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ISSN:1004-0374
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《生命科学》 2004, 16(6): 417-
2004年诺贝尔化学奖
      人类细胞含有数十万种不同的蛋白质。它们具有许多重要功能:以酶的形式作为化学反应的加速器;以激素形式作为信号物质;免疫防御的重要参与者和细胞形状和结构的组织者。2004年诺贝尔化学奖被授予阿龙·西查诺瓦(Aaron Ciechanover)、阿弗拉姆·赫尔什科(Avram Hershko)和伊尔温·罗斯(Irwin Rose),以表彰他们发现了泛素调节的蛋白质降解,即细胞如何通过将无用蛋白质标上泛素标签来调节一些蛋白质的存在。那些蛋白质被标记后,就会很快在细胞的垃圾处理站——蛋白酶体中被降解。
       通过发现该蛋白质调控系统,阿龙·西查诺瓦、阿弗拉姆·赫尔什科和伊尔温·罗斯使人们在分子水平上理解细胞是如何控制多种重要生化进程,如细胞周期、DNA修复、人类基因转录、新生蛋白质的质量控制等成为可能。对这种蛋白质受控死亡形式的新认识也有助于人们解释免疫防御功能。这个系统的缺陷将导致多种疾病,包括一些癌症。
      阿龙·西查诺瓦 以色列人,57岁,1947年生于以色列的海法。1981年获得位于海法以色列技术研究所的医学博士学位。现任该所Rappaport附属医学研究所的所长和生物化学部教授。
阿弗拉姆·赫尔什科 以色列人,67岁,1937年生于匈牙利的Karcag。1969年获得希伯来大学Hadassah医学院博士学位。现任海法以色列技术研究所Rappaport附属医学研究所的杰出教授。
伊尔温·罗斯 美国人,78岁, 1926年生于美国纽约。1952年获得美国芝加哥大学的博士学位。现任美国加州大学欧文分校药学院生理学和生物物理学系专家。
蛋白质因需被降解而被标记,降解是否需要能量?
      关注的目光和大量的科研都集中于理解细胞调控一些蛋白质的合成过程 ,在这一领域内的诺贝尔奖至少颁发过五次;但是, 蛋白质的降解一直被认为不大重要。过去,人们知道许多简单的蛋白降解酶。一个例子是胰蛋白酶,它位于小肠,降解食物中的蛋白质。同样,一种细胞器——溶酶体,已经研究很久了,它从外面吸收蛋白质并予以降解。这些过程的共同之处在于它们都不需要能量。
      然而早在20世纪50年代的实验就表明细胞中蛋白质的降解确实需要能量。长期以来研究人员对这一点一直很迷惑。就是这个矛盾造就了2004年诺贝尔化学奖:细胞中蛋白质的降解需要能量,而其他蛋白质降解不需要外源能量。1977年,Goldberg及其同伴走出了第一步,他们从不成熟的红细胞、网状细胞,得到的无细胞提取液能够催化不正常的蛋白质进行依赖于ATP的降解。
      在20世纪70年代末和80年代初,阿龙·西查诺瓦、阿弗拉姆·赫尔什科和伊尔温·罗斯应用该提取物进行了一系列震惊世界的生化研究,成功地证明细胞中的蛋白质降解是通过标记泛素肽等一系列步骤进行的。这个过程使细胞能高度专一地降解无任何用处的蛋白质,而这个调控过程是需要能量的。与其他可逆的蛋白修饰过程,如可逆性蛋白磷酸化(1992年获得诺贝尔生理学或医学奖)不同,通过多聚泛素调控通常是不可逆的,靶蛋白被降解。他们三人这方面的大多数的工作是在一系列sabbatical叶子上进行的。
泛素标签
     早在1975年就分离出后来被证实对要降解的蛋白质进行标记的标签分子。 这个76个氨基酸长的多肽是从小牛胸腺中分离得到的,被认为参与白细胞的成熟。随后该分子在多种不同的组织和器官中发现(在细菌中没有),它就被称为泛素。
泛素介导的蛋白质降解的发现
