ДЕГРАДАЦИЯ БЕЛКОВ PROTEIN DEGRADATION
Ubiquitin More Than Just a Signal for Protein Degradation Cezary Wojcik Trends in Cell Biology, 2001 · Issue 108
The ubiquitin-proteasome pathway (UPP) деградации белка отвечает за деградацию большинства клеточных белков. В клетках млекопитающих 30% общего белкового пула деградирует в течение 10 мин после их синтеза. Ubiquitin, небольшой полипептид в 76 аминокислот, м. ковалентно связываться с другими белками, образуя полиубиквитиновые цепи за счет использования E1-E2-E3 каскада ферментов (рис. 1). Рис Убиквитин-протеосомный путь (ubiquitin-proteasome pathway (UPP)). E3 ферменты(ubiquitin ligases) распознают субстрат и обеспечивают перенос убиквитина от Е2 убиквитин-conjugating фермента. Последний получает убиквитин в результате переноса от E1 ubiquitin-activating фермента. Субстратные белки м.б. моноубиквитинированы (эта модификация обеспечивает лишь не-протеолитические функции) или полиубиквитинированы. В последнем случае большинство, но не все становятся обречены на деградацию. Если moieties убиквитина связывается через Lys48, то субстрат деградируется с помощью 26S протеосом, если же субстрат связан с убиквитином через другие остатки лизина, то обеспечиваются иные, не-протеолитические функции. Моно- и полиубиквитинированые белки м.б. де-убиквитинированы действием многочисленных deubiquitinating enzymes (DUBs). Протеосомы 26S высвобождают свободный убиквитин и деградируют субстрат на короткие пептиды (иногда лишь часть субстрата). The 26S multicatalytic protease комплекс состоит из сердцевины 20S proteasome и PA700 активатора (19S cap). 20S протеосомы м. также ассоциировать с PA28 (REG) активаторами, но этот комплекс не может деградировать убиквитинированные белки и его функция неизвестна.	Polyubiquitin Lys48-связанные цепи обычно присоединены к внутренним лизинам субстрата, что обеспечивает деградацию его протеосомами 26S. Однако некоторые белки, такие как MyoD, EBV-LMP1 и HPV-E7, убиквитинируются на N-терминальных остатках, обычно в первых 10-15 N-терминальных остатках. Мутации потери функции Rpn10p (S5a) - единственной известной polyubiquitin-связывающей субъединицей протеосом дрожжей - не летальны. Субъединица протеосом, которая связывается с polyubiquitin цепями является одной из AAA ATPases скорее, чем Rpn10p. Предполагается, что специфичность UPP обеспечивается активностью многочисленных лигаз ubiquitin (E3s), которые распознают специфический субстрат и обеспечивают его ubiquitination. Специфичность SCF мультимерного типа E3 обеспечивается его компонентом - F-box protein - который действует как адаптор между субстратом и комплексом лигаз связанных с E2. F-box белок, названный atrogin-1 , экспрессируется специфически в поперечно-полосатых мышцах и существенно увеличивается там при атрофии. Atrogin-1 возможно является компонентом SCF, участвующим в деградации миофибриллярных белков при патологических процессах, таких как диабет, новообразования, недостаточность почек, голодание. 6AP является другим типом E3. В HPV-16- and HPV18-инфицированных клетках вирусный белок E6 связывается E6AP и поставляет tumor-suppressor p53 для деградации. Получены доказательства существования и других мишеней для E6-зависимой ubiquitination и деградации, продукты генов Scribble человека и Discs large Drosophila. Они кодируют белки клеточной полярности и м. обюъяснить p53-независимые эффекты E6 на карциногенез. Гомолог NF- B дрожжей Spt23p влияет на транскрипцию Ole1 fatty acid desaturase, an ER-resident фермента, который регулирует fluidity мембран. Spt23p активируется UPP-зависимыми протеолитическими событиями. Ограниченный протеолиз высвобождает свободный Spt23p из мембран эндоплазматического ретикулема и обеспечивает его поступление в ядро, где он индуцирует специфическую транскрипцию, напоминающую процессинг p105 NF- B предшественника у млекопитающих. Идентифицированы новые ubiquitin-связывающие белки, которые могут рекрутировать clathrin-based endocytic machinery у дрожжей. Сходная mono-ubiquitination белков мембран регули рует сортировку белков на уровне эндосом и multivesicular телец. Mono-ubiquitination белка Fanconi anemia, FANCD2, в ответ на повреждение ДНК позволяет направить ее к ядерным фокусам, где она взаимодействует с белком BRCA1. Цепи Ubiquitin м.