泛素化蛋白修饰课件
蛋白泛素化修饰
3分钟带您了解蛋白泛素化修饰人体细胞内蛋白质降解主要有两条途径：一种是在溶酶体内（一种具有“消化降解”功能的细胞器）通过ATP（体内直接供能分子）非依赖途径被降解，此途径主要降解外来的蛋白质，对蛋白质的选择性较差。
另一种是在蛋白酶体内，通过ATP依赖途径（需耗能），经过泛素化修饰后被降解。
此途径主要降解细胞内结构异常的蛋白质和短寿的蛋白质。
如果我告诉你真核生物80%～90%蛋白质的降解是由泛素-蛋白酶体降解途径(ubiquitin-pro-teasomepathway, UPP)介导的，而此途径是泛素化修饰蛋白最主要的去向，你是不是很好奇泛素化修饰到底是何方神圣？那小编就言简意赅、简明扼要的给大家介绍一下蛋白泛素化修饰。
泛素(Ub, ubiquitin)是一种普遍存在于真核细胞中的由76氨基酸残基组成的多肽。
一个或多个泛素分子能够在一系列酶的作用下共价连接至蛋白质底物上，形成泛素化修饰(ubiquitination)。
调控蛋白表达水平的重要机制，参与了几乎所有生命过程，是一种至关重要的翻译后修饰。
01在ATP供给能量的情况下，泛素激活酶E1将泛素分子活化。
02泛素激活酶E1将活化的泛素分子传递给泛素结合酶E2。
03泛素连接酶E3将结合E2的泛素连接到靶蛋白上。
图1. 泛素化修饰过程［1］泛素-蛋白酶体途径(UPP)20S催化核心与19S调节复合物结合形成26S蛋白酶体结构。
泛素标记的蛋白质与19S复合物结合，并在蛋白水解β亚基处降解。
19S亚单位与多泛素链结合，ATP展开蛋白质底物并将其转移到20S核心颗粒中。
蛋白质通过20S 中心，在那里被降解成25个氨基酸以下的小寡肽。
介导泛素非依赖性蛋白质降解。
图2. 蛋白酶体结构与蛋白质降解［1］泛素化修饰类型在泛素链中，泛素部分可通过其赖氨酸（Lys11、Lys27、Lys6、Lys29、Lys33、Lys63和Lys48）或N端蛋氨酸残基（Met1）结合。
备课素材：蛋白泛素化修饰 高中生物人教版必修1
蛋白泛素化修饰先看一道试题：泛素（Ub）是一种小分子蛋白质，大部分真核细胞都含有这种蛋白质。
泛素能与细胞中需要降解的蛋白质结合，这个过程被称为蛋白质泛素化，其过程如图1所示（E1、E2和B表示不同的酶分子，ATP脱去一个焦磷酸PPi形成AMP即腺苷—磷酸）。
泛素化蛋白被细胞内蛋白酶体识别，然后被水解。
泛素蛋白最后一个氨基酸是甘氨酸，这个氨基酸的羧基与需降解蛋白质多肽链内部R基团上的氨基脱水缩合。
泛素蛋白通过这种方式与需降解蛋白连接。
两个泛素蛋白之间的连接方式与这种方式相似，泛素蛋白第48个氨基酸是赖氨酸，这个氨基酸R基上的氨基与另一个泛素蛋白最后一位的甘氨酸的羧基脱水缩合，如此形成需降解蛋白与多个泛素的复合体（图2为甘氨酸和赖氨酸的化学结构式）。
被四个以上泛素标记的蛋白质会被蛋白酶体识别。
蛋白质会被蛋白酶体降解成短肽。
降解过程中，泛素也被水解下来，形成单个泛素蛋白，再用于另一个蛋白质分子的泛素化。
被泛素标记后，再被定向清除。
据此回答问题：（1）蛋白质泛素化过程是酶E1、E2、E3接力催化完成的。
其中______（填“E1”、“E2”或“E3”）酶具有多种类型，做出此判断的理由是______。
（2）绘图表示甘氨酸羧基与赖氨酸R基上的氨基脱水缩合后，所形成的物质的化学结构式______。
这一物质______（填“属于”或“不属于”）二肽。
（3）泛素降解途径在生物体生命活动过程中的意义是______（多选）。
A．降解细胞不需要的蛋白质B．调节细胞内蛋白质的种类和数量C．调整细胞功能D．利于细胞产生适应环境的定向变异解析：（1）蛋白质泛素化过程是酶E1、E2、E3接力催化完成的，由图可知，E3识别并结合带有泛素的E2和需降解蛋白，即E3需要识别各种空间结构不同的、需降解的蛋白质，所以与E1、E2相比，E3的空间结构应具有多样性。
