泛素调节的蛋白质降解

泛素标记的蛋白质降解

——探索生命活动中化学过程的又一成果

李静雯陆真

（南京师范大学化学教育研究所南京 210097）

摘要：本文主要介绍了2004年诺贝尔化学奖--泛素调节蛋白质降解的原理、模型及应用实例。该成果将有助于科学家从分子水平对细胞控制蛋白质分裂进行研究，并有利于研发新型药物，从而造福人类。

关键词：2004诺贝尔化学奖泛素标记蛋白质降解

2004年10月16日瑞典皇家科学院将本年度诺贝尔化学奖授予以色列科学家阿龙·切哈诺沃、阿夫拉姆·赫什科和美国科学家欧文·罗斯，以表彰他们在泛素调节的蛋白质降解研究领域中的卓越成就。

图1 2004年诺贝尔化学奖获得者，从左至右依次为阿龙·切哈诺沃、阿弗拉姆·赫尔什科、欧文·罗斯

阿龙·切哈诺沃1947年出生在以色列城市海法，现年57岁，1976-1981年间在赫什科指导下攻读博士学位，1981年获得以色列工学院医学博士学位，曾在麻省理工学院从事研究，后返回以色列工学院任教；阿弗拉姆·赫尔什科1937年出生在匈牙利，犹太后裔，13岁移民以色列，现年67岁，1969年在耶路撒冷希伯来大学获得医学博士学位，曾在旧金山加州大学从事研究，1972年起在以色列工学院任教；来自美国的欧文·罗斯现年78岁，1952年在芝加哥大学获得博士学位，现就职于美国加利福尼亚大学欧文分校。三名获奖者自20世纪70~80年代以来就一直致力于这一领域的研究。1970年代末，赫什科借着带薪休假的机会，带着当时还是博士后的切哈诺沃，到美国费城福克斯·蔡斯癌症研究中心的罗斯实验室进行访问研究，在那里完成了三位获奖者的大部分合作研究，发表了一系列生物化学论文。

1 泛素调节的蛋白质降解的生物学概述

蛋白质是包括人类在内各种生物体的重要组成成分。对于生物体而言，蛋白质的生成与降解至关重要。过去几十年来，生物化学界对于细胞如何制造出各种蛋白质有很多解释，但是对蛋白质降解的研究还很少，上世纪80年代初期这三名学者深入蛋白质降解过程的研究领域，进而发现了细胞最重要的循环过程以及有规律的蛋白质降解活动。

蛋白质的降解是一个精细控制的过程，首先有待降解的蛋白质被一种多肽（称之为泛素）所标记，接着这些蛋白质进入细胞的蛋白酶复合体中，蛋白酶复合体是一个上下有盖的圆桶状酵素，它们如同细胞的垃圾桶，专门负责蛋白质的分解及再循环利用，泛素在这一过程中释出讯号，让蛋白酶复合体分辨出有待降解的蛋白质。

了解了泛素为媒介的蛋白质裂解作用和过程，使得科学家对细胞如何控制及分裂蛋白质的研究有可能深入到分子层级。泛素作为载体的蛋白质裂解作用包括细胞分裂、DNA的修复、新生蛋白质的质量控制以及免疫系统的防御能力创建等方面。而当蛋白质裂解作用发生异常时，人体就会产生不适甚至疾病，如子宫颈癌症和囊肿纤维症等，因此，从分子层面角度去了解泛素调节的蛋白质降解的化学过程和机理，及对生命过程进一步的探索，具有十分重要的应用意义。

2 泛素调节的蛋白质降解原理介绍

2.1 泛素调节的理论基础

生物体内存在着两类蛋白质降解过程，一种是不需要能量的，比如发生在消化道中的降解，这一过程只需要蛋白质降解酶参与，如胰岛素可以在小肠内将食物降解为氨基酸；另一种则需要能量，它是一种高效率、指向性很强的降解过程。比如多数细胞内的蛋白质降解需要能量，这是由于在细胞内蛋白质的降解过程中发生了一系列的反应，最终使得将要被降解的蛋白质被一种多肽链所标记，这就意味着细胞对蛋白质降解具有很高的选择性，这种标记势必需要一定的能量，而这种能量在生物体内是以三磷酸腺苷的形式提供的。

图2 泛素的结构模型

泛素（Ubiquitin）（如图2），首先在牛的胸腺中被分离出来，后来又发现其存在于很多组织和器官中，它是一个由76个氨基酸组成的多肽链。它与底物蛋白质的赖氨酸残基共价地结合，虽然这种标记作用本身是非底物特异性的，即泛素可与各种蛋白质相连，但被泛素标记的蛋白质将被特异性地识别并迅速降解。它不同于蛋白质的某些可逆变化，如经过磷酸化的蛋白质可以重新复原，经过泛素修正的目标蛋白质一旦被破坏以后就不能恢复原状了。

一般哺乳动物体内都含有三类酶，E1类的用于激活泛素，E2类的与泛素结合，E3类的具有很强的特异性，它决定了细胞内的哪些蛋白质将要被标记并进而被降解。激活泛素的E1类酶本身不能形成泛素-

