Убіквітин-залежний протеоліз — процес гідролізу (розщеплення) аномальних та вже непотрібних білків організму, що здійснюється так званою убіквітин-протеасомною системою. Процес включає два етапи: ковалентне приєднання ланцюжка молекул убіквітину і деградацію білка протеасомою.
Функції протеолізу
Клітинам потрібний механізм деградацій білків, що вже виконали свою функцію і стають непотрібними. Подальша присутність таких білків у клітині може їй нашкодити, крім того, потрібні амінокислоти для синтезу інших білків, а перевантаження цитоплазми поліпептидами може індукувати апоптоз. Довгий час внутрішньоклітинний протеоліз вважали неспецифічним процесом, справжнім проривом у цій галузі стало відкриття убіквітин-залежного протеолізу. Серед субстратів специфічного протеолізу є регулятори клітинного циклу, компоненти різних сигнальних шляхів, мутантні білки, а також пошкоджені посттрансляційно. Довго вважали, що такий протеоліз може мати місце лише для білків цитоплазми та, можливо, ядра. Нині стало зрозуміло, що ця система працює і для білків, зв'язаних з мембранами, білків, що секретуються (для цього потрібне зворотне переміщення білка у клітину). Система внутрішньоклітинного протеолізу задіяна в процесах проліферації, диференціації клітин, реакціях на стрес і патогени, неоплазії, репарації ДНК. Дефекти у цій складній системі можуть бути причиною порушень метаболізму, розвитку раку та нейродегенеративних захворювань, таких як хвороба Паркінсона.
Історія відкриття
1980 року Ірвін Роуз, Аврагам Гершко та Агарон Чехановер опублікували у PNAS статті, де йшлося про приєднання убіквітину до білків для їх напрямлення у протеасоми, для подальшого протеолізу. Дані про те, що внутрішньоклітинний протеоліз є АТФ-залежним, були вперше отримані Мелвіном Сімпсоном 1953 року. Це було незрозуміло, оскільки гідроліз пептидного зв'язку є екзергонічним процесом і не потребує енергії. Пізніше, коли в 1970-тих лабораторія Голдберга показала, що клітина швидко очищається від пошкоджених і ненормальних білків, а також, що білки, задіяні у внутрішньоклітинному сигналюванні, живуть недовго, стало зрозуміло, що для контролю протеолізу може бути потрібна енергія. У своїх роботах Гершко і Чехановер показали, що протеоліз може здійснюватись у безлізосомних лізатах клітин і для цього необхідна наявність двох фракцій: APF-1 (ATP-dependent proteolysis factor 1) низькомолекулярний білок, пізніше названий убіквітином, і APF-2 — високомолекулярна фракція, що стабілізувалась АТФ і являла собою, як з'ясувалось потім, активні протеасоми. Спочатку вони думали, що APF-2 — це кіназа, що фосфорилює APF-1 або якісь інші білки, що з ним взаємодіють. Вони інкубували мічену фракцію APF-1 з APF-2 в присутності АТФ, і виявилось, що APF-1 зв'язувався із білками у фракції APF-2, на велике здивування ковалентно. Було зрозуміло, що таке зв'язування необхідне для протеолізу, але залишалось неясно, чи APF-1 зв'язувався із субстратами чи ферментами протеолізу. Ковалентне зв'язування двох білків було явищем рідкісним, але не безпрецедентним, на той час було показано, що гістон Н2а може бути модифікований ковалентним приєднанням маленького білка — убіквітину. Аналіз показав, що APF-1 і є убіквітином. Пізніше було з'ясовано, що убіквітин є міткою для протеолізу білків, виявлені убіквітин-лігази, що забезпечували приєднання убіквітину до білків, ферменти «деубіквітинізації», інші білки, що можуть ковалентно модифікувати субстрати.
Гершко, Роуз і Чехановер за відкриття убіквітин-залежного протеолізу отримали Нобелівську премію з хімії 2004 року.
