Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Деубиквитинирующие ферменты (DUB), также известные как деубиквитинирующие пептидазы, деубиквитинирующие изопептидазы, деубиквитиназы, убиквитин-протеазы, убиквитин-гидролазы или убиквитин-изопептидазы, – это большая группа протеаз, расщепляющих убиквитин от белков. DUB способны обращать эти эффекты, разрывая пептидную или изопептидную связь между убиквитином и его белком-субстратом. У человека существует около 100 генов DUB, которые можно классифицировать на два основных класса: цистеиновые протеазы и металлопротеазы. Цистеиновые протеазы включают убиквитин-специфические протеазы (USP), убиквитин-C-терминальные гидролазы (UCH), протеазы с доменом Machado-Josephin (MJD) и опухолевые протеазы яичников (OTU). Группа металлопротеаз содержит только протеазы с доменом Jab1/Mov34/Mpr1 Pad1 N-terminal+ (MPN+) (JAMM).
Deubiquitinating enzymes (DUBs), also known as deubiquitinating peptidases, deubiquitinating isopeptidases, deubiquitinases, ubiquitin proteases, ubiquitin hydrolases, or ubiquitin isopeptidases, are a large group of proteases that cleave ubiquitin from proteins. DUBs can reverse these effects by cleaving the peptide or isopeptide bond between ubiquitin and its substrate protein. In humans there are nearly 100 DUB genes, which can be classified into two main classes: cysteine proteases and metalloproteases. The cysteine proteases comprise ubiquitin specific proteases (USPs), ubiquitin C terminal hydrolases (UCHs), Machado Josephin domain proteases (MJDs) and ovarian tumour proteases (OTU). The metalloprotease group contains only the Jab1/Mov34/Mpr1 Pad1 N terminal+ (MPN+) (JAMM) domain proteases.
Металлопротеазы
Белки суперсемейства Jab1/Mov34/Mpr1 Pad1 N-концевые+ (MPN+) (JAMM) связывают цинк и, следовательно, являются металлопротеазами. Эти модификации влияют на белки различными способами: они регулируют деградацию белков посредством протеасом и лизосом; координируют клеточную локализацию белков; активируют и инактивируют белки; и модулируют белок-белковые взаимодействия. DUBs отщепляют убиквитин от этих белков, образуя активные единицы убиквитина. Свободные полиубиквитинные цепи расщепляются DUBs с образованием моноубиквитина. Цепи могут быть синтезированы E1-E2-E3 комплексом в клетке независимо от какого-либо белка-субстрата. Другим источником свободного полиубиквитина является продукт расщепления убиквитинированного субстрата. Если DUBs расщепляют основание полиубиквитинной цепи, присоединенной к белку, вся цепь становится свободной и нуждается в переработке DUBs.
The Jab1/Mov34/Mpr1 Pad1 N terminal+ (MPN+) (JAMM) domain superfamily proteins bind zinc and hence are metalloproteases. Proteins are affected by these modifications in a number of ways: they regulate the degradation of proteins via the proteasome and lysosome; coordinate the cellular localisation of proteins; activate and inactivate proteins; and modulate protein protein interactions. DUBs cleave the ubiquitin from these proteins, producing active single units of ubiquitin. Free polyubiquitin chains are cleaved by DUBs to produce monoubiquitin. The chains may be produced by the E1 E2 E3 machinery in the cell free from any substrate protein. Another source of free polyubiquitin is the product of ubiquitin substrate cleavage. If DUBs cleave the base of the polyubiquitin chain that is attached to a protein, the whole chain will become free and needs to be recycled by DUBs.
Каталитическая область
Каталитический домен DUB определяет их отнесение к конкретным группам: USP, OTU, MJD, UCH и MPN+/JAMM. Первые четыре группы являются цистеиновыми протеазами, а последняя – цинковой металлопротеазой. Цистеиновые протеазы DUB структурно схожи с папаином и, следовательно, имеют сходный механизм действия. Они используют каталитические диады или триады (состоящие из двух или трех аминокислот) для катализа гидролиза амидной связи между убиквитином и субстратом. Аминокислотные остатки, участвующие в каталитической активности цистеиновых протеаз DUB, включают цистеин (в диадах/триадах), гистидин (в диадах/триадах) и аспартат или аспарагин (только в триадах). Гистидин поляризуется аспартатом или аспарагином в каталитических триадах или иными способами в диадах. Этот поляризованный остаток снижает pKa цистеина, что позволяет ему осуществлять нуклеофильную атаку на изопептидную связь между C-концевым участком убиквитина и лизиновым остатком субстрата. Металлопротеазы координируют ионы цинка с помощью гистидина, аспартата и серина, что активирует молекулы воды и позволяет им атаковать изопептидную связь.
