U jeku istraživanja biosinteze proteina, u drugoj polovini XX veka, istraživačke grupe, jedna na Technion – Izraelskom Institutu Tehnologije pod vođstvom Aron Ciechanover-a i Avram Hershko-a, a druga na University of California Irvine pod rukovodstvom Irwin Rose-a, izučavali su fenomen degradacije proteina. Pokazali su da je proces degradacije strogo kontrolisan i koordinisan specifičnim proteinom – ubikvitinom. Za otkriće ubikvitina i prvi opis mehanizma degradacije proteina posredovanog ubikvitinom, ova tri izuzetna naučnika su 2004. podelili Nobelovu nagradu iz hemije.¹
Premda je autor gore upotrebio jedninu oslovljavajući ovaj protein, danas se radije govori o ubikvitinu sličnim proteinima, time označavajući čitav spektar proteina različite sekvence, ali slične sheme uvijanja i slične funkcije.² Sam ubikvitin predstavlja visoko konzervirani eukariotski protein: sekvenca ubikvitina pivskog kvasca i čoveka se razlikuje u svega tri aminokiseline od ukupnih 76 (slika 1).³ Pretpostavlja se da funkcionalni analozi ubikvitina u prokariotama postoje, ali se do sada nisu identifikovali.³ Međutim, pronađeni su strukturni analozi sa nešto drugačijom funkcijom (na primer, ThiS i MoaD su bakterijski proteini čija je funkcija insercija atoma sumpora u organske kofaktore tiamin i molibdopterin).^2,4

Slika 1. Struktura ubikvitina

 

Mehanizam dejstva
Osnovni mehanizam delovanja ubkvitina je opisan: kovalentno vezivanje modifikovanog ubikvitina za amino kraj ciljnog proteina, na regulisan i selektivan način koji određuje dalji tok i lokalizaciju degradacije.
Inicijalni korak uključuje aktivaciju C-terminalnog kraja ubikvitina (i ubikvitinu sličnih proteina) E1 enzimom. Formiranje ubikvitin-adenilat intermedijera praćeno je reakcijom ovog intermedijera sa cisteinom sa E1 enzima čime se formira E1-Ubikvitin tioestar. Glavni aminokiselinski ostaci u adenilatnom kompleksu, koji uključuju aspartat koji stabiliše ATP-om koordinisan magnezijumov jon i još tri aminokiseline koje elektrostatički stabilišu nastali pirofosfat, su konzervirani među svim članovima ubikvitinu sličnih proteina. Ovde se mogu naglasiti još i dva arginina (R72 i R74) koji omogućavaju prepoznavanje ubikvitina od strane E1 proteina.^5,6
Sledeći korak u konjugaciji ubikvitina sa targetnim proteinom uključuje transfer ubikvitin-adenilat intermedijera sa bočnog ostatka cisteina E1 enzima, na bočni ostatak cisteina E2 enzima. E2 postoji u velikom broju izoformi. Postavlja se pitanje svrhe postojanja ovog koraka, tj. zašto se ubikvitin ne prebaci odmah na enzim E3. Pre svega, postojanje E2 enzima daje dodatnu mogućnost regulacije procesa ubikvitinacije. Pored toga, veliki broj E2 i E3 enzimskih formi omogućava modulaciju specifičnosti ubikvitinacije u zavisnosti od toga koji ciljni protein treba da se kovalentno veže za ubikvitin.⁶
Najmarkantnija odlika procesa ubikvitinacije jeste raznovrsnost supstrata koje vezuje. Ova karakteristika je posledica velikog broja enzimskih formi ubikvitinske ligaze – E3 enzima. Bioinformatički razvoj omogućio je klasifikaciju E3 enzima na osnovu sekvence u tri familije: 1. HECT (Homologous to E6AP Carboxy Terminus), 2. RING (Really Interesting New Gene) i 3. UFD2 (Homology U-box proteins). E3 izoforma specifično vezuje i E2-ubikvitin kompleks i ciljani protein. E3 omogućava transfer ubikvitina iz E2-ubikvitin kompleksa na lizinski ostatak ciljnog proteina. Pri tome nastaje izopeptidna veza između glicina sa C-kraja ubikvitina i lizina ciljnog proteina.^3,5,6,7
Nakon vezivanja jednog molekula ubikvitina za ciljani protein proces se ne zaustavlja. Dolazi do poliubikvitinacije, a naredni molekuli ubikvitina se dodaju na lizinksi ostatak (K48) već dodatog ubikvitinskog molekula. Veličina i oblik lanca određuju sudbinu proteina obeleženog poliubikvitinom.^3,5,6
Nakon ubikvitinacije ciljni protein biva degradiran od strane lizozima, a ubikvitinski molekul(i) bivaju uklonjenji specfičnim enzimima deubikvitinacije (Dub enzimi).^5,6
Premda je osnovni mehanizam opisan, ono što nedostaje i na čemu se intenzivno radi jesu načini regulacije i katalize gore opisanih reakcija. Strukturna itraživanja motiva i domena odgovornih za specifično prepoznavanje ubikvitina, kao i načini komunikacije različitih ubikvitinskih domena su fudamentalni procesi čije objašnjenje priželjkujemo.

Slika 2: Shematski prikaz procesa ubikvitinacije (objašnjenja videti u tekstu)¹

 

Konačno, neopodno je skrenuti pažnju da je ubikvitin moderator u procesu razgradnje i recikliranja proteina, usmeravajući ciljni protein daljem razlaganju. Sa druge strane, članovi familije ubikvitin sličnih proteina imaju najrazličitije uloge poput DNA popravke, omogućavanja ćelijske polarnosti, TOR (target-of-rapamycine) signalnom putu, i drugim.³

 

 

 

Reference:

1. Kresge, N., Simoni, R.D., Hill, R.L., The Discovery of Ubiquitin-mediated Proteolysis by Aaron Ciechanover, Avram Hershko, and Irwin Rose, The Journal of Biological Chemistry, 2006, 40 (281): e32;

2. Hochstrasser, M., Evolution and function of ubiquitin-like protein conjugation systems, Nat. Cell Biol.,2000, 2: e153– e157.

3. Pickart, C.M., Eddins, M. J., Ubiquitin: structures, functions, mechanism, Biochimica et Biophysica Acta, 2004, 1695: 55 – 72;

4. Lake, M.W., Wuebens, M.M., Rajagopalan, K.V., Schindlein, H., Mechanism of ubiquitin activation revealed by the structure of bacterial MoeB–MoeD complex, Nature 2001, 414: 325–329.

5. Pickart, C.M., Mechanisms underlying ubiquitination, Annu. Rev. Biochem., 2001, 70: 503–533.

6. Huang, D.T., Walden, H., Duda, D., Schulman, B.A., Ubiquitin-like protein activation, Oncogene, 2004, 23: 1958–1971.

7. Pickart, C.M., Back to the future with ubiquitin, Cell, 2004, 116:181– 190.

________________________________
¹Shema dostupna na sajtu Nature Review in Genetics:
http://www.nature.com/nrg/journal/v4/n12/box/nrg1228_BX1.html