Убиквитин лигаза - Ubiquitin ligase

Убиквитин - протеинлигаза
4a4c.png
Убиквитинлигаза E3 Cbl (синий) в комплексе с E2 (голубой) и субстратным пептидом (зеленый). Запись PDB 4a4c[1]
Идентификаторы
Номер ЕС2.3.2.27
Количество CAS74812-49-0
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO
Убиквитин лигаза
Идентификаторы
СимволУбиквитин лигаза
OPM суперсемейство471
Белок OPM4v6p
Мембранома240

А убиквитинлигаза (также называемый Убиквитинлигаза E3) представляет собой белок, который рекрутирует E2 убиквитин-конъюгированный фермент который был загружен убиквитин, распознает белковый субстрат и способствует или непосредственно катализирует перенос убиквитина от E2 к протеиновому субстрату. В убиквитин прикреплен к лизин на целевой белок изопептидная связь.[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 для разрушения протеасома. Однако возможны многие другие типы связей, которые изменяют активность, взаимодействия или локализацию белка. Убиквитинирование лигазами E3 регулирует различные области, такие как перенос клеток, репарация ДНК и передача сигналов, и имеет огромное значение в биологии клетки. Лигазы E3 также играют ключевую роль в контроле клеточного цикла, опосредуя деградацию циклины, а также ингибитор циклинзависимой киназы белки.[3] Геном человека кодирует более 600 предполагаемых лигаз E3, что обеспечивает огромное разнообразие субстратов.[4]

Система убиквитинирования

Принципиальная схема системы убиквитилирования.

Убиквитинлигаза обозначается как E3 и работает вместе с E1 фермент, активирующий убиквитин и E2 убиквитин-конъюгированный фермент. Есть один главный фермент E1, общий для всех убиквитинлигаз, который использует АТФ активировать убиквитин для спряжение и передает его ферменту E2. Фермент E2 взаимодействует с конкретным партнером E3 и передает убиквитин к цели белок. E3, который может быть мультибелковый комплекс, как правило, отвечает за нацеливание убиквитинирования на определенные субстрат белки.[нужна цитата ]

Реакция убиквитилирования протекает в три или четыре стадии в зависимости от механизма действия убиквитинлигазы E3. На консервативном первом шаге E1 цистеин остаток атакует АТФ-активированный C-концевой глицин на убиквитине, что приводит к тиоэфир Комплекс Уб-С-Е1. Энергия от гидролиза АТФ и дифосфата приводит к образованию этого реактивного тиоэфира, и последующие стадии являются термонейтральными. Затем происходит реакция транстиоляции, в которой остаток цистеина E2 атакует и замещает E1. HECT домен лигазы типа E3 будут иметь еще одну реакцию транстиоляции для переноса молекулы убиквитина на E3, тогда как гораздо более распространенные RING finger домен лигазы типа переносят убиквитин непосредственно с E2 на субстрат.[5] Заключительным этапом первого события убиквитилирования является атака аминогруппы лизина целевого белка, которая удаляет цистеин и формирует стабильную изопептидную связь.[6] Одно заметное исключение из этого правила: стр.21 белок, который, по-видимому, убиквитилирован с использованием своего N-концевого амина, таким образом образуя пептидную связь с убиквитином.[7]

Семейства убиквитинлигаз

У людей примерно 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 самым большим семейством и содержат лигазы, такие как комплекс, способствующий анафазе (APC) и СКФ комплекс (Skp1 -Каллин -F-бокс белковый комплекс). Комплексы SCF состоят из четырех белков: Rbx1, Cul1, Skp1, которые инвариантны для комплексов SCF, и белка F-бокса, который варьируется. Идентифицировано около 70 белков человеческого F-бокса.[9] Белки F-бокса содержат F-бокс, который связывает остальную часть комплекса SCF, и субстрат-связывающий домен, 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]

