ubikwityna(2).pdf

co nowego w biologii?

N agroda N obla

za destrukcj´

Nagrod´ Nobla w dziedzinie chemii w 2004 roku otrzyma∏o trzech

uczonych: Izraelczycy Aaron Ciechanover i Avram Hershko oraz Amerykanin

Irwin Rose. Szwedzka Królewska Akademia Nauk uzasadni∏a przyznanie tej

nagrody za „odkrycie zale˝nej od ubikwityny degradacji bia∏ek”.

KRZYSZTOF STARO¡

Te dwa przyk∏ady pokazujà, ˝e komórki muszà

posiadaç system rozpoznajàcy i niszczàcy nie-

potrzebne i niebezpieczne bia∏ka. Taki system

zosta∏ odkryty przez Ciechanovera, Hershko

i Rose’a. Sk∏ada si´ on z trzech elementów:

proteasomów, które niszczà bia∏ka; ubikwity-

ny, która zaznacza te przeznaczone do degra-

dacji i uk∏adu bia∏ek, który kontroluje oraz

rozpoznaje bia∏ka wymagajàce zniszczenia.

znajdowa∏a miejsca wÊród g∏ównych

tematów badaƒ naukowców zajmu-

jàcych si´ tymi zwiàzkami. Ich uwaga kon-

centrowa∏a si´ raczej na syntezie bia∏ek,

przede wszystkim na mechanizmach odpo-

wiedzialnych za selektywnà ekspresj´ genów.

Jednak oba procesy: synteza i degradacja

bia∏ek stanowià w istocie dwa elementy tego

samego problemu – koniecznoÊci zapewnie-

nia obecnoÊci w komórce tylko tych bia∏ek,

które sà konieczne, i tylko w takich st´˝e-

niach, jakie sà wymagane w danym momen-

cie. Pozosta∏e bia∏ka sà niepotrzebne, a cza-

sem niebezpieczne.

Przyk∏adem niepotrzebnego bia∏ka jest

cyklina B, niezb´dna do przejÊcia komórki

przez mitoz´, ale ca∏kowicie nieprzydatna po

zakoƒczeniu pracy. Dlatego jest wa˝ne, aby

cyklina znalaz∏a si´ w komórce przed rozpo-

cz´ciem mitozy, jednak trzeba jà tak˝e szyb-

ko usunàç zaraz po zakoƒczeniu tego proce-

su. Dla komórki niebezpieczne sà êle

sfa∏dowane bia∏ka. Nie jest to tylko problem

zaÊmiecania komórki; êle sfa∏dowane bia∏ka

agregujà i mogà doprowadziç do jej Êmierci.

Proteasomy sà du˝ymi strukturami, roz-

mieszczonymi w cytosolu i jàdrze komórko-

wym. Ka˝dy proteasom jest zbudowany z po-

∏àczonych ze sobà dwóch bary∏kowatych

tworów i sk∏ada si´ sumarycznie z kilkudzie-

si´ciu bia∏ek. Wn´trze proteasomu tworzy

centralny kana∏, otoczony przez enzymy pro-

teolityczne. ¸aƒcuch polipeptydowy przezna-

czony do degradacji zostaje wprowadzony do

wn´trza kana∏u, gdzie enzymy proteolityczne

tnà go na krótkie, kilkuaminokwasowe frag-

menty. Bia∏ka proteasomu, otaczajàce oba

wejÊcia do kana∏u i tworzàce z obu stron tzw.

czapeczki, rozpoznajà bia∏ka komórkowe,

które majà zostaç zniszczone. Sprawne dzia-

∏anie tego systemu destrukcji ma dla komór-

ki kluczowe znaczenie. Âwiadczy o tym fakt,

˝e ogromna wi´kszoÊç mutacji inaktywujà-

cych bia∏ka tworzàce proteasom jest letalna.

biologia w szkole

D egradacja bia∏ek przez wiele lat nie

co nowego w biologii?

