Deubikvitinační enzym - Deubiquitinating enzyme

USP21 (modrý) kovalentně navázaný na lineární diubikvitin aldehyd (zelený). C-konec ubikvitinu vyčnívá přes aktivní místo USP21 (vpravo dole).
Ubikvitin-AMC, fluorogenní substrát pro širokou škálu DUB

Deubikvitinační enzymy (DUB), také známé jako deubikvitinační peptidázy, deubikvitinační isopeptidázy, deubikvitinázy, ubikvitinové proteázy, ubikvitinové hydrolázy, ubikvitinové isopeptidázy, jsou velkou skupinou proteázy[1] to štěpení ubikvitin z bílkovin.[2] Ubikvitin je připojen k proteinům za účelem regulace degradace proteinů prostřednictvím proteazom a lysozom; koordinovat buněčná lokalizace bílkovin; aktivovat a deaktivovat proteiny; a modulovat interakce protein-protein.[3][4][5] DUB mohou tyto účinky zvrátit štěpením peptidové nebo isopeptidové vazby mezi ubikvitinem a jeho substrátovým proteinem. U lidí existuje téměř 100 genů DUB, které lze rozdělit do dvou hlavních tříd: cysteinové proteázy a metaloproteázy. Cysteinové proteázy zahrnují ubikvitin-specifické proteázy (USP), ubikvitinové C-koncové hydrolázy (UCH), proteázy Machado-Josephinovy ​​domény (MJDs) a ovariální nádorové proteázy (OTU). Skupina metaloproteáz obsahuje pouze proteázy domény N-terminálu Jab1 / Mov34 / Mpr1 Pad1 + (MPN +) (JAMM).[2]

Třídy

U lidí existuje 102 domnělých genů DUB, které lze rozdělit do dvou hlavních tříd: cysteinové proteázy a metaloproteázy, skládající se z 58 proteáz specifických pro ubikvitin (USP), 4 ubikvitinových C-koncových hydroláz (UCH), 5 proteáz domény Machado-Josephin (MJDs), 14 proteáz vaječníkových nádorů (OTU) a 14 Jab1 / Mov34 / Mpr1 Pad1 N- geny obsahující koncovou + (MPN +) (JAMM) doménu. Předpokládá se, že 11 z těchto proteinů bude nefunkčních, takže zbude 79 funkčních enzymů.[6] V kvasinkách jsou USP známé jako proteázy specifické pro ubikvitin (UBP).

Cysteinové proteázy

Existuje šest hlavních superrodin cysteinových proteáz DUB:[7]

UCH
PDB 2hd5 EBI.jpg
USP2 v komplexu s ubikvitinem.
Identifikátory
SymbolUCH
PfamPF00443
Pfam klanCL0125
InterProIPR001394
STRÁNKAPDOC00750
MEROPSC19
SCOP21nb8 / Rozsah / SUPFAM

Existuje také málo známá domnělá skupina DUB, která se nazývá permutované papainové skládací peptidázy dsDNA virů a nadrodiny eukaryot (PPPDE), která, pokud by se ukázala jako bona fide DUB, by byla sedmou ve třídě cysteinových proteáz.[10]

Metaloproteázy

Nadrodiny domén nadrodiny Jab1 / Mov34 / Mpr1 Pad1 N-terminální + (MPN +) (JAMM) váží zinek, a proto jsou metaloproteázy.[7]

Úloha deubikvitinačních enzymů

Schematické znázornění funkce DUB

DUB hrají několik rolí v ubikvitinové cestě. Jednou z nejlépe charakterizovaných funkcí DUB je odstranění monoubiqutin a polyubikvitinové řetězce z bílkovin. Tyto úpravy jsou a posttranslační modifikace (přidání k proteinu poté, co byl vyroben), kde se k lysinům substrátového proteinu přidávají jednotlivé ubikvitinové proteiny nebo řetězce ubikvitinu. Tyto ubikvitinové modifikace se přidávají k proteinům ubikvitinačním aparátem; enzymy aktivující ubikvitin (E1s), enzymy konjugující s ubikvitinem (E2s) a ubikvitinové ligázy (E3s). Konečným výsledkem je ubikvitin vázaný na lysinové zbytky prostřednictvím isopeptidová vazba.[11] Proteiny jsou těmito modifikacemi ovlivňovány mnoha způsoby: regulují degradaci proteinů prostřednictvím proteazom a lysozom; koordinovat buněčná lokalizace bílkovin; aktivovat a deaktivovat proteiny; a modulovat interakce protein-protein.[3][4][5] DUB hrají v této ose antagonistickou roli tím, že odstraňují tyto modifikace, a tak obracejí osud proteinů.[2] Méně chápanou rolí DUB je navíc štěpení ubikvitin podobné proteiny jako SUMO a NEDD8. Některé DUB mohou mít schopnost štěpit isopeptidové vazby mezi těmito proteiny a substrátovými proteiny.[12]

Aktivují ubikvitin pomocí proteolýza (rozpad) neaktivních exprimovaných forem ubikvitinu. Ubikvitin je u savců kódován 4 různými geny: UBA52, RPS27A, UBB a UBC. Podobná sada genů se nachází u jiných eukaryot, jako jsou kvasinky. Geny UBA52 a RPS27A produkují ubikvitin, na který je fúzován ribozomální proteiny a geny UBB a UBC produkují polyubiquitin (řetězec ubikvitinu spojený jejich C- a N-konce ).[13][14] DUB štěpí ubikvitin z těchto proteinů za vzniku aktivních jednotlivých jednotek ubikvitinu.[2]

DUB také štěpí jednotlivé ubikvitinové proteiny, které mohly mít své C-koncové ocasy náhodně vázán na malou buňku nukleofily.[2] Tyto ubikvitin-amidy a ubikvitin-thioestery mohou vznikat během standardních ubikvitinačních reakcí kaskádou E1-E2-E3. Glutathion a polyaminy jsou dva nukleofily, které mohou napadat thiolesterovou vazbu mezi ubikvitinem a těmito enzymy. Ubiquitin C-terminální hydroláza je příkladem DUB, který tyto vazby hydrolyzuje se širokou specificitou.[12][15]

Volné polyubikvitinové řetězce jsou štěpeny DUB za vzniku monoubiquitinu. Řetězce mohou být produkovány stroji E1-E2-E3 v buňce bez jakéhokoli substrátového proteinu. Dalším zdrojem volného polyubikvitinu je produkt štěpení ubikvitin-substrát. Pokud DUB štěpí základ polyubiquitinového řetězce, který je připojen k proteinu, celý řetězec se uvolní a musí být recyklován DUB.[2]

Domény

Katalytická doména USP7. Katalytické domény USP lze vizualizovat jako prsty dlaně a palce ruky. Ubikvitin zapadá do ruky a jeho C-konec prochází mezi palcem a dlaní.

DUB často obsahují a katalytické doména obklopen jednou nebo více doménami, z nichž některé přispívají k rozpoznání cíle. Tyto další domény zahrnují doménu přítomnou v doméně specifické pro ubikvitin proteázy (DUSP); ubikvitinovou doménu (UBL); doména meprin a TRAF homologie (MATH); doména proteázy specifické pro zink-prstový ubikvitin (ZnF-UBP); myeloidní, nervy a doména DEAF1 (ZnF-MYND) se zinkovým prstem; doména spojená s ubikvitinem (UBA); Doména CHORD-SGT1 (CS); doména interagující s mikrotubuly a obchodující s nimi (MIT); doména podobná rhodenase; Doména TBC / RABGAP; a doména B-boxu.[6][16]

Katalytická doména

Katalytická doména DUB je to, co je klasifikuje do konkrétních skupin; USP, OTU, MJD, UCH a MPN + / JAMM. První 4 skupiny jsou cysteinové proteázy zatímco druhý je zinek metaloproteáza. Cysteinové proteázy DUB jsou podobné papainu a mají tedy podobný mechanismus účinku. Používají buď katalytické dyády, nebo triády (buď dva nebo tři aminokyseliny ) katalyzovat hydrolýza z amidové vazby mezi ubikvitinem a substrátem. Zbytky aktivního místa, které přispívají k katalytické aktivitě cysteinové proteázy DUB, jsou cystein (dyad / triáda), histidin (dyad / triáda) a aspartát nebo asparagin (pouze triáda). Histidin je polarizován aspartátem nebo asparaginem v katalytických triádách nebo jinými způsoby v dyadech. Tento polarizovaný zbytek snižuje pKa cysteinu, což mu umožňuje provádět a nukleofilní útok na isopeptidová vazba mezi ubikvitinem C-konec a substrát lysin. Koordinace metaloproteáz zinek ionty s histidinem, aspartátem a serin zbytky, které aktivují molekuly vody a umožňují jim napadat izopeptidovou vazbu.[17][18]

