Informatie

Hoe herkent ubiquitine verkeerd gevouwen eiwitten?


Verkeerd gevouwen eiwitten worden gelabeld door ubiquitine en worden vervolgens vernietigd door proteasomen. Hoe weet ubiquitine welk eiwit moet worden gelabeld?


Ubiquitine en de UPS

Het ubiquitine proteasomale systeem (UPS) is een veelgebruikte regulatiemethode voor veel eiwitten in de cel. De modificatie wordt in feite gegenereerd door E3-ubiquitine-ligase, waarvan er ~ 400-800 in de zoogdiercel zijn en de belangrijkste bron van specificiteit in de UPS (E2 ~ 40 en slechts 1 of 2 E1).

Ubiquitin dankt zijn naam aan alomtegenwoordig, wat betekent dat het overal te vinden is. Het is een molecuul van 76 aminozuren dat eiwitten op lysineresten modificeert. Monoubiquitinatie kan fungeren als een signaalmolecuul, terwijl polyubiquitinatie tot afbraak leidt. Ubiquitine wordt eerst geactiveerd via een ATP-afhankelijke route om een ​​hoogenergetische thioester met E1 te creëren. Dit wordt omgezet in E2 en uiteindelijk maakt E3 de toevoeging aan het doeleiwit mogelijk. Dus eigenlijk is uw vraag hoe E3-ubiquitine-ligase zijn doelwit herkent. 1

E3-ligasen

Er zijn 3 klassen E3-ligasen, afhankelijk van of ze een RING-, U-box- of HECT-domein bevatten. Deze domeinen zijn verantwoordelijk voor het direct katalyseren van de toevoeging van ubiquitine of het eenvoudigweg faciliteren van een ander E3-ligase om dit te doen. RING en RING-achtige domeinen komen verreweg het meest voor (<600). Hoe deze domeinen precies de overdracht van ubiquitine bemiddelen, is niet duidelijk, maar het kan via een E3-Ub-tussenproduct zijn of rechtstreeks van E2 naar het doelwit. De domeinen zijn relatief gestandaardiseerd, omdat ze binden aan E2-eiwitten, die minder diversiteit bevatten dan doeleiwitten. Het is echter de combinatie van de E2- en substraatbindende domeinen die de selectie genereert. 2

Doelherkenning

Dus hoe komt het doelwit in dit alles? Elke E3-ligase herkent een specifieke sequentie op het doeleiwit vanwege zijn eigen conformatie en signaalsequentie en creëert een unieke interface vol intermoleculaire interacties - net zoals elk eiwit elk ander eiwit herkent. Hoewel individuele gevallen variëren, komt de strikte controle voornamelijk van post-translationele modificaties op het doelwit. Fosforylering in het bijzonder is gebruikelijk bij signalering en kan E3 mogelijk maken om te binden, waardoor degradatie van het doelwit wordt geïnduceerd. Ik zal enkele voorbeelden gebruiken om dit punt aan te tonen, maar houd er rekening mee dat elk geval anders zal zijn.

  • c-Cbl (E3) herkent geactiveerde receptortyrosinekinasen en ZAP 70/Syk-kinasen (doelwit) door een fosfotyrosinesequentie te binden via het tyrosinekinase-bindende domein (dat SH2-domein bevat). De fosforylering wordt gecontroleerd door andere cellulaire signalen
  • Glycosylering
  • Proline hydroxylering
  • Sumoylering

Andere reguleringen van het proces die zijn gekoppeld maar misschien buiten het bestek van uw vraag vallen, zijn onder meer E3 post-translationele modificaties (bijv. autoubiquitinatie), sekwestratie van E3 via bindingspartners (Cand1 en Roc1), pseudosubstraten en substraatconcurrentie. 7

Verkeerd gevouwen eiwitafbraak

Het maken van eiwit is een grote investering voor de cel en daarom zijn er verschillende beschermende maatregelen om misvouwing/aggregatie te voorkomen. Hoewel er veel verschillende soorten zijn, werken chaperonnes over het algemeen door het verkeerd gevouwen eiwit te isoleren en een reeks bindingsafgiftestappen te ondergaan, veroorzaakt door hydrolyse van ATP. Het eiwit kan nog steeds ongevouwen worden vrijgegeven en de cel zal voortdurend proberen het te isoleren voor hervouwing. Bepaalde chaperonnes vormen echter een complex met het proteasoom en kunnen andere UPS-componenten rekruteren. De keuze om het hervouwen op te geven lijkt een stochastisch proces en zal afhangen van de concentratie van de juiste chaperonnes. Verkeerd gevouwen eiwitten hebben de neiging om significante gebieden met blootgestelde hydrofobe residuen te hebben, en E3-ligasen zullen dit daarom waarschijnlijk minder specifiek herkennen dan de hierboven beschreven afbraakroute.

Relevante bronnen zijn onder meer endoplasmatisch reticulum-geassocieerde afbraak en chaperonnes.

Samenvatting

Het antwoord op je vraag is dat er geen standaard herkenningssequentie in E3 is om te weten op welk eiwit je je moet richten, de binding moet divers zijn om de controle te geven die de cel nodig heeft. Dat betekent dat het van alles kan zijn, maar elke E3 is waarschijnlijk relatief specifiek voor zijn doelwit en wordt vaak gecontroleerd door andere post-translatie-modificaties op het substraat. Verkeerd gevouwen eiwitten kunnen worden herkend en afgebroken door de associatie van de UPS met chaperonnes.

Als je echt geïnteresseerd bent, kun je dit bestand downloaden en openen in iets als PyMol om te zien dat de ligase klaar is om ubiquitine over te dragen.


Ubiquitine is actief als onderdeel van een complex van eiwitten. Andere elementen van het complex herkennen de af te breken eiwitten. Deze herkennings- of specificiteitseiwitten zijn verantwoordelijk voor het targeten van eiwitten voor ubiquitinatie. Ze worden ubiquitine-ligasen genoemd.


