Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Белок
Protein
Убиквитин лигазасы (сонымен қатар E3 убиквитин лигазасы деп те аталады) – убиквитинмен жүктелген E2 убиквитинді конъюгациялаушы ферментті тартатын, белок субстратын танитын және E2-ден белок субстратына убиквитиннің берілуіне көмектесетін немесе тікелей катализдейтін белок. Тұжырымдамалық және жалпы тұрғыдан алғанда, лигаза белгілі бір механизм арқылы убиквитиннің убиквитин тасымалдаушысынан басқа нысанаға (субстратқа) өтуіне мүмкіндік береді. Убиквитин өз мақсатына жеткеннен кейін, нысаналы белоктың құрамындағы лизин қалдығына изопептидтік байланыс арқылы бекітіледі. E3 лигазалары нысаналы белокпен де, E2 ферментімен де өзара әрекеттеседі, осылайша E2-ге субстратқа қатысты таңдаулылық қасиетін береді. Көбінесе E3 лигазалары өз субстраттарын Lys48 байланысқан убиквитин тізбектерімен полиубиквитинациялайды, бұл субстратты протеасомамен жоюға бағытталған. Дегенмен, көптеген басқа да байланыс түрлері мүмкін, олар белоктың активтілігін, өзара әрекеттесуін немесе орналасуын өзгерте алады. E3 лигазалары арқылы жүзеге асырылатын убиквитинация жасушалардың тасымалы, ДНК жөндеуі және сигнал беру сияқты алуан түрлі салаларды реттейді және жасуша биологиясында маңызды рөл атқарады. E3 лигазалары жасуша циклын бақылауда да маңызды, циклиндердің және циклинге тәуелді киназа ингибиторларының ыдырауын қамтамасыз етеді. Адам геномы 600-дан астам потенциалды E3 лигазаларын кодтайды, бұл субстраттардың кең спектрін қамтиды.
A ubiquitin ligase (also called an E3 ubiquitin ligase) is a protein that recruits an E2 ubiquitin conjugating enzyme that has been loaded with ubiquitin, recognizes a protein substrate, and assists or directly catalyzes the transfer of ubiquitin from the E2 to the protein substrate. In simple and more general terms, the ligase enables movement of ubiquitin from a ubiquitin carrier to another thing (the substrate) by some mechanism. The ubiquitin, once it reaches its destination, ends up being attached by an isopeptide bond to a lysine residue, which is part of the target protein. E3 ligases interact with both the target protein and the E2 enzyme, and so impart substrate specificity to the E2. Commonly, E3s polyubiquitinate their substrate with Lys48 linked chains of ubiquitin, targeting the substrate for destruction by the proteasome. However, many other types of linkages are possible and alter a protein's activity, interactions, or localization. Ubiquitination by E3 ligases regulates diverse areas such as cell trafficking, DNA repair, and signaling and is of profound importance in cell biology. E3 ligases are also key players in cell cycle control, mediating the degradation of cyclins, as well as cyclin dependent kinase inhibitor proteins. The human genome encodes over 600 putative E3 ligases, allowing for tremendous diversity in substrates.
