泛素化（ubiquitination)---分子生物学
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Oct 7, 2008, 8:31:46 AM10/7/08
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1 泛素依赖的蛋白酶体水解通路对p53转录活性的作用
ｐ53稳定性的变化与其功能调解密切相关 ,严密调节ｐ53的代谢稳定性对正常细胞的生长发育非常重要。ｐ53为一短半衰期转录因子 , ｐ53蛋白的
转换由泛素依赖的蛋白水解途径调节[3]。本研究结果表明 ,ｐ53Ｎ端与降解有关的片段不能与其转录活性片段相分离 ;抑制或破坏泛素蛋白酶体水解通
路对转录反应无普遍作用 ,但可特异性抑制ｐ53的转录反应。本研究非常有意义的发现是 ,在蛋白酶体抑制剂存在或泛素化途径缺失时 , ｐ53稳定性
增强 ,细胞内ｐ53蛋白水平增加 ,然而ｐ53的转录活性却降低。即泛素蛋白酶体水解途径被抑制时 , ｐ53的转录功能也受到破坏 ,说明ｐ53的
蛋白水解途径对其转录反应是必须的 ,两过程存在功能性联系。此发现提示 ,泛素蛋白酶体调节的蛋白降解通路在ｐ53转录中发挥重要的作用。以往研究
中 ,在甲状腺受体及雌激素调节的转录过程也发现同样的规律[1 0 , 1 1 ]。我们推测 ,至少在某些细胞内活性蛋白 ,泛素蛋白酶体水解通路
在转录激活及基因表达调节中发挥重要的作用。该发现对于细胞生长、分化的调节及疾病的诊治 ,如保留ｐ53的活性 ,预防和治疗肿瘤将具有重要的意
义。
ｐ53泛素蛋白水解过程与转录激活过程间的生化学联系 ,还不甚清楚。研究支持以下的设想 ,某些细胞因子连接并参与这两个过程。有研究表明转录辅助激
活因子 ｐ3 0 0 /ＣＢＰ在ｐ53的转录反应中发挥重要的作用,而ｐ3 0 0 /ｍｄｍ2复合体还参与ｍｄｍ2调节的ｐ53降解反应 , ｐ
53、ｍｄｍ2、ｐ3 0 0Ｃ/Ｈ1特异性的相互作用为ｍｄｍ2调节的ｐ53转换过程的重要步骤[1 3]。我们在近期研究中发现 ,ｐ3 0 0通
过连接泛素化和降解过程 ,在ｍｄｍ2调节的ｐ53转换中发挥重要的作用[6]。上述结果提示 ,转录激活因子 ｐ3 0 0 /ＣＢＰ在 ｐ53泛素
蛋白水解与转录激活过程的细胞内联系中 ,具有重大意义。当然我们也 不能排除其它细胞因子如ｍｄｍ2等在该过程中所起的作用 ,详尽的分子机制有待于
进一步的研究
----文章来自(解剖科学进展 2002年第4期第卷 大连医科大学药理教研室；美国俄亥俄州立大学细胞生物化学系；大连医科大学生物化学教研室 辽
宁大连116027 姚继红；Qianzheng Zhu；A A Wani；杨佩满；崔秀云)
Damaged DNA时，激活ATM，活化的ATM使p53发生磷酸化，而激活。磷酸化的p53使细胞在G1期出现生长停滞，进行DNA修复。如修复
失败，则通过活化bax基因使细胞进入凋亡，以保证基因组的遗传稳定。
使依赖P53的周期素依赖激酶（CDK）抑制者P21和DNA修复基因（growth arrest and DNA damage
45,GASS45)上调性转录。注：GASS45图中未标识出来。
Rb蛋白通过脱磷酸而活化，与E2F家族结合，阻断了DNA上的S期基因的转录。反之，磷酸化的Rb蛋白与E2F分离，使得E2F与DP1蛋白形成异二
聚体，活化S期基因的转录。注：DP1未标出。
Cyclin D1通过与CDK4 激酶作用使Rb 蛋白磷酸化，调节细胞周期G1~S 的过渡，是G1期细胞增殖的关键蛋白。PCNA促进此致癌的过
程。