Механізм приєднання убіквітину до молекули субстрату
Деградація білка по убіквітиновому шляху включає два етапи: ковалентне приєднання поліубіквітинового ланцюжка і деградація білка 26S-протеасомою. Убіквітин — це пептид, що складається із 76 амінокислот. Його приєднання до білка проходить у три етапи за участі трьох груп ферментів: E1, E2 і Е3.
- Фермент Е1 активує убіквітин, гідролізуючи АТФ. При цьому формується макроергічний зв'язок між С-кінцевим гліцином убіквітину і цистеїном Е1. Цей процес універсальний для будь-якого убіквітинового шляху, тому клітині достатньо одного варіанту Е1.
- Активований убіквітин переноситься на залишок цистеїну білка Е2 (UCP — ubiquitin carrier protein). Клітина містить кілька варіантів Е2 (наприклад, у дріжджів — 13). Кожен варіант може брати участь в обмеженій кількості убіквітинових шляхів, що визначається його здатністю взаємодіяти з одним або кількома типами Е3. Є молекули Е2, що можуть переносити убіквітин безпосередньо на білок без участі Е3.
- Білки класу Е3 — це убіквітин-лігази, здатні специфічно зв'язуватись із білковими субстратами, що підлягають протеолізу, прямо або через білок-помічник. Е3 каталізує утворення пептидного зв'язку між С-кінцем убіквітинової одиниці і аміногрупою лізинового залишку субстрату (якщо це перший убіквітин, що приєднується до субстрату) або лізину 48 попередньої молекули убіквітину. Е3 впізнають певний мотив у складі субстрату, що називається дегроном — на рівні Е3 забезпечується специфічність протеолізу. В клітині дуже багато варіантів Е3.
Убіквітин-лігази можуть впізнавати мотив, що констинутивно входить до складу білка. Наприклад N-кінцевий амінокислотний залишок. Але це ще не свідчить про те, що білок, який містить такий мотив, має деградувати. Зазвичай дегрон знаходиться поблизу частини молекули, що безпосередньо відповідає за виконання функцій білка, і якщо білок нормально скручений, дегрон недоступний для убіквітин-лігази. Також може відбуватись впізнавання білка, що був певним чином модифікований, наприклад — фосфорильований, або впізнавання субстрату в комплексі із відповідним адапторним білком.
Після приєднання убіквітину білок направляється у протеасому, де і здійснюється його протеоліз. Протеасоми містяться в цитоплазмі і ядрі клітини, але їх нема всередині органел. 26S-протеасома складається із серцевинного каталітичного комплексу 20S, з двох сторін якого знаходяться регулюючі субодиниці 19S. 20S-комплекс побудований із чотирьох кілець, кожне з яких складається із семи субодиниць, що кодуються 14 генами — 7 різних α-субодиниць і 7 різних β-субодиниць. В β-кільцях розміщені три каталітичні сайти:
- трипсин-схожий сайт — впізнає залишки тирозину і фенілаланіну
- -схожий сайт — впізнає залишки лізину і аргініну
- сайт, що здійснює гідроліз ланцюга після залишку глутаміну.
Кожен сайт побудований із двох однакових субодиниць у різних кільцях. Крім цих трьох видів сайтів, що конститутивно входять до складу протеасоми, є ще такі, що можуть індукуватись лише в певних умовах. α-кільця необхідні для стабілізації β-кілець і для зв'язування з 19S-комплексами. 19S-комплекс володіє АТФазною властивістю і відповідає за впізнавання поліубіквітинових білків. 20S-циліндр може також зв'язуватись із 11S-комплексами, в такому випадку протеасома не зможе діяти на інтактні білки, але здатна здійснювати протеоліз коротких пептидів.