Убиквитинация жүйесі
Убиквитин лигазасы E3 деп аталады және E1 убиквитинді белсендіретін ферментпен және E2 убиквитинді конъюгациялаушы ферментпен бірлесіп жұмыс істейді. Барлық убиквитин лигазалары үшін ортақ бір негізгі E1 ферменті бар, ол убиквитинді конъюгация үшін белсендіру үшін АТФ-ты пайдаланады және оны E2 ферментіне ауыстырады. E2 ферменті белгілі бір E3 серіктесімен өзара әрекеттесіп, убиквитинді мақсатты белокқа көшіреді. Көп протеинді кешен болуы мүмкін E3, жалпы алғанда, белгілі бір субстрат ақуыздарына бағытталған убиквитинация үшін жауапты. Убиквитилация реакциясы E3 убиквитин лигазасының әрекет механизміне байланысты үш немесе төрт қадаммен жүреді. Сақталған бірінші қадамда E1 цистеин қалдығы убиквитиндегі ATP-мен белсендірілген C-терминалды глицинге шабуыл жасайды, нәтижесінде тиоэстер Ub-S-E1 кешені пайда болады. АТФ және дифосфат гидролизінен алынатын энергия осы реактивті тиоэстердің түзілуін қамтамасыз етеді, ал келесі қадамдар термонейтралды болады. Содан кейін транстиолация реакциясы жүреді, онда E2 цистеин қалдығы E1-ге шабуыл жасап, оны алмастырады. HECT доменді E3 типті лигазалар убиквитин молекуласын E3-ке беру үшін тағы бір транстиолациялық реакциядан өтеді, ал RING саусақты доменді типті лигазалар убиквитинді тікелей E2-ден субстратқа береді. Бірінші убиквитилация оқиғасының соңғы қадамы – мақсатты белоктың лизин амин тобының шабуылы, ол цистеинды алып тастайды және тұрақты изопептидтік байланыс құрайды. Бір ерекше жағдай – p21 протеині, ол N-терминалды аминін пайдаланып убиквитиленеді, нәтижесінде пептидтік байланыс пайда болады.
The ubiquitin ligase is referred to as an E3, and operates in conjunction with an E1 ubiquitin activating enzyme and an E2 ubiquitin conjugating enzyme. There is one major E1 enzyme, shared by all ubiquitin ligases, that uses ATP to activate ubiquitin for conjugation and transfers it to an E2 enzyme. The E2 enzyme interacts with a specific E3 partner and transfers the ubiquitin to the target protein. The E3, which may be a multi protein complex, is, in general, responsible for targeting ubiquitination to specific substrate proteins. The ubiquitylation reaction proceeds in three or four steps depending on the mechanism of action of the E3 ubiquitin ligase. In the conserved first step, an E1 cysteine residue attacks the ATP activated C terminal glycine on ubiquitin, resulting in a thioester Ub S E1 complex. The energy from ATP and diphosphate hydrolysis drives the formation of this reactive thioester, and subsequent steps are thermoneutral. Next, a transthiolation reaction occurs, in which an E2 cysteine residue attacks and replaces the E1. HECT domain type E3 ligases will have one more transthiolation reaction to transfer the ubiquitin molecule onto the E3, whereas the much more common RING finger domain type ligases transfer ubiquitin directly from E2 to the substrate. The final step in the first ubiquitylation event is an attack from the target protein lysine amine group, which will remove the cysteine, and form a stable isopeptide bond. One notable exception to this is p21 protein, which appears to be ubiquitylated using its N terminal amine, thus forming a peptide bond with ubiquitin.
Убиквитин лигазалары отбасылары
Адамдарда шамамен 500-1000 E3 лигазасы бар, олар E1 және E2-ге субстраттың ерекшелігін береді. E3 лигазалары төрт топқа бөлінеді: HECT, RING finger, U box және PHD finger. F қорап ақуыздарында F қорап болады, ол SCF кешенінің қалған бөліктеріне байланысады, ал E3-тің субстрат ерекшелігін анықтайтын субстратты байланыстыру домені болады. Убиквитин сигналдауы өзінің хабарламасының ерекшелігі үшін убиквитин таңбаларының әртүрлілігіне сүйенеді. Ақуыз бір ғана убиквитин молекуласымен (монубиквитилация) немесе әртүрлі убиквитин молекулаларының тізбектерімен (полиубиквитилация) таңбалануы мүмкін. E3 убиквитин лигазалары полиубиквитилация процесін бір убиквитилация механизмімен ұқсас түрде катализдейді, бірақ жаңа убиквитин молекуласының C-ұшына шабуыл жасау үшін қазіргі субстрат ақуызына бекітілген убиквитин молекуласының лизин қалдығын пайдаланады. Монубиквитилация цитоплазмалық ақуыздың орналасуын да реттей алады. Мысалы, E3 лигазасы MDM2 p53-ті ыдырау үшін (K48 полиубиквитин тізбегі) немесе ядродан шығару үшін (монубиквитилация) таңбалайды. Бұл оқиғалар концентрацияға байланысты жүзеге асады, бұл E3 лигазасының концентрациясын өзгерту ақуыз гомеостазы мен орналасуын бақылау үшін жасушалық реттеу стратегиясы екенін көрсетеді.
