Эукариоттарда кездесетін әмбебап реттегіш ақуыз – Убиквитин

Убиквитин – эукариоттар тіндерінде кездесетін маңызды реттеуші ақуыз. Құрамы, функциялары және жаңалықтары туралы біліңіз!

15 мин оқу

100%

Дереккөз: Ubiquitin — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Эукариоттық организмдердің көптеген тіндерінде кездесетін шағын (8,6 кДа) регуляторлық ақуыз – убиквитин, яғни ол кеңінен таралған. Ол 1975 жылы ашылды. Адам геномында убиквитинге кодтаушы төрт ген бар: UBB, UBC, UBA52 және RPS27A.

Сәйкестендіру

Убиквитин (алғашқыда, кең таралған иммунопоэтикалық полипептид) 1975 жылы барлық эукариоттық жасушаларда кездесетін 8,6 кДа ақуыз ретінде алғаш рет анықталды. Убиквитиннің негізгі функциялары және убиквитилация жолының құрауыштар 1980-ші жылдардың басында Технион институтында Аарон Сиечановер, Аврам Хершко және Ирвин Роуз есімді ғалымдар тобымен анықталды, осы еңбегі үшін 2004 жылы химия саласындағы Нобель сыйлығы тағайындалды. Бір субстрат молекуласына бірнеше APF 1 молекуласы изопептидтік байланыс арқылы қосылды, ал конъюгаттардың еркін APF 1 бөлінісімен тез ыдырайтыны анықталды. APF 1 ақуызының конъюгациясы сипатталғаннан кейін, APF 1 убиквитин екені анықталды. Убиквитиннің (Gly76) С-терминалды глицин қалдығының карбоксил тобы субстрат лизин қалдықтарына конъюгацияланатын топ ретінде анықталды.

Белок

+ Убиквитин қасиеттері (адам) Қалдықтар саны 76 Молекулалық массасы 8564.8448 Да Изоэлектрлік нүктесі (pI) 6.79 Ген атаулары RPS27A (UBA80, UBCEP1), UBA52 (UBCEP2), UBB, UBC Тізбе (бір әріп)

Убиквитин – барлық эукариотты жасушаларында кездесетін шағын ақуыз. Ол көптеген функцияларын түрлі мақсатты ақуыздарға қосылу арқылы іске асырады. Әртүрлі модификациялар болуы мүмкін. Убиквитин ақуызының өзі 76 аминқышқылынан тұрады және молекулалық массасы шамамен 8.6 кДа-ға тең. Оның маңызды ерекшеліктері – С-терминалдық құйрығы және 7 лизин қалдығы. Ол эукариоттар эволюциясы бойында жоғары сақталған; адам мен ашытқы убиквитинінің 96% тізбесі сәйкес келеді.

Гендер

Убиквитин сүтқоректілерде 4 әртүрлі генмен кодталады. UBA52 және RPS27A гендері рибосомалық ақуыздар L40 және S27a-ға біріктірілген убиквитиннің бір данасын кодтайды. UBB және UBC гендері полиубиквитин прекурсоры ақуыздарын кодтайды.