The catalytic domain of DUBs is what classifies them into particular groups; USPs, OTUs, MJDs, UCHs and MPN+/JAMMs. The first 4 groups are cysteine proteases, whereas the latter is a zinc metalloprotease. The cysteine protease DUBs are papain like and thus have a similar mechanism of action. They use either catalytic dyads or triads (either two or three amino acids) to catalyse the hydrolysis of the amide bonds between ubiquitin and the substrate. The active site residues that contribute to the catalytic activity of the cysteine protease DUBs are cysteine (dyad/triad), histidine (dyad/triad) and aspartate or asparagine (triad only). The histidine is polarised by the aspartate or asparagine in catalytic triads or by other ways in dyads. This polarised residue lowers the pKa of the cysteine, allowing it to perform a nucleophilic attack on the isopeptide bond between the ubiquitin C terminus and the substrate lysine. Metalloproteases coordinate zinc ions with histidine, aspartate and serine residues, which activate water molecules and allows them to attack the isopeptide bond.
УБЛ
Убиквитин-подобные домены (UBL) имеют структуру, аналогичную убиквитину (складку), но лишены терминальных остатков глицина. Предполагается, что 18 USP содержат домены UBL. Только у двух других DUBs – OTU1 и VCPIP1 – домены UBL находятся вне группы USP. USP4, USP7, USP11, USP15, USP32, USP40 и USP47 имеют несколько доменов UBL. В некоторых случаях домены UBL расположены тандемно, например, в USP7, где присутствуют 5 тандемных UBL-доменов на C-конце. Домены UBL вставлены в каталитический домен у USP4, USP6, USP11, USP15, USP19, USP31, USP32 и USP43. Функции доменов UBL различаются у разных USP, но обычно они регулируют каталитическую активность USP. Они могут обеспечивать локализацию у протеасомы (USP14), негативно регулировать USP, конкурируя за каталитический центр (USP4), и индуцировать конформационные изменения для повышения каталитической активности (USP7). Как и другие домены UBL, структура UBL-доменов USP демонстрирует β-захватную складку.
Ubiquitin like (UBL) domains have a similar structure (fold) to ubiquitin, except they lack the terminal glycine residues. 18 USPs are proposed to have UBL domains. Only 2 other DUBs have UBLs outside the USP group: OTU1 and VCPIP1. USP4, USP7, USP11, USP15, USP32, USP40 and USP47 have multiple UBL domains. Sometimes the UBL domains are in tandem, such as in USP7 where 5 tandem C terminal UBL domains are present. USP4, USP6, USP11, USP15, USP19, USP31, USP32 and USP43 have UBL domains inserted into the catalytic domain. The functions of UBL domains are different between USPs, but commonly they regulate USP catalytic activity. They can coordinate localisation at the proteasome (USP14); negatively regulate USPs by competing for the catalytic site of the USP (USP4), and induce conformational changes to increase catalytic activity (USP7). Like other UBL domains, the structure of USP UBL domains show a β grasp fold.
ППП
В шести USP обнаружены одиночные или множественные тандемные домены DUSP, состоящие примерно из 120 аминокислотных остатков. Функция домена DUSP в настоящее время не установлена, однако предполагается, что он может участвовать во взаимодействии между белками, в частности, в распознавании субстратов DUB. Это предположение основано на наличии гидрофобной полости в DUSP-домене USP15 и на том, что некоторые белковые взаимодействия с USP, содержащими DUSP, не происходят без этих доменов. Домен DUSP имеет уникальную трехногую структуру, состоящую из трех α-спиралей и антипараллельного β-листа из трех β-нитей. Эта структура напоминает ноги (спирали) и сиденье (β-лист) штатива. В большинстве доменов DUSP в USP присутствует консервативная последовательность аминокислот, известная как мотив PGPI. Это последовательность из четырех аминокислот – пролина, глицина, пролина и изолеуцина, которая плотно упакована вокруг трехспирального пучка и характеризуется высокой упорядоченностью.