Передача сигналов убиквитина зависит от разнообразия тегов 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 единичный механизм убиквитилирования, используя вместо этого остаток лизина из молекулы убиквитина, в настоящее время присоединенной к белку-субстрату, для атаки С-конца новой молекулы убиквитина.[6][11] Например, обычная метка 4-убиквитина, связанная через лизин в положении 48 (K48), рекрутирует меченый белок в протеасому и последующую деградацию.[11] Однако все семь остатков лизина убиквитина (K6, K11, K27, K29, K33, K48 и K63), а также N-концевой метионин используются в цепях in vivo.[11]

Моноубиквитинирование связано с мембранным белком эндоцитоз пути. Например, фосфорилирование тирозина в положении 1045 в Рецептор эпидермального фактора роста (EGFR) может привлекать лигазу E3 типа RING c-Cbl через SH2 домен. C-Cbl моноубиквитилирует EGFR, передавая сигналы для его интернализации и доставки в лизосомы.[12]

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

Распознавание субстрата

Убиквитин-лигазы являются последним и потенциально наиболее важным фактором, определяющим субстрат специфика в убиквитинирование из белки.[14] Лигазы должны одновременно отличать свой белковый субстрат от тысяч других белков в ячейка и из других (неактивных в отношении убиквитинирования) форм того же белка. Это может быть достигнуто с помощью различных механизмов, большинство из которых включает распознавание дегроны: конкретный короткий аминокислота последовательности или химические мотивы на субстрате.[15]

N-градоны

Протеолитическое расщепление может привести к обнажению остатков на N-конец протеина. Согласно N-конец правило, разные N-концевые аминокислоты (или N-дегроны) распознаются в разной степени их соответствующей убиквитинлигазой (N-узнаванием), влияя на период полураспада белка.[16] Например, положительно заряженный (Arg, Lys, Его ) и громоздкие гидрофобный аминокислоты (Phe, Trp, Тюр, Лея, Иль ) признаются преимущественно и поэтому считаются дестабилизирующими дегроны поскольку они позволяют быстрее расщеплять свои белки.[17]

Фосфодегроны

Фосфорилированный дегрон (зеленый) стабилизируется водородными связями (желтый) между атомами кислорода его фосфата (красный) и боковыми цепями SCF.FBW7убиквитинлигаза (синий). Соответствующая часть убиквитинлигазы показана серым цветом. PDB запись 2ovr[18]

Дегрон может быть преобразован в активную форму с помощью посттрансляционная модификация[19] такие как фосфорилирование из тирозин, серин или треонин остаток.[20] В этом случае убиквитинлигаза распознает исключительно фосфорилированную версию субстрата из-за стабилизации внутри сайт привязки. Например, FBW7, то F-бокс блок распознавания подложки SCFFBW7убиквитинлигаза, стабилизирует фосфорилированный субстрат за счет связывание водорода его аргинин остатки фосфата, как показано на рисунке справа. В отсутствие фосфат, остатки FBW7 отталкивают субстрат.[18]

Кислород и низкомолекулярные зависимые дегроны

Присутствие кислород или другие маленькие молекулы может влиять на распознавание дегрона.[18] В фон Хиппель-Линдау (VHL) белок (часть распознавания субстрата специфической лигазы E3), например, распознает фактор, индуцируемый гипоксией (HIF-α) только в нормальных кислородных условиях, когда его пролин является гидроксилированный. Под гипоксия, с другой стороны, HIF-a не гидроксилирован, уклоняется убиквитинирование и, таким образом, действует в клетке при более высоких концентрациях, которые могут инициировать транскрипционный ответ на гипоксию.[21] Другой пример низкомолекулярного контроля деградации белка: фитогормон ауксин в растениях.[22] Ауксин связывается с TIR1 (домен узнавания субстрата SCFTIR1убиквитинлигаза), увеличивая сродство TIR1 к его субстратам (транскрипционный репрессоры: Aux / IAA) и способствуя их деградации.

