Аналитика

Удивительный убиквитин

С 50-х годов XX века учёные приступили к штурму одного из самых защищённых рубежей живых систем — молекулярных основ метаболизма и катаболизма. Каждый год приносил все новые и новые неожиданности, и биологи так увлеклись накоплением данных, что на какой-то период вопрос о том, куда и как это разнообразие потом девается, даже не задавался. Но спустя уже пару десятков лет даже последние оптимисты поняли, что этот вроде бы последний рубеж на самом деле не так уж прост. Каждое новое открытие вызывает массу новых вопросов, о которых раньше даже не задумывались, и в результате абсолютное понимание природы ускользает от нас, как мираж в пустыне.

Среди открытий, сделанных в 70-х, фигурировало скромное открытие некоего белка. Убиквитин — небольшой белок (74 аминокислотных остатка, 8.5 кДа), открытый в 1975 году сначала у человека, а потом и вообще во всех эукариотических организмах. Причем он обнаруживается везде в одном и том же виде, — научно говоря, он высококонсервативен у всех эукариот.

Пика известности этот белок достиг в 1980-х, когда обнаружилось, что убиквитилирование является «меткой смерти» для белков. Действительно, одна из форм убиквитина является маркёром деградации выполнивших свою функцию или «поломанных» белков. Потом было обнаружено и второе, противоположное, его свойство — убиквитилирование белков ряда сигнальных путей регулирует их активность и, в результате, опосредует передачу сигнала в ядро. Недавно было открыто, что функции убиквитина распространяются и на регулирование аппарата ядра: показана его роль в регулировании транскрипции генов путём модификации РНК-полимеразного комплекса. А позже стали появляться все новые и новые данные...

Постепенно выяснилось, что названию своему белок соответствует (от англ. ubiquitous — присутствующий везде): он обнаруживается абсолютно во всех частях организма — от кожи до мозга; во всех частях живой клетки — от мембраны до ядра. Просто везде. А это была уже очень важная информация. Дело в том, что природа очень экономна, и, хотя каждая клетка и несёт закодированную информацию по всем белкам, реально синтезируется только то, что необходимо в данное время в данном месте. Например, только в поджелудочной железе вырабатывается инсулин, или только в надпочечниках — адреналин. Повсеместно же нарабатываемый белок — это может быть только что-то жизненно необходимое.
Казнить, нельзя помиловать!

Долгое время таинственный белок ускользал от исследователей, и понять его функцию не удавалось. И вот, наконец, в 1980 году был открыт удивительный и неожиданный феномен — убиквитин является молекулярной «меткой смерти»! Им метятся клеточные белки, которые по той или иной причине направляются на деградацию в специальные клеточные органеллы — протеасомы.

Израильтяне Аарон Чихановер (Aaron Ciechanover), Аврам Хершко (Avram Hershko) и американец Ирвин Розе (Irwin Rose) в 2004 году получили Нобелевскую премию по химии, показав, что именно присоединение убиквитина к белкам вызывает их разрушение

Это было неожиданно. Ранее считалось, что белки, отслужив, расщепляются сами по себе, попадая в лизосому или расщепляясь на аминокислоты каким-либо другим образом. Биологи как-то не задумывались, что параллельно с синтезом белка должна происходить его постоянная утилизация, и процесс этот должен быть так же четко скоординирован, как и синтез. Поэтому с появлением работ о роли убиквитина в «смерти» белков в молекулярной биологии открылся «второй фронт», и толпы исследователей ринулись изучать не синтез, а деградацию белков (кстати, похожее было и после открытия апоптоза, или управляемой смерти клетки, но об этом в другой раз).

Обнаружилось, что в роли «метки смерти» выступает не одна молекула убиквитина, а их полимер (т. е. молекула типа убиквитин — убиквитин — убиквитин -...-убиквитин). Потом обнаружилось, что есть два типа полимеров убиквитина, различающиеся по типу сшивки. Она может происходить через боковые цепи или 48-го, или 63-го остатка лизина (рис. 1).
 

Рис. 1. Ленточная модель мономера убиквитина (жёлтым цветом показаны 7 боковых цепей лизина)

Процесс «выписывания» «чёрной метки» довольно сложен (рис. 2). В нем принимает участие комплекс из трёх ферментов, которые называются довольно тривиально — Е1, Е2 и Е3. Е3 распознает белок, который нужно пометить; Е1 активирует мономер убиквитина; наконец, фермент Е2 соединяет активированный убиквитин с белком. В таком виде меченый белок может быть узнан протеасомой.

Дальнейшие исследования показали, что убиквитин образует довольно экзотические полимеры — путём сшивки через боковые радикалы внутренних (не концевых) аминокислот. По всем канонам аминокислоты соединяются посредством пептидной связи (NH2-группа к COOH-группе). Однако в случае убиквитина его С-концевая аминокислота (глицин) связывается с боковой (?) аминогруппой лизина другой молекулы «метки смерти»; эта молекула таким же образом связывается с третьей, и так далее, пока не образуется целый полимер.
 

Рис. 2. Общий вид процесса убиквитилирования. Через сульфидную группу белок Е1 связывает убиквитин. Для активации убиквитина используется молекула АТФ. Е1 «передаёт» активированный убиквитин ферменту Е2. Последний узнаёт и связывает фермент Е3 — убиквитин-лигазу, которая специфически распознаёт белки-субстраты. В результате совместного действия Е2 и Е3 происходит модификация субстрата молекулой убиквитина. Дальше цикл повторяется

Первые работы (за которые и была получена Нобелевская премия) велись с полимером, сшитым через 48-й лизиновый остаток и С-конец глицина от другой молекулы — это т. н. убиквитин-48 (Ub-48).

Долгое время считали, что убиквитин всегда приводит к «смерти» белков. Но когда ученые научились четко различать между собой убиквитин-48 и убиквитин-63, настало время удивиться еще раз
Казнить нельзя, помиловать!

Полимер убиквитина-63 (в котором мономеры сшиты между собой через 63-й остаток (Ub-63)) оказался намного более интересным. Он выполняет множественные регуляторные функции — активацию или ингибирование активности белков, участвует в их транспорте или процессинге, но никак не деградации. До сих пор нет стройной теории, способной объяснить по какому механизму всё это работает. Многие склоняются к тому, что эти два полимера имеют разное строение. В общих чертах это звучит так: убиквитин-48 и убиквитин-63 узнаются разными молекулярными системами по-разному. Это вызвано тем, что поверхности, экспонируемые наружу полимером для взаимодействия с другими партнерами — различные. Они также различаются и длиной «линкера»: в случае убиквитина-63 и линейного убиквитина молекулы в полимере находятся на некотором расстоянии друг от друга, т. к. лизин 63 находится «с краю», и образует подобие гибкого мостика (рис. 1). В случае убиквитина-48 «мостик» находится в середине молекулы, и молекулы значительно сближены, что приводит к образованию достаточно жесткой и компактной структуры.

С каждым годом свидетельства важной «жизненной» роли убиквитина растут. Буквально все основные процессы регулируются посредством убиквитинилирования-63: по частоте встречаемости эта модификация не уступает фосфорилированию. Любой гормон, любое внешнее воздействие, любой межклеточный «сигнал» приводят к каскадам убиквитилирования-деубиквитилирования сигнальных молекул — начиная с находящихся в плазматической мембране и заканчивая ядром клетки.

Вначале убиквитин обнаружили в системе деградации белков. Потом его роль отметили в регуляторных процессах клетки (например, он является активным участником в передачи сигналов всех гормонов). А недавно опубликована работа, в которой описывается дополнительная роль убиквитина — регулирование транскрипционного аппарата путём модификаций РНК-полимеразного комплекса. Это одна из первых неклассических функций убиквитина — в ядре, а не в цитоплазме; с РНК-полимеразой, а не с классическими мишенями (киназы и фосфорилазы); регулирует передачу сигнала не к ядру, а скорее наоборот — из ядра в цитоплазму.
Тысяча и один факт про убиквитин

Постепенно учёные привыкли, что в клетке есть еще одна, дополнительная, система — система убиквитиновой сигнализации. И элементарная единица этого пути — небольшой белок убиквитин. Правда, простоты в общую картину эти открытия не добавили — приходится говорить, скорее, о путанице в ранее стройной теории «казнить-помиловать».

Совсем недавно учёные всерьез задались вопросом: если полиубиквитин полимеризуется через боковые цепи лизинов 48 и 63, а в его составе есть ещё лизины, то что мешает и им участвовать в полимеризации, образуя полимеры со своей специфической конформацией и ролью в клетке?

Недавние исследования показали, что полиубиквитин может формироваться, даже если оба «критичных» лизина (Лиз-48 и Лиз-63) удалены. За этим последовали сообщения об обнаружении полиубиквитиновых молекул, связанных между собой по Лиз-6, Лиз-29, Лиз-33, и в завершение — «смешанной» молекулы, в которой мономеры убиквитина связаны с помощью разных комбинаций этих вариантов. В результате получаются сложные разветвлённые структуры, роль которых в метаболизме клетки еще предстоит определить.

В этом году опубликованы данные о новой форме полимера — это традиционный линейный «полиубиквитин», в котором мономеры связаны обычной пептидной связью «хвост к голове» (СООН-группа глицина-76 связана с NH2-группой метионина-1 другой молекулы белка). Сам факт существования такой формы полимера известен уже несколько лет, но только в этом году обнаружилось, что такой «традиционно» сшитый убиквитин играет важную роль в регулировании активности ряда транскрипционных факторов, таких как МАПК и NF-?B — важнейших сигнальных путей иммунной системы организма. Модификация осуществляется особым белковым ферментным комплексом — LUBAC (linear ubiquitin chain assembly complex). Функцию такой формы убиквитина понять ещё не удалось: в ряде случаев он вызывал разрушение меченых белков, а по данным некоторых исследований служил аналогом «дружественного» Ub-63, т. е. выступал не как «смертельная метка», а в роли «мирной» регуляторной модификации. Как объяснить все эти факты вместе — пока неизвестно. Пока принята рабочая гипотеза, согласно которой конформация такого линейного полипептида по структуре больше похожа на Ub-63, и в большинстве случаев распознаётся клеточными системами как «мирная» модификация.

Также появляются данные, что Ub-63 может быть не столь уж и безобиден, — ряд молекул после модификации этим полимером сразу же деградирует. А ещё оказалось, что и сам «поцелуй смерти» — полиубиквитин-48 — не всегда является таковым — уже открыт ряд белков, для которых «смертельная метка» является стимулятором активности!

Интересны также результаты по изучению метилированного убиквитина — то есть такого, который не может образовывать полимеры, поскольку метилирование «скрывает» все сайты связывания. По данным одного из основателей теории убиквитилирования Аарона Чихановера, достаточно одиночной молекулы убиквитина (т. е. моноубиквитилирования) или нескольких моноубиквитинов для деградации меченого белка. Опять же это неожиданно — все время речь шла о роли полимеров, да и Нобелевскую премию дали за исследование полимеров убиквитина, воспринимая мономер убиквитина как инертный кирпичик. А тут оказалось, что даже одной молекулы уже достаточно, чтоб пометить цель. На логичный вопрос для чего же тогда нужны вообще полимеры убиквитина, Чихановер дает следующий ответ: в некоторых случаях показано, что полиубиквитиновая метка несёт функцию «удлинителя», помогая коротким пептидам «дотянуться» до активного центра протеасомы. Только и всего! И хотя это пока спорные данные (они были доложены в прошлом месяце в Мадриде на конференции TNF2009 и скоро будут только опубликованы в научной прессе), излишней упорядоченности в теорию убиквитилирования они не вносят.

В этом потоке информации радует только одно: современная наука находится в постоянном поиске, не стесняясь попадать в логические тупики. Наверняка, убиквитин, в соответствии с названием, будет встречаться во всех областях молекулярной биологии и радовать нас новыми ребусами в будущем.

Петр Старокадомский
 
Источник: Живые системы
 

Новые материалы

Станьте экспертом компании Abercade
Разработка сайта - Astronim*
Разработка сайта
Astronim*