1、蛋白質量控制的方式和機制學院:動物科學技術學院 班級：遺傳4班 姓名：李波 學號：2015050509目錄一、分子伴侶和折疊酶1（一）水性域和分子伴侶1（二）蛋白質的二硫鍵異構酶2二、內質網的蛋白質質量控制3（一）真核細胞的未折疊蛋白應答3（二）內質網相關的蛋白質降解31、泛素化的分子機制32.蛋白酶體的分子機制43.非泛素依賴的蛋白質降解5三、線粒體的蛋白質質量控制6（一）線粒體蛋白氧化損傷的修復機制6（二）線粒體基質的蛋白質質量控制6四、蛋白質質量控制自噬7 胞內與蛋白質合成相關的信息傳遞是一個非線性過程，如哺乳動物細胞內mRNA的豐度與蛋白質的表達水平在多數情況下不相關。這是由于遺傳信息

2、流動存在三個層次的調控，即轉錄水平調控、翻譯水平調控和翻譯后水平調控。這些調控機制對蛋白質的合成和功能化具重要的生物學意義。那么，有調控就意味著有選擇，哺乳動物細胞具備清除異常蛋白的機制，即正確合成的蛋白質被利用，錯誤合成的蛋白質被降解，這也被稱為蛋白質質量控制。 目前認為選擇性降解異常蛋白的主要場所是內質網和線粒體。 蛋白質質量控制的重要意義主要體現在兩個方面：它是細胞維持自穩狀態的一種選擇性分解代謝機制；失效的蛋白質質量控制是很多疾病的分子病因。這個復雜的調控網絡中仍存在眾多未解決的問題。作為功能蛋白基礎研究的焦點之一，蛋白質質量控制的機制也越來越多地被用于解釋與多種人類健康相關的問題，從

3、而成為藥物開功能蛋白質研究發的重要基礎理論之一。一、分子伴侶和折疊酶 內質網為蛋白質折疊提供必要的內環境、大量分子伴侶(molecular chaperon)和與蛋白質修飾相關的折疊酶。 分子伴侶是一類能夠協助其他多肽進行正常折疊、組裝、轉運和降解的蛋白質，在真核細胞中，其主要成員是熱激蛋白同系物。其中，最值得關注的是BipGRP78(Hsp70家族成員)和GPR94(Hsp90家族成員)，它們負責與多數轉位至內質網腔體的新生蛋白結合。與胞漿不同，內質網腔體為氧化環境，為分泌型和膜蛋白的二硫鍵形成和穩定所必需，該反應由蛋白質二硫鍵異構酶(PDI)催化。PDI也被稱為折疊酶。（一）水性域和分子伴

4、侶 蛋白質的二級結構具有一定的規律性和可預測性。新生肽被分配(targering)到內質網后，具備跨內質網膜進入內質網腔的能力。此時，除了自裝配，新生肽可能具有兩種命運。第一種命運，如果沒有分子伴侶輔助，疏水性氨基酸可以彼此結合介導蛋白質聚集，從而不能形成功能蛋白質，并可能在細胞內形成包裹體。第二種命運，分子伴侶可以瞬時結合疏水性氨基酸，從而阻斷蛋白質聚集，在折疊酶催化下，介導蛋白質正確折疊。不僅如此，分子伴侶也通過分子競爭結合作用介導聚集蛋白的解離和進一步正確折疊。 分子伴侶與疏水性氨基酸的結合活性也可用于識別變性和錯誤折疊蛋白。疏水性氨基酸殘基具斥水性分子力，它們通常在蛋白質內部，這就保持

5、了蛋白質的低能級狀態，從而在穩定三級結構方面起作用。新生蛋白若錯誤折疊，或在熱激(heat shock)狀態下，蛋白質的疏水性氨基酸可被暴露。這時，分子伴侶可與之結合并達到識別未折疊蛋白的目的，這也是一種應對應激和蛋白質質量控制的重要機制。（二）蛋白質的二硫鍵異構酶 大多數真核細胞的分泌型蛋白質都具有二硫鍵，也就是由兩個半胱氨酸(S)的巰基基團氧化脫氫后形成SS結構分子鍵，它是蛋白質正確折疊和實現生物學功能的必要條件之一。在分子伴侶的協助下，新生肽可以免于聚集，在此基礎上新生肽可以非常緩慢的自發氧化形成二硫鍵。顯然，這種速率在應激狀態下可能無法滿足大量蛋白質折疊的需要，因此，需要特異性的酶催化

