泛素介导的蛋白质降解

蛋白质是细胞内极其重要的生物大分子。细胞的许多重要功能,包括酶和激素的功能、运动、运输、免疫反应等都是通过蛋白质来实现的。正是由于其重要性,所以长期以来蛋白质一直是生物化学研究的一个极重要的领域。人们关注蛋白质在细胞内是如何合成的,到目前为止,至少已有5个诺贝尔奖授予了这一领域的研究者。但对于相反的过程,即蛋白质在细胞内是如何降解的,很长一段时期中很少有人关注。而以色列科学家阿龙·切哈诺沃(Aaron Ciechanover)、阿夫拉姆·赫什科(Avram Hershko)和美国科学家欧文·罗斯(Irwin Rose)正是在这方面作出了突破性的贡献,发现了泛素介导的蛋白质降解机制,因而共同获得了2004年诺贝尔化学奖。一、泛素：蛋白质降解的标记者实验证明,标记被降解蛋白质的分子是一个由76个氨基酸残基组成的多肽,最早于1975年从小牛组织中分离得到。因为随后发现在所有真核生物的不同组织中都有它的存在,所以将其称之为泛素(ubiquitin,源于拉丁字ubique,意指到处存在的)。二、ATP：细胞内蛋白质降解的供能者一般而言,生物体内的合成代谢需要提供能量,而分解代谢则释放能量。所以很长一段时期内,人们普遍认为,体内蛋白质的降解是不需要提供能量的。一些蛋白水解酶发挥功能时就是这样,如胰蛋白酶在小肠内将食物中的蛋白质降解成氨基酸。类似地,在溶酶体中对从其外部进入的蛋白质的降解也不需要能量。然而,早在上世纪50年代的实验就已表明,细胞内蛋白质的降解确实需要能量。这个看似自相矛盾的现象,即细胞内蛋白质的降解需要能量而细胞外蛋白质降解不需要附加能量,长期以来使研究者感到迷惑。切哈诺沃、赫什科和罗斯于上世纪70年代后期和80年代早期使用网织红细胞的无细胞系统进行了一系列重要的研究,成功地证明细胞内蛋白质的降解需要以多步骤的反应导致泛素标记被降解的蛋白质。这个过程使细胞以高度的特异性降解不需要的蛋白质,而正是这种精确的调节需要ATP(adenosine triphosphate,腺苷三磷酸)提供能量。三、机制：死亡之吻切哈诺沃和赫什科在1977年开始使用网织红细胞抽提物进行依赖于能量的蛋白质降解研究,发现这种抽提物可以被分为两个组分。两个组分单独存在时都不具有活性,但当两者重新组合时,就启动了依赖ATP的蛋白质降解。1978年,他们报道了其中1个组分的活性成分是一种分子量约为9 000的热稳定的多肽APF-1 (active principle in fraction 1),即后来证明的泛素,并证明APF-1能与各种蛋白质以共价键结合。1980年他们和罗斯共同报道APF-1 可以多个分子同时结合于同一蛋白质,这一现象被称为多泛素化。目前已知,蛋白质的多泛素化是一种控制信号,其导致被标记蛋白质在蛋白酶体中的降解。正是多泛素化的反应对被降解的蛋白质进行了标记,所以将其戏称为“死亡之吻”(kiss of death)。因为泛素在真核生物中普遍存在,所以研究者很快明白泛素介导的蛋白质降解在真核细胞中具有普遍的意义,而且也猜测到ATP形式的能量需要可能对细胞控制降解过程的特异性具有意义。因而进一步的研究就是要鉴定使泛素结合于其靶蛋白的酶系统。在1981年到1983年之间,切哈诺沃、赫什科和罗斯在细胞中发现了3种新的酶——泛素激活酶E1、泛素结合酶E2和泛素连接酶E3,提出了“多步骤泛素标记假说”(见图1)。至今的研究表明,一个典型的哺乳动物细胞含有1个或少数几个不同的E1酶、几十个E2酶和几百个E3酶。细胞能使用泛素系统降解有缺陷或不再需要的蛋白质。实际上,细胞中多至30%新合成的蛋白质因为不能通过细胞严格的质量控制,而由泛素标记转运到蛋白酶体被降解。 步骤①：E1酶催化的依赖ATP供能的泛素(UB)活化; 步骤②：泛素分子转移到E2酶; 步骤③：E3酶识别要降解的靶蛋白(TARGET),E2酶-泛素复合物与靶蛋白结合并使泛素分子标记从E2酶转移到靶蛋白; 步骤④：E3酶释出泛素标记的蛋白质; 步骤⑤：重复步骤④,使靶蛋白与多个泛素结合,即所谓的靶蛋白的多泛素化; 步骤⑥：蛋白酶体识别多泛素化的靶蛋白,泛素分子脱落而靶蛋白进入蛋白酶体被降解为小肽。