Убиквитин

Убиквитин — это небольшой консервативный белок, обнаруженный во всех эукариотических клетках (от лат. ubique — «вездесущий»). Он выполняет ключевую регуляторную функцию, главным образом маркируя другие белки для деградации протеасомой, а также участвуя в процессах внутриклеточного транспорта, репарации ДНК, передачи сигналов и эндоцитоза. Открытие системы убиквитин-зависимой деградации белков (совместно с механизмами работы протеасомы) было удостоено Нобелевской премии по химии в 2004 году (Аарон Чехановер, Аврам Гершко, Ирвин Роуз).

История открытия

В 1970-х годах исследователи, изучавшие АТФ-зависимую деградацию белков в клетках млекопитающих, выделили термостабильный полипептид, необходимый для этого процесса. В 1975 году Голдштейн и соавторы, работая с тимусом, ошибочно приняли его за гормон и назвали «убиквитин» из-за его повсеместного распространения. В 1980 году Аврам Гершко и Аарон Чехановер (Израиль) показали, что убиквитин ковалентно присоединяется к белкам-мишеням, маркируя их для деградации. В 1983 году Ирвин Роуз (США) идентифицировал ферменты, катализирующие этот процесс. В 2004 году все трое получили Нобелевскую премию за «открытие убиквитин-опосредованной деградации белков».

Структура и свойства

Убиквитин — это глобулярный белок из 76 аминокислотных остатков (молекулярная масса около 8,6 кДа). Его третичная структура стабилизирована гидрофобным ядром и включает характерную β-складчатую укладку, а также короткую α-спираль. С-конец белка (Gly76) является ключевым для связывания с субстратами. Убиквитин чрезвычайно консервативен: у человека и дрожжей последовательность идентична на 96%.

Типы связей

Убиквитин может присоединяться к белкам-мишеням через изопептидную связь между С-концевым глицином (Gly76) и ε-аминогруппой лизина (Lys) субстрата. Кроме того, убиквитин сам может быть убиквитинирован по одному из семи собственных лизинов (Lys6, Lys11, Lys27, Lys29, Lys33, Lys48, Lys63) или по N-концевому метионину (Met1). Тип связи определяет функциональный сигнал:

• Lys48-связь — классический сигнал для деградации протеасомой.
• Lys63-связь — участвует в сигнальных каскадах (NF-κB), репарации ДНК, эндоцитозе.
• Met1-связь (линейные цепи) — образуется в процессе NF-κB-сигналинга.
• Lys11, Lys29, Lys33 — менее изученные, но важные для клеточного цикла и стрессовых ответов.

Механизм действия

Процесс убиквитинирования осуществляется в три этапа с участием трёх классов ферментов:

1. Активация (E1) — убиквитин-активирующий фермент (UBA1) образует тиоэфирную связь с С-концом убиквитина, используя АТФ.
2. Конъюгация (E2) — убиквитин-конъюгирующий фермент (например, UbcH5) принимает активированный убиквитин.
3. Лигирование (E3) — убиквитин-лигаза (RING, HECT или RBR-типа) переносит убиквитин на субстрат или на уже присоединённую цепь. E3-лигазы обеспечивают специфичность: в геноме человека закодировано более 600 E3, каждая из которых узнаёт определённые белки-мишени.

Деубиквитинирование

Процесс обратим: деубиквитинирующие ферменты (DUB) отщепляют убиквитин от субстратов, регулируя стабильность белков и сигнальные пути. В геноме человека около 100 DUB.

Функции

Деградация белков

Основная функция — направление повреждённых или ненужных белков в протеасому. Убиквитинированные по Lys48 цепи (обычно длиной 4 и более молекул) распознаются 19S-регуляторной частицей протеасомы, которая разворачивает белок и транспортирует его в 20S-каталитическую камеру для гидролиза.

Сигнальные пути

• NF-κB — Lys63- и Met1-цепи активируют киназный комплекс IKK, что приводит к высвобождению NF-κB и транскрипции генов воспаления и выживания.
• Репарация ДНК — убиквитинирование гистона H2A (Lys119) и других белков участвует в гомологичной рекомбинации и репарации двуцепочечных разрывов.
• Эндоцитоз — моноубиквитинирование рецепторов (например, EGFR) маркирует их для интернализации и последующей деградации в лизосомах.

Клеточный цикл

Убиквитин-лигазный комплекс APC/C (афаза-промотирующий комплекс) убиквитинирует циклины и секурин, обеспечивая переход от метафазы к анафазе и выход из митоза.

Аутофагия

Убиквитин служит сигналом для селективной аутофагии: адаптерные белки (p62, NBR1, OPTN) распознают убиквитинированные агрегаты белков или повреждённые митохондрии и направляют их в аутофагосому.

Клиническое значение

Нарушения в системе убиквитинирования связаны с рядом заболеваний:

• Рак — мутации в E3-лигазах (например, MDM2, BRCA1) или деубиквитиназах приводят к неконтролируемой пролиферации. Ингибиторы протеасомы (бортезомиб) используются для лечения множественной миеломы.
• Нейродегенеративные заболевания — накопление убиквитинированных агрегатов (тельца Леви при болезни Паркинсона, нейрофибриллярные клубки при болезни Альцгеймера) связано с дисфункцией протеасомы и аутофагии.
• Воспалительные и аутоиммунные болезни — гиперактивация NF-κB из-за мутаций в E3 (например, A20) приводит к хроническому воспалению.
• Генетические синдромы — мутации в генах E3-лигаз (например, UBE3A при синдроме Ангельмана) вызывают тяжёлые нарушения развития.

Интересные факты

• Убиквитин присутствует во всех эукариотах, но отсутствует у прокариот (бактерий и архей). Однако некоторые бактерии (например, Legionella pneumophila) используют эукариотические убиквитин-подобные системы для инфицирования клеток.
• В 2018 году Нобелевская премия по химии была присуждена Фрэнсис Арнольд, Джорджу Смиту и Грегори Уинтеру за «направленную эволюцию ферментов», включая разработку убиквитин-лигаз для терапии.
• В геноме человека закодировано около 2% всех белков, участвующих в убиквитин-протеасомной системе.

Источники

• Hershko A., Ciechanover A. The ubiquitin system // Annual Review of Biochemistry. — 1998. — Vol. 67. — P. 425–479.
• Pickart C. M. Mechanisms underlying ubiquitination // Annual Review of Biochemistry. — 2001. — Vol. 70. — P. 503–533.
• Komander D., Rape M. The ubiquitin code // Annual Review of Biochemistry. — 2012. — Vol. 81. — P. 203–229.
• Varshavsky A. The ubiquitin system, autophagy, and regulated protein degradation // Annual Review of Biochemistry. — 2017. — Vol. 86. — P. 123–128.
• Nalepa G., Rolfe M., Harper J. W. Drug discovery in the ubiquitin–proteasome system // Nature Reviews Drug Discovery. — 2006. — Vol. 5. — P. 596–613.