Ubiquitin (von ubiquitär ‚allgegenwärtig‘) ist ein kleines Protein, das in allen eukaryotischen Zellen und Zelltypen zu finden ist und an der Regulation verschiedener Zellvorgänge beteiligt ist.
Es wird mittels Ubiquitin-Protein-Ligasen enzymatisch an andere Proteine gekoppelt, die durch diese Ubiquitinierung in ihren Eigenschaften verändert werden. Abhängig von Anzahl und Art der Ubiquitin-Bindungen kann ein ubiquitiniertes Zielprotein dadurch in seiner Interaktion mit anderen Proteinen gefördert oder behindert, seine Aktivität beeinflusst, seine Lokalisation in der Zelle verändert oder sein Abbau beschleunigt werden. Mehrere in Kette angehängte Ubiquitine markieren bei der Proteinqualitätskontrolle das so poly-ubiquitinierte Protein für die Degradation im Proteasom. Ubiquitinierungen sind daneben für die Regelung von Transkription und Translation bedeutend, in die Signaltransduktion und die Endozytose eingebunden, an der DNA-Reparatur beteiligt und treten in geregelten Abläufen von Zellzyklus, Zelldifferenzierung und Entzündungsreaktionen auf.
Die Ubiquitinierung selbst ist ein mehrphasiger Prozess, dessen drei Hauptschritte verschiedene Enzyme katalysieren: ubiquitin-aktivierende (E1), ubiquitin-konjugierende (E2) und schließlich Ubiquitin-Ligasen (E3), die Ubiquitin auf unterschiedliche Art an bestimmte Substratproteine binden.
Demgegenüber steht eine Reihe desubiquitinierender Enzyme (DUB), die unter anderem die Abspaltung bereits angehängter Ubiquitin-Moleküle katalysieren.
Eine Ubiquitinierung, auch Ubiquitinylierung genannt, stellt eine posttranslationale Modifikation von Proteinen dar. Vergleichbare Modifikationen sind Ankopplungen ubiquitin-ähnlicher Proteine wie SUMO, Urm1 oder Nedd8, entsprechend Sumoylierung, Urmylierung bzw. Neddylierung genannt. Daneben ist bei manchen Prokaryoten, beispielsweise Mycobacterium tuberculosis, ein zu Ubiquitin analoges Protein bekannt,M. J. Pearce, J. Mintseris u. a.: Ubiquitin-like protein involved in the proteasome pathway of Mycobacterium tuberculosis. In: Science. Band 322, Nummer 5904, November 2008, S. 1104–1107; doi:10.1126/science.1163885 das Prokaryotic ubiquitin-like protein (Pup) genannt wird.J. A. Maupin-Furlow: Prokaryotic ubiquitin-like protein modification. In: Annual review of microbiology. Band 68, 2014, S. 155–175; doi:10.1146/annurev-micro-091313-103447
Ubiquitin wurde 1975 entdeckt (ubiquitous immunopoietic polypeptide genannt),G. Goldstein, M. Scheid, U. Hammerling, D. Schlesinger, H. Niall, E. Boyse: Isolation of a polypeptide that has lymphocyte-differentiating properties and is probably represented universally in living cells. In: Proc Natl Acad Sci U S A. Band 72, Nr. 1, Januar 1975, S. 11–5; doi:10.1073/pnas.72.1.11, PMID 1078892, . und in den Folgejahren näher charakterisiert. Für die Erforschung der Grundlagen des Ubiquitin-Systems Anfang der 1980er Jahre wurde Aaron Ciechanover, Avram Hershko und Irwin Rose 2004 der Nobelpreis für Chemie verliehen.
Struktur Ubiquitin besteht aus 76 Aminosäuren und hat eine Molekülmasse von 8,5 kDa. Sein Aufbau veränderte sich im Laufe der Evolution wenig, es ist somit hoch konserviert.Zuin A, Isasa M, Crosas B. Ubiquitin signaling: extreme conservation as a source of diversity. Cells. 2014 Jul 10;3(3):690-701. doi:10.3390/cells3030690. PMID 25014160 So unterscheiden sich das Protein beim Menschen und bei dem Einzeller Hefe Saccharomyces cerevisiae in nur 3 der 76 Aminosäuren. mini|hochkant=1.2|alt=|Oberflächenstruktur von Ubiquitin
Ubiquitin hat eine globuläre Form, lediglich die letzten vier C-terminalen Aminosäuren ragen hervor. Wichtige funktionelle Aminosäuren sind das C-terminale Glycin (G) an der 76. Stelle (G76) und die Lysine (K) an der 48. (K48) und 63. Stelle (K63) der Aminosäuresequenz. Über die C-terminale Carboxygruppe an G76 wird Ubiquitin an spezifische Lysine, Cysteine, Serine, Threonine oder den N-Terminus des zu markierenden Proteins kovalent gebunden. An ein bereits gebundenes Ubiquitin können über die Lysine weitere Ubiquitinmoleküle angehängt werden, sodass sich eine Ubiquitinkette bildet. Da ein Ubiquitin insgesamt sieben Lysine enthält, sind mindestens sieben verschiedene Verbindungsarten eines Ubiquitins möglich.
Die Aminosäuresequenz für menschliches Ubiquitin im Einbuchstabencode – K48, K63 und G76 gefettet hervorgehoben –:
Mechanismus der Ubiquitinierung Der Prozess des Markierens von Zielproteinen durch Ubiquitin wird Ubiquitinierung oder auch Ubiquitinylierung genannt. Dessen Ablauf erfordert – wie eine Sumoylierung, Urmylierung oder Neddylierung – mehrere nacheinander folgende Reaktionsschritte und wird von drei Enzymen katalysiert, Ubiquitin-Protein-Ligasen, die nach der Reaktionsfolge als E1 (auch Modifikation aktivierendes Enzym), E2 (auch Modifikation konjugierendes Enzym) und E3 (auch E3-Ligase) bezeichnet werden. mini|hochkant=1.4|alt=|Mechanismus der Ubiquitinierung von Zielproteinen
Im ersten Schritt wird Ubiquitin durch eine Thioesterbindung zwischen seiner C-terminalen Carboxygruppe (G76) und einem Cystein des E1-Enzyms gebunden und so „aktiviert“. Diese Aktivierung ist energieabhängig; die Energie wird durch die Spaltung von ATP zu AMP und Pyrophosphat bereitgestellt. Für die Aktivierung des Modifikator-Moleküls gibt es ein spezifisches E1-Enzym, in Pflanzen sogar zwei E1-Enzyme für Ubiquitin.C. M. Pickart, M. J. Eddins: Ubiquitin: structures, functions, mechanisms. In: Biochim Biophys Acta. 1695 (1–3), 29. November 2004, S. 55–72. PMID 15571809.
Nachdem Ubiquitin an E1 gebunden wurde, wird das Ubiquitin an das Enzym E2 überführt. Für Ubiquitin sind allein in der Hefe über elf verschiedene E2-Enzyme bekannt, in anderen Organismen ist ihre Anzahl noch größer (während für Sumo1 und Nedd8 je ein spezifisches E2-Enzym existiert).C. M. Pickart: Mechanisms underlying ubiquitination. In: Annu Rev Biochem. 70, 2001, S. 503–533. PMID 11395416.
Im letzten Schritt wird das Ubiquitin durch spezifische E3-Ligasen auf das Zielprotein übertragen. Hierbei wird eine Isopeptid-Bindung zwischen dem C-terminalen Glycin des Ubiquitins und einem Lysin des Zielproteins gebildet. Im Unterschied zu einer klassischen Peptidbindung dient hier nicht der α-Aminorest, sondern der ε-Aminorest des Lysins als Bindungspartner. Darüber hinaus können Ubiquitine auch auf andere Verknüpfungsarten angeschlossen werden, auch lysin-freie Proteine wurden ubiquitiniert vorgefunden.K. Cadwell, L. Coscoy: Ubiquitination on nonlysine residues by a viral E3 ubiquitin ligase. In: Science. 309 (5731), 1. Juli 2005, S. 127–130. PMID 15994556.A. Ciechanover, R. Ben-Saadon: N-terminal ubiquitination: more protein substrates join in. In: Trends Cell Biol. 14 (3), März 2004, S. 103–106. PMID 15055197. In der Anzahl verschiedener E3-Enzyme spiegelt sich die Vielfalt der von Ubiquitin modifizierten Zielproteine wider. Berücksichtigt man alle Enzyme, die strukturell zu den drei Unterfamilien der E3-Enzyme (HECT, RING und U-Box) gehören, so ist bei höheren Organismen von einer Zahl zwischen mehreren Hundert und Eintausend auszugehen.
Arten der Ubiquitinierung mini|hochkant=1.8|alt=|Verschiedene Arten der Ubiquitinierung: (A) Mono-, (B) Oligo-, (C) Multi- und (D) Poly-Ubiquitinierung An das jeweilige Zielprotein können Ubiquitine auf verschiedene Weise gebunden sein und weitere an unterschiedlicher Stelle angehängt werden. Nach Anzahl der verbundenen Ubiquitin-Moleküle wird zwischen Mono- und Oligo-, Multi- bzw. Poly-Ubiquitinierung unterschieden, je nachdem ob nur ein Molekül vorliegt oder wenige, mehrere bzw. viele Ubiquitine.D. Mukhopadhyay, H. Riezman: Proteasome-independent functions of ubiquitin in endocytosis and signaling. In: Science. 315 (5809), 12. Januar 2007, S. 201–205. PMID 17218518.
Wenn mindestens fünf Ubiquitinmoleküle als Kette mit einem Zielprotein verbunden sind, spricht man von einer Poly-Ubiquitinierung. Sind diese Moleküle am Lysin 48 (K48) miteinander verknüpft, wird das Zielprotein hauptsächlich dem Abbau durch das Proteasom zugeführt.A. Hershko, A. Ciechanover: The ubiquitin system for protein degradation. In: Annu Rev Biochem. 61, 1992, S. 761–807. PMID 1323239. Verbindung am Lysin 63 (K63) kann zum lysosomalen Abbau des Proteins führen.H. Barriere, C. Nemes, K. Du, G. L. Lukacs: Plasticity of polyubiquitin recognition as lysosomal targeting signals by the endosomal sorting machinery. In: Mol Biol Cell. 18 (10), Oktober 2007, S. 3952–3965. PMID 17686993. Des Weiteren wurde beobachtet, dass diese Modifikation Einfluss auf die zelluläre Toleranz von DNA-Schäden, entzündliche Immunantworten, endozytotische Vorgänge und die ribosomale Protein-Synthese hat.C. M. Pickart, D. Fushman: Polyubiquitin chains: polymeric protein signals. In: Curr Opin Chem Biol. 8 (6), Dezember 2004, S. 610–616. PMID 15556404.
Mono- und Multi-Ubiquitinierungen hingegen beeinflussen weniger die Stabilität einzelner Proteine als deren intrazelluläre Verteilung und können die Interaktion mit anderen Proteinen ermöglichen.S. Polo, S. Sigismund, M. Faretta, M. Guidi, M. R. Capua, G. Bossi, H. Chen, P. De Camilli, P. P. Di Fiore: A single motif responsible for ubiquitin recognition and monoubiquitination in endocytic proteins. In: Nature. 416 (6879), 28. März 2002, S. 451–455. PMID 11919637. Oligo-Ubiquitinierung hat beispielsweise Einfluss auf die Aktivität eines Transkriptionsfaktors, ohne dessen Abbau zu initiieren.K. Flick, I. Ouni, J. A. Wohlschlegel, C. Capati, W. H. McDonald, J. R. Yates, P. Kaiser: Proteolysis-independent regulation of the transcription factor Met4 by a single Lys 48-linked ubiquitin chain. In: Nat Cell Biol. 6 (7), Juli 2004, S. 634–641. 20. Juni. PMID 15208638.
Beispiele für Ubiquitinierungen mini|hochkant=1.2|alt=|Beispiel einer Oligo-Ubiquitinierung über K63 – am Lys63 des 1. Ubiquitins ist ein 2. Ubiquitin angehängt
Abbau fehlerhaft gefalteter Proteine Das Ubiquitin-Proteasom-System spielt eine bedeutende Rolle in der „Qualitätssicherung“ intrazellulär hergestellter Proteine.C. Esser, S. Alberti, J. Höhfeld: Cooperation of molecular chaperones with the ubiquitin/proteasome system. In: Biochim Biophys Acta. 1695 (1–3), 29. November 2004, S. 171–188. PMID 15571814. Proteine sollten während und nach ihrer Produktion richtig gefaltet werden, damit sie funktionieren. Bei einigen Proteinen ist die Faltung so komplex und fehleranfällig wie beim Chlorid-Ionenkanal CFTR in Epithelzellen, bei dem bis zu 60–80 % der hergestellten Proteine fehlerhaft gefaltet sind.R. R. Kopito: Biosynthesis and degradation of CFTR. In: Physiol Rev. 79 (1 Suppl), Januar 1999, S. 167–173. PMID 9922380. Diese fehlerhaft gefalteten Proteine werden von sogenannten Chaperonen gebunden, Enzymen, die unter Umständen die richtige Faltung des Proteins fördern können. Bei einer „irreparabelen“ Missfaltung wurde die Bildung eines Protein-Chaperon-Ubiquitin-E3-Ligase-Komplexes beobachtet, der das fehlgefaltete Protein poly-ubiquitiniert und damit die Degradierung durch das Proteasom ermöglicht. Auf diese Weise wird dafür gesorgt, dass strukturell entartete Proteine weder cytosolisch noch membranassoziiert die Zellabläufe beeinflussen.
Ereignet sich aber im Falle des Ionenkanals CFTR in der codierenden DNA eine Mutation, die sich in einer Mutation des Phenylalanins an Position 508 (F508) niederschlägt, führt dies zur Poly-Ubiquitinierung und zu vorzeitigem Abbau aller produzierten CFTR-Proteine.C. L. Ward, S. Omura, R. R. Kopito: Degradation of CFTR by the ubiquitin-proteasome pathway. In: Cell. 83 (1), 6. Oktober 1995, S. 121–127. PMID 7553863. Die Folge ist das Krankheitsbild der Mukoviszidose. Obgleich eine ordnungsgemäße Funktion des mutierten Ionenkanal-Proteins prinzipiell nicht ausgeschlossen ist, wird es vorzeitig abgebaut. Dieses Beispiel zeigt, dass sich das eigentlich positiv wirkende strikte Kontrollsystem des ubiquitinvermittelten Abbaus strukturell falscher Proteine auch negativ auf den Organismus auswirken kann.
Regulation der Transkription