bcl-2（B-cell lymphoma/leukemia,bcl)，这一家族的成员主要是抑制细胞凋亡而不是促进细胞增殖。
--------------------------------------------------------------------------------
2 蛋白质周转
细胞采用两种方式处理不需要的蛋白质，一种是溶酶体(lysosome),这是一种由膜包裹的细胞器。另一系统为蛋白酶体（proteasome)，它
只负责清除细胞内指令的降解的蛋白。并非所有的细胞都有这2种降解体系，如细菌和未成熟的红细胞缺少溶酶体，它们主要利用蛋白酶体清除不再需要的蛋白质
或因突变，错误折叠和变性而失去功能的蛋白质。
3 蛋白质降解标记--泛素化
1975年首次报道了有关泛素与蛋白质降解之间的联系，当时证明细胞中存在一种76个氨基酸的丰度蛋白与依赖蛋白酶的酶切反应有关，前者被称为泛素
（ubiquittin)。随后的研究鉴定了一系列的酶，它们将泛素间个地或连续地附着到将被降解的蛋白质赖氨酸残基上，这一过程称为蛋白质泛素化
（ubiquitnation)
蛋白质泛素化系统由3个组分构成，一个称为泛素激活酶E1，它可利用水解ATP释放的能量以其胱氨酸残基（Cys)的巯基与泛素C端的甘氨酸残基
（Gly)形成高能硫酯键。连接在E1上的泛素然后被转移到另一个泛素结合蛋白E2上，同时被选中的靶蛋白质与第三个组分即靶蛋白泛素连接酶E3结
合。E2然后将与其连接的泛素转移到靶蛋白上，并与靶蛋白赖氨酸残基（Lys)-NH2基团形成异肽键（isopeptidebond)，E2被释放。
选择哪个蛋白质进行泛素化主要取决于E2和E3。
真核生物基因仅含有1个或几个E2拷贝，但E2的拷贝数远多于E1，在酵母和哺乳动物中至少有11个。根据蛋白质的多样性，估计基因组中应有更多的直接
与不同蛋白质互作的E3拷贝，但实际只有少量典型的E3被发现。
单个连接的泛素残基尚不足以引起底物降解，活细胞中有一系列的泛素残基可加到前一个泛素46们赖氨酸残基上，形成多聚泛素链（polyUb)，这一过程
受细胞活性的调控。连接到降解蛋白质底物上的多聚泛素链可为蛋白酶体提供识别的信号，也是调控蛋白质降解的环节之一。
活细胞中有许多蛋白质同时存在，如何从中识别与挑选必须降解的成员是一件复杂的工作。蛋白酶体中降解的许多动物蛋白质有特征性的基序，如人类蛋白
Iκbα和β-catenin以及HIV病毒Vpu蛋白含有-Asp-Ser-Gly-X-X-Ser-顺序，细胞周期蛋白（cyclin)A、B1和
B2含有识别顺序-Arg-Leu-Gly-x-x-x-Ile-Gly-，也是蛋白质磷酸化的位点。酵母中发现至少有10种不同的蛋白质降解信号氨基
酸基序，它们包括：1、N端降解（N-degron),位于蛋白质N-端的一段氨基酸顺序； 2、PEST序列，一段位于蛋白质 内部的富含脯氨酸
（P）、谷氨酸（E）丝氨酸（S）和苏氨酸（T）的顺序。
3 蛋白酶体
泛素化的蛋白质在特定的场所降解，这是由一些保守的蛋白质组成的特殊装置，称为蛋白酶体（proteosome)。蛋白酶体是一种较大的的多亚基结构，
沉降系数为26S，由一个中空的20S圆柱体和2个19S的帽子组成。蛋白酶体是一种古老的细胞内成分，在细菌，真细菌和真核生物中都存在。20S复合
物含有蛋白酶活性，是蛋白质降解的“车间”。19S复合物位于蛋白酶20S圆柱体的两侧，其靠近内侧的6个亚基为腺苷三磷酸（ATPase)。泛素化的
蛋白质被转运到蛋白酶体时，从两侧的入口处进入酶解位置。蛋白酶体的入口处比较狭窄，被降解的蛋白质必须去折叠才能进入。这是一个依赖能量的过程，由