Барлық жерде болуы

Убиквитиляция (сонымен қатар убиквитинация немесе убиквитиниллация деп те аталады) – ферменттік посттрансляциялық модификация, онда убиквитин ақуызы субстрат ақуызына қосылады. Бұл процесс көбінесе убиквитиннің соңғы аминқышқылын (глицин 76) субстраттағы лизин қалдығына байланыстырады. Убиквитиннің глицині карбоксил тобы (COO−) мен субстраттың лизинінің эпсилон амин тобы (ε NH3+) арасында изопептидтік байланыс қалыптасады. Убиквитинмен конъюгацияланған субстраттың трипсинмен кесілуі убиквитиляция орнын анықтау үшін қолданылатын диглицин "қалдығын" қалдырады. Убиквитин сонымен қатар протеиннің басқа орындарына да байланысуы мүмкін, олар электронға бай нуклеофилдер деп аталады, бұл "канондық емес убиквитиляция" деп аталады. Бұл алғаш рет MyoD протеинінде лизин қалдықтарының орнына, протеиннің N-терминалындағы амин тобының убиквитиляцияға қолданылуы арқылы байқалды және содан бері көптеген түрлердегі 22 басқа протеинде, тіпті убиквитиннің өзінде де байқалды, сондай-ақ треонин және сериннің гидроксил тобында да байқалды. Бұл процестің соңғы нәтижесі – субстрат ақуызына бір убиквитин молекуласының (моноубиквитиляция) немесе убиквитин молекулаларының тізбегінің (полиубиквитиляция) қосылуы. Убиквитиляция үш типті ферменттерді қажет етеді: убиквитинды белсендіретін ферменттер, убиквитинды конъюгациялайтын ферменттер және убиквитин лигазалары, сәйкесінше E1, E2 және E3 деп аталады. Процесс үш негізгі қадамнан тұрады:
Белсендіру: Убиквитин екі қадамдық реакция арқылы ATP-ге тәуелді E1 убиквитин белсендіретін ферментімен белсендіріледі. Алғашқы қадамда убиквитин аденилатының аралық түрінің түзілуі қажет. E1 ATP және убиквитинге байланысады және убиквитин молекуласының C-терминалының ацил аденилденуін катализдейді. Екінші қадам убиквитинді белсенді орындағы цистеин қалдығына ауыстырады, AMP бөлінеді. Бұл қадамның нәтижесінде убиквитиннің C-терминал карбоксил тобы мен E1 цистеин сульфидрил тобы арасында тиоэстерлік байланыс пайда болады. Адам геномында убиквитинді белсендіре алатын ферменттерді өндіретін екі ген бар: UBA1 және UBA6.
Конъюгация: E2 убиквитин конъюгациялайтын ферменттер E1-ден E2-нің белсенді цистеиніне транс-тиоэстерификациялық реакция арқылы убиквитиннің ауысуын катализдейді. Бұл реакцияны орындау үшін E2 белсендірілген убиквитинге де, E1 ферментіне де байланысады. Адамда 35 түрлі E2 ферменті бар, ал басқа эукариоттық организмдерде 16 мен 35 арасында. Олар өздерінің жоғары консервацияланған құрылымымен сипатталады, ол убиквитин конъюгациялық каталитикалық (UBC) бүктелуі деп аталады.
Лигация: E3 убиквитин лигазалары убиквитиляция каскадының соңғы қадамын катализдейді. Көбінесе олар мақсатты протеиннің лизині мен убиквитиннің C-терминалды глицині арасында изопептидтік байланыс жасайды. Жалпы, бұл қадам жүздеген E3-тің бірінің белсенділігін қажет етеді. E3 ферменттері жүйенің субстратты тану модульдері ретінде жұмыс істейді және E2 және субстратпен өзара әрекеттесуге қабілетті. Кейбір E3 ферменттері E2 ферменттерін де белсендіреді. E3 ферменттерінің екі доменінің бірі бар: E6 AP карбоксил терминалына (HECT) гомологты домен және шынымен қызықты жаңа ген (RING) домені (немесе тығыз байланысты U қорап домені). HECT доменді E3 ферменттері осы процесте убиквитинді уақытша байланыстырады (белсенді орындағы цистеинмен E3-тің міндетті тиоэстерлік аралық бөлігі пайда болады), ал RING доменді E3 ферменттері E2 ферментінен субстратқа тікелей ауысуды катализдейді. Анафазаны ынталандыратын кешен (APC) және SCF кешені (Skp1 Cullin F қорапты протеин кешені үшін) – бұл көптеген суббөлімшелі E3 ферменттерінің екі мысалы, олар белгілі бір мақсатты протеиндерді тануға және оларды протеазомамен ыдырату үшін қолдануға қатысады. Убиквитиляция каскадында E1 көптеген E2-мен байланыса алады, олар жүздеген E3-пен иерархиялық түрде байланыса алады. Каскадтың ішіндегі деңгейлердің болуы убиквитиляция механизмін қатаң реттеуге мүмкіндік береді. Басқа убиквитинге ұқсас протеиндер (UBL) де E1–E2–E3 каскады арқылы модификацияланады, бірақ бұл жүйелерде әртүрлі өзгерістер бар. E4 ферменттері немесе убиквитин тізбегін ұзарту факторлары субстрат протеиндеріне алдын ала қалыптасқан полиубиквитин тізбектерін қосуға қабілетті. Мысалы, Mdm2 арқылы ісікке қарсы p53 протеинінің көп рет моноубиквитиляциялануы p300 және CBP көмегімен полиубиквитин тізбегін қосумен қатар жүруі мүмкін.

