Condiciones para la hidrólisis de proteínas
Degradación selectiva de proteínas por ubiquitina-proteosoma
——Comentario sobre el Premio Nobel de Química 2004
Heronqiao
(Instituto de Biofísica , Academia China de Ciencias, Laboratorio Clave de Procesamiento de Información Visual)
En 2004, el Premio Nobel de Química fue otorgado a Aaron Ciechanover, Avram Hershko e Irving Ross, por sus destacadas contribuciones al descubrimiento y elucidación de la vía de degradación selectiva de proteínas ubiquitina-proteosoma. La mayoría de las proteasas (incluidos los sistemas enzimáticos lisosomales), como la pepsina y la tripsina, no requieren ATP para proporcionar energía al degradar sustratos. A principios de la década de 1950, Simpson detectó la producción de aminoácidos en cortes de cultivos de tejido hepático, revelando que la degradación de la mayoría de las proteínas en las células requiere energía. La forma en que los organismos eucariotas reconocen y degradan selectivamente las proteínas es un vínculo importante en el proceso de vida de las células y desempeña un papel clave en el mantenimiento del equilibrio dinámico del contenido de proteínas intracelulares. El descubrimiento de la vía de degradación ubiquitina-proteosoma reveló un modo común de degradación selectiva de proteínas en las células. La proteína que se va a eliminar se une a una cadena de poliubiquitina (etiqueta de degradación) a través del grupo épsilon-amino de su cadena lateral del residuo de lisina y luego se degrada en el proteosoma.
La ruta de degradación de ubiquitina-proteosoma consta de dos etapas principales. La primera etapa es la interacción entre la ubiquitina y los sustratos proteicos: ① La formación del complejo de enlace tioéster de alta energía E1-ubiquitina consume una molécula de ATP y libera una molécula de adenilato (AMP) y una molécula de pirofosfato. ②La ubiquitina activada (complejo E1-ubiquitina) se transfiere a E2, libera E1 y forma un complejo de enlace E2-ubiquitina de alta energía. ③ Los sustratos (fosforilados, oxidados, mal plegados o unidos a proteínas auxiliares) son reconocidos y unidos por E3. ④La ubiquitina en el complejo E2-ubiquitina se transfiere a E3 para formar un complejo de enlace de alta energía, y luego el sustrato forma un enlace amida con la ubiquitina a través del grupo ε-amino de lisina, y las moléculas de ubiquitina se agregan una tras otra para formar una estructura de cadena. Además, la primera molécula de ubiquitina también puede estar unida al residuo de aminoácido N-terminal del sustrato. La segunda etapa es la degradación del sustrato por el proteosoma: ⑤ La cadena de ubiquitina del sustrato interactúa con el receptor de ubiquitina del proteosoma 19S, el sustrato proteico se despliega, ingresa al material central 20S a través de la grieta en el extremo del receptor del proteosoma y se degrada gradualmente; ⑥ Las moléculas de ubiquitina se liberan bajo la acción de la ubiquitina C-terminal hidrolasa, la ubiquitinasa y la oligopeptidasa (que pueden participar nuevamente en el ciclo).
El sistema ubiquitina-proteasoma está formado por los siguientes componentes. ① Ubiquitina: contiene 76 residuos de aminoácidos, tiene un peso molecular de aproximadamente 8,5 kDa y está ampliamente presente en las células eucariotas (no se encuentra en las células procarióticas). La cadena de ubiquitina se une al sustrato proteico para formar una señal de reconocimiento, que es degradada por el proteosoma. Además, la ubiquitinación tiene funciones dirigidas a la endocitosis y exocitosis de proteínas. ②La enzima activadora de ubiquitina e1: el intermedio e1-ubiquitina se puede transferir a varios E2 a través del enlace tioéster formado entre el residuo de cisteína activado y el residuo de glicina en el extremo C de la ubiquitina. ③ Ubiquitina transferasa E2: funciona como una enzima conjugadora de ubiquitina, siendo el sitio activo la cisteína. Algunos miembros de E2 desempeñan funciones en procesos celulares específicos, pero se desconoce el papel completo de E2. ④ Ubiquitina ligasa E3: es un factor clave en el mecanismo de degradación selectiva del sistema ubiquitina-proteosoma. Reconoce las proteínas degradadas y conecta la ubiquitina al sustrato. Actualmente se sabe poco sobre cómo funcionan los E3. Las secuencias de aminoácidos de diferentes E3 son bastante diferentes y forman complejos con muchas subunidades con funciones desconocidas, y sus funciones deben estudiarse más a fondo. ⑤Proteasoma (2,5MDa): estructura en forma de barril compuesta por dos subunidades, 19S y 1 20S. 19S es una subunidad reguladora ubicada en ambos extremos de la estructura del barril que reconoce proteínas poliubiquitinadas y las despliega. La subunidad 19S también tiene una ubiquitina isoenzima peptidasa que ubiquitina el sustrato. 20S es una subunidad catalítica, ubicada entre las dos subunidades de 19S. Su sitio activo está ubicado en la superficie interna de la estructura del barril, lo que puede evitar la influencia del entorno celular. La subunidad 20S de la levadura consta de cuatro estructuras de anillos (α β β α).