Eiwitaggregatie

Eiwitaggregatie is een biologisch fenomeen waarbij intrinsiek ongeordende eiwitten of verkeerd gevouwen eiwitten intra- of extracellulair aggregeren (d.w.z. zich ophopen en samenklonteren). [1] [2] Verkeerd gevouwen eiwitaggregaten zijn vaak gecorreleerd met ziekten. In feite zijn eiwitaggregaten betrokken bij een grote verscheidenheid aan ziekten die bekend staan ​​als amyloïdose, waaronder ALS, de ziekte van Alzheimer, de ziekte van Parkinson en prionziekte. [3] [4]

Na synthese vouwen eiwitten zich typisch in een bepaalde driedimensionale conformatie die thermodynamisch het meest gunstig is: hun oorspronkelijke staat. [5] Dit vouwproces wordt aangedreven door het hydrofobe effect: een neiging van hydrofobe (watervrezende) delen van het eiwit om zichzelf af te schermen van de hydrofiele (waterminnende) omgeving van de cel door zich in het binnenste van het eiwit te begraven. De buitenkant van een eiwit is dus typisch hydrofiel, terwijl de binnenkant typisch hydrofoob is.

Eiwitstructuren worden gestabiliseerd door niet-covalente interacties en disulfidebindingen tussen twee cysteïneresiduen. De niet-covalente interacties omvatten ionische interacties en zwakke van der Waals-interacties. Ionische interacties vormen zich tussen een anion en een kation en vormen zoutbruggen die het eiwit helpen stabiliseren. Van der Waals-interacties omvatten niet-polaire interacties (d.w.z. Londense dispersiekracht) en polaire interacties (d.w.z. waterstofbruggen, dipool-dipoolbinding). Deze spelen een belangrijke rol in de secundaire structuur van een eiwit, zoals het vormen van een alfa-helix of een bètablad, en in de tertiaire structuur. Interacties tussen aminozuurresten in een specifiek eiwit zijn erg belangrijk in de uiteindelijke structuur van dat eiwit.

Wanneer er veranderingen zijn in de niet-covalente interacties, zoals kan gebeuren met een verandering in de aminozuursequentie, is het eiwit vatbaar voor verkeerd vouwen of ontvouwen. In deze gevallen, als de cel het eiwit niet helpt bij het opnieuw vouwen, of het ongevouwen eiwit afbreekt, kan het ongevouwen/verkeerd gevouwen eiwit aggregeren, waarbij de blootgestelde hydrofobe delen van het eiwit een interactie kunnen aangaan met de blootgestelde hydrofobe plekken van andere eiwitten . [6] [7] Er zijn drie hoofdtypen eiwitaggregaten die zich kunnen vormen: amorfe aggregaten, oligomeren en amyloïde fibrillen. [8]


Hoe verkeerd gevouwen eiwitten worden geselecteerd voor verwijdering

Het is bijna vanzelfsprekend dat verkeerd gevouwen eiwitten de manier waarop cellen normaal functioneren in gevaar brengen en slopende menselijke ziekten veroorzaken, maar hoe deze eiwitten in het lichaam worden gedetecteerd en afgebroken, is niet goed begrepen. Neurodegeneratieve ziekten - waaronder de ziekte van Alzheimer, de ziekte van Parkinson, amyotrofische laterale sclerose (de ziekte van Lou Gehrig), de ziekte van Huntington en spinocerebellaire ataxie - eisen een verwoestende tol van de vergrijzende bevolking over de hele wereld.

"Toch is er vrijwel geen remedie voor een van deze ziekten, en klinische onderzoeken hebben meestal teleurstellende resultaten opgeleverd, wat aangeeft dat onderzoekers iets fundamenteels over deze ziekten missen", zegt Xiaolu Yang, PhD, professor in de kankerbiologie, Perelman School of Medicine aan de Universiteit van Pennsylvania. Al deze ziekten worden veroorzaakt door de ophoping van giftige verkeerd gevouwen eiwitten in verschillende soorten neuronen. "Onze kennis over hoe cellen deze eiwitten normaal gesproken verwijderen, een kwestie die fundamenteel is om te begrijpen wat er mis gaat bij neurodegeneratieve ziekten, is echter zeer beperkt."

Yang en eerste auteur Lili Guo, PhD, die een doctoraatsstudent was in het Yang-lab, identificeerden een eiwitrecyclingroute in zoogdiercellen die verkeerd gevouwen eiwitten verwijdert. Hun bevindingen verschijnen online in Moleculaire cel vooruitlopend op de gedrukte editie. Ze toonden ook de rol van deze route bij de bescherming tegen neurodegeneratieve ziekten in een diermodel. Guo is nu een postdoctoraal onderzoeker in een ander laboratorium van de Perelman School.

Eiwitten zijn de werkpaarden van de cellen. Het zijn de meest voorkomende macromoleculen, extreem veelzijdig in hun functies en van cruciaal belang voor vrijwel alle biologische processen. Eiwitten zijn echter ook zeer vatbaar voor verkeerd vouwen als gevolg van genetische mutaties, synthetische onnauwkeurigheden en onherstelbare schade. Bovendien is de halfwaardetijd van veel eiwitten relatief kort, van enkele minuten tot enkele uren, waardoor ze verder moeten worden gesynthetiseerd. Als zodanig legt dit een last op de cel om de kwaliteitscontrole bij het correct vouwen van eiwitten te handhaven.

"Dit artikel lost een al lang bestaande vraag op bij de kwaliteitscontrole van eiwitten over hoe verkeerd gevouwen eiwitten precies worden geselecteerd voor afbraak", merkt Yang op. "Dit nieuw beschreven systeem zou een waardevol doelwit kunnen zijn voor de behandeling van neurodegeneratieve ziekten."

Tweetraps recycling In elke normaal functionerende cel behouden twee systemen de eiwitkwaliteit. Ten eerste leiden chaperonne-eiwitten, zoals vingers die papier in origami-vormen vouwen, aminozuurketens bij het vouwen in hun uiteindelijke, juiste eiwitvormen. Ten tweede verwijderen de recyclingsystemen verkeerd gevouwen eiwitten en breken ze uiteindelijk op in individuele aminozuren. Dit systeem omvat het proteasoom, een eiwitcomplex dat overal in het cytoplasma en de celkern wordt aangetroffen. "Maar het is onduidelijk hoe misvormde eiwitten worden herkend en naar het proteasoom worden getransporteerd om te worden afgebroken. Deze studie brengt het veld vooruit omdat we hebben aangetoond dat het systeem gebruikelijk is voor veel soorten verkeerd gevouwen eiwitten", merkt Yang op.

Naast het identificeren van de stapsgewijze moleculaire spelers van het systeem dat verkeerd gevouwen eiwitten elimineert, definieerden ze ook de werkingsmethode van het systeem. Het werkingsmechanisme is een relaissysteem met twee eiwitten.

Het eerste eiwit, PML/TRIM19, herkent kenmerken van verkeerd gevouwen eiwitten, zoals blootliggende waterafstotende binnenkernen, die uitsteken en de vorming van giftige eiwitklonters versterken. PML interageert selectief met verkeerd gevouwen eiwitten door deze en andere onderscheidende kenmerken te herkennen en de verkeerd gevouwen eiwitten te taggen met ketens van een klein eiwit genaamd SUMO (kleine ubiquitine-achtige modifier). De SUMO-gemodificeerde verkeerd gevouwen eiwitten worden vervolgens herkend door het tweede eiwit, RNF4, dat ze tagt met ketens van een ander klein eiwit dat ubiquitine wordt genoemd. De ubiquitineketen is een signaal dat kan worden herkend door het tonvormige proteasoom, wat leidt tot de afbraak van verkeerd gevouwen eiwitten.

Het team toonde vervolgens het fysiologische belang van het eliminatiesysteem aan met behulp van een muismodel van spinocerebellaire ataxie 1 (SCA1), een fatale neurologische aandoening die problemen veroorzaakt met beweging en evenwicht. Mutaties in het ATXN1-gen veroorzaken SCA1, waarbij herhaalde segmenten van de DNA-bouwstenen cytosine (C), adenine (A) en guanine (G) betrokken zijn die meerdere keren achter elkaar in het gen voorkomen, dat codeert voor een strook aaneengesloten glutamine aminozuren. Normaal gesproken wordt het CAG-segment 4 tot 39 keer herhaald binnen het gen. In SCA1 wordt het CAG-segment 40 tot meer dan 80 keer herhaald, wat leidt tot een abnormaal lang ataxine-1-eiwit dat zich in de verkeerde driedimensionale vorm vouwt en klonten vormt in de kern. Het team toonde aan dat een PML-tekort zowel de gedrags- als neuropathologische defecten verergert die worden veroorzaakt door de uitgebreide CAG-herhaling in de SCA1-muis, wat aangeeft dat PML normaal werkt om te beschermen tegen neurodegeneratie. Het PML-eiwit is ook betrokken bij de vorming van tumoren, en zo raakte Yang, een kankerbioloog, betrokken bij dit soort onderzoek.

"De kennis die is opgedaan met dit project biedt nu de mogelijkheid van nieuwe therapeutische doelen voor neurodegeneratieve ziekten. Misschien kunnen nieuwe medicijnen het eliminatiesysteem verbeteren door de werking van PML of RNF4 te vergroten, of kunnen ze de remmers van het SUMO- en ubiquitine-tagproces remmen, " zegt Yang.


Referenties

Harding, T.M., Morano, K.A., Scott, S.V. & Klionsky, D.J. Isolatie en karakterisering van gistmutanten in het cytoplasma naar vacuole-eiwit-targeting-route. J. Cell Biol. 131, 591–602 (1995).

Hutchins, M. U. & Klionsky, D. J. Vacuolaire lokalisatie van oligomere α-mannosidase vereist dat het cytoplasma targeting en autofagie-routecomponenten in vacuole Saccharomyces cerevisiae. J. Biol. Chem. 276, 20491–20498 (2001).

Suzuki, K. & Ohsumi, Y. Moleculaire machines van autofagosoomvorming in gist, Saccharomyces cerevisiae. FEBS Lett. 581, 2156–2161 (2007).

Xie, Z. & Klionsky, D. J. Autofagosoomvorming: kernmachines en aanpassingen. nat. Cel Biol. 9, 1102–1109 (2007).

Elsasser, S. & Finley, D. Levering van alomtegenwoordige substraten aan proteïne-ontvouwingsmachines. nat. Cel Biol. 7, 742–749 (2005).

Husnjak, K. et al. Proteasoomsubeenheid Rpn13 is een nieuwe ubiquitinereceptor. Natuur 453, 481–488 (2008).

Kraft, C., Reggiori, F. & Peter, M. Selectieve soorten autofagie in gist. Biochim. Biofysica. Acta 1793, 1404–1412 (2009).

Pankiv, S. et al. p62/SQSTM1 bindt direct aan Atg8/LC3 om afbraak van alomtegenwoordige eiwitaggregaten door autofagie te vergemakkelijken. J. Biol. Chem. 282, 24131–24145 (2007).

Kim, P.K., Hailey, D.W., Mullen, R.T. & Lippincott-Schwartz, J. Ubiquitin signaleert autofagische afbraak van cytosolische eiwitten en peroxisomen. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 105, 20567–20574 (2008).

