26S proteasome

Researchers have uncovered the intricate molecular mechanism used by parasitic phytoplasma bacteria, known for inducing 'zombie-like' effects in plants. Researchers have uncovered the intricate molecular mechanism used by parasitic phytoplasma bacteria, known for inducing 'zombie-like' effects in plants. This detailed revelation opens new horizons for groundbreaking applications in biotechnology and even in biomedicine. The team led by Professor Saskia Hogenhout at the John Innes Centre, in partnership with The Sainsbury Laboratory, has employed X-ray crystallography to unveil the structure and functional mechanism of SAP05. This molecule plays a crucial role in bridging two distinct components inside plant cells. The discovery sheds new light on a peculiar phenomenon in nature -- mostly seen in "witches' brooms" in which plant stems and leaves proliferate due to Phytoplasma bacteria. This insect-transmitted bacteria triggers diseases like Aster Yellows, significantly diminishing yields in leaf crops including oilseed rape, lettuce, carrots, grapevines, onions, and a variety of ornamental and vegetable crops worldwide. Previous research by the Hogenhout group revealed how the bacterial protein SAP05 is able to manipulate plants by hijacking molecular machinery called the proteasome. The proteasome breaks down and recycles proteins that are no longer required inside plant cells. SAP05 hijacks this process, causing proteins which regulate growth and development to be dispensed into a molecular recycling centre known as the 26S proteasome. This latest research focusses on how this happens at the structural level. SAP05 effectively disrupts the molecular recycling pathway, serving as a scaffold that connects its two cellular targets: a transcription factor and the proteasome. Fascinatingly, SAP05 binds in a manner that enables it to 'lift the dustbin lid', selectively disposing of developmental proteins, while strategically preserving functions vital for the survival of its plant host. Professor Hogenhout, group leader at the John Innes Centre, and lead of the research team behind these findings explains: "We now know the structure of this complex and how the protein binds to two cellular components to create a short circuit. Whilst SAP05 allows itself to get involved in the plant, it does not disrupt other important processes. It is so amazing to see evolution crystalized in this way." Usually in plants, in fact across all multicellular organisms, this recycling of proteins in the proteasome is dependent on a molecule called ubiquitin. By short-circuiting this process SAP05 provides a new way of carrying out the essential task of protein