Ubiquitin - Ubiquitin

Nu trebuie confundat cu Ubiquinol .
Familia Ubiquitin
Ubiquitin cartoon-2-.png
O diagramă a ubiquitinei . Cele șapte lanțuri laterale cu lizină sunt prezentate în galben / portocaliu.
Identificatori
Simbol ubiquitin
Pfam PF00240
InterPro IPR000626
PROSITE PDOC00271
SCOP2 1aar / SCOPe / SUPFAM

Ubiquitina este o proteină regulatoare mică (8,6 kDa ) care se găsește în majoritatea țesuturilor organismelor eucariote , adică se găsește omniprezent . A fost descoperit în 1975 de Gideon Goldstein și caracterizat în continuare la sfârșitul anilor 1970 și 1980. Patru gene din codul genomului uman pentru ubiquitină: UBB , UBC , UBA52 și RPS27A .

Adăugarea ubiquitinei la o proteină substrat se numește ubiquitylation (sau, alternativ, ubiquitination sau ubiquitinylation ). Ubiquitilarea afectează proteinele în mai multe moduri: le poate marca pentru degradare prin proteazom , le poate modifica locația celulară , le poate afecta activitatea și poate promova sau preveni interacțiunile proteice . Ubiquitylation implică trei etape principale: activarea, conjugare și ligare, efectuate de enzime de activare ubiquitin (E1s), ubiquitin-conjugarea enzime (E2S), și ubiquitina ligaze (E3S), respectiv. Rezultatul acestei cascade secvențiale este de a lega ubiquitina de resturile de lizină pe substratul proteic printr-o legătură izopeptidică , resturile de cisteină printr-o legătură tioester , serina și treonina printr-o legătură ester sau gruparea amino a capătului N-terminal al proteinei printr-o legătură peptidică .

Modificările proteinei pot fi fie o singură proteină ubiquitină (monoubiquitylation), fie un lanț de ubiquitin (polyubiquitylation). Moleculele secundare de ubiquitină sunt întotdeauna legate de unul dintre cele șapte reziduuri de lizină sau de metionina N-terminală a moleculei de ubiquitină anterioare. Aceste reziduuri de „legare” sunt reprezentate de un „K” sau „M” ( notația de aminoacizi dintr-o literă a lizinei și respectiv a metioninei) și un număr, referindu-se la poziția sa în molecula de ubiquitină ca în K48, K29 sau M1 . Prima moleculă de ubiquitină este legată covalent prin grupul său carboxilat C-terminal la o anumită lizină, cisteină, serină, treonină sau capătul N-terminal al proteinei țintă. Polyubiquitylation apare atunci când capătul C-terminal al altei ubiquitin este legat de unul dintre cele șapte reziduuri de lizină sau de prima metionină pe molecula de ubiquitin adăugată anterior, creând un lanț. Acest proces se repetă de mai multe ori, ducând la adăugarea mai multor ubiquitine. Doar poliubiquitylation pe lizine definite, în principal pe K48 și K29, este legată de degradarea de către proteazom (denumită „sărutul molecular al morții”), în timp ce alte polyubiquitylations (de exemplu, pe K63, K11, K6 și M1) și monoubiquitylations pot reglementa procese precum traficul endocitar , inflamația , translația și repararea ADN-ului .

Descoperirea că lanțurile de ubiquitină vizează proteinele către proteazom, care degradează și reciclează proteinele, a fost onorată cu Premiul Nobel pentru chimie în 2004.

Identificare

Reprezentarea suprafeței Ubiquitinei.

Ubiquitina (inițial, polipeptidă imunopoietică omniprezentă ) a fost identificată pentru prima dată în 1975 ca o proteină de 8,6 kDa exprimată în toate celulele eucariote . Funcțiile de bază ale ubiquitinei și componentele căii de omniprezentare au fost elucidate la începutul anilor 1980 la Technion de Aaron Ciechanover , Avram Hershko și Irwin Rose pentru care a fost acordat Premiul Nobel pentru chimie în 2004.

Sistemul de ubicuitate a fost caracterizat inițial ca un sistem proteolitic dependent de ATP prezent în extracte celulare. S- a constatat că o polipeptidă stabilă la căldură prezentă în aceste extracte, factorul 1 de proteoliză dependentă de ATP (APF-1), s-a atașat covalent la lizozima substratului proteic model într-un proces dependent de ATP și Mg 2+ . Multiple molecule APF-1 au fost legate de o singură moleculă de substrat printr-o legătură izopeptidică și s-a constatat că conjugatele sunt degradate rapid odată cu eliberarea de APF-1 liber. La scurt timp după ce conjugarea APF-1-proteină a fost caracterizată, APF-1 a fost identificată ca ubiquitină. Grupul carboxil al reziduului de glicină C-terminal al ubiquitinei (Gly76) a fost identificat ca fragment conjugat cu resturi de lizină substrat .

Proteina

Proprietăți Ubiquitin (uman)
Număr de reziduuri 76
Masa moleculara 8564.8448 Da
Punctul isoelectric (pI) 6,79
Numele genelor RPS27A (UBA80, UBCEP1), UBA52 (UBCEP2), UBB , UBC
Secvență (o singură literă ) MQIFV K TLTG K TITLEVEPSDTIENV K A K IQD K EGIPPD

QQRLIFAG K QLEDGRTLSDYNIQ K ESTLHLVLRLRGG

Ubiquitina este o mică proteină care există în toate celulele eucariote . Își îndeplinește numeroasele funcții prin conjugare cu o gamă largă de proteine ​​țintă. Pot apărea o varietate de modificări diferite . Proteina ubiquitin în sine constă din 76 de aminoacizi și are o masă moleculară de aproximativ 8,6 kDa. Caracteristicile cheie includ coada terminalului C și cele 7 reziduuri de lizină . Este foarte conservat pe parcursul evoluției eucariote; ubiquitina umană și de drojdie împărtășește 96% identitate de secvență .