四、蛋白酶体：蛋白质降解的执行者很多蛋白酶体,如人的一个细胞含有大约30 000个蛋白酶体。蛋白酶体是呈桶型结构的多亚基蛋白酶复合体,它能将蛋白质降解成7～9个氨基酸残基组成的小肽。蛋白酶体的活性表面在桶内而与细胞的其余部分相隔离,进入活性表面的惟一关卡能识别多泛素化标记的蛋白质,在移去泛素标记的同时接纳它们进入蛋白酶体而进行降解,形成的小肽从蛋白酶体的另一端释出。蛋白酶体本身不能选择被降解的蛋白质,是E3酶的特异性决定了细胞中哪个蛋白质要被标记而送到蛋白酶体进行降解。五、泛素系统：多种细胞功能的调节者泛素介导的蛋白质降解系统涉及细胞的多种重要生理功能,参与对细胞周期、DNA复制和染色体结构等的调控。这种系统的缺陷能导致各种疾病,包括一些癌症。1.细胞周期细胞周期是指一个细胞经生长、分裂而增殖成两个细胞所经历的全过程,细胞周期的调控对生物的生存、繁殖、发育和遗传具有十分重要的意义。在细胞周期调控中,细胞周期蛋白是一个关键蛋白质。泛素连接酶E3作为“细胞分裂后期促进复合物”的主要组分,通过对细胞周期蛋白N末端进行标记使其降解,而在控制细胞周期上发挥重要的作用。该复合物在细胞有丝分裂和减数分裂期间染色体分离中也具有关键的作用。减数分裂或有丝分裂中染色体的错误分离会导致细胞染色体数的改变,而这正是怀孕后自然流产的主要原因。一个额外的21号染色体的形成则导致唐氏综合征。因为在有丝分裂中重复地进行染色体的错误分离,许多恶性肿瘤细胞也会具有数目改变了的染色体。泛素调节系统的其他酶也参与细胞周期的调节,如调节酵母细胞周期的细胞因子Cdc34实际上就是一种泛素结合酶E2。2.DNA修复DNA修复是生物为保持其复制精确性而具有的一种特殊功能。p53蛋白作为重要的转录因子,通过调节DNA修复相关基因的表达而实现对DNA修复的调控。p53蛋白在细胞内的降解也是通过特定的E3酶标记的。正常细胞中p53蛋白不断地合成,又不断地降解,在细胞中含量低。但在DNA受损后,触发了p53蛋白的磷酸化而不再与E3酶结合,使其在细胞中含量很快增加,造成细胞周期的停顿并促使对损伤DNA进行修复。但是如果DNA损伤程度太广,则不再进行修复而触发细胞程序性死亡。p53蛋白对肿瘤具有抑制作用,被称为“基因组的卫士”。但病毒可以通过特定的蛋白质活化相关的E3酶对p53蛋白进行泛素化而将其降解,其结果是病毒感染的细胞不能再对DNA损伤进行修复,也不触发细胞程序性死亡,造成DNA突变大量增加而导致癌症。3.免疫和炎症反应转录因子NF-κB可以调节细胞的许多对免疫和炎症反应重要的基因。正常情况下,细胞中的NF-κB与其抑制蛋白结合形成没有活性的复合物。但是当细胞暴露于感染的细菌或某种信号物质时,抑制蛋白的磷酸化导致其泛素化而在蛋白酶体内降解。释出的活性NF-κB被转运到细胞核,在那儿结合并激活特定基因表达而发挥其在免疫和炎症反应中的功能。4.囊性纤维化遗传病囊性纤维化是由细胞膜上称之为囊性纤维化跨膜传导调节蛋白(CFTR)的氯离子通道功能性地缺失所引起。这种缺失是由于囊性纤维化病人细胞中合成的CFTR蛋白缺失苯丙氨酸,不能进行正确的折叠而被转运,而是通过泛素介导的蛋白质降解系统降解。没有功能性氯离子通道的细胞不能通过其细胞膜转运氯离子而导致病变。泛素介导的蛋白质降解系统与细胞功能关系的了解也促使了其在药物研究上的应用。可以针对泛素介导降解系统的组分设计药物以防止特定蛋白质的降解,也可设计药物激发该系统去摧毁不想要的蛋白质。一种称为Velcade的蛋白酶体抑制物已被用于多发性骨髓瘤作为临床试验药物。科学上的每一个重大发现,都会使人类在从必然到自然的进程中迈出一大步。泛素介导的蛋白质降解系统的发现使人们有可能在分子水平上了解细胞如何控制许多非常重要的生物化学过程。我们可以期待,随着研究的不断深入,必定会有更多的细胞过程发现与这一系统密切相关。 *明镇寰教授为生物化学与分子生物学名词审定委员会委员。     

