Ubikwitynacja, ubikwityzacja – proces enzymatycznej modyfikacji potranslacyjnej białek następujący przez przyłączenie cząsteczek innego, małego białka, ubikwityny. Najczęściej zachodzi poprzez połączenie wiązaniem izopeptydowym karboksylowego końca ostatniego aminokwasu ubikwityny (glicyny 76) z łańcuchem bocznym lizyny obecnej w substracie. Proces ten zachodzi w komórce zarówno w cytoplazmie, jak i jądrze komórkowym[1]. Odkrycie systemu ubikwitynacji w komórce zostało docenione poprzez przyznanie Nagrody Nobla Aaronowi Ciechanover, Avramowi Hershko i Irwinowi Rose z Chemii w 2004 roku[2].
Rodzaje ubikwitynacji
- monoubikwitynację, która polega na przyłączeniu monomerów ubikwityny do danego białka do pojedynczej reszty lizyny[3].
- multi-monoubikwitynacja polega na przyłączeniu pojedynczych cząsteczek w wielu miejscach białka[3].
- poliubikwitynację, polegającą na przyłączeniu polimerów (przynajmniej dimerów) ubikwityny do białka. Jest on przyłączany do jednej, konkretnej lizyny w strukturze białka. Może prowadzić do tworzenia łańcuchów prostych bądź rozgałęzionych[3].
Rola ubikwitynacji w komórce
Modyfikacja białek poprzez ubikwitynację powoduje szereg zmian w ich właściwościach co wpływa na wiele procesów komórkowych. Monoubikwitynacja wpływa na aktywność zmodyfikowanego białka i reguluje takie procesy jak naprawa DNA, ekspresja genów, czy transport komórkowy. Jednym z przykładów jest monoubikwitynacja histonów H2A i H2B tworzących strukturę nukleosomu. Modyfikacja ta zmienia ekspresję genów w określonym regionie chromatyny i wpływa na modyfikację histonu H3 poprzez metylację. Jest to element mechanizmu regulacji ekspresji genów zwanego kodem histonowym[4]. Innym przykładem jest zmienność funkcji PCNA pod wpływem ubikwitynacji, co powoduje wybór różnych ścieżek naprawy uszkodzonego DNA[5].
Obecność przyłączonej do białka ubikwityny wpływa na jego interakcję z innymi białkami. Stwierdzono obecność co najmniej 20 motywów odpowiedzialnych za kontakt z ubikwityną[3].
Poliubikwitynacja oznacza przyłączenie kolejnych cząsteczek ubikwityny i utworzenie łańcucha. W cząsteczce ubikwityny obecne jest 7 lizyn będących potencjalnymi miejscami do przyłączenia kolejnej cząsteczki: K6, K11, K27, K29, K33, K48, K63 oraz reszta metioniny M1. Utworzenie łańcucha poliubikwityny na lizynie 48 powoduje, że zmodyfikowane w taki sposób białko jest kierowane do proteasomu, gdzie następuje jego degradacja. Ubikwitynacji podlegają z jednej strony białka uszkodzone, zdeformowane, zdenaturowane i nieprawidłowo funkcjonujące, białka obce dla danej komórki (np. wirusowe), z drugiej zaś – białka krótko żyjące. Po oznaczeniu ubikwityną białko podlega rozkładowi w proteasomie. Rola łańcuchów ubikwitynowych utworzonych na pozostałych lizynach i reszcie metioniny pozostaje nieznana.
Reakcja ubikwitynacji
Proces wymaga obecności trzech współdziałających ze sobą enzymów: E1 - enzymu aktywującego ubikwitynę, E2 - enzymu wiążącego i E3 - ligazy ubikwitynowej. W wyjątkowych przypadkach występuje również enzym E4, katalizujący przyłączenie uformowanego łańcucha ubikwityn do substratu[1].