Неправильно сложенные и сахарные дегроны

Помимо распознавания аминокислот, убиквитинлигазы могут также обнаруживать необычные свойства субстратов, которые служат сигналами для их разрушения.[14] Например, San1 (Сэр антагонист 1 ), а ядерный белок контроль качества в дрожжи, имеет неупорядоченный субстрат связывающий домен, что позволяет ему связываться с гидрофобными доменами неправильно свернутые белки.[14] Неправильно сложенный или лишний разобранный гликопротеины из ERAD пути, с другой стороны, распознаются Fbs1 и Fbs2, млекопитающие F-бокс белки лигаз E3 SCFFbs1и СКФFbs2.[23] Эти домены узнавания имеют небольшие гидрофобные карманы, позволяющие им связывать высокиеманноза содержащий гликаны.

Структурные мотивы

Помимо линейных дегроны, лигаза E3 в некоторых случаях может также распознавать структурные мотивы на подложке.[14] В этом случае 3D-мотив может позволить субстрату напрямую соотносить его биохимический функция для убиквитинирование. Эта связь может быть продемонстрирована с помощью Белок TRF1 (регулятор человеческого теломер length), который распознается соответствующей лигазой E3 (FBXO4 ) через межмолекулярный бета-лист взаимодействие. TRF1 не может быть убихинирован во время связывания теломер, вероятно, потому что тот же домен TRF1, который связывается с его лигазой E3, также связывается с теломерами.[14]

Актуальность болезни

Убиквитинлигазы E3 регулируют гомеостаз, клеточный цикл и пути репарации ДНК, и в результате ряд этих белков участвует в различных формах рака, включая известный MDM2, BRCA1, и Подавитель опухолей фон Хиппеля-Линдау.[24] Например, мутация MDM2 была обнаружена в рак желудка,[25] карцинома почек,[26] и рак печени [27] (среди прочего) для отмены регуляции концентраций MDM2 путем увеличения сродства его промотора к Фактор транскрипции Sp1, вызывая усиление транскрипции мРНК MDM2.[25] Для идентификации пар убиквитинлигаза-субстрат E3 доступно несколько основанных на протеомике экспериментальных методов,[28] такие как идентификация биотина, зависящая от близости (BioID), улавливание убиквитин-лигазы-субстрата и тандемные убиквитин-связывающие объекты (TUBE).

Примеры

  • А КОЛЬЦО (ррано яинтересный Nфу гene) связывается с конъюгазой E2 и может быть обнаружено, что опосредует ферментативную активность в комплексе E2-E3[29]
  • Домен F-бокса (как в комплексе SCF) связывает убиквитинированный субстрат. (например, Cdc 4, который связывает целевой белок Sic1; Grr1, который связывает Cln).[30]
  • А HECT домен, который участвует в переносе убиквитина от E2 к субстрату.

