stringtranslate.com

Убиквитинлигаза

Убиквитинлигаза (также называемая убиквитинлигазой E3 ) — это белок , который рекрутирует фермент конъюгации убиквитина E2 , загруженный убиквитином , распознает белковый субстрат и помогает или напрямую катализирует перенос убиквитина из E2 в белковый субстрат. Проще говоря, лигаза обеспечивает перемещение убиквитина из носителя убиквитина в другой белок (субстрат) с помощью некоторого механизма. Убиквитин , достигнув места назначения, в конечном итоге прикрепляется изопептидной связью к остатку лизина , который является частью целевого белка. [2] Лигазы E3 взаимодействуют как с целевым белком, так и с ферментом E2, и таким образом придают субстратную специфичность E2. Обычно E3 полиубиквитинируют свой субстрат с помощью Lys48-связанных цепей убиквитина, направляя субстрат на разрушение протеасомой . Однако возможны и многие другие типы связей, которые изменяют активность, взаимодействия или локализацию белка. Убиквитинирование лигазами E3 регулирует различные области, такие как клеточный трафик, репарация ДНК и сигнализация, и имеет огромное значение в клеточной биологии. Лигазы E3 также играют ключевую роль в контроле клеточного цикла, опосредуя деградацию циклинов , а также белков- ингибиторов циклин-зависимых киназ . [3] Геном человека кодирует более 600 предполагаемых лигаз E3, что обеспечивает огромное разнообразие субстратов. [4]

Система убиквитинирования

Принципиальная схема системы убиквитинирования.

Убиквитинлигаза называется E3 и работает совместно с ферментом E1, активирующим убиквитин, и ферментом E2, конъюгирующим убиквитин . Существует один основной фермент E1, общий для всех убиквитинлигаз, который использует АТФ для активации убиквитина для конъюгации и переносит его на фермент E2. Фермент E2 взаимодействует с определенным партнером E3 и переносит убиквитин на целевой белок . E3, который может быть многобелковым комплексом , в целом отвечает за нацеливание убиквитинирования на определенные субстратные белки. [ необходима цитата ]

Реакция убиквитилирования протекает в три или четыре этапа в зависимости от механизма действия убиквитинлигазы E3. На консервативном первом этапе остаток цистеина E1 атакует активированный АТФ С-концевой глицин на убиквитине, в результате чего образуется тиоэфирный комплекс Ub-S-E1. Энергия от гидролиза АТФ и дифосфата стимулирует образование этого реактивного тиоэфира, а последующие этапы являются термонейтральными. Затем происходит реакция транстиолирования, в которой остаток цистеина E2 атакует и заменяет E1. Лигазы E3 с доменом HECT будут иметь еще одну реакцию транстиолирования для переноса молекулы убиквитина на E3, тогда как гораздо более распространенные лигазы с доменом RING finger переносят убиквитин напрямую с E2 на субстрат. [5] Последним шагом в первом событии убиквитилирования является атака аминогруппы лизина целевого белка, которая удаляет цистеин и образует стабильную изопептидную связь. [6] Одним из заметных исключений является белок p21 , который, по-видимому, убиквитилируется с использованием своего N-концевого амина, таким образом образуя пептидную связь с убиквитином. [7]

Семейства убиквитинлигаз

У людей имеется приблизительно 500-1000 лигаз E3, которые придают субстратную специфичность E1 и E2. [8] Лигазы E3 подразделяются на четыре семейства: HECT, RING-finger, U-box и PHD-finger. [8] Лигазы RING-finger E3 являются крупнейшим семейством и содержат лигазы, такие как комплекс, способствующий анафазе (APC), и комплекс SCF ( комплекс белков Skp1 - Cullin - F-box). Комплексы SCF состоят из четырех белков: Rbx1, Cul1, Skp1, которые являются инвариантными среди комплексов SCF, и белка F-box, который варьируется. Было идентифицировано около 70 белков F-box человека. [9] Белки F-box содержат F-box, который связывает остальную часть комплекса SCF, и домен связывания субстрата, который придает E3 его субстратную специфичность. [8]

Моно- и полиубиквитилирование

Убиквитин с остатками лизина (красный), N-концевой метионин (синий) и C-концевой глицин (желтый). [10]

