1. 概要: ユビキチンとは
2. ユビキチン - プロテアソーム系によるタンパク質分解
   • ユビキチンの結合
   • プロテアソームによる分解

概要: ユビキチンとは

ユビキチン ubiquitin は、一次構造が極めて保存された約 8.5 kD のタンパク質で、タンパク質分解の目印として機能する (1)。英語では [juːbikwitin] と発音する。

ユビキチンは、標的タンパク質のリジン Lys 残基に結合する。通常は複数のユビキチンが結合する (ポリユビキチン化) が、この場合はユビキチン自身の Lys48 および Lys63 が結合部位となる (3)。

ユビキチン - プロテアソーム系によるタンパク質分解

ユビキチン - プロテアソーム系によるタンパク質分解のおおまかなステップは、以下の通りである。

1. タンパク質のユビキチン化

分解されるタンパク質の Lys 残基に、ユビキチンの C 末端の Gly が ATP 依存的に共有結合 covalent bond で結合する (1)。この反応に関与する酵素は多数あるが、以下の 3 種類に分類される。

どのタンパク質をユビキチン化するのを決定するのは E3 である。E1 は数種類しかないが、E3 は非常に多くのメンバーを含むタンパク質ファミリーである (1)。

E1: ユビキチン活性化酵素 Ubiquitin-activating enzyme	ATP 依存的に、ユビキチンの C 末端のカルボキシル基 -COOH が、 E1 のシステイン残基がもつメルカプト基 -SH とチオエステル結合を形成する (1)。 これは、ATP を利用してユビキチンを高エネルギー状態にもっていく手法である。脂肪酸 を代謝する際に、脂肪酸を ATP 依存的に コエンザイム A と結合させることに似ている。
E2: Ubiquitin-conjugating enzyme	E1 と E3 を仲介。ユビキチンとはメルカプト基 R-SH で結合する (1)。
E3: ユビキチンリガーゼ Ubiquitin-ligase	ユビキチンと、標的タンパク質のリジン Lys の ε-アミノ基を結合させる。 リジンの構造は下図の通りであり、-COOH 基が結合している炭素が α 炭素である。そこから順に β, γ, δ, ε となり、ε 炭素にはアミノ基 -NH2 が結合している。 ハーパー生化学 30版 (Amazon link) では、紛らわしいことに E2 を ubiquitin ligase と呼び、E3 には ubiquitin transferase という名前を使っている。しかし、Google Scholar で検索してみると "E3 ubiquitin transferase" はわずか 20 ヒットなのに対し、"E3 ubiquitin ligase" は 63,000 件以上のヒットがある。transferase は極めてマイナーな呼称と考えて良さそうである。

> N-terminal rule がタンパク質の寿命 half-life に影響する (1)。

• たとえば N 末端のアミノ酸が Met, Ala, Cys, Gly などの場合、通常 half-life > 20 h である。
• N 末端が Arg, His, Ile, Leu, Lys などの場合、half-life は 2 - 30 min と短くなる。

> ガン を誘発するヒトパピローマウイルスは特殊な E3 をもつ (1)。

• Tumor suppressor p53 などをユビキチン化して、分解に回してしまう。
• p53 は分解され、細胞周期の異常がガンの原因となる。

2. Proteasome による分解

ユビキチン化されたタンパク質は、巨大タンパク質の複合体である プロテアソーム proteasome [prəutiəsəum] で分解される (1)。

26S プロテアソームは、20S catalytic unit と 19S regulatory unit の複合体である。図 (3) のように、全体として筒状の構造をもっている。

20S catalytic unit は図の赤い部分で、14 の同じサブユニットからできている。分子量は 700 kDa と非常に大きい (1)。

19S regulatory unit は、その上下に結合しており、ユビキチン化されたタンパク質のみを通過させる (1)。

ユビキチン自身は proteasome に分解されず、リサイクルされる。

References

1. Amazon link: ストライヤー生化学: 使っているのは英語の 6 版ですが、日本語の 7 版を紹介しています。参考書のページ にレビューがあります。
2. By FridoFoe - Cartoon rendering in UCSF Chimera, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=25073636
3. Amazon link: ハーパー生化学 30版.

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