El sistema ubiquitina-proteasoma está estrechamente relacionado con el control de calidad, el ciclo celular, la reparación del ADN, la transcripción y el estrés inmunológico en las proteínas, y también está relacionado con la aparición de muchas enfermedades. Para demostrar el importante papel del sistema ubiquitina-proteasoma en la vida celular, Masa-atsu Yamada et al (1980) establecieron una línea celular deficiente en ubiquitina-proteasoma. La línea celular ts85 sensible a la temperatura se seleccionó mediante mutagenización de células de ratón. A temperaturas sensibles, esta línea celular presenta una concentración cromosómica anormal y una fosforilación insuficiente de histonas, y el ciclo celular se fija en la fase G2 (la replicación del ADN se completa pero aún no ha entrado en la fase de mitosis). Esto sugiere que este defecto puede provocar cambios anormales en la estructura de la cromatina. En particular, el equipo de investigación japonés de Marunouchi observó la ubiquitinación de la histona H2A, que depende de la temperatura. El H2A intracelular se ubiquitina a temperaturas apropiadas, pero su ubiquitinación se inhibe a temperaturas sensibles. La ubiquitinación de la histona H2A requiere ATP y la ubiquitinación se ralentiza a temperaturas sensibles. Este fenómeno no se observó en células de tipo salvaje o mutantes ts85. Basándose en la ubiquitinación de H2A en células mutantes ts85, Varshavsky et al. confirmaron que el componente sensible a la temperatura en las células ts85 es E1.
El trabajo de investigación sobre la línea celular ts85 sentó las bases de la implicación de la ubiquitina en la regulación del ciclo celular. Al mismo tiempo, se ha demostrado que el regulador del ciclo celular Cdc34 es miembro del transportador de ubiquitina E2 y está altamente conservado en la evolución. Kirschner et al. demostraron además que la clave para que las células salgan de la mitosis es la degradación de las ciclinas a través de la vía ubiquitina-proteosoma. Posteriormente, Nasmyth et al. demostraron que E3 juega un papel clave en la segregación cromosómica durante la mitosis y la meiosis. La segregación cromosómica incorrecta durante la mitosis y la meiosis puede provocar cambios en el número de cromosomas, que también es la principal causa de aborto espontáneo en humanos. Como el síndrome de Down (trisomía 21); la mayoría de las células de tumores sólidos malignos también tienen un número anormal de cromosomas. La proteína P53 del gen supresor de tumores se conoce como la "guardiana del genoma" y se han encontrado mutaciones en esta proteína en más de 50 cánceres humanos. P53 se degrada por la vía ubiquitina-proteosoma, en la que E3 forma un complejo con P53. Después del daño al ADN, P53 se fosforila, lo que reduce su unión a E3, reduce la degradación de P53 y mantiene el contenido de P53 intracelular. La infección por el virus del papiloma humano está estrechamente relacionada con la aparición de cáncer de cuello uterino. La proteína codificada por el virus activa la enzima E3 de la célula huésped, provocando la ubiquitinación y degradación de la proteína P53, evitando la inhibición de P53, haciendo que las células infectadas sean incapaces de reparar su propio ADN normalmente y la acumulación de mutaciones eventualmente conduce al cáncer. .
Enfermedades neurodegenerativas, como la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Parkinson, la esclerosis lateral amiotrófica, etc. Hay placas de edad y depósitos fibrosos. Aunque la función de la ubiquitina no es visible morfológicamente, puede haber algunos defectos en el sistema de degradación de ubiquitina-proteosoma, de modo que las proteínas mal plegadas no pueden degradarse sino que se acumulan en el cuerpo y producen citotoxicidad. El extremo C de la proteína Pakin similar a la ubiquitina no contiene residuos de glicina, por lo que no puede formar una estructura de cadena similar a la ubiquitina y es difícil de degradar. Se cree que esta proteína está implicada en la enfermedad de Parkinson. El factor de transcripción NF-κB juega un papel importante en las respuestas inmunes e inflamatorias. En circunstancias normales, NF-κB forma un complejo inactivo con la proteína inhibidora IκB en el citoplasma. Cuando las células están infectadas por bacterias o tienen sus propias señales, el IκB es fosforilado y degradado por el sistema proteolítico mediado por ubiquitina, se transfiere al núcleo e inicia la expresión de genes relacionados. El sistema ubiquitina-proteosoma también produce algunos péptidos, que pueden presentarse a los linfocitos T mediante moléculas MHC-I, protegiendo así contra la infección viral. La fibrosis quística (FQ) hereditaria se asocia con la pérdida de la función del regulador de conductancia transmembrana de la fibrosis quística (regulador del canal de cloruro de la membrana plasmática, CFTR). La gran mayoría de los casos de FQ son causados por mutaciones en un solo gen, que se manifiesta como fenilalanina (?6?2F508), lo que hace que la proteína CFTR se pliegue mal y sea reconocida y degradada por el sistema proteolítico mediado por ubiquitina, lo que resulta en la pérdida de función. de este factor. El sistema ubiquitina se ha convertido en un objetivo para el desarrollo de fármacos relacionados.
Algunas enfermedades se pueden prevenir previniendo la degradación de proteínas específicas o estimulando el sistema para que degrade proteínas no deseadas. El inhibidor del proteasoma Valcade (PS341) ha entrado en ensayos clínicos como un nuevo fármaco para el tratamiento del mieloma múltiple.
El descubrimiento del sistema de degradación ubiquitina-proteosoma sentó las bases para comprender muchos procesos fisiológicos de las células. Es previsible que se descubran más proteínas y procesos fisiológicos celulares relacionados con esta vía, se dilucidarán los mecanismos patológicos de algunas enfermedades a partir de este sistema y gradualmente aumentarán nuevos fármacos dirigidos a este sistema. El campo de investigación sobre el sistema ubiquitina-proteosoma tiene un gran potencial de desarrollo.