Ligaza ubikwityny - Ubiquitin ligase

Ubikwityna — ligaza białkowa
4a4c.png
Ligaza ubikwityny E3 Cbl (niebieska) w kompleksie z E2 (cyjan) i peptydem substratowym (zielony). Wpis WPB 4a4c
Identyfikatory
Nr WE 2.3.2.27
Nr CAS 74812-49-0
Bazy danych
IntEnz Widok IntEnz
BRENDA Wpis BRENDY
ExPASy Widok NiceZyme
KEGG Wpis KEGG
MetaCyc szlak metaboliczny
PRIAM profil
Struktury WPB RCSB PDB PDBe Suma PDB
Ontologia genów AmiGO / QuickGO
Ligaza ubikwityny
Identyfikatory
Symbol Ligaza ubikwityny
Nadrodzina OPM 471
Białko OPM 4v6p
Membrana 240

Ligazy ubikwityny (zwany również E3 ligazę ubikwityny ) jest białkiem, które rekrutuje się E2 ubikwityny sprzęganie enzymu , który został załadowany ubikwityny , rozpoznaje substrat białkowy i wspomaga albo bezpośrednio katalizuje przeniesienie ubikwityny z E2 do podłoża białek . Ubikwityny jest dołączony do lizyny na białku docelowym poprzez izopeptydowego wiązania . Ligazy E3 oddziałują zarówno z białkiem docelowym, jak i enzymem E2, a zatem nadają E2 specyficzność substratową. Zwykle E3 poliubikwitynują swój substrat łańcuchami ubikwityny połączonymi Lys48, kierując substrat do zniszczenia przez proteasom . Jednak możliwe jest wiele innych rodzajów wiązań, które zmieniają aktywność, interakcje lub lokalizację białka. Ubikwitynacja przez ligazy E3 reguluje różne obszary, takie jak przemieszczanie się komórek, naprawa DNA i sygnalizacja, i ma ogromne znaczenie w biologii komórki. Ligazy E3 odgrywają również kluczową rolę w kontroli cyklu komórkowego, pośrednicząc w degradacji cyklin , a także białek inhibitorów kinaz zależnych od cyklin . Ludzki genom koduje ponad 600 domniemanych ligaz E3, co pozwala na ogromną różnorodność substratów.

System ubikwitynacji

Schemat ideowy systemu ubikwitylacji.

Ligaza ubikwitynowa jest określana jako E3 i działa w połączeniu z enzymem aktywującym ubikwitynę E1 i enzymem sprzęgającym ubikwitynę E2 . Istnieje jeden główny enzym E1, wspólny dla wszystkich ligaz ubikwitynowych, który wykorzystuje ATP do aktywacji ubikwityny do koniugacji i przenosi ją do enzymu E2. Enzym E2 oddziałuje ze specyficznym partnerem E3 i przenosi ubikwitynę do białka docelowego . E3, który może być kompleksem wielobiałkowym , jest na ogół odpowiedzialny za kierowanie ubikwitynacji do określonych białek substratowych .

Reakcja ubikwitylacji przebiega w trzech lub czterech etapach w zależności od mechanizmu działania ligazy ubikwitynowej E3. W konserwatywnym pierwszym etapie, reszta cysteiny E1 atakuje aktywowaną przez ATP C-końcową glicynę na ubikwitynie, dając w wyniku kompleks tioestru Ub-S-E1. Energia z hydrolizy ATP i difosforanu napędza tworzenie tego reaktywnego tioestru, a kolejne etapy są termoneutralne. Następnie zachodzi reakcja transtiolacji, w której reszta cysteiny E2 atakuje i zastępuje E1. Ligazy typu E3 domeny HECT będą miały jeszcze jedną reakcję transtiolacji w celu przeniesienia cząsteczki ubikwityny na E3, podczas gdy znacznie powszechniejsze ligazy typu domeny palca RING przenoszą ubikwitynę bezpośrednio z E2 na substrat. Ostatnim krokiem w pierwszym zdarzeniu ubikwitylacji jest atak z grupy aminowej lizyny białka docelowego, który usunie cysteinę i utworzy stabilne wiązanie izopeptydowe. Jednym godnym uwagi wyjątkiem jest białko p21 , które wydaje się być ubikwitylowane przy użyciu swojej N-końcowej aminy, tworząc w ten sposób wiązanie peptydowe z ubikwityną.

Rodziny ligazy ubikwitynowej

Szacuje się, że ludzie mają 500-1000 ligaz E3, które nadają enzymom E1 i E2 specyficzność substratową. Ligazy E3 są podzielone na cztery rodziny: HECT, RING-finger, U-box i PHD-finger. Ligazy E3 na palec RING są największą rodziną i zawierają ligazy, takie jak kompleks promujący anafazę (APC) i kompleks SCF ( kompleks białkowy Skp1 - Cullin -F-box). Kompleksy SCF składają się z czterech białek: Rbx1, Cul1, Skp1, które są niezmienne wśród kompleksów SCF oraz białka F-box, które jest różne. Zidentyfikowano około 70 ludzkich białek F-box. Białka F-box zawierają F-box, który wiąże resztę kompleksu SCF, oraz domenę wiążącą substrat, która nadaje E3 specyficzność substratową.

Mono- i poliubikwitylacja

Ubikwityna z resztami lizyny (czerwony), N-końcową metioniną (niebieski) i C-końcową glicyną (żółty).

Sygnalizacja ubikwitynowa opiera się na różnorodności znaczników ubikwityny ze względu na specyficzność swojego przekazu. Białko może być oznakowane pojedynczą cząsteczką ubikwityny (monoubikwitylacji) lub różnymi łańcuchami cząsteczek ubikwityny (poliubikwitylacji). Ligazy ubikwitynowe E3 katalizują zdarzenia poliubikwitynacji w podobny sposób jak mechanizm pojedynczej ubikwitynacji, wykorzystując zamiast tego resztę lizyny z cząsteczki ubikwityny aktualnie przyłączonej do białka substratu, aby zaatakować C-koniec nowej cząsteczki ubikwityny. Na przykład, wspólny znacznik 4-ubikwitynowy, połączony przez lizynę w pozycji 48 (K48) rekrutuje znakowane białko do proteasomu, a następnie degraduje. Jednak wszystkie siedem reszt lizyny ubikwityny (K6, K11, K27, K29, K33, K48 i K63), jak również N-końcowa metionina są stosowane w łańcuchach in vivo.

Monoubikwitynacja została powiązana ze szlakami endocytozy białek błonowych . Na przykład fosforylacja tyrozyny w pozycji 1045 w receptorze naskórkowego czynnika wzrostu (EGFR) może rekrutować ligazę c-Cbl typu RING E3 przez domenę SH2 . C-Cbl monoubikwityluje EGFR, sygnalizując jego internalizację i transport do lizosomu.

Monoubikwitynacja może również regulować lokalizację białka w cytozolu. Na przykład, ligaza E3 MDM2 ubikwityluje p53 albo pod kątem degradacji (łańcuch poliubikwityny K48), albo do eksportu jądrowego (monoubikwitylacja). Zdarzenia te zachodzą w sposób zależny od stężenia, co sugeruje, że modulowanie stężenia ligazy E3 jest komórkową strategią regulacyjną kontrolowania homeostazy i lokalizacji białka.

Rozpoznawanie podłoża

Ligazy ubikwityny są końcowe i potencjalnie najważniejszym czynnikiem determinującym podłoża specyficzności ubikwitynę od białka . Ligazy muszą jednocześnie odróżniać swój substrat białkowy od tysięcy innych białek w komórce oraz od innych (nieaktywnych w ubikwitynacji) form tego samego białka. Można to osiągnąć za pomocą różnych mechanizmów, z których większość obejmuje rozpoznawanie degronów : specyficzne krótkie sekwencje aminokwasowe lub motywy chemiczne na podłożu.

N-degrony

Rozszczepienie proteolityczne może prowadzić do odsłonięcia reszt na N-końcu białka. Zgodnie z zasadą N-end , różne aminokwasy N-końcowe (lub N-degrony) są rozpoznawane w różnym stopniu przez ich odpowiednią ligazę ubikwitynową (N-recognin), wpływającą na okres półtrwania białka. Na przykład, dodatnio naładowane ( Arg , Lys , His ) i duże aminokwasy hydrofobowe ( Phe , Trp , Tyr , Leu , Ile ) są rozpoznawane preferencyjnie i dlatego uważa się je za destabilizujące degrony, ponieważ umożliwiają szybszą degradację ich białek.

Fosfodegrony

Fosforylowany degron (zielony) jest stabilizowany wiązaniem wodorowym (żółty) między atomami tlenu jego fosforanu (czerwony) i łańcuchami bocznymi ligazy ubikwityny SCF FBW7 (niebieski). Odpowiednia część ligazy ubikwityny jest zaznaczona na szaro. Wpis WPB 2vr

Degron można przekształcić w jego aktywną formę przez modyfikacji potranslacyjnych , takie jak fosforylacji z tyrozyny , seryny lub treoniny pozostałości. W tym przypadku ligaza ubikwityny rozpoznaje wyłącznie fosforylowaną wersję substratu dzięki stabilizacji w miejscu wiązania . Na przykład, FBW7 , jednostka rozpoznająca substrat F-box ligazy ubikwityny SCF FBW7 , stabilizuje fosforylowany substrat przez wiązanie wodoru z jego resztami argininy z fosforanem, jak pokazano na rysunku po prawej. W przypadku braku fosforanów , pozostałości FBW7 odpychają podłoże.