头针疗法治疗孤独症谱系障碍的临床研究

孤独症谱系障碍(简称ASD)是一系列以社交障碍、刻板行为、兴趣狭隘为主要临床特征的神经发育障碍性疾病.ASD预后差,多数患儿伴有智力低下的症状.ASD的损害会对患儿学习和社会功能产生严重的影响,这种影响可能会持续到成年.有研究表明,ASD的严重程度越重,智力水平越低,对生活质量的损害就越严重,也有研究表明ASD儿童对父...     

克隆人存在天然障碍

当各国政府正讨论该如何防止生殖性克隆人研究时,大自然自身可能已在这一道路中设置了许多障碍。在近日出版的《科学》杂志上,一个研究小组报告说,对恒河猴的研究发现克隆使胚胎失去了一些关键的蛋白质。而这些蛋白质对细胞中染色体的分配与细胞的正常分裂都至关重要。同样的问题可能也阻碍了克隆人的研究。几个研究小组一直试图通过体细胞核移植的方式来克隆猴子,但均未成功。这种方法是将细胞核从细胞中取出并植入到一个已剔除了细胞     

基于C蛋白受体标记识别出多能性乳腺干细胞

<正>乳腺由多种类型的上皮细胞组成,它们可由乳腺中的乳腺干细胞分化产生。但是是否存在多能性的乳腺干细胞还存在争议。中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所细胞生物学国家重点实验室曾艺研究组与合作者基于小鼠的研究发现,C蛋白受体(Procr)作为乳腺中Wnt的一个新的靶点,可唯一性标记多能性乳腺干细胞。这种C蛋白受体标记的细胞位于乳腺的基底层,展现出上皮间叶细胞转化特性,而且角质蛋白表达水平非常低。进一步研究显示,这种表达C蛋白受体的细胞展现     

Retromer复合体通过吞噬受体CED-1调控凋亡细胞的清除

程序性细胞死亡（细胞凋亡）是一个对生物体的发育、组织的动态稳定至关重要的生物学过程。细胞凋亡的发生过程如下：在决定要凋亡的细胞内,一些死亡基因被启动,细胞被杀死,这称为凋亡的执行过程。随后,凋亡细胞被吞噬细胞识别并内吞;最终,凋亡细胞在吞噬细胞内被完全降解。凋亡细胞的吞噬和降解是细胞凋亡程序的重要环节,凋亡细胞的清除障碍会引起炎症疾病和免疫紊乱。在秀丽隐杆线虫中,吞噬受体CED-1对于吞噬细胞识别凋亡细胞起着关键作用。本研究发现细胞内的蛋白分选复合体retromer可以通过调控CED-1在细胞膜与细胞质之间的循环来参与凋亡细胞的清除过程。Retromer会被招募到吞噬小体的表面,介导CED-1从吞噬小体到细胞膜的回收过程。当retromer丧失功能时,CED-1会被运送到溶酶体降解,CED-1的这种减少造成了凋亡细胞的清除障碍。我们的工作揭示了retromer复合体参与凋亡细胞清除的这一新功能,并发现了吞噬受体的一种新的调控机制。     

孩子的记忆力与母亲经历有关

拉什大学医学中心和塔夫茨大学医学院联合开展了一项新研究，研究员利用小鼠模拟人类试验，其结果显示，孩子的记忆力程度和学习障碍的严重程度有可能与其母亲小时候的经历有紧密的联系。     

心理分析诠释连环杀手犯罪根源

墨两哥国立自治大学精神病学实验室的研究人员,近期对墨西哥的一所重刑犯监狱中的连环杀手进行研究后发现,绝大多数连环杀手存在严重的心理障碍,而且这些障碍的形成多与他们成长过程所处的社会和家庭环境有关.     

揭示癌细胞能量来源

美国研究人员发现，癌细胞生长能量源自机体回收利用蛋白质的过程。小鼠实验显示，阻断这一过程，肿瘤开始萎缩，癌细胞几乎不再转移。     

刺激大脑特定区域可生成新记忆

美国加利福尼亚大学欧文分校神经生物学家诺曼·温伯格通过研究记忆形成机制，以直接刺激小鼠特殊脑区的方式生成了特定的新记忆。这一成果证明记忆机制中的关键一环，有助于人们理解和解决学习障碍与记忆紊乱问题。研究人员称，这是记忆可通过直接操控大脑而形成的首例证据。该研究由神经生物学与行为教授诺曼·温伯格和同事共同领导。此前他们曾发现，     

跨细胞蛋白质内稳态调控机制

蛋白质内稳态平衡是受到多级调控的,并不仅限于细胞水平。细胞特定的分区如线粒体(Mito)、内质网(ER),有其独特的调控蛋白质稳态平衡的信号通路。当Mito、ER稳态失衡导致未折叠蛋白在其中累积,会诱导一种适应性的反应,叫做"非折叠蛋白反应"(unfolded protein response, UPR),重建细胞器内部蛋白质稳态平衡。虽然关于Mito和ER蛋白质稳态调控机制已被广泛研究,但对于不同细胞/组织之间是否可以相互影响、协调其Mito、ER UPR来适应环境变化、系统调控物种整体的应激状态这一领域内的重大问题,却一直缺乏研究。基于前期工作基础,本研究将利用线虫和哺乳动物细胞培养两大手段,详细考察跨细胞内稳态调控的分子机制,为治疗衰老、神经退行性疾病、癌症等疾病提供新思路和新靶点。     

中国西南块菌（松露）多样性及其保护生物学研究

本项目对我国西南块菌多样性及其保护生物学开展了研究,对我国12个省(区)、西南52个县域进行了野外考察,采集研究标本一千零六十八余份;基于形态解剖学比较研究和DNA分子nrDNA-LSU、ITS等序列的系统学分析,修订并建立属下4个组的分类系统;确认我国分布有41个种,其中,26个为我国特有种,16个新种。首次明确了国产黑块菌涵盖了T. indicum等6个种;澄清和纠正了一些物种名称的误用和混乱。国产夏块菌Tuber sinoaestivum与欧洲T.aestivum,国产印度块菌T.indicum与欧洲T.melanosporum成姊妹类群。研究结果清晰了我国块菌的物种多样性。利用核糖体ITS和共显性SSR分子标记,首次对中国西南31个居群的Tuber indicum complex进行了谱系地理和群体遗传学分析,基于单倍型的系统发育树、网状进化关系树、SAMOVA分组分析以及微卫星位点的STRUCTURE、PCO和UPGMA分析表明,居群具有较高的遗传多样性,划分为两个具显著遗传分化及谱系地理结构的谱系,即A与B谱系,A谱系主要分布于金沙江南部地区,B谱系主要分布于怒江上游和金沙江北部地区,A和B谱系很可能是两个物种水平的差异。结合块菌地理信息系统和物种分布模型,提出川西、黔东北、藏东南及滇中一线以北的广大地区可作为块菌重点保护与发展区域。研究结果表明,我国西南块菌属真菌宿主植物丰富多样,对土壤、pH等要求及适应性相对宽泛。子囊果内及根际微生物类群的高通量测序分析表明,微生物多样性及其生态多样性更加丰富。经过数千组合试验,筛选出菌根合成基质配伍及促栖菌,成功地合成了4种块菌与6种树种的菌根树苗387515,种植832亩,并成功产出了块菌子实体。研究结果表明,块菌是适宜于在我国西南等地喀斯特石灰岩地区广泛种植的真菌类群。研究结论对于进一步理解和阐明块菌多样性、地理分布及其保护具有现实意义,同时为块菌菌根合成、种群杂交、产业化种植等方面提供基础理论。上述结果为扭转我国块菌濒危的现状做出了开拓性工作。研究结果得到央视《CCTV-10》和《CCTV-7》、《中国科学报》、《中国日报》等媒体报道。     

最新研究发现细胞间有传递致癌蛋白的“木马”

北卡罗莱纳大学科学家的一项最新发现显示,细胞感染人类疱疹病毒(EBV)后,会产生小泡或被称为外体的液囊,从而改变细胞中所含的蛋白质和RNA(核糖核酸)。这种变质的外体一旦进入健康细胞,就能转变细胞的良性生长方式,使之变成不可控的致癌生长。这一发现刊登于美国《国家科学院院刊》网络版。EBV可能是世界上最成功的病     

最新研究发现细胞间有传递致嗡蛋白的“木马”

北卡罗莱纳大学科学家的一项最新发现显示，细胞感染人类疱疹病毒（EBV）后。会产生小泡或被称为外体的液囊。从而改变细胞中所含的蛋白质和RNA（核糖核酸）。这种变质的外体一旦进入健康细胞。就能转变细胞的良性生长方式，使之变成不可控的致癌生长。这一发现刊登于美国《国家科学院院刊》网络版。     

我倾向prion的中文名沿用“朊病毒”

朊病毒(prion或PrP)是医学生物学领域中至今尚未彻底弄清,与病毒和类病毒都很不同的一种蛋白质传染病原。最早提出“prion”一词的是1982年美国加州大学Prusiner等人,当时他们将该病原描述成蛋白性传染颗粒(proteinaceous infectious particles),有时也描写为蛋白酶抗性蛋白(proteinase resistant protein)。在此之前曾经有过许多不同的名字,如：非寻常病毒、慢病毒、瘙痒病伴随纤维(scrapie associated fibrils,SAF)等。多年来大量的实验说明,这是一组至今不能查到任何核酸、对各种理化作用具有很强抵抗力、传染性甚强、分子质量在27000～30000道尔顿的蛋白质颗粒,它们能在人和动物中引起可传递的海绵脑病的特殊病因。我们实验室^**在20世纪70年代和80年代初期多以慢病毒(slow viruses)、亚病毒(subviral agents)、非寻常因子(unconventional agents)、非寻常病毒(unconventional viruses)等不统一的名词来描绘这种特殊病因。80年代后期我们改用朊病毒。在多年来的实践中,我们已习惯于称它们为朊病毒,而并无不恰当之感觉,这是因为：1.大量的实验研究证明,prion本身不含任何核酸成分,由分子量为27000～30000道尔顿膜蛋白组成。2.它们与感染性成分一致。3.在正常细胞里,既有朊病毒的前驱蛋白质,细胞朊蛋白(PrP^c),或朊病毒的异构体(isoform),又有编码正常细胞朊蛋白的基因。我国已克隆了人和动物的这种基因,并在体外表达出相应的细胞朊蛋白,经动物免疫获得抗朊蛋白的抗体。4.Prusiner等人用纯化和转基因动物等方法已证明由细胞朊蛋白(PrP^c)转化为朊病毒(PrP^Sc)发生在蛋白质产生之后即翻译后变化(post translational change),因此,就出现了构型变化和构型疾病(transformational diseases)的提法。* 洪涛院士是医学名词审定委员会病毒名词审定组组长。** 中国预防医学科学院病毒形态研究实验室。     