Сигнализация убиквитина зависит от разнообразия меток убиквитина для специфичности его сообщения. Белок может быть помечен одной молекулой убиквитина (моноубиквитилирование) или множеством различных цепей молекул убиквитина (полиубиквитилирование). [11] Убиквитинлигазы E3 катализируют события полиубиквитинирования во многом таким же образом, как и механизм одиночного убиквитилирования, используя вместо этого остаток лизина из молекулы убиквитина, в настоящее время присоединенной к субстратному белку, для атаки на С-конец новой молекулы убиквитина. [6] [11] Например, обычная метка 4-убиквитина, связанная через лизин в положении 48 (K48), привлекает помеченный белок в протеасому и последующую деградацию. [11] Однако все семь остатков убиквитин-лизина (K6, K11, K27, K29, K33, K48 и K63), а также N-концевой метионин используются в цепях in vivo. [11]

Моноубиквитинирование связано с путями эндоцитоза мембранных белков . Например, фосфорилирование тирозина в позиции 1045 в рецепторе эпидермального фактора роста (EGFR) может рекрутировать лигазу E3 типа RING c-Cbl через домен SH2 . Моноубиквитинирование C-Cbl вызывает EGFR, сигнализируя о его интернализации и транспортировке в лизосому. [12]

Моноубиквитинирование также может регулировать локализацию цитозольного белка. Например, E3-лигаза MDM2 убиквитилирует p53 либо для деградации (полиубиквитиновая цепь K48), либо для ядерного экспорта (моноубиквитилирование). Эти события происходят в зависимости от концентрации, что предполагает, что модуляция концентрации E3-лигазы является клеточной регуляторной стратегией для контроля гомеостаза и локализации белка. [13]

Распознавание субстрата

Убиквитинлигазы являются конечным и потенциально наиболее важным фактором, определяющим специфичность субстрата при убиквитинировании белков . [14] Лигазы должны одновременно отличать свой белковый субстрат от тысяч других белков в клетке и от других (убиквитин-неактивных) форм того же белка . Это может быть достигнуто различными механизмами, большинство из которых включают распознавание дегронов : специфических коротких аминокислотных последовательностей или химических мотивов на субстрате. [15]

N-дегроны

Протеолитическое расщепление может привести к обнажению остатков на N-конце белка. Согласно правилу N-конца , различные N-концевые аминокислоты (или N-дегроны) распознаются в разной степени соответствующей им убиквитинлигазой (N-рекогнином), влияя на период полураспада белка. [16] Например, положительно заряженные ( Arg , Lys , His ) и объемные гидрофобные аминокислоты ( Phe , Trp , Tyr , Leu , Ile ) распознаются преимущественно и, таким образом, считаются дестабилизирующими дегроны , поскольку они позволяют быстрее деградировать их белки. [17]

Фосфодегроны

Фосфорилированный дегрон (зеленый) стабилизируется водородными связями (желтый) между атомами кислорода его фосфата (красный) и боковыми цепями убиквитинлигазы SCF FBW7 (синий). Соответствующая часть убиквитинлигазы показана серым цветом. Запись PDB 2ovr [18]

Дегрон может быть преобразован в свою активную форму посредством посттрансляционной модификации [19], такой как фосфорилирование остатка тирозина , серина или треонина . [20] В этом случае убиквитинлигаза распознает исключительно фосфорилированную версию субстрата из-за стабилизации в месте связывания . Например, FBW7 , единица распознавания субстрата F-box убиквитинлигазы SCF FBW7 , стабилизирует фосфорилированный субстрат путем связывания водорода с его остатками аргинина с фосфатом, как показано на рисунке справа. В отсутствие фосфата остатки FBW7 отталкивают субстрат. [18]

Дегроны, зависимые от кислорода и малых молекул

Присутствие кислорода или других малых молекул может влиять на распознавание дегрона. [18] Например, белок фон Гиппеля-Линдау (VHL) (часть распознавания субстрата специфической лигазы E3) распознает фактор альфа , индуцируемый гипоксией (HIF-α), только в нормальных кислородных условиях, когда его пролин гидроксилирован . С другой стороны, при гипоксии HIF-a не гидроксилируется, избегает убиквитинирования и , таким образом, действует в клетке в более высоких концентрациях, что может инициировать транскрипционный ответ на гипоксию. [21] Другим примером контроля деградации белка малыми молекулами является фитогормон ауксин в растениях. [22] Ауксин связывается с TIR1 (домен распознавания субстрата убиквитинлигазы SCF TIR1 ), увеличивая сродство TIR1 к его субстратам (транскрипционным репрессорам : Aux/IAA) и способствуя их деградации.