Single or multiple tandem DUSP domains of approximately 120 residues are found in six USPs. The function of the DUSP domain is currently unknown but it may play a role in protein protein interaction, in particular to DUBs substrate recognition. This is predicted because of the hydrophobic cleft present in the DUSP domain of USP15 and that some protein interactions with DUSP containing USPs do not occur without these domains. The DUSP domain displays a novel tripod like fold comprising three helices and an anti parallel beta sheet made of three strands. This fold resembles the legs (helices) and seat (beta sheet) of the tripod. Within most DUSP domains in USPs there is a conserved sequence of amino acids known as the PGPI motif. This is a sequence of four amino acids; proline, glycine, proline and isoleucine, which packs against the three helix bundle and is highly ordered.
Роль в болезни
Полный объем роли DUB в развитии заболеваний еще предстоит выяснить. Их вовлеченность в заболевания предсказывается благодаря известным функциям в физиологических процессах, которые нарушаются при патологических состояниях, включая рак и неврологические расстройства. Фермент USP28 сверхэкспрессируется в различных типах рака, таких как колоректальный или рак легких. Кроме того, USP28 деубиквитинирует и стабилизирует важные онкогены, такие как c-Myc, Notch1, c-Jun или ΔNp63. В плоскоклеточных опухолях USP28 регулирует устойчивость к химиотерапии, модулируя восстановление ДНК посредством оси ΔNp63 – путь анемии Фанкони. Деубиквитинирующие ферменты UCH L3 и YUH1 способны гидролизовать мутантный убиквитин UBB+1, несмотря на мутацию глицина в 76-й позиции. Уровни UCH L1 повышены при различных типах злокачественных новообразований (рака).
The full extent of the role of DUBs in diseases remains to be elucidated. Their involvement in disease is predicted due to known roles in physiological processes that are involved in disease states; including cancer and neurological disorders. The enzyme USP28 is over expressed in different types of cancer such as colon or lung. In addition, USP28 deubiquitinates and stabilizes important oncogenes such as c Myc, Notch1, c jun or ΔNp63. In squamous tumors, USP28 regulates the resistance to chemotherapy regulating DNA repair via ΔNp63 Fanconia anemia pathway axis. The deubiquitinating enzymes UCH L3 and YUH1 are able to hydrolyse mutant ubiquitin UBB+1 despite the fact that the glycine at position 76 is mutated. UCH L1 levels are high in various types of malignancies (cancer).
Роль в клеточном цикле
DUB играют активную роль в модуляции клеточного цикла. Убиквитин-специфические протеазы (USP) – это семейство деубиквитинирующих ферментов, играющих решающую роль в регуляции клеточного цикла. Два таких фермента – USP17 и USP44. USP17 регулирует пути, ответственные за прохождение клеток через клеточный цикл. Его мишенями являются регуляторы Ras, CDK2 и циклинов A. USP44 играет важную роль в инициации анафазы. Новые исследования митотической контрольной точки выявили новую роль USP44 в регуляции прогрессирования клеточного цикла. USP17 осуществляет деубиквитинирование K63-доменов убиквитина на RCE1. Таким образом, регуляция Ras посредством USP17 является еще одним звеном в регуляции Ras.
DUBs play an active role in modulating the cell cycle. Ubiquitin specific processing protease (USP) is a family of deubiquitinating enzymes that play a crucial role in cell cycle regulation. Two such enzymes include USP17 and USP44. USP17 regulates pathways responsible for progressing cells through the cell cycle. Its targets include regulators of Ras, CDK2, and Cyclin A. USP44 plays an important role in anaphase initiation. New research into the mitotic checkpoint has revealed a novel role for USP44 in regulating cell cycle progression. USP17 acts to deubiquitinate K63 ubiquitin domains on RCE1. Thus, regulation of Ras through USP17 acts as another point in Ras regulation.