Ubiquitylation (also known as ubiquitination or ubiquitinylation) is an enzymatic post translational modification in which a ubiquitin protein is attached to a substrate protein. This process most commonly binds the last amino acid of ubiquitin (glycine 76) to a lysine residue on the substrate. An isopeptide bond is formed between the carboxyl group (COO−) of the ubiquitin's glycine and the epsilon amino group (ε NH3+) of the substrate's lysine. Trypsin cleavage of a ubiquitin conjugated substrate leaves a di glycine "remnant" that is used to identify the site of ubiquitylation. Ubiquitin can also be bound to other sites in a protein which are electron rich nucleophiles, termed "non canonical ubiquitylation". This was first observed with the amine group of a protein's N terminus being used for ubiquitylation, rather than a lysine residue, in the protein MyoD and has been observed since in 22 other proteins in multiple species, including ubiquitin itself. and the hydroxyl group on threonine and serine. The end result of this process is the addition of one ubiquitin molecule (monoubiquitylation) or a chain of ubiquitin molecules (polyubiquitination) to the substrate protein. Ubiquitination requires three types of enzyme: ubiquitin activating enzymes, ubiquitin conjugating enzymes, and ubiquitin ligases, known as E1s, E2s, and E3s, respectively. The process consists of three main steps:
Activation: Ubiquitin is activated in a two step reaction by an E1 ubiquitin activating enzyme, which is dependent on ATP. The initial step involves production of a ubiquitin adenylate intermediate. The E1 binds both ATP and ubiquitin and catalyses the acyl adenylation of the C terminus of the ubiquitin molecule. The second step transfers ubiquitin to an active site cysteine residue, with release of AMP. This step results in a thioester linkage between the C terminal carboxyl group of ubiquitin and the E1 cysteine sulfhydryl group. The human genome contains two genes that produce enzymes capable of activating ubiquitin: UBA1 and UBA6. Conjugation: E2 ubiquitin conjugating enzymes catalyse the transfer of ubiquitin from E1 to the active site cysteine of the E2 via a trans(thio)esterification reaction. In order to perform this reaction, the E2 binds to both activated ubiquitin and the E1 enzyme. Humans possess 35 different E2 enzymes, whereas other eukaryotic organisms have between 16 and 35. They are characterised by their highly conserved structure, known as the ubiquitin conjugating catalytic (UBC) fold. Ligation: E3 ubiquitin ligases catalyse the final step of the ubiquitylation cascade. Most commonly, they create an isopeptide bond between a lysine of the target protein and the C terminal glycine of ubiquitin. In general, this step requires the activity of one of the hundreds of E3s. E3 enzymes function as the substrate recognition modules of the system and are capable of interaction with both E2 and substrate. Some E3 enzymes also activate the E2 enzymes. E3 enzymes possess one of two domains: the homologous to the E6 AP carboxyl terminus (HECT) domain and the really interesting new gene (RING) domain (or the closely related U box domain). HECT domain E3s transiently bind ubiquitin in this process (an obligate thioester intermediate is formed with the active site cysteine of the E3), whereas RING domain E3s catalyse the direct transfer from the E2 enzyme to the substrate. The anaphase promoting complex (APC) and the SCF complex (for Skp1 Cullin F box protein complex) are two examples of multi subunit E3s involved in recognition and ubiquitylation of specific target proteins for degradation by the proteasome. In the ubiquitylation cascade, E1 can bind with many E2s, which can bind with hundreds of E3s in a hierarchical way. Having levels within the cascade allows tight regulation of the ubiquitylation machinery. Other ubiquitin like proteins (UBLs) are also modified via the E1–E2–E3 cascade, although variations in these systems do exist. E4 enzymes, or ubiquitin chain elongation factors, are capable of adding pre formed polyubiquitin chains to substrate proteins. For example, multiple monoubiquitylation of the tumor suppressor p53 by Mdm2 can be followed by addition of a polyubiquitin chain using p300 and CBP.

Түрлері

Убиквитилация жасушалық процестерге белоктардың ыдырауын реттеу (протеасома және лизосома арқылы), белоктардың жасуша ішіндегі орналасуын үйлестіру, белоктарды белсендіру және белсенділігін жоғалту, сондай-ақ белок-белок өзара әрекеттесуін өзгерту арқылы әсер етеді. Бұл әсерлер әртүрлі субстраттық убиквитилация түрлері арқылы жүзеге асады, мысалы, бір ғана убиквитин молекуласының қосылуы (моноубиквитилация) немесе әртүрлі типтегі убиквитин тізбектері (полиубиквитилация). Моноубиквитилация мембраналық тасымалдау, эндоцитоз және вирус бүршікленуі сияқты жасушалық процестерге әсер етеді.