б. связаны не только через Lys48, но и другие остатки Lys, такие как Lys63. Идентифицированы два фактора, которые обеспечивают активацию IKK с помощью TRAF6 в NF-B сигнальном пути. Эти факторы, TRIKA1 (TRAF6-regulated IKK activator 1) и TRIKA2, соответствуют паре ubiquitin-conjugating энзимных комплесов, представленных Ubc13 и Uev1A (or Mms2), и протеин киназным комплексом, представленным TAK1, TAB1, и TAB2. Показано, что Ubc13/Uev1A и TRAF6 обеспечивают синтез Lys63-связанных polyubiquitin цепей, что ведет к активации TAK1. TAK1 затем фосфорилирует и активирует IKK, который в свою очередь фосфорилирует I-B, и тем самым направляет этот ингибитор NF-B на деградацию с помощью UPP. Каскад ubiquitination не является уникальным и другие ubiquitin-like proteins (ULPs) конъюгируют с избранными белками посредством E1-E2-E3 каскада ферментов. Cullins, компоненты SCF комплексов модифицируются ковалентным присоеди нением Nedd8. Комплекс COP9/signalosome способствует "deneddylation" куллина и тем модифицирует активность SCF. Комплекс COP9/signalosome растений обнаруживает существенную гомологию с lid subcomplex PA700 активатора протеосом. Neddylation cullin1 способствует рекрутации активного Е2 в SCF комплекс. Другим ULP является sentrin или SUMO ("small ubiquitin-like modifier"). Он соединяется с ограниченным числом клеточных субстратов (среди них PML, p53, и RanGAP1), регулируя их активность и/или локализацию в клетках. Охарактеризовано семейство из 8 sentrin-specific протеаз (de-SUMO-ylating enzymes) с законсервированным каталитическим доменом и вариабельными N- и C-терминальными сегментами. Эти протеазы локализованы в разных компартментах ядра и м. иметь разные регуляторные роли для sentrin/SUMO-modified белков. Apg12p, первый хорошо описанный ULP, конъюгирует с Apg5 между C-терминальным Gly и внутренним Lys остатком Apg5p. Apg8p, еще один ULP, синтезируется как проформа и процессируется Apg4p в C-терминально Gly-exposed форму, затем активируется общим E1 ферментом (Apg7p) и переносится на Apg3p через thiolester связь. Apg8 наконец конъюгирует с phosphatidylethanolamine через amido связь. Это указывает на то, что молекулами мишенями для ULPs являются не только белки. Deconjugation этой lipidation необходима для нормального прогресса аутофагии. Обе ULP системы существенны для формирования аутофагосомных мембран. Knockin' on Heaven's Door Полученны доказательства того, что у растений множественные формы 26S протеосом, обладающие альтернативным субъединичным составом, вовлекаются в разные функции. Транскрипционная upregulation субъединиц протеосом, обеспечиваемая белком Rpn4 уже была описана у дрожжей. Было показано, что даже когда ассоциированная с протеосомами UCH37 isopeptidase неактивна, то имеется вторичная cryptic deubiquitinating активность внутри протеосом, которая расщепляет proximally (i.e. at the substrate-ubiquitin bond) - иначе чем UCH37, которая расщепляет ubiquitin дистально с конца убиквитиновой цепи, начиная с терминального остатка. Деградация расправленных (unfolded) полипептидов протеосомами 26S осуществляется более эффективно с С-конца , тогдща как деградация с N-конца более медленна и менее глубока. Ворота в 20S протеосомы эукариот закрываются N-терминальными расширениями некоторых субъединиц а-типа. Активаторы протеосом, такие как PA700 и PA28 (REG) обеспечивают доступ субстрата к каталитическому сайту во внутренней камере протеосом 20S. Показано, что C-терминальные хвосты и активационные петли проникают в карман на поверхности протеосомы 20S и индуцируют конформационные изменения , которые ведут к открытию протеосомных ворот. Субкласс активатора PA28 (REG или Ki antigen)не только открывает канал протеосом 20S, но и влияет на удаленные каталитические сайты, индуцируя подавление chymotrypsin-like и post-acidic активностей, тогда как trypsin-подобная активность усиливается. Это м. иметь отношение к болезням polyglutamine tract, которые связаны с образованием внутриклеточных включений, которые рекрутируют протеосомы, индуцируя UPP-опосредованную деградацию белков.

