Ubikvitin

Ubikvitin je mali regulatorni protein konzervirane sekvence koji je prisutan kod svih eukariota. Ubikvitinacija je proces post-translacijske modifikacije nekog proteina koja nastaje kada se poveže s jednim ili više ubikvitinskih monomera, preko kovalentne veze. Najznačajnija uloga ubikvitina je označavanje onih proteina koji će se razgraditi u proteasomu. Osim ovog, ubikvitinacija kontrolira stabilnost, funkciju i unutarstanični položaj velikog broja proteina. Proces ubikvitinacije započinje enzim E1.

Identifikacija[uredi | uredi kôd]

Ubikvitin (prvotno sveprisutni imunopotentni polipeptid) prvi su put identificirali 1975. godine kao sveprisutni protein mase 8.5kDa. Osnovne uloge ubikvitina otkrivene su u ranim 1980-im u istraživanjima Fox Chase instituta za rak, a otkrila ga je ekipa znanstvenika koju su sačinjavali Aaron Ciechanover, Avram Hershko i Irwin Rose, koji su za svoje otkriće dobili Nobelovu nagradu za kemiju 2004. godine.^[1]

Ubikvitinacijski sustav je prvotno okarakteriziran kao ATP-ovisan proteolitički sustav prisutan u staničnim ekstraktima. Termostabilan polipeptid prisutan u ovim ekstraktima, proteolitički faktor 1 (APF-1) ovisan o ATP-u je pronađen, povezan kovalentnom vezom za model supstrata lizozima, u procesima ovisnim o ATP-u i M2+. Višestruke molekule APF-1 su bile povezane s jednim supstratom preko izopeptidne veze, i otkriveno je da njihove konjugirane proteine brzo otapa oslobađanje slobodnih APF-1. Ubrzo nakon toga, otkrivena je konjugacija proteina APF-1, koji je nazvan ubikvitinom. Karboksilna grupa aminokiseline glicin je otkrivena kao mjesto spajanja s lizinom supstrata.

Protein[uredi | uredi kôd]

**Svojstva ubikvitina (čovjek)**
Broj aminokiselina	76
Molekulska masa	8564.47 Da
Izoelektrično polje (pI)	6.79
Nazivi gena	RPS27A (UBA80, UBCEP1), UBA52 (UBCEP2), UBB, UBC

Ubikvitin je mali protein prisutan u svim eukariotskim stanicama. Obavlja mnoštvo uloga vezujući se na brojne ciljane proteine. Sam se ubikvitin sastoji od 76 aminokiselina i ima molekulsku masu od 8.5kDa. Ključne karakteristike su C-terminalni rep i 7 aminokiseliza lizina. Veoma je konzerviran među eukariotskim vrstama: ljudi i kvasci dijele 96% sekvence. Kod ljudskog ubikvitina, pri kojem svako slovo označava aminokiselinu, glasi:

MQIFVKTLTGKTITLEVEPSDTIENVKAKIQDKEGIPPDQQRLIFAGKQLEDGRTLSDYNIQKESTLHLVLRLRGG

Ubikvitinacija[uredi | uredi kôd]

Proces označavanja nekog proteina ubikvitinom (ubikvitinacija) se sastoji od serije koraka:

Aktivacija ubikvitina: Ubikvitin aktivira E1 ubikvitin-aktivirajući enzim u procesu koji zahtijeva ATP kao izvor energije. Prvi korak uključuje proizvodnju ubikvitin-adenilata. Druga je faza prijenos ubikvitina do aktivnog mjesta, cisteina na E1 enzimu, uz otpuštanje AMP-a. Ovaj korak rezultira tioesterskom vezom između C-terminalne karboksilne grupe ubikvitina i sulfihidrilnom grupom cisteina na enzimu E1.
Prijenos ubikvitina s E1 do aktivnog mjesta cisteina ubikvitin-konjugirajućeg enzima E2 preko tran(tio)esterifikacijske reakcije. Genomi sisavaca imaju 30 - 40 ubikvitin-konjugirajućih enzima.
Završni korak reakcije ubikvitinacije je stvaranje izopeptidne veze između lizina ciljanog proteina i C-terminalnog glicina ubikvitina. Ovaj korak u reakciji zahtijeva aktiviranje jednog od stotina E3 ubikvitin-protein ligaza (ili skraćeno, ubikvitin ligaza). E3 enzimi djeluju kao supstrat za prepoznavanje i sposobne su reagirati i s E2 i sa supstratom.