19S复合物负责将降解蛋白质去折叠。蛋白酶体有多种蛋白酶解活性，可在职碱性、酸性以及疏水性氨基酸残基后面的位置切割多肽链。蛋白质在蛋白酶体中被
切割成4~10个氨基酸残基的小肽，然后再释放到细胞质中被分解成单个氨基酸。
4 细胞周期蛋白（cyclin)在蛋白酶体中降解
Cdk只有与Cyclin结合才具有活性，cyclin的功能是识别Cdk磷酸化的底物。细胞通过主支合或降解cyclin来调控Cdk的活性，因
此，cyclin水平与细胞周期同步，呈现周期性变化。cyclin的降解在蛋白酶体中进行，首先由识别蛋白与之结合，然后泛素化，最后被子转运到蛋白
酶体中。从爪蟾卵母细胞中分离鉴定了一批细胞周期蛋白，它们的N-端都有一段可由识别蛋白分辨的保守氨基酸顺序Arg-Leu-Gly-x-x-x-
Ile-Gly-，其他真核生物cyclin的同源蛋白也发现含有这种有丝分裂周期蛋白毁坏盒顺序（mitotic cyclin
destruction box)。一个被命名为有丝分裂周期蛋白F的成员含水量有特征的F盒（F box)，其功能也与介导蛋白质降解有关。在真核细
胞中现在已鉴定了许多具有保守F盒结构的蛋白质，它们组成了一个庞大的识别因子家族，可专一性结合不同的被子指令降解的蛋白质。
5 病毒借助泛素化降解路线解除寄主细胞的抑制效应
HIV病毒通过外壳蛋白gp169与T细胞表面蛋白CD4结合侵入寄主细胞。当HIV病毒复制时，CD4蛋白可与gp169互作抑制病毒扩增。为了解除
寄主细胞的阻抑效应，HIV编码了一个称为Vpu的蛋白，后者可专一性地同时与CD4和E3复合物结合，使CD4蛋白泛素化并被转移到蛋白酶体中降解，
以保证HIV的顺利组装。另一种人类乳头状瘤病毒（papillomavirus,HPV）可引起男女性器官肿瘤，其致癌机制是破坏人体细胞内阻止异常
分裂的系统，清除P53。HPV生产一种特别的蛋白质与P53和E3结合，使P53泛素化然后降解，其策略与HIV消灭CD4蛋白的方式如出一辙。
来自杨金水编著的《基因组学》
ｐ53稳定性的变化与其功能调解密切相关 ,严密调节ｐ53的代谢稳定性对正常细胞的生长发育非常重要。ｐ53为一短半衰期转录因子 , ｐ53蛋白的
转换由泛素依赖的蛋白水解途径调节[3]。本研究结果表明 ,ｐ53Ｎ端与降解有关的片段不能与其转录活性片段相分离 ;抑制或破坏泛素蛋白酶体水解通
路对转录反应无普遍作用 ,但可特异性抑制ｐ53的转录反应。本研究非常有意义的发现是 ,在蛋白酶体抑制剂存在或泛素化途径缺失时 , ｐ53稳定性
增强 ,细胞内ｐ53蛋白水平增加 ,然而ｐ53的转录活性却降低。即泛素蛋白酶体水解途径被抑制时 , ｐ53的转录功能也受到破坏 ,说明ｐ53的
蛋白水解途径对其转录反应是必须的 ,两过程存在功能性联系。此发现提示 ,泛素蛋白酶体调节的蛋白降解通路在ｐ53转录中发挥重要的作用。以往研究
中 ,在甲状腺受体及雌激素调节的转录过程也发现同样的规律[1 0 , 1 1 ]。我们推测 ,至少在某些细胞内活性蛋白 ,泛素蛋白酶体水解通路
在转录激活及基因表达调节中发挥重要的作用。该发现对于细胞生长、分化的调节及疾病的诊治 ,如保留ｐ53的活性 ,预防和治疗肿瘤将具有重要的意
义。
ｐ53泛素蛋白水解过程与转录激活过程间的生化学联系 ,还不甚清楚。研究支持以下的设想 ,某些细胞因子连接并参与这两个过程。有研究表明转录辅助激
活因子 ｐ3 0 0 /ＣＢＰ在ｐ53的转录反应中发挥重要的作用,而ｐ3 0 0 /ｍｄｍ2复合体还参与ｍｄｍ2调节的ｐ53降解反应 , ｐ
53、ｍｄｍ2、ｐ3 0 0Ｃ/Ｈ1特异性的相互作用为ｍｄｍ2调节的ｐ53转换过程的重要步骤[1 3]。我们在近期研究中发现 ,ｐ3 0 0通
