蛋白质组学

【修饰专栏】被低估的泛素化一直在骚动

大家好,上周我们因为外出参会的原因,整一周没有更新,先给大家道歉!

那么这周继之前《修饰专栏》中磷酸化、乙酰化板块后,我们将开始进入一个新的板块——泛素化修饰。

泛素化修饰是指一个或多个泛素分子 (Ubiquitin,Ub) 在一系列酶 (E1、E2、E3) 的作用下与底物蛋白质分子共价结合的修饰过程。

泛素-蛋白酶体降解途径(ubiquitin-pro-teasomepathway, UPP)是泛素化修饰的底物蛋白最主要的去向,该过程介导了真核生物体内80%~85%的蛋白质降解。因此,与蛋白的转录合成一样,泛素-蛋白酶体降解也是调控蛋白表达水平的重要机制,参与了几乎所有生命过程。虽然这些年泛素化降解的研究在持续升温,但转录合成相比,其价值还是被低估的。

组学是研究泛素化的新武器

2004年,瑞典皇家科学院将年度诺贝尔化学奖授予 “泛素-蛋白酶体降解通路”的3位发现者,打开了泛素化修饰的研究大门。近些年,泛素化相关研究持续升温,2015年-2017年,每年文章发表量接近惊人的4000篇。仅2018年上半年,顶级期刊Cell和Nature(正刊)的泛素化相关文章发表总数逾百篇,足以彰显其重要性。2015年,Cell子刊利用11篇综述重磅回顾了这些年兴起的大牛技术。其中,一篇题为“Quantifying Ubiquitin Signaling”的综述深入探讨了“如何利用蛋白组学工具分析泛素信号系统”,提示我们泛素化修饰组学研究的“新“、”热“。

然而,近几年泛素修饰组文章数目并不多(占总数7%,300篇),植物领域的发文数更加少的可怜(仅约30篇)。可见,泛素化修饰组的研究具有巨大的空间,新颖且易发文章。

医学领域的泛素化修饰

泛素-蛋白酶体降解通路是真核细胞中最主要的蛋白质降解途径,参与了各类生理过程,至少包括:转录调控、细胞周期、细胞凋亡、DNA 损伤修复及代谢、免疫等。并且,其调控异常往往伴随疾病的发生如癌症、神经退行疾病、肝脏疾病等。

1.1各类生理过程:

在转录调控中,一些转录调节因子如核因子ΚB(NF-κB)、细胞周期重要调节因子(E2F)、原癌基因产物c-Fos和c-jun等都可以作为底物接受泛素-蛋白酶体途径调节,使下游的基因表达活化或失活。在细胞凋亡的调控中,研究发现一些与凋亡有关的调节分子如Bcl-2和srp60等都是通过泛素-蛋白酶体降解的。在细胞周期的调控中,细胞周期的正常运行受到各种周期蛋白(cyclin) 和细胞周期依赖性激酶CDK及CDK抑制剂的调节。研究发现,泛素-蛋白酶体可调节CDK和CDK抑制剂活性,且CDK抑制剂p27及细胞周期蛋白cyclin D、cyclinE等均是泛素蛋白酶体的重要底物。在免疫中,泛素-蛋白酶体途径是主要组织相容性复合物限制性I类抗原(MHC-I)提呈所必需的环节。抗原提呈细胞内的内源性蛋白被26S蛋白酶体降解成多肽,并在内质网中与MHC-I类分子结合转运至细胞膜表面,被细胞毒T细胞识别。

图1.1.泛素-蛋白酶体降解参与的生理过程

1.2各类病理过程:

在癌症中,泛素-蛋白酶体通路紊乱可通过各种方式导致肿瘤形成。比如,泛素-蛋白酶体途径参与了细胞周期、细胞凋亡以及激活转录因子的表达等,当泛素-蛋白酶体系统的酶或识别特异性底物的基序发生功能性突变时,其对靶蛋白的调控能力丧失可以引起癌蛋白聚集、抑癌蛋白异常降解、突变细胞凋亡受阻和增值加速,从而导致肿瘤的发生。此外,在癌症中,抑癌基因p53的失活一方面是由基因突变造成的,另一方面也可能由于p53的异常降解引起。研究发现,在高危型人乳头瘤状病毒(HPV)引起的宫颈癌中, p53蛋白的表达水平明显降低,这是由于16或18型HPV编码的癌蛋白E6促进含有HECT结构域的泛素蛋白连接酶E6-AP与p53结合,进而促进p53被泛素-蛋白酶体途径降解。

神经退行性疾病同样与泛素-蛋白酶体紊乱有关。比如,引起帕金森病的一个重要蛋白是Parkin蛋白,它可以作为E3连接酶,与E2 UbcH7和UbcH8共同作用,或降解自身。一旦Parkin变性,引起某些蛋白降解就会引起多巴胺类神经元的毒性损伤而引起常染色体隐性少年型帕金森病。对阿尔茨海默病(AD)患者的脑组织研究发现,存在蛋白酶体活性下降,尤其是在海马、海马旁回、颞上回、颞中回及顶下小叶,且蛋白酶体活性下降与其表达下降不一致,因此认为蛋白酶体活性可能受到抑制。另外,AD患者的血管壁淀粉样蛋白沉积也与蛋白质泛素化而无法降解有密切关系。

在肝脏疾病中,研究表明,泛素-蛋白酶体与酒精性肝病、病毒性肝炎都有关系。乙型肝炎病毒(HBV)的HBX决定序列与蛋白酶体亚基PSMA7和PSMC1相互作用,对于自身作为转录辅助激活因子的功能发挥具有重要意义。在乙型肝炎患者体内还发现了一种与泛素相互作用的接合体:γ-衔接蛋白参与调控乙型肝炎病毒的成熟过程。此外,丙型肝炎中的核心蛋白是经过单泛素或少泛素结合没有被降解而形成的。