UBL

Ubiquitinům podobné (UBL) domény mají podobnou strukturu (fold) jako ubiquitin, kromě toho, že jim chybí koncové glycinové zbytky. Navrhuje se, aby 18 USP mělo UBL domény. Pouze 2 další DUBy mají UBL mimo skupinu USP: OTU1 a VCPIP1. USP4, USP7, USP11, USP15, USP32, USP40 a USP47 mají více domén UBL. Někdy jsou domény UBL v tandemu, například v USP7, kde je tandem 5 C-terminál UBL domény jsou přítomny. USP4, USP6, USP11, USP15, USP19, USP31, USP32 a USP43 mají UBL domény vložené do katalytické domény. Funkce UBL domén se mezi USP liší, ale běžně regulují USP katalytickou aktivitu. Mohou koordinovat lokalizaci v proteazomu (USP14); negativně regulovat USP soutěžením o katalytické místo USP (USP4) a vyvolat konformační změny ke zvýšení katalytické aktivity (USP7).[16][19][20] Stejně jako ostatní UBL domény, struktura USP UBL domén vykazuje β-uchopení záhybu.[21][22]

DUSP

DUSP doména
PDB 1w6v EBI.jpg
Struktura řešení DUSP domény HUSP15.
Identifikátory
SymbolDUSP
PfamPF06337
InterProIPR006615
MEROPSC19

Jedna nebo více tandemových domén DUSP s přibližně 120 zbytky se nachází v šesti USP. Funkce domény DUSP je v současné době neznámá, ale může hrát roli v interakce protein-protein, zejména pro rozpoznávání substrátů DUB. To se předpovídá kvůli hydrofobní štěrbině přítomné v DUSP doméně USP15 a že bez těchto domén nedochází k některým proteinovým interakcím s USP obsahujícími DUSP. Doména DUSP zobrazuje nový stativ složit obsahující tři šroubovice a antiparalelní beta-list ze tří pramenů. Tento záhyb připomíná nohy (šroubovice) a sedadlo (beta-list) stativu. Ve většině domén DUSP v USP existuje konzervovaný sekvence aminokyselin známá jako PGPI motiv. Toto je sekvence čtyř aminokyselin; prolin, glycin, prolin a isoleucin, který se sbalí proti svazku tří šroubovic a je vysoce objednaný.[6][23]

Role v nemoci

Je třeba ještě objasnit celý rozsah úlohy DUB v nemocech. Jejich účast na nemoci se předpovídá díky známým rolím ve fyziologických procesech, které se účastní chorobných stavů; včetně rakoviny a neurologických poruch.[24]

Enzym USP28 je nadměrně exprimován v různých typech rakovina jako je tlusté střevo nebo plíce. Navíc, USP28 deubikvitinuje a stabilizuje důležité onkogeny, jako je c-Myc, Zářez 1, c-jun nebo ΔNp63.[25][26][27]. U dlaždicových nádorů USP28 reguluje rezistenci na chemoterapii a reguluje opravu DNA pomocí ΔNp63 -Osa dráhy anémie z Fanconia.[28]

Deubikvitinační enzymy UCH-L3 a YUH1 jsou schopny hydrolyzovat mutantní ubikvitin UBB + 1 navzdory skutečnosti, že glycin v poloze 76 je mutován.[29]

Úrovně UCH-L1 jsou vysoké u různých typů malignit (rakovina ).[30]