Degrony zależne od tlenu i małych cząsteczek

Obecność tlenu lub innych małych cząsteczek może wpływać na rozpoznawanie degronu. Von Hippela-Lindaua (VHL) białko (część rozpoznanie substratu specyficznego ligazą E3), na przykład, uznaje indukowanego niedotlenieniem czynnika alfa (HIF-a) jest wyłącznie w warunkach tlenowych, po jego prolina jest hydroksylowanego . Z drugiej strony w warunkach hipoksji HIF-a nie jest hydroksylowany, unika ubikwitynacji iw ten sposób działa w komórce w wyższych stężeniach, co może zainicjować odpowiedź transkrypcyjną na hipoksję. Innym przykładem małej regulacji cząsteczki degradacji białka jest fitohormonem auksyny w roślinach. Auksyna wiąże się z TIR1 (domena rozpoznająca substrat ligazy ubikwityny SCF TIR1 ) zwiększając powinowactwo TIR1 do jego substratów ( represory transkrypcji : Aux/IAA) i promując ich degradację.

Niewłaściwie złożone i degrony cukrowe

Oprócz rozpoznawania aminokwasów ligazy ubikwityny mogą również wykrywać niezwykłe cechy substratów, które służą jako sygnały do ​​ich zniszczenia. Na przykład, San1 ( antagonista Sir 1 ), kontrola jakości białka jądrowego u drożdży , ma nieuporządkowaną domenę wiążącą substrat , która umożliwia mu wiązanie się z hydrofobowymi domenami nieprawidłowo sfałdowanych białek . Nieprawidłowo sfałdowana lub nadmiar zmontowane glikoproteiny o eRad drogi, z drugiej strony, są rozpoznawane przez Fbs1 i Fbs2 ssaka białka F-box E3 ligazy SCF Fbs1 i SCF Fbs2 . Te domeny rozpoznające mają małe hydrofobowe kieszenie, które umożliwiają im wiązanie glikanów zawierających dużo mannozy .

Motywy strukturalne

Oprócz liniowych degronów ligaza E3 może w niektórych przypadkach rozpoznawać również motywy strukturalne na podłożu. W tym przypadku motyw 3D może umożliwić substratowi bezpośrednie powiązanie jego funkcji biochemicznej z ubikwitynacją . Relacja ta może być ustalona z TRF1 białka (regulator ludzkiej telomerów długości), który jest rozpoznawany przez odpowiadającą ligazą E3 ( FBXO4 ) przez międzycząsteczkowe kartki beta interakcji. TRF1 nie może być ubiquinated podczas wiązania telomeru, prawdopodobnie dlatego, że ta sama domena TRF1, która wiąże się z jego ligazą E3, wiąże się również z telomerami.

Znaczenie choroby

Ligazy ubikwityny E3 regulują homeostazę, cykl komórkowy i szlaki naprawy DNA, w wyniku czego wiele z tych białek jest zaangażowanych w różne nowotwory, w tym słynne MDM2, BRCA1 i supresor nowotworów Von Hippel-Lindau . Na przykład, mutacja MDM2 została znaleziona w raku żołądka , raku nerkowokomórkowym i raku wątroby (między innymi), aby rozregulować stężenie MDM2 poprzez zwiększenie powinowactwa jego promotora do czynnika transkrypcyjnego Sp1 , powodując zwiększoną transkrypcję mRNA MDM2. Dostępnych jest kilka technik eksperymentalnych opartych na proteomice do identyfikacji par ligaza-substrat E3, takich jak identyfikacja biotyny zależna od bliskości (BioID), wychwytywanie ligazy ubikwityny-substrat i tandemowe jednostki wiążące ubikwitynę (TUBE).

Przykłady

  • RING ( R eally I nteresting ń ew G en) domeny wiąże conjugase E2 i można je znaleźć na pośredniczą w aktywności enzymatycznej kompleksu E2 E3
  • Domena F-box (jak w kompleksie SCF) wiąże ubikwitynowany substrat. (np. Cdc 4, który wiąże docelowe białko Sic1 ; Grr1, który wiąże Cln).
  • HECT domeny , który bierze udział w przekazywaniu ubikwityny z E2 do podłoża.

Poszczególne ligazy ubikwitynowe E3

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki