Peroxisome and Autophagy
一 形态和特性 膜包围的微型小体 微体
人肝细胞过氧化物酶体
1. 所包含的酶 氧化酶 过氧化氢酶 过氧化物酶 2. 起源和形成
The peroxisome: an update on mysteries. Histochem Cell Biol (2012) 137:547 574 IF=2.613
膜的来源 Proteins that control peroxisome assembly, division, and inheritance are named peroxins (encoded by PEX genes) Peroxisome assembly: matrix and membrane protein biogenesis. J. Cell Biol. Vol. 193 No. 1 7 16
Pex19 起到分子伴侣的作用 结合并稳定胞质中新合成的携带 mpts 的 pmp, 通过锚定到过氧化物酶体膜上的 Pex3, 运输他们到过氧化物酶体上, pex19 对于出芽过程是不可替代的
Pex5 基质蛋白的运输
线粒体参与的过氧化物酶体的发生过程 线粒体形成的小泡
It is also possible that mitochondrial derived vesicles could carry cargo to functionally distinct peroxisomes, rather than playing a role in their biogenesis. Although many peroxisomal proteins target the mitochondria in the absence of peroxisomes, these data clearly establish the ER as a primary source of membrane in the generation of new peroxisomes.
二 过氧化物酶体的功能 1) 解毒作用 RH 2 +H 2 O 2 过氧化氢酶 R+2H 2 O 2) 调节细胞氧张力 氧化酶 RH 2 +O R+2H 2 2 O 2
3) 参与脂肪酸的分解 参与长链, 极长链和分支的脂肪酸的分解 动物组织中大约有 25~50% 的脂肪酸是在过氧化物酶体中氧化的, 其他则是在线粒体中氧化的
(4) 含氮物质的代谢 尿酸是核苷酸和某些蛋白质降解代谢的产物, 尿酸氧化酶可将这种代谢废物氧化去除 另外, 过氧化物酶体还参与其他的氮代谢, 如转氨酶 (aminotransferase) 催化氨基的转移
(5) 初级胆汁酸的合成 胆固醇在 ER 膜上形成胆固醇脂 (DHC-CoA, TAC-CoA) 胆固醇脂进入过氧化物酶体, 进行 beta 氧化 并转变成牛磺酸甘氨酸复合物 ( 人体主要的胆酸 ) 胆酸被运送出过氧化物酶体, 进入细胞质, 然后通过胆汁盐输出泵 (BSEP) 运送出肝脏
胆固醇脂 氨基酸酰基转移酶 Chapter 2 Peroxisomes in Human Health and Disease: Metabolic Pathways, Metabolite Transport, Interplay with Other Organelles and Signal Transduction. Ronald J.A.Wanders Peroxisomes and their Key Role in Cellular Signaling and Metabolism, Subcellular Biochemistry 69, DOI 10.1007/978-94-007-6889-5 2 胆汁盐输出泵
(5) 醛缩磷脂的生物合成 过氧化物酶体膜内部的两种酶, 催化羟基磷酸二羟丙酮 alkyl-dhap 生成烷基丙三醇三磷酸 alkylglycerol-3 phosphate (alkylg3p), 然后运送到 ER 上, 通过 ER 酶的作用, 最终生成醛缩磷脂 第一部分的合成途径只在过氧化物酶体中完成
磷酸酰基转移酶 合成酶 羟基磷酸二羟丙酮
The relationship between peroxisome and mitochondria
When peroxisomes fail, there are also indirect effects on mitochondria, whose dysfunction amplifies the cellular damage. The functional similarities to mitochondria within mammalian systems : scavenge peroxide and reactive oxygen species, oxidize fatty acids, the biogenesis of both organelles is controlled by PPAR family. Peroxisome proliferator-activated receptors (PPAR) Frontiers in physiology. September 2013 Volume 4 Article 268 1
http://www.bioon.com/figure/200407/54490.shtml
Anti-viral signaling Peroxisomes Are Signaling Platforms for Antiviral Innate Immunity. Cell 141, 668 681, May 14, 2010
Physiological roles of mitochondrial reactive oxygen species. Mol Cell. 2012 October 26; 48(2): 158 167 IF=15.28
Therefore, we suspect that the reason the mitochondria and peroxisomes are commonly used as signaling platforms is due to the high local concentrations of ROS.