Неправильно сложенные и сахарные дегроны

Помимо распознавания аминокислот, убиквитинлигазы также могут обнаруживать необычные особенности на субстратах, которые служат сигналами для их разрушения. [14] Например, San1 (антагонист Sir 1), ядерный белок контроля качества в дрожжах , имеет неупорядоченный домен связывания субстрата , что позволяет ему связываться с гидрофобными доменами неправильно свернутых белков . [14] С другой стороны, неправильно свернутых или избыточно не собранных гликопротеинов пути ERAD распознаются Fbs1 и Fbs2, белками F-box млекопитающих E3-лигаз SCF Fbs1 и SCF Fbs2 . [23] Эти домены распознавания имеют небольшие гидрофобные карманы, позволяющие им связывать гликаны с высоким содержанием маннозы .

Структурные мотивы

В дополнение к линейным дегронам , лигаза E3 в некоторых случаях может также распознавать структурные мотивы на субстрате. [14] В этом случае 3D-мотив может позволить субстрату напрямую связать свою биохимическую функцию с убиквитинированием . Эту связь можно продемонстрировать с белком TRF1 (регулятором длины человеческой теломеры ), который распознается соответствующей ему лигазой E3 ( FBXO4 ) посредством межмолекулярного взаимодействия бета-слоя . TRF1 не может быть убиквитинирован, пока он связан с теломерой, вероятно, потому, что тот же домен TRF1, который связывается с его лигазой E3, также связывается с теломерами. [14]

Актуальность заболевания

Убиквитинлигазы E3 регулируют гомеостаз, клеточный цикл и пути репарации ДНК, и в результате этого ряд этих белков участвует в различных видах рака, включая известные MDM2, BRCA1 и супрессор опухолей фон Гиппеля-Линдау . [24] Например, мутация MDM2 была обнаружена при раке желудка , [25] почечно-клеточной карциноме , [26] и раке печени [27] (среди прочих), что приводит к нарушению регуляции концентраций MDM2 за счет увеличения сродства его промотора к фактору транскрипции Sp1 , что приводит к повышению транскрипции мРНК MDM2. [25] Для идентификации пар E3 убиквитинлигаза-субстрат доступно несколько экспериментальных методов, основанных на протеомике, [28], таких как идентификация биотина, зависящая от близости (BioID), захват убиквитинлигазы-субстрата и тандемные убиквитин-связывающие объекты (TUBE).