糖尿病是否会传播

正朊病毒是一类"阴险"的蛋白,会像传染性病原体一样扩散并且引发诸如疯牛病等致死性疾病。新研究显示,一种和糖尿病相关的蛋白同它们拥有一些相似之处。研究人员通过向小鼠体内注射这种蛋白,将糖尿病从一只小鼠传播到另一只小鼠身上,结果并未表明糖尿病具有像感冒一样的感染性,但输血甚至是食物都有可能传播这种疾病。未参加此     

抗癌新药--紫杉醇的研究进展

紫杉醇(paclitaxel)是存在于红豆杉科红豆属Tax-ax L.植物中的一种具有抗癌流性的二萜类化合物.本品属有丝分裂抑制剂,能诱导和促进微管蛋白聚合,从而阻止肿瘤细胞繁殖,对人体正常细胞无伤害,因而是一类全新的抗癌药物.据1999年1月8日出版的Journal of Mo-lecular Biology(<分子生物学杂志>)报道,美国佛罗里达州大学生物物理学家Makowshi领导的研究小组发现,紫杉醇的抗癌作用还可以作用于癌细胞上的Bcl-2蛋白,来促进癌细胞的程序性自杀(apotosis).关于紫杉醇的这种抗癌机理新发现,将有利于科学家研究更为先进的抗癌药物.     

靶向端粒酶的重组抗癌蛋白质药物的研究

端粒酶在细胞中的功能是催化合成染色体的末端特殊化结构,即端粒.染色体端粒随着细胞的分裂而不断缩短,导致正常细胞的有限增殖和衰老死亡.然而,绝大多数恶性肿瘤细胞中的端粒酶活性极强,端粒酶对端粒的重新合成补偿了细胞增殖过程中端粒的丢失,使肿瘤细胞获得无限增殖能力,即恶性增殖.     

激活生物钟饿死癌细胞

正美国科学家在新一期英国《自然》杂志上发表报告说,激活癌细胞内部失灵的生物钟,能削减营养供应、抑制癌细胞生长,同时不损害正常细胞。以24小时为周期的生物节律不仅在宏观上影响着生物的行为,还在微观上调控着每一个细胞的生长和代谢。此前研究发现,两种蛋白质REV-ERBα和REVERBβ是细胞内部生物钟的核心部件,控制着细胞的脂肪合成,以及对内部破损部件回收利用的自噬过程。在健康细胞里,这两种蛋白质的含量每天有12小时处于较低水     

治骨质疏松的药还能治脱发

正英国曼彻斯特大学皮肤病学研究中心纳森·霍克肖团队进行的实验表明,治疗骨质疏松的药物"WAY-316606"具有刺激头皮毛囊发育的效应。此前有研究发现,用于治疗移植排斥反应和自身免疫疾病的免疫抑制药"环孢霉素-A"可促进毛发生长,但存在严重副作用。霍克肖团队对"环孢霉素-A"处理过的头皮毛囊进行全基因表达分析,发现这种药物抑制了"分泌型卷曲相关蛋白1"的表达,这种蛋白质可抑制包括毛囊在内的许多组织的发育。他们随后发现,治疗     

细胞自噬中的新蛋白质机器的鉴定和研究

细胞自噬是进化保守的,基于溶酶体的胞内降解途径,对维持细胞的稳态平衡有重要作用。自噬参与生物体发育、免疫反应、代谢调节、细胞凋亡和衰老等多种过程。自噬异常与神经退行性疾病、肿瘤等的发生密切相关。自噬是当今生命科学领域的研究热点之一。1992年大隅良典实验室利用酵母遗传筛选鉴定了15个自噬核心基因,也因此获得2016年度诺贝尔生理学或医学奖。当前自噬领域研究的重点集中在酵母以及通过酵母遗传筛选获得的核心蛋白质机器。然而单细胞酵母、单一诱导条件为出发点的筛选和研究具有明显的局限性。本文将从自噬过程的细胞、组织和发育阶段的特异性;多细胞生物中具有重要生理意义的自噬新蛋白质机器和新通路;自噬核心蛋白质机器的组装、蛋白质复合体的形成及多种蛋白质的翻译后修饰等高层调控体系;自噬晚期事件以及核心蛋白质机器;细胞面对不同的代谢胁迫条件会启动的不同的自噬通路等几个方面探讨自噬领域的研究方向和突破点,并讨论自噬领域研究的策略和方法。