6、二硫鍵形成，這種特異性的酶就是蛋白質二硫鍵異構酶，而且發現其除了催化二硫鍵形成以外，這種酶還可以介導蛋白質異構化。 PDI主要存在于內質網中，也有少量分布于線粒體和胞漿中，其分子質量約為55kDa，由約500個氨基酸殘基組成的5個結構域分別為a、a、b、b和c。 PDI的活性可歸納為兩個方面：催化兩個半胱氨酸殘基的巰基基團的氧化反應，從而形成二硫鍵；催化錯誤折疊的蛋白質異構化以形成正確折疊。 PDI識別錯誤折疊蛋白的機制與PDI的分子伴侶活性相關。PDI可識別錯誤折疊蛋白的暴露的疏水性氨基酸殘基，并利用b 7結構域與底物蛋白質結合。PDI-蛋白復合體形成后將發生復雜構象變化，并由a和a 7結構

7、域誘導新二硫鍵形成，從而介導蛋白質異構化。二、內質網的蛋白質質量控制（一）真核細胞的未折疊蛋白應答 細胞在包括熱、滲透壓和細胞外物質等刺激下往往面臨細胞內酶活性、離子濃度和信號轉導通路等內環境的變化。這種應激狀態的直接結果之一就是細胞內蛋白質合成后修飾的異常，從而可能導致未折疊蛋白的增加。若分泌型蛋白和膜蛋白沒能在內質網腔體內正確折疊，且呈積累效應，則會引發內質網應激(ERS)。內質網會出現一系列保護性反應以應對ERS，這被稱為未折疊蛋白應答(UPR)。UPR啟動的首要目的是保護細胞自身，即上調細胞存活基因的表達、減少新生肽的合成，以及增加分子伴侶和折疊酶的產量以促進蛋白質正確折疊，這與肌醇酶

8、一1(Irel)、激活轉錄因子一6(ATF6)和蛋白激酶RNA樣內質網激酶(PERK)3種關鍵的內質網跨膜蛋白密切相關。此外，UPR將持續激活包括線粒體依賴和非依賴細胞凋亡途徑。與此同時，UPR將通過泛素化一蛋白酶體途徑介導內質網相關蛋白質降解(ERAD)，以盡量清除未折疊蛋白。（二）內質網相關的蛋白質降解 內質網相關的蛋白質降解(ERAD)是蛋白質質量控制的核心環節，在UPR上調生存基因，降低總轉錄和翻譯的同時，ERAD選擇性水解未折疊和錯誤折疊蛋白顯然是一種降低內質網應激的直接手段。這種水解機制被稱為泛素一蛋白酶體信號通路(UPP)，顧名思義，UPP要有兩個核心部分：泛素(Ub)系統和蛋白

9、酶體，它們分工非常明確，Ub負責標記未折疊蛋白，蛋白酶體負責特異性水解這些標記蛋白。Ub和蛋白酶體也被稱為泛素蛋白酶系統(UPS)。1、泛素化的分子機制 Ub是一個小分子蛋白質，由76個氨基酸組成，它是一個廣泛表達于真核細胞的保守蛋白質，因而得名泛素，最早它被認為是胸腺的一種激素。后來發現，Ub的主要生物學特性是可通過其C端的甘氨酸殘基與底物蛋白質的N端或內部序列中賴氨酸(Lys)殘基的e_氨基形成異肽鍵。所謂異肽鍵，是指位于蛋白質側鏈氨基基團和羧基基團形成的酰胺鍵。這種以Ub共價標記底物蛋白質的后翻譯修飾被稱為泛素化。 泛素化過程是一種與泛素活化酶(E1)、泛素交聯酶(E2)和泛素連接酶(E

