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Science:在红细胞终末分化期间,UBE2O重建它的蛋白质组

来源:本站原创 2017-08-08 21:28


图片来自Science, doi:10.1126/science.aan0218

2017年8月8日/生物谷BIOON/---网织红细胞(reticulocyte)-红细胞转换是终末分化(terminal differentiation)的一个经典例子。成熟的红细胞具有已知最为简单的细胞蛋白质组之一,其中血红蛋白显著聚集,大约占可溶性蛋白的98%。在网织红细胞成熟期间,这种细胞程序性地清除它的大多数非特有的组分,与此同时大量地合成细胞类型特异性的蛋白(如血红蛋白),从而重建它的蛋白质组。这种促进终末分化细胞中的可溶性的和正常条件下保持稳定的蛋白快速周转的机制在很大程度上仍是未知的。

泛素-蛋白酶体系统(ubiquitin-proteasome system, UPS)在网织红细胞中发现到,在那里,它是高度有活性的。然而,它在这种发育环境中的功能未被确定。UBE2O是一种泛素偶联酶(E2),它与珠蛋白一起被诱导表达,而且在这种网织红细胞后期更高水平地表达。

在一项新的研究中,来自美国哈佛医学院、波士顿儿童医院、圣犹大儿童研究医院和加拿大彼得-吉尔根研究与学习中心病童医院的研究人员鉴定出一种发生Ube2o无效突变的贫血小鼠品系,并且利用多重定量蛋白质组学技术以一种无偏差的和全局的方式鉴定UBE2O的候选底物。他们发现突变的网织红细胞和野生型的网织红细胞的蛋白组成存在着显著的差异,这提示着UBE2O依赖性的泛素化可能靶向它的底物以便被蛋白酶体降解,从而引起蛋白质组重建。

为了测试UBE2O是否足以引起蛋白质组重建,这些研究人员对一种非红系细胞系(non-erythroid cell line)进行基因改造,从而诱导这些细胞表达UBE2O到它的基准水平之上。一经诱导,他们就观察到这些细胞中的上百种蛋白水平下降,而且在很多情形下,这些水平下降的蛋白与网织红细胞中消除的那些蛋白相同。过度表达UBE2O的一种活性位点突变体并不会产生这种影响。因此,导致这种分化相关的蛋白质组重建的一种特异性的主要组分似乎就是UBE2O本身。这些结果也表明UBE2O作为一种具有E2和E3(即泛素连接酶)活性的杂合酶发挥功能。在缺乏其他的特异性因子的帮助下,纯化的UBE2O让通过蛋白组学技术鉴定出的候选底物泛素化,这足以支持这种说法。

发生Ube2o突变的网织红细胞的最为突出的表型是小细胞低色素性贫血(microcytic hypochromic anemia)和核糖体清除存在缺陷,后者在网织红细胞成熟中发挥着关键作用。当这些研究人员将重组UBE2O蛋白加入到发生Ube2o无效突变的网织红细胞裂解物中时,泛素主要与核糖体蛋白偶联在一起。再者,免疫印迹分析和定量蛋白质组学技术揭示出多种核糖体蛋白在发生突变的网织红细胞中的水平提高了。蔗糖密度梯度分析表明当发生突变的网织红细胞在体内发生分化时,不仅核糖体蛋白,而且核糖体本身都持续存在。相应地,一旦在非红系细胞中诱导UBE2O表达,核糖体就被清除。对来自网织红细胞的细胞器(如线粒体)的清除在发生Ube2o突变的网织红细胞中不受影响,这表明它特异性地影响编程的蛋白周转。

纯化的UBE2O可让游离的核糖体蛋白泛素化,这提示着这些蛋白是酶UBE2O的真正底物。然而,UBE2O的底物在自然界中是多样化的,并不限于核糖体蛋白。UBE2O的结构域以显著不同的特异性结合到底物上。因此,UBE2O的广谱特异性反映了这种酶存在多个底物识别结构域。

蛋白酶体抑制剂会阻止网织红细胞中的UBE2O依赖性的底物降解,不过UBE2O没有多聚泛素链(polyubiquitin chain)。相反,UBE2O将单个泛素基团添加到底物的多个位点上。在体外,蛋白酶体抑制剂处理导致很多氨基酸耗竭,这一结构提示着泛素化的底物通过网织红细胞蛋白酶体足以提供mRNA后期表达所需的氨基酸。在红细胞生成后期,几种泛素偶联酶和泛素连接酶与Ube2o 诱导表达,与此同时UPS的大多数组分消失了。这些研究人员提出UPS在红细胞成熟期间不仅会增加,而且经过广泛的重新配置,从而促进它的蛋白质组重建。

总之,一种高度特化的UPS在网织红细胞中表达,而且被用来在全局水平上重建这些细胞的蛋白质组。UBE2O是一种E2-E3杂合酶,作为一种主要的特异性因子在这个过程中发挥功能,而且可能也在其他的分化细胞中(比如在晶状体中)发挥功能:诱导泛素化因子(ubiquitinating factor)表达可能促进细胞的蛋白质组化繁为简。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Anthony T. Nguyen, Miguel A. Prado, Paul J. Schmidt et al. UBE2O remodels the proteome during terminal erythroid differentiation. Science, 04 Aug 2017, 357(6350):eaan0218, doi:10.1126/science.aan0218

Randolph Y. Hampton, Catherine Dargemont. New developments for protein quality control. Science, 04 Aug 2017, 357(6350):450-451, doi:10.1126/science.aao1896

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