Kraft, C., Deplazes, A., Sohrmann, M. & Peter, M. Rijpe ribosomen worden selectief afgebroken bij uithongering door een autofagieroute die de Ubp3p / Bre5p ubiquitine-protease vereist. nat. Cel Biol. 10, 602–610 (2008).

Thurston, T.L., Ryzhakov, G., Bloor, S., von Muhlinen, N. & Randow, F. De TBK1-adapter en autofagie-receptor NDP52 beperkt de proliferatie van met ubiquitine gecoate bacteriën. nat. Immunol. 10, 1215–1221 (2009).

Zhao, J. et al. FoxO3 activeert op gecoördineerde wijze eiwitafbraak door de autofagische/lysosomale en proteasomale routes in atrofiërende spiercellen. Cel Metab. 6, 472–483 (2007).

Iwata, A., Riley, B.E., Johnston, J.A. & Kopito, R.R. HDAC6 en microtubuli zijn vereist voor autofagische afbraak van geaggregeerd huntingtine. J. Biol. Chem. 280, 40282–40292 (2005).

Pandey, U.B. et al. HDAC6 redt neurodegeneratie en vormt een essentiële schakel tussen autofagie en de UPS. Natuur 447, 859–863 (2007).

Korolchuk, V.I., Mansilla, A., Menzies, F.M. & Rubinsztein, D.C. Autofagie-remming compromitteert de afbraak van ubiquitine-proteasoomroute-substraten. Mol. Cel 33, 517–527 (2009).

Hattori, N. & Mizuno, Y. Pathogenetische mechanismen van parkine bij de ziekte van Parkinson. Lancet 364, 722–724 (2004).

Moore, D. J. Parkin: een veelzijdig ubiquitine-ligase. Biochem. soc. Trans. 34, 749–753 (2006).

Olzmann, J.A. et al. Parkine-gemedieerde K63-gekoppelde polyubiquitinatie richt zich op verkeerd gevouwen DJ-1 op aggresomes via binding aan HDAC6. J. Cell Biol. 178, 1025–1038 (2007).

Clark, I.E. et al. Drosophila roze1 is vereist voor de mitochondriale functie en interageert genetisch met parkin. Natuur 441, 1162–1166 (2006).

Narendra, D., Tanaka, A., Suen, D.F. & Youle, R.J. Parkin wordt selectief gerekruteerd voor aangetaste mitochondriën en bevordert hun autofagie. J. Cell Biol. 183, 795–803 (2008).

Narendra, D.P. et al. PINK1 wordt selectief gestabiliseerd op aangetaste mitochondriën om Parkine te activeren. PLoS Biol. 8, e1000298 (2010).

Cuervo, A.M., Stefanis, L., Fredenburg, R., Lansbury, P.T. & Sulzer, D. Verminderde afbraak van mutant α-synucleïne door chaperonne-gemedieerde autofagie. Wetenschap 305, 1292–1295 (2004).

Kopito, R. R. Aggresomes, inclusielichamen en eiwitaggregatie. Trends Cell Biol. 10, 524–530 (2000).

Kirkin, V. et al. Een rol voor NBR1 bij autofagosomale afbraak van ubiquitinated substraten. Mol. Cel 33, 505–516 (2009).

Boyault, C. et al. HDAC6-p97/VCP-gecontroleerde polyubiquitineketenomzetting. EMBO J. 25, 3357–3366 (2006).

Bjorkoy, G. et al. p62/SQSTM1 vormt eiwitaggregaten die door autofagie worden afgebroken en heeft een beschermend effect op door huntingtine geïnduceerde celdood. J. Cell Biol. 171, 603–614 (2005).

Bence, N.F., Sampat, R.M. & Kopito, R.R. Aantasting van het ubiquitine-proteasoomsysteem door eiwitaggregatie. Wetenschap 292, 1552–1555 (2001).

Gamerdinger, M. et al. Eiwitkwaliteitscontrole tijdens veroudering omvat rekrutering van de macroautofagieroute door BAG3. EMBO J. 28, 889–901 (2009).

Arndt, V. et al. Door chaperonne ondersteunde selectieve autofagie is essentieel voor spieronderhoud. Curr. Biol. 20, 143–148 (2010).

Carra, S., Seguin, S.J., Lambert, H. & Landry, J. HspB8 chaperonne-activiteit ten opzichte van poly (Q) -bevattende eiwitten hangt af van de associatie met Bag3, een stimulator van macroautofagie. J. Biol. Chem. 283, 1437–1444 (2008).

Nagaoka, U. et al. Verhoogde expressie van p62 in geëxpandeerde cellen die polyglutamine tot expressie brengen en de associatie ervan met polyglutamine-insluitsels. J. Neurochem. 91, 57–68 (2004).

Zatloukal, K. et al. p62 Is een veel voorkomende component van cytoplasmatische insluitsels bij eiwitaggregatieziekten. Ben. J. Patol. 160, 255–263 (2002).

Komatsu, M. et al. Homeostatische niveaus van p62 regelen de vorming van cytoplasmatische inclusielichaampjes in autofagie-deficiënte muizen. Cel 131, 1149–1163 (2007).

Geisler, S. et al. PINK1/Parkine-gemedieerde mitofagie is afhankelijk van VDAC1 en p62/SQSTM1. nat. Cel Biol. 12, 119–131 (2010).

Pohl, C. & Jentsch, S. Midbody-ringverwijdering door autofagie is een post-abscissiegebeurtenis van cytokinese. nat. Cel Biol. 11, 65–70 (2009).

Zheng, Y.T. et al. Het adapter-eiwit p62/SQSTM1 richt zich op binnendringende bacteriën op de autofagieroute. J. Immunol. 183, 5909–5916 (2009).

Hofmann, K. Ubiquitine-bindende domeinen en hun rol in de reactie op DNA-schade. DNA-reparatie (Amst.) 8, 544–556 (2009).

Fass, E., Shvets, E., Degani, I., Hirschberg, K. & Elazar, Z. Microtubuli ondersteunen de productie van door honger geïnduceerde autofagosomen, maar niet hun targeting en fusie met lysosomen. J. Biol. Chem. 281, 36303–36316 (2006).

Simonsen, A. et al. Alfy, een nieuw FYVE-domeinbevattend eiwit geassocieerd met eiwitkorrels en autofagische membranen. J. Cel Wetenschap. 117, 4239–4251 (2004).

Filimonenko, M. et al. De selectieve macroautofagische afbraak van geaggregeerde eiwitten vereist het PI3P-bindende eiwit Alfy. Mol. Cel 38, 265–279 (2010).

Clausen, T.H. et al. p62/SQSTM1 en ALFY werken samen om de vorming van p62-lichamen/ALIS en hun afbraak door autofagie te vergemakkelijken. autofagie 6, 330–344 (2010).

Novak, I. et al. Nix is ​​een selectieve autofagiereceptor voor mitochondriale klaring. EMBO-rep. 11, 45–51 (2010).

Nazarko, T.Y., Farre, J.C. & Subramani, S. Peroxisoomgrootte geeft inzicht in de functie van autofagie-gerelateerde eiwitten. Mol. Biol. Cel 20, 3828–3839 (2009).

Okamoto, K., Kondo-Okamoto, N. & Ohsumi, Y. Mitochondria-verankerde receptor Atg32 bemiddelt afbraak van mitochondriën via selectieve autofagie. ontwikkelaar Cel 17, 87–97 (2009).

Scott, S.V., Guan, J., Hutchins, M.U., Kim, J. & Klionsky, D.J. Cvt19 is een receptor voor de cytoplasma-naar-vacuole-targetingroute. Mol. Cel 7, 1131–1141 (2001).


Verkeerd gevouwen eiwitten tot vernietiging gedreven door Hul5

Verkeerd gevouwen eiwitten zijn potentieel toxisch en worden daarom onderworpen aan zeer selectieve afbraak door het ubiquitine-proteasoomsysteem. De identificatie van het Hul5-ubiquitine-ligase als een belangrijke bemiddelaar van dergelijke 'kwaliteitscontrole'-ubiquitylering na een hitteschok roept nieuwe vragen op over het ontwerp van deze routes.

De opeenhoping van verkeerd gevouwen eiwitten vormt een bedreiging voor de gezondheid van cellen en organismen. Het verkeerd vouwen van eiwitten brengt hoge fitnesskosten met zich mee die de evolutie van eiwitcoderende sequenties 1 beperken, en een grote klasse van ziekten, de proteïnopathieën, is het gevolg van de expressie van toxische, vaak gemuteerde eiwitten 2 . De meest bekende proteïnopathieën zijn neurodegeneratieve ziekten zoals de ziekte van Huntington. Deze ziekten zijn geassocieerd met genetische dominantie en het verzamelen van verkeerd gevouwen eiwitten in intracellulaire eiwitaggregaten. Verkeerd gevouwen eiwitten wekken de hitteschokreactie op, die wordt gekenmerkt door de synthese van een diverse reeks moleculaire chaperonnes, die verkeerd gevouwen eiwitten binden, hun juiste vouwing bevorderen en de interacties tussen verkeerd gevouwen eiwitten tegenwerken die tot eiwitaggregatie leiden 2 . De kenmerken van deze reactie zijn vergelijkbaar tussen prokaryoten en eukaryoten, wat wijst op een zeer vroege oorsprong.


De ubiquitine-tag

Ubiquitine is aan eiwitten gebonden door een reeks van drie enzymatische activiteiten. Afzonderlijke ubiquitine-moleculen worden geactiveerd door ubiquitine-activerende enzymen (E1s), overgebracht naar ubiquitine-conjugerende enzymen (E2s) en van daaruit naar het substraat, dat wordt herkend door ubiquitine-eiwit-ligase-enzymen (E3s), besproken in 10 . Afhankelijk van het type E3 wordt de ubiquitine ofwel van de E2 naar de E3 en vervolgens naar het substraat overgebracht, of rechtstreeks van de E2 naar het substraat. Ubiquitine is bijna altijd aan het substraat gebonden via een isopeptidebinding tussen de α-carboxylgroep van de ubiquitine-ruggengraat en de ε-aminogroep van een lysine in het substraat. In enkele zeldzame gevallen is gevonden dat ubiquitine is geconjugeerd aan N-terminale residuen 13 of cysteïnes 14 . Vreemd genoeg stopt de modificatiereactie meestal niet nadat het eerste ubiquitine aan een eiwit is gehecht, maar gaat het door zodat een extra ubiquitine-deel wordt gehecht aan een lysine van het eerste ubiquitine, een ander ubiquitine aan dit tweede, enzovoort. Soms is een extra enzym, een E4 genaamd, bij deze reactie betrokken, besproken in 15 . Als gevolg hiervan vormen zich lange ubiquitineketens op substraten.

Er zijn zeven lysines in ubiquitine, dus polyubiquitineketens kunnen zich vormen via verschillende koppelingen, besproken in 16 . In de klassieke opvatting is het minimale signaal dat nodig is voor proteasoomtargeting een keten van vier ubiquitine-moleculen die zijn verbonden via lysine 48 (K48)9. Echter, ubiquitine-tags waarbij de ubiquitine-resten zijn gekoppeld via andere lysine-residuen zoals K11 17, K63 18, 19 en waarschijnlijk andere 20, kunnen zich ook richten op eiwitten voor proteasomale afbraak. In enkele gevallen lijkt het erop dat monoubiquitinatie voldoende is om een ​​eiwit te targeten voor door proteasoom gemedieerde afbraak 21-23, maar het is niet duidelijk of deze targetingmodus wijdverbreid is. Polyubiquitine-ketens verbonden door elke lysine in ubiquitine zijn aanwezig in vivo in gist 20,24 . Sommige van deze polyubiquitine-modificaties, en de hechting van een enkele ubiquitine, hebben functies buiten de afbraak, zoals bij membraantransport 25 . Inderdaad, ubiquitinatie komt naar voren als een algemeen en overdraagbaar eiwit-eiwit-interactiesignaal, niet anders dan fosforylering 26 .


Verkeerd gevouwen eiwitten herkenningsstrategieën van E3-ubiquitine-ligases en neurodegeneratieve ziekten

Verslechtering van de klaring van verkeerd gevouwen eiwitten door functionele eiwitten leidt tot verschillende laat optredende neurodegeneratieve ziekten. Cell past een strikt kwaliteitscontrolemechanisme toe tegen defecte eiwitten die cellulaire proteoxicity kunnen genereren. Onder proteotoxische beledigingen nemen cellen onmiddellijk twee belangrijke benaderingen over om ofwel de verkeerd gevouwen eiwitachtige soorten opnieuw te vouwen of de onhandelbare kandidaten af ​​te breken. Het belangrijkste mechanisme voor kwaliteitscontrole van cellulaire proteostase is echter niet duidelijk. Het is daarom belangrijk om de gebeurtenissen en cellulaire routes te begrijpen die betrokken zijn bij de klaring van weerbarstige eiwitten. Ubiquitine-proteasoomsysteem regelt intracellulaire eiwitafbraak. In dit proces biedt het E3-ubiquitine-ligase-enzym specificiteit voor de herkenning van client-eiwitten. In deze review vatten we verschillende moleculaire benaderingen samen die worden beheerst door E3-ubiquitine-ligasen bij de afbraak van afwijkende eiwitten. Een duidelijk begrip van E3-ubiquitine-ligasen kan een goed hanteerbare therapeutische benadering bieden tegen neurodegeneratieve ziekten.

Dit is een voorbeeld van abonnementsinhoud, toegang via uw instelling.


INVOERING

We hebben eerder mitochondriaal ubiquitine-ligase MITOL (ook bekend als MARCH-V) geïdentificeerd dat specifiek is gelokaliseerd in de mitochondriën (Yonashiro et al., 2006). MITOL is een ubiquitine-ligase dat wordt gekenmerkt door zijn vier transmembraandomeinen binnen het mitochondriale buitenmembraan, en het alomtegenwoordig mitochondriale splijtingseiwitten hFis1 en Drp1. Vervolgens werd gevonden dat niet alleen de splijtingseiwitten maar ook de fusie-eiwitten interageren met MITOL, wat suggereert dat MITOL zowel mitochondriale splijting als fusie reguleert (Nakamura et al., 2006 Karbowski et al., 2007). MITOL speelt dus een cruciale rol bij het reguleren van de mitochondriale dynamiek via de controle van de balans tussen mitochondriale splitsing en fusie-eiwitten. Een essentiële rol van MITOL in de mitochondriën is echter niet voldoende opgehelderd.

Intracellulaire kwaliteitscontrole is een mechanisme waarmee afwijkende eiwitten onmiddellijk worden afgebroken om cellen te beschermen tegen de directe toxiciteit van verkeerd gevouwen eiwitten, evenals tegen verschillende spanningen veroorzaakt door de accumulatie en aggregatie van verkeerd gevouwen eiwitten. Endoplasmatisch reticulum-geassocieerde afbraak (ERAD) is het meest voorkomende kwaliteitscontrolemechanisme waarmee verkeerd gevouwen eiwitten en onvolledig geassembleerde eiwitten van het endoplasmatisch reticulum (ER) naar het cytosol worden getransporteerd, gevolgd door hun polyubiquitinatie en daaropvolgende proteasomale afbraak (Tsai et al., 2002 Meusser et al., 2005). Naast het ERAD-systeem hebben recente onderzoeken aangetoond dat er een kwaliteitscontrolemechanisme in de mitochondriën is, een mitochondriaal AAA-protease degradeert selectief de verkeerd gevouwen en beschadigde eiwitten (Tatsuta en Langer, 2008). Het AAA-protease is echter niet in staat de buitenmembraaneiwitten te herkennen omdat het katalytische domein van het AAA-protease wordt blootgesteld aan de binnenmembraanruimte of -matrix. Een kwaliteitscontrolemechanisme voor het mitochondriale buitenmembraan is dus niet grondig onderzocht. Interessant is dat Saccharomyces cerevisiae DOA10 (bekend als MARCH-VI of TEB4 bij mensen Kreft et al., 2006) behorende tot de MARCH-familie, vergelijkbaar met MITOL, wordt beschouwd als een van de belangrijkste mediatoren voor het alomtegenwoordig maken van ERAD-substraten. Dit bracht ons tot de hypothese dat MITOL betrokken is bij de mitochondriale kwaliteitscontrole van buitenmembraaneiwitten.

Amyotrofische laterale sclerose (ALS) is een ernstige neurodegeneratieve ziekte waarvoor geen therapie is vastgesteld. Spieratrofie, een belangrijk pathologisch kenmerk van ALS, wordt veroorzaakt door schade aan de bovenste en onderste motorneuronen. Onlangs is aangetoond dat mutant superoxide dismutase 1 (mSOD1) een van de genproducten is die verantwoordelijk zijn voor het optreden van familiale ALS (Rosen et al., 1993). De verkeerd gevouwen mSOD1 wordt geaccumuleerd in de neuronale cellen van menselijke ALS-patiënten en ALS-muizenmodel dat mSOD1 tot expressie brengt, en veroorzaakt verschillende cellulaire toxische effecten zoals aggregatie van mSOD1, remming van eiwitafbraak, axonale transportverstoring en verminderde reactieve zuurstofsoorten (ROS) opruimingsactiviteit (Bendotti en Carri, 2004 Barber et al., 2006 Boillee et al., 2006). Er werd aangenomen dat een storing in het ERAD-kwaliteitscontrolesysteem de belangrijkste oorzaak is van neuronale dood die wordt waargenomen bij ALS, omdat ERAD-gerelateerde ubiquitine-ligase zoals C-terminus van Hsp70 (heat-shock protein 70)-interacting protein (CHIP) de de toxiciteit van mSOD1 door het alomtegenwoordig te maken en omdat het dan de proteasomale afbraak ervan bevordert (Niwa et al., 2002 Miyazaki et al., 2004 Urushitani et al., 2004). Aan de andere kant suggereerde een recente significante studie dat een accumulatie van mSOD1 in mitochondriën de ware oorzaak is van neuronale celdood en het ontstaan ​​van ALS (Dupuis et al., 2004 Manfredi en Xu, 2005 Lin en Beal, 2006). Op dit moment is er geen kwaliteitscontrolesysteem voor deze mSOD1-accumulatie in mitochondriën gerapporteerd. Daarom is mSOD1 een goed model voor het onderzoeken van het mechanisme van mitochondriale kwaliteitscontrole die wordt gereguleerd door MITOL.

In deze studie rapporteren we een mogelijke rol van MITOL in mitochondriale kwaliteitscontrole. Onze resultaten geven aan dat MITOL de cytotoxiciteit van mSOD1 verzwakt door selectief mitochondriaal mSOD1 te ubiqutineren en de afbraak ervan te bevorderen. Met deze bevinding in overweging, bespreken we of het mogelijk is om ALS te behandelen via de activering van MITOL.


Eiwitvouwing, -modificatie en targeting

Om te kunnen functioneren, moeten eiwitten zich in de juiste driedimensionale vorm vouwen en op het juiste deel van de cel worden gericht.

Leerdoelen

Bespreek hoe post-translationele gebeurtenissen de juiste functie van een eiwit beïnvloeden

Belangrijkste leerpunten

Belangrijkste punten

  • Eiwitvouwing is een proces waarbij een lineaire keten van aminozuren een gedefinieerde driedimensionale structuur krijgt, maar er is een mogelijkheid om verkeerd gevouwen of gedenatureerde eiwitten te vormen, die vaak inactief zijn.
  • Eiwitten moeten zich ook in het juiste deel van de cel bevinden om correct te kunnen functioneren. Daarom wordt er vaak een signaalsequentie aan gekoppeld om het eiwit naar de juiste locatie te leiden, die wordt verwijderd nadat het zijn locatie heeft bereikt.
  • Het verkeerd vouwen van eiwitten is de oorzaak van tal van ziekten, zoals de gekkekoeienziekte, de ziekte van Creutzfeldt-Jakob en cystische fibrose.

Sleutelbegrippen

  • prion: een zichzelf voortplantende verkeerd gevouwen conformer van een eiwit dat verantwoordelijk is voor een aantal ziekten die de hersenen en ander neuraal weefsel aantasten
  • chaperonne: een eiwit dat helpt bij het niet-covalent vouwen/ontvouwen van andere eiwitten

Eiwit vouwen

Nadat ze uit mRNA zijn vertaald, beginnen alle eiwitten op een ribosoom als een lineaire sequentie van aminozuren. Deze lineaire sequentie moet tijdens en na de synthese 'vouwen' zodat het eiwit de zogenaamde natieve conformatie kan verwerven. De natieve conformatie van een eiwit is een stabiele driedimensionale structuur die de biologische functie van een eiwit sterk bepaalt. Wanneer een eiwit zijn biologische functie verliest als gevolg van verlies van driedimensionale structuur, spreken we van denaturatie van het eiwit. Eiwitten kunnen niet alleen door hitte worden gedenatureerd, maar ook door extreme pH-waarden. Deze twee omstandigheden beïnvloeden de zwakke interacties en de waterstofbruggen die verantwoordelijk zijn voor de driedimensionale structuur van een eiwit. Zelfs als een eiwit correct wordt gespecificeerd door zijn corresponderende mRNA, kan het een volledig disfunctionele vorm aannemen als abnormale temperatuur- of pH-omstandigheden verhinderen dat het correct vouwt. De gedenatureerde toestand van het eiwit komt niet overeen met het ontvouwen van het eiwit en randomisatie van conformatie. In feite bestaan ​​gedenatureerde eiwitten in een reeks gedeeltelijk gevouwen toestanden die momenteel slecht worden begrepen. Veel eiwitten vouwen spontaan, maar sommige eiwitten hebben hulpmoleculen nodig, chaperonnes genaamd, om te voorkomen dat ze aggregeren tijdens het gecompliceerde vouwproces.

Eiwit vouwen: Een eiwit begint als een lineaire opeenvolging van aminozuren en vouwt zich vervolgens op tot een driedimensionale vorm die doordrenkt is met alle functionele eigenschappen die nodig zijn in de cel.

Eiwitmodificatie en targeting

Tijdens en na translatie kunnen individuele aminozuren chemisch worden gemodificeerd en kunnen signaalsequenties aan het eiwit worden toegevoegd. Een signaalsequentie is een korte staart van aminozuren die een eiwit naar een specifiek cellulair compartiment leidt. Deze sequenties aan het amino-uiteinde of het carboxyl-uiteinde van het eiwit kunnen worden gezien als het 'treinkaartje' van het eiwit naar zijn uiteindelijke bestemming. Andere cellulaire factoren herkennen elke signaalsequentie en helpen het eiwit van het cytoplasma naar het juiste compartiment te transporteren. Een specifieke sequentie aan het amino-uiteinde zal bijvoorbeeld een eiwit naar de mitochondriën of chloroplasten (in planten) leiden. Zodra het eiwit zijn cellulaire bestemming heeft bereikt, wordt de signaalsequentie meestal afgekapt.

Verkeerd gevouwen

Het is erg belangrijk voor eiwitten om hun natieve conformatie te bereiken, aangezien het niet doen hiervan kan leiden tot ernstige problemen bij het vervullen van hun biologische functie. Defecten in eiwitvouwing kunnen de moleculaire oorzaak zijn van een reeks menselijke genetische aandoeningen. Cystic fibrosis wordt bijvoorbeeld veroorzaakt door defecten in een membraangebonden eiwit dat cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) wordt genoemd. Dit eiwit dient als kanaal voor chloride-ionen. De meest voorkomende mutatie die cystische fibrose veroorzaakt, is de deletie van een Phe-residu op positie 508 in CFTR, wat een onjuiste vouwing van het eiwit veroorzaakt. Veel van de ziektegerelateerde mutaties in collageen veroorzaken ook een defecte vouwing.

Een verkeerd gevouwen eiwit, bekend als prion, blijkt de verwekker te zijn van een aantal zeldzame degeneratieve hersenziekten bij zoogdieren, zoals de gekkekoeienziekte. Verwante ziekten omvatten kuru en Creutzfeldt-Jakob. De ziekten worden soms spongiforme encefalopathieën genoemd, zo genoemd omdat de hersenen vol gaten zitten. Prion, het verkeerd gevouwen eiwit, is een normaal bestanddeel van hersenweefsel bij alle zoogdieren, maar de functie ervan is nog niet bekend. Prionen kunnen zich niet zelfstandig voortplanten en worden niet als levende micro-organismen beschouwd. Een volledig begrip van prionziekten wacht op nieuwe informatie over hoe prioneiwit de hersenfunctie beïnvloedt, evenals meer gedetailleerde structurele informatie over het eiwit. Therefore, improved understanding of protein folding may lead to new therapies for cystic fibrosis, Creutzfeldt-Jakob, and many other diseases.


Snapshot: What is Protein Degradation?

No protein is made to last forever. Just as DNA and RNA direct a coordinated process for protein creation, there is also a process for proteins to be broken down by the cell. We call this proteolysis or protein degradation.

Proteins are broken down for a number of reasons. First and foremost, it’s a strategy for quality control. After a string of protein building blocks are put together, they are bent and folded into a specific shape that allows the protein to interact with other proteins in a useful way. You can think of it like a daisy in a daisy chain- the stem needs to be carefully folded and tied or the daisy chain falls apart entirely. Cells have tools to identify misfolded proteins and break them down quickly to prevent problems.

Even beyond quality control, proteins have a certain lifespan within the cell. Regular protein recycling ensures that there is always an available supply of protein building blocks for the creation of new proteins. Removing older proteins also gives cells flexibility in terms of adjusting to environmental changes.

Reuse and recycle. Protein degradation is how your cells break down old or broken proteins so their parts can be reused.

What Determines Protein Lifespan?

The amount of time a protein sticks around is dependent on several factors.

Maat: Larger proteins tend to degrade faster.

Shape: Proteins are folded in such a way that only certain areas of the protein are accessible. This can change over time as proteins interact with one another, changing how the protein functions within the cell. Shape changes can also reveal protein characteristics which make them more likely to get degraded. One example of this is misfolding.

Stopping activity: Proteins are important messengers for cells, transferring information to and from different cell areas. Cells are built to turn these signals off after they are turned on. One way of doing this is to remove the protein responsible for sending the signal.

How active a protein degradation pathway is: Different types of proteins in the cell are responsible for directing and organizing protein breakdown. If the cell makes more of these or if they get turned on by a cellular message, general protein breakdown in the cell will happen faster. These will be described further in the next section.

It’s important to note that these are general guidelines. Every protein has its own relative lifespan. When we refer to protein stability or protein degradation in the study of the ataxias, we’re referring to relative changes in the lifespan of a specific protein.

How Do Proteins Actually Get Degraded?

There are two main structures in the cell that are important for protein degradation. The first is a specialized organelle called the lysosome, which acts as the trash collector of the cell. The lysosome is designed to eat and digest larger things like old organelles.

The second structure responsible for protein degradation is the proteasome, a large cylindrical complex of proteins that uses energy to break apart other proteins. Proteins destroyed by the proteasome are specifically marked for destruction by enzymes. Enzymes are biological catalysts- proteins that help chemical reactions take place without being used up or changed in the process. The protease-associated enzymes, creatively named E1, E2, and E3, work together to identify proteins with specific characteristics and tag them. These tags, called ubiquitin, are added on one at a time to make a chain that dangles off of the targeted protein. Once a large enough chain is made, the tagged protein is recognized by the proteasome and destroyed.

Beyond these cellular garbage disposals, there are a other types of enzymes called proteases that can help to break proteins apart. Proteases, recognize specific characteristics about a protein of interest (shape, sequence, etc). They use that to help target a protein for breakdown. While both ubiquitin-tagging and protease-targeting are somewhat selective, the protein characteristics that these enzymes recognize tend to be broadly shared by lots of proteins. Thus, by the combination of these systems, the cell can regularly recycle its entire protein population.

What does this mean for Spinocerebellar Ataxia (SCA)?

Recent evidence shows that reducing levels of specific Ataxins may delay symptom onset for patients with certain SCAs. Targeting protein degradation to treat disorders like ataxia is not a simple task though. The proteins that we are interested in are very specific. But while the cellular tools in place driving protein degradation tend to be very broad. However, as we study the Ataxins, we find ways to make these proteins vulnerable to degradation and open up possible avenues for future therapies.

If you would like to learn more about protein degradation , take a look at this resource by the Research Outreach.


Bekijk de video: Вкусные печенья из яичного белка. Egg White Crispy Biscuit (December 2021).