农林领域的泛素化修饰

泛素-蛋白酶体降解与植物生理密切相关,诸多研究已经证明,泛素-蛋白酶体降解参与植物的生长发育、非生物胁迫、植物代谢、生物胁迫等。

2.1植物激素功能:

众所周知,诸多植物生理过程都受到植物激素信号通路的调控,大量机制研究发现,泛素-蛋白酶体通过降解通路中的关键因子,进而参与植物激素信号转导通路的调控。研究发现(见图2.1),在植物激素信号通路中,通路中的泛素-蛋白连接酶E3能够特异性识别其下游的关键因子,并通过泛素-蛋白酶体途径降解该关键因子,进而调控激素信号转导。

图2.1.泛素-蛋白酶体降解参与植物激素信号转导。(a)茁长素(Auxin)与E3连接酶(SCF-TIR1)形成靶向复合物,特异性降解下游的转录抑制因子(Aux/IAA)(b)茉莉酸(Jasmonate,JA)与E3连接酶(SCF-COI1)形成靶向复合物,特异性降解下游的转录抑制因子(JAZ)(c)赤霉素(Gibberellins,GA)与GID1、DELLA形成复合物后,会导致该复合物中的转录抑制因子(DELLA)构象改变进而被E3(SCF-SLY)识别而降解(d)乙烯能够通过未知E3特异性降解一个已知E3(SCF-EBF1/2),进而使得E3(SCF-EBF1/2)下游的激活因子EIN3受到保护不发生降解

此外,泛素化也与激素的合成、代谢调控密切相关。《the plant journal》上两篇文章报道,泛素-蛋白酶体参与了脱落酸(abscisic acid,ABA)的合成。密歇根州立大学的Jea-Heung Ko等研究发现,XERICO通过与E3(SCF-AtTLP9)结合靶向未知底物最终促进脱落酸合成。Sabine Raab等发现,E3(AtPUB44)靶向降解AAO3,阻止了脱落醛催化成脱落酸。华盛顿州立研究大学Lei Zhang等发现,E3(SR1IP1)通过泛素化-蛋白酶体调控AtSR1稳定性,进而可能参与对其下游水杨酸水平的调控。

2.2非生物胁迫:

组学研究发现(图2.2),在非生物胁迫(如冷、旱、盐)的应激反应通路中,多种转录因子能被特异性E3识别而发生泛素-蛋白酶体降解,可见泛素化修饰在非生物胁迫中的重要作用。

图2.2泛素-蛋白酶体降解参与冷、干、盐胁迫通路的调控。(a)脱落酸(abscisic acid,ABA)依赖的通路中,转录因子(HB6、ABI3、ABI5)均能被特异性E3识别而发生泛素-蛋白酶体降解(b)脱落酸非依赖的通路中,转录因子(DREB2A、DREB1)能被特异性E3识别而发生泛素-蛋白酶体降解

2.3植物代谢:

通过对拟南芥的泛素化修饰谱进行系统鉴定,并进行GO功能注释,《Plant Cell》发表的研究发现:相比于蛋白质水平上12%的代谢功能注释占比,泛素化水平注释到的代谢功能占比提升了近一倍(24%),说明泛素化修饰与拟南芥代谢密切相关。

进一步研究发现,在植物代谢通路中,诸多功能性蛋白能够被E3识别而发现泛素-蛋白酶体降解。弗吉尼亚理工大学Re´jane Pratelli等在《Plant Physiology》的研究发现,拟南芥中E3(LOG2)参与谷氨酰胺转运蛋白1(GDU1)诱导的氨基酸分泌途径。德国科隆大学Alexander Maier等在《the Plant Journal》的研究发现,光照和E3(COP1 / SPA)能通过泛素-蛋白酶体途径调控MYB转录因子(PAP1和PAP2)的蛋白稳定性,进而参与拟南芥中花青素的积累。明尼苏达大学Yadong Huang等在《the Plant Journal》的研究发现,E3(SIS3)是植物糖类信号转导通路中的正调控因子。美国布鲁克海文国家实验室Xuebin Zhang等在《The Plant Cell》的研究发现,拟南芥E3 (KFB)蛋白通过泛素-蛋白酶体途径降解PAL,进而参与苯丙酸生物合成的调控。

2.4 其他:

此外,泛素-蛋白酶体途径还参与了植物节律、生物胁迫等其他植物生理过程。美国德克萨斯州农工大学Dongping Lu等在《Science》的研究发现,E3泛素连接酶(PUB12/13)通过泛素-蛋白酶体途径调控模式识别受体FLS2的蛋白稳定性,进而调控拟南芥的天然免疫。韩国浦项科技大学Hyo Jung Kim等在《Nature》的研究发现, E3(SCF-FBL17) 通过降解细胞周期抑制剂参与植物种系繁殖的调控。

总结

泛素-蛋白酶体途径有着广泛的生物学功能,近些年,泛素化的开发应用价值逐渐受到重视,比如,2017年《Science》深度总结了基于泛素-蛋白酶体的抗癌新策略。在医学领域,对泛素在机体相关的生理机制和疾病的研究,将有助于新的治疗方法和新的药物作用靶点的发现;在农林领域,对泛素在植物基因工程技术和提高植物抗逆性等方面的探索,又将助于为农业育种、高产提供新的线索与方向。可见,泛素化犹如一座深藏不露的金矿,还亟待深入挖掘。

从下期开始,我们同样会进一步对泛素化修饰组的应用、研究模式与套路等做细致介绍,敬请期待!

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