Reference

  1. ^ Wilkinson KD (prosinec 1997). „Regulace procesů závislých na ubikvitinu deubikvitinačními enzymy“. FASEB J. 11 (14): 1245–56. doi:10.1096 / fasebj.11.14.9409543. PMID  9409543.
  2. ^ A b C d E F Reyes-Turcu FE, Ventii KH, Wilkinson KD (2009). „Regulace a buněčné role ubikvitinově specifických deubikvitinačních enzymů“. Annu. Biochem. 78: 363–97. doi:10.1146 / annurev.biochem.78.082307.091526. PMC  2734102. PMID  19489724.
  3. ^ A b Glickman MH, Ciechanover A (duben 2002). „Ubiquitin-proteazomová proteolytická cesta: destrukce kvůli konstrukci“. Physiol. Rev. 82 (2): 373–428. doi:10.1152 / physrev.00027.2001. PMID  11917093.
  4. ^ A b Mukhopadhyay D, Riezman H (leden 2007). "Funkce ubikvitinu nezávislé na proteazomu v endocytóze a signalizaci". Věda. 315 (5809): 201–5. Bibcode:2007Sci ... 315..201M. doi:10.1126 / science.1127085. PMID  17218518. S2CID  35434448.
  5. ^ A b Schnell JD, Hicke L (září 2003). „Netradiční funkce ubikvitinu a proteinů vázajících ubikvitin“. J. Biol. Chem. 278 (38): 35857–60. doi:10,1074 / jbc.R300018200. PMID  12860974.
  6. ^ A b C Nijman SM, Luna-Vargas MP, Velds A, et al. (Prosinec 2005). "Genomický a funkční soupis deubikvitinačních enzymů". Buňka. 123 (5): 773–86. doi:10.1016 / j.cell.2005.11.007. hdl:1874/20959. PMID  16325574. S2CID  15575576.
  7. ^ A b Amerik AY, Hochstrasser M (listopad 2004). "Mechanismus a funkce deubikvitinačních enzymů". Biochim. Biophys. Acta. 1695 (1–3): 189–207. doi:10.1016 / j.bbamcr.2004.10.003. PMID  15571815.
  8. ^ Abdul Rehman, Syed Arif; Kristariyanto, Yosua Adi; Choi, Soo-Youn; Nkosi, Pedro Junior; Weidlich, Simone; Labib, Karim; Hofmann, Kay; Kulathu, Yogesh (07.07.2016). „MINDY-1 je členem evolučně konzervované a strukturálně odlišné nové rodiny deubikvitinačních enzymů“. Molekulární buňka. 63 (1): 146–155. doi:10.1016 / j.molcel.2016.05.009. ISSN  1097-2765. PMC  4942677. PMID  27292798.
  9. ^ Kwasna, Dominika; Abdul Rehman, Syed Arif; Natarajan, Jayaprakash; Matthews, Stephen; Madden, Ross; De Cesare, Virginie; Weidlich, Simone; Virdee, Satpal; Ahel, Ivan; Gibbs-Seymour, Ian; Kulathu, Yogesh (04.04.2018). „Objev a charakterizace ZUFSP / ZUP1, odlišné třídy deubiquitinázy důležité pro stabilitu genomu“. Molekulární buňka. 70 (1): 150–164.e6. doi:10.1016 / j.molcel.2018.02.023. ISSN  1097-2765. PMC  5896202. PMID  29576527.
  10. ^ Iyer LM, Koonin EV, Aravind L (listopad 2004). „Nové predikované peptidázy s potenciální rolí v signální dráze ubikvitinu“. Buněčný cyklus. 3 (11): 1440–50. doi:10,4161 / cc 3.11.1206. PMID  15483401.
  11. ^ Kerscher O, Felberbaum R, Hochstrasser M (2006). "Modifikace proteinů ubikvitinem a ubikvitinovými proteiny". Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 22: 159–80. doi:10.1146 / annurev.cellbio.22.010605.093503. PMID  16753028. S2CID  17584645.
  12. ^ A b Wing SS (květen 2003). „Deubikvitinační enzymy - význam couvání podél dráhy ubikvitin-proteazomu“. Int. J. Biochem. Cell Biol. 35 (5): 590–605. doi:10.1016 / s1357-2725 (02) 00392-8. PMID  12672452.
  13. ^ Kimura Y, Tanaka K (2010). „Regulační mechanismy podílející se na kontrole homeostázy ubikvitinu“. J. Biochem. 147 (6): 793–8. doi:10.1093 / jb / mvq044. PMID  20418328.
  14. ^ Ozkaynak E, Finley D, Solomon MJ, Varshavsky A (květen 1987). "Geny kvasnicového ubikvitinu: rodina přírodních genových fúzí". EMBO J.. 6 (5): 1429–39. doi:10.1002 / j.1460-2075.1987.tb02384.x. PMC  553949. PMID  3038523.
  15. ^ Pickart CM, Rose IA (červenec 1985). „Ubiquitin karboxyl-terminální hydroláza působí na ubikvitin karboxyl-terminální amidy“. J. Biol. Chem. 260 (13): 7903–10. PMID  2989266.