Индивидуальные лигазы убиквитина E3

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Dou H, Buetow L, Hock A, Sibbet GJ, Vousden KH, Huang DT (январь 2012 г.). «Структурная основа аутоингибирования и зависимой от фосфорилирования активации c-Cbl». Структурная и молекулярная биология природы. 19 (2): 184–92. Дои:10.1038 / nsmb.2231. ЧВК  3880865. PMID  22266821.
  2. ^ Гершко А., Цехановер А. (1998). «Убиквитиновая система». Ежегодный обзор биохимии. 67: 425–79. Дои:10.1146 / annurev.biochem.67.1.425. PMID  9759494.
  3. ^ Тейшейра Л.К., Рид С.И. (2013). «Убиквитинлигазы и контроль клеточного цикла». Ежегодный обзор биохимии. 82: 387–414. Дои:10.1146 / annurev-biochem-060410-105307. PMID  23495935.
  4. ^ Ли В., Бенгтсон М.Х., Ульбрих А., Мацуда А., Редди В.А., Орт А., Чанда С.К., Баталов С., Жоазейро, Калифорния (январь 2008 г.). «Общегеномная и функциональная аннотация убиквитинлигаз E3 человека идентифицирует MULAN, митохондриальный E3, который регулирует динамику органелл и передачу сигналов». PLOS ONE. 3 (1): e1487. Bibcode:2008PLoSO ... 3.1487L. Дои:10.1371 / journal.pone.0001487. ЧВК  2198940. PMID  18213395.
  5. ^ Мецгер М.Б., Христова В.А., Вайсман А.М. (февраль 2012 г.). «Краткий обзор семейств HECT и RING пальцев убиквитин-лигаз E3». Журнал клеточной науки. 125 (Pt 3): 531–7. Дои:10.1242 / jcs.091777. ЧВК  3381717. PMID  22389392.
  6. ^ а б Уолш, Кристофер (2006). Посттрансляционная модификация белков: расширение возможностей природы. Энглвуд, Колорадо: Робертс. ISBN  978-0-9747077-3-0.[страница нужна ]
  7. ^ Блум Дж., Амадор В., Бартолини Ф., ДеМартино Дж., Пагано М. (октябрь 2003 г.). «Опосредованная протеасомами деградация p21 посредством N-концевого убиквитинилирования». Ячейка. 115 (1): 71–82. Дои:10.1016 / S0092-8674 (03) 00755-4. PMID  14532004.
  8. ^ а б c Накаяма К.И., Накаяма К. (май 2006 г.). «Убиквитин-лигазы: контроль клеточного цикла и рак». Обзоры природы. Рак. 6 (5): 369–81. Дои:10.1038 / nrc1881. PMID  16633365.
  9. ^ Джин Дж, Кардозо Т., Любящий Р.С., Элледж С.Дж., Пагано М., Харпер Дж. У. (ноябрь 2004 г.). «Систематический анализ и номенклатура белков F-бокса млекопитающих». Гены и развитие. 18 (21): 2573–80. Дои:10.1101 / гад.1255304. ЧВК  525538. PMID  15520277.
  10. ^ Виджай-Кумар С., Багг CE, Кук В.Дж. (апрель 1987 г.). «Структура убиквитина уточнена при разрешении 1,8 А». Журнал молекулярной биологии. 194 (3): 531–44. Дои:10.1016/0022-2836(87)90679-6. PMID  3041007.
  11. ^ а б c d Берендс С., Харпер Дж. У. (май 2011 г.). «Построение и расшифровка нетрадиционных цепочек убиквитина». Структурная и молекулярная биология природы. 18 (5): 520–8. Дои:10.1038 / nsmb.2066. PMID  21540891.
  12. ^ Бонифачино Дж. С., Трауб Л. М. (2003). «Сигналы для сортировки трансмембранных белков в эндосомы и лизосомы». Ежегодный обзор биохимии. 72: 395–447. Дои:10.1146 / annurev.biochem.72.121801.161800. PMID  12651740.
  13. ^ Ли М., Брукс К.Л., Ву-Баер Ф., Чен Д., Баер Р., Гу В. (декабрь 2003 г.). «Моно- против полиубиквитинирования: дифференциальный контроль судьбы p53 с помощью Mdm2». Наука. 302 (5652): 1972–5. Bibcode:2003Наука ... 302.1972L. Дои:10.1126 / science.1091362. PMID  14671306.
  14. ^ а б c d е Чжэн Н., Шабек Н. (июнь 2017 г.). «Убиквитиновые лигазы: структура, функция и регуляция». Ежегодный обзор биохимии. 86 (1): 129–157. Дои:10.1146 / annurev-biochem-060815-014922. PMID  28375744.
  15. ^ Равид Т., Хохштрассер М. (сентябрь 2008 г.). «Разнообразие сигналов деградации в системе убиквитин-протеасома». Обзоры природы Молекулярная клеточная биология. 9 (9): 679–90. Дои:10.1038 / nrm2468. ЧВК  2606094. PMID  18698327.