（2）氨基酸生成二肽，就是两个氨基酸分子中与碳原子直接相连的氨基和羧基脱去一个水分子，故甘氨酸羧基与赖氨酸R基上的氨基脱水缩合后，所形成的物质不属于二肽，其化学结构式为。
9蛋白质修饰(泛素化)
泛素化内稳态及信号一：背景1.细胞内蛋白酶解：80%-90%通过蛋白酶体降解，10%-20%通过自噬。
2．泛素：由70个左右的氨基酸组成，本身有7个赖氨酸可被泛素化。
细胞内广泛存在的一种蛋白。
占细胞总蛋白1-2%，真核生物中高度保守。
泛素内稳态取决于不断的改变。
泛素化和去泛素化是一个动态平衡过程。
3．细胞内泛素化-蛋白酶体系统（U P S）（1）E3连接酶亚家族：E3连接酶的功能影响细胞每个方面的活性，它的改变可以导致疾病。
（2）E3连接酶（大约600种）可以作为o n c o g e n e或者t u m o r s u p p r e s s o r（3）泛素信号：分类及功能功能：细胞凋亡、D N A转录和修复、分化和生长、免疫应答和炎症，细胞表面受体和离子通道，血管新生，核糖体生物合成等等泛素信号异常：肿瘤、病毒感染、神经退行性疾病、发育畸形、细菌感染等。
蛋白质降解受到抑制后，正常细胞会出现生长抑制，而肿瘤细胞则出现凋亡。
二、泛素内稳态及应激1.细胞内泛素内稳态（老师上课说过这是可能的考点）泛素内稳态：泛素合成聚泛素链形成聚泛素链组装泛素降解泛素应激：泛素增加、泛素减少泛素减少：损害减数分裂、组织生长缺陷、突触发育及功能、胎儿肝脏发育细胞周期及耐逆性、增殖缺陷、扰乱造血系统、神经退化和代谢紊乱、细胞分化异常泛素增加：延迟衰老、改变基因表达、热击的应答方式、促进细胞增殖和应激耐受、改变蛋白酶体构成、激活自噬三、泛素信号和主要信号通路1、N-e n d r u l e通路泛素化蛋白酶体系统中最简单的规则：及蛋白质N端的特点决定蛋白质的半衰期，若N端为精氨酸或者赖氨酸的蛋白质寿命就很短。
最早期试验：牛血清白蛋白（B S A）N端为天冬氨酸，可以被A T E1（精氨酸t-R N A转移酶1）催化在N端加上精氨酸，进而被E3连接酶识别发生降解。
后来发现：机制是蛋白质N端带上谷氨酸和天冬氨酸可以在A T E1作用下被精氨酸化。
蛋白翻译后修饰-泛素化(1)
分子机制研究套路（二）蛋白翻译后修饰-泛素化课题：蛋白A调节蛋白B泛素化和降解的研究1．概念介绍：大多数蛋白均需进行翻译后修饰来扩增蛋白质组的数量，调节蛋白质的稳定性、分布和功能。
翻译后修饰包括磷酸化、泛素化、亚硝基化、氧化等等。
泛素化是在蛋白质翻译后,通过将泛素分子结合到靶蛋白上,形成多聚泛素链,带有多聚泛素链的靶蛋白可被26 S蛋白酶体识别、降解。
泛素是76个氨基酸的多肽片段，包含7个赖氨酸残基，允许同时发生聚泛素化反应。
在赖氨酸-48聚泛素化会导致其通过28S蛋白酶体降解。
然而赖氨酸-63可以改变细胞的功能，包括运输和DNA修复。
可见，单一的泛素化会依据其作用位点的不同而产生不同的结果。
它和泛素激活酶（E1）、泛素结合酶（E2）、泛素连接酶（E3）和蛋白酶体组成了泛素-蛋白酶体系统（Ubiquitin-Proteasome System，UPS）。
UPS是细胞内非溶酶体途径蛋白质降解通路，不仅降解变性、异常或起短暂作用的蛋白质，而且能降解转录因子、内膜蛋白和细胞周期蛋白等天然蛋白，对于维持蛋白质稳定状态、调节细胞程序性死亡和控制细胞周期等过程有重要的作用。
UPS还可作用于转录因子及体内的某些信号传导通路，并参与细胞凋亡、主要组织相容性复合体抗原递呈、细胞周期以及细胞内信号传导等多个细胞生理活动，对维持细胞正常生理功能具有重要意义。
2．示意图：图1 UPS的发生依赖于三种酶的参与。
E1通过硫酯键将E1酶半胱氨酸与泛素分子连接在一起，其能量来源于ATP水解作用；E2与泛素蛋白连接于激活的半胱氨酸位点；E3 负责将泛素化蛋白与靶蛋白结合在一起，3．研究思路：3.1 蛋白A降低蛋白B的表达量 (3)3.1.1 蛋白A介导蛋白B降解 (3)3.1.2 蛋白A降解蛋白B的特异性 (3)3.1.3 蛋白A介导蛋白B降解呈剂量依赖性 (3)3.1.4 蛋白A调节蛋白B稳定性 (4)3.2 蛋白A介导蛋白B降解位于蛋白酶体系统 (4)3.2.2 蛋白B降解位于蛋白酶体系统 (4)3.2.3 蛋白A介导蛋白B降解位于蛋白酶体系统 (5)3.3赖氨酸XXX位点为蛋白A介导蛋白B泛素化靶位点 (5)3.3.1 蛋白A介导蛋白B泛素化 (5)3.3.2赖氨酸XXX位点为蛋白A介导蛋白B泛素化靶位点 (5)3.4 蛋白A氨基端与羧基端在蛋白B降解中的作用 (6)3.4.1 蛋白A氨基端与蛋白B降解 (6)3.4.2 蛋白A羧基端与蛋白B降解 (6)3.4.3 蛋白A羧基端与蛋白B泛素化 (6)3.1 蛋白A降低蛋白B的表达量3.1.1 蛋白A介导蛋白B降解蛋白A是泛素蛋白酶体系统中的一个调节分子。
泛素化蛋白修饰课件
Current Opinion in Neurobiology 2004, 14:384–389
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Parkin Substrates
Current Opinion in Neurobiology 2004, 14:384–389
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帕金森氏症中的去泛素化
UCH-L1为一去泛素化酶，它在帕金森氏症病人中的突变 可能导致其酶活性的丧失，减少了泛素自由单体的供应及 底物蛋白的降解，进而导致黑质病变。
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泛素化途径的异常与人类重大疾病
• 神经退行性疾病（如帕金森氏症）： Parkin, UCH-L1
• 癌症: BRCA1, CYLD, Mdm2, Nrdp1, pVHL
• 传染病病原体的入侵、致病机制: E6-AP
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泛素连接酶Parkin的失活与帕金森氏症（AR-JP)
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E1与ATP结合后，催化泛素羧基末端 腺嘌呤化，同时释放无机焦磷酸 （PPi）。E1活化位点的半胱氨酸硫 醇激活泛素腺嘌呤核苷酸中间产物上 的羧基，形成一个泛素硫酯键。
E2激活的重要条件是位于UBC结构 域的一个保守半胱氨酸催化位点与泛 素羧基端形成一个硫酯键。
E3催化被E2活化的泛素C-端甘氨酸 与底物或下一个泛素的赖氨酸间形成 泛素异肽键 (Isopeptide bond)。
E3: 泛素－蛋白连接酶 (Ubiquitin学-习p交ro流tPePiTn ligase)， 人类有500多种E3s 。 9
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泛素化(ubiquitination)即蛋白质被泛素 (ubiquitin，由76个氨基酸组成的多肽）共价修
蛋白质分子的化学修饰课件
催化去磷酸化反应的酶，将蛋白 质上的磷酸基团去除。
蛋白质磷酸化修饰 磷酸化修饰的种类
调节蛋白质活性
磷酸化修饰可改变蛋白质 的构象或活性位点，从而 调节其功能。
参与信号转导
磷酸化修饰在细胞信号转 导过程中起着关键作用， 可影响细胞生长、分化、 代谢等过程。
蛋白质稳定性
磷酸化修饰可影响蛋白质 的稳定性，通过调节蛋白 质降解途径来影响细胞内 蛋白质水平。
2023
PART 04
蛋白质甲基化修饰
REPORTING
甲基化修饰的种类
赖氨酸甲基化
赖氨酸残基的ε-氨基上加上甲基 基团，包括单甲基化、二甲基化
和三甲基化。
蛋氨酸甲基化
蛋氨酸残基的α-氨基上加上甲基基 团，通常为N-甲基化。
精氨酸甲基化
精氨酸残基的胍基上加上甲基基团 ，包括N-甲基化和N,N-二甲基化。
2023
PART 03
蛋白质糖基化修饰
REPORTING
糖基化修饰的种类
O-糖基化
糖基磷脂化
发生在蛋白质的丝氨酸或苏氨酸的羟 基上，由糖苷酶催化。
将糖基连接到脂质分子上，形成糖脂 。
N-糖基化
发生在蛋白质的氨基上，由糖苷酶催 化。
糖基化修饰的酶类
糖基转移酶
催化糖基从供体转移到受体上。
糖苷酶
催化糖苷键的断裂，释放出糖基 。
泛素化
泛素化是指将泛素分子加到蛋 白质的特定位点上，可以调节 蛋白质的降解和功能。
甲基化
甲基化是指将甲基基团加到蛋 白质的特定位点上，可以调节 蛋白质的构象和与其他蛋白质
的相互作用。
蛋白质分子化学修饰的功能
调节蛋白质活性
调节蛋白质稳定性
组蛋白的泛素化与去泛素化.ppt
除了单泛素化，H2A/H2AX在DNA损伤时可发生K63位的多泛素化
负责H2A/H2B泛素化与去泛素化的酶
H2A-specific
Common to H2A/H2B H2B-specific
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Histone ubiquitinase
One E1(activating),
mutiple E2(conjugating),
substrate-specific E3(ligase)
E3主要有两大类: HECT(homologous to the E6-AP carboxyl terminus) 结构域家族，通过与泛素形成催 化作用所必需的硫酯键发挥作用 RING(really interesting new gene)结构域 家族，为E2和底物提供居留位点从而使 E2 催化泛素转移到底物上
FACT:facilitates chromatin transcription 二聚体，包括SPT16和SSRP1，能从核小体中置 换出H2A/H2B二聚体，进而促使染色体介导的转 录延伸抑制得到释放
Molecular Cell, MG Rosenfeld, 1(29), 2008
H2B
✓H2B monoubiquitylation and deubiquitylation can directly modulate the chromatin state by altering nucleosome stability, promoting partial nucleosome disassembly and reassembly, and regulating chromatin higher-order structure. ✓modulate chromatin indirectly through the binding or repulsion of specific readers, which call into action a plethora of proteins and protein complexes with diverse biochemical activities. ✓The direct and indirect mechanisms are not mutually exclusive E.g.relaxation of higher-order chromatin structure is expected to facilitate the access of H2Bub1 readers
蛋白质修饰与药物研发课件