Humans have an estimated 500 1000 E3 ligases, which impart substrate specificity onto the E1 and E2. The E3 ligases are classified into four families: HECT, RING finger, U box, and PHD finger. F box proteins contain an F box, which binds the rest of the SCF complex, and a substrate binding domain, which gives the E3 its substrate specificity.]] Ubiquitin signaling relies on the diversity of ubiquitin tags for the specificity of its message. A protein can be tagged with a single ubiquitin molecule (monoubiquitylation), or variety of different chains of ubiquitin molecules (polyubiquitylation). E3 ubiquitin ligases catalyze polyubiquitination events much in the same way as the single ubiquitylation mechanism, using instead a lysine residue from a ubiquitin molecule currently attached to substrate protein to attack the C terminus of a new ubiquitin molecule. Monoubiquitination also can regulate cytosolic protein localization. For example, the E3 ligase MDM2 ubiquitylates p53 either for degradation (K48 polyubiquitin chain), or for nuclear export (monoubiquitylation). These events occur in a concentration dependent fashion, suggesting that modulating E3 ligase concentration is a cellular regulatory strategy for controlling protein homeostasis and localization.
Субстратты тану
Убиквитин лигазалары – ақуыздарды убиквитинациялаудағы субстраттың ерекшелігін анықтайтын соңғы және, мүмкін, ең маңызды фактор. Лигазалар бір уақытта өздерінің ақуыздық субстраттарын жасушадағы мыңдаған басқа ақуыздардан және сол ақуыздың басқа (убиквитинацияға қатыспайтын) түрлерінен ажырата білуі керек. Бұл әртүрлі механизмдер арқылы іске асырылады, олардың көпшілігі дегрондарды тануға байланысты: субстраттағы нақты қысқа аминқышқылдық тізбектер немесе химиялық мотивтер.
Ubiquitin ligases are the final, and potentially the most important determinant of substrate specificity in ubiquitination of proteins. The ligases must simultaneously distinguish their protein substrate from thousands of other proteins in the cell, and from other (ubiquitination inactive) forms of the same protein. This can be achieved by different mechanisms, most of which involve recognition of degrons: specific short amino acid sequences or chemical motifs on the substrate.
N-дегрондар
Протеолитикалық бөліну нәтижесінде ақуыздың N-ұшындағы аминқышқылдар көтерілуі мүмкін. N-ұшы ережесіне сәйкес, әртүрлі N-ұшы аминқышқылдары (немесе N-деграндар) тиісті убиквитин лигазасы (N-танығыш) арқылы әртүрлі дәрежеде танылады, бұл ақуыздың жартылай ыдырау мерзіміне әсер етеді. Мысалы, оң зарядталған (Arg, Lys, His) және көлемді гидрофобты аминқышқылдары (Phe, Trp, Tyr, Leu, Ile) басымдықпен танылады және осылайша тұрақсыздыратын деграндар саналады, себебі олар өз ақуыздарының тез ыдырауына жағдай жасайды.
Proteolytic cleavage can lead to exposure of residues at the N terminus of a protein. According to the N end rule, different N terminal amino acids (or N degrons) are recognized to a different extent by their appropriate ubiquitin ligase (N recognin), influencing the half life of the protein. For instance, positively charged (Arg, Lys, His) and bulky hydrophobic amino acids (Phe, Trp, Tyr, Leu, Ile) are recognized preferentially and thus considered destabilizing degrons since they allow faster degradation of their proteins.