过连接泛素化和降解过程 ,在ｍｄｍ2调节的ｐ53转换中发挥重要的作用[6]。上述结果提示 ,转录激活因子 ｐ3 0 0 /ＣＢＰ在 ｐ53泛素
蛋白水解与转录激活过程的细胞内联系中 ,具有重大意义。当然我们也 不能排除其它细胞因子如ｍｄｍ2等在该过程中所起的作用 ,详尽的分子机制有待于
进一步的研究
----文章来自(解剖科学进展 2002年第4期第卷 大连医科大学药理教研室；美国俄亥俄州立大学细胞生物化学系；大连医科大学生物化学教研室 辽
宁大连116027 姚继红；Qianzheng Zhu；A A Wani；杨佩满；崔秀云)
Damaged DNA时，激活ATM，活化的ATM使p53发生磷酸化，而激活。磷酸化的p53使细胞在G1期出现生长停滞，进行DNA修复。如修复
失败，则通过活化bax基因使细胞进入凋亡，以保证基因组的遗传稳定。
使依赖P53的周期素依赖激酶（CDK）抑制者P21和DNA修复基因（growth arrest and DNA damage
45,GASS45)上调性转录。注：GASS45图中未标识出来。
Rb蛋白通过脱磷酸而活化，与E2F家族结合，阻断了DNA上的S期基因的转录。反之，磷酸化的Rb蛋白与E2F分离，使得E2F与DP1蛋白形成异二
聚体，活化S期基因的转录。注：DP1未标出。
Cyclin D1通过与CDK4 激酶作用使Rb 蛋白磷酸化，调节细胞周期G1~S 的过渡，是G1期细胞增殖的关键蛋白。PCNA促进此致癌的过
程。
bcl-2（B-cell lymphoma/leukemia,bcl)，这一家族的成员主要是抑制细胞凋亡而不是促进细胞增殖。
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2 蛋白质周转
细胞采用两种方式处理不需要的蛋白质，一种是溶酶体(lysosome),这是一种由膜包裹的细胞器。另一系统为蛋白酶体（proteasome)，它
只负责清除细胞内指令的降解的蛋白。并非所有的细胞都有这2种降解体系，如细菌和未成熟的红细胞缺少溶酶体，它们主要利用蛋白酶体清除不再需要的蛋白质
或因突变，错误折叠和变性而失去功能的蛋白质。
3 蛋白质降解标记--泛素化
1975年首次报道了有关泛素与蛋白质降解之间的联系，当时证明细胞中存在一种76个氨基酸的丰度蛋白与依赖蛋白酶的酶切反应有关，前者被称为泛素
（ubiquittin)。随后的研究鉴定了一系列的酶，它们将泛素间个地或连续地附着到将被降解的蛋白质赖氨酸残基上，这一过程称为蛋白质泛素化
（ubiquitnation)
蛋白质泛素化系统由3个组分构成，一个称为泛素激活酶E1，它可利用水解ATP释放的能量以其胱氨酸残基（Cys)的巯基与泛素C端的甘氨酸残基
（Gly)形成高能硫酯键。连接在E1上的泛素然后被转移到另一个泛素结合蛋白E2上，同时被选中的靶蛋白质与第三个组分即靶蛋白泛素连接酶E3结
合。E2然后将与其连接的泛素转移到靶蛋白上，并与靶蛋白赖氨酸残基（Lys)-NH2基团形成异肽键（isopeptidebond)，E2被释放。
选择哪个蛋白质进行泛素化主要取决于E2和E3。
真核生物基因仅含有1个或几个E2拷贝，但E2的拷贝数远多于E1，在酵母和哺乳动物中至少有11个。根据蛋白质的多样性，估计基因组中应有更多的直接
与不同蛋白质互作的E3拷贝，但实际只有少量典型的E3被发现。
单个连接的泛素残基尚不足以引起底物降解，活细胞中有一系列的泛素残基可加到前一个泛素46们赖氨酸残基上，形成多聚泛素链（polyUb)，这一过程
