植物蛋白的体外泛素化检测方法

泛素激活酶(E1)、泛素耦联酶(E2)和泛素连接酶(E3)是蛋白质泛素化修饰的关键酶。在真核基因组上有大量基因编码这些泛素化相关的酶类或蛋白。检测这些泛素化修饰酶及其底物蛋白的生化特性和特异性是分析其生物学功能的重要内容。该文提供了一种简便快速检测体外泛素化反应的方法, 不仅可通过检测对DTT敏感的硫酯键的形成来判断E2的活性、检测E3的体外泛素化活性, 而且可以检测E2-E3和E3-底物的特异性。所用蛋白主要来源于拟南芥(Arabidopsis thaliana), 包括分属于绝大多数E2亚家族的成员, 可用于不同RING类型E3的活性检测。该方法不仅可以采用多种E2进行E3活性分析, 而且可以分析不同组合的E2-RING E3、RING E3-底物的泛素化活性等, 亦可应用于真核生物蛋白质尤其是植物蛋白的体外泛素化活性分析。     

泛素连接酶E3

蛋白质的泛素化修饰具有高度的特异性,它参与调节细胞内许多的生理活动。蛋白质的泛素化修饰涉及一系列的酶参与反应,包括泛素激活酶E1、结合酶E2以及连接酶E3。而其中泛素连接酶E3对靶蛋白的特异性识别起关键作用。泛素连接酶E3主要由HECT结构域家族、RING结构域家族和U-box结构域家族组成。现对泛素连接酶E3的分类、结构及其对靶蛋白的识别机制等进行综述。     

快速高效检测植物体内蛋白泛素化修饰研究方法

UPS参与植物中绝大多数的信号转导通路。其中, 一些激素的受体本身就是E3泛素连接酶, 如茉莉酸(JA)受体COI1和生长素(auxin)受体TIR1都是F-box蛋白, 它们通过特异性介导相应转录抑制子的泛素化降解来传递激素信号, 但对于整个UPS体系而言, 由于技术的限制, 迄今为止仅见少量泛素连接酶与特异性底物间生化机制的报道。用大肠杆菌(Escherichia coli)表达蛋白实施泛素连接酶泛素化修饰底物的体外实验是验证泛素连接酶/底物对的常用方法, 但由于体外实验缺乏某些蛋白必需的转录后修饰, 导致实验结果有时存在假阴性。利用农杆菌注射烟草(Nicotiana benthamiana)瞬时表达蛋白的方法, 建立高效的植物体内检测蛋白泛素化系统, 可以快速检测蛋白泛素化, 包括检测泛素连接酶和底物的特异性相互作用、底物蛋白的自身泛素化、泛素连接酶对底物降解的促进作用、26S蛋白酶体抑制剂MG132对底物降解的抑制作用以及用植物内源表达蛋白进行体外泛素化反应。     

快速高效检测植物体内蛋白泛素化修饰研究方法

UPS参与植物中绝大多数的信号转导通路。其中, 一些激素的受体本身就是E3泛素连接酶, 如茉莉酸(JA)受体COI1和生长素(auxin)受体TIR1都是F-box蛋白, 它们通过特异性介导相应转录抑制子的泛素化降解来传递激素信号, 但对于整个UPS体系而言, 由于技术的限制, 迄今为止仅见少量泛素连接酶与特异性底物间生化机制的报道。用大肠杆菌(Escherichia coli)表达蛋白实施泛素连接酶泛素化修饰底物的体外实验是验证泛素连接酶/底物对的常用方法, 但由于体外实验缺乏某些蛋白必需的转录后修饰, 导致实验结果有时存在假阴性。利用农杆菌注射烟草(Nicotiana benthamiana)瞬时表达蛋白的方法, 建立高效的植物体内检测蛋白泛素化系统, 可以快速检测蛋白泛素化, 包括检测泛素连接酶和底物的特异性相互作用、底物蛋白的自身泛素化、泛素连接酶对底物降解的促进作用、26S蛋白酶体抑制剂MG132对底物降解的抑制作用以及用植物内源表达蛋白进行体外泛素化反应。     

泛素链的形成机理

泛素化是真核细胞中重要的蛋白质翻译后修饰过程,通过靶向蛋白质降解或其他信号途径参与多种细胞功能.底物蛋白的多聚泛素化修饰是一个持续的过程,其中不仅涉及复杂泛素系统相关酶的参与,而且存在更为复杂的结构上相互作用与泛素链组装机理.不同的泛素链修饰决定了底物蛋白下游的不同命运,泛素结合酶E2在泛素链形成中的重要作用受到越来越多的关注.对泛素链形成机理的深入研究与认识有利于发现与泛素系统相关的疾病靶点和利用泛素化调控方法进行治疗.本综述总结了E2和E3如何决定不同泛素链形成的机制和相关的结构信息,以及两种不同的泛素链组装机制.     

泛素连接酶和去泛素化酶在帕金森病中的作用

中脑黑质多巴胺能神经元特异性损伤和α突触核蛋白聚集的分子机制是帕金森病（Parkinson’s disease,PD）研究领域亟待解决的问题。蛋白质异常聚集很大程度上是由于泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system,UPS）功能障碍引起的。蛋白质泛素化由一系列泛素化酶级联反应促进，并受去泛素化酶（deubiquitylases,DUBs）的反向调节。泛素化和去泛素化过程异常导致蛋白质异常聚集和包涵体形成，进而损伤神经元。近来研究报道，蛋白质的泛素化和去泛素化修饰在PD的发病机制中发挥重要作用。E3泛素连接酶促进蛋白质的泛素化，有利于α突触核蛋白的清除、促进多巴胺能神经元的存活、维持线粒体的功能等。DUBs可以去掉底物蛋白质的泛素化修饰，抑制α突触核蛋白的降解，调控线粒体的功能和神经元内铁的稳态。本文以E3泛素连接酶和DUBs为切入点，综述了蛋白质泛素化和去泛素化修饰参与多巴胺能神经元损伤机制的最新研究进展。     

体外重构STUB1介导α-1抗胰蛋白酶突变体Z蛋白泛素化修饰反应体系

α-1抗胰蛋白酶Z型突变体蛋白(α-1 antitrypsin Z-mutant protein, ATZ)是引发α-1抗胰蛋白酶缺陷症(α-1 antitrypsin deficiency, AATD)的主要原因,研究ATZ蛋白的泛素化修饰和降解对于治疗AATD具有重要意义。STUB1是一种重要的E3泛素连接酶,参与调节多种蛋白质的泛素化修饰。然而,STUB1是否参与ATZ的泛素化修饰尚未明确。本研究首先将ATZ和STUB1的编码基因克隆到pET28a质粒,构建了这2个蛋白的表达质粒。随后,将重组质粒转入大肠杆菌表达系统,在优化诱导条件实现了重组蛋白的异源表达。通过金属螯合亲和层析技术纯化得到目的蛋白,并通过蛋白质谱分析验证了其氨基酸序列的准确性。利用纯化的ATZ和STUB1重组蛋白,构建了一个体外泛素化修饰反应体系。实验结果显示,在ATP、E1泛素激活酶和E2泛素结合酶的协同作用下,STUB1成功催化了ATZ的泛素化修饰。本研究提供了一种体外获得Z型突变体ATZ纯化蛋白的方法,并确认了STUB1介导ATZ的泛素化修饰功能,推进了对α-1抗胰蛋白酶Z型突变体蛋白在细胞内降解过程的调控机制的理解。     

泛素化修饰调控脱落酸介导的信号途径

泛素化修饰是一种重要的蛋白质翻译后修饰,通过调节蛋白的活性和稳定性等影响其功能的发挥,在真核生物的生命过程中具有非常重要的作用。泛素化修饰通过精细地调控植物激素脱落酸(abscisic acid, ABA)的合成和信号转导过程的关键因子,影响植物对ABA的响应,参与植物生长发育过程及对干旱、盐和冷胁迫等不良环境的应答。本文概述了植物中泛素化修饰的相关组分(包括泛素连接酶E3、泛素结合酶E2、26S蛋白酶体)和内膜运输相关蛋白,以及这些蛋白调控ABA合成和信号转导过程的最新研究进展,提出该研究领域需要解决的新问题,以期为相关领域的科研人员进一步了解翻译后修饰如何调控激素信号的转导途径提供参考。     

