МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2009, том 43, № 2, с. 243-252
К ЮБИЛЕЮ ИНСТИТУТА ^^^^^^^^^^^^ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ
УДК 577.21
РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ПРОТЕАСОМНЫХ ГЕНОВ У ЭУКАРИОТ
© 2009 г. Д. С. Карпов*, О. В. Преображенская, В. Л. Карпов
Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгелъгардта Российской академии наук,
Москва, 119991 Поступила в редакцию и принята к печати 16.09.2008 г.
Убиквитин-протеасомная система участвует в деградации основной массы внутриклеточного белка и необходима для нормального функционирования клетки и ее выживания в условиях стресса. В обзоре кратко освещены основные принципы организации и функционирования этой протеолитической системы. Большое внимание уделено регуляции экспрессии протеасомных генов у дрожжей, а также обнаружению и структурно-функциональному анализу фактора транскрипции Rpn4p, активатора протеасомных генов у Saccharomyces cerevisiae. Обсуждается также регуляция экспрессии протеасомных генов у высших эукариот.
Ключевые слова: убиквитин, протеасома, Rpn4p, регуляция транскрипции, Saccharomyces cerevisiae.
TRANSCRIPTIONAL REGULATION OF PROTEASOMAL GENES IN EUKARYOTES, by D. S. Kar-pov*, O. V. Preobrazhenskaya, V. L. Karpov (Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Science, Moscow, 119991 Russia; *e-mail: aleom@yandex.ru). The ubuquitin-proteasome system is involved in degradation of many intracellular proteins and is necessary for proper functioning of the cell under normal conditions and its survival under stress conditions. In this review the general principles of structure and functioning of the ubiquitin-proteasome proteolytic system is considered. The main attention was paid for regulation of proteasomal genes expression, and specifically for discovery and analysis of Rpn4p transcription factor, an activator for proteasomal genes in Saccharomyces cerevisiae. The data about regulation of proteasomal genes expression in higher eukaryotes is also discussed.
Key words: ubiquitin, proteasome, Rpn4p, transcription regulation, Saccharomyces cerevisiae.
СТРУКТУРА И ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УБИКВИТИН-ПРОТЕАСОМНОЙ СИСТЕМЫ
Убиквитин-протеасомная система (UPS) - это эукариотическая внутриклеточная система селективного ATP-зависимого протеолиза. Она состоит из комплекса ферментов, осуществляющих узнавание белковых субстратов и ковалентное присоединение к ним полиубиквитина, и крупного протеаз-ного комплекса - протеасомы, который узнает по-лиубиквитинированные белки и расщепляет их до олигопептидов.
Принятые сокращения: UPS - убиквитин-протеасомная система (Ubiquitin-Proteasome System); Rpn - не ATPазная субъединица регуляторного комплекса протеасомы (Regulatory Particle Non-ATPase); Rpt - ATPазная субъединица регулятор-ного комплекса протеасомы (Regulatory Particle Triple-A protein); PACE - регуляторный элемент, связанный с протеасо-мой (Proteasome Associated Control Element); NTAD - N-конце-вой трансактиваторный домен (N-terminal Transactivation Domain); NAD - N-концевой кислый домен (N-terminal Acidic Domain); CAD - С-концевой кислый домен (C-terminal Acidic Domain); NLS - сигнал ядерной локализации (Nuclear Localization Signal).
* Эл. почта: aleom@yandex.ru
В процессе деградации белков при участии UPS можно выделить четыре основных этапа. На первом этапе происходит узнавание белковых субстратов, на втором - их модификация полиубиквити-ном, на третьем - узнавание полиубиквитинирован-ных белков протеасомой и, наконец, на четвертом -расщепление белков протеасомой.
Узнавание белковых субстратов
Белки, которые подвергаются деградации в UPS, обычно содержат участки аминокислотной последовательности, называемые сигналами деградации. Существующие сигналы деградации можно разделить на три основных группы.
Первую группу образуют N-концевые аминокислоты. Некоторые, так называемые "дестабилизирующие" аминокислоты, находясь на N-конце белка, обуславливают его метаболическую нестабильность. К ним относятся положительно заряженные остатки аргинина, лизина и гистидина. Другие аминокислоты, такие как метионин, валин или глицин, наоборот, снижают скорость деградации белков - их называют "стабилизирующими". Зави-
243
4*
E3 RING
Рис. 1. Схема убиквитинирования белков. Ub - убиквитин, E1 - убиквитин-активирующий фермент, Е2 - убиквитин-конъюгирующий фермент, Е3 - убиквитин-лигаза.
симость метаболической стабильности белка от расположенного на его N-конце аминокислотного остатка получила название N-концевого правила деградации белка [1].
Сигналы деградации второго класса представлены специальными последовательностями. Примерами сигналов этого класса могут служить PEST -участки, обогащенные остатками пролина, глута-мата, серина и треонина, фланкированные положительно заряженными остатками лизина или аргинина [2], и так называемый "деградационный мотив" (destruction box) с консенсусом R-A/T-A-L-G-X-I/V -G/T-N, обнаруженным в молекулах митотических циклинов [3].
