Убиквитин: повсеместный регуляторный белок эукариот.

Убиквитин: регуляторный белок, обнаруженный во всех эукариотических клетках. Ген UBB, UBC, UBA52, RPS27A. Роль в деградации белков, Нобелевская премия.

16 мин чтения

100%

Источник: Ubiquitin — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Регулирующий белок, встречающийся в большинстве эукариотических тканей.

Убиквитин – это небольшой (8,6 кДа) регуляторный белок, обнаруженный в большинстве тканей эукариотических организмов, то есть он широко распространен. Он был открыт в 1975 году. Четыре гена в геноме человека кодируют убиквитин: UBB, UBC, UBA52 и RPS27A.

Идентификация

Убиквитин (первоначально, вездесущий иммунопоэтический полипептид) был впервые идентифицирован в 1975 году как белок массой 8,6 кДа, экспрессируемый во всех эукариотических клетках. Основные функции убиквитина и компоненты пути убиквитилирования были установлены в начале 1980-х годов в Технионе Аароном Сиечановером, Аврамом Хершко и Ирвином Роузом, за что в 2004 году им была присуждена Нобелевская премия по химии. Было показано, что несколько молекул APF1 ковалентно связаны с одной молекулой субстрата посредством изопептидной связи, а образовавшиеся конъюгаты быстро подвергаются деградации с высвобождением свободного APF1. Вскоре после характеристики конъюгации белка APF1, было установлено, что APF1 является убиквитином. Карбоксильная группа C-концевого остатка глицина убиквитина (Gly76) была идентифицирована как фрагмент, конъюгированный с остатками лизина в субстрате.

Белок

Убиквитин свойства (человеческий) Количество аминокислотных остатков 76 Молекулярная масса 8564.8448 Да Изоэлектрическая точка (pI) 6.79 Названия генов RPS27A (UBA80, UBCEP1), UBA52 (UBCEP2), UBB, UBC Последовательность (однобуквенный код)

Убиквитин – это небольшой белок, присутствующий во всех эукариотических клетках. Он выполняет множество функций посредством конъюгации с широким спектром белков-мишеней. Возможны различные модификации. Сам белок убиквитин состоит из 76 аминокислот и имеет молекулярную массу около 8.6 кДа. К ключевым особенностям относятся его C-концевой хвост и 7 остатков лизина. Он высоко консервативен в ходе эволюции эукариотов; убиквитин человека и дрожжей имеет 96% идентичности последовательностей.

Гены

Убиквитин кодируется у млекопитающих четырьмя различными генами. Гены UBA52 и RPS27A кодируют единичную копию убиквитина, объединенную с рибосомными белками L40 и S27a соответственно. Гены UBB и UBC кодируют белки-предшественники полиубиквитина.

Всеобщая распространенность

Убиквитилирование (также известное как убиквитинирование или убиквитинилирование) – это ферментативная посттрансляционная модификация, при которой белок убиквитина присоединяется к белку-субстрату. Этот процесс чаще всего связывает последнюю аминокислоту убиквитина (глицин 76) с остатком лизина на субстрате. Между карбоксильной группой (COO−) глицина убиквитина и ε-аминогруппой (ε NH3+) лизина субстрата образуется изопептидная связь. Трипсинное расщепление убиквитин-конъюгированного субстрата оставляет диглициновый "остаток", который используется для определения места убиквитилирования. Убиквитин также может связываться с другими участками белка, являющимися электронообогащенными нуклеофилами, называемыми "неканоническим убиквитилированием". Это было впервые обнаружено для аминогруппы N-конца белка, используемой для убиквитилирования вместо остатка лизина, в белке MyoD, и впоследствии наблюдалось в 22 других белках у различных видов, включая сам убиквитин, а также в гидроксильной группе треонина и серина. Конечным результатом этого процесса является добавление одной молекулы убиквитина (моноубиквитилирование) или цепи молекул убиквитина (полиубиквитилирование) к белку-субстрату. Убиквитинирование требует трех типов ферментов: убиквитин-активирующих ферментов, убиквитин-конъюгирующих ферментов и убиквитин-лигаз, известных как E1, E2 и E3 соответственно. Процесс состоит из трех основных этапов: Активация: Убиквитин активируется в двухстадийной реакции ферментом E1, активирующим убиквитин, что зависит от АТФ. Первый этап включает образование убиквитин-аденилатного промежуточного продукта. E1 связывает как АТФ, так и убиквитин и катализирует ацилирование C-конца молекулы убиквитина. Второй этап переносит убиквитин на активный сайт цистеинового остатка с высвобождением АМФ. Этот этап приводит к образованию тиоэстерной связи между C-терминальной карбоксильной группой убиквитина и SH-группой цистеина E1. Геном человека содержит два гена, кодирующих ферменты, способные активировать убиквитин: UBA1 и UBA6. Конъюгация: E2 убиквитин-конъюгирующие ферменты катализируют перенос убиквитина от E1 к цистеину активного центра E2 посредством реакции транс(тио)этерификации. Для осуществления этой реакции E2 связывается как с активированным убиквитином, так и с ферментом E1. У человека существует 35 различных ферментов E2, в то время как у других эукариотических организмов их от 16 до 35. Они характеризуются высококонсервативной структурой, известной как убиквитин-конъюгирующий каталитический (UBC) мотив. Лигация: E3 убиквитин-лигазы катализируют заключительный этап каскада убиквитилирования. Чаще всего они создают изопептидную связь между лизином целевого белка и C-терминальным глицином убиквитина. Как правило, этот этап требует активности одного из сотен E3. Ферменты E3 функционируют как модули распознавания субстрата в системе и способны взаимодействовать как с E2, так и с субстратом. Некоторые ферменты E3 также активируют ферменты E2. Ферменты E3 содержат один из двух доменов: гомологичный домену E6 AP карбоксильного конца (HECT) и домен действительно интересного нового гена (RING) (или тесно связанный с ним U-box домен). E3 с доменом HECT временно связывают убиквитин в этом процессе (образуется обязательный тиоэстерный промежуточный продукт с активным сайтом цистеина E3), в то время как E3 с доменом RING катализируют прямой перенос от фермента E2 к субстрату. Комплекс, стимулирующий анафазу (APC) и комплекс SCF (для комплекса Skp1 Cullin F-box белка) являются двумя примерами мультисубъединичных E3, участвующих в распознавании и убиквитилировании специфических белков-мишеней для деградации протеасомой. В каскаде убиквитилирования E1 может связываться со многими E2, которые, в свою очередь, могут связываться с сотнями E3 иерархическим образом. Наличие уровней в каскаде обеспечивает точную регуляцию механизма убиквитилирования. Другие убиквитин-подобные белки (UBL) также модифицируются посредством каскада E1–E2–E3, хотя в этих системах существуют вариации. Ферменты E4, или факторы удлинения цепи убиквитина, способны добавлять предварительно сформированные полиубиквитинные цепи к белкам-субстратам. Например, множественное моноубиквитилирование опухолевого супрессора p53 Mdm2 может сопровождаться добавлением полиубиквитинной цепи с использованием p300 и CBP.

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.

Типы

Убиквитилирование влияет на клеточные процессы, регулируя деградацию белков (через протеасомы и лизосомы), координируя клеточную локализацию белков, активируя и инактивируя белки, а также модулируя белок-белковые взаимодействия. Эти эффекты опосредованы различными типами убиквитилирования субстратов, например, присоединением одной молекулы убиквитина (моноубиквитилирование) или различными типами цепей убиквитина (полиубиквитилирование). Моноубиквитилирование влияет на клеточные процессы, такие как мембранный транспорт, эндоцитоз и почкование вирусов.

Полиубиквитиновые цепи

Полиубиквитилирование – это образование цепи убиквитина на одном лизиновом остатке субстратного белка. После присоединения одной молекулы убиквитина к белковому субстрату, к первой могут добавляться дополнительные молекулы убиквитина, формируя полиубиквитинную цепь. Полиубиквитинные цепи, связанные по лизину 48, направляют белки на разрушение посредством процесса, известного как протеолиз. Для распознавания протеасомой 26S необходимо присоединение к лизиновому остатку «осужденного» белка цепи убиквитина, состоящей как минимум из четырех молекул убиквитина. Протеасома 26S представляет собой структуру в форме бочки, состоящую из центрального протеолитического ядра, образованного четырьмя кольцевыми структурами, фланкированными двумя цилиндрами, которые избирательно пропускают убиквитилированные белки. Попав внутрь, белки быстро расщепляются на небольшие пептиды (обычно длиной 3–25 аминокислотных остатков). Молекулы убиквитина отщепляются от белка непосредственно перед разрушением и рециркулируются для повторного использования. Хотя большинство белковых субстратов подвергаются убиквитилированию, существуют примеры белков, не несущих убиквитиновых меток, но направляемых в протеасому. В клетках цепи, связанные по лизину 63, связываются с комплексом ESCRT 0, который препятствует их связыванию с протеасомой. Этот комплекс содержит два белка, Hrs и STAM1, которые содержат UIM-домен, позволяющий им связываться с цепями, связанными по лизину 63. Метионин 1-связанные (или линейные) полиубиквитинные цепи – это другой тип не деградирующих цепей убиквитина. В этом случае убиквитин связан последовательно, «голова к хвосту», то есть C-конец последней молекулы убиквитина напрямую связывается с N-концом следующей. Хотя изначально считалось, что они нацеливают белки на протеасомальную деградацию, линейный убиквитин впоследствии оказался незаменимым для сигналинга NF-κB. В настоящее время известен только один E3 убиквитинлигаза, генерирующий полиубиквитинные цепи, связанные по M1 – линейный комплекс сборки цепей убиквитина (LUBAC). О нетипичных (не связанных по лизину 48) цепях убиквитина известно меньше, но исследования начинают указывать на их роль. Функция этих цепей остается неизвестной. Цепи, связанные по K63 и M1, имеют относительно линейную конформацию и называются цепями с открытой конформацией. Цепи, связанные по K6, K11 и K48, формируют замкнутые конформации. Молекулы убиквитина в цепях с открытой конформацией не взаимодействуют друг с другом, за исключением ковалентных изопептидных связей, соединяющих их. В отличие от этого, в цепях с замкнутой конформацией имеются интерфейсы с взаимодействующими остатками. Изменение конформации цепи обнажает и скрывает различные части белка убиквитина, а различные типы связей распознаются белками, специфичными для уникальных топологий, присущих каждой связи. Белки могут специфически связываться с убиквитином через домены связывания убиквитина (UBD). Расстояния между отдельными единицами убиквитина в цепях различаются для цепей, связанных по лизину 63 и 48. UBD используют это, имея небольшие спейсеры между убиквитин-взаимодействующими мотивами, которые связывают цепи, связанные по лизину 48 (компактные цепи убиквитина), и более крупные спейсеры для цепей, связанных по лизину 63. Механизмы, участвующие в распознавании полиубиквитинных цепей, также могут различать цепи, связанные по K63, и цепи, связанные по M1, что подтверждается тем, что последние могут индуцировать протеасомальную деградацию субстрата.

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.

Мембранные белки

Мультимоноубиквитилирование может маркировать трансмембранные белки (например, рецепторы) для удаления из мембран (интернализации) и выполнять несколько сигнальных ролей внутри клетки. Когда трансмембранные молекулы на поверхности клетки маркируются убиквитином, подклеточная локализация белка изменяется, часто направляя белок на разрушение в лизосомах. Это служит механизмом отрицательной обратной связи, поскольку стимуляция рецепторов лигандами часто увеличивает скорость их убиквитилирования и интернализации. Подобно моноубиквитилированию, полиубиквитинные цепи, связанные через лизин 63, также играют роль в транспорте некоторых мембранных белков.

Содержание генома

Пролиферационный клеточный ядерный антиген (PCNA) – это белок, участвующий в синтезе ДНК. При нормальных физиологических условиях PCNA сумоилируется (посттрансляционная модификация, сходная с убиквитилированием). Когда ДНК повреждается ультрафиолетовым излучением или химическими веществами, молекула SUMO, присоединенная к остатку лизина, заменяется убиквитином. Моноубиквитилированный PCNA рекрутирует полимеразы, способные осуществлять синтез ДНК с поврежденной ДНК, однако этот процесс очень подвержен ошибкам и может привести к синтезу мутировавшей ДНК. Полиубиквитилирование PCNA, связанное с лизином 63, позволяет ему осуществлять менее подверженный ошибкам обход мутации посредством пути переключения матрицы. Убиквитилирование гистона H2AX участвует в распознавании повреждений ДНК, в частности, разрывов двойных нитей ДНК. Полиубиквитинные цепи, связанные с лизином 63, формируются на гистоне H2AX под действием пары лигаз E2/E3 – Ubc13 Mms2/RNF168. Эта K63-цепочка, по-видимому, рекрутирует RAP80, содержащий UIM-домен, а RAP80 затем способствует локализации BRCA1. Этот путь в конечном итоге рекрутирует необходимые белки для репарации гомологической рекомбинацией.

Транскрипционное регулирование

Гистоны могут быть убиквитинированы, как правило, в форме моноубиквитинирования, хотя встречаются и полиубиквитинированные формы. Убиквитинирование гистонов изменяет структуру хроматина и обеспечивает доступ ферментам, участвующим в транскрипции. Убиквитин на гистонах также служит местом связывания для белков, которые либо активируют, либо ингибируют транскрипцию, и может индуцировать дальнейшие посттрансляционные модификации белков. Все эти эффекты способны модулировать транскрипцию генов.

Деубиквитинация

Деубиквитинирующие ферменты (деубиквитиназы; DUB) противодействуют процессу убиквитилирования, удаляя убиквитин из белков-субстратов. Это цистеиновые протеазы, которые расщепляют амидную связь между двумя белками. Они обладают высокой специфичностью, как и E3-лигазы, присоединяющие убиквитин, действуя на небольшое количество субстратов для каждого фермента. Они способны расщеплять как изопептидные связи (между убиквитином и лизином), так и пептидные связи (между убиквитином и N-концевым амином). Помимо удаления убиквитина из белков-субстратов, DUB выполняют множество других функций в клетке. Убиквитин может существовать в виде множественных копий, соединенных в цепочку (полиубиквитин), или быть присоединенным к рибосомным субъединицам. DUB расщепляют эти белки, высвобождая активный убиквитин. Они также рециркулируют убиквитин, который временно связывается с небольшими нуклеофильными молекулами в процессе убиквитилирования. Моноубиквитин образуется в результате расщепления DUB полиубиквитиновых цепей, ранее удаленных с белков.

Нейродегенерация

Убиквитин играет роль в нейродегенеративных заболеваниях, связанных с нарушением протеостаза, включая болезнь Альцгеймера, боковой амиотрофический склероз, болезнь Хантингтона и болезнь Паркинсона. Показано, что более высокие уровни убиквилина в мозге снижают неправильное сворачивание белка-предшественника амилоида (APP), который играет ключевую роль в запуске болезни Альцгеймера. Напротив, более низкие уровни убиквилина 1 в мозге связаны с увеличением неправильного сворачивания APP. Белок, индуцируемый ретиноевой кислотой I (RIG I), является основным сенсором иммунной системы для вирусной и другой инвазивной РНК в клетках человека. Иммунный сигнальный путь, подобный RIG I рецептору (RLR), является одним из наиболее изученных в отношении роли убиквитина в иммунной регуляции.

Генетические нарушения

Синдром Ангельмана вызывается нарушением функции гена UBE3A, кодирующего фермент убиквитин-лигазу (E3), известный как E6 AP. Синдром фон Гиппеля-Линдау связан с нарушением функции убиквитин-лигазы E3, называемой супрессором опухолей VHL или геном VHL. Анемия Фанкони: восемь из тринадцати идентифицированных генов, нарушение которых может вызвать это заболевание, кодируют белки, формирующие крупный комплекс убиквитин-лигазы (E3). Синдром 3M – аутосомно-рецессивное заболевание, характеризующееся задержкой роста, связанное с мутациями убиквитин-лигазы E3 Cullin7.

Связь с раком

Посттрансляционная модификация белков – широко распространенный механизм в сигнальных путях эукариотических клеток. Убиквитилирование, присоединение убиквитина к белкам, является ключевым процессом для прогрессирования клеточного цикла, пролиферации и развития клеток. Хотя убиквитилирование обычно служит сигналом для деградации белка посредством 26S протеасомы, оно также может участвовать в других фундаментальных клеточных процессах, таких как ферментативная активация и репарация ДНК. Более того, поскольку убиквитилирование регулирует клеточный уровень циклинов, нарушение этой регуляции может иметь серьезные последствия. Первые свидетельства важности убиквитин-протеасомного пути в онкогенезе были получены благодаря высокой противоопухолевой активности ингибиторов протеасомы. Многочисленные исследования показали, что дефекты или изменения в процессах убиквитилирования часто связаны с развитием или присутствуют в человеческих карциномах. Злокачественные новообразования могут возникать в результате мутаций, приводящих к потере функции генов-супрессоров опухолей, повышенной активности убиквитилирования и/или косвенного снижения убиквитилирования из-за мутаций в связанных белках.

Карцинома почечных клеток

Ген VHL (Von Hippel–Lindau) кодирует компонент E3 убиквитин-лигазы. Комплекс VHL нацеливает на деградацию член семейства гипоксия-индуцируемых факторов транскрипции (HIF), взаимодействуя с доменом, зависящим от кислорода, для разрушения в нормоксических условиях. HIF активирует нижележащие мишени, такие как фактор роста эндотелия сосудов (VEGF), стимулируя ангиогенез. Мутации в гене VHL препятствуют деградации HIF и, следовательно, приводят к формированию гиперваскулярных поражений и опухолей почек. Субстратом Efp является белок 14-3-3, который негативно регулирует клеточный цикл.

Рак толстой кишки

Ген, связанный с колоректальным раком, – это аденоматозный полипоз коли (APC), являющийся классическим геном-супрессором опухолей. Продукт гена APC направляет бета-катенин на деградацию посредством убиквитинирования в N-конце, тем самым регулируя его клеточный уровень. В большинстве случаев колоректального рака обнаруживаются мутации в гене APC. Однако, в случаях, когда ген APC не мутирован, мутации обнаруживаются в N-конце бета-катенина, что делает его невосприимчивым к убиквитинированию и, следовательно, повышает его активность. Критическая роль фосфорилирования существенно подчеркивается в активации и снятии аутоингибирования белка Cbl. Cbl – это E3 убиквитинлигаза с RING-доменом, который взаимодействует со своим доменом связывания тирозинкиназ (TKB), предотвращая взаимодействие RING-домена с E2 убиквитин-конъюгирующим ферментом. Это внутримолекулярное взаимодействие является механизмом аутоингибирования, препятствующим его роли отрицательного регулятора различных факторов роста, сигнализации тирозинкиназ и активации Т-клеток.

Скрининг на субстраты убиквитинлигазы

Дерегуляция взаимодействий субстратов E3 является ключевой причиной многих заболеваний человека, поэтому выявление субстратов E3-лигаз имеет решающее значение. В 2008 году был разработан метод "Профилирование глобальной стабильности белков (GPS)" для обнаружения субстратов E3-убиквитин-лигаз. Эта высокопроизводительная система использовала репортерные белки, независимо соединенные с тысячами потенциальных субстратов. Ингибирование активности лигазы (путем создания доминантно-негативной формы Cul1, что предотвращает убиквитинирование) приводит к увеличению активности репортера, что указывает на накопление идентифицированных субстратов. Этот подход значительно расширил список известных субстратов E3-лигаз.

Возможные терапевтические применения

Блокирование специфического распознавания субстрата лигазами E3, например, бортезомибом. Модификатор убиквитин-складки 1 (UFM1) и белок, подобный убиквитину 5 (UBL5, который известен как гомолог убиквитина 1 [Hub1] у S. pombe). Хотя эти белки демонстрируют лишь умеренную идентичность аминокислотной последовательности с убиквитином, они тесно связаны в трехмерной структуре. Например, SUMO имеет всего 18% идентичности последовательности, но обладает той же структурной складкой. Эта складка называется «убиквитин-складкой». FAT10 и UCRP содержат по две такие складки. Эта компактная глобулярная бета-захватная складка встречается в убиквитине, UBL и белках, содержащих домен, подобный убиквитину, например, белок, дублирующий тело веретена деления у S. cerevisiae, Dsk2, и белок NER, Rad23, оба содержат N-концевые убиквитин-домены. Эти родственные молекулы выполняют новые функции и влияют на разнообразные биологические процессы. Существует также перекрестная регуляция между различными путями конъюгации, поскольку некоторые белки могут модифицироваться более чем одним UBL, а иногда даже в одном и том же лизиновом остатке. Например, модификация SUMO часто действует антагонистически по отношению к убиквитинированию и способствует стабилизации белковых субстратов. Белки, конъюгированные с UBL, обычно не являются мишенями для деградации протеасомой, а скорее участвуют в различных регуляторных функциях. Присоединение UBL может изменять конформацию субстрата, влиять на аффинность к лигандам или другим взаимодействующим молекулам, изменять локализацию субстрата и влиять на стабильность белка. UBL структурно похожи на убиквитин и подвергаются процессингу, активации, конъюгации и высвобождению из конъюгатов посредством ферментативных этапов, аналогичных соответствующим механизмам для убиквитина. UBL также транслируются с C-концевыми расширениями, которые подвергаются процессингу для экспонирования инвариантного C-концевого мотива LRGG. Эти модификаторы имеют свои собственные специфические ферменты E1 (активирующие), E2 (конъюгирующие) и E3 (лигационные), которые конъюгируют UBL с внутриклеточными мишенями. Эти конъюгаты могут быть обратимы благодаря UBL-специфическим изопептидазам, механизмы действия которых аналогичны механизмам деубиквитинирующих ферментов.

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.

Прокариотическое происхождение

Считается, что убиквитин произошел от бактериальных белков, подобных ThiS или MoaD. Эти прокариотические белки, несмотря на небольшое сходство последовательностей (ThiS имеет 14% идентичности с убиквитином), имеют одинаковую белковую структуру. Эти белки также обладают схожей с убиквитином химией серы. MoaD, участвующий в биосинтезе молибдоптерина, взаимодействует с MoeB, который функционирует как E1-подобный фермент, активирующий MoaD, что укрепляет связь между этими прокариотическими белками и системой убиквитина. Аналогичная система существует и для ThiS, с его E1-подобным ферментом ThiF. Также предполагается, что белок Urm1 из *Saccharomyces cerevisiae*, модификатор, родственный убиквитину, является "молекулярным ископаемым", связывающим эволюционную связь между прокариотическими молекулами, подобными убиквитину, и самим убиквитином. У архей есть функционально более близкий гомолог системы модификации убиквитина, где происходит "сампилирование" с помощью SAMP (малых археальных модификаторных белков). Система сампилирования использует только E1 для направления белков к протеасоме. Протеоархеоты, связанные с предком эукариот, обладают всеми ферментами E1, E2 и E3, а также регулируемой системой Rpn11. В отличие от SAMP, которые больше похожи на ThiS или MoaD, убиквитин протеоархей наиболее схож с эукариотическими гомологами.

Прокариотический убиквитиноподобный белок (Pup) и бактериальный убиквитин (UBact)

Прокариотический убиквитин-подобный белок (Pup) является функциональным аналогом убиквитина, обнаруженным в грамположительном бактериальном типе Actinomycetota. Он выполняет ту же функцию (нацеливание белков на деградацию), хотя энзимология убиквитинилирования и популяциирования различна, и эти два семейства не имеют гомологии. В отличие от трехстадийной реакции убиквитинилирования, популяциирование требует двух стадий, следовательно, в популяциировании участвуют только два фермента. В 2017 году о гомологах Pup было сообщено в пяти типах грамотрицательных бактерий, в семи кандидатах на бактериальные типы и в одном архее. Последовательности гомологов Pup значительно отличаются от последовательностей Pup у грамположительных бактерий и были обозначены как Ubiquitin bacterial (UBact), хотя пока не доказано, что это различие филогенетически обосновано отдельным эволюционным происхождением и не имеет экспериментальных подтверждений. Предполагается, что эти системы были приобретены различными бактериальными линиями посредством горизонтального переноса генов от третьего, пока неизвестного, организма. В поддержку второй гипотезы, два локуса UBact были обнаружены в геноме некультивируемого анаэробного метанотрофного архея (ANME 1; локус CBH38808.1 и локус CBH39258.1).

Подкаст

Исследование системы убиквитин-протеасомы стало темой подкаста Dementia Researcher Podcast. Подкаст был опубликован 16 августа 2021 года, ведущей была профессор Селина Рэй из Университетского колледжа Лондона.