蛋白质翻译后修饰P t t l ti l M difi ti (PTM)Post-translational Modification (PTM)Enzymes-PO 3-CH 3磷酸化Phosphorylation 甲基化Methylation 酰CH 3CO-NO-乙酰化Acetylation亚硝基化S-Nitrosylation Ubiquitin SUMO Nedd8泛素化Ubiquitination SUMO 化SUMOylation NEDD 化Neddylation glycan …y糖基化Glycosylation …调控蛋白质修饰的抗肿瘤药物格列卫(Gl I ti ib)磷酸化格列卫(Gleevec, Imatinib)硼替佐米(Bortezomib)沙利度胺(Th lid id )泛素化沙利度胺(Thalidomide)来那度胺(Lenalidomide)酰化来那度胺()伏立诺他乙酰化伏立诺他(Vorinostat)帕比司他(Panobinostat)泛素⎯蛋白酶体途径E1泛素激活酶素结E2UbUb Ub E3泛素结合酶UbUbUb 泛素连接酶底物蛋白底物蛋白DUB Kif K48DUB去泛素化酶UbUb Ub Ub蛋白酶体硼替佐米：一个蛋白酶体可逆抑制剂Post-Tryptic Sit β1β2硼替佐米BortezomibGlutamyl SiteSite37ββ第一个抑制蛋白酶体的药物BortezomibChymo-tryptic β4β6α第个抑制蛋白酶体的药物Siteβ5Cross section of βCross section of βring βSide effect. Not specific.卡非佐米蛋白酶体模型αCarfilzomib Irreversible inhibitor为什么靶向E3泛素连接酶?¾人类基因组编码600多个E3泛素连接酶¾E3泛素连接酶具有催化结构的多样性¾E3泛素连接酶决定了泛素化底物蛋白的选择性3泛素连接酶决定泛素化底物蛋白的选择性¾针对E3泛素连接酶的药物有更好的选择性和更低的副作用靶向Mdm2-p53的药物研发沙利度胺、来那度胺与蛋白质泛素化沙利度胺来那度胺泊马度胺CRBNC U L 4ROC1CRL4 E3泛素连接酶药物诱导底物蛋白与CRBN 结合模型靶向去泛素化酶的药物研发E3抑制剂UbUbUbUbUb去泛素化酶底物蛋白调控底物蛋白功能底物蛋白E3泛素连接酶DUB 抑制剂去泛素化酶抑制剂泛素羧基末端水解酶抑制剂Ubiquitin Carboxy-terminal Hydrolase InhibitorsUbiquitin Carboxy-terminal Hydrolase泛素特异性蛋白酶抑制剂Ubiquitin Specific Peptidase Inhibitorsq小结蛋白质的翻译后修饰与癌症、神经退行性等疾病•蛋白质的翻译后修饰与癌症神经退行性等疾病密切联系•蛋白质翻译后修饰系统的多种酶和蛋白复合体可作为药物研发的靶点课后阅读•针对蛋白质磷酸化的药物研发1.Wu P, Nielsen TE, Clausen MH. Small-molecule kinase inhibitors:an analysis of FDA-approved drugs. Drug Discov Today. 2016,21, 5-10.2.Zhang J, Yang PL, Gray NS. Targeting cancer with smallmolecule kinase inhibitors. Nat Rev Cancer.2009, 9, 28-39.•针对蛋白质乙酰化的药物研发1.Simon RP, et al. KATching-up on small molecule modulators oflysine acetyltransferases. J Med Chem. 2016, 59: 1249-1270.2Dekker FJ Haisma HJ Histone acetyl transferases as emerging2.Dekker FJ, Haisma HJ. Histone acetyl transferases as emergingdrug targets. Drug Discov Today. 2009, 14, 942-948.。