Примеры

Отдельные убиквитинлигазы E3

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Dou H, Buetow L, Hock A, Sibbet GJ, Vousden KH, Huang DT (январь 2012 г.). «Структурная основа аутоингибирования и фосфорилирования-зависимой активации c-Cbl». Nature Structural & Molecular Biology . 19 (2): 184–92. doi :10.1038/nsmb.2231. PMC  3880865 . PMID  22266821.
  2. ^ Hershko A, Ciechanover A (1998). «Система убиквитина». Annual Review of Biochemistry . 67 : 425–79. doi :10.1146/annurev.biochem.67.1.425. PMID  9759494.
  3. ^ Teixeira LK, Reed SI (2013). «Убиквитинлигазы и контроль клеточного цикла». Annual Review of Biochemistry . 82 : 387–414. doi :10.1146/annurev-biochem-060410-105307. PMID  23495935.
  4. ^ Li W, Bengtson MH, Ulbrich A, Matsuda A, Reddy VA, Orth A, Chanda SK, Batalov S, Joazeiro CA (январь 2008 г.). «Геномная и функциональная аннотация человеческих E3 убиквитинлигаз идентифицирует MULAN, митохондриальный E3, который регулирует динамику и сигнализацию органелл». PLOS ONE . ​​3 (1): e1487. Bibcode :2008PLoSO...3.1487L. doi : 10.1371/journal.pone.0001487 . PMC 2198940 . PMID  18213395. 
  5. ^ Metzger MB, Hristova VA, Weissman AM (февраль 2012 г.). «Семейства HECT и RING finger лигаз E3 убиквитина вкратце». Journal of Cell Science . 125 (Pt 3): 531–7. doi :10.1242/jcs.091777. PMC 3381717 . PMID  22389392. 
  6. ^ ab Уолш, Кристофер (2006). Посттрансляционная модификация белков: расширение природного инвентаря . Энглвуд, Колорадо: Робертс. ISBN 978-0-9747077-3-0.[ нужна страница ]
  7. ^ Bloom J, Amador V, Bartolini F, DeMartino G, Pagano M (октябрь 2003 г.). «Протеасомно-опосредованная деградация p21 через N-концевое убиквитинирование». Cell . 115 (1): 71–82. doi : 10.1016/S0092-8674(03)00755-4 . PMID  14532004.
  8. ^ abc Nakayama KI, Nakayama K (май 2006). «Убиквитинлигазы: контроль клеточного цикла и рак». Nature Reviews. Рак . 6 (5): 369–81. doi :10.1038/nrc1881. PMID  16633365. S2CID  19594293.
  9. ^ Jin J, Cardozo T, Lovering RC, Elledge SJ, Pagano M, Harper JW (ноябрь 2004 г.). «Систематический анализ и номенклатура белков F-box млекопитающих». Genes & Development . 18 (21): 2573–80. doi :10.1101/gad.1255304. PMC 525538. PMID  15520277 . 
  10. ^ Виджай-Кумар С., Багг CE, Кук В.Дж. (апрель 1987 г.). «Структура убиквитина, уточненная при разрешении 1,8 А». Журнал молекулярной биологии . 194 (3): 531–44. doi :10.1016/0022-2836(87)90679-6. PMID  3041007.
  11. ^ abcd Behrends C, Harper JW (май 2011). «Построение и декодирование нетрадиционных цепей убиквитина». Nature Structural & Molecular Biology . 18 (5): 520–8. doi :10.1038/nsmb.2066. PMID  21540891. S2CID  19237120.
  12. ^ Bonifacino JS, Traub LM (2003). «Сигналы для сортировки трансмембранных белков в эндосомы и лизосомы». Annual Review of Biochemistry . 72 : 395–447. doi :10.1146/annurev.biochem.72.121801.161800. PMID  12651740.
  13. ^ Ли М, Брукс CL, Ву-Баер Ф, Чен Д, Баер Р, Гу В (декабрь 2003 г.). «Моно- и полиубиквитинирование: дифференциальный контроль судьбы p53 с помощью Mdm2». Наука . 302 (5652): 1972–5. Бибкод : 2003Sci...302.1972L. дои : 10.1126/science.1091362. PMID  14671306. S2CID  43124248.
  14. ^ abcde Zheng N, Shabek N (июнь 2017 г.). «Убиквитинлигазы: структура, функция и регуляция». Annual Review of Biochemistry . 86 (1): 129–157. doi :10.1146/annurev-biochem-060815-014922. PMID  28375744.
  15. ^ Ravid T, Hochstrasser M (сентябрь 2008 г.). «Разнообразие сигналов деградации в системе убиквитин-протеасома». Nature Reviews Molecular Cell Biology . 9 (9): 679–90. doi :10.1038/nrm2468. PMC 2606094. PMID  18698327 . 
  16. ^ Sriram SM, Kim BY, Kwon YT (октябрь 2011 г.). «Путь правила N-конца: возникающие функции и молекулярные принципы распознавания субстрата». Nature Reviews Molecular Cell Biology . 12 (11): 735–47. doi :10.1038/nrm3217. PMID  22016057. S2CID  10555455.