Фосфодегрондар
Дегрондар өз белсенді түріне тирозин, серин немесе треонин қалдықтарының фосфорилирленуі сияқты трансляциядан кейінгі модификация арқылы айналуы мүмкін. Бұл жағдайда, убиквитин лигазасы байлану орнындағы тұрақтандырудың нәтижесінде субстраттың фосфорилденген түрін ғана таниды. Мысалы, SCFFBW7 убиквитин лигазасының F қорабы субстратты тану бөлігі FBW7, оң жақтағы суретте көрсетілгендей, сутек байланысы арқылы аргинин қалдықтарын фосфатқа байланыстырып, фосфорилденген субстратты тұрақтандырады. Фосфат болмаған жағдайда FBW7 қалдықтары субстратты итеріп алады. Кіші молекулалардың белок ыдырауын бақылауының тағы бір мысалы – өсімдіктердегі фитогормон ауксин. Ауксин TIR1-ге (SCFTIR1 убиквитин лигазасының субстратты тану доменіне) байланысады, TIR1-нің өзінің субстраттарына (транскрипциялық репрессорлар: Aux/IAA) деген туыстығын арттырады және олардың ыдырауын күшейтеді.
A degron can be converted into its active form by a post translational modification such as phosphorylation of a tyrosine, serine or threonine residue. In this case, the ubiquitin ligase exclusively recognizes the phosphorylated version of the substrate due to stabilization within the binding site. For example, FBW7, the F box substrate recognition unit of an SCFFBW7ubiquitin ligase, stabilizes a phosphorylated substrate by hydrogen binding its arginine residues to the phosphate, as shown in the figure to the right. In absence of the phosphate, residues of FBW7 repel the substrate. Another example of small molecule control of protein degradation is phytohormone auxin in plants. Auxin binds to TIR1 (the substrate recognition domain of SCFTIR1ubiquitin ligase) increasing the affinity of TIR1 for its substrates (transcriptional repressors: Aux/IAA), and promoting their degradation.
Қате қапталған және қант дегрендары
Аминоқышқылдарды танудан басқа, убиквитин лигазалары субстраттардағы олардың ыдырауына сигнал беретін ерекше ерекшеліктерді де анықтай алады. Бұл тану домендері кішкентай гидрофобты қуыстарға ие, бұл оларға жоғары маннозалы гликанмен байланысуға мүмкіндік береді.
In addition to recognizing amino acids, ubiquitin ligases can also detect unusual features on substrates that serve as signals for their destruction. These recognition domains have small hydrophobic pockets allowing them to bind high mannose containing glycans.
Құрылымдық мотивтер
Сызықтық деграндардан басқа, E3 лигаза кейбір жағдайларда субстраттағы құрылымдық мотивтерді де тани алады. Мысалы, MDM2 мутациясы асқазан қатерлі ісігінде, бүйрек клеткалық карциномасында және бауыр қатерлі ісігінде (басқаларының ішінде) MDM2 концентрациясын реттеуден шығарып, оның промоторының Sp1 транскрипциялық факторына деген туыстығын арттырады, нәтижесінде MDM2 мРНК транскрипциясы жоғарылайды. Жақындыққа тәуелді биотиндік идентификация (BioID), убиквитин лигазасы субстратын ұстау және тандемді убиквитин байланыстыратын элементтер (TUBEs) сияқты әдістер бар.
In addition to linear degrons, the E3 ligase can in some cases also recognize structural motifs on the substrate. For example, a mutation of MDM2 has been found in stomach cancer, renal cell carcinoma, and liver cancer (amongst others) to deregulate MDM2 concentrations by increasing its promoter’s affinity for the Sp1 transcription factor, causing increased transcription of MDM2 mRNA. such as proximity dependent biotin identification (BioID), ubiquitin ligase substrate trapping, and tandem ubiquitin binding entities (TUBEs).