  16. ^ A b Komander D, Clague MJ, Urbé S (srpen 2009). "Přerušení řetězců: struktura a funkce deubiquitináz". Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 10 (8): 550–63. doi:10.1038 / nrm2731. PMID  19626045. S2CID  19149247.
  17. ^ Komander D (2010). "Mechanismus, specifičnost a struktura deubiquitináz". Konjugace a dekonjugace modifikátorů rodiny ubikvitinu. Subcell. Biochem. Subcelulární biochemie. 54. str. 69–87. doi:10.1007/978-1-4419-6676-6_6. ISBN  978-1-4419-6675-9. PMID  21222274.
  18. ^ Chapman HA, Riese RJ, Shi GP (1997). "Vznikající role cysteinových proteáz v biologii člověka". Annu. Physiol. 59: 63–88. doi:10,1146 / annurev.physiol. 59.1.63. PMID  9074757.
  19. ^ Faesen AC, Luna-Vargas MP, Sixma TK (červen 2012). "Role UBL domén v proteázách specifických pro ubikvitin". Biochem. Soc. Trans. 40 (3): 539–45. doi:10.1042 / BST20120004. PMID  22616864.
  20. ^ Ye Y, Scheel H, Hofmann K, Komander D (prosinec 2009). "Disekce USP katalytických domén odhaluje pět společných bodů vložení". Mol Biosyst. 5 (12): 1797–808. doi:10,1039 / b907669g. PMID  19734957.
  21. ^ Elliott PR, Liu H, Pastok MW a kol. (Listopad 2011). "Strukturální variabilita ubiquitin specifické proteázy DUSP-UBL dvojitých domén". FEBS Lett. 585 (21): 3385–90. doi:10.1016 / j.febslet.2011.09.040. PMID  22001210. S2CID  5312371.
  22. ^ Harper S, Besong TM, Emsley J, Scott DJ, Dreveny I (září 2011). „Struktura N-koncových domén USP15: β-vlásenka zprostředkovává úzkou asociaci mezi doménami DUSP a UBL.“. Biochemie. 50 (37): 7995–8004. doi:10.1021 / bi200726e. PMID  21848306.
  23. ^ de Jong RN, Ab E, Diercks T a kol. (Únor 2006). "Struktura řešení lidské DUSP domény proteázy specifické pro lidský ubikvitin". J. Biol. Chem. 281 (8): 5026–31. doi:10,1074 / jbc.M510993200. PMID  16298993.
  24. ^ Singhal S, Taylor MC, Baker RT (2008). „Deubikvitylační enzymy a nemoci“. BMC Biochem. 9 (Suppl 1): S3. doi:10.1186 / 1471-2091-9-S1-S3. PMC  2582804. PMID  19007433.
  25. ^ E. Diefenbacher, Markus; Popov, Nikita; al., Et (červen 2014). „Deubikvitináza USP28 reguluje střevní homeostázu a podporuje kolorektální karcinom“. J. Clin. Investovat. 124 (8): 3407–18. doi:10,1172 / JCI73733. PMC  4109555. PMID  24960159.
  26. ^ Prieto-Garcia, C .; Hartmann, O; Reissland, M .; Braun, F .; Fischer, T .; Walz, S .; Fischer, A .; Calzado, M .; Orian, A .; Rosenfeldt, M .; Eilers, M .; E. Diefenbacher, M. (červen 2019). „Osa USP28-∆Np63 je zranitelností dlaždicových nádorů.“ bioRxiv  10.1101/683508.
  27. ^ Prieto-Garcia, C .; E. Diefenbacher, M .; et All (březen 2020). „Udržování stability proteinu ∆Np63 prostřednictvím USP28 je vyžadováno dlaždicovými rakovinovými buňkami“. EMBO Mol. Med. 12 (4): e11101. doi:10,15252 / emmm.201911101. PMC  7136964. PMID  32128997.
  28. ^ Prieto-Garcia, C .; Hartmann, O; Diefenbacher, M .; et al. (Září 2020). „Inhibice USP28 překonává rezistenci dlaždicových nádorů na cisplatinu potlačením cesty anémie Fanconi“. bioRxiv  10.1101/2020.09.10.291278.
  29. ^ Dennissen FJ, Kholod N, Hermes DJ a kol. (Srpen 2011). „Mutantní ubikvitin (UBB + 1) spojený s neurodegenerativními poruchami je hydrolyzován ubikvitinovou C-terminální hydrolázou L3 (UCH-L3)“. FEBS Lett. 585 (16): 2568–74. doi:10.1016 / j.febslet.2011.06.037. PMID  21762696. S2CID  28207136.
  30. ^ Fang Y, Fu D, Shen XZ (srpen 2010). "Potenciální role ubikvitinových c-terminálních hydroláz v onkogenezi". Biochim. Biophys. Acta. 1806 (1): 1–6. doi:10.1016 / j.bbcan.2010.03.001. PMID  20302916.
Tento článek včlení text od public domain Pfam a InterPro: IPR006615