石棉、自身免疫病巨噬细胞吞噬溶酶体酶溶酶体膜破裂周围细胞坏死成纤维细胞增生2.溶酶体储积病缺乏某种溶酶体酶，导致底物大分子堆积。*遗传病；*60多种；*致死性；*主要累积脑、内脏、骨、软骨http://w/healthcare.aspx肝脾肿大的Gaucher

disease儿童溶酶体储积病与自噬、蛋白质降解有关毒性、多余蛋白质累积异常线粒体累积细胞Autophagy,2012,8:719病因LSD自噬异常M-6-P形成缺陷溶酶体酶分选3.溶酶体与I-细胞病

(Inclusion

cell

disease)N-乙酰氨基葡萄糖磷酸转移酶缺乏溶酶体酶出现在血液，类似 性蛋白质溶酶体中无酶底物堆积Q1:why？外来的、多余的、错误的、不需要的短寿的、错误折叠的、

应激产生的“外来的”、长寿的、多余的Q2:where,how？蛋白酶体溶酶体Two