Ubikwityna jest molekularnym znakiem ,

niosàcym informacj´ o koniecznoÊci znisz-

czenia bia∏ka, do którego zosta∏a do∏àczona.

Do∏àczenie ubikwityny nazywane jest czasem

obrazowo „poca∏unkiem Êmierci”. Ubikwity-

na jest niewielkim bia∏kiem, zbudowanym

z 76 aminokwasów. Po∏àczenie ubikwityny

z zaznaczanym bia∏kiem jest bardzo nietypo-

we. Nie wià˝e si´ ona bowiem, jak mo˝na by-

∏oby przypuszczaç, ani do wolnej grupy kar-

boksylowej, ani do wolnej grupy aminowej

g∏ównego ∏aƒcucha polipeptydowego. Ubi-

kwityna jest przy∏àczana swoim koƒcem kar-

boksylowym do grupy aminowej wyst´pujà-

cej w ugrupowaniu bocznym lizyny, tworzàc

w tym miejscu rozga∏´zienie ∏aƒ-

cucha polipeptydowego.

Do∏àczenie jednej czàsteczki

ubikwityny do czàsteczki innego

bia∏ka nie oznacza jeszcze, ˝e czà-

steczka ta zostanie rozpoznana

przez proteasom i zniszczona.

Jedna czàsteczka ubikwityny do-

∏àczana jest cz´sto tylko dlatego,

by zmieniç w∏aÊciwoÊci modyfi-

kowanego bia∏ka. Tak dzieje si´

np. w wypadku jednego z histonów, H2A, któ-

ry po do∏àczeniu ubikwityny wcale nie ulega

zniszczeniu. Naznaczenie do degradacji wy-

maga do∏àczenia kilku czàsteczek ubikwityny.

Dopiero tak zmieniona czàsteczka bia∏ka jest

rozpoznawana przez czapeczk´ proteasomu,

kierowana do jego wn´trza i trawiona. Sama

ubikwityna nie jest degradowana, lecz podle-

ga recyklingowi. Przeprowadzone w ostatnich

kilku latach badania wykaza∏y, ˝e w czapeczce

proteasomu znajduje si´ metaloproteaza, któ-

ra odcina ubikwityn´ od bia∏ka i pozwala na

jej ponowne wykorzystanie.

dzia∏a∏a wewnàtrz komórki, w krótkim czasie

zniszczy∏aby wszystkie znajdujàce si´ w niej

bia∏ka. Istotà systemu opartego na ubikwity-

nie jest staranne wybieranie bia∏ek przezna-

czonych do zniszczenia i naznaczanie ich

w taki sposób, aby mog∏y byç rozpoznane

wÊród wielu innych.

Do zniszczenia naznaczane sà przede

wszystkim dwie grupy bia∏ek. Pierwsza, to

bia∏ka krótko ˝yjàce, takie jak wspomniana

na poczàtku cyklina. System rozpoznaje je

dzi´ki tzw. kasetom destrukcyjnym, czyli

krótkim, kilkuaminokwasowym sekwencjom

obecnym w ich ∏aƒcuchach polipeptydowych.

Jednà z takich sekwencji jest PEST, czyli –

w jednoliterowym zapisie aminokwasów –

sekwencja prolina-kwas gluta-

minowy-seryna-treonina.

Drugà grupà sà bia∏ka wa-

dliwie sfa∏dowane. W bia∏kach,

które fa∏dujà prawid∏owo, wi´k-

szoÊç aminokwasów hydrofobo-

wych znajduje si´ wewnàtrz czà-

steczki, natomiast w bia∏kach

sfa∏dowanych wadliwie wiele

reszt hydrofobowych ulega eks-

pozycji na powierzchni bia∏ka.

Dzi´ki temu zostajà rozpoznane i naznaczo-

ne ubikwitynà.

W swoistym rozpoznaniu niepotrzebnych

lub niebezpiecznych bia∏ek bierze udzia∏ ko-

mórkowy system kontroli jakoÊci bia∏ek. Je-

go istotnymi elementami sà trzy enzymy ka-

talizujàce do∏àczenie czàsteczki ubikwityny

do bia∏ka przeznaczonego do zniszczenia.

