來自加拿大多倫多大學(xué),，美國貝勒醫(yī)學(xué)院等處的研究人員研發(fā)出了一種能靶向泛素系統(tǒng)中多種酶的研究方法,，并指出泛素的動力學(xué)相互作用，能用于發(fā)現(xiàn)泛素系統(tǒng)中主要酶的選擇性調(diào)控元件,，從而通過之前未受關(guān)注的一泛素研究領(lǐng)域,，揭示了泛素系統(tǒng)作用的新機(jī)制。相關(guān)成果公布在1月3日的Science雜志上,。
泛素化作用是一種小分子肽,，也就是泛素連接到一個蛋白質(zhì)上，并改變蛋白功能和在細(xì)胞中的位置的過程,。最開始研究人員認(rèn)為泛素只是一種針對不需要或有害蛋白的一個“摧毀”信號,，但是后來發(fā)現(xiàn)這個小分子與許多其它分子功能有關(guān)，在蛋白翻譯后修飾過程中扮演了重要角色,，幾乎參與了細(xì)胞中所有的功能作用,，也因此吸引了許多科學(xué)家。
所謂泛素-蛋白酶體系統(tǒng)（Ubiquitin Proteasome System,，UPS）由泛素（Ubiquitin）,、泛素活化酶（E1）,、泛素結(jié)合酶（E2）,、泛素-蛋白連接酶（E3）、26S蛋白酶體和泛素解離酶（DUBs）等組件組成,，能進(jìn)行高度選擇性的蛋白質(zhì)降解,。
目前發(fā)現(xiàn)的人類泛素特異性蛋白酶USP有58種，超過了已知的去泛素化酶DUB數(shù)量的一倍,，這些酶中許多都具有治療潛力,，可以作為治療性靶標(biāo)。不少USPs參與了癌癥,，神經(jīng)退行性疾病,，血液和傳染性疾病的發(fā)生發(fā)展。但是現(xiàn)今只有少數(shù)USPs或DUBs弱抑制劑被報道,，尤其是缺少DUBs抑制劑,，這將會影響到泛素途徑在臨床治療中的應(yīng)用。
為了解決這個問題,，研究人員提出了一種能靶向泛素系統(tǒng)中多種酶的研究方法,，他們利用大量泛素突變的組合庫，研發(fā)了四種DUBs的抑制劑,，并通過結(jié)晶學(xué)方法分析了DUB抑制復(fù)合物,，從而延伸了E2和E3酶的篩選策略，發(fā)現(xiàn)泛素突變也能增強(qiáng)酶的活性,。由此研究人員指出,，泛素突變體能選擇性結(jié)合泛素結(jié)合結(jié)構(gòu)域,，這種細(xì)胞中泛素突變體的選擇功能，有助于泛素系統(tǒng)中特異性酶反應(yīng)的正交調(diào)控,。
具體而言,，研究人員利用泛素Ub作為支架，產(chǎn)生USPs高特異性和具有潛力的抑制劑,，然后將這一方法擴(kuò)展到其它DUB家族,，E2，E3和泛素結(jié)合結(jié)構(gòu)域UBDs（如下圖）,。USP底物中的接近泛素部分能通過其C末端羧基,，與靶標(biāo)泛素或蛋白底物上的一個賴氨酸相互作用。雖然序列相似度不高,，但是USP催化結(jié)構(gòu)域出現(xiàn)了一個常見的折疊,，這是一種結(jié)構(gòu)上保守的泛素結(jié)合位點(diǎn)。
由此研究人員構(gòu)建出泛素突變體組合庫,，這種泛素突變也能增強(qiáng)酶的活性,。通過優(yōu)化泛素和泛素系統(tǒng)中的酶之間的相互作用，研究人員就能發(fā)現(xiàn)泛素系統(tǒng)活性選擇性調(diào)控元件,。
這項(xiàng)研究聚焦于之前未受關(guān)注的泛素研究領(lǐng)域：泛素序列保守性可能是由其與多種作用因子之間的低親和力制約性所決定的,，在藥物研發(fā)中，泛素突變將能應(yīng)用于靶標(biāo)驗(yàn)證,，以競爭為基礎(chǔ)的篩選,，以及設(shè)計(jì)以結(jié)構(gòu)為導(dǎo)向的小分子模擬物藥物。(生物谷Bioon.com)
DOI: 10.1126/science.1230161
PMC:
PMID:
A Strategy for Modulation of Enzymes in the Ubiquitin System
Andreas Ernst1, George Avvakumov2, Jiefei Tong3, Yihui Fan4, Yanling Zhao4, Philipp Alberts3, Avinash Persaud3,5,John R. Walker2, Ana-Mirela Neculai1, Dante Neculai2, Andrew Vorobyov1, Pankaj Garg1, Linda Beatty1,Pak-Kei Chan6, Yu-Chi Juang7, Marie-Claude Landry7, Christina Yeh7,8, Elton Zeqiraj7, Konstantina Karamboulas1,Abdellah Allali-Hassani2, Masoud Vedadi2, Mike Tyers6,7, Jason Moffat1,8,9,10, Frank Sicheri7,Laurence Pelletier7, Daniel Durocher7, Brian Raught10, Daniela Rotin3,5, Jianhua Yang4, Michael F. Moran3,8,9,Sirano Dhe-Paganon2,11, Sachdev S. Sidhu1,8,9,10,*
The ubiquitin system regulates virtually all aspects of cellular function. We report a method to target the myriad enzymes that govern ubiquitination of protein substrates. We used massively diverse combinatorial libraries of ubiquitin variants to develop inhibitors of four deubiquitinases (DUBs) and analyzed the DUB-inhibitor complexes by crystallography. We extended the selection strategy to the ubiquitin conjugating (E2) and ubiquitin ligase (E3) enzymes, and found that ubiquitin variants can also enhance enzyme activity. Finally, we showed that ubiquitin variants can bind selectively to ubiquitin-binding domains. Ubiquitin variants exhibit selective function in cells and thus enable orthogonal modulation of specific enzymatic steps in the ubiquitin system.