Полиюбиквитиндік тізбектер

Полиубиквитиляция – субстрат ақуызындағы бір лизин қалдығында убиквитин тізбегінің қалыптасуы. Белок субстратына бір ғана убиквитин бөлігі қосылғаннан кейін, оған полиубиквитин тізбегін құрайтын тағы да көп убиквитин молекулаларын қосу мүмкін. Лизин 48 байланысқан полиубиквитин тізбектері протеолиз процесі арқылы белоктарды жоюға бағытталған. Айыпталған белоктағы лизин қалдығына кем дегенде төрт убиквитин молекуласынан тұратын бірнеше убиквитин тізбектері 26S протеазомасымен танылуы үшін қосылуы керек. Бұл – төрт сақинадан тұратын орталық протеолитикалық ядроны қамтитын және баррель тәрізді пішіндес құрылым, оның екі цилиндрі убиквитиленген белоктардың ішке өтуіне селективті мүмкіндік береді. Ішке енгеннен кейін белоктар тез шағын пептидтерге (әдетте 3–25 аминқышқылы қалдықтарынан тұратын) ыдырайды. Убиквитин молекулалары жойылмас бұрын белоктан бөлінеді және одан әрі пайдалану үшін қайта қолданылады. Көптеген белок субстраттары убиквитиленгенімен, протеазомаға бағытталған убиквитиленбеген белоктардың мысалдары да бар. Жасушаларда лизин 63 байланысқан тізбектер ESCRT 0 кешенімен байланысады, бұл олардың протеазомамен байланысуына кедергі келтіреді. Бұл кешенде лизин 63 байланысқан тізбектерге байланысуға мүмкіндік беретін UIM домені бар Hrs және STAM1 екі ақуызы бар. Метионин 1 байланысқан (немесе сызықтық) полиубиквитин тізбектері – деградациялық емес убиквитин тізбектерінің тағы бір түрі. Бұл жағдайда убиквитин бастан-құйрыққа байланысады, яғни соңғы убиквитин молекуласының C ұшы келесі N ұшына тікелей байланысады. Алғашында протеасомалық деградацияға белоктарды бағыттауы мүмкін деп есептелгенімен, кейін сызықтық убиквитин NF-κB сигнализациясы үшін маңызды екені дәлелденді. Қазіргі уақытта M1 байланысқан полиубиквитин тізбектерін құратын жалғыз белгілі E3 убиквитин лигазасы – сызықтық убиквитин тізбегін құрастыру кешені (LUBAC). Атипиялық (лизин 48 байланысы жоқ) убиквитин тізбектері туралы білім аз, бірақ зерттеулер осы тізбектердің рөлін анықтауға бастап келеді. Бұл тізбектердің функциясы әлі белгісіз. K63 және M1 байланысқан тізбектерде салыстырмалы түрде сызықтық конформация бар; олар ашық конформациялы тізбектер деп аталады. K6, K11 және K48 байланысқан тізбектер жабық конформация құрайды. Ашық конформациялы тізбектердегі убиквитин молекулалары, оларды байланыстыратын ковалентті изопептидтік байланыстардан басқа, бір-бірімен өзара әрекеттеспейді. Керісінше, жабық конформациялы тізбектер өзара әрекеттесетін қалдықтары бар интерфейстерге ие. Тізбек конформациясын өзгерту убиквитин ақуызының әртүрлі бөліктерін ашады және жасырады, ал әртүрлі байланыстар байланысқа тән бірегей топологияларға тән ақуыздармен танылады. Ақуыздар убиквитин байланыстыру домендері (UBD) арқылы убиквитинге спецификалық түрде байланыса алады. Тізбектегі жеке убиквитин бірліктері арасындағы қашықтық лизин 63 және 48 байланысқан тізбектер арасында өзгеше. UBD-лер лизин 48 байланысқан тізбектерді (жинақы убиквитин тізбектері) байланыстыратын убиквитинмен өзара әрекеттесетін мотивтері мен лизин 63 байланысқан тізбектер үшін үлкен аралықтарды пайдалану арқылы осы мүмкіндікті пайдаланады. Полиубиквитин тізбектерін тануға қатысатын механизм K63 байланысқан тізбектер мен M1 байланысқан тізбектерді де ажырата алады, бұл соңғысы субстраттың протеасомалық деградациясын тудыратындығымен көрсетілген.

Polyubiquitylation is the formation of a ubiquitin chain on a single lysine residue on the substrate protein. Following addition of a single ubiquitin moiety to a protein substrate, further ubiquitin molecules can be added to the first, yielding a polyubiquitin chain. Lysine 48 linked polyubiquitin chains target proteins for destruction, by a process known as proteolysis. Multi ubiquitin chains at least four ubiquitin molecules long must be attached to a lysine residue on the condemned protein in order for it to be recognised by the 26S proteasome. This is a barrel shape structure comprising a central proteolytic core made of four ring structures, flanked by two cylinders that selectively allow entry of ubiquitylated proteins. Once inside, the proteins are rapidly degraded into small peptides (usually 3–25 amino acid residues in length). Ubiquitin molecules are cleaved off the protein immediately prior to destruction and are recycled for further use. Although the majority of protein substrates are ubiquitylated, there are examples of non ubiquitylated proteins targeted to the proteasome. In cells, lysine 63 linked chains are bound by the ESCRT 0 complex, which prevents their binding to the proteasome. This complex contains two proteins, Hrs and STAM1, that contain a UIM, which allows it to bind to lysine 63 linked chains. Methionine 1 linked (or linear) polyubiquitin chains are another type of non degradative ubiquitin chains. In this case, ubiquitin is linked in a head to tail manner, meaning that the C terminus of the last ubiquitin molecule binds directly to the N terminus of the next one. Although initially believed to target proteins for proteasomal degradation, linear ubiquitin later proved to be indispensable for NF kB signaling. Currently, there is only one known E3 ubiquitin ligase generating M1 linked polyubiquitin chains linear ubiquitin chain assembly complex (LUBAC). Less is understood about atypical (non lysine 48 linked) ubiquitin chains but research is starting to suggest roles for these chains. The function of these chains is unknown. K63 and M1 linked chains have a fairly linear conformation; they are known as open conformation chains. K6 , K11 , and K48 linked chains form closed conformations. The ubiquitin molecules in open conformation chains do not interact with each other, except for the covalent isopeptide bonds linking them together. In contrast, the closed conformation chains have interfaces with interacting residues. Altering the chain conformations exposes and conceals different parts of the ubiquitin protein, and the different linkages are recognized by proteins that are specific for the unique topologies that are intrinsic to the linkage. Proteins can specifically bind to ubiquitin via ubiquitin binding domains (UBDs). The distances between individual ubiquitin units in chains differ between lysine 63 and 48 linked chains. The UBDs exploit this by having small spacers between ubiquitin interacting motifs that bind lysine 48 linked chains (compact ubiquitin chains) and larger spacers for lysine 63 linked chains. The machinery involved in recognising polyubiquitin chains can also differentiate between K63 linked chains and M1 linked chains, demonstrated by the fact that the latter can induce proteasomal degradation of the substrate.