10、3)3種酶相關的級聯催化反應。首先，E1水解一個分子ATP并將一個Ub分子C端的甘氨酸殘基結合一個分子的腺苷酸(AMP)。其次，在E1的催化下，Ub被去AMP化，并與E1活性中心的半胱氨酸殘基形成硫酯鍵，從而完成Ub的E1轉移。此時，E2催化E1-Ub復合體硫酯鍵的還原反應，從而介導E1與Ub解離，進而催化E2的半胱氨酸殘基與Ub的甘氨酸殘基形成新的硫酯鍵，此反應的結果是Ub的E2轉移和E1解離。最后，E3催化E1一Ub復合體硫酯鍵的還原反應，并介導Ub與底物蛋白質賴氨酸殘基的連接反應，結局是以異肽鍵形式將底物蛋白質標記Ub，完成一輪泛素化反應。Ub分子本身也有幾個賴氨酸殘基，因此，Ub分子可

11、以通過上述反應級聯泛素化Ub分子，形成多泛素鏈(Ub chain)結構。研究表明，靶蛋白被泛素鏈結構標記是其可被蛋白酶體識別的前提。2.蛋白酶體的分子機制 A底物識別 細胞內分布著大量單泛素化或多泛素化的底物蛋白質，一般認為被超過4個Ub分子標記的底物蛋白質能被蛋白酶體識別。 酵母Rpnl0(人細胞中為hRpnlO)是最早被發現的Ub受體，也研究得最為充分。其中，hRpnl0可以通過其C端的兩個泛素作用基序(UIM)識別Ub。根據剪接位點不同，UIM又可分為UIMl和UIM2，它們各自包含一個a螺旋，而UIM2與ub的結合力至少是UIMl的5倍，在多個Ub分子存在的條件下，UIMl和UIM2顯

12、示協同作用。與此類似，酵母Rpnl3(人細胞中為hRpnl3)也是蛋白酶體的一個內源性Ub受體，不過它是通過一個被稱為PH結構域的血小板蛋白樣泛素受體(Pru)識別Ub分子的。 UBLUBA蛋白的底物運輸機制還可能與泛素化反應中的連接酶相關。也就是說，連接酶可能催化UBLUBA蛋白的UBL結構域與底物蛋白質結合。 B去泛素化 當底物蛋白質被轉位到CP的僅環之前，必須首先發生去泛素化，其目的是加工底物蛋白質，使其暴露可被p環識別的活性位點。但是，這兩種反應的具體機制還不清楚。目前認為三種位于RP蓋狀結構的去泛素化酶與該反應相關，它們分別是Rpnl 1、Uch37和Ubp6。Ub鏈是極性的分子結構

13、，Rpnl l對Ub的切割具有原點特異性，也就是說它會介導切除整個Ub鏈。有研究表明，如果Ub鏈保留，CP切割底物蛋白質的能力會顯著降低，然而這種現象的機制不清楚。Ub的物理結構非常穩定，因此，如果它不被徹底切除，可能會降低接下來的去折疊速率。有研究表明，如果誘導UBP6基因突變，細胞內的Ub周轉率就會顯著降低。這是因為，有很多蛋白質被不止一條Ub鏈標記，這時Ubp6的作用可能就相對重要，因為Rpnll只能切除單個Ub鏈標記的蛋白質。而Uch37的主要功能被認為是調節CP活性并且介導單個或兩個Ub分子標記的蛋白質。 C去折疊反應 去折疊反應的機制目前尚不清楚，而且有爭議。總體而言，去折疊反應有

14、兩類模型：模型I認為去折疊反應發生在蛋白酶體表面，而且發生在CP轉位之前；模型II認為底物去折疊發生在CP通道內，也就是說去折疊和轉位是不分先后的，是同一過程。 如果底物蛋白質空間結構允許通過13A的孔徑，那么在UBLUBA將底物轉運至CP時即可發生轉位，并且在轉位過程中邊轉位邊繼續去折疊(模型II)；但如果蛋白質較大，由于無法通過孔徑，其在RP滯留從而增加了CP轉位前去折疊反應的時間，在蛋白質逐級失去空間結構并達到可以通過孔徑時，CP轉位即發生，由于存在滯留時長，看上去好像去折疊在前，轉位在后(模型I)。 D底物蛋白質在CP通道內降解 底物蛋白質轉位至CP通道后被p亞基以蘇氨酸依賴的親核攻擊