  16. ^ Шрирам С.М., Ким Б.И., Квон Ю.Т. (октябрь 2011 г.). «Путь правила N-конца: новые функции и молекулярные принципы распознавания субстрата». Обзоры природы Молекулярная клеточная биология. 12 (11): 735–47. Дои:10.1038 / nrm3217. PMID  22016057.
  17. ^ Тасаки Т., Шрирам С.М., Парк К.С., Квон Ю.Т. (2012). "Путь правила N-конца". Ежегодный обзор биохимии. 81: 261–89. Дои:10.1146 / annurev-biochem-051710-093308. ЧВК  3610525. PMID  22524314.
  18. ^ а б c Лукас X, Чиулли А. (июнь 2017 г.). «Распознавание субстратных дегронов с помощью убиквитинлигаз E3 и модуляция с помощью стратегий мимикрии малых молекул» (PDF). Текущее мнение в структурной биологии. 44: 101–110. Дои:10.1016 / j.sbi.2016.12.015. PMID  28130986.
  19. ^ Herhaus L, Dikic I (сентябрь 2015 г.). «Расширение кода убиквитина посредством посттрансляционной модификации». Отчеты EMBO. 16 (9): 1071–83. Дои:10.15252 / набр.201540891. ЧВК  4576978. PMID  26268526.
  20. ^ Рейнхардт Х.С., Яффе МБ (сентябрь 2013 г.). «Фосфо-Ser / Thr-связывающие домены: навигация по клеточному циклу и ответ на повреждение ДНК». Обзоры природы Молекулярная клеточная биология. 14 (9): 563–80. Дои:10.1038 / nrm3640. PMID  23969844.
  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 O2-регулируемого гидроксилирования пролила». Наука. 292 (5516): 468–72. Bibcode:2001Sci ... 292..468J. Дои:10.1126 / science.1059796. PMID  11292861.
  22. ^ Шабек Н., Чжэн Н. (апрель 2014 г.). «Растение убиквитинлигаз в качестве центров передачи сигналов». Структурная и молекулярная биология природы. 21 (4): 293–6. Дои:10.1038 / nsmb.2804. PMID  24699076.
  23. ^ Ёсида Ю., Мидзусима Т., Танака К. (19.02.2019). «Сахар-распознающие лигазы убиквитина: механизмы действия и физиология». Границы физиологии. 10: 104. Дои:10.3389 / fphys.2019.00104. ЧВК  6389600. PMID  30837888.
  24. ^ Lipkowitz S, Weissman AM (август 2011 г.). «КОЛЬЦА добра и зла: КОЛЬЦО-пальца убиквитинлигазы на перекрестке опухолевого подавления и онкогенеза». Обзоры природы. Рак. 11 (9): 629–43. Дои:10.1038 / nrc3120. ЧВК  3542975. PMID  21863050.
  25. ^ а б Хоу Ю.К., Дэн Дж.Й. (январь 2015 г.). «Роль убиквитинлигаз E3 при раке желудка». Всемирный журнал гастроэнтерологии. 21 (3): 786–93. Дои:10.3748 / wjg.v21.i3.786. ЧВК  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 двойной минуты 2 у мышей T309G является независимым прогностическим фактором для пациентов с почечно-клеточной карциномой». ДНК и клеточная биология. 34 (2): 107–12. Дои:10.1089 / dna.2014.2653. PMID  25415135.
  27. ^ Тан Т., Сон X, Ян З, Хуанг Л., Ван В., Тан Х (ноябрь 2014 г.). «Связь между мышиным полиморфизмом двойной минуты 2 T309G и риском рака печени». Биология опухоли. 35 (11): 11353–7. Дои:10.1007 / s13277-014-2432-9. PMID  25119589.
  28. ^ Райнер С.Л., Морш М., Моллой М.П., ​​Ши Б., Чанг Р., Ли А. (июль 2019 г.). «Использование протеомики для идентификации пар убиквитинлигаза-субстрат: как новые методы могут выявить терапевтические цели для нейродегенеративных заболеваний». Клеточные и молекулярные науки о жизни. 76 (13): 2499–2510. Дои:10.1007 / s00018-019-03082-9. PMID  30919022.
  29. ^ Ардли ХК, Робинсон ПА (2005). «Убиквитинлигазы Е3». Очерки биохимии. 41: 15–30. Дои:10.1042 / EB0410015. PMID  16250895.
  30. ^ Бай К., Сен П., Хофманн К., Ма Л., Гёбл М., Харпер Дж. У., Элледж С. Дж. (Июль 1996 г.). «SKP1 соединяет регуляторы клеточного цикла с механизмом протеолиза убиквитина через новый мотив, F-бокс». Ячейка. 86 (2): 263–74. Дои:10.1016 / S0092-8674 (00) 80098-7. PMID  8706131.

внешние ссылки