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1、1浅谈泛素在细胞内吞和信号传导所起的作用摘要：泛素是一种存在于大多数真核细胞中的小蛋白。它的主要功能是标记需要分解掉的蛋白质，使其被水解。当附有泛素的蛋白质移动到桶装的蛋白酶的时候，蛋白酶就会将该蛋白质水解。泛素也可以标记跨膜蛋白，如受体，将其从细胞膜上除去。泛素是由 76 个氨基酸组成，分子量大约 8500 道尔顿。它在真核生物中具有高度保留性，人类和酵母的泛素有 96%的相似性。关键字：泛素；细胞内吞；信号；多泡体；疾病0 前言泛素是逆转录的细胞蛋白，包含着 76 个氨基酸多肽，主要与靶蛋白上的赖氨酸 -氨基相连接。泛素在调控宿主细胞的加工中扮演着重要的角色，包括细胞分裂，细胞分化，信号传
2、导，蛋白质运输和质量控制。泛素系统的失常暗示着某些疾病的发生，抑制神经的紊乱和免疫应答的失控。这里我们讨论泛素非依赖性蛋白酶体在细胞内吞和信号传导中所起的作用。1 概述泛素（Ub)是 8 千道尔顿（质量单位， 等于一氧原子质量的十六分之一，约为 1.6510E-24 克）的高度保守蛋白，与靶蛋白上的赖氨酸残基连接着。泛素附着蛋白是深层泛素残基附着物的酶作用物，构成了多聚泛素链。一般认为，多聚泛素是一个指导蛋白到蛋白酶体的信号，泛素反复再生和蛋白反复降解。泛素也反复塑造底物蛋白空间结构，因此潜在地影响着性质，诸如稳定性和活性，加速了与其他蛋白质的相互反应而且在亚细胞定位上扮演着重要的角色。存在不
3、同形式的泛素修饰：多聚泛素是连接到蛋白质的单个泛素的附着物上，当数个靶蛋白的赖氨酸残基连接到单个的泛素分子上时，同时多聚泛素指示由数个泛素组成的泛素链，连接着每个泛素的 C-末端氨基乙酸残基和特殊内在的赖氨酸。在细胞分泌或细胞内吞的不同阶段中单一泛素或多聚泛素指引某些载体蛋白进入小泡，尽管多聚泛素主要地和多聚蛋白酶体的降解有关，却有着广泛的功能。在多聚泛素中，至少有七种不同的连接方式，因为在泛素内有七种不同的内赖氨酸。在最近几年多聚泛素不同的连接方式的作用开始被阐明。通过 Lys48连接的泛素主要用来定位多聚酶体，而通过 Lys63连接的泛素似乎在 DNA 损坏修复，过敏反应，细胞内吞和核糖体
4、蛋白合成上扮演着重要的角色。Ub 也能从蛋白质中移除，不同的泛素水解2酶能识别再生游离泛素，而且调控各种细胞事件，包括 Ub 结合结构域（UBDs）的蛋白质组件也能被识别。许多不同 UBDs 结构折叠的鉴别帮助我们理解了泛素化的作用。一些独特的泛素结构修饰，泛素结合的细腻特征和UBDs 的存在能够被区分，从而使得泛素成为多功能信号。 12 泛素作为细胞内吞的信号在酵母菌内吞过程中其中之一是泛素非蛋白酶体功能，多聚泛素作为细胞内吞内在信号是足够的，而且单链 UB 促进了细胞内吞。在酵母细胞内许多血浆膜蛋白依靠泛素来完成内在化。一方面，在动物细胞情形就不清楚了。早期的证据清楚地论证了泛素扮演了激素
5、受体成长过程的角色，但是泛素受体本身并不需要。对转换成长因子-（TGF-）的研究表明受体泛素也许决定了细胞内吞内在的途径。当 TGF- 受体与 Smad7-Smurf2 E3 泛素连接酶联系时，它停留在细胞膜穴样内陷处而且内在化后迅速降解。另一方面，当 TGF- 受体与 Smad7-Smurf2 E3 泛素连接酶发生受体活化作用时，经凹陷内在化了。因此泛素在细胞信号转换和受体分期调控之间扮演着重要的角色。尽管情形仍然还不完全清楚，但是对细胞内吞内在化的泛素受体的蛋白质角色是非常重要的研究，尤其是在活跃的哺乳动物受体络氨激酶的降解的研究。当表皮生长因子受体（EGFR）在海拉细胞中用极低的表皮生长