Мембраналық ақуыздар

Мультимоноуықбиквитилация трансмембраналық ақуыздарды (мысалы, рецепторларды) мембранадан (интернализация) алып тастау үшін белгілей алады және жасуша ішінде бірнеше сигналдық рөлдерді атқарады. Жасуша бетіндегі трансмембраналық молекулалар ұяшықпен белгіленгенде, ақуыздың субклеткалық орналасуы өзгереді, көбінесе ақуыз лизосомаларда жойылғанға бағытталады. Бұл теріс кері байланыс механизмі болып табылады, себебі көбінесе лигандтардың рецепторларды стимуляциялауы олардың ұяшықпен белгілену және интернализация деңгейін арттырады. Моноуықбиквитилация сияқты, лизин-63 байланысты полиуықбиквитин тізбектері де кейбір мембраналық ақуыздардың тасымалдануында рөл атқарады.

Геномдық сақтау

Пролиферацияланатын жасушалық ядролық антиген (PCNA) – ДНК синтезіне қатысатын белок. Қалыпты физиологиялық жағдайларда PCNA сумоилдалады (ұқсас пост-трансляциялық модификация). ДНК ультракүлгін сәулеленуімен немесе химиялық заттармен зақымданғанда, лизин қалдығына бекітілген SUMO молекуласы убиквитинмен алмастырылады. Моноубиквитилденген PCNA зақымдалған ДНК-мен ДНК синтезін жүзеге асыра алатын полимеразаларды тартады; бірақ бұл өте қателі болуы мүмкін, нәтижесінде мутацияланған ДНК синтезделуі мүмкін. PCNA-ның лизин 63 байланысты полиубиквитилациясы оған үлгіні ауыстыру жолы арқылы белгілі, қатеге төзімді мутацияны айналып өтуге мүмкіндік береді. Гистон H2AX-тың убиквитилациясы ДНК-ның екі жіпті үзілісін анықтаудағы ДНК зақымдануына қатысады. Лизин 63 байланысқан полиубиквитин тізбектері H2AX гистонында E2/E3 лигаза жұбы Ubc13 Mms2/RNF168 арқылы түзіледі. Бұл K63 тізбегі UIM домені бар RAP80-ді тартады, ал RAP80 кейін BRCA1-ді локализациялауға көмектеседі. Бұл жол ақырында гомологиялық рекомбинациялық жөндеуге қажетті белоктарды жинақтайды.

Транскрипциялық реттеу

Гистондар, көбінесе моноубиквитилация түрінде, бірақ полиубиквитилацияланған түрлері де кездеседі. Гистонның үбиквитилациялануы хроматин құрылымын өзгертеді және транскрипцияға қатысатын ферменттердің жақындауына мүмкіндік береді. Гистонға байланысқан үбиквитин транскрипцияны белсендіретін немесе тежейтін белоктарды байланыстыру орыны болып табылады, сондай-ақ белоктың басқа посттрансляциялық модификацияларын тудыруы мүмкін. Бұл әсерлердің бәрі гендердің транскрипциясын реттеуге мүмкіндік береді.

Деубиквитациялау

Деубиквитинизациялау ферменттері (деубиквитиназалар; DUB) субстрат ақуыздарынан убиквитинді алып тастау арқылы убиквитилацияның әсерін тежеп тұрады. Олар екі ақуыз арасындағы амидтік байланысты кесетін цистеин протеазалары болып табылады. E3 лигазалары убиквитинді қосатындай, олар да өте жоғары селективті, әр ферментке тек бірнеше субстрат ғана тән. Олар изопептидтік (убиквитин мен лизин арасындағы) және пептидтік (убиквитин мен N-ұшы арасындағы) байланыстарды кесе алады. Субстрат ақуыздарынан убиквитинді алып тастаудан басқа, DUB-тың жасуша ішінде көптеген басқа да қызметтері бар. Убиквитин тізбек түрінде бірнеше рет жалғасқан (полиубиквитин) немесе рибосомалық кішібөлшектерге бекітілген күйде кездеседі. DUB-тар осы ақуыздарды кесіп, белсенді убиквитинді босатады. Сонымен қатар, олар убиквитилация процесінде шағын нуклеофильді молекулаларға байланысқан убиквитинді қайта пайдалануға мүмкіндік береді. Монубиквитин, DUB-тардың бұрын ақуыздардан алынып тасталған бос полиубиквитин тізбектерінен убиквитинді кесіп шығару арқылы түзіледі.