      阿弗拉姆·赫尔什科在博士毕业之后,就研究活细胞内依赖能量的蛋白质降解。但在1977年,他转到上述网状细胞提取液的研究。这种提取液含大量血红蛋白,使实验困难。当阿龙·西查诺瓦和阿弗拉姆·赫尔什科用层析去除血红素时,他们发现该提取物可分为两部分,每个组分单独都没有活力。但是将两部分重组后,依赖ATP的蛋白质降解就又呈现了。1978年,研究人员报道其中一个组分的活性成分是一种热稳定的分子量仅为9 000的多肽,他们称之为APF-1。以后这个蛋白质被证明是泛素。
      决定性的研究突破是西查诺瓦、赫尔什科和罗斯在1980年发表的两项工作。但那时,APF-1的功能还完全不清楚。他们的第一项工作表明,APF-1与提取液中的多种蛋白质以共价键—— 一种非常稳定的化学键相连。第二项工作进一步揭示,许多APF-1分子可以结合到同一靶蛋白,这种现象被称为多聚泛素化。现在我们知道底物蛋白质的多聚泛素化是蛋白酶体中的蛋白质降解的引发信号。就是这个反应构成了事实上的标记,可以称之为“死亡之吻”。
      这些完全没有预料到的发现令人震惊,改变了未来工作的条件: 可以集中鉴定将泛素结合到靶蛋白的酶系统。由于泛素在多种组织和器官中普遍存在,人们很快就认识到泛素介导的蛋白质降解对于细胞具有普遍的重要性。此外,研究人员猜想需要ATP形式的能量使得细胞能够控制该过程的特异性。
      该领域的大门已被开启,1981~1983年,阿龙·西查诺瓦、阿弗拉姆·赫尔什科、伊尔温·罗斯和他们的博士后、研究生提出了基于三个新发现的酶E1、E2、E3(图2)的“多步骤泛素标签假说”。 我们现在知道一个典型的哺乳动物细胞包含一个或几个不同的E1酶,几十个不同E2酶和数百个不同的E3酶。E3酶的专一性决定了细胞中的哪个蛋白质要被标记,然后在蛋白酶体内降解。
这一假设的所有研究都是在无细胞体系中进行的。为了研究泛素介导蛋白质降解的生理功能,阿弗拉姆·赫尔什科及其同事发明了一种免疫化学方法。细胞内蛋白用泛素中不含的氨基酸进行放射性脉冲标记,而后应用泛素抗体将泛素-蛋白复合体从细胞内分离。结果表明细胞真的用泛素系统降解缺陷蛋白。现在,我们知道,近30%的新合成的蛋白质由于他们通不过细胞严格的质量控制被蛋白酶体降解。
蛋白酶体——细胞的垃圾处理站
      什么是蛋白酶体?一个人细胞含约3万个蛋白酶体,其桶状结构可以将所有蛋白质降解为7~9个氨基酸长的短肽。其活性表面在桶的内部,不被细胞的其余部分接触。惟一进入活性表面的方法就是通过“锁”,该“锁”可以识别多聚泛素化的蛋白,用ATP的能量使它们变性并进入桶的内部。泛素标记被去除后它们就被解离,形成的短肽从蛋白酶体的另一端释放。因此,蛋白酶体自身并不能识别蛋白质,主要由E3酶通过泛素标记合适的要降解的蛋白质来完成(图3)。
最近的研究
      虽然,泛素标记蛋白质降解的生化机理在1983年左右就已经阐明,但其生理的重要性还不是很清楚。它在袪除有缺陷的胞内蛋白上的重要性是众所周知的。但要进一步研究就需要有泛素系统突变的细胞。通过详细研究,在不同的生长条件下突变细胞与正常细胞的不同,有希望了解细胞内究竟哪些反应依赖于泛素系统。
      1980年,东京的一个研究小组分离到一株突变鼠细胞。该突变细胞包含一种由突变造成的温度敏感蛋白质。在低温,该蛋白质正常工作,但是温度升高就不能正常工作。该细胞在高温下停止生长。此外,在高温下,它们表现出DNA合成的缺陷和其他一些功能异常。波士顿的研究人员很快表明突变鼠体内的热敏感蛋白质就是泛素激活酶E1。显然,泛素激活对于细胞行使功能和繁殖是必须的。可控的蛋白质降解不仅对于胞内缺陷蛋白质的降解很重要,而且还可能参与细胞周期、DNA复制和染色体结构的控制。自20世纪80年代后期起鉴定出许多具有生理重要性的由泛素介导的蛋白质降解底物。这里只提最重要的五个范例:
(1)阻止植物的自花授粉 大多数植物是雌雄同体的。自花授粉导致遗传多样性的逐渐退化,最后将导致整个物种的灭绝。为了阻止自花授粉,植物应用泛素介导的降解拒绝自身的花粉。该过程的确切的机制还没有被阐明,但是E3酶是参与的;当应用蛋白酶体抑制剂时,拒绝反应就受损。