  17. ^ Tasaki T, Sriram SM, Park KS, Kwon YT (2012). «Путь правила N-конца». Annual Review of Biochemistry . 81 : 261–89. doi :10.1146/annurev-biochem-051710-093308. PMC 3610525. PMID 22524314  . 
  18. ^ abc Lucas X, Ciulli A (июнь 2017 г.). «Распознавание субстратных дегронов лигазами убиквитина E3 и модуляция стратегиями мимикрии малых молекул» (PDF) . Current Opinion in Structural Biology . 44 : 101–110. doi : 10.1016/j.sbi.2016.12.015. PMID  28130986.
  19. ^ Herhaus L, Dikic I (сентябрь 2015 г.). «Расширение кода убиквитина посредством посттрансляционной модификации». EMBO Reports . 16 (9): 1071–83. doi :10.15252/embr.201540891. PMC 4576978. PMID  26268526 . 
  20. ^ Reinhardt HC, Yaffe MB (сентябрь 2013 г.). «Домены связывания фосфо-сера/треона: навигация по клеточному циклу и ответ на повреждение ДНК». Nature Reviews Molecular Cell Biology . 14 (9): 563–80. doi :10.1038/nrm3640. PMID  23969844. S2CID  149598.
  21. ^ Jaakkola P, Mole DR, Tian YM, Wilson MI, Gielbert J, Gaskell SJ, von Kriegsheim A, Hebestreit HF, Mukherji M, Schofield CJ, Maxwell PH, Pugh CW, Ratcliffe PJ (апрель 2001 г.). «Нацеливание HIF-альфа на комплекс убиквитилирования фон Хиппеля-Линдау с помощью регулируемого O2 пролилгидроксилирования». Science . 292 (5516): 468–72. Bibcode :2001Sci...292..468J. doi : 10.1126/science.1059796 . PMID  11292861. S2CID  20914281.
  22. ^ Шабек Н, Чжэн Н (апрель 2014 г.). «Растительные убиквитинлигазы как сигнальные концентраторы». Nature Structural & Molecular Biology . 21 (4): 293–6. doi :10.1038/nsmb.2804. PMID  24699076. S2CID  41227590.
  23. ^ Yoshida Y, Mizushima T, Tanaka K (2019-02-19 ) . "Узнающие сахар убиквитинлигазы: механизмы действия и физиология". Frontiers in Physiology . 10 : 104. doi : 10.3389/fphys.2019.00104 . PMC 6389600. PMID  30837888. 
  24. ^ Липковиц С., Вайсман А. М. (август 2011 г.). «Кольца добра и зла: убиквитинлигазы RING finger на перекрестке подавления опухолей и онкогенеза». Nature Reviews. Рак . 11 (9): 629–43. doi :10.1038/nrc3120. PMC 3542975. PMID  21863050 . 
  25. ^ ab Hou YC, Deng JY (январь 2015 г.). «Роль убиквитинлигаз E3 в раке желудка». World Journal of Gastroenterology . 21 (3): 786–93. doi : 10.3748/wjg.v21.i3.786 . PMC 4299330. PMID  25624711 . 
  26. ^ de Martino M, Taus C, Wessely IS, Lucca I, Hofbauer SL, Haitel A, Shariat SF, Klatte T (февраль 2015 г.). «Полиморфизм гена мышиной двойной минуты 2 T309G является независимым прогностическим фактором для пациентов с почечноклеточной карциномой». DNA and Cell Biology . 34 (2): 107–12. doi :10.1089/dna.2014.2653. PMID  25415135.
  27. ^ Tang T, Song X, Yang Z, Huang L, Wang W, Tan H (ноябрь 2014 г.). «Связь между мышиным двойным минутным 2-м полиморфизмом T309G и риском рака печени». Tumour Biology . 35 (11): 11353–7. doi :10.1007/s13277-014-2432-9. PMID  25119589. S2CID  16385927.
  28. ^ Rayner SL, Morsch M, Molloy MP, Shi B, Chung R, Lee A (июль 2019 г.). «Использование протеомики для идентификации пар убиквитинлигаза-субстрат: как новые методы могут раскрыть терапевтические мишени для нейродегенеративных заболеваний». Cellular and Molecular Life Sciences . 76 (13): 2499–2510. doi :10.1007/s00018-019-03082-9. PMC 11105231 . PMID  30919022. S2CID  85527795. 
  29. ^ Ardley HC, Robinson PA (2005). "E3 убиквитинлигазы". Очерки по биохимии . 41 : 15–30. doi :10.1042/EB0410015. PMID  16250895.
  30. ^ Bai C, Sen P, Hofmann K, Ma L, Goebl M, Harper JW, Elledge SJ (июль 1996 г.). «SKP1 соединяет регуляторы клеточного цикла с механизмом протеолиза убиквитина через новый мотив, F-box». Cell . 86 (2): 263–74. doi : 10.1016/S0092-8674(00)80098-7 . PMID  8706131.

Внешние ссылки