Нейродегенерация

Убиквитин протеостаздық дисфункциямен байланысты нейродегенеративті ауруларға, соның ішінде Альцгеймер ауруына, моторлық нейрон ауруына, Хантингтон ауруына және Паркинсон ауруына қатысты. Мидағы убиквилиннің жоғары деңгейі Альцгеймер ауруын тудыруда маңызды рөл атқаратын амилоидты прекурсорлық белоктың (АПП) қалыптан ауытқуын азайтады. Керісінше, мидағы убиквилин 1 деңгейінің төмендеуі АПП-ның қалыптан ауытқуының күшеюімен байланысты. Ретино қышқылымен индукцияланатын I генінің (RIG I) ақуызы – адам жасушаларындағы вирустық және басқа да инвазивті РНК-ны анықтайтын иммундық жүйенің негізгі сенсоры. RIG I-ға ұқсас рецептор (RLR) иммундық сигнализация жолы иммундық реттеуде убиквитиннің атқаратын рөлі тұрғысынан ең көп зерттелген жолдардың бірі болып табылады.

Генетикалық аурулар

Ангелман синдромы E6 AP деп аталатын убиквитин лигазасы (E3) ферментін кодтайтын UBE3A генінің бұзылуынан туындайды. Фон Гиппель-Линдау синдромы VHL ісікке қарсы гені немесе VHL гені деп аталатын убиквитин E3 лигазасының бұзылуын қамтиды. Фанкони анемиясы: осы ауруға шақыратын 13 анықталған геннің сегізі ірі убиквитин лигаза (E3) кешенін құрайтын ақуыздарды кодтайды. 3 М синдромы – Cullin7 E3 убиквитин лигазасының мутацияларымен байланысты аутосомалық рецессивті өсудің қалыпты дамуын тежеу бұзылысы.

Қатерлі ісікке байланысты

Ақуыздардың трансляциядан кейінгі модификациясы эукариоттық жасуша сигналдауында кеңінен қолданылатын механизм болып табылады. Убиквитилация, яғни убиквитиннің ақуыздарға қосылуы, жасуша циклының дамуы және жасушалардың көбеюі мен жетілуі үшін өте маңызды процесс. Убиквитилация көбінесе 26S протеасома арқылы ақуыздың ыдырауына сигнал берсе де, ол басқа да маңызды жасушалық процестерге, ферменттерді белсендіруге және ДНК жөндеуге де қатыса алады. Бұған қоса, циклиндердің жасушалық деңгейін қатаң түрде реттеуге қабілетті болғандықтан, оның бұзылуы ауыр салдарға әкелуі мүмкін. Онкогендік процестерде убиквитин/протеасома жолының маңыздылығын бірінші рет протеасома ингибиторларының жоғары ісікке қарсы активтілігі көрсетті. Сан алуан зерттеулер убиквитилация процесіндегі ақаулар немесе өзгерістер адамның карциномасында жиі кездесетінін немесе олармен байланысты екенін көрсетті. Қатерлі ісіктер ісікке қарсы геннің функциясын жоғалту, убиквитилацияның күшеюі және/немесе туысқан ақуыздардың мутацияларына байланысты убиквитилацияның әлсіреуі арқылы дамуы мүмкін.

Бүйрек жасушалы карциномы

VHL (Von Hippel-Lindau) гені E3 убиквитин лигазасының бір бөлігін кодтайды. VHL кешені, нормалық жағдайда оттегіге тәуелді бұзылу доменімен өзара әрекеттесу арқылы, гипоксиялық индукцияланатын транскрипция факторы (HIF) отбасының мүшесін ыдырауға бағыттайды. HIF тамыр эндотелийлік өсу факторы (VEGF) сияқты төменгі мақсаттарды белсендіреді, осылайша ангиогенезді ынталандырады. VHL-дегі мутациялар HIF-тің ыдырауын тоқтатады, нәтижесінде гиперваскулярлы зақымданулар мен бүйрек ісіктері пайда болады. Efp-тің субстраты – жасуша циклын теріс реттейтін 14-3-3 ақуызы.

Ішектің ісігі

Колоректальдік қатерлі ісікпен байланысты ген – аденоматты полипоз coli (APC), ол классикалық ісікке қарсы ген. APC генінің өнімі бета-катенинді N-терминалында убиквитиндеу арқылы ыдыратуға бағыттайды, осылайша оның жасушалық деңгейін реттейді. Колоректальдік қатерлі ісіктің көптеген жағдайларында APC генінде мутациялар табылады. Дегенмен, APC генінде мутациялар болмаған жағдайларда, бета-катениннің N-терминалында мутациялар кездеседі, бұл оны убиквитиндеуден босатып, белсенділігін арттырады. Фосфорилирлеудің маңызды рөлі Cbl протеинінде автоингибицияны белсендіру және жоюда басымды түрде көрсетіледі. Cbl – RING саусақ домені бар E3 убиквитин лигазасы, ол тирозинкиназа байланысу (TKB) доменімен өзара әрекеттеседі, RING доменінің E2 убиквитин конъюгациялау ферментімен өзара әрекеттесуін болдырмайды. Бұл молекулаішілік өзара әрекеттесу – өсу факторларының, тирозинкиназа сигналдауының және T-жасушаларының белсенділігінің теріс реттеушісі ретінде оның қызметін шектеуші автоингибициялық реттеу.