(2)调控细胞周期 当细胞进行复制时,要涉及许多化学反应。在人体中, DNA中的60亿个碱基对要复制。它们存在于要复制23对染色体中。普通的细胞分裂、有丝分裂、性细胞形成、减数分裂,与今年诺贝尔奖的主题有许多关联。E3酶参与的一种蛋白复合物(晚期促进蛋白复合体“APC蛋白”)校对走出有丝分裂的细胞。该酶复合物还被证明在有丝分裂和减数分裂过程染色体分离中起重要作用。另一种蛋白复合体像绳子一样捆缚染色体对,使它们在一起。信号一来,APC就标记特异性的蛋白质降解酶的一种抑制剂,该抑制剂然后被运输到蛋白酶体并被降解。解除抑制后蛋白质降解酶被释放、激活,并剪断染色体对间的束缚。束缚没有了,染色体就发生分离。 减数分裂过程中错误的染色体分裂是妊娠过程中自发性流产和唐氏综合症中额外的21号染色体出现的最普遍的原因。大多数恶性肿瘤中都具有由于有丝分裂过程中错误的染色体分裂造成的染色体数目变化的细胞。
(3)DNA修复、癌症和细胞程序性死亡 p53蛋白质被授予“基因组的守护人”的称号,它是一种肿瘤抑制基因。这就意味着只要细胞可以合成p53,癌症的发展就被阻止。可以肯定至少在50%的人类癌症中p53蛋白质发生突变。正常细胞中由于持续的产生和破坏,p53蛋白质的数量并不多。其破坏是通过泛素和相关的E3酶与p53形成复合体调控的。随着DNA损伤,p53被磷酸化,不能再与E3酶结合。p53的破坏被中止,其数量在胞内迅速增加。p53蛋白质起转录因子的作用,即控制某些基因表达的蛋白质。 p53蛋白质结合并控制调控DNA修复和细胞程序性死亡的基因。 p53蛋白的增加首先导致要留出DNA损伤修复时间而引起的细胞周期的中断。如果损伤严重,细胞就会启动细胞程序性死亡和“自杀”。感染了人乳头瘤病毒与子宫癌的发生密切相关。该病毒通过其蛋白激活和改变了某种细胞E3酶、E6-AP的识别模式而逃避了p53蛋白的控制。E6-AP被欺骗而泛素化p53,p53全部被破坏。因此,感染的细胞不再以正常的方式修复DNA损伤或启动细胞程序性死亡。DNA突变量增多,最后导致发展成癌症。
(4)免疫和炎症反应 某种转录因子调控多种细胞内对免疫防御和炎症反应有重要作用的基因。该转录因子在细胞质中与一种抑制蛋白结合,结合形式的转录因子没有活性。当细胞暴露于细菌或各种信号物质时,抑制蛋白被磷酸化,然后泛素化并在蛋白酶体内被降解。被释放的转录因子被转运到细胞核与特定基因结合并激活其表达。泛素-蛋白酶体系统也处理因细胞的表面免疫防御使侵染病毒的蛋白质降解产生的碎片变成适当大小的多肽。T淋巴细胞识别这些肽类,然后攻击受感染的细胞。这是抵御病毒感染的重要环节。
(5)囊肿性纤维化(CF) 遗传性囊肿性纤维化是由于质膜的氯离子通道(囊肿性纤维化跨膜转运调控因子,CFTR)没有功能所造成的。大部分CF患者具有一种或相同的遗传损伤,缺失苯丙氨酸。该突变导致蛋白的错误折叠,反过来造成了该蛋白质滞留在细胞的蛋白质质量控制系统。该系统确保错误折叠的蛋白质通过泛素介导的蛋白质降解系统被破坏,而不是被运输到细胞质膜上。没有功能性氯离子通道的细胞不能将氯离子转运到细胞外, 这影响到肺与其他器官的分泌,导致肺部粘痰的增多损害肺功能,极大地增大了感染的风险。泛素系统已经成为医学研究对抗多种疾病的令人感兴趣的研究领域。为了防止特异蛋白质的降解,可以研究泛素介导的降解系统的成分。还可以对该系统设计使其破坏无用的蛋白质。正在进行临床测试的一种药物是蛋白酶体抑制剂Velcade(PS341),它可用来对付多发性骨髓瘤,这是一种影响到身体抗原生成细胞的癌症。
      2004年的诺贝尔奖得主已经解释了对于所有高等生物细胞具有重要性的蛋白质调控系统的分子背景。由泛素介导的蛋白质降解的新细胞功能正在不断被发现,这方面的研究正在世界上许多实验室进行。
                                                              (岳东方译自http: //www.nobelprize.org)
 
 
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