- Aktywacja ubikwityny. jest pierwszym etapem, niezbędnym do ubikwitynacji i zachodzi poprzez dwie reakcje
- Enzym E1 wiąże ubikwitynę i cząsteczkę ATP i katalizuje acylo-adenylację karboksylowego końca ubikwityny.
- Zachodzi przeniesienie ubikwityny na łańcuch boczny cysteiny obecnej u enzymu E1, z uwolnieniem cząstęczki AMP. Powstaje wówczas wysokoenergetyczne wiązanie tioestrowe. W proteomie człowieka znane są dwa białka aktywujące ubikwitynę: UBA1 i UBA6.
- Przyłączenie ubikwityny do enzymu E2. Ubikwityna zostaje przeniesiona z enzymu E1 na wolną resztę cysteinową enzymu E2 w reakcji transestryfikacji. W jej trakcie E2 pozostaje połączone z E1 i ubikwityną. W proteomie człowieka znaleziono 35 białek aktywujących ubikwitynę.
- Ligacja ubikwityny do substratu. Ostatnim etapem jest przyłączenie ubikwityny do białka docelowego poprzez wiązanie izopeptydowe. Dochodzi do tego przy udziale enzymu E3, ligazy ubikwityny która odpowiada za rozpoznanie konkretnego substratu. W proteomie człowieka występuje ich kilkaset.
Substratami reakcji są ATP, ubikwityna i białko z lizyną obecną w sekwencji, a produktami AMP, dwufosforan i ubikwitynowane białko[6].
Deubikwitynacja
W komórkach obecne są enzymy pozwalające na odwrócenie reakcji ubikwitynacji. Są to wyspecjalizowane proteazy przecinające wiązanie izopeptydowe ubikwityna-lizyna, degradujące łańcuchy poliubikwitynowe, bądź kontrolujące ilość prekursorów ubikwityny w komórce[7]. W genomie człowieka stwierdzono obecność 85 genów kodujących takie enzymy[3]. Większość z nich należy do rodziny proteaz cysteinowych, niewiele do metaloproteaz. Silnie wpływają one na stabilność wielu białek, regulując ich działanie, co sprawia, że są atrakcyjnym celem dla przyszłych terapii[7].
Przypisy
- 1 2 Cecile M. Pickart , Mechanisms Underlying Ubiquitination, „Annual Review of Biochemistry”, 70 (1), 2001, s. 503–533, DOI: 10.1146/annurev.biochem.70.1.503, ISSN 0066-4154 [dostęp 2019-01-15] .
- ↑ The Nobel Prize in Chemistry 2004 [online], NobelPrize.org [dostęp 2019-01-15] (ang.).
- 1 2 3 4 5 David Komander , The emerging complexity of protein ubiquitination, „Biochemical Society Transactions”, 37 (5), 2009, s. 937-953, DOI: 10.1042/bst0370937 .
- ↑ Chandrasekharan i inni, Ubiquitination of histone H2B regulates chromatin dynamics by enhancing nucleosome stability, National Academy of Sciences, OCLC 678803992 [dostęp 2019-01-15] .
- ↑ Stefan Jentsch i inni, RAD6-dependent DNA repair is linked to modification of PCNA by ubiquitin and SUMO, „Nature”, 419 (6903), 2002, s. 135–141, DOI: 10.1038/nature00991, ISSN 1476-4687 [dostęp 2019-01-15] (ang.).
- ↑ M.B. Metzger , V.A. Hristova , A.M. Weissman , HECT and RING finger families of E3 ubiquitin ligases at a glance, „Journal of Cell Science”, 125 (3), 2012, s. 531–537, DOI: 10.1242/jcs.091777, ISSN 0021-9533 [dostęp 2019-01-15] .
- 1 2 David Komander , Michael J. Clague , Sylvie Urbé , Breaking the chains: structure and function of the deubiquitinases, „Nature Reviews Molecular Cell Biology”, 10 (8), 2009, s. 550–563, DOI: 10.1038/nrm2731, ISSN 1471-0072 [dostęp 2019-01-15] .