Убиквитин лигазасы субстраттарын скринингтеу

Е3 субстраттарымен өзара әрекеттесудің бұзылуы көптеген адам ауруларының басты себебі болып табылады, сондықтан Е3 лигаза субстраттарын анықтау өте маңызды. 2008 жылы Е3 убиквитин лигазасының субстраттарын табу үшін «Жалпы ақуыз тұрақтылығын (GPS) бағалау» әзірленді. Бұл жоғары өнімді жүйе мыңдаған мүмкін субстраттармен біріктірілген репортерлік ақуыздарды пайдаланды. Лигазаның активтілігін тежеу арқылы (Cul1 доминантты-теріс түрін жасау арқылы, убиквитиндеу жүрмейді), репортерлік активтіліктің артуы анықталған субстраттардың жинақталып жатқанын көрсетеді. Бұл тәсіл Е3 лигаза субстраттарының тізімін жаңа субстраттармен кеңейтті.

Мүмкін болатын терапиялық қолданулар

Е3 лигазаларының белгілі бір субстратты тануын тоқтату, мысалы, бортезомиб. ubiquitin fold modifier 1 (UFM1) және ubiquitin-ге ұқсас белок 5 (UBL5, S. pombe-де ubiquitin 1 [Hub1] гомологы ретінде белгілі). Бұл ақуыздар убиквитинмен ғана емес, қарапайым бастапқы тізбек сәйкестігін бөліседі, сонымен қатар үш өлшемді құрылымы жағынан да тығыз байланысты. Мысалы, SUMO тек 18% тізбек сәйкестігін бөліседі, бірақ олардың құрылымдық жиырылуы бірдей. Бұл жиырылу "убиквитин жиырылуы" деп аталады. FAT10 және UCRP екеуін де қамтиды. Бұл ықшам, шар тәрізді бета-жапсырма жиырылуы убиквитин, UBL және убиквитинге ұқсас домендерді қамтитын ақуыздарда кездеседі, мысалы, S. cerevisiae шпіндел полюсінің көбейтілуіне жауапты Dsk2 және NER ақуызы Rad23, екеуінде де N-терминалды убиквитин домендері бар. Бұл байланысты молекулалардың жаңа функциялары бар және олар әртүрлі биологиялық процестерге әсер етеді. Сонымен қатар, әртүрлі конъюгация жолдары арасында өзара әсер ету бар, себебі кейбір ақуыздар бірнеше UBL-мен модификациялануы мүмкін, тіпті кейде бір лизин қалдығында да. Мысалы, SUMO модификациясы көбінесе убиквитинацияға қарсы әрекет етеді және ақуыз субстраттарын тұрақтандыруға көмектеседі. UBL-ге конъюгацияланған ақуыздар әдетте протеасомамен ыдыратылмайды, керісінше, әртүрлі реттеушілік қызметтерде қатысады. UBL-дің қосылуы субстраттың конформациясын өзгерте алады, лигандтарға немесе басқа да өзара әрекеттесетін молекулаларға бейімділікті өзгерте алады, субстраттың орналасуын өзгерте алады және ақуыздың тұрақтылығына әсер етеді. UBL-дер құрылымы жағынан убиквитинге ұқсас және олар убиквитинге тән механизмдерге ұқсас ферменттік қадамдар арқылы өңделеді, белсендіріледі, конъюгацияланады және конъюгаттардан босатылады. UBL-дер де C-терминалды кеңейтімдермен трансляцияланады, олар инвариантты C-терминалды LRGG ашу үшін өңделеді. Бұл модификаторлардың өздеріне тән E1 (белсендіретін), E2 (конъюгациялайтын) және E3 (лигациялайтын) ферменттері бар, олар UBL-дерді жасуша ішіндегі нысаналарға конъюгациялайды. Бұл конъюгаттар UBL-ге тән изопептидазалармен кері қайтарылуы мүмкін, олардың механизмдері деубиквитинация ферменттеріне ұқсас.

