蛋白质量控制的方式和机制.doc

蛋白质量控制的方式和机制
学院:动物科学技术学院
班级：遗传4班
姓名:李波
学号：2015050509
目录
一、分子伴侣和折叠酶 1
(一）水性域和分子伴侣 1
(二)蛋白质的二硫键异构酶 2
二、内质网的蛋白质质量控制 3
（一）真核细胞的未折叠蛋白应答 3
(二）内质网相关的蛋白质降解 3
1、泛素化的分子机制 3
2。蛋白酶体的分子机制 4
3。非泛素依赖的蛋白质降解 5
三、线粒体的蛋白质质量控制 6
（一）线粒体蛋白氧化损伤的修复机制 6
（二)线粒体基质的蛋白质质量控制 6
四、蛋白质质量控制——自噬 7
胞内与蛋白质合成相关的信息传递是一个非线性过程，如哺乳动物细胞内mRNA的丰度与蛋白质的表达水平在多数情况下不相关。这是由于遗传信息流动存在三个层次的调控，即转录水平调控、翻译水平调控和翻译后水平调控。这些调控机制对蛋白质的合成和功能化具重要的生物学意义。那么，有调控就意味着有选择,哺乳动物细胞具备清除异常蛋白的机制，即正确合成的蛋白质被利用，错误合成的蛋白质被降解，这也被称为蛋白质质量控制。
目前认为选择性降解异常蛋白的主要场所是内质网和线粒体。
蛋白质质量控制的重要意义主要体现在两个方面:①它是细胞维持自稳状态的一种选择性分解代谢机制;②失效的蛋白质质量控制是很多疾病的分子病因。这个复杂的调控网络中仍存在众多未解决的问题。作为功能蛋白基础研究的焦点之一，蛋白质质量控制的机制也越来越多地被用于解释与多种人类健康相关的问题，从而成为药物开功能蛋白质研究发的重要基础理论之一。
一、分子伴侣和折叠酶
内质网为蛋白质折叠提供必要的内环境、大量分子伴侣(molecular chaperon)和与蛋白质修饰相关的折叠酶。
分子伴侣是一类能够协助其他多肽进行正常折叠、组装、转运和降解的蛋白质,在真核细胞中，其主要成员是热激蛋白同系物。其中，最值得关注的是Bip／GRP78（Hsp70家族成员）和GPR94(Hsp90家族成员），它们负责与多数转位至内质网腔体的新生蛋白结合。与胞浆不同，内质网腔体为氧化环境，为分泌型和膜蛋白的二硫键形成和稳定所必需，该反应由蛋白质二硫键异构酶（PDI）催化.PDI也被称为折叠酶。
（一）水性域和分子伴侣
蛋白质的二级结构具有一定的规律性和可预测性。新生肽被分配（targering)到内质网后，具备跨内质网膜进入内质网腔的能力.此时,除了自装配，新生肽可能具有两种命运。第一种命运，如果没有分子伴侣辅助，疏水性氨基酸可以彼此结合介导蛋白质聚集，从而不能形成功能蛋白质，并可能在细胞内形成包裹体。第二种命运，分子伴侣可以瞬时结合疏水性氨基酸，从而阻断蛋白质聚集，在折叠酶催化下，介导蛋白质正确折叠。不仅如此，分子伴侣也通过分子竞争结合作用介导聚集蛋白的解离和进一步正确折叠。
分子伴侣与疏水性氨基酸的结合活性也可用于识别变性和错误折叠蛋白。疏水性氨基酸残基具斥水性分子力，它们通常在蛋白质内部,这就保持了蛋白质的低能级状态，从而在稳定三级结构方面起作用.新生蛋白若错误折叠,或在热激（heat shock）状态下，蛋白质的疏水性氨基酸可被暴露。这时,分子伴侣可与之结合并达到识别未折叠蛋白的目的，这也是一种应对应激和蛋白质质量控制的重要机制。
（二)蛋白质的二硫键异构酶
大多数真核细胞的分泌型蛋白质都具有二硫键，也就是由两个半胱氨酸（S)的巯基基团氧化脱氢后形成SS结构分子键，它是蛋白质正确折叠和实现生物学功能的必要条件之一。在分子伴侣的协助下，新生肽可以免于聚集，在此基础上新生肽可以非常缓慢的自发氧化形成二硫键.显然，这种速率在应激状态下可能无法满足大量蛋白质折叠的需要，因此，需要特异性的酶催化二硫键形成,这种特异性的酶就是蛋白质二硫键异构酶，而且发现其除了催化二硫键形成以外，这种酶还可以介导蛋白质异构化.