Polyubiquitin Lys48-связанные цепи обычно присоединены к внутренним лизинам субстрата, что обеспечивает деградацию его протеосомами 26S. Однако некоторые белки, такие как MyoD, EBV-LMP1 и HPV-E7, убиквитинируются на N-терминальных остатках, обычно в первых 10-15 N-терминальных остатках. Мутации потери функции Rpn10p (S5a) - единственной известной polyubiquitin-связывающей субъединицей протеосом дрожжей - не летальны. Субъединица протеосом, которая связывается с polyubiquitin цепями является одной из AAA ATPases скорее, чем Rpn10p.

Предполагается, что специфичность UPP обеспечивается активностью многочисленных лигаз ubiquitin (E3s), которые распознают специфический субстрат и обеспечивают его ubiquitination. Специфичность SCF мультимерного типа E3 обеспечивается его компонентом - F-box protein - который действует как адаптор между субстратом и комплексом лигаз связанных с E2. F-box белок, названный atrogin-1 , экспрессируется специфически в поперечно-полосатых мышцах и существенно увеличивается там при атрофии. Atrogin-1 возможно является компонентом SCF, участвующим в деградации миофибриллярных белков при патологических процессах, таких как диабет, новообразования, недостаточность почек, голодание.

6AP является другим типом E3. В HPV-16- and HPV18-инфицированных клетках вирусный белок E6 связывается E6AP и поставляет tumor-suppressor p53 для деградации. Получены доказательства существования и других мишеней для E6-зависимой ubiquitination и деградации, продукты генов Scribble человека и Discs large Drosophila. Они кодируют белки клеточной полярности и м. обюъяснить p53-независимые эффекты E6 на карциногенез. Гомолог NF- B дрожжей Spt23p влияет на транскрипцию Ole1 fatty acid desaturase, an ER-resident фермента, который регулирует fluidity мембран. Spt23p активируется UPP-зависимыми протеолитическими событиями. Ограниченный протеолиз высвобождает свободный Spt23p из мембран эндоплазматического ретикулема и обеспечивает его поступление в ядро, где он индуцирует специфическую транскрипцию, напоминающую процессинг p105 NF- B предшественника у млекопитающих.

Идентифицированы новые ubiquitin-связывающие белки, которые могут рекрутировать clathrin-based endocytic machinery у дрожжей. Сходная mono-ubiquitination белков мембран регули рует сортировку белков на уровне эндосом и multivesicular телец. Mono-ubiquitination белка Fanconi anemia, FANCD2, в ответ на повреждение ДНК позволяет направить ее к ядерным фокусам, где она взаимодействует с белком BRCA1.

Цепи Ubiquitin м.б. связаны не только через Lys48, но и другие остатки Lys, такие как Lys63. Идентифицированы два фактора, которые обеспечивают активацию IKK с помощью TRAF6 в NF-B сигнальном пути. Эти факторы, TRIKA1 (TRAF6-regulated IKK activator 1) и TRIKA2, соответствуют паре ubiquitin-conjugating энзимных комплесов, представленных Ubc13 и Uev1A (or Mms2), и протеин киназным комплексом, представленным TAK1, TAB1, и TAB2. Показано, что Ubc13/Uev1A и TRAF6 обеспечивают синтез Lys63-связанных polyubiquitin цепей, что ведет к активации TAK1. TAK1 затем фосфорилирует и активирует IKK, который в свою очередь фосфорилирует I-B, и тем самым направляет этот ингибитор NF-B на деградацию с помощью UPP.