Jest to doÊç z∏o˝ony proces, wykorzystujàcy

energi´ pochodzàcà z rozk∏adu czàsteczki

ATP. Choç do∏àczenie czàsteczki ubikwityny

fizycznie wymaga tylko jednej czàsteczki

ATP, zu˝ywane sà jej oba wiàzania wysoko-

energetyczne, co prowadzi do powstania

AMP. Zaktywowana w ten sposób ubikwity-

na zostaje przejÊciowo po∏àczona z jednym

enzymem, potem przeniesiona na drugi en-

zym, wreszcie – przy udziale trzeciego enzy-

mu – na docelowe bia∏ko. Badajàc ten proces

na poczàtku lat osiemdziesiàtych Ciechano-

ver, Hershko i Rose nazwali roboczo trzy

Degradacja bia∏ek zale˝na od ubikwityny

jest swoista . Wszystkie organizmy dysponu-

jà sposobami szybkiej degradacji bia∏ek, któ-

re sà o wiele prostsze ni˝ system ubikwityna-

-proteasomy. Nale˝à do nich enzymy

proteolityczne wydzielane do Êwiat∏a jelita,

np. trypsyna, które trawià bia∏ka zawarte

w pokarmie. Jednak taka degradacja bia∏ek

jest ca∏kowicie nieswoista. Gdyby trypsyna

1/2005

co nowego w biologii?

wykryte aktywnoÊci enzymatyczne katalizujà-

ce do∏àczenie ubikwityny: E1, E2 i E3. Te ro-

bocze oznaczenia sà do dziÊ dnia wykorzysty-

wane jako nazwy w wi´kszoÊci podr´czników.

System selekcji bia∏ek do degradacji jest

skuteczny i szybki. Bardzo dobrze ilustruje to

przeprowadzone prawie çwierç wieku temu

doÊwiadczenie z nieprawid∏owà hemoglobi-

nà. Prawid∏owa hemoglobina jest bardzo sta-

bilnym bia∏kiem, prze˝ywajàcym tyle, co

czerwone krwinki, czyli oko∏o 110 dni. JeÊli

jednak do hemoglobiny wprowadzi si´ muta-

cj´ uniemo˝liwiajàcà jej wytworzenie prawi-

d∏owej struktury przestrzennej, jej czas ˝ycia

skraca si´ do kilkunastu minut!

wi∏o kolejny prze∏om. Struktura tego bia∏ka

jest silnie konserwatywna u wszystkich orga-

nizmów. Z tego wzgl´du w momencie identy-

fikacji ubikwityny trójka uczonych by∏a ju˝

pewna, ˝e bada uniwersalny proces o du˝ym

znaczeniu dla funkcjonowania komórek.

Dalsze badania w pe∏ni to potwierdzi∏y.

Znaczenie odkrycia noblistów jest ogrom-

ne. Dotyczy to przede wszystkim logiki zja-

wisk zachodzàcych w komórce. Zafascyno-

wani precyzjà procesów molekularnych

rzadko zadajemy sobie pytanie, czy opisane

w podr´cznikach standardy sà w rzeczywisto-

Êci dotrzymywane w komórce. W niektórych

wypadkach, np. podczas replikacji, wiernoÊç

kopiowania informacji jest istotnie imponu-

jàca. Jednak w innych, a dotyczy to tak˝e fa∏-

dowania bia∏ek, jest zupe∏nie inaczej.

Jak szacuje si´ obecnie, a˝ oko∏o 30% ∏aƒ-

cuchów polipeptydowych schodzàcych z rybo-

somu fa∏duje nieprawid∏owo. Prowadzi to do

powstania bia∏ek, które nie mogà pe∏niç swoich

funkcji lub te˝ pe∏nià je wadliwie. Zadaniem

nie do przecenienia dla systemu odkrytego

przez zesz∏orocznych noblistów jest eliminacja

tych nieprawid∏owo sfa∏dowanych bia∏ek, aby

nie mog∏y zak∏ócaç funkcjonowania komórki.