受细胞活性的调控。连接到降解蛋白质底物上的多聚泛素链可为蛋白酶体提供识别的信号，也是调控蛋白质降解的环节之一。
活细胞中有许多蛋白质同时存在，如何从中识别与挑选必须降解的成员是一件复杂的工作。蛋白酶体中降解的许多动物蛋白质有特征性的基序，如人类蛋白
Iκbα和β-catenin以及HIV病毒Vpu蛋白含有-Asp-Ser-Gly-X-X-Ser-顺序，细胞周期蛋白（cyclin)A、B1和
B2含有识别顺序-Arg-Leu-Gly-x-x-x-Ile-Gly-，也是蛋白质磷酸化的位点。酵母中发现至少有10种不同的蛋白质降解信号氨基
酸基序，它们包括：1、N端降解（N-degron),位于蛋白质N-端的一段氨基酸顺序； 2、PEST序列，一段位于蛋白质 内部的富含脯氨酸
（P）、谷氨酸（E）丝氨酸（S）和苏氨酸（T）的顺序。
3 蛋白酶体
泛素化的蛋白质在特定的场所降解，这是由一些保守的蛋白质组成的特殊装置，称为蛋白酶体（proteosome)。蛋白酶体是一种较大的的多亚基结构，
沉降系数为26S，由一个中空的20S圆柱体和2个19S的帽子组成。蛋白酶体是一种古老的细胞内成分，在细菌，真细菌和真核生物中都存在。20S复合
物含有蛋白酶活性，是蛋白质降解的“车间”。19S复合物位于蛋白酶20S圆柱体的两侧，其靠近内侧的6个亚基为腺苷三磷酸（ATPase)。泛素化的
蛋白质被转运到蛋白酶体时，从两侧的入口处进入酶解位置。蛋白酶体的入口处比较狭窄，被降解的蛋白质必须去折叠才能进入。这是一个依赖能量的过程，由
19S复合物负责将降解蛋白质去折叠。蛋白酶体有多种蛋白酶解活性，可在职碱性、酸性以及疏水性氨基酸残基后面的位置切割多肽链。蛋白质在蛋白酶体中被
切割成4~10个氨基酸残基的小肽，然后再释放到细胞质中被分解成单个氨基酸。
4 细胞周期蛋白（cyclin)在蛋白酶体中降解
Cdk只有与Cyclin结合才具有活性，cyclin的功能是识别Cdk磷酸化的底物。细胞通过主支合或降解cyclin来调控Cdk的活性，因
此，cyclin水平与细胞周期同步，呈现周期性变化。cyclin的降解在蛋白酶体中进行，首先由识别蛋白与之结合，然后泛素化，最后被子转运到蛋白
酶体中。从爪蟾卵母细胞中分离鉴定了一批细胞周期蛋白，它们的N-端都有一段可由识别蛋白分辨的保守氨基酸顺序Arg-Leu-Gly-x-x-x-
Ile-Gly-，其他真核生物cyclin的同源蛋白也发现含有这种有丝分裂周期蛋白毁坏盒顺序（mitotic cyclin
destruction box)。一个被命名为有丝分裂周期蛋白F的成员含水量有特征的F盒（F box)，其功能也与介导蛋白质降解有关。在真核细
胞中现在已鉴定了许多具有保守F盒结构的蛋白质，它们组成了一个庞大的识别因子家族，可专一性结合不同的被子指令降解的蛋白质。
5 病毒借助泛素化降解路线解除寄主细胞的抑制效应
HIV病毒通过外壳蛋白gp169与T细胞表面蛋白CD4结合侵入寄主细胞。当HIV病毒复制时，CD4蛋白可与gp169互作抑制病毒扩增。为了解除
寄主细胞的阻抑效应，HIV编码了一个称为Vpu的蛋白，后者可专一性地同时与CD4和E3复合物结合，使CD4蛋白泛素化并被转移到蛋白酶体中降解，
以保证HIV的顺利组装。另一种人类乳头状瘤病毒（papillomavirus,HPV）可引起男女性器官肿瘤，其致癌机制是破坏人体细胞内阻止异常
分裂的系统，清除P53。HPV生产一种特别的蛋白质与P53和E3结合，使P53泛素化然后降解，其策略与HIV消灭CD4蛋白的方式如出一辙。
来自杨金水编著的《基因组学》
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