Blocking of specific substrate recognition by the E3 ligases, e. g. bortezomib. ubiquitin fold modifier 1 (UFM1) and ubiquitin like protein 5 (UBL5, which is but known as homologous to ubiquitin 1 [Hub1] in S. pombe). Although these proteins share only modest primary sequence identity with ubiquitin, they are closely related three dimensionally. For example, SUMO shares only 18% sequence identity, but they contain the same structural fold. This fold is called "ubiquitin fold". FAT10 and UCRP contain two. This compact globular beta grasp fold is found in ubiquitin, UBLs, and proteins that comprise a ubiquitin like domain, e. g. the S. cerevisiae spindle pole body duplication protein, Dsk2, and NER protein, Rad23, both contain N terminal ubiquitin domains. These related molecules have novel functions and influence diverse biological processes. There is also cross regulation between the various conjugation pathways, since some proteins can become modified by more than one UBL, and sometimes even at the same lysine residue. For instance, SUMO modification often acts antagonistically to that of ubiquitination and serves to stabilize protein substrates. Proteins conjugated to UBLs are typically not targeted for degradation by the proteasome but rather function in diverse regulatory activities. Attachment of UBLs might, alter substrate conformation, affect the affinity for ligands or other interacting molecules, alter substrate localization, and influence protein stability. UBLs are structurally similar to ubiquitin and are processed, activated, conjugated, and released from conjugates by enzymatic steps that are similar to the corresponding mechanisms for ubiquitin. UBLs are also translated with C terminal extensions that are processed to expose the invariant C terminal LRGG. These modifiers have their own specific E1 (activating), E2 (conjugating) and E3 (ligating) enzymes that conjugate the UBLs to intracellular targets. These conjugates can be reversed by UBL specific isopeptidases that have similar mechanisms to that of the deubiquitinating enzymes.

Прокариоттық шығу тегі

Убиквитиннің ThiS немесе MoaD сияқты бактериялық белоктардан тараған деп есептеледі. Бұл прокариоттық белоктар, реттілік сәйкестігі аз болса да (ThiS-тің убиквитинмен 14% сәйкестігі бар), бірдей белоктық бүктемеге ие. Бұл белоктар убиквитинмен бірдей күкірт химиясын бөліседі. Молибдоптерин биосинтезіне қатысатын MoaD, MoaD үшін E1 убиквитинді белсендіретін фермент сияқты әрекет ететін MoeB-мен өзара әрекеттеседі, бұл прокариоттық белоктар мен убиквитин жүйесі арасындағы байланысты күшейтеді. ThiS үшін де ұқсас жүйе бар, оның E1 сияқты ферменті ThiF. Сондай-ақ, Saccharomyces cerevisiae протеині Urm1, убиквитинмен байланысты модификатор, прокариоттық убиквитинге ұқсас молекулалар мен убиквитин арасындағы эволюциялық байланысты көрсететін "молекулалық қазба" деп саналады. Археялар убиквитин модификациясы жүйесінің функционалды жағынан жақын гомологына ие, онда SAMP-термен (кішкентай археялық модификаторлық белоктар) "самптау" жүзеге асырылады. Самптау жүйесі тек E1-ді протеасомаға белоктарды бағыттау үшін пайдаланады. Эукариоттардың ата-тегімен байланысты Proteoarchaeota барлық E1, E2 және E3 ферменттерімен қатар, реттелген Rpn11 жүйесіне де ие. SAMP, ThiS немесе MoaD-ге көбірек ұқсас болса, Proteoarchaeota убиквитині эукариоттық гомологтарға жақын.

Прокариоттық убиквитинге ұқсас ақуыз (Pup) және бактериялық убиквитин (UBact)

Прокариоттық убиквитинге ұқсас белок (Pup) – грам-оң бактериялар тобы Actinomycetota-да табылған убиквитиннің функционалдық аналогы. Ол сол функцияны атқарады (деградацияға арналған белоктарды белгілеу), бірақ убиквитиляция және пупиляцияның ферменттік жолдары әртүрлі, ал екі отбасының арасында гомология жоқ. Үш қадамдық убиквитиляция реакциясынан айырмашылығы, пупиляцияға екі қадам қажет, сондықтан пупиляцияға тек екі фермент қатысады. 2017 жылы грам-теріс бактериялардың бес тобында, жеті кандидатты бактериялық тобында және бір археонда Pup-тың гомологтары анықталды. Pup гомологтарының тізбегі грам-оң бактериялардағы Pup тізбегінен өте өзгеше және олар Убиквитин бактериялық (UBact) деп аталды, бірақ бұл айырмашылықтың жеке эволюциялық тегімен филогенетикалық тұрғыдан қолдау тапқаны әлі дәлелденбеді және тәжірибелік мәліметтер жоқ. Бұл жүйелер бактериялардың әртүрлі топтарына үшінші, әлі белгісіз организмнен көлденең гендік трансфер арқылы өткен болуы мүмкін. Екінші мүмкіндікті қолдай отырып, екі UBact локусы өсірілмеген анаэробтық метанотрофты археонның (ANME 1; локус CBH38808.1 және локус CBH39258.1) геномында табылды.

Подкаст

Убиквитин протеазомалық жүйені зерттеу «Деменция зерттеушісі» подкастының негізгі тақырыбы болды. Подкаст 2021 жылғы 16 тамызда жарияланды, оны Лондон университетінің колледжінің профессоры Селина Рэй жүргізді.