Каскад ubiquitination не является уникальным и другие ubiquitin-like proteins (ULPs) конъюгируют с избранными белками посредством E1-E2-E3 каскада ферментов. Cullins, компоненты SCF комплексов модифицируются ковалентным присоеди нением Nedd8. Комплекс COP9/signalosome способствует "deneddylation" куллина и тем модифицирует активность SCF. Комплекс COP9/signalosome растений обнаруживает существенную гомологию с lid subcomplex PA700 активатора протеосом. Neddylation cullin1 способствует рекрутации активного Е2 в SCF комплекс.

Другим ULP является sentrin или SUMO ("small ubiquitin-like modifier"). Он соединяется с ограниченным числом клеточных субстратов (среди них PML, p53, и RanGAP1), регулируя их активность и/или локализацию в клетках. Охарактеризовано семейство из 8 sentrin-specific протеаз (de-SUMO-ylating enzymes) с законсервированным каталитическим доменом и вариабельными N- и C-терминальными сегментами. Эти протеазы локализованы в разных компартментах ядра и м. иметь разные регуляторные роли для sentrin/SUMO-modified белков.

Apg12p, первый хорошо описанный ULP, конъюгирует с Apg5 между C-терминальным Gly и внутренним Lys остатком Apg5p. Apg8p, еще один ULP, синтезируется как проформа и процессируется Apg4p в C-терминально Gly-exposed форму, затем активируется общим E1 ферментом (Apg7p) и переносится на Apg3p через thiolester связь. Apg8 наконец конъюгирует с phosphatidylethanolamine через amido связь. Это указывает на то, что молекулами мишенями для ULPs являются не только белки. Deconjugation этой lipidation необходима для нормального прогресса аутофагии. Обе ULP системы существенны для формирования аутофагосомных мембран.

Knockin' on Heaven's Door

Полученны доказательства того, что у растений множественные формы 26S протеосом, обладающие альтернативным субъединичным составом, вовлекаются в разные функции. Транскрипционная upregulation субъединиц протеосом, обеспечиваемая белком Rpn4 уже была описана у дрожжей. Было показано, что даже когда ассоциированная с протеосомами UCH37 isopeptidase неактивна, то имеется вторичная cryptic deubiquitinating активность внутри протеосом, которая расщепляет proximally (i.e. at the substrate-ubiquitin bond) - иначе чем UCH37, которая расщепляет ubiquitin дистально с конца убиквитиновой цепи, начиная с терминального остатка. Деградация расправленных (unfolded) полипептидов протеосомами 26S осуществляется более эффективно с С-конца , тогдща как деградация с N-конца более медленна и менее глубока. Ворота в 20S протеосомы эукариот закрываются N-терминальными расширениями некоторых субъединиц а-типа. Активаторы протеосом, такие как PA700 и PA28 (REG) обеспечивают доступ субстрата к каталитическому сайту во внутренней камере протеосом 20S. Показано, что C-терминальные хвосты и активационные петли проникают в карман на поверхности протеосомы 20S и индуцируют конформационные изменения , которые ведут к открытию протеосомных ворот. Субкласс активатора PA28 (REG или Ki antigen)не только открывает канал протеосом 20S, но и влияет на удаленные каталитические сайты, индуцируя подавление chymotrypsin-like и post-acidic активностей, тогда как trypsin-подобная активность усиливается. Это м. иметь отношение к болезням polyglutamine tract, которые связаны с образованием внутриклеточных включений, которые рекрутируют протеосомы, индуцируя UPP-опосредованную деградацию белков.

Ubiquitin More Than Just a Signal for Protein Degradation Cezary Wojcik Trends in Cell Biology, 2001 · Issue 108

Knockin' on Heaven's Door

Ubiquitin More Than Just a Signal for Protein Degradation
Cezary Wojcik

Trends in Cell Biology, 2001 · Issue 108