degradation which serves its own parasitic purpose and is completely independent of ubiquitin. The discovery presents some intriguing possibilities. The researchers were struck by the sophisticated ingenuity of SAP05, a master manipulator, and its promising applications in biotechnology. First author of the paper Dr Qun Liu said: "It was so exciting to see that this molecule SAP05 had two sides, one side binding to the transcription factor and the other binding to the 26S proteasome, . Iit's very smart." By understanding how this bacterial mechanism interacts with cells at a structural level, the researchers can now use this knowledge to engineer SAP05-like molecules which could be repurposed to remove unwanted proteins such as pathogen effectors or viruses, with an impact on therapeutics, research and in agriculture. The work on the SAP05 effector protein continues with funding from the European Research Council, and a project led by Professor Hogenhout to investigate novel Targeted Protein Degradation (TPD) technology.

关注并星标CPHI制药在线   泛素-蛋白酶体是“消化”细胞内蛋白质的重要途径之一，它能调控多个重要的生命活动，如细胞增殖、分化、凋亡、DNA 修复等。近年来，人们逐渐认识到泛素-蛋白酶体系统的异常与多种不同疾病的发生密切相关，包括神经退行性疾病阿尔兹海默症、亨廷顿病、癌症、心血管和呼吸系统疾病等。在神经退行性疾病中，外源或者内源因素可以引发神经细胞内外蛋白质的错误折叠，从而影响泛素-蛋白酶体的降解功能而导致大量蛋白的异常堆积，甚至细胞死亡。而肿瘤的发生则与细胞过度增殖以及抗凋亡能力增强有关。泛素-蛋白酶体通过促进抑癌蛋白如P53的降解或者阻滞致癌蛋白降解而影响肿瘤细胞的存活。在近几十年的研究中，泛素-蛋白酶体作为一个庞大的蛋白质机器，成为科学家们研发疾病潜在有效药物的重要靶点。       泛素-蛋白酶体途径作用机制       泛素-蛋白酶体途径需要包括泛素（ubiquitin，Ub）、泛素激活酶 E1( ubiquitin-activating enzyme，E1)、泛素聚合酶(亦称泛素载体蛋白)（ubiquitin-carrier protein，E2）、泛素连接酶（ubiquitin-ligating enzyme，E3）、26S蛋白酶体（26S proteasomes）和去泛素化酶（deubiquitinating enzymes，DUBs）等相关物质的参与。       泛素-蛋白酶体途径由底物蛋白质泛素化和底物通过蛋白酶体降解2个过程组成。泛素是一条由76个氨基酸组成的高度保守的多肽链。泛素通常以2种形式存在，一种是游离形式，另一种形式是与受体蛋白共价结合。泛素通过其C端与受体蛋白赖氨酸侧链的ε-氨基或受体蛋白N端的α-氨基共价结合的过程称为泛素化。泛素化是一个由泛素激活酶 E1，泛素聚合酶E2 和泛素连接酶E3等介导的多酶级联反应。       泛素激活酶E1在进化中很保守，是一种 ATP 依赖的酶，通过与泛素的 C 端形成高能硫酯键而激活泛素。与E1不同，细胞内存在多种 E2。E2 与活化的泛素结合形成E2-泛素复合体，E2协助特异性 E3将活化的泛素转移到底物。泛素连接酶 E3是泛素化反应系统中数量最大、结构最多样、调控机制最为复杂的成员，它可以直接与底物或通过辅助蛋白与底物相互作用，从而决定泛素介导底物蛋白质降解的选择性。哺乳动物细胞内的E3 主要有三大类，即含HECT( homologous to E6-AP C-terminal) 结构域的E3、含环指结构( RING finger)的E3、含U-box 的E3。E3在泛素化过程中的作用主要包括3个阶段：E3与E2的相互识别与作用、E3 与底物蛋白质的相互识别与作用、E3 催化泛素与底物蛋白质的连接及泛素与泛素之间的连接。最终，泛素通过其C端与受体蛋白赖氨酸侧链的ε-氨基发生共价结合，而这些泛素分子上的48位、63 位赖氨酸又可以作为修饰位点，如此，底物蛋白上可以形成多泛素链。一般地，由48位赖氨酸残基连接的4个或更多个泛素的底物蛋白质可以被 26S 蛋白酶体识别并将其降解，而由63位赖氨酸残基连接的泛素链则不参与蛋白质的降解过程，其主要与细胞内信号转导过程和 DNA 修复等相关。       泛素在泛素化修饰的底物蛋白质被26S 蛋白酶体降解之前，可以被去泛素化酶( deubiquitinating enzyme，DUB) 水解脱离下来，从而避免其与底物蛋白一道被降解，解离下来的游离形式的泛素可以被循环使用。蛋白酶体是一种巨大的具有四级结构的复合蛋白酶(约2000 kD)，具有多种蛋白水解酶的活性，其蛋白降解功能主要依赖于泛素化过程。26S蛋白酶体由20S 核心复合物( core particle，CP) 和19S 调节复合物( regulatory particle，RP，也称PA700) 组成。其中，20S是由4个同轴的、7个亚基组成的七聚体环叠而成的中空桶装结构。两侧外环由 αl-α7 亚单位组成，2 个内环由 β1-β7 亚单位组成。3 个组成型表达的β亚基( β1、β2、β5) 具有苏氨酸蛋白酶活性位点(分别为“半胱天冬酶-样”活性位点、“胰蛋白酶-样”活性位点、“胰凝乳蛋白酶-样”活性位点)，且被封闭在降解腔的内侧，从而有效阻止正常折叠的蛋白质进入降解腔。19S 调节复合物可以识别泛素化底物，去折叠底物并释放游离形式的泛素，打开 α 环上的降解通道并将去折叠的底物送入降解腔。所以，泛素-蛋白酶体介导的迅速且不可逆的特异性蛋白质降解是一个高度复杂、受到严格调控的生命过程。       泛素-蛋白酶体通路（来源文献[1]）       Ub：泛素；E1：泛素激活酶；E2：泛素载体蛋白；E3：泛素连接酶；DUB：去泛素化酶       泛素-蛋白酶体与药物研发       目前已报道的多种人类疾病与蛋白酶体通路的异常有关。经批准的蛋白酶体抑制剂也已成功用于治疗多发性骨髓瘤、套细胞淋巴瘤等癌症，而正在开发的多个靶向泛素-蛋白酶体通路不同组分的药物，如去泛素化酶抑制剂等临床前测试药物，泛素化酶调节剂、新的蛋白酶体抑制剂等临床试验药物等也显现出更值得期待的疗效。       01蛋白酶体抑制剂目前已报道的有较好抗肿瘤效果的药物有10余种，且用于临床治疗的药物以蛋白酶体抑制剂居多。硼替佐米(Bortezomib)Bortezomib (PS-341)是首个被 FDA 批准的以泛素-蛋白酶体通路为靶点的蛋白酶体抑制剂类药物。Bortezomib 是一种硼酸二肽，它可以特异性地与20S蛋白酶体的β5亚基的苏氨酸的活性部位结合，有效抑制胰凝乳蛋白酶活性。同时，它也可以与 β1 亚基的苏氨酸的活性部位结合，抑制半胱天冬蛋白酶活性。Bortezomib是一类高选择性的可逆抑制剂，也是一种被批准用于治疗多发性骨髓瘤的药物。暴露于 Bortezomib 可以稳定 p21，p27，p53蛋白以及促凋亡Bid和Bax 蛋白，阻断细胞内 NF-κB 通路的激活，导致肿瘤细胞死亡。       Carfizomib 作为第二代蛋白酶体抑制剂类药物，于2012 年被 FDA 批准用于治疗已经使用过Bortezomib 治疗的多发性骨髓瘤患者。与Bortezomib不同，Carfizomib 属于环氧酮类化合物，具有独特的化学结构和选择性，它的环氧酮部分与苏氨酸的羟基和游离 α-氨基相互作用，以不可逆的方式形成吗啉加合物。Carfizomib 与蛋白酶体其他 β 亚基如 β1、 β2 的结合能力要弱于 Bortezomib，从而降低了对胰蛋白酶、半胱天冬酶的活性抑制。Ixazomib 是首个被批准的口服硼酸酯类蛋白酶体抑制剂。数据显示，Ixazomib 可以以“孤儿药”或者联合其他蛋白酶体抑制剂给药的方式，用于治疗多发性骨髓瘤、全身性轻链淀粉样变等其他恶性肿瘤。此外，蛋白酶体的特殊亚基类抑制剂(β1i、β2i、β5i)，也可通过与亚基的结合，以可逆或者不可逆的方式占据蛋白质降解的结合位点，抑制降解、阻滞细胞周期，从而有效抑制肿瘤的复发。       02去泛素化酶抑制剂去泛素化酶抑制剂作用于半胱氨酸蛋白酶和金属蛋白酶。现已开发的与19S蛋白酶体相关的去泛素化酶主要有UCHL5 (or UCH37)、USP14、USP7和PSMD14 (POH1)等。P5091属于噻吩类小分子抑制剂，它与P22077主要作用于USP7。研究发现，对Bortezomib治疗产生耐药性的多发性骨髓瘤患者中使用P5091，可诱导肿瘤细胞的死亡。WP-1130、b-AP15均可作用于多个去泛素化酶。多泛素化修饰蛋白的累积阻滞细胞周期，从而有效抑制结肠癌等肿瘤的发展。WP-1130与Bortezomib有协同的肿瘤治疗作用，而b-AP15更多用于治疗耐Bortezomib药性的肿瘤。作为金属蛋白酶家族成员之一的去泛素化酶PSMD14，其在细胞内水平负调控多发骨髓瘤细胞的增殖以及患者的生存率，由此，Cleave Biosciences公司设计合成了针对PSMD14的特异性抑制剂并已进入临床试验前期。       03泛素化酶调节剂E1是泛素化体系中的第一个酶。两种E1 (Uba1和Uba6)调节了下游泛素化反应。因此，调控E1活性可调节下游某些与肿瘤相关蛋白的泛素化。目前，已有多种 E1 抑制剂被报道。例如，Uba1的抑制剂PYR-41 和PYZD-4409。但已进入临床试验的只有类泛素分子NEDD8 的E1活化酶抑制剂MLN4924。抑制E1会导致泛素化底物的累积，而 E1 较差的特异性和成药性成为了发展 E1抑制剂的绊脚石。E2 抑制剂具有较强的选择性，提供了在肿瘤治疗方面更大的空间。如抑制剂CC0651 通过与CDC34 的结合而发生的构象改变阻滞了Ub 的级联反应。E3的数量约有近700个，它能够特异性识别蛋白质底物，从而使得它成为多种相关疾病的治疗靶点。人们可以通过调控底物蛋白质的 E3 来调节目的蛋白，从而有针对性地提高疗效。如MDM2是肿瘤抑癌基因p53的E3，阻断MDM2和p53 的相互作用，可以稳定 p53，从而阻滞肿瘤细胞周期，促进凋亡。Nutlin-3 是第一个以 MDM2 为靶点的 E3 抑制剂。Nutlin-3模拟并占据 p53 与 MDM2 的结合位点，从而避免 p53 被泛素标记而降解。作为另一种稳定 p53的小分子药物，RITA 通过与 p53 的 N 端结合从而抑制 p53 与 MDM2 之间的相互作用。被批准用于治疗多发性骨髓瘤(MM)、套细胞淋巴瘤(MCL)、骨髓增生异常综合征(myelodysplastic syndromes)的药物       参考资料       [1]陈禹杉,姜天霞,周鲁明,冯仁田,邱小波.泛素-蛋白酶体通路与药物研发[J].中国生化药物杂志,2016,36(12):1-6.       [2]刘扬.泛素-蛋白酶体与药物应用[J].大学化学,2019,34(07):60-66.       作者简介：小泥沙，食品科技工作者，现就职于国内某大型药物研发公司，从事营养食品及功能性食品的开发与研究。【企业推荐】智药研习社近期课程报名来源：CPHI制药在线声明：本文仅代表作者观点，并不代表制药在线立场。本网站内容仅出于传递更多信息之目的。如需转载，请务必注明文章来源和作者。投稿邮箱：Kelly.Xiao@imsinoexpo.com▼更多制药资讯，请关注CPHI制药在线▼点击阅读原文，进入智药研习社~