Деградація білків, асоційованих з мембраною, дещо відрізняється від протеолізу цитоплазматичних білків:
Відщеплення убіквітину із комплексів
Цей розділ потребує додаткових для поліпшення його . (серпень 2015) |
Відщеплення потрібне для вивільнення убіквітину після гідролізу білка, для виправлення помилкового убіквітинування, крім того убіквітин синтезується у формі неактивного поліпопередника — його ще треба нарізати на функціональні молекули. Білки, що здійснюють відщеплення убіквітину, відносяться до тіолових протеїназ. Вони поділяються на два класи:
- С-кінцеві убіквітинові гідролази (UCH): здійснюють котрансляційний процесинг поліубіквітинового попередника, а також відщеплення убіквітину із комплексів із невеликими молекулярними масами — амінами і тіолами.
- Убіквітин-специфічні протеази (UBP) або ізопептидази — відщеплюють убіквітин від клітинних білків. У клітині є багато видів цих ферментів.
Особливості убіквітин-залежного протеолізу білків
Цей розділ потребує додаткових для поліпшення його . (серпень 2015) |
Убіквітин-залежний протеоліз є лише в еукаріот, хоча протеасоми є і прокаріот і у архей, але в них кепюча субодиниця відразу впізнає субстрат, таким чином число субстратів є сильно обмеженим. При убіквітинуванні число субстратів значно більше, внаслідок наявності великої кількості ферментів і можливості їх комбінування. Другою перевагою убіквітинування є те, що воно оборотнє. Для напрямлення білка у протеасому недостатньо одного залишку убіквітину, поки синтезується поліубіквітиновий ланцюг клітина має час «подумати». Таким чином забезпечується гнучкість системи протеолізу.
Примітки
- . Архів оригіналу за 15 серпня 2015. Процитовано 15 серпня 2015.
- . Архів оригіналу за 15 серпня 2015. Процитовано 15 серпня 2015.
- . Архів оригіналу за 4 березня 2016. Процитовано 15 серпня 2015.
- Wang X, Herr RA, Chua WJ, Lybarger L, Wiertz EJ, Hansen TH (May 2007). Ubiquitination of serine, threonine, or lysine residues on the cytoplasmic tail can induce ERAD of MHC-I by viral E3 ligase mK3. J. Cell Biol. 177 (4): 613—24. doi:10.1083/jcb.200611063. PMC 2064207. PMID 17502423.
- Cadwell K, Coscoy L (July 2005). Ubiquitination on nonlysine residues by a viral E3 ubiquitin ligase. Science. 309 (5731): 127—30. doi:10.1126/science.1110340. PMID 15994556.
Це незавершена стаття з молекулярної біології. Ви можете проєкту, виправивши або дописавши її. |
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Ubikvitin zalezhnij proteoliz proces gidrolizu rozsheplennya anomalnih ta vzhe nepotribnih bilkiv organizmu sho zdijsnyuyetsya tak zvanoyu ubikvitin proteasomnoyu sistemoyu Proces vklyuchaye dva etapi kovalentne priyednannya lancyuzhka molekul ubikvitinu i degradaciyu bilka proteasomoyu Shema ubikvitinacijnoyi sistemi Funkciyi proteolizuKlitinam potribnij mehanizm degradacij bilkiv sho vzhe vikonali svoyu funkciyu i stayut nepotribnimi Podalsha prisutnist takih bilkiv u klitini mozhe yij nashkoditi krim togo potribni aminokisloti dlya sintezu inshih bilkiv a perevantazhennya citoplazmi polipeptidami mozhe indukuvati apoptoz Dovgij chas vnutrishnoklitinnij proteoliz vvazhali nespecifichnim procesom spravzhnim