图说 | 泛素连接酶的主要类型

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背景

泛素化是一种酶促的、蛋白质翻译后修饰（PTM）过程，在许多细胞过程中起重要作用，如蛋白酶体降解蛋白质，细胞周期进程，转录调控，DNA修复和信号转导过程。

来自被激活的泛素的二甘氨酸模体中末端甘氨酸的羧基与被修饰蛋白中赖氨酸ε氨基共价连接，或在较少见的情况下与蛋白质的N末端共价连接，形成异构肽键。

泛素化过程

泛素化过程需要三种酶的依次发生作用。

1. 活化：泛素激活酶（E1）催化泛素激活，ATP提供能量，泛素羧基端和E1中半胱氨酸的巯基端形成硫酯键。

1. 结合：E1将活化后的泛素转移到泛素结合酶（E2）的半胱氨酸的巯基上。

2. 连接：泛素连接酶（E3）催化泛素级联反应的最后一步，将结合到 E2 的泛素转移到目标蛋白上，使目标蛋白的一个赖氨酸与泛素的羧基端的一个甘氨酸通过异构肽键连接。

3. 重复上述过程，直到蛋白上连接的多个泛素形成一条泛素链。

泛素连接酶（E3）是泛素化途径中最关键、最具异质性的一类酶（人类中有600多个E3），因为它们可以特异性识别靶蛋白。目前，E3可根据特征结构域的存在和泛素转移至底物蛋白的机制分为3种主要类型。

❖RING E3s

RING E3是泛素连接酶最丰富的类型。

➢特征结构

1. RING(Really Interesting New Gene) 结构域，一个锌结合结构域，大小约为70个氨基酸的结构域，具有特定的半胱氨酸和组氨酸，这些半胱氨酸和组氨酸在空间上和两个锌离子结合，形成典型的球状结构。

2. U-box结构域，采用相同的RING折叠，但不含锌。

3. RING结构域和U-box结构域结合带泛素的E2并催化泛素转移。

➢RING E3s的分类

1. 单亚基蛋白质

RING结构域家族

1. 单体RING(Monomeric RING)，如c-CBL

2. 同二聚体RING(Homodimeric RING)，如cIAP, RNF4, BIRC7, IDOL, TRIM5α

3. 异二聚体RING(Heterodimeric RING)，如BRCA1–BARD1, Mdm2–MdmX, RING1B–Bmi1

U-box结构域家族

1. 单体U-box（Monomeric U-box），如E4B

2. 同二聚体U-box（Homodimeric U-box），如CHIP, Prp19

・RING E3将泛素分子直接从E2泛素复合物中转移到底物蛋白质之上，而不与泛素分子发生结合。

・RING结构域家族的E3能以单体、同二聚体或异二聚体的形式发挥作用。同二聚体形式的E3通常可以结合两个E2（每个单体一个），而异二聚体形式不行。

・类似地，U-box结构域家族的E3能以单体或同二聚体形式发挥作用。

2. 多亚基复合物

1. cullin-RING连接酶(Cullin-RING ligases, CRL)

   CRL是一类高度多样化的泛素连接酶。它们组装在cullin支架上，在其N末端结合RING-box蛋白(Rbx)，并在其C末端结合衔接子蛋白和底物受体（SR，负责特异性识别底物）。

2. 其他多亚基E3(Other multisubunit E3s)

   促后期复合物/环体（APC / C），它是具有19个亚基的大型组件，其中包括RING亚基（Apc11）和cullin-like亚基（Apc2）。在活性亚基Cdc20，Cdh1或AMA1（具有WD40结构域）的作用下，能特异性识别和结合底物上的D-box或KEN-box，实现对底物的蛋白酶体降解。

➢调节作用

RING E3可以通过不同的方式参与调节作用，包括Neddylation（如CRL），磷酸化（如c-CBL，APC，Mdm2）以及与小分子的相互作用（如TRAF-2 : 鞘氨醇-1-磷酸）。

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❖HECT E3s

HECT（homologous to the E6AP carboxyl terminus，与E6AP羧基末端同源）结构域家族的E3连接酶通过两步反应催化泛素转移至底物蛋白：泛素与E3酶 HECT 结构域中保守的半胱氨酸残基通过硫酯键而形成E3-泛素复合物，然后从E3转移至底物。

➢特征结构

保守的HECT结构域位于蛋白质的C末端，并具有双叶结构的特征：N末端叶与泛素带有电荷的E2相互作用，而C末端叶含有催化的半胱氨酸；这两个裂片由柔性铰链束缚，该铰链允许在泛素转移过程中改变裂片的相对方向。

➢HECT E3s家族

虽然C末端的HECT结构域参与催化，但底物特异性由连接酶的N末端部分决定。根据人类HECT的N端延伸，可将其分为三个亚家族：

1. Nedd4家族，其中包含色氨酸-色氨酸（WW）基序；

2. HERC（HECT和RCC1样结构域）家族，具有一个或多个染色体浓缩1（RCC1）样结构域（RLD）的调节子；

3. 包含各种结构域的其他HECT，如E6AP。

➢调节作用

HECT E3的催化活性通常受到分子内相互作用的调节，该相互作用使蛋白质保持自抑制状态，并根据各种信号释放出来。

通过以下分子内相互作用方式实现自抑制作用：磷酸化作用（例如Itch），糖基化作用（例如Smurf1），蛋白质相互作用（例如Smurf1，Smurf2）。

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❖RBR E3s

与HECT E3s类似，RBR（RING-betweenRING-RING）E3s通过两步反应催化泛素转移，其中泛素首先转移到E3上的催化半胱氨酸，然后转移到底物蛋白上。

➢特征结构

1. RBR名称源于两个RING结构域（RING1和RING2）的存在，这两个结构域由RING间的结构域（in-between-RING domain，IBR）分隔。

1. RING1募集结合泛素的E2，而RING2结构域包含一个起催化作用的半胱氨酸，它不符合规范的RING E3结构，被称为催化必需（required-for-catalysis，Rcat ）域。

1. IBR结构域有与RING2（或Rcat）结构域相同的折叠方式，但缺少催化的半胱氨酸残基。因此，它也被称为良性催化（benign-catalytic，BRcat ）域。

➢调节作用

RBR E3连接酶的每个成员包含其它特定的结构域，如Parkin还包含RING0和Ubl结构域。多个结构域参与分子内相互作用，使蛋白质保持自抑制状态。

自抑制是通过多种机制实现的，通过分子内相互作用实现的自抑制作用包括：磷酸化/磷酸泛素相互作用（Parkin），结合neddylated CRL（例如HHARI），蛋白质相互作用（例如HOIP）。

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