蛋白質翻譯后修飾(Post-translational modifications, PTMs)是指蛋白質合成后在其氨基酸側鏈或末端進行的一系列化學修飾,這些修飾極大地擴展了基因編碼的信息容量,賦予蛋白質多樣化的功能。PTMs不僅增加了蛋白質的多樣性,而且在細胞信號傳遞、蛋白質折疊、穩(wěn)定性和降解、細胞周期調控、基因表達調控等方面起著至關重要的作用。
泛素化
泛素化是一種常見的蛋白質翻譯后修飾,它通過將一個小蛋白—泛素(Ubiquitin),連接到目標蛋白上,從而調節(jié)蛋白質的命運和功能。泛素化不僅僅局限于單個泛素分子的加接,還包括多泛素鏈的形成,這些不同的修飾模式在細胞內發(fā)揮著多樣化的生物學功能。
類型
(1)單泛素化(Monoubiquitination):單個泛素分子連接到目標蛋白的一個賴氨酸殘基上。常與內吞作用、DNA修復、信號傳導和基因表達調控等功能相關。
(2)多泛素化(Polyubiquitination):一個以上的泛素分子串聯(lián)連接形成泛素鏈,通常涉及Lys48或Lys63位點的泛素之間的相互作用。Lys48連接的多泛素鏈主要標記蛋白質進入蛋白酶體降解途徑;Lys63連接的多泛素鏈則更多地參與蛋白質復合體的組裝、信號轉導和內吞作用等過程。
(3)混合泛素化(Mixed ubiquitination):泛素鏈內部存在不同類型的泛素連接方式,這種復雜的修飾模式增加了泛素信號的多樣性。
從蛋白質降解到信號轉導,再到基因表達調控,泛素化與去泛素化幾乎貫穿于所有關鍵的生命過程之中,涉及以下幾大方面:
(1)蛋白質降解與質量控制:最為人所熟知的是,泛素化標記那些需要被快速降解的蛋白質,以便通過蛋白酶體途徑清除,維持細胞內蛋白質的穩(wěn)態(tài)。
(2)信號轉導與調控:泛素化在信號轉導過程中起著開關作用,通過控制蛋白質復合體的裝配、穩(wěn)定性和活性,調節(jié)諸如NF-κB、Wnt/β-catenin等多種信號通路。
(3)基因表達調控:核內蛋白質的泛素化,如組蛋白H2A和H2BK,影響染色質結構和轉錄活性。
(4)細胞周期與DNA修復:在細胞周期檢查點中,泛素化參與調控關鍵蛋白的穩(wěn)定性和活性,確保DNA復制和分裂過程的準確性;在DNA損傷響應中,泛素化標記受損的DNA片段,啟動修復機制。
(5)自噬作用:自噬體選擇性地吞噬并降解細胞內的損壞蛋白質和細胞器,這一過程也受到泛素化信號的調控。
實例:
(1)Mdm2蛋白與p53的泛素化:Mdm2是E3泛素連接酶,負責給p53蛋白加上泛素標簽,將其送入蛋白酶體降解,從而調控p53的穩(wěn)定性和細胞周期檢查點的完整性。
(2)Notch受體的泛素化:Notch受體在信號傳導中經(jīng)由泛素化和蛋白酶切割釋放出胞內段,該段隨后轉移至細胞核中,參與基因表達的調控。
(3)HIV-1病毒的Nef蛋白與泛素化:HIV-1的Nef蛋白利用宿主的泛素化系統(tǒng)干擾免疫應答,通過泛素化標記MHC I分子促使其內吞和降解,幫助病毒逃避免疫監(jiān)視。
去泛素化
去泛素化是泛素化過程的逆轉,由一組被稱為去泛素化酶(Deubiquitinating Enzymes, DUBs)的蛋白酶催化的生化反應。這些酶能夠從蛋白質上移除泛素分子,從而恢復蛋白質的原始狀態(tài)或修改其泛素鏈結構。DUBs是一大類酶,按照其結構特征和催化機制的不同,可以分為幾個主要類型,每個類型包含若干子類別。
(1)USP家族(Ubiquitin-Specific Proteases):是最大的DUBs家族,包含超過50個成員。USPs具有保守的“HECT-like”結構域,其中心的Cys殘基直接參與催化反應。USPs不僅能去除單一的泛素單元,還能剪切泛素鏈,改變其長度或類型,影響蛋白質降解和信號傳導。
(2)OTU家族(Ovarian Tumor proteases):OTUs以最初發(fā)現(xiàn)于卵巢腫瘤相關蛋白酶而得名。它們的結構域較小,催化活性依賴于一個保守的Cys-His雙金屬離子活性位點。OTUs特別擅長處理Lys48連接的泛素鏈,這對蛋白質降解有重要意義。
示例包括OTUB1、OTUD5等。
(3)JAMM家族(Josephin/Jab1/Pad2/Mov34 metalloenzymes):JAMMs是一類含鋅指結構域的金屬酶。它們的活性位點含有兩個His殘基和一個Asp殘基組成的Zn²?綁定序列。JAMMs在蛋白質復合體的拆卸和重組中起作用,例如在cullin-RING E3連接酶中。
(4)MINDY家族(Motif in UB-specific proteases and in DUB-related YOD1):MINDYs是最近才鑒定出來的一類DUBs,其成員較少。結構上類似于OTUs,但活性位點的化學環(huán)境有所不同,這影響了其底物特異性和催化效率。
(5)UCH家族(Ubiquitin C-Terminal Hydrolases):UCHs是最早發(fā)現(xiàn)的DUBs家族,它們的成員數(shù)量相對較少。UCHs主要負責單泛素的加工,即從泛素融合蛋白上切割下來游離的泛素分子。某些UCHe成員也能剪切短的泛素鏈,影響蛋白質的穩(wěn)定性。
去泛素化過程在細胞生理活動中扮演著極其關鍵的角色,涉及到細胞周期調控、信號傳導、免疫應答、DNA損傷修復以及蛋白質穩(wěn)態(tài)維持等諸多方面。
(1)細胞周期調控:去泛素化在細胞周期進展中至關重要,特別是對Cyclin依賴激酶抑制劑p21和p27的調控。當細胞接收到生長信號后,去泛素酶USP7會去泛素化p21和p27,阻止其過早降解,從而使細胞停留在G1期,直到環(huán)境條件適宜才進入S期。相反,在某些情況下,去泛素酶OTU1可以去泛素化Anaphase Promoting Complex/Cyclosome (APC/C),這是一種在M期后期至中期轉換中起關鍵作用的復合體,從而促進染色體分離和細胞分裂。
(2)信號傳導:NF-κB信號通路是去泛素化調控的一個經(jīng)典案例。在沒有刺激的情況下,NF-κB與其抑制因子IκB結合,保持失活狀態(tài)。當受到外界刺激時,IκB被泛素化并迅速降解,釋放NF-κB使其轉位入核啟動基因表達。然而,這一過程并非單向不可逆,去泛素酶A20可以在NF-κB信號級聯(lián)反應達到峰值后發(fā)揮作用,通過去泛素化IκBα和TRAF6等關鍵分子,終止信號傳遞,防止過度激活導致慢性炎癥和自身免疫性疾病的發(fā)生。
(3)免疫應答:免疫系統(tǒng)的正常運作高度依賴于去泛素化。Toll樣受體(TLRs)介導的先天免疫應答中,去泛素酶USP18能夠去泛素化IRF3和IRF7,這兩個轉錄因子在抗病毒反應中起核心作用,通過調節(jié)IFNβ的產生抵抗病毒入侵。而在適應性免疫中,CD4+ T細胞分化為Th17細胞的過程中,去泛素酶USP25去泛素化Smurf1,進而保護RORγt免遭降解,確保Th17細胞的充分發(fā)育和功能實現(xiàn)。
(4)DNA損傷修復:面對DNA雙鏈斷裂這樣的嚴重損傷,細胞必須立即啟動修復程序以避免遺傳物質丟失。去泛素酶BRCA1 C Terminus (BRE) 能夠去泛素化BRCA1和RAD51等修復蛋白,加速其招募至損傷部位,促進同源重組修復過程。此外,去泛素酶USP28通過去泛素化PCNA,增加其穩(wěn)定性,促進錯配修復和跨損傷合成,保障基因組穩(wěn)定性。
(5)蛋白質穩(wěn)態(tài)維持:蛋白質穩(wěn)態(tài)(proteostasis)是指細胞內蛋白質的合成、折疊、運輸、修飾、聚集和降解處于動態(tài)平衡的狀態(tài)。去泛素酶參與這一過程的關鍵環(huán)節(jié),比如USP14和UCHL5是蛋白酶體復合體的一部分,它們可以去泛素化待降解的蛋白質,決定其是否真正進入降解流程還是重新利用,從而優(yōu)化細胞內的蛋白質周轉率,避免無謂的能量浪費和潛在的毒性積累。