prorivom u cij galuzi stalo vidkrittya ubikvitin zalezhnogo proteolizu Sered substrativ specifichnogo proteolizu ye regulyatori klitinnogo ciklu komponenti riznih signalnih shlyahiv mutantni bilki a takozh poshkodzheni posttranslyacijno Dovgo vvazhali sho takij proteoliz mozhe mati misce lishe dlya bilkiv citoplazmi ta mozhlivo yadra Nini stalo zrozumilo sho cya sistema pracyuye i dlya bilkiv zv yazanih z membranami bilkiv sho sekretuyutsya dlya cogo potribne zvorotne peremishennya bilka u klitinu Sistema vnutrishnoklitinnogo proteolizu zadiyana v procesah proliferaciyi diferenciaciyi klitin reakciyah na stres i patogeni neoplaziyi reparaciyi DNK Defekti u cij skladnij sistemi mozhut buti prichinoyu porushen metabolizmu rozvitku raku ta nejrodegenerativnih zahvoryuvan takih yak hvoroba Parkinsona Istoriya vidkrittya1980 roku Irvin Rouz Avragam Gershko ta Agaron Chehanover opublikuvali u PNAS statti de jshlosya pro priyednannya ubikvitinu do bilkiv dlya yih napryamlennya u proteasomi dlya podalshogo proteolizu Dani pro te sho vnutrishnoklitinnij proteoliz ye ATF zalezhnim buli vpershe otrimani Melvinom Simpsonom 1953 roku Ce bulo nezrozumilo oskilki gidroliz peptidnogo zv yazku ye ekzergonichnim procesom i ne potrebuye energiyi Piznishe koli v 1970 tih laboratoriya Goldberga pokazala sho klitina shvidko ochishayetsya vid poshkodzhenih i nenormalnih bilkiv a takozh sho bilki zadiyani u vnutrishnoklitinnomu signalyuvanni zhivut nedovgo stalo zrozumilo sho dlya kontrolyu proteolizu mozhe buti potribna energiya U svoyih robotah Gershko i Chehanover pokazali sho proteoliz mozhe zdijsnyuvatis u bezlizosomnih lizatah klitin i dlya cogo neobhidna nayavnist dvoh frakcij APF 1 ATP dependent proteolysis factor 1 nizkomolekulyarnij bilok piznishe nazvanij ubikvitinom i APF 2 visokomolekulyarna frakciya sho stabilizuvalas ATF i yavlyala soboyu yak z yasuvalos potim aktivni proteasomi Spochatku voni dumali sho APF 2 ce kinaza sho fosforilyuye APF 1 abo yakis inshi bilki sho z nim vzayemodiyut Voni inkubuvali michenu frakciyu APF 1 z APF 2 v prisutnosti ATF i viyavilos sho APF 1 zv yazuvavsya iz bilkami u frakciyi APF 2 na velike zdivuvannya kovalentno Bulo zrozumilo sho take zv yazuvannya neobhidne dlya proteolizu ale zalishalos neyasno chi APF 1 zv yazuvavsya iz substratami chi fermentami proteolizu Kovalentne zv yazuvannya dvoh bilkiv bulo yavishem ridkisnim ale ne bezprecedentnim na toj chas bulo pokazano sho giston N2a mozhe buti modifikovanij kovalentnim priyednannyam malenkogo bilka ubikvitinu Analiz pokazav sho APF 1 i ye ubikvitinom Piznishe bulo z yasovano sho ubikvitin ye mitkoyu dlya proteolizu bilkiv viyavleni ubikvitin ligazi sho zabezpechuvali priyednannya ubikvitinu do bilkiv fermenti deubikvitinizaciyi inshi bilki sho mozhut kovalentno modifikuvati substrati Gershko Rouz i Chehanover za vidkrittya ubikvitin zalezhnogo proteolizu otrimali Nobelivsku premiyu z himiyi 2004 roku Mehanizm priyednannya ubikvitinu do molekuli substratuDegradaciya bilka po ubikvitinovomu shlyahu vklyuchaye dva etapi kovalentne priyednannya poliubikvitinovogo lancyuzhka i degradaciya bilka 26S proteasomoyu Ubikvitin ce peptid sho