蛋白质变体，在获取ATP(三磷酸腺苷)提供的能量后，它的巯基以共价键形式与被激活的泛素提供的羧基结合，紧接着泛素的羧基发生转移与邻近的负责使泛素与蛋白质结合的E2类酶的巯基结合，然而E2类酶对蛋白质无特异性，这就需要E3帮助。E3具有辨认指定蛋白质的功能，当E2携带着泛素分子在E3的指引下接近指定蛋白质时，就把泛素分子绑在指定蛋白质上。这一过程不断重复，指定蛋白质上就被绑了一批泛素分子。被绑的泛素分子达到一定数量后，目标蛋白质就被运送到细胞内的“垃圾站”——蛋白酶体中进行降解。

图3 细胞内的废弃物处理装置——蛋白酶体，黑点表示活性区域，蛋白质降解的场所

一个细胞大约含30000个细胞废弃物处理装置即蛋白酶复合体——蛋白酶体（如图3），这些桶状结构可以几乎将所有蛋白质分解为7-9个氨基酸长度的缩氨酸，蛋白酶体的活性表面在桶状结构的内部。蛋白酶体能辨别出与泛素结合的蛋白质，一旦作为标签的泛素脱离蛋白质，即可利用三磷酸腺苷提供的能量改变蛋白质的性质使其从一端进入蛋白酶复合体内发生降解，并最终以缩氨酸的形式从另一端释放出来。这一过程如此复杂，需要消耗能量。然而蛋白酶体并不能选择待降解的蛋白质，细胞内主要是通过E3类酶的特异性选择并利用泛素加以标签，从而选择正确的待降解蛋白质。

2.2细胞内蛋白质标记及降解的理论模型

图4 细胞内蛋白质标记及降解的理论模型

上图显示了蛋白质被泛素标记并最终被蛋白酶体降解的整个流程，整个流程分为以下六个步骤：

1、E1类酶激活泛素，该过程需要ATP（三磷酸腺苷）提供一定能量；

2、泛素转移至E2类酶；

3、E3类酶具有特异性，可以识别出需破坏的目标蛋白质，与目标蛋白质接近的E2-泛素复合体将泛

素转移至目标蛋白质；

4、E3类酶释放出被泛素标记的蛋白质；

5、被标记的蛋白质分子尾端形成一小段泛素分子链；

6、泛素分子链在蛋白酶体的端口被识别并脱离蛋白质，目标蛋白质进入蛋白酶复合体的桶状通道最

终降解为缩氨酸并由另一端口释放出去。

3生物体中泛素调节的应用实例及意义

植物体中自花授粉的阻止：大多植物体都是雌雄同体，自花授粉可使基因多样性降低，逐渐会使整个物种灭亡。植物体利用泛素为媒介的降解抵制自花授粉，该过程的精确机理还不清楚，但一定与E3类酶有关，而且当加入泛素抑制剂后这种抵制作用会降低。

细胞更新的调节：细胞复制过程中发生很多反应，常细胞的有丝分裂、生殖细胞的减数分裂均与泛素调节有关。一种促进分裂复合物（APC）负责检查分裂异常的细胞，还能帮助细胞分裂过程中染色体的脱离。另一种蛋白质复合物像绳索一样围绕着染色体对将其结合在一起。当ATP接到信号后，它标定一种特定的蛋白降解酶抑制剂，该抑制剂被带进蛋白酶体中加以破坏，然后蛋白降解酶被释放出来，破坏染色体对周围的绳索，一旦绳索被剪开，染色体对就得到分离。减数分裂中不正常的染色体对分离常导致自然流产，而其余21对染色体的不正常分裂可导致唐氏症，大多数的恶性肿瘤也都是由于有丝分裂不正常导致染色体数目不对而产生的。

泛素调节的应用除此之外还有很多，如DNA的修复及癌细胞的消灭等，泛素调节的蛋白质降解在生物体中如此重要，因而对它的开创性研究也就具有了特殊意义。目前，在世界各地的很多实验室中，科学家不断发现和研究与这一降解过程相关的细胞新功能。这些研究对进一步揭示生物的奥秘，以及探索一些疾病的发生机理和治疗手段具有重要意义。

在生命科学领域中应用化学方法得到的研究成果获得诺贝尔化学奖已并不令人意外，回顾近几年的诺贝尔化学奖，很多是颁发给在生命科学领域做出杰出成果的化学科学家，如2002年的化学奖颁予了约翰·芬恩（美国）、田中耕一（日本）、库尔特·维特里希（瑞士），他们发明了对生物大分子进行确认和结构分析的质谱分析法；2003年的化学奖颁予了彼得·阿格雷（美国）、罗德里克·麦金农（美国）以表彰他们在细胞膜通道方面做出的开创性贡献。化学科学与生命科学的融合越来越紧密，科研工作者们也越来越重视跨学科的交流，当不同学科的思维方式和哲学文化思想背景进行碰撞时，总会产生意想不到的结果，化学家用化学及其他学科的思维和方法来研究生命体的问题，正在与生物学家们一道努力解开生命的本质。21世纪是生命科学的世纪，但化学对生命科学领域的贡献远未达到其应有的水平，所有学科的科学家都应该用自己的智慧和方法去探究生命的本质，加速学科之间整合与发展。

这种融合和整合发展观念，同样也给化学教学带来非常深刻的启迪。要求我们化学教师除了教授和指导化学科学的基本结构和概念外，还要及时了解本学科的最新进展与成就。并在教学中加以渗透，以易懂的方式使学生对现代化学和未来有所理解；同时有意识地在教学中加强与相关学科知识的结合，促使学生对科学的整体性、发展性和应用性产生更深刻的认识；激发对科学和化学的兴趣；将所学知识融会贯通，增大知识面并且提高分析和解决问题的能力，培养具有良好科学素养的复合型人才。