К третьему классу сигналов можно отнести неспецифические гидрофобные последовательности, которые в норме находятся внутри белковых молекул. Экспонирование внутренних частей белка может происходить при нарушении его третичной структуры под действием таких стрессовых агентов, как тепловой шок, или в случае мутаций в гене, кодирующем этот белок. Такие неправильно свернутые белки потенциально опасны для клетки и эффективно расщепляются в UPS [4].
Сигналы деградации могут быть спрятаны в структуре белка или маскироваться при образовании молекулярных комплексов. Так, известно, что некоторые факторы транскрипции стабильны в составе комплекса с ДНК [5]. Перед деградацией такие белковые субстраты могут диссоциировать из комплексов или подвергаться модификациям, влекущим конформационные изменения.
Узнавание может происходить и с участием другого белка-посредника, который имеет участки взаимодействия как с белковым субстратом, так и с ферментами UPS [6].
Основные ферменты UPS, узнающие сигналы деградации белков, - убиквитин-лигазы. В настоящее время у каждого организма насчитывают не-
сколько сотен ферментов этого класса. Именно они связывают белковый субстрат и ковалентно модифицируют его убиквитином. Этот процесс может регулироваться такими модификациями, как фос-форилирование, или участием вспомогательных белков [7].
Процесс убиквитинирования
После того как сигналы деградации узнаются убиквитин-лигазой, белок подвергается модификации полиубиквитином, что способствует его дальнейшему протеолизу в протеасоме (рис. 1). Убиквитин - это небольшой очень консервативный эукари-отический белок, состоящий из 76 аминокислотных остатков [8]. Он синтезируется в двух основных формах: в виде предшественника, состоящего из пяти убиквитиновых мономеров, продукта экспрессии гена иВ14, и в виде ^концевого домена рибосом-ных белков Rpl40A, Rpl40B и Rps31. Высвобождение молекул убиквитина происходит в результате расщепления предшественника и отщепления N концевых доменов рибосомных белков [9].
В процесс полиубиквитинирования вовлечены несколько ферментов. На первой стадии убикви-тин-активирующий фермент (называемый также E1-ферментом) активирует убиквитин присоединением аденильной группы к С-концевому остатку глицина. После этого убиквитин переносится на остаток цистеина в активном центре фермента с образованием тиоэфирной связи. На второй стадии активированный убиквитин переносится на остаток цистеина в активном центре убиквитин-конъюгиру-ющего фермента (Е2-фермента). Третья стадия проходит с участием убиквитин-лигазы (ЕЗ-фер-мента), она может осуществляться двумя путями. Если ЕЗ-фермент содержит HECT-домен, то убиквитин переносится непосредственно с Е2-фермента на остаток лизина в молекуле субстрата. Если же
ЕЗ-фермент содержит RING-домен, то убиквитин переносится на остаток цистеина в активном центре ЕЗ-фермента, а затем на субстрат [7].
Известно, что эффективную деградацию белкового субстрата обеспечивает полиубиквитиновая цепь, состоящая не менее чем из четырех звеньев [8]. Считается, что убиквитин-лигазы способны наращивать полиубиквитиновую цепь. Однако в ряде случаев необходимы ферменты четвертой группы (Б4) [10].
Убиквитинирование белков - это обратимый процесс. Клетки содержат убиквитин-гидролазы, способные отщеплять убиквитин от модифицированных белков [11]. Деубиквитинирование обеспечивает рециклизацию убиквитина: высвободившиеся молекулы могут вновь вовлекаться в модификацию белков. Деубиквитинирование может использоваться и для контроля "качества" работы убиквитин-лигаз, например, для коррекции полиубиквитиновых цепей или их удаления в том случае, если модификации подвергся случайный белок.
Узнавание полиубиквитинированных белков протеасомой
На следующем этапе убиквитин-зависимого пути деградации происходит узнавание белка протеасомой. 26S протеасома представляет собой много-субъединичный протеазный комплекс, в котором можно выделить два субкомплекса - 19S регулятор-ный и 20S протеолитический. Функции регулятор-ного субкомплекса состоят в узнавании полиубиквитинированных субстратов, их подготовке к протео-лизу и активации протеолитического субкомплекса. Узнавание полиубиквитинированных белков осуществляется двумя основными способами. Во-первых, субъединицы Rpn10 и Rpt5 могут непосредственно связывать полиубиквитин, причем их сродство значительно выше к тетраубиквитиновой цепи [12, 13]. Во-вторых, субъединицы Rpn1p и Rpn2p могут взаимодействовать с адапторными белками, такими как Rad23p [14], которые обладают убикви-тин-связывающими доменами и, следовательно, способны связывать полиубиквитин.
Активности протеасомы
После того как полиубиквитинированный белок связался с субъединицами 19S субкомплекса протеасомы, он подвергается серии превращений, подготавливающих его к протеолизу. Сначала от него отщепляется полиубиквитин. В этом процессе участвуют убиквитин-гидролазы, ассоциированные с протеасомой, или субъединица Rpn11, обладающая изопептидазной активностью [15]. Далее ATPазные субъединицы 19S субкомплекса разворачивают белок и проталкивают полипептидную цепь в полость 20S субкомплекса протеасомы.
20S п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.