6、因子（EGF）浓度刺激时，EGFR 泛素没有被激活；然而用高浓度 EGF 时，EGFR 被泛素化了。现在我们还不清楚，在该研究当中凹陷场所如何内在化。此外，通过使用嵌合体蛋白质，那不可能是由多聚泛素延伸。单链泛素就足以使一个单一的独立凹陷驱动内部化。在正常情况下，需要三种蛋白质 UBDs-Eps15，Eps15R 和 Eps 帮助定位凹陷。在另一研究当中，Eps 被认为是在泛素化的载体和凹陷之间的内吞作用转载器，在凹陷情况下不能与泛素化的载体相互作用。这些结果都来源于一个假说，泛素化指引独立凹陷内吞作用，在这里 Eps 和 Eps15 对连接泛素载体进入独立凹陷内在化也许是非常重要的。然而在猪
7、动脉表皮细胞，在多种赖氨酸激酶系存在下表皮生长因子受体通常降解时需要泛素化内吞作用。因此单链泛素在动物细胞内扮演着内在化信号的角色。泛素化是首先由泛素激活酶（E1）的作用开始的，E1 能够利用 ATP 在泛素 C-末端的甘氨酸羧基与它自身的胱氨酸巯基间形成高能巯酯键，激活的泛3素再被转移到泛素结合酶（E2，UBC）的胱氨酸巯基上。已证明在某些情况下，泛素再被转移到与 E2 结合的泛素蛋白质连接酶（E3）上，进而与被 E3所识别的蛋白质底物的赖氨酸 -氨基形成键。在另外许多情况下，激活的泛素似乎是直接从 E3 转移到蛋白质底物上的。激活的泛素也可在 E3 的作用下与已和蛋白子结合的泛素的赖氨酸残
8、基形成异肽键，进而产生多聚泛素。细胞内仅有单一的 E1 基因。利用不同的转录起始点，它可产生 E1a 和E1b 两种 E1，它们的生物功能有所不同。例如，较长的 E1a 的 N-端含有受磷酸化和细胞周期调节的区域，因而在 G2 期时，细胞核内 E1a 的数量显著增加 【2】 。 。与 E1 的情形不同，细胞内有多种 E2 基因。例如，酵母有 13 种 E2基因，哺乳类细胞至少 25 种 E2。大多数 E2 有一个 14-16kD 的核心，在不同的 E2 间有约 35%的同源性，这一区域可能参与 E2 和 E3 的结合 【3】 。 E3 不仅要与 E2 结合，还要识别特异的蛋白质底物。因而一般认
9、为，细胞内应有许多不同的 E3，它们在调节泛素化系统的活性和特异性中起着重要的作用。到目前为止，已经发现了两类 E3：一类称作 HETC E3，在哺乳类细胞中至少有 30 种这一类型的 E34。这类 E3 的发现起源于对致瘤病毒 HPV 的研究。HPV 编码的 E6 蛋白能与细胞内的结合蛋白（E6-AP）结合，进而与肿瘤抑制蛋白 p53 结合，导致 p53 的泛素化和降解。因而，E6 和 E6-AP 复合物是调节 p53 的 E3。进一步的研究发现，另一类 E3 也含有和 E6-AP 的 C-端约350 个残基同源的区域，因而这类 E3 被称为 HECT(homologous to E6-AP
10、 carboxyl terminus)E3。HECT 区域内含有参与泛素转移的胱氨酸残基。许多HECT E3 的 N-端也含有由一对色氨酸残基(W)和保守的脯氨酸所组成的 WW 区域。这一区域参与识别底物蛋白质中磷酸化的富脯氨酸区域。对 HECT E3 的研究还发现，至少有些 E3 能够作用于多种不同的蛋白质底物，说明它们的底物特异性可通过其他辅助因子的作用而取得。与 HECT 区域不同，环指（ring finger）结构发现于 20 世纪 90 年代对一些不同功能蛋白质的研究。它是由 8 个保守的胱氨酸和组氨酸残基组成（cys-X2-Cys-X(9-39)-Cys-X(1-3)-His-X(
11、2-3)-Cys-X(4-48)-Cys-X2-Cys，X 代表任意一种残基） 。过去两年的研究发现，含有环指结构的蛋白质与泛素蛋白质连接酶有密切关系。有些环指蛋白本身即可作为 E3 催化自身或底物的泛素化。例如，蛋白酶 Caspase 是细胞凋亡的关键酶之一，C-端有一个环指的 XIAP 是 Caspase 的抑制物。当 T 淋巴细胞受到诱导凋亡的刺激4时，它能够促使自身的泛素化和经由蛋白体的降解，从而减少对 Caspase 的抑制。P53 能够诱导含有环指结构的癌基因产物 Mdm2 的表达，但 Mdm2 也能作为 E3，催化自身和 p53 的泛素化与降解，从而负反馈调节 p53 及 Mdm
12、2 在细胞内的水平。3 泛素和多泡体种类泛素也在行使协调目标内吞体蛋白与多泡体（MVB）底物作用，这只是第一步引导他们运输赖氨酸。这个途径不仅在细胞膜受体降解而且在赖氨酸起源方面被使用到。没有泛素化的蛋白质并不遵循其他途径，这些蛋白质从内吞体到其他细胞不停的重复利用。单链泛素或多聚泛素对膜蛋白的排序是非常重要的，在这种膜蛋白的囊泡内吞体的内部的进程中，内部取决于排序复合体内吞体，而排序复合体内吞体又需要与运输复合体结合（ESCRT） 。受体泛素或载体泛素还能被液泡蛋白所识别，液泡蛋白连接结合蛋白复合体（Vps27）通过泛素相互作用结构域，复合体通过 Vps27 FYVE 结构域与内吞体固定，结
13、构域与磷脂酰肌醇（PI）3-磷酸结合。Vps27 复合体和泛素化的底物被认为与 ESCRT-复合体相互作用。泛素载体先从 ESCRT-传递再传递到 ESCRT-，在这个过程中需要载体浓度进入到 MVB 囊泡。ESCRT-也校准附属物因子 Brolp 和 Doa4p，在和 MVB 囊泡隔绝之前，泛素水解酶将泛素从载体上移除。受体结合进入 MVBs 不是强制的，泛素与载体分子框内融合后进入 MVBs，但是如此水解似乎恢复主要结合泛素酶来修饰 MHC 种类。 54 多聚泛素校准蛋白质许多的与泛素化目标蛋白作用的 UBD 内含物蛋白他们自己也被多聚泛素化了，尤其是内吞体转接器蛋白。深刻理解到多聚泛素的
14、角色最近被肯定了。通过 N 端 UBDs，Sts1 和 Sts2 连接到泛素化的 EGFR 复合体。在 UBD 和 Ub 之间，Sts2 多聚泛素引导分子内的相互作用，进一步阻止了 Sts2 和外因子 Ub和 EGFR，允许泛素载体高度地动态变化。5 泛素和疾病泛素广泛地被用来控制分子进程。因此，泛素系统的失常经常导致疾病。一些病原体和病毒进化途径推翻了泛素系统。例如，炭疽毒素触发泛素受体，加速毒素受体复合物的内吞作用。毒素受体复合物的内吞作用反过来对毒素作用是非常重要的，因为通过低 PH 浓度的内吞途径使得降低了细胞内的毒性。另一方面，很多病毒为 E3 泛素连接酶编码为了降低免疫途径蛋白浓度
15、。5E3 泛素连接酶又称为 KSHV 免疫识别调制器，在 MHC 种类中调制半光氨酸残基泛素，在这里又牵扯到神经退化疾病，神经退化疾病“亨廷顿症”患者的神经元含有富含泛素的异常蛋白包容体。曾有人提出，细胞泛素化和蛋白酶体降解系统中所发生的变化有助于这种疾病的发生。对“亨廷顿症”患者大脑及这种疾病的几个小鼠模型所作的质谱分析，证实了泛素链在蛋白包容体中始终存在，说明该系统功能的普遍丧失有可能助于这种疾病的发生。这些发现说明泛素可能用作一种诊断工具，而且由于泛素在神经病理病兆中的异常积累还是阿尔茨海默氏症的一个特征，所以这些从神经学上来看各不相同的疾病可能具有共同的基本分子特征。 6 结论过表达的
16、 astrgin-1 通过抑制 LPS 诱导的心肌细胞自噬。培养的成年大鼠心肌细胞，用远远超出产生 TNF 的 LPS 剂量刺激，虽然也产生 TNF，却不能诱导凋亡，尽管这些细胞对于多种其他刺激能够诱导凋亡。相反，培养的大鼠乳鼠心肌细胞对于高水平的 LPS 刺激显示了保护表型，并且也观察到LPS 诱导的心肌细胞自噬，然而在 LPS 存在时抑制自噬能刺激凋亡。在这种情况下，自噬是保护性通路。 参考文献1刘鹏，秦川.LRRK2 基因与帕金森病J.中国比较医学杂志，2008， （8）：12.2杨义力，蛋白质泛素化系统J.生命科学，2002， （10）：23-24.3吴慧娟，张志刚. 泛素-蛋白酶体途径及意义J. 国际病理科学与临床杂志， 2006，2（16）：56.4刘萱，曹诚，刘传暄. 泛素-蛋白酶体降解途径在细胞周期调控中的作用J. 生物技术通讯， 2004，1（5）：8.65郭卉，张雪竹. 泛素-蛋白酶体途径及其生物学作用的研究进展J. 现代生物医学进