skladayetsya iz 76 aminokislot Jogo priyednannya do bilka prohodit u tri etapi za uchasti troh grup fermentiv E1 E2 i E3 Ferment E1 aktivuye ubikvitin gidrolizuyuchi ATF Pri comu formuyetsya makroergichnij zv yazok mizh S kincevim glicinom ubikvitinu i cisteyinom E1 Cej proces universalnij dlya bud yakogo ubikvitinovogo shlyahu tomu klitini dostatno odnogo variantu E1 Aktivovanij ubikvitin perenositsya na zalishok cisteyinu bilka E2 UCP ubiquitin carrier protein Klitina mistit kilka variantiv E2 napriklad u drizhdzhiv 13 Kozhen variant mozhe brati uchast v obmezhenij kilkosti ubikvitinovih shlyahiv sho viznachayetsya jogo zdatnistyu vzayemodiyati z odnim abo kilkoma tipami E3 Ye molekuli E2 sho mozhut perenositi ubikvitin bezposeredno na bilok bez uchasti E3 Bilki klasu E3 ce ubikvitin ligazi zdatni specifichno zv yazuvatis iz bilkovimi substratami sho pidlyagayut proteolizu pryamo abo cherez bilok pomichnik E3 katalizuye utvorennya peptidnogo zv yazku mizh S kincem ubikvitinovoyi odinici i aminogrupoyu lizinovogo zalishku substratu yaksho ce pershij ubikvitin sho priyednuyetsya do substratu abo lizinu 48 poperednoyi molekuli ubikvitinu E3 vpiznayut pevnij motiv u skladi substratu sho nazivayetsya degronom na rivni E3 zabezpechuyetsya specifichnist proteolizu V klitini duzhe bagato variantiv E3 Ubikvitin ligazi mozhut vpiznavati motiv sho konstinutivno vhodit do skladu bilka Napriklad N kincevij aminokislotnij zalishok Ale ce she ne svidchit pro te sho bilok yakij mistit takij motiv maye degraduvati Zazvichaj degron znahoditsya poblizu chastini molekuli sho bezposeredno vidpovidaye za vikonannya funkcij bilka i yaksho bilok normalno skruchenij degron nedostupnij dlya ubikvitin ligazi Takozh mozhe vidbuvatis vpiznavannya bilka sho buv pevnim chinom modifikovanij napriklad fosforilovanij abo vpiznavannya substratu v kompleksi iz vidpovidnim adaptornim bilkom ProteasomaShematichne zobrazhennya proteasomi Pislya priyednannya ubikvitinu bilok napravlyayetsya u proteasomu de i zdijsnyuyetsya jogo proteoliz Proteasomi mistyatsya v citoplazmi i yadri klitini ale yih nema vseredini organel 26S proteasoma skladayetsya iz sercevinnogo katalitichnogo kompleksu 20S z dvoh storin yakogo znahodyatsya regulyuyuchi subodinici 19S 20S kompleks pobudovanij iz chotiroh kilec kozhne z yakih skladayetsya iz semi subodinic sho koduyutsya 14 genami 7 riznih a subodinic i 7 riznih b subodinic V b kilcyah rozmisheni tri katalitichni sajti tripsin shozhij sajt vpiznaye zalishki tirozinu i fenilalaninu shozhij sajt vpiznaye zalishki lizinu i argininu sajt sho zdijsnyuye gidroliz lancyuga pislya zalishku glutaminu Kozhen sajt pobudovanij iz dvoh odnakovih subodinic u riznih kilcyah Krim cih troh vidiv sajtiv sho konstitutivno vhodyat do skladu proteasomi ye she taki sho mozhut indukuvatis lishe v pevnih umovah a kilcya neobhidni dlya stabilizaciyi b kilec i dlya zv yazuvannya z 19S kompleksami 19S kompleks volodiye ATFaznoyu vlastivistyu i vidpovidaye za vpiznavannya poliubikvitinovih bilkiv 20S cilindr mozhe takozh zv yazuvatis iz 11S kompleksami v takomu vipadku proteasoma ne zmozhe diyati na intaktni bilki ale zdatna zdijsnyuvati proteoliz korotkih peptidiv Degradaciya bilkiv asocijovanih z membranoyu desho vidriznyayetsya vid proteolizu citoplazmatichnih bilkiv vidbuvayetsya u lizosomah dlya napryamlennya bilka v lizosomu dostatno priyednannya odnogo zalishku ubikvitinu u vipadku formuvannya poliubikvitinovogo lancyuga zv yazuvannya vidbuvayetsya po 63 lizinu Vidsheplennya ubikvitinu iz kompleksivCej rozdil potrebuye dodatkovih posilan na dzherela dlya polipshennya jogo perevirnosti Bud laska dopomozhit udoskonaliti cej rozdil dodavshi posilannya na nadijni avtoritetni dzherela Zvernitsya na storinku obgovorennya za poyasnennyami ta dopomozhit vipraviti nedoliki Material bez dzherel mozhe buti piddano sumnivu ta vilucheno serpen 2015 Vidsheplennya potribne dlya vivilnennya ubikvitinu pislya gidrolizu bilka dlya vipravlennya pomilkovogo ubikvitinuvannya krim togo ubikvitin sintezuyetsya u formi neaktivnogo polipoperednika jogo she treba narizati na funkcionalni molekuli Bilki sho zdijsnyuyut vidsheplennya ubikvitinu vidnosyatsya do tiolovih proteyinaz Voni podilyayutsya na dva klasi S kincevi ubikvitinovi gidrolazi UCH zdijsnyuyut kotranslyacijnij procesing poliubikvitinovogo poperednika a takozh vidsheplennya ubikvitinu iz kompleksiv iz nevelikimi molekulyarnimi masami aminami i tiolami Ubikvitin specifichni proteazi UBP abo izopeptidazi vidsheplyuyut ubikvitin vid klitinnih bilkiv U klitini ye bagato vidiv cih fermentiv Osoblivosti ubikvitin zalezhnogo proteolizu bilkivCej rozdil potrebuye dodatkovih posilan na dzherela dlya polipshennya jogo perevirnosti Bud laska dopomozhit udoskonaliti cej rozdil dodavshi posilannya na nadijni avtoritetni dzherela Zvernitsya na storinku obgovorennya za poyasnennyami ta dopomozhit vipraviti nedoliki Material bez dzherel mozhe buti piddano sumnivu ta vilucheno serpen 2015 Ubikvitin zalezhnij proteoliz ye lishe v eukariot hocha proteasomi ye i prokariot i u arhej ale v nih kepyucha subodinicya vidrazu vpiznaye substrat takim chinom chislo substrativ ye silno obmezhenim Pri ubikvitinuvanni chislo substrativ znachno bilshe vnaslidok nayavnosti velikoyi kilkosti fermentiv i mozhlivosti yih kombinuvannya Drugoyu perevagoyu ubikvitinuvannya ye te sho vono oborotnye Dlya napryamlennya bilka u proteasomu nedostatno odnogo zalishku ubikvitinu poki sintezuyetsya poliubikvitinovij lancyug klitina maye chas podumati Takim chinom zabezpechuyetsya gnuchkist sistemi proteolizu Primitki Arhiv originalu za 15 serpnya 2015 Procitovano 15 serpnya 2015 Arhiv originalu za 15 serpnya 2015 Procitovano 15 serpnya 2015 Arhiv originalu za 4 bereznya 2016 Procitovano 15 serpnya 2015 Wang X Herr RA Chua WJ Lybarger L Wiertz EJ Hansen TH May 2007 Ubiquitination of serine threonine or lysine residues on the cytoplasmic tail can induce ERAD of MHC I by viral E3 ligase mK3 J Cell Biol 177 4 613 24 doi 10 1083 jcb 200611063 PMC 2064207 PMID 17502423 Cadwell K Coscoy L July 2005 Ubiquitination on nonlysine residues by a viral E3 ubiquitin ligase Science 309 5731 127 30 doi 10 1126 science 1110340 PMID 15994556 Ce nezavershena stattya z molekulyarnoyi biologiyi Vi mozhete dopomogti proyektu vipravivshi abo dopisavshi yiyi