过氧化物酶体缺失的肝细胞中, 线粒体功能失调, 从而导致了碳水化合物代谢的紊乱 J. Biol. Chem. 2011, 286:42162-42179. IF=4.651
Proteins that control peroxisome assembly, division, and inheritance are named peroxins (encoded by PEX genes). Peroxisome assembly: matrix and membrane protein biogenesis. J. Cell Biol. 2011, Vol. 193 No. 1 7 16 The PDs are usually subdivided into two groups including (1) the peroxisome biogenesis disorders (PBDs) and (2) the single peroxisomal enzyme deficiencies (PEDs). Chapter 2 Peroxisomes in Human Health and Disease: Metabolic Pathways, Metabolite Transport, Interplay with Other Organelles and Signal Transduction. DOI 10.1007/978-94-007-6889-5 2
The degradation of peroxisome Pexophagy PSLP:peroxisomal Lon protease 15-LOX:15-lipoxygenase
ATP 依赖的蛋白酶 脂氧合酶 Peroxisome Degradation in Mammals. IUBMB Life, 63(11): 1001 1008, November 2011 IF=2.789
Molecular mechanism and physiological role of pexophagy. FEBS Letters 584 (2010) 1367 1373 IF=4.25 Cupshaped micropexophagy apparatus (MIPA)
Nonselective autophagy
Pex14 与 Pex5 竞争性结合 LC3, 作为自噬的开关 Peroxisomes as dynamic organelles: autophagic degradation. FEBS Journal 277 (2010) 3289 3294
At present four Ub-binding mammalian autophagy receptors have been identified: p62, NBR1, NDP52 and optineurin. NBR1 acts as an autophagy receptor for peroxisomes. J Cell Sci. 2013 Feb 15;126 (Pt 4):939-52 IF=5.877
过氧化氢酶 p62 和 NBR 是在同一条通路中发挥作用, 而非两条独立的通路
p62 不是过氧化物酶体自噬必须的蛋白, 但是可以提高其效率
p62 和过氧化物酶体之间可能不发生直接的相互作用
单层膜的结构 双层膜的自噬小体结构 Cherry NBR1,GFP PMP34
Methods in Mammalian Autophagy Research. Cell 140, February 5, 2010 of 自噬小体呈现黄色信号, 自噬溶酶体由于 GPF 在酸性环境下不稳定, 被降解, 因此被标记为红色
敲除 Atg5, 过表达 NBR 不能降低过氧化物酶体的数量 胚胎成纤维细胞
Peroxisome degradation in mammals: mechanisms of action, recent advances, and perspectives. Frontiers in physiology. June 2013 Volume 4 Article 145 1
Endothelial Peroxisomal Dysfunction and Impaired Pexophagy Promotes Oxidative Damage in LPS-Induced Acute Kidney Injury. ANTIOXIDANTS & REDOX SIGNALING. Volume 19, Number 3, 2013 IF=7.189
Peroxisome 缺失后 LPS 不再上调 PMP70 和 p62 的水平 缺失过氧化物酶体的内皮细胞
LPS 刺激抑制了 pex14 蛋白的水平 Pex14: 在含有 PTS 信号肽的蛋白运输进过过氧化物酶的的过程中发挥重要的作用
LPS 抑制了过氧化物酶体的数量, 促进了 PTS1 蛋白向过氧化物酶体基质中的运输
(A) 在正常条件下,LPS 激活 perophagy, 先是氧化物酶体瞬时减少, 而后又刺激了过氧化物酶体的增殖 可能是由于 LPS 处理抑制了 PMP70( 运送脂肪酸跨膜 ) 以及 pex14( 过氧化氢酶运送进入过氧化物酶体 ) 的水平所造成的 (B) 细胞积累功能失调的过氧化物酶体, 进一步引起过氧化物酶体功能的破坏, 从而会引起过氧化物酶体大量增殖, 导致了氧化损伤的加剧
蛋白酶体在蛋白质降解中的作用机制 1 细胞内各种蛋白质数量的控制途径: (1) 新生蛋白的合成速率 ; (2) 蛋白质的降解 2 蛋白质寿命的差异: 各种蛋白的寿命极不相同 3 蛋白酶解途径的功能: (1) 快速降解短寿命的蛋白 ; (2) 识别或清除已被破坏 老化或错误折叠的蛋白
蛋白酶体的结构 : 由多种酶组成的筒状体, 各酶的作用位点面向筒内腔, 两端有盖, 其中有些蛋白具有 ATP 酶活性, 送入蛋白酶体的蛋白被降解为短肽
将要被清除的蛋白的识别 : 清除标签 泛素分子 ; 泛素结合酶识别特定的降解信号 ( 在蛋白上 ), 并将泛素挂到该靶蛋白上 ; 泛素化的蛋白可被蛋白酶体盖中的一种蛋白识别, 进入蛋白酶体后被降解
泛素化 ---- 泛素 (Ubiquitin) 泛素是一个广泛分布在真核细胞中的小分子球状蛋白质, 由 76 个氨基酸所组成, 在序列上高度保守, 人与酵母菌的泛素序列仅有 3 个氨基酸不同 泛素在一系列酶的催化下, 其 C - 末端 Gly 与靶蛋白的 Lys 侧链相连, 尔后其他泛素分子以 Gly 连接到先前结合的泛素分子的 Lys 侧链上而形成多泛素化链
泛素化酶 E1 : 泛素活化酶 (Ubiquitin - Activating Enzyme,Ubc) E2s: 泛素结合酶 (Ubiquitin - Conjugating Enzymes, Ubc) E3 : 泛素 - 蛋白质连接酶 (Ubiquitin - Protein Ligases)
泛素化信号 泛素系统的一个重要特点就是它对蛋白质的高度选择性, 即通过识别 标记并进而降解那些不必要的蛋白质 研究发现, 泛素化开始于泛素化信号的形成, 而泛素化信号是有以下几个方面决定的 : 氨基酸组成 磷酸化作用 破坏框 (Destruction Box) 蛋白质的损伤
泛素化过程 泛素的活化过程是一个多步骤的过程, 需要 ATP 提供能量蛋白质的泛素化通过 三步完成
首先是泛素活化酶 E1 催化泛素 C 末端 Gly 和 E1Cys 残基形成一个高能硫酯键, 该步需要 ATP 其次, 活化的泛素从 E1 转移至 E2 特异的 Cys, 并形成硫脂键 ; 最后,E3 泛素连接酶促进转运到目的蛋白 E3 使得这一系统具有了底物特异性
1. 泛素被转移到 E1 的活性中心的半胱氨酸残基上, 并伴随着第二个泛素分子的腺苷酸化 被腺苷酸化的泛素分子接着被转移到第二个酶, 泛素交联酶 (E2) 的半胱氨酸残基上 最后, 高度保守的泛素连接酶 (E3) 家族中的一员 ( 根据底物蛋白质的不同而不同 ) 识别特定的需要被泛素化的靶蛋白, 并催化泛素分子从 E2 上转移到靶蛋白上 靶蛋白在被蛋白酶体识别之前, 必须被标记上至少四个泛素单体分子 ( 以多泛素链的形式 ) 因此, 是 E3 使得这一系统具有了底物特异性