U reakciji ubikvitinacije E1 se može povezati s desetinama E2, koji se mogu povezati sa stotinama E3, hijerarhijski. Ostali ubikvitin-slični proteini također reagiraju preko E1-E2-E3 kaskade.

E3[uredi | uredi kôd]

Enzimi E3 posjeduju jednu od dvije moguće domene:

HECT (Homologous to the E6-AP Carboxyl Terminus) domena
RING (Really Interesting New Gene) domena

Prijenos je moguć na dva načina:

Izravno s E2, preko katalize RING domena E3 enzima
Preko E3 enzima, katalizom HECT domene E3. U ovom slučaju, intermedijat kovalentnog E3-ubikvitina se stvara prije prebacivanja na supstrat.

Funkcije i načini vezivanja[uredi | uredi kôd]

Osim da se samo jedan ubikvitin veže na supstrat, moguće je vezivanje niza molekula ubikvitina, pa tako nastaje poliubikvitinski lanac. Osim toga, neki su supstrati modificirani adicijom ubikvitinskih modula s lizinskim nastavkom, u procesu koji se naziva multiubikvitinacija. Kao što je već rečeno, ubikvitim ima 7 lizinskih nastavaka. Povijesno, prvotni tip prepoznatih ubikvitinskih lanaca su bili oni povezani preko lizina 48. Ipak, noviji su radovi otkrili varijetet veza koji uključuje sve moguće lizinske nastavke i osim toga i linearne lance povezane s N-terminalom ubikvitinske molekule.^[2] Radovi izdani 2007. godine pokazuju stvaranje lanaca ubikvitina preko različitih veza.^[3] Work published in 2007 has demonstrated the formation of branched ubiquitin chains containing multiple linkage types^[4] "Atipični" (nelizinski vezani) lanci ubikvitina se spominju u radu znastvenika Ikede i Ivana Đikića.^[5]

Ubikvitinacijski sustav djeluje u brojnim staničnim procesima, uključujući^[6]:

razgradnja antigena
apoptozu
stvaranje organela
stanični ciklus i dijeljenje
transkripciju DNK i njen popravak
diferencijaciju i razvoj
imunosni odgovor i upale
živčanu i mišićnu degeneraciju
morfogenezu živčanih stranica
modulaciju receptora na površini stanice i ionskih kanala
odgovor na stres i vanjske čimbenike
stvaranje ribosoma
virusne infekcije

Lanci povezani preko 48. lizina[uredi | uredi kôd]

Najistraživaniji poliubikvitinski lanci, oni povezani preko 48. molekule lizina, označavaju proteine za razgradnju u procesu koji se zove proteoliza. Barem četiri ubikvitinske molekule moraju biti povezane za lizinske nastavke ciljanog proteina kako bi ga prepoznao 26S-protasom.^[7] Proteasom je kompleksna, bačvasta struktura s dvije komore, u kojima se odvija proteoliza. Proteini se brzo razgrađaju u manje peptide (obično duge od 3 - 24 aminokiseline). Ubikvitinske molekule se odvajaju od proteina prije same razgradnje i recikliraju za daljnju uporabu. Iako su većine proteosomskih supstrata ubikvitinirane, postoje primjeri neubikvitiniranih proteina za razgradnju u proteasomu.

**Model predstavlja dvije molekule ubikvitina povezanih preko 48. lizina**. Mjesto spajanja je prikazano žuto.

**Model predstavlja dvije molekule ubikvitina povezanih preko 63. lizina**. Mjesto spajanja je prikazano žuto.

Monoubikvitinacija[uredi | uredi kôd]

Ubikvitin također može označiti membranske proteine (na primjer, receptore) koje treba odstraniti s membrane i izvršiti nekoliko signalnih uloga u stanici. Molekule na membrani stanice označene s ubikvitinom su često monoubikvitinizirane, i ove modifikacije često označavaju protein za razgradnju u lizosomu.

Povezanost s bolestima i poremećajima[uredi | uredi kôd]

Genski poremećaji[uredi | uredi kôd]

Neki genski poremećaji često povezani s ubikvitinom su:

Gen čija disfunkcija uzrokuje Angelmanov sindrom, UBE3A, nosi na sebi kod za ubikvitin ligazu (E3) ezmin pod nazivom E6-AP.
Gen poremećen Von Hippel-Lindauvim sindromom kodira ubikvitin E3 ligazu pod nazivom VHL tumorski supresor ili VHL gen.
Gen poremećen Liddlovim sindromom rezultira disregulacijom epitelnog Na+ kanala (ENaC) i uzrokuje hipertenziju.
Osam od trinaest identificiranih gena čija disfunkcija uzrokuje Fanconijevu anemiju kodira proteina koji tvore veliki ubikvitin ligaza (E3) kompleks.
Mutacije Cullin7 E3 ubikvitin ligaze su povezane s 3-M sindromom, recesivnim poremećajem koji rezultira retardacijom.^[8]

Imunohistokemija[uredi | uredi kôd]

Antitijela za ubikvitin se koriste u histologiji kako bi se identificiralo abnormalne nakupine proteina unutar stanice koji su markeri bolesti. Ove nakupine se nazivaju inkluzijska tjelešca. Primjeri za takve nenormalne inkluzije su:

Neufobrilarna klupka u Alzheimerovoj bolesti
Lewyjeva tjelešca u Parkinskonovoj bolesti
Pickova tjelešca u Pickovoj bolesti
Inkluzije u bolesti motornih neurona i Huntingtonovoj bolesti
Malloryjeva tjelešca u alkoholnoj bolesti jetre
Rosenthalska vlakna u astrocitima

Izvori[uredi | uredi kôd]

↑ Official website of Nobel Prize Commitee, list of 2004 winners. Pristupljeno 30. travnja 2008.
↑ Xu, Ping; Peng, Junmin. 1. svibnja 2008. Characterization of polyubiquitin chain structure by middle-down mass spectrometry. Analytical Chemistry. 80 (9): 3438–44. doi:10.1021/ac800016w Peng, Junmin; Schwartz, Daniel; Elias, Joshua E; Thoreen, Carson C; Cheng, Dongmei; Marsischky, Gerald; Roelofs, Jeroen; Finley, Daniel; Gygi, Steven P. Kolovoz 2003. A proteomics approach to understanding protein ubiquitination. Nature Biotechnology. 21 (8): 921–6. doi:10.1038/nbt849
↑ Kirisako, Takayoshi; Kamei, Kiyoko; Murata, Shigeo; Kato, Michiko; Fukumoto, Hiromi; Kanie, Masato; Sano, Soichi; Tokunaga, Fuminori; Tanaka, Keiji; Iwai, Kazuhiro. 18. listopada 2006. A ubiquitin ligase complex assembles linear polyubiquitin chains. The EMBO Journal. 25 (20): 4877–87. doi:10.1038/sj.emboj.7601360
↑ Kim, Hyoung Tae; Kim, Kwang Pyo; Lledias, Fernando; Kisselev, Alexei F; Scaglione, Matthew K; Skowyra, Dorota; Gygi, Steven P; Goldberg, Alfred L. 15. lipnja 2007. Certain pairs of ubiquitin-conjugating enzymes (E2s) and ubiquitin-protein ligases (E3s) synthesize nondegradable forked ubiquitin chains containing all possible isopeptide linkages. The Journal of Biological Chemistry. 282 (24): 17375–86. doi:10.1074/jbc.M609659200
↑ Ikeda, Fumiyo; Dikic, Ivan. Lipanj 2008. Atypical ubiquitin chains: new molecular signals. 'Protein Modifications: Beyond the Usual Suspects' review series. EMBO Reports. 9 (6): 536–42. doi:10.1038/embor.2008.93
↑ Ubiquitin Proteasome Pathway Overview. Pristupljeno 30. travnja 2008.
↑ Thrower, JS; Hoffman, L; Rechsteiner, M; Pickart, CM. 4. siječnja 2000. Recognition of the polyubiquitin proteolytic signal. The EMBO Journal. 19 (1): 94–102. doi:10.1093/emboj/19.1.94
↑ Huber, Céline; Dias-Santagata, Dora; Glaser, Anna; O'Sullivan, James; Brauner, Raja; Wu, Kenneth; Xu, Xinsong; Pearce, Kerra. Listopad 2005. Identification of mutations in CUL7 in 3-M syndrome. Nature Genetics. 37 (10): 1119–24. doi:10.1038/ng1628

[1] Official website of Nobel Prize Commitee, list of 2004 winners. Pristupljeno 30. travnja 2008.

[2] Xu, Ping; Peng, Junmin. 1. svibnja 2008. Characterization of polyubiquitin chain structure by middle-down mass spectrometry. Analytical Chemistry. 80 (9): 3438–44. doi:10.1021/ac800016w Peng, Junmin; Schwartz, Daniel; Elias, Joshua E; Thoreen, Carson C; Cheng, Dongmei; Marsischky, Gerald; Roelofs, Jeroen; Finley, Daniel; Gygi, Steven P. Kolovoz 2003. A proteomics approach to understanding protein ubiquitination. Nature Biotechnology. 21 (8): 921–6. doi:10.1038/nbt849

[3] Kirisako, Takayoshi; Kamei, Kiyoko; Murata, Shigeo; Kato, Michiko; Fukumoto, Hiromi; Kanie, Masato; Sano, Soichi; Tokunaga, Fuminori; Tanaka, Keiji; Iwai, Kazuhiro. 18. listopada 2006. A ubiquitin ligase complex assembles linear polyubiquitin chains. The EMBO Journal. 25 (20): 4877–87. doi:10.1038/sj.emboj.7601360

[4] Kim, Hyoung Tae; Kim, Kwang Pyo; Lledias, Fernando; Kisselev, Alexei F; Scaglione, Matthew K; Skowyra, Dorota; Gygi, Steven P; Goldberg, Alfred L. 15. lipnja 2007. Certain pairs of ubiquitin-conjugating enzymes (E2s) and ubiquitin-protein ligases (E3s) synthesize nondegradable forked ubiquitin chains containing all possible isopeptide linkages. The Journal of Biological Chemistry. 282 (24): 17375–86. doi:10.1074/jbc.M609659200

[5] Ikeda, Fumiyo; Dikic, Ivan. Lipanj 2008. Atypical ubiquitin chains: new molecular signals. 'Protein Modifications: Beyond the Usual Suspects' review series. EMBO Reports. 9 (6): 536–42. doi:10.1038/embor.2008.93

[6] Ubiquitin Proteasome Pathway Overview. Pristupljeno 30. travnja 2008.

[7] Thrower, JS; Hoffman, L; Rechsteiner, M; Pickart, CM. 4. siječnja 2000. Recognition of the polyubiquitin proteolytic signal. The EMBO Journal. 19 (1): 94–102. doi:10.1093/emboj/19.1.94

[8] Huber, Céline; Dias-Santagata, Dora; Glaser, Anna; O'Sullivan, James; Brauner, Raja; Wu, Kenneth; Xu, Xinsong; Pearce, Kerra. Listopad 2005. Identification of mutations in CUL7 in 3-M syndrome. Nature Genetics. 37 (10): 1119–24. doi:10.1038/ng1628

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]