Genele

Ubiquitina este codificată la mamifere de 4 gene diferite. Genele UBA52 și RPS27A codifică o singură copie a ubiquitinei fuzionate cu proteinele ribozomale L40 și respectiv S27a. UBB și UBC codul genelor pentru proteine precursoare poliubiquitinei.

Ubiquitylation

Sistemul de ubicuitate (care prezintă o ligază RING E3).

Ubiquitilarea (cunoscută și sub numele de ubiquitinare sau ubiquitinilare) este o modificare enzimatică post-translațională în care o proteină ubiquitin este atașată la o proteină substrat . Acest proces leagă cel mai frecvent ultimul aminoacid al ubiquitinei ( glicina 76) de un reziduu de lizină de pe substrat. O legătură izopeptidică se formează între gruparea carboxil (COO - ) a glicinei ubiquitinei și gruparea epsilon- amino (ε- NH+
3) din lizina substratului. Scindarea cu tripsină a unui substrat conjugat cu ubiquitină lasă o „rămășiță” a di-glicinei care este utilizată pentru a identifica locul de omniprezentare. Ubiquitina poate fi, de asemenea, legată de alte site-uri dintr-o proteină care sunt nucleofili bogați în electroni , denumite „omniprezentare non-canonică”. Acest lucru a fost observat pentru prima dată când grupul amină al capătului N-terminal al unei proteine este utilizat pentru ubicuitate, mai degrabă decât un reziduu de lizină, în proteina MyoD și a fost observat de la alte 22 de proteine ​​din mai multe specii, inclusiv ubiquitina în sine. Există, de asemenea, dovezi în creștere pentru reziduurile de non-izină, deoarece țintele de ubicuitate se utilizează grupări non-aminice, cum ar fi gruparea sulfhidril pe cisteină și gruparea hidroxil pe treonină și serină. Rezultatul final al acestui proces este adăugarea unei molecule de ubiquitină (monoubiquitylation) sau a unui lanț de molecule de ubiquitin (polyubiquitination) la proteina substrat.

Ubiquitinarea necesită trei tipuri de enzimă: enzime de activare ubiquitin , ubiquitin-conjugarea enzime și ubiquitina ligaze , cunoscut sub numele de E1s, E2S și E3S respectiv. Procesul constă din trei pași principali:

  1. Activare: Ubiquitina este activată într-o reacție în doi pași de o enzimă activatoare a ubiquitinei E1 , care este dependentă de ATP . Etapa inițială implică producerea unui intermediar ubiquitin-adenilat. E1 leagă atât ATP cât și ubiquitina și catalizează acil-adenilarea capătului C-terminal al moleculei de ubiquitină. A doua etapă transferă ubiquitina la un situs activ de cisteină , cu eliberare de AMP . Această etapă are ca rezultat o legătură tioesteră între grupul carboxil C-terminal al ubiquitinei și gruparea E1 cisteină sulfhidril . Genomul uman conține două gene care produc enzime capabile să activeze ubiquitina: UBA1 și UBA6 .
  2. Conjugare: enzimele E2 care conjugă ubiquitină catalizează transferul ubiquitinei de la E1 la cisteina situs activă a E2 printr-o reacție de esterificare trans (tio). Pentru a efectua această reacție, E2 se leagă atât la ubiquitina activată, cât și la enzima E1. Oamenii posedă 35 de enzime E2 diferite, în timp ce alte organisme eucariote au între 16 și 35. Ele se caracterizează prin structura lor foarte conservată, cunoscută sub numele de pliul catalitic de conjugare a ubiquitinei (UBC).
    Glicină și lizină legate printr-o legătură izopeptidică. Legătura izopeptidică este evidențiată în galben.
  3. Ligare: E3 ubiquitin ligases catalizează pasul final al cascadei ubiquitinării. Cel mai frecvent, ele creează o legătură izopeptidică între o lizină a proteinei țintă și glicina C-terminală a ubiquitinei. În general, acest pas necesită activitatea uneia dintre sutele de E3. Enzimele E3 funcționează ca module de recunoaștere a substratului sistemului și sunt capabile să interacționeze atât cu E2, cât și cu substratul . Unele enzime E3 activează și enzimele E2. Enzimele E3 posedă unul din cele două domenii : omologul domeniului terminal carboxil E6-AP ( HECT ) și domeniul genei cu adevărat interesant ( RING ) (sau domeniul U-box strâns legat). Domeniul HECT E3s leagă tranzitoriu ubiquitina în acest proces (un intermediar tioester obligatoriu se formează cu cisteina sitului activ al E3), în timp ce domeniul RING E3 catalizează transferul direct de la enzima E2 la substrat. Complexul de promovare a anafazei (APC) și complexul SCF (pentru complexul de proteine ​​Skp1-Cullin-F-box) sunt două exemple de E3 multi- subunitate implicate în recunoașterea și ubiquitinarea proteinelor țintă specifice pentru degradarea de către proteazom .

În cascada ubiquitinării, E1 se poate lega cu multe E2, care se pot lega cu sute de E3 într-un mod ierarhic. Având niveluri în cascadă permite reglarea strânsă a utilajului de ubiquitinare. Alte proteine ​​asemănătoare ubiquitinei (UBL) sunt, de asemenea, modificate prin cascada E1 – E2 – E3, deși există variații în aceste sisteme.

Enzimele E4 sau factorii de alungire a lanțului ubiquitin sunt capabili să adauge lanțuri pre-formate de poliubiquitină la proteinele substratului. De exemplu, monoubiquitilarea multiplă a supresorului tumoral p53 de către Mdm2 poate fi urmată de adăugarea unui lanț de polubiquitină folosind p300 și CBP .