Регулирование USP перехода G1-S
Циклинзависимые киназы (CDK) – это семейство ферментов, которые фосфорилируют сериновые и треониновые остатки, обеспечивая прохождение клетки через клеточный цикл. Активация CDK2 критически важна для перехода G1-S. Для активации CDK2 циклин A должен связываться с комплексом циклинзависимой киназы (CDKC). Цикл деления клеток 25A (CDC25A) – это фосфатаза, которая удаляет ингибирующую фосфатную группу с CDK2. В то время как убиквитинирование отмечает CDC25A для деградации, тем самым блокируя прогрессию в фазу S, USP17 деубиквитинирует CDC25A. Это приводит к снижению транскрипции CDKN1A. USP17 деубиквитинирует SETD8, тем самым снижая его склонность к деградации и повышая его внутриклеточную стабильность. Этот механизм имеет решающее значение, поскольку ошибки в разделении хромосом связаны с раком, врожденными дефектами и устойчивостью патогенов к антибиотикам. Одним из ключевых регуляторных белков является комплекс, способствующий анафазе (APC/C). APC/C убиквитинирует секурин. В результате разрушения секурина высвобождается сепараза. Белок hMAD2 может образовывать неактивный тример с APC и CDC20, формируя комплекс hMAD2-CDC-APC. Важно отметить, что убиквитинирование CDC20 не служит сигналом для его деградации, а скорее способствует диссоциации hMAD2 от комплекса hMAD2-CDC-APC. USP44, убиквитин-специфическая процессирующая протеаза, может стабилизировать неактивный комплекс hMAD2-CDC-APC, противодействуя убиквитинированию UbcH10. Это блокирует диссоциацию hMAD2 и обеспечивает правильную регуляцию APC/C, поддерживая его неактивным до правильного прикрепления митотического веретена. При правильном прикреплении, переключающий механизм позволяет активировать APC/C. Деубиквитинирующие ферменты играют важную роль в поддержании функции p53. В здоровых клетках p53 активирует E3 убиквитинлигазу MDM2, которая, в свою очередь, убиквитинирует p53. Это создает петлю отрицательной обратной связи, при которой деградация p53 позволяет клеткам проходить через клеточный цикл. При повреждении ДНК, убиквитин-специфическая процессирующая протеаза 7 (USP7) стабилизирует p53, расщепляя убиквитин. Для деубиквитинирования p53 USP7 должен локализоваться в ядре. Однако последовательность ядерной локализации (NLS) не была обнаружена. Несмотря на отсутствие известной NLS, одно исследование показало, что при удалении N-конца USP7 ядерная локализация не происходит. Это может приводить к апоптозу или способствовать гибели клеток, в зависимости от степени повреждения ДНК. См. схему роли USP7 в p53-зависимом пути.
Cyclin dependent kinases (CDKs) are a family of enzymes that phosphorylate serine and threonine residues to drive the cell through the cell cycle. Activation of CDK2 is critical for the G1 S transition. For CDK2 to be activated, cyclin A must bind to the cyclin dependent kinase complex (CDKC). Cell division cycle 25A (CDC25A) is a phosphatase that removes an inhibitory phosphate group from CDK2. While ubiquitination would mark CDC25A for degradation, thus blocking progression to S phase, USP17 deubiquitinates CDC25A. This compaction of the DNA downregulates CDKN1A transcription. USP17 deubiquitinates SETD8, thus reducing its propensity for degradation and increasing its intracellular stability. Such a mechanism is crucial, as errors in chromosomal separation have been implicated in cancer, birth defects, and antibiotic resistance in pathogens. One of the core regulator proteins is the anaphase promoting complex (APC/C). APC/C ubiquitinates securin. The resulting destruction of securing release separase, A protein called hMAD2 can form an inactive trimer with APC and CDC20, forming the hMAD2 CDC APC complex. It is important to note that ubiquitination of CDC20 does not serve to mark it for degradation, but rather promote dissociation of hMAD2 from the hMAD2 CDC APC complex. USP44, a ubiquitin specific processing protease, can stabilize the inactive hMAD2 CDC APC complex by counteracting UbcH10 ubiquitination. This blocks hMAD2 dissociation and allows for proper regulation of APC/C, keeping it inactive until proper attachment of the mitotic spindle. Upon proper attachment, switch like behavior allows for the activation of APC/C. Deubiquitinating enzymes play an integral role in maintaining p53’s function. In healthy cells, p53 activates the E3 ubiquitin ligase MDM2 which in turn ubiquitinates p53. This creates a negative feedback loop, whereby the degradation of p53 allows for cells to flow through the cell cycle. Upon DNA damage, Ubiquitin specific processing protease 7 (USP7) stabilizes p53 by cleaving ubiquitin. For USP7 to deubiquitinate p53, it must localize to the nucleus. However, no nuclear localization sequence (NLS) has been found. Despite no known NLS, one study showed that, upon deletion of USP7’s N terminus, no nuclear localization occurred. or promote cell death, depending on the severity of the DNA damage. See schematic of the role of USP7 in the p53 dependent pathway. or promote cell death, depending on the severity of the DNA damage. See schematic of the role of USP7 in the p53 dependent pathway.