Nieprawid∏owe fa∏dowanie nie jest jedy-

nym êród∏em wadliwych bia∏ek w komórce.

Zwiàzki te cz´sto nie majà odpowiedniej ilo-

Êci kofaktorów, które stanowià ich sk∏adniki,

lub te˝ – w wypadku bia∏ek zbudowanych

z kilku podjednostek – odpowiedniej propor-

cji podjednostek, zapewniajàcej powstanie

prawid∏owego bia∏ka. Innym problem sà

uszkodzenia prawid∏owo sfa∏dowanych i z∏o-

˝onych bia∏ek komórkowych przez czynniki

Êrodowiskowe.

Takich groênych dla bia∏ek czynników jest wiele:

stosunkowo wysoka temperatura panujà-

ca w komórce (np. 37°C);

liczne reaktywne zwiàzki drobnoczàstecz-

kowe (utleniacze, cukry, czynniki deami-

nujàce);

enzymy wprowadzajàce modyfikacje (np.

proteazy komórkowe);

stosunkowo wysoka si∏a jonowa, u∏atwiajà-

ca rozdysocjowanie podjednostek w bia∏-

Mechanizm degradacji bia∏ek poznawano

stopniowo. Jak czasem bywa w nauce, poczàt-

kowe badania zosta∏y skierowane w zupe∏nie

niew∏aÊciwym kierunku. Ich punktem wyjÊcia

by∏a obserwacja, ˝e degradacja niektórych

bia∏ek wymaga dostarczenia energii z rozk∏a-

du ATP. W pierwszym etapie badaƒ Ciecha-

nover, Hershko i Rose przypuszczali, ˝e majà

do czynienia z nowym enzymem proteolitycz-

nym, zale˝nym od ATP. By∏o to niezwyk∏e,

gdy˝ wszystkie znane do tej pory enzymy roz-

k∏ada∏y bia∏ka bez udzia∏u energii z ATP.

Prze∏om nastàpi∏ w momencie, gdy okaza-

∏o si´, ˝e ATP nie jest potrzebne do niszczenia

bia∏ek, lecz do kowalencyjnego do∏àczania do

nich jakiegoÊ innego bia∏ka, które rozpoznano

póêniej jako ubikwityn´. Wyniki te wskazywa-

∏y, ˝e przedmiotem badania nie jest nowy en-

zym proteolityczny o niezwyk∏ych w∏aÊciwo-

Êciach, lecz zupe∏nie nieznany do tej pory

mechanizm naznaczania bia∏ek do degradacji.

Rozpoznanie ubikwityny wÊród bia∏ek

bioràcych udzia∏ w badanym procesie stano-

Istotà systemu opartego

na ubikwitynie jest staranne

wybieranie bia∏ek przeznaczonych

do zniszczenia i naznaczanie ich

w taki sposób, aby mog∏y byç

rozpoznane wÊród wielu innych.

biologia w szkole

co nowego w biologii?

kach zbudowanych z wielu ∏aƒcuchów po-

lipeptydowych;

kw. t∏uszczowe dzia∏ajàce jak detergenty;

inne êle sfa∏dowane bia∏ka, które prowa-

dzà do powstawania nieswoistych agrega-

tów.

Wszystkie defekty, b´dàce skutkiem dzia-

∏ania tych czynników, muszà zostaç wyelimi-

nowane z komórki przez system ubikwityna-

-proteasomy.

Oko∏o 30% ∏aƒcuchów

polipeptydowych schodzàcych

z rybosomu fa∏duje nieprawid∏owo.

Prowadzi to do powstania bia∏ek,

które nie mogà pe∏niç swoich

funkcji lub te˝ pe∏nià je wadliwie.

Wiele chorób jest skutkiem nieprawid∏owego

funkcjonowania systemu degradacji bia∏ek.

Jednym z bia∏ek, którego poziom jest pre-

cyzyjnie regulowany przez system ubikwity-

na-proteosomy, jest bia∏ko p53. Nazywane

jest ono czasem „stra˝nikiem genomu”. Gdy

wzrasta liczba uszkodzeƒ DNA, poziom p53

podnosi si´ i powoduje zatrzymanie cyklu

komórkowego, aby systemy naprawcze mia∏y

czas usunàç uszkodzenia, lub te˝, jeÊli uszko-

dzeƒ jest zbyt du˝o, kieruje komórk´ na dro-

g´ apoptozy. Jest to jedno z wa˝niejszych

bia∏ek naszych komórek. Mutacje w p53, po-

wodujàce brak poprawnie funkcjonujàcego

bia∏ka, spotyka si´ w oko∏o po∏owie wszyst-

kich nowotworów.

Wirus brodawczaka ( papilloma ), którym

infekcja jest powiàzana z wyst´powaniem

u cz∏owieka niektórych nowotworów, uru-

chamia w zara˝onej komórce niefizjologicz-

ny mechanizm do∏àczania ubikwityny do

p53, dzi´ki czemu bia∏ko to jest degradowa-

ne w proteasomach. Przy obni˝onym pozio-

mie p53 uszkodzenia DNA nie sà naprawia-

ne, a komórki z powa˝nymi defektami

w genomie nie sà kierowane na drog´ apop-

tozy. W rezultacie gromadzà si´ mutacje,

które ostatecznie prowadzà do przekszta∏ce-

nia zainfekowanych komórek w komórki no-

wotworowe.

Mukowiscydoza jest powa˝nà chorobà,

której objawem jest zaleganie Êluzu w p∏u-

cach, a przyczynà wadliwe funkcjonowanie

kana∏ów chlorkowych w b∏onie komórkowej.

Na poziomie molekularnym mukowiscydoz´

powoduje mutacja w bia∏ku CFTR, tworzà-

cym kana∏y chlorkowe. Jednak mutacja nie

zak∏óca funkcji tego bia∏ka, powoduje

natomiast, ˝e bia∏ko to fa∏duje w sposób nie-

prawid∏owy. Rygorystyczny system kontroli

fa∏dowania rozpoznaje to bia∏ko jako wadli-

we, naznacza je ubikwitynà i kieruje w ten

sposób do degradacji w proteasomach. Bez-

poÊrednià przyczynà mukowiscydozy jest

brak bia∏ka CFTR.

Nowotwory powodowane przez infekcj´

wirusem brodawczaka oraz mukowiscydoza

wynikajà ze szkodliwej dla komórki, niepo-

trzebnej degradacji bia∏ek p53 lub CFTR. In-

ne choroby majà swojà przyczyn´ w dok∏ad-

nie przeciwstawnym procesie: w braku

skutecznej degradacji êle sfa∏dowanych bia-

∏ek. Takie bia∏ka agregujà ze sobà, tworzàc

z∏ogi niszczàce komórki. Agregacja bia∏ek

w komórkach uk∏adu nerwowego prowadzi

m. in. do choroby Creutzfeldta-Jacoba i cho-

roby Alzheimera.

Odkrycia Ciechanovera, Hershko i Rose’a

otwierajà nowe mo˝liwoÊci poszukiwania le-

ków ∏agodzàcych skutki ka˝dej z opisanych

chorób, a ukierunkowanych na obni˝enie lub

zwi´kszenie skutecznoÊci dzia∏ania systemu

degradacji bia∏ek. Jest to bardzo dobry przy-

k∏ad na to, ˝e badania podstawowe, których

pierwotnym celem nie by∏a ˝adna aplikacja,

zwykle procentujà w dziedzinie praktycznych

zastosowaƒ.

prof. dr hab. KRZYSZTOF STARO¡

kieruje Zak∏adem Biologii Molekularnej

na Wydziale Biologii Uniwersytetu

Warszawskiego. Jest autorem podr´czników

szkolnych i akademickich oraz ksià˝ek

popularnonaukowych

1/2005

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: