Ubiquitin là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và cấu trúc

Ubiquitin là một protein nhỏ với 76 amino acid và khối lượng phân tử khoảng 8,5 kDa, được tìm thấy phổ biến trong tất cả tế bào nhân chuẩn. Tính bảo tồn cao của ubiquitin thể hiện qua sự gần như giống hệt về trình tự amino acid giữa các loài, từ nấm men đến người, cho thấy vai trò thiết yếu của nó trong sinh học tế bào.

Cấu trúc ba chiều của ubiquitin là dạng β-grasp fold, gồm năm chuỗi β ghép thành tấm β và một α-helix ngắn, liên kết chặt chẽ với nhau qua cầu nối hydrogen và tương tác kỵ nước nội tại. Đầu C-terminal chứa motif Gly–Gly tự do, cần thiết để hình thành liên kết isopeptide với nhóm ε-amino của lysine trên protein mục tiêu.

• Chiều dài chuỗi: 76 amino acid
• Fold chính: β-grasp (5 β-strand + 1 α-helix)
• Vị trí gắn đích: Gly75–Gly76 kết nối với Lys của protein đích
• Bảo tồn cao: >95% identity giữa các loài

Gen mã hóa và tổng hợp

Ở động vật có vú, ubiquitin được mã hóa bởi bốn gene chính: UBA52 và RPS27A cho tiền chất fusion với protein ribosomal L40, còn UBB và UBC mã hóa cho polyubiquitin chứa nhiều đơn vị ubiquitin liên tiếp. Các tiền chất này được tổng hợp như các protein dài hơn, sau đó cắt tại vị trí Gly–Gly cuối cùng để giải phóng ubiquitin tự do.

Quá trình xử lý tiền chất ubiquitin do hệ enzyme ubiquitin-specific proteases (USPs) thực hiện, cắt bỏ phần ribosomal hoặc poly-ubiquitin dư thừa. Biểu hiện của các gene ubiquitin tăng lên khi tế bào chịu stress như tắc nghẽn lưới nội chất, tổn thương DNA hoặc tích tụ protein sai gấp khúc, nhằm đảm bảo nguồn ubiquitin đủ cho việc tái chế protein và điều hòa tín hiệu.

Điều hòa biểu hiện ubiquitin có thể thông qua yếu tố phiên mã HSF1 (Heat Shock Factor 1) và Nrf2 dưới điều kiện stress oxy hóa, đồng thời phản ánh nhu cầu tăng cường hệ thống phân hủy proteasome để duy trì cân bằng proteome.

Chuỗi phản ứng ubiquitination

Ubiquitination diễn ra qua ba bước enzyme phối hợp: E1 (ubiquitin-activating enzyme), E2 (ubiquitin-conjugating enzyme) và E3 (ubiquitin ligase). Đầu tiên, E1 kích hoạt ubiquitin bằng cách sử dụng ATP, tạo liên kết thioester với Gly76:

$E1 + Ub + ATP \rightarrow E1\sim Ub + AMP + PP_i$

Sau đó, Ub được truyền từ E1 sang cysteine hoạt động của E2:

$E1\sim Ub + E2 \rightarrow E1 + E2\sim Ub$

Cuối cùng, E3 ligase nhận diện protein mục tiêu và xúc tác gắn Ub từ E2 lên nhóm ε-amino của lysine trên protein đích:

$E2\sim Ub + Protein-Lys \xrightarrow{E3} Protein–Ub + E2$

Loại ubiquitination

Mono-ubiquitination liên quan gắn một đơn vị Ub lên một lysine duy nhất của protein mục tiêu, thường điều hòa quá trình nội bào như vận chuyển màng, tín hiệu DNA repair và hoạt hóa nhân tố phiên mã. Multi-mono-ubiquitination là việc gắn nhiều ubiquitin đơn lẻ lên các lysine khác nhau của cùng một protein.

Poly-ubiquitination xảy ra khi Ub thứ hai gắn lên một trong bảy lysine của Ub đầu tiên, hình thành chuỗi: Lys48-linked signals phân hủy proteasome, còn Lys63-linked điều hòa tín hiệu sửa chữa DNA, endocytosis và autophagy. Các liên kết ít phổ biến khác (Lys6, Lys11, Lys29, Lys33) cũng góp phần vào phân giải hay tín hiệu đặc thù.

• Mono-Ub: điều hòa vận chuyển, sửa chữa DNA
• Multi-mono: điều phối nội bào, tương tác protein
• Lys48-linked: tín hiệu đến proteasome
• Lys63-linked: tín hiệu sửa chữa DNA, endocytosis

Hệ thống proteasome và phân hủy protein

Proteasome 26S là phức hợp đa đơn vị, gồm thùng lõi 20S và hai bộ điều hợp 19S ở hai đầu. Lõi 20S có cấu trúc bốn vòng α–β–β–α, mỗi vòng gồm bảy tiểu đơn vị, tạo buồng phân hủy chứa ba hoạt tính peptidase (chymotrypsin-like, trypsin-like, caspase-like). Bộ 19S nhận diện protein bị poly-ubiquitin Lys48-linked, tháo chuỗi ubiquitin, và đưa protein vào lõi 20S để phân giải thành peptide dài 3–25 aa.

Chuỗi poly-Ub với trung bình 4–6 ubiquitin liên tiếp được nhận diện bởi receptor Rpn10 và Rpn13 trên 19S, sau đó deubiquitinase Rpn11 cắt bỏ toàn bộ chuỗi ubiquitin trước khi protein đi vào buồng phân hủy. Quá trình này tiêu thụ ATP và đảm bảo tái sử dụng ubiquitin nhờ hệ enzyme E1/E2/E3 và DUBs.

Proteasome chiếm ~1% tổng protein tế bào, phân bố trong nhân và tế bào chất. Sự bất thường chức năng proteasome liên quan bệnh Parkinson, Alzheimer và rối loạn thoái hóa. Tác nhân ức chế proteasome (bortezomib) đã được phát triển để điều trị đa u tủy (multiple myeloma), cho thấy tầm quan trọng lâm sàng của con đường phân hủy ubiquitin–proteasome .

Chức năng phi-phân hủy

Ubiquitination không chỉ đánh dấu protein để phân hủy mà còn điều hòa đa dạng tín hiệu tế bào. Lys63-linked polyubiquitin hoạt hóa tín hiệu NF-κB bằng cách gắn lên IκB kinase (IKK) và RIP1, kích hoạt con đường viêm và chống apoptotic. Mono-ubiquitination của histone H2A tại Lys119 điều khiển cấu trúc nhiễm sắc và sửa chữa DNA liên quan PRC1.

Lys63-linked ubiquitin cũng đóng vai trò trong quá trình sửa chữa đứt gãy chuỗi đơn và kép DNA: PCNA – protein điều phối nhân đôi – được mono- và di-ubiquitinated để chuyển hướng polymerase và mời gọi các enzyme sửa chữa như Pol η. Trong endocytosis, mono-ubiquitination của receptor EGFR chỉ hướng dẫn nội bào hóa và thoái hóa lysosomal thay vì proteasome.

• NF-κB Activation: K63-Ub trên RIP1, IKK → viêm, miễn dịch.
• DNA Repair: PCNA K164-Ub → TLS polymerase, BRCA1 K63-Ub → HR.
• Endocytosis: Mono-Ub trên receptor → ESCRT, lyzosome.
• Autophagy: K63-Ub trên p62/SQSTM1 → cargo recruitment.

Protein giống ubiquitin (Ubls)

Các protein giống ubiquitin (ubiquitin-like, Ubls) như SUMO, NEDD8, ISG15, ATG8/12 chia sẻ cơ chế gắn và tháo tương tự ubiquitin nhưng phục vụ chức năng đặc thù. SUMOylation điều chỉnh phiên mã, vận chuyển nhân–tế bào chất và đáp ứng stress; NEDD8 gắn lên cullin trong E3 ligase CRL, tăng cường ligase activity; ISG15 hoạt động trong miễn dịch chống virus; ATG8/12 quan trọng trong autophagy.

Ubls được tổng hợp qua cascade E1–E2–E3 riêng biệt, và tháo bằng deconjugating enzymes ULPs (SUMO proteases), NEDP1, USP18, ATG4. Sự phân bố và cân bằng giữa ubiquitin và Ubls quyết định nhiều quá trình sinh học, từ phân hủy protein đến sửa chữa DNA và đáp ứng miễn dịch.

Chi tiết Ubls: NCBI PMC – Ubiquitin-like Modifiers

Điều hòa hệ thống ubiquitin

Deubiquitinases (DUBs) là nhóm enzyme (USPs, UCHs, OTUs, MJD) có nhiệm vụ cắt bỏ ubiquitin khỏi protein, điều hòa tín hiệu và tái sử dụng ubiquitin. Cân bằng giữa E3 ligases và DUBs duy trì độ mạnh tín hiệu ubiquitination và thời gian lưu giữ ubiquitin trên protein mục tiêu.

Diversity của E3 ligases (Herc, RING, HECT, RBR families) quyết định tính đặc hiệu cao của ubiquitination. Thay đổi biểu hiện hoặc hoạt tính E3/DUB liên quan đến ung thư, viêm, bệnh thần kinh. Nhiều thuốc nhỏ và peptide đã được phát triển nhằm modulate E3 ligase (MDM2–p53) hoặc ức chế DUB (USP7) cho mục tiêu điều trị .

Phương pháp nghiên cứu ubiquitin

Western blot sử dụng kháng thể đặc hiệu cho mono/poly-Ub hoặc dấu tích diGly (remnant) sau trypsin digest. Mass spectrometry (MS)-based ubiquitin remnant profiling cho phép định vị lambda diGly-modified lysine với độ nhạy cao, xác định hàng ngàn vị trí ubiquitination proteome-wide.

Tandem Ubiquitin Binding Entities (TUBEs) pull-down kỹ thuật enrich poly-Ub chains, kết hợp MS để phân tích chuỗi và linkages. Phương pháp proximity ligation assay (PLA) và bioUb (biotinylated ubiquitin) cung cấp khả năng quan sát in situ và định lượng theo mô hình tế bào.

• Western blot: anti-Ub, anti-diGly antibodies.
• MS proteomics: Ubiquitin Remnant Profiling (K-ε-GG).
• TUBEs pull-down: enrich poly-Ub chains.
• BioUb: biotin-ubiquitin for proximity assays.

Gần đây, siRNA/CRISPR screens nhắm E3/DUB uncover new regulators of proteostasis và tín hiệu ubiquitin.

Tài liệu tham khảo

1. Hershko A, Ciechanover A. “The ubiquitin system.” Annual Review of Biochemistry. 1998;67:425–479.
2. Komander D, Rape M. “The ubiquitin code.” Annual Review of Biochemistry. 2012;81:203–229.
3. Swatek KN, Komander D. “Ubiquitin modifications.” Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2016;17(7):407–424.
4. Collins GA, Goldberg AL. “The logic of the 26S proteasome.” Cell. 2017;169(5):792–806. https://www.nature.com/articles/nrm.2017.32
5. Bedford L, et al. “Ubiquitin-like protein modifiers in cancer.” Nature Reviews Cancer. 2011;11(10):713–729.
6. Mevissen TET, Komander D. “Mechanisms of deubiquitinase specificity.” Annual Review of Biochemistry. 2017;86:159–192.
7. Xu G, Jaffrey SR. “Innovations in detection of protein ubiquitination.” Molecular & Cellular Proteomics. 2013;12(12):3311–3323. https://www.nature.com/articles/nprot.2016.032