PDI主要存在于内质网中，也有少量分布于线粒体和胞浆中，其分子质量约为55kDa，由约500个氨基酸残基组成的5个结构域分别为a、a'、b、b’和c.
PDI的活性可归纳为两个方面：①催化两个半胱氨酸残基的巯基基团的氧化反应，从而形成二硫键；②催化错误折叠的蛋白质异构化以形成正确折叠。
PDI识别错误折叠蛋白的机制与PDI的分子伴侣活性相关。PDI可识别错误折叠蛋白的暴露的疏水性氨基酸残基，并利用b 7结构域与底物蛋白质结合。PDI—蛋白复合体形成后将发生复杂构象变化，并由a和a 7结构域诱导新二硫键形成,从而介导蛋白质异构化。
二、内质网的蛋白质质量控制
（一）真核细胞的未折叠蛋白应答
细胞在包括热、渗透压和细胞外物质等刺激下往往面临细胞内酶活性、离子浓度和信号转导通路等内环境的变化。这种应激状态的直接结果之一就是细胞内蛋白质合成后修饰的异常，从而可能导致未折叠蛋白的增加。若分泌型蛋白和膜蛋白没能在内质网腔体内正确折叠，且呈积累效应，则会引发内质网应激（ERS）。内质网会出现一系列保护性反应以应对ERS，这被称为未折叠蛋白应答（UPR）。UPR启动的首要目的是保护细胞自身，即上调细胞存活基因的表达、减少新生肽的合成，以及增加分子伴侣和折叠酶的产量以促进蛋白质正确折叠，这与肌醇酶一1(Irel）、激活转录因子一6（ATF6）和蛋白激酶RNA样内质网激酶(PERK)3种关键的内质网跨膜蛋白密切相关。此外，UPR将持续激活包括线粒体依赖和非依赖细胞凋亡途径。与此同时，UPR将通过泛素化一蛋白酶体途径介导内质网相关蛋白质降解（ERAD），以尽量清除未折叠蛋白.
(二）内质网相关的蛋白质降解
内质网相关的蛋白质降解(ERAD）是蛋白质质量控制的核心环节,在UPR上调生存基因，降低总转录和翻译的同时，ERAD选择性水解未折叠和错误折叠蛋白显然是一种降低内质网应激的直接手段。这种水解机制被称为泛素一蛋白酶体信号通路（UPP），顾名思义,UPP要有两个核心部分：泛素（Ub）系统和蛋白酶体，它们分工非常明确,Ub负责标记未折叠蛋白,蛋白酶体负责特异性水解这些标记蛋白。Ub和蛋白酶体也被称为泛素蛋白酶系统（UPS）。
1、泛素化的分子机制
Ub是一个小分子蛋白质，由76个氨基酸组成,它是一个广泛表达于真核细胞的保守蛋白质，因而得名泛素，最早它被认为是胸腺的一种激素。后来发现，Ub的主要生物学特性是可通过其C端的甘氨酸残基与底物蛋白质的N端或内部序列中赖氨酸(Lys）残基的e_氨基形成异肽键。所谓异肽键,是指位于蛋白质侧链氨基基团和羧基基团形成的酰胺键。这种以Ub共价标记底物蛋白质的后翻译修饰被称为泛素化。
泛素化过程是一种与泛素活化酶（E1）、泛素交联酶（E2）和泛素连接酶（E3）3种酶相关的级联催化反应。首先,E1水解一个分子ATP并将一个Ub分子C端的甘氨酸残基结合一个分子的腺苷酸(AMP)。其次，在E1的催化下,Ub被去AMP化,并与E1活性中心的半胱氨酸残基形成硫酯键，从而完成Ub的E1转移。此时,E2催化E1—Ub复合体硫酯键的还原反应,从而介导E1与Ub解离，进而催化E2的半胱氨酸残基与Ub的甘氨酸残基形成新的硫酯键，此反应的结果是Ub的E2转移和E1解离.最后，E3催化E1一Ub复合体硫酯键的还原反应,并介导Ub与底物蛋白质赖氨酸残基的连接反应,结局是以异肽键形式将底物蛋白质标记Ub，完成一轮泛素化反应。Ub分子本身也有几个赖氨酸残基，因此，Ub分子可以通过上述反应级联泛素化Ub分子，形成多泛素链(Ub chain)结构。研究表明，靶蛋白被泛素链结构标记是其可被蛋白酶体识别的前提.
2。蛋白酶体的分子机制
A．底物识别
细胞内分布着大量单泛素化或多泛素化的底物蛋白质，一般认为被超过4个Ub分子标记的底物蛋白质能被蛋白酶体识别。
酵母Rpnl0（人细胞中为hRpnlO）是最早被发现的Ub受体，也研究得最为充分.其中，hRpnl0可以通过其C端的两个泛素作用基序(UIM）识别Ub.根据剪接位点不同,UIM又可分为UIMl和UIM2,它们各自包含一个a螺旋,而UIM2与ub的结合力至少是UIMl的5倍，在多个Ub分子存在的条件下，UIMl和UIM2显示协同作用.与此类似，酵母Rpnl3（人细胞中为hRpnl3）也是蛋白酶体的一个内源性Ub受体,不过它是通过一个被称为PH结构域的血小板蛋白样泛素受体(Pru）识别Ub分子的。
UBL／UBA蛋白的底物运输机制还可能与泛素化反应中的连接酶相关。也就是说，连接酶可能催化UBL／UBA蛋白的UBL结构域与底物蛋白质结合。
B去泛素化
当底物蛋白质被转位到CP的仅环之前，必须首先发生去泛素化，其目的是加工底物蛋白质,使其暴露可被p环识别的活性位点。但是,这两种反应的具体机制还不清楚.目前认为三种位于RP盖状结构的去泛素化酶与该反应相关，它们分别是Rpnl 1、Uch37和Ubp6。Ub链是极性的分子结构，Rpnl l对Ub的切割具有原点特异性，也就是说它会介导切除整个Ub链。有研究表明，如果Ub链保留,CP切割底物蛋白质的能力会显著降低，然而这种现象的机制不清楚。Ub的物理结构非常稳定，因此，如果它不被彻底切除，可能会降低接下来的去折叠速率。有研究表明，如果诱导UBP6基因突变，细胞内的Ub周转率就会显著降低。这是因为，有很多蛋白质被不止一条Ub链标记，这时Ubp6的作用可能就相对重要，因为Rpnll只能切除单个Ub链标记的蛋白质。而Uch37的主要功能被认为是调节CP活性并且介导单个或两个Ub分子标记的蛋白质。
C去折叠反应
去折叠反应的机制目前尚不清楚,而且有争议。总体而言，去折叠反应有两类模型:模型I认为去折叠反应发生在蛋白酶体表面，而且发生在CP转位之前；模型II认为底物去折叠发生在CP通道内，也就是说去折叠和转位是不分先后的，是同一过程.
如果底物蛋白质空间结构允许通过13A的孔径，那么在UBL／UBA将底物转运至CP时即可发生转位,并且在转位过程中边转位边继续去折叠（模型II）；但如果蛋白质较大，由于无法通过孔径，其在RP滞留从而增加了CP转位前去折叠反应的时间,在蛋白质逐级失去空间结构并达到可以通过孔径时，CP转位即发生，由于存在滞留时长，看上去好像去折叠在前，转位在后(模型I).
D．底物蛋白质在CP通道内降解
底物蛋白质转位至CP通道后被p亚基以苏氨酸依赖的亲核攻击形式降解。这一降解过程与位于底物蛋白质上的两类信号有关:起始信号和部分降解信号。底物蛋白质上往往存在一个类似信号肽的无结构又能进入a环的起始位点，也被称为起始信号.起始信号是一个内源型的未折叠蛋白片段，也就是蛋白质内部的水解位点.目前至少在细胞周期蛋白B(cyclinB）、Sicl和伊半乳糖苷酶(fl—galactosidase)等底物蛋白质中已经证实有起始信号的存在。具部分水解特性的底物蛋白质常有相似的结构序列特征,即一个高度折叠的结构域(元素II，element II)和在其附近的一个20~30个氨基酸残基的低复杂度序列（元素I，element I）。元素I和元素II统称为部分水解，其中，元素I负责启动CP蛋白降解，而降解过程将会跨过元素II形成部分降解。比较典型的例子就是哺乳动物的NF—xB复合物，它在静止状态时以无活性的前体分子存在，一旦接受UPR等信号，经UPS部分水解而转变为活性分子；在酵母蛋白中也发现了类似的现象。这种选择性降解被称为“受调控的泛素一蛋白酶体依赖的剪切".
3.非泛素依赖的蛋白质降解
既然UBL蛋白能够参入Ub链中，那么可能有更多的蛋白质可以模拟Ub反应，或者蛋白质本身就具有蛋白质水解起始信号以供被蛋白酶体识别,从而省去了泛素化反应.这种不需要泛素化修饰即可降解蛋白质的机制确实存在，被称为非泛素依赖的蛋白质降解（ubiquitin-independent protein degradation）。最早发现的具有这种机制的底物蛋白质是鸟氨酸脱羧酶(ODC),它可以与抗酶非共价结合而发生构象变化，暴露其C端的降解起始信号,进而介导蛋白酶体依赖的降解作用。
三、线粒体的蛋白质质量控制
（一）线粒体蛋白氧化损伤的修复机制
呼吸链的氧化磷酸化反应可介导线粒体生成大量ROS，因此，线粒体也是细胞内RoS最富集的细胞器.虽然折叠酶的活性依赖于氧化环境,但是，过多的ROS将介导产生线粒体蛋白的氧化损伤. 几乎所有蛋白质内部的氨基酸残基都可以被氧化，其中最易被氧化的是含有S的氨基酸(半胱氨酸和蛋氨酸）和含芳香环的氨基酸(酪氨酸和蛋氨酸）。
因此，应对抗氧化损伤是线粒体蛋白质量控制的一道重要防线。目前已知的逆转氧化损伤的机制仅限于含S氨基酸的氧化产物还原。这些产物包括二硫分子桥、半胱次磺酸、半胱亚磺酸和半胱磺酸。甲硫氨酸氧化反应为：首先生成甲硫氨酸亚砜，进而形成甲硫氨酸砜。其中，甲硫氨酸砜的形成一般伴随蛋白质疏水性增加和功能损伤。线粒体中存在高丰度的硫氧还原蛋白／硫氧还原蛋白还原酶，这两种氧化还原蛋白可以诱导二硫分子桥和磺酸的还原反应；而谷胱氧化还原蛋白／谷胱甘肽／谷胱甘肽还原酶反应系统也可以减少二硫分子桥。
（二）线粒体基质的蛋白质质量控制
几乎所有的基质蛋白是在胞浆中合成的，然后通过蛋白质分配（targeting）机制转位到线粒体的外膜和内膜,这时的蛋白质多处于未折叠状态。线粒体内含有多种分子伴侣,包括线粒体Hsp70(mtHsp70)、mtHsp60和mtHspl00家族成员，它们可以辅助新生蛋白质的基质转位，进而辅助蛋白质折叠.然而,未折叠蛋白可被基质特异性的蛋白酶识别,这些蛋白酶包括Lon蛋白酶和CIpXP蛋白酶等。线粒体基质的蛋白质量控制中具有代表性的是线粒体的自噬。
线粒体自噬（mitophage）现象最早是在饥饿诱导的酵母菌死亡模型中被发现的。在当时,普遍的观点认为线粒体可以直接被囊泡(vacuole)吞噬降解，然而，线粒体自噬的发现可以说开创了一个新的领域，因为，种种证据表明，这不但是受损细胞器的清除机制，而且也是一些高分子蛋白的质量控制手段。其中,最为重要的发现是UTHl基因与靶向线粒体自噬之间的直接关系。该研究表明,UTHl蛋白是一种线粒体外膜蛋白，一旦将其敲除,则可以彻底阻断线粒体自噬.
不仅如此，线粒体自噬现象与细胞正常生存、肿瘤转化和细胞分化均有密切关系，它也是细胞在应激状态下的最后一道防线，一旦未折叠蛋白应激无法得到控制，细胞只能消耗更多的线粒体来应对，其结局显然是细胞死亡.
四、蛋白质质量控制——自噬
自噬（autophagy）是胞浆大分子物质和细胞器在双层膜包囊泡中大量降解的生物学过程。它是细胞在蛋白质质量控制最晚期的机制，在此过程中自噬体和自噬溶酶体的形成是关键。该过程可分为三个阶段：①在应激情况下，形成自噬体膜，它是存在于粗面内质网和高尔基体等内源型的膜结构，并可识别并包裹降解物；②自噬膜逐渐延伸，闭合形成自噬体;③自噬体通过细胞骨架微管运输与溶酶体融合形成白噬溶酶体并降解其内成分,自噬通常分为保养性(maintenance)和应激性两种形式，前者在降解受损和衰老的细胞器以维持细胞稳态中有重要作用，而后者则是ERAD的一种晚期形式.
目前，已确定自噬主要有三种形式：大自噬、小自噬和分子伴侣介导的自噬（CMA）。大自噬的作用主要是清除细胞内微生物、衰老细胞器和大分子，而小自噬和CMA的目标则是清除未折叠蛋白.CMA不发生囊泡转运,其典型特点是具有选择性.这种机制包括如含特定KFERQ五肽序列的蛋白质可选择性地被以Hsc70为主的分子伴侣复合物识别，进而在溶酶体膜上的受体LAMP22A的作用下,被转运到溶酶体腔中被消化.