蛋白质泛素化系统

泛素化是单个或多个泛素在泛素激活酶,泛素结合酶及泛素蛋白质连接酶的作用下共价修饰底物蛋白质的过程,近年来的研究发现,许多含环指的蛋白质本身是蛋白质泛素连接酶,或是多亚基连接酶中的重要成分。由于细胞内可表达200以上的环指蛋白,并且多亚基连接酶可利用同一环指蛋白但不同的底物识别蛋白。这些研究极大地丰富了对泛素化系统酶的认识,也使进一步调节和干预连接酶与底物的相互作用成为可能,新近的研究还发现,泛素化不仅可导致蛋白质的降解,还可直接影响蛋白质的活性和细胞内定位,是调节细胞内蛋白质功能和水平的主要机制之一。     

蛋白质泛素化修饰的生物信息学研究进展

泛素-蛋白酶体系统(Ubiquitin-proteasome system, UPS)介导了真核生物80%~85%的蛋白质降解, 该蛋白质降解途径具有依赖ATP、高效、高度选择性的特点。除参与蛋白质降解之外, 泛素化修饰还可以直接影响蛋白质的活性和定位。由于泛素化修饰底物蛋白在细胞中的广泛存在, 泛素化修饰可以调控包括细胞周期、细胞凋亡、转录调控、DNA损伤修复以及免疫应答等在内的多种细胞活动。近年来, 泛素-蛋白酶体系统相关的蛋白质组学数据不断产出, 有效地管理、组织并合理分析这些数据显得尤为必要。文章综述了当前世界范围内针对蛋白质泛素化修饰展开的生物信息学研究, 总结了前人的工作结果, 包括UPS相关蛋白质数据的收录、泛素化修饰网络的构建和分析、泛素化修饰位点的预测及泛素化修饰motif的研究等方面内容, 并对该领域未来的发展方向进行了讨论。     

A plant‐specific in vitro ubiquitination analysis system

Protein ubiquitination requires the concerted action of three enzymes: ubiquitin‐activating enzyme (E1), ubiquitin‐conjugating enzyme (E2) and ubiquitin ligase (E3). These ubiquitination enzymes belong to an abundant protein family that is encoded in all eukaryotic genomes. Describing their biochemical characteristics is an important part of their functional analysis. It has been recognized that various E2/E3 specificities exist, and that detection of E3 ubiquitination activity in vitro may depend on the recruitment of E2s. Here, we describe the development of an in vitro ubiquitination system based on proteins encoded by genes from Arabidopsis. It includes most varieties of Arabidopsis E2 proteins, which are tested with several RING‐finger type E3 ligases. This system permits determination of E3 activity in combination with most of the E2 sub‐groups that have been identified in the Arabidopsis genome. At the same time, E2/E3 specificities have also been explored. The components used in this system are all from plants, particularly Arabidopsis, making it very suitable for ubiquitination assays of plant proteins. Some E2 proteins that are not easily expressed in Escherichia coli were transiently expressed and purified from plants before use in ubiquitination assays. This system is also adaptable to proteins of species other than plants. In this system, we also analyzed two mutated forms of ubiquitin, K48R and K63R, to detect various types of ubiquitin conjugation.     

Structural basis of generic versus specific E2–RING E3 interactions in protein ubiquitination

Protein ubiquitination is a fundamental regulatory component in eukaryotic cell biology, where a cascade of ubiquitin activating (E1), conjugating (E2), and ligating (E3) enzymes assemble distinct ubiquitin signals on target proteins. E2s specify the type of ubiquitin signal generated, while E3s associate with the E2~Ub conjugate and select the substrate for ubiquitination. Thus, producing the right ubiquitin signal on the right target requires the right E2–E3 pair. The question of how over 600 E3s evolved to discriminate between 38 structurally related E2s has therefore been an area of intensive research, and with over 50 E2–E3 complex structures generated to date, the answer is beginning to emerge. The following review discusses the structural basis of generic E2–RING E3 interactions, contrasted with emerging themes that reveal how specificity can be achieved.     

植物蛋白质SUMO化修饰体外高效检测系统

蛋白质SUMO化修饰是一种调控蛋白命运的关键修饰方式, 广泛参与植物生长发育及逆境胁迫响应。SUMO化修饰过程主要由激活酶(E1)-结合酶(E2)-连接酶(E3)组成的级联酶促反应催化, 其关键酶组分将SUMO分子缀合至底物蛋白的赖氨酸残基, 形成共价异肽键以完成SUMO化修饰过程。该文报道了1种植物蛋白质SUMO化修饰体外高效检测系统, 通过在大肠杆菌(Escherichia coli)中构建拟南芥(Arabidopsis thaliana) SUMO化修饰的关键通路实现对底物蛋白的SUMO化修饰, 结果可通过免疫印迹进行检测。该系统可以简化植物蛋白质SUMO化修饰的检测流程, 为植物细胞SUMO化修饰的功能研究提供了有力工具。     

Allosteric regulation of E2:E3 interactions promote a processive ubiquitination machine

RING finger proteins constitute the large majority of ubiquitin ligases (E3s) and function by interacting with ubiquitin‐conjugating enzymes (E2s) charged with ubiquitin. How low‐affinity RING–E2 interactions result in highly processive substrate ubiquitination is largely unknown. The RING E3, gp78, represents an excellent model to study this process. gp78 includes a high‐affinity secondary binding region for its cognate E2, Ube2g2, the G2BR. The G2BR allosterically enhances RING:Ube2g2 binding and ubiquitination. Structural analysis of the RING:Ube2g2:G2BR complex reveals that a G2BR‐induced conformational effect at the RING:Ube2g2 interface is necessary for enhanced binding of RING to Ube2g2 or Ube2g2 conjugated to Ub. This conformational effect and a key ternary interaction with conjugated ubiquitin are required for ubiquitin transfer. Moreover, RING:Ube2g2 binding induces a second allosteric effect, disrupting Ube2g2:G2BR contacts, decreasing affinity and facilitating E2 exchange. Thus, gp78 is a ubiquitination machine where multiple E2‐binding sites coordinately facilitate processive ubiquitination.     

泛素活化酶Ube1活性中心疏水区关键苯丙氨酸位点的丙氨酸突变对泛素传递活性的影响

泛素化系统调节真核细胞中几乎所有的生命活动,参与细胞内绝大多数蛋白质的降解,而疾病的发生往往伴随着相关蛋白质的异常。研究与疾病相关蛋白质的泛素化途径,通过该途径促进或抑制其活性对疾病的研究和治疗具有重大的意义。然而,细胞内的泛素传递网络错综复杂,天然条件下很难确认某一特定蛋白质的泛素化途径。我们前期工作建立的正交泛素传递途径中的泛素和泛素化酶含有特殊的突变,是鉴定某一特定E3下游蛋白质底物的有效手段。但E1与E2结合位点的突变设计仍有待完善。本研究重新审视了E1-E2的相互作用,着眼于泛素活化酶Ube1活性中心内的疏水区,突变了该区上3个关键的苯丙氨酸残基为丙氨酸,即F637A、F729A、F741A,并设置合理的实验对照来探究此突变对泛素从E1向E2传递活性的影响。结果表明,突变体m Ube1较好地阻断了与UbcH7的识别及Ub的传递,提示本研究涉及的3个关键苯丙氨酸位点对E1-E2互相识别的重要性,及其作为新的正交泛素传递途径中E1突变位点的合理性。     

U box proteins as a new family of ubiquitin-protein ligases.

The U box is a domain of approximately 70 amino acids that is present in proteins from yeast to humans. The prototype U box protein, yeast Ufd2, was identified as a ubiquitin chain assembly factor that cooperates with a ubiquitin-activating enzyme (E1), a ubiquitin-conjugating enzyme (E2), and a ubiquitin-protein ligase (E3) to catalyze ubiquitin chain formation on artificial substrates. E3 enzymes are thought to determine the substrate specificity of ubiquitination and have been classified into two families, the HECT and RING finger families. Six mammalian U box proteins have now been shown to mediate polyubiquitination in the presence of E1 and E2 and in the absence of E3. These U box proteins exhibited different specificities for E2 enzymes in this reaction. Deletion of the U box or mutation of conserved amino acids within it abolished ubiquitination activity. Some U box proteins catalyzed polyubiquitination by targeting lysine residues of ubiquitin other than lysine 48, which is utilized by HECT and RING finger E3 enzymes for polyubiquitination that serves as a signal for proteolysis by the 26 S proteasome. These data suggest that U box proteins constitute a third family of E3 enzymes and that E4 activity may reflect a specialized type of E3 activity.