15、形式降解。這一降解過程與位于底物蛋白質上的兩類信號有關：起始信號和部分降解信號。底物蛋白質上往往存在一個類似信號肽的無結構又能進入a環的起始位點，也被稱為起始信號。起始信號是一個內源型的未折疊蛋白片段，也就是蛋白質內部的水解位點。目前至少在細胞周期蛋白B(cyclinB)、Sicl和伊半乳糖苷酶(fl-galactosidase)等底物蛋白質中已經證實有起始信號的存在。具部分水解特性的底物蛋白質常有相似的結構序列特征，即一個高度折疊的結構域(元素II，element II)和在其附近的一個2030個氨基酸殘基的低復雜度序列(元素I，element I)。元素I和元素II統稱為部分水解，其中，元

16、素I負責啟動CP蛋白降解，而降解過程將會跨過元素II形成部分降解。比較典型的例子就是哺乳動物的NF-xB復合物，它在靜止狀態時以無活性的前體分子存在，一旦接受UPR等信號，經UPS部分水解而轉變為活性分子；在酵母蛋白中也發現了類似的現象。這種選擇性降解被稱為“受調控的泛素一蛋白酶體依賴的剪切”。 3.非泛素依賴的蛋白質降解 既然UBL蛋白能夠參入Ub鏈中，那么可能有更多的蛋白質可以模擬Ub反應，或者蛋白質本身就具有蛋白質水解起始信號以供被蛋白酶體識別，從而省去了泛素化反應。這種不需要泛素化修飾即可降解蛋白質的機制確實存在，被稱為非泛素依賴的蛋白質降解(ubiquitin-independent

17、 protein degradation)。最早發現的具有這種機制的底物蛋白質是鳥氨酸脫羧酶(ODC)，它可以與抗酶非共價結合而發生構象變化，暴露其C端的降解起始信號，進而介導蛋白酶體依賴的降解作用。三、線粒體的蛋白質質量控制（一）線粒體蛋白氧化損傷的修復機制 呼吸鏈的氧化磷酸化反應可介導線粒體生成大量ROS，因此，線粒體也是細胞內RoS最富集的細胞器。雖然折疊酶的活性依賴于氧化環境，但是，過多的ROS將介導產生線粒體蛋白的氧化損傷。 幾乎所有蛋白質內部的氨基酸殘基都可以被氧化，其中最易被氧化的是含有S的氨基酸(半胱氨酸和蛋氨酸)和含芳香環的氨基酸(酪氨酸和蛋氨酸)。 因此，應對抗氧化損傷是線

18、粒體蛋白質量控制的一道重要防線。目前已知的逆轉氧化損傷的機制僅限于含S氨基酸的氧化產物還原。這些產物包括二硫分子橋、半胱次磺酸、半胱亞磺酸和半胱磺酸。甲硫氨酸氧化反應為：首先生成甲硫氨酸亞砜，進而形成甲硫氨酸砜。其中，甲硫氨酸砜的形成一般伴隨蛋白質疏水性增加和功能損傷。線粒體中存在高豐度的硫氧還原蛋白硫氧還原蛋白還原酶，這兩種氧化還原蛋白可以誘導二硫分子橋和磺酸的還原反應；而谷胱氧化還原蛋白谷胱甘肽谷胱甘肽還原酶反應系統也可以減少二硫分子橋。（二）線粒體基質的蛋白質質量控制 幾乎所有的基質蛋白是在胞漿中合成的，然后通過蛋白質分配(targeting)機制轉位到線粒體的外膜和內膜，這時的蛋白質多

19、處于未折疊狀態。線粒體內含有多種分子伴侶，包括線粒體Hsp70(mtHsp70)、mtHsp60和mtHspl00家族成員，它們可以輔助新生蛋白質的基質轉位，進而輔助蛋白質折疊。然而，未折疊蛋白可被基質特異性的蛋白酶識別，這些蛋白酶包括Lon蛋白酶和CIpXP蛋白酶等。線粒體基質的蛋白質量控制中具有代表性的是線粒體的自噬。 線粒體自噬(mitophage)現象最早是在饑餓誘導的酵母菌死亡模型中被發現的。在當時，普遍的觀點認為線粒體可以直接被囊泡(vacuole)吞噬降解，然而，線粒體自噬的發現可以說開創了一個新的領域，因為，種種證據表明，這不但是受損細胞器的清除機制，而且也是一些高分子蛋白的質量控制手段。其中，最為重要的發現是UTHl基因與