Tipuri

Ubiquitinarea afectează procesul celular prin reglarea degradării proteinelor (prin proteazom și lizozom ), coordonarea localizării celulare a proteinelor, activarea și inactivarea proteinelor și modularea interacțiunilor proteină-proteină . Aceste efecte sunt mediate de diferite tipuri de ubiquitinare a substratului, de exemplu adăugarea unei singure molecule de ubiquitină (monoubiquitination) sau de diferite tipuri de lanțuri de ubiquitin (polyubiquitination).

Monoubiquitination

Monoubiquitination este adăugarea unei molecule de ubiquitin la un reziduu de proteină substrat. Multi-monoubiquitination este adăugarea unei molecule de ubiquitin la mai multe reziduuri de substrat. Monoubiquitinarea unei proteine ​​poate avea efecte diferite asupra poliubiquitinării aceleiași proteine. Se crede că este necesară adăugarea unei singure molecule de ubiquitină înainte de formarea lanțurilor de polubiquitină. Monoubiquitination afectează procesele celulare, cum ar fi traficul de membrană , endocitoza și înmugurirea virală .

Lanțuri de poliubiquitină

Diagrama diubiquitinei cu 48 de lizină . Legătura dintre cele două lanțuri de ubiquitină este prezentată în portocaliu.
Diagrama diubiquitinei cu 63 de lizină . Legătura dintre cele două lanțuri de ubiquitină este prezentată în portocaliu.

Polyubiquitination este formarea unui lanț de ubiquitin pe un singur reziduu de lizină pe proteina substrat. După adăugarea unui singur fragment ubiquitină la un substrat proteic, se pot adăuga molecule ulterioare de ubiquitină la prima, rezultând un lanț de poliubiquitină. Aceste lanțuri sunt realizate prin legarea reziduului de glicină al unei molecule de ubiquitină la o lizină a ubiquitinei legată de un substrat. Ubiquitina are șapte reziduuri de lizină și un capăt N-terminal care servește ca puncte de ubiquitinare; sunt K6, K11, K27, K29, K33, K48, K63 și respectiv M1. Lanțurile legate de lizină 48 au fost primele identificate și sunt tipul cel mai bine caracterizat de lanț ubiquitin. Lanțurile K63 au fost, de asemenea, bine caracterizate, în timp ce funcția altor lanțuri de lizină, lanțuri mixte, lanțuri ramificate, lanțuri liniare legate de M1 și lanțuri heteroloage (amestecuri de ubiquitină și alte proteine ​​asemănătoare ubiquitinei) rămâne mai neclară.

Lanțurile de poliubiquitină legate de lizină 48 vizează proteinele spre distrugere, printr-un proces cunoscut sub numele de proteoliză . Lanțurile multi-ubiquitin cu cel puțin patru molecule de ubiquitin lung trebuie să fie atașate la un reziduu de lizină pe proteina condamnată pentru ca aceasta să fie recunoscută de proteazomul 26S . Aceasta este o structură în formă de butoi care cuprinde un miez proteolitic central format din patru structuri inelare, flancate de doi cilindri care permit selectiv intrarea proteinelor ubiquitinate. Odată ajunși în interior, proteinele sunt degradate rapid în peptide mici (de obicei 3-25 reziduuri de aminoacizi în lungime). Moleculele de ubiquitină sunt despicate de proteină imediat înainte de distrugere și sunt reciclate pentru utilizare ulterioară. Deși majoritatea substraturilor proteice sunt ubiquitinate, există exemple de proteine ​​neubiquitinate care vizează proteazomul. Lanțurile de poliubiquitină sunt recunoscute de o subunitate a proteazomului: S5a / Rpn10. Acest lucru se realizează printr-un motiv de interacțiune ubiquitin (UIM) găsit într-un plasture hidrofob în regiunea C-terminală a unității S5a / Rpn10.

Lanțurile legate de lizină 63 nu sunt asociate cu degradarea proteazomală a proteinei substratului. În schimb, acestea permit coordonarea altor procese, cum ar fi traficul endocitar , inflamația , translația și repararea ADN-ului . În celule, lanțurile legate de lizină 63 sunt legate de complexul ESCRT-0 , ceea ce împiedică legarea lor de proteazom. Acest complex conține două proteine, Hrs și STAM1, care conțin un UIM, care îi permite să se lege de lanțurile legate de lizină 63.

Se înțelege mai puțin despre lanțurile de ubiquitină atipice (fără lizină 48 legate), dar cercetările încep să sugereze roluri pentru aceste lanțuri. Există dovezi care sugerează că lanțurile atipice legate de lizina 6, 11, 27, 29 și metionina 1 pot induce degradarea proteazomală.

Se pot forma lanțuri ramificate de ubiquitină care conțin mai multe tipuri de legături. Funcția acestor lanțuri este necunoscută.

Structura

Lanțurile legate diferit au efecte specifice asupra proteinei de care sunt atașate, cauzate de diferențe în conformațiile lanțurilor proteice. Lanțurile legate de K29-, K33-, K63- și M1 au o conformație destul de liniară; sunt cunoscute sub numele de lanțuri de conformație deschisă. Lanțurile legate K6-, K11- și K48 formează conformații închise. Moleculele de ubiquitină din lanțurile de conformație deschisă nu interacționează între ele, cu excepția legăturilor covalente izopeptidice care le leagă între ele. În contrast, lanțurile de conformație închise au interfețe cu reziduuri care interacționează. Modificarea conformațiilor lanțului expune și ascunde diferite părți ale proteinei ubiquitină, iar diferitele legături sunt recunoscute de proteine ​​care sunt specifice pentru topologiile unice care sunt intrinseci legăturii. Proteinele se pot lega în mod specific de ubiquitină prin intermediul domeniilor de legare a ubiquitinei (UBD). Distanțele dintre unitățile individuale de ubiquitină în lanțuri diferă între lanțurile legate de lizină 63 și 48. UBD-urile exploatează acest lucru având distanțieri mici între motive care interacționează cu ubiquitina care leagă lanțuri legate de lizină 48 (lanțuri compacte de ubiquitină) și distanțiere mai mari pentru lanțuri legate de lizină 63. Mașinile implicate în recunoașterea lanțurilor de poliubiquitină pot face, de asemenea, o diferențiere între lanțurile legate de K63 și lanțurile legate de M1, demonstrat de faptul că acestea din urmă pot induce degradarea proteazomală a substratului.

Funcţie

Sistemul de ubiquitinare funcționează într-o mare varietate de procese celulare, inclusiv:

  • Prelucrarea antigenului
  • Apoptoza
  • Biogeneza organelor
  • Ciclul celular și divizarea
  • Transcrierea și repararea ADN- ului
  • Diferențierea și dezvoltarea
  • Răspuns imun și inflamație
  • Degenerescenta neuronala si musculara
  • Menținerea pluripotenței
  • Morfogeneza rețelelor neuronale
  • Modularea receptorilor de suprafață celulară, a canalelor ionice și a căii secretoare
  • Răspuns la solicitări și modulatori extracelulari
  • Biogeneza ribozomilor
  • Infectie virala

Proteine ​​de membrană

Multi-monoubiquitination poate marca proteinele transmembranare (de exemplu, receptorii ) pentru îndepărtarea din membrane (internalizare) și îndeplini mai multe roluri de semnalizare în interiorul celulei. Când moleculele transmembranare ale suprafeței celulare sunt marcate cu ubiquitină, localizarea subcelulară a proteinei este modificată, vizând adesea proteina pentru distrugerea lizozomilor. Acest lucru servește ca un mecanism de feedback negativ, deoarece adesea stimularea receptorilor de către liganzi crește rata lor de ubiquitinare și internalizare. La fel ca monoubiquitinarea, lanțurile de polubiquitină legate de lizină 63 au, de asemenea, un rol în traficul unor proteine ​​de membrană.

Sistemul Fougaro

Sistemul fougaro (grecesc; Fougaro, coș de fum) este un sistem suborganic din nucleu care poate fi un mecanism de reciclare sau eliminare a moleculelor din celulă în mediul extern. Moleculele sau peptidele sunt ubiquitinate înainte de a fi eliberate din nucleul celulelor. Moleculele ubiquitinate sunt eliberate independent sau asociate cu proteine ​​endosomale, cum ar fi Beclin.

Întreținerea genomică

Antigenul nuclear celular proliferant (PCNA) este o proteină implicată în sinteza ADN-ului . În condiții fiziologice normale, PCNA este sumoilată (o modificare post-translațională similară cu ubiquitinarea). Când ADN-ul este deteriorat de radiații ultraviolete sau substanțe chimice, molecula SUMO care este atașată la un reziduu de lizină este înlocuită cu ubiquitină. PCNA monoubiquitinat recrutează polimeraze care pot efectua sinteza ADN cu ADN deteriorat; dar acest lucru este foarte predispus la erori, rezultând posibil în sinteza ADN-ului mutant. Polubiquitinarea legată de lizină 63 a PCNA îi permite să efectueze un by-pass de mutație mai puțin predispus la erori cunoscut de calea de comutare a șablonului.

Ubiquitinarea histonei H2AX este implicată în recunoașterea deteriorării ADN a rupturilor de ADN dublu-catenar. Lanțurile de poliubiquitină legate de lizină 63 sunt formate pe histona H2AX de perechea ligază E2 / E3 , Ubc13-Mms2 / RNF168. Acest lanț K63 pare să recruteze RAP80, care conține un UIM , iar RAP80 ajută apoi la localizarea BRCA1 . Această cale va recruta în cele din urmă proteinele necesare pentru repararea omologă a recombinării .

Reglementarea transcripțională

Histonele pot fi ubiquitinate și acest lucru se întâmplă de obicei sub formă de monoubiquitinare (deși apar forme poliubiquitinate). Ubiquitinarea histonei modifică structura cromatinei și permite accesul enzimelor implicate în transcripție. Ubiquitina pe histone acționează, de asemenea, ca un situs de legare pentru proteinele care activează sau inhibă transcripția și, de asemenea, pot induce modificări ulterioare post-translaționale ale proteinei. Aceste efecte pot modula toate transcrierea genelor.

Desubicitare

Enzimele deubiquitinatoare (DUB) se opun rolului ubiquinării prin eliminarea ubiquitinei din proteinele substratului. Sunt cisteină proteaze care scindează legătura amidică dintre cele două proteine. Sunt foarte specifice, la fel ca și ligazele E3 care atașează ubiquitina, cu doar câteva substraturi pe enzimă. Ele pot scinda atât legături isopeptidice (între ubiquitină și lizină), cât și legături peptidice (între ubiquitină și capătul N-terminal ). Pe lângă eliminarea ubiquitinei din proteinele substratului, DUB-urile au multe alte roluri în interiorul celulei. Ubiquitina este fie exprimată ca mai multe copii unite într-un lanț (poliubiquitină) sau atașată la subunități ribozomale. DUB-urile scindează aceste proteine ​​pentru a produce ubiquitină activă. De asemenea, reciclează ubiquitina care a fost legată de molecule nucleofile mici în timpul procesului de ubiquitinare. Monoubiquitina este formată din DUB-uri care scindează ubiquitina din lanțurile libere de polubiquitină care au fost eliminate anterior din proteine.

Domenii care leagă Ubiquitina

Tabel cu domenii de legare ubiquitin caracterizate
Domeniu Numărul de proteine

în Proteome

Lungime

(aminoacizi)

Legarea Ubiquitinei

Afinitate

TAC S. cerevisiae : 7

H. sapiens : 21

42–43 ~ 2–160 μM
GATII S. cerevisiae : 2

H. sapiens : 14

135 ~ 180 μM
LIPICI S. cerevisiae :?

H. sapiens :?

~ 135 ~ 460 μM
NZF S. cerevisiae : 1

H. sapiens : 25

~ 35 ~ 100-400 μM
PAZ S. cerevisiae : 5

H. sapiens : 16

~ 58 Necunoscut
UBA S. cerevisiae : 10

H. sapiens : 98

45–55 ~ 0,03-500 μM
UEV S. cerevisiae : 2

H. sapiens :?

~ 145 ~ 100-500 μM
UIM S. cerevisiae : 8

H. sapiens : 71

~ 20 ~ 100-400 μM
VHS S. cerevisiae : 4

H. sapiens : 28

150 Necunoscut

Domeniile de legare a Ubiquitinei (UBDs) sunt domenii proteice modulare care se leagă non-covalent de ubiquitină, aceste motive controlează diferite evenimente celulare. Structurile moleculare detaliate sunt cunoscute pentru o serie de UBD, specificitatea legării determină mecanismul lor de acțiune și reglare și modul în care reglează proteinele și procesele celulare.

Asocieri de boli

Patogenie

Calea ubiquitinei a fost implicată în patogeneza unei game largi de boli și tulburări, inclusiv:

Neurodegenerare

Ubiquitin este implicată în boli neurodegenerative asociate cu disfuncția proteostasis, inclusiv boala Alzheimer , boala neuronului motor , , boala Huntington și boala Parkinson . Variantele transcript care codifică diferite izoforme ale ubiquilin-1 se găsesc în leziunile asociate cu boala Alzheimer și Parkinson . S-a demonstrat că nivelurile mai ridicate de ubiquilină din creier scad malformația proteinei precursoare amiloide (APP) , care joacă un rol cheie în declanșarea bolii Alzheimer. În schimb, nivelurile mai scăzute de ubiquilin-1 în creier au fost asociate cu malformația crescută a APP . O mutație de schimb de cadre în ubiquitina B poate duce la o peptidă trunchiată care lipsește glicina C-terminală . S-a demonstrat că această peptidă anormală, cunoscută sub numele de UBB + 1 , se acumulează selectiv în boala Alzheimer și în alte tauopatii .

Infecție și imunitate

Ubiquitina și moleculele asemănătoare ubiquitinei reglează pe larg căile de transducție a semnalelor imune în practic toate etapele, inclusiv reprimarea la starea de echilibru, activarea în timpul infecției și atenuarea după eliminare. Fără această reglementare, activarea imună împotriva agenților patogeni poate fi defectă, ducând la boli cronice sau la deces. Alternativ, sistemul imunitar poate deveni hiperactivat și organele și țesuturile pot fi supuse unor leziuni autoimune .

Pe de altă parte, virușii trebuie să blocheze sau să redirecționeze procesele celulelor gazdă, inclusiv imunitatea de a se replica eficient, totuși mulți viruși relevanți pentru boală au genomi informațional limitați . Datorită numărului foarte mare de roluri în celulă, manipularea sistemului ubiquitin reprezintă o modalitate eficientă pentru ca astfel de viruși să blocheze, să inverseze sau să redirecționeze procesele critice ale celulei gazdă pentru a-și susține propria replicare.

Proteina genei I ( RIG-I ) inductibilă de acid retinoic este un senzor primar al sistemului imunitar pentru ARN viral și alte ARN invazive din celulele umane. Calea de semnalizare imună a receptorului RIG-I ( RLR ) este una dintre cele mai studiate în ceea ce privește rolul ubiquitinei în reglarea imunitară.

Tulburări genetice

  • Sindromul Angelman este cauzat de o perturbare a UBE3A , care codifică o enzimă ubiquitin ligază (E3) numită E6-AP.
  • Sindromul Von Hippel-Lindau implică întreruperea ligazei ubiquitinei E3 denumită supresoare tumorale VHL sau gena VHL .
  • Anemie Fanconi : Opt dintre cele treisprezece gene identificate a căror perturbare poate provoca această boală codifică proteinele care formează un complex ubiquitin ligază mare (E3).
  • Sindromul 3-M este o tulburare de retardare a creșterii autozomal-recesivă asociată cu mutații ale ubiquitinei ligazei Cullin7 E3.

Utilizarea diagnosticului

Imunohistochimia utilizând anticorpi împotriva ubiquitinei poate identifica acumulări anormale ale acestei proteine ​​în interiorul celulelor, indicând un proces de boală. Aceste acumulări de proteine ​​sunt denumite corpuri de incluziune (care este un termen general pentru orice colecție vizibilă microscopic de material anormal într-o celulă). Exemplele includ:

Legătură cu cancerul

Modificarea post-translațională a proteinelor este un mecanism utilizat în general în semnalizarea celulelor eucariote . Ubiquitinarea, sau conjugarea ubiquitinei la proteine , este un proces crucial pentru progresia ciclului celular și proliferarea și dezvoltarea celulelor . Deși ubiquitinarea servește de obicei ca un semnal pentru degradarea proteinelor prin proteazomul 26S , ar putea servi și pentru alte procese celulare fundamentale, de exemplu în endocitoză , activare enzimatică și repararea ADN-ului. Mai mult, deoarece ubiquitinarea funcționează pentru a regla strâns nivelul celular al ciclinelor , este de așteptat ca reglarea greșită a acestuia să aibă efecte severe. Primele dovezi ale importanței căii ubiquitină / proteazom în procesele oncogene au fost observate datorită activității antitumorale ridicate a inhibitorilor proteazomului. Diverse studii au arătat că defectele sau modificările proceselor de omniprezentare sunt în mod obișnuit asociate sau prezente în carcinomul uman. Tumorile maligne ar putea fi dezvoltate prin pierderea mutației funcționale direct la gena supresoare tumorale , creșterea activității de ubiquitinare și / sau atenuarea indirectă a ubiquitinării datorită mutației proteinelor înrudite.

Pierderea directă a mutației funcționale a ubiquitin ligazei E3

Carcinom cu celule renale

Gena VHL ( Von Hippel – Lindau ) codifică o componentă a E3 Ubiquitin Ligase . Complexul VHL vizează membru al familiei factorului de transcripție inductibil hipoxie (HIF) pentru degradare prin interacțiunea cu domeniul de distrugere dependent de oxigen în condiții normoxice. HIF activează ținte în aval, cum ar fi factorul de creștere endotelial vascular (VEGF), promovând angiogeneza . Mutațiile din VHL previn degradarea HIF și duc astfel la formarea leziunilor hipervasculare și a tumorilor renale.

Cancer mamar

BRCA1 Gena este o alta gena supresoare tumorale la om , care codifică proteina BRCA1 , care este implicat ca răspuns la deteriorarea ADN - ului. Proteina conține un motiv RING cu activitate E3 Ubiquitin Ligase. BRCA1 ar putea forma dimer cu alte molecule, cum ar fi BARD1 și BAP1 , pentru activitatea sa de ubiquitinare. Mutațiile care afectează funcția ligazei sunt adesea găsite și asociate cu diferite tipuri de cancer.

Ciclina E

Deoarece procesele în progresia ciclului celular sunt procesele cele mai fundamentale pentru creșterea și diferențierea celulară și sunt cele mai frecvente modificări în carcinoamele umane, este de așteptat ca proteinele de reglare a ciclului celular să fie sub o reglementare strictă. Nivelul ciclinelor, așa cum sugerează și numele, este ridicat doar la un anumit moment al ciclului celular. Acest lucru se realizează prin controlul continuu al nivelurilor de cicline / CDK prin ubiquitinare și degradare. Când ciclina E este asociată cu CDK2 și se fosforilează, o proteină Fbw7 asociată cu SCF Fbw7 recunoaște complexul și, astfel, îl vizează spre degradare. Mutațiile din Fbw7 au fost găsite la mai mult de 30% din tumorile umane, caracterizând-o ca o proteină supresoare tumorală.

Creșterea activității de ubiquitinare

Cancer cervical

Se știe că tipurile oncogene ale papilomavirusului uman (HPV) deturnă calea ubiquitin- proteazomului celular pentru infecția și replicarea virală. Proteinele E6 ale HPV se vor lega de capătul N-terminal al ubiquitinei ligazei E6-AP E3 celulare, redirecționând complexul pentru a lega p53 , o genă bine-cunoscută supresoare tumorale, care inactivarea se găsește în multe tipuri de cancer. Astfel, p53 suferă ubiquitinare și degradare mediată de proteazom. Între timp, E7, o altă dintre genele HPV exprimate timpuriu, se va lega de Rb , de asemenea, o genă supresoare tumorale, mediantă degradarea acesteia. Pierderea p53 și Rb în celule permite proliferarea celulară nelimitată.

Regulamentul p53

Amplificarea genei apare adesea în diferite cazuri tumorale, inclusiv în MDM2 , o genă codifică o ligază Ubiquitin RING E3 responsabilă pentru reglarea în jos a activității p53. MDM2 țintește p53 pentru ubiquitinare și degradare proteazomală, menținându-și astfel nivelul adecvat pentru starea normală a celulei. Supraexprimarea MDM2 determină pierderea activității p53 și, prin urmare, permite celulelor să aibă un potențial de reproducere nelimitat.

p27

O altă genă care este o țintă a amplificării genei este SKP2 . SKP2 este o proteină F-box care are rolul în recunoașterea substratului pentru ubiquitinare și degradare. SKP2 vizează p27 Kip-1 , un inhibitor al kinazelor dependente de ciclină ( CDK ). CDKs2 / 4 partener cu ciclinele E / D, respectiv, familia regulatorului ciclului celular pentru a controla progresia ciclului celular prin faza G1. Nivelul scăzut de proteină p27 Kip-1 se găsește adesea în diferite tipuri de cancer și se datorează supraactivării proteolizei mediată de ubiquitină prin supraexprimarea SKP2.

Efp

Efp , sau proteina RING-inductibilă a estrogenului, este o ubiquitină ligază E3, care s-a dovedit că supraexprimarea este cauza principală a cancerului de sân independent de estrogeni . Substratul Efp este proteina 14-3-3 care reglează negativ ciclul celular.

Evasion of Ubiquitination

Cancer colorectal

Gena asociată cu cancerul colorectal este polenoză colenă adenomatoasă (APC), care este o genă clasică supresoare tumorale . Produsul genei APC vizează beta-catenina pentru degradare prin ubiquitinare la capătul N-terminal , reglând astfel nivelul său celular. Majoritatea cazurilor de cancer colorectal se găsesc cu mutații în gena APC. Cu toate acestea, în cazurile în care gena APC nu este mutantă, mutații se găsesc în capătul N-terminal al beta-cateninei, ceea ce o face lipsită de ubiquitinare și, astfel, crește activitatea.

Glioblastom

Deoarece cel mai agresiv cancer a apărut în creier, mutațiile găsite la pacienții cu glioblastom sunt legate de ștergerea unei părți din domeniul extracelular al receptorului factorului de creștere epidermic (EGFR). Această ștergere determină CBL E3 ligaza incapabilă să lege receptorul pentru reciclarea și degradarea acestuia printr-o cale ubiquitin-lizozomală. Astfel, EGFR este activ constitutiv în membrana celulară și activează efectorii săi din aval care sunt implicați în proliferarea și migrația celulară.

Ubiquitinarea dependentă de fosforilare

Interacțiunea dintre ubiquitinare și fosforilare a fost un interes continuu de cercetare, deoarece fosforilarea servește adesea ca un marker în care ubiquitinarea duce la degradare. Mai mult, ubiquitinarea poate acționa și pentru a activa / dezactiva activitatea kinazică a unei proteine. Rolul critic al fosforilării este subliniat în mare măsură în activarea și îndepărtarea autoinhibiției din proteina Cbl . Cbl este o ligază E3 ubiquitin cu un domeniu deget RING care interacționează cu domeniul său de legare a tirozin kinazei (TKB) , prevenind interacțiunea domeniului RING cu o enzimă care conjugă E2 ubiquitin . Această interacțiune intramoleculară este o reglare a autoinhibiției care îi împiedică rolul de regulator negativ al diferiților factori de creștere și al semnalizării tirozin kinazei și al activării celulelor T. Fosforilarea Y363 ameliorează autoinhibiția și îmbunătățește legarea la E2. S-a demonstrat că mutațiile care fac ca proteina Cbl să nu funcționeze datorită pierderii funcției sale de ligază / supresoare tumorale și menținerii funcției sale pozitive de semnalizare / oncogenă cauzează dezvoltarea cancerului.

Ca țintă de droguri

Screening pentru substraturi de ubiquitin ligază

Identificarea substraturilor ligazei E3 este esențială pentru a înțelege implicația acesteia în bolile umane, deoarece dereglarea interacțiunilor substratului E3 este adesea servită ca cauză majoră în multe. Pentru a depăși limitarea mecanismului utilizat pentru a identifica substraturile E3 Ubiquitin Ligase, a fost dezvoltat în 2008. un sistem denumit „Profilare globală a stabilității proteinelor (GPS)”. substraturi independent. Prin inhibarea activității ligazei (prin producerea de Cul1 negativ dominant face ca ubiquitinarea să nu apară), activitatea crescută a reporterului arată că substraturile identificate sunt acumulate. Această abordare a adăugat un număr mare de substraturi noi la lista substraturilor ligazei E3.

Posibile aplicații terapeutice

Blocarea recunoașterii specifice a substratului de către ligazele E3, de exemplu Bortezomib .

Provocare

Găsirea unei molecule specifice care inhibă selectiv activitatea unei anumite ligazei E3 și / sau a interacțiunilor proteină-proteină implicate în boală rămâne una dintre domeniile de cercetare importante și în expansiune. Mai mult, întrucât ubiquitinarea este un proces în mai multe etape cu diverși jucători și forme intermediare, trebuie luată în considerare considerabil interacțiunile mult complexe dintre componente în timp ce se proiectează inhibitorii moleculei mici.

Proteine ​​similare

Articol principal: proteină asemănătoare cu ubiquitina

Deși ubiquitina este cel mai înțeles modificator post-traducere, există o familie în creștere de proteine ​​asemănătoare ubiquitinei (UBL) care modifică țintele celulare într-o cale care este paralelă, dar distinctă de cea a ubiquitinei. UBL-urile cunoscute includ: mic modificator asemănător cu ubiquitina ( SUMO ), proteină cu reactivitate încrucișată a ubiquitinei (UCRP, cunoscută și sub denumirea de genă-15 ISG15 stimulată de interferon ), modificator-1 legat de ubiquitină ( URM1 ), precursor neuronal-exprimat de celule proteine-8 reglementate de dezvoltare ( NEDD8 , numită și Rub1 în S. cerevisiae ), antigen leucocitar uman asociat F ( FAT10 ), autofagie-8 ( ATG8 ) și -12 ( ATG12 ), puține proteine ​​asemănătoare ubiquitinei ( FUB1 ), MUB (UBL ancorat pe membrană), modificatorul de pliere a ubiquitinei-1 ( UFM1 ) și proteina-5 asemănătoare ubiquitinei ( UBL5 , care este cunoscută dar omologă pentru ubiquitin-1 [Hub1] în S. pombe ). În timp ce aceste proteine ​​împărtășesc doar o identitate modestă a secvenței primare cu ubiquitina, ele sunt strâns legate tridimensional. De exemplu, SUMO împărtășește doar 18% identitate de secvență, dar conțin aceeași structură structurală. Această faldă se numește „faldă ubiquitin”. FAT10 și UCRP conțin două. Această faldă compactă globulară beta-grip se găsește în ubiquitină, UBL și proteine ​​care cuprind un domeniu asemănător ubiquitinei, de exemplu proteina de duplicare a corpului fusului S. cerevisiae , proteina Dsk2 și NER, Rad23, ambele conțin domenii ubiquitină N-terminale .

Aceste molecule conexe au funcții noi și influențează diverse procese biologice. Există, de asemenea, reglare încrucișată între diferitele căi de conjugare, deoarece unele proteine ​​pot deveni modificate de mai mult de un UBL și, uneori, chiar la același reziduu de lizină. De exemplu, modificarea SUMO acționează adesea antagonic față de cea a ubiquitinării și servește la stabilizarea substraturilor proteice. Proteinele conjugate cu UBL nu sunt de obicei vizate pentru degradarea de către proteazom, ci mai degrabă funcționează în diverse activități de reglementare. Atașarea UBL-urilor poate modifica conformația substratului, poate afecta afinitatea pentru liganzi sau alte molecule care interacționează, poate modifica localizarea substratului și poate influența stabilitatea proteinelor.

UBL sunt similare din punct de vedere structural cu ubiquitina și sunt procesate, activate, conjugate și eliberate din conjugate prin etape enzimatice care sunt similare cu mecanismele corespunzătoare pentru ubiquitin. UBL-urile sunt, de asemenea, traduse cu extensii C-terminal care sunt procesate pentru a expune LRGG C-terminal invariant. Acești modificatori au propriile enzime specifice E1 (activare), E2 (conjugare) și E3 (ligare) care conjugă UBL-urile cu ținte intracelulare. Acești conjugați pot fi inversați de izopeptidaze specifice UBL care au mecanisme similare cu cele ale enzimelor deubiquitinante.

În cadrul anumitor specii, recunoașterea și distrugerea mitocondriilor spermatozoizilor printr-un mecanism care implică ubiquitina este responsabilă pentru eliminarea mitocondriilor spermatozoizilor după fertilizare.

Origini procariote

Ubiquitina se crede că a descins din proteine ​​bacteriene similare cu ThiS ( O32583 ) sau MoaD ( P30748 ). Aceste proteine ​​procariote, în ciuda faptului că au o identitate redusă a secvenței (ThiS are 14% identitate față de ubiquitină), împărtășesc aceeași fald de proteine. Aceste proteine ​​împărtășesc, de asemenea, chimia sulfului cu ubiquitina. Moad, care este implicată în molybdopterin biosinteză, interactioneaza cu MoeB, care acționează ca un E1 ubiquitin de activare a enzimei pentru Moad, întărirea legăturii dintre aceste proteine procariote și sistemul ubiquitin. Există un sistem similar pentru ThiS, cu enzima sa similară E1 ThiF . Se crede, de asemenea, că proteina Saccharomyces cerevisiae Urm-1, un modificator legat de ubiquitină, este o „fosilă moleculară” care conectează relația evolutivă cu moleculele procariote asemănătoare ubiquitinei și ubiquitina.

Archaea are un omolog funcțional mai apropiat al sistemului de modificare a ubiquitinei, unde se efectuează „sampilarea” cu SAMP (proteine ​​modificatoare ale archaealelor mici). Sistemul de sampilare folosește E1 doar pentru a ghida proteinele către proteozom . Proteoarchaeota , care este legată de strămoșul eucariotelor, posedă toate enzimele E1, E2 și E3 plus un sistem Rpn11 reglementat. Spre deosebire de SAMP, care sunt mai asemănătoare cu ThiS sau MoaD, Proteoarchaeota ubiquitin este cel mai similar cu omologii eucariote.

Proteina procariotă asemănătoare ubiquitinei (Pup) și ubiquitina bacteriană (UBact)

Proteina procariotă asemănătoare ubiquitinei (Pup) este un analog funcțional al ubiquitinei care a fost găsit în filul bacterian gram-pozitiv Actinobacteria . El îndeplinește aceeași funcție (vizând proteinele pentru degradări), deși enzimologia ubiquitinării și a pupilării este diferită, iar cele două familii nu au omologie. Spre deosebire de reacția în trei etape a ubiquitinării, pupilarea necesită două etape, prin urmare doar două enzime sunt implicate în pupilare.

În 2017, Omologii de Pup au fost raportate în cinci phyla de gram negative bacterii, în șapte candidat phyla bacteriene și într - una archaeon Secvențele Omologii Pup sunt foarte diferite de secvențele Pup în bacterii gram - pozitive și au fost denumite Ubiquitin bacteriene (UBact), deși distincția nu a fost încă dovedită a fi susținută filogenetic de o origine evolutivă separată și nu are dovezi experimentale.

Descoperirea sistemului Pup / UBact-proteazom atât la bacteriile gram-pozitive, cât și la gram-negative sugerează că sistemul Pup / UBact-proteazom a evoluat în bacterii înainte de împărțirea în clade gram pozitive și negative cu peste 3000 de milioane de ani în urmă sau, că aceste sisteme au fost dobândite de diferite linii bacteriene prin transfer (e) orizontal de gene dintr-un al treilea organism, dar necunoscut. În sprijinul celei de-a doua posibilități, au fost găsiți doi loci UBact în genomul unui arheon metanotrof anaerob necultivat (ANME-1; locus CBH38808.1 și locus CBH39258.1 ).

Proteine ​​umane care conțin domeniu ubiquitin

Acestea includ proteine ​​asemănătoare ubiquitinei.

ANUBL1 ; BAG1 ; BAT3 / BAG6 ; C1orf131 ; DDI1 ; DDI2 ; FAU ; HERPUD1 ; HERPUD2 ; HOPS ; IKBKB ; ISG15 ; LOC391257 ; MIDN ; NEDD8 ; OASL ; PARC2 ; RAD23A ; RAD23B ; RPS27A ; SACS ; 8U SF3A1 ; SUMO1 ; SUMO2 ; SUMO3 ; SUMO4 ; TMUB1 ; TMUB2 ; UBA52 ; UBB ; UBC ; UBD ; UBFD1 ; UBL4 ; UBL4A ; UBL4B ; UBL7 ; UBLCP1 ; UBQLN1 ; UBQLN2 ; UBQLN3 ; UBQLN4 ; UBQLNL ; UBTD1 ; UBTD2 ; UHRF1 ; UHRF2 ;

Proteine ​​înrudite

Predicția ubiquitinării

Programele de predicție disponibile în prezent sunt:

  • UbiPred este un server de predicție bazat pe SVM care utilizează 31 de proprietăți fizico-chimice pentru prezicerea siturilor de ubiquitinare.
  • UbPred este un predictor aleatoriu bazat pe pădure al potențialelor site-uri de ubiquitinare în proteine. Acesta a fost instruit pe un set combinat de 266 de situri de ubiquitinare verificate experimental, non-redundante, disponibile din experimentele noastre și din două studii de proteomică la scară largă.
  • CKSAAP_UbSite este o predicție bazată pe SVM care folosește compoziția perechilor de aminoacizi la distanță de k care înconjoară un site de interogare (adică orice lizină dintr-o secvență de interogare) ca intrare, utilizează același set de date ca UbPred.

Podcast

  • Investigarea sistemului proteazom ubiquitin a fost în centrul unui Podcast cercetător demență, [1] . Podcastul a fost publicat pe 16 august 2021, găzduit de profesorul Selina Wray de la University College London.

Vezi si

Referințe

linkuri externe