泛素蛋白酶体途径是目前己知的所有真核生物体内具有高度选择性的最为重要的蛋白质降解途径。真核细胞中泛素化修饰后的靶蛋白可能被降解、可能被转移到细胞或细胞外的特定部位，也有可能导致靶蛋白的功能发生变化，这主要取决于靶蛋白所加的泛素链的结构，以及泛素链的长短。泛素连接酶E3决定靶蛋白的特异性识别，在泛素途径中具有重要的作用。泛素连接酶E3通过调控调节蛋白的泛素化过程参与细胞内的多种生理过程。所有的E3都具有连接靶蛋白和特定E2的能力。
中文名
泛素连接酶E3
外文名
E3UbiquitinLigases
属性
酶
作用途径
蛋白质降解
类型
HECT结构域家族和RING结构域家族
泛素蛋白酶体途径是目前己知的所有真核生物体内具有高度选择性的最为重要的蛋白质降解途径，因此有关泛素化途径的研究于2004年获得诺贝尔化学奖。泛素化修饰涉及泛素激活酶E1、结合酶E2和泛素连接酶E3的一系列反应：首先在ATP供能的情况下泛素激活酶E1激活泛素，然后将其转移到泛素结合酶E2上通过硫酯键与E2的活性位点的Cys相连。E2可以直接将泛素转移到靶蛋白的Lys残基上，但一般靶蛋白的泛素化需要一个特异的泛素连接酶E3。
根据E3与底物的相对比例可以将底物单泛素化修饰和多聚泛素化修饰。多聚泛素化修饰的靶蛋白一般被26S的蛋白酶体所降解此途径被称为泛素蛋白酶体途径，简称泛素化途径。多聚泛素化修饰的靶蛋白(如变性、错误折叠或过量表达的蛋白质以及细胞中的许多调控蛋白)可以通过泛素化途径被降解从而对细胞周期调控、胞吞作用、信号转导、DNA修复、蛋白质的质量控制(例如Bsd2在膜蛋白的质量控制方面具有重要作用)、细胞凋亡等过程具有重要的作用。
单泛素化修饰是一种调节信号可以引起靶蛋白的活性、定位以及蛋白质结构的改变从而对蛋白质的胞吞途径、膜泡的出芽、组蛋白的修饰、基因的转录以及蛋白质核内的定位进行调节。单独的泛素本身并没有任何生物功能，它只是一种分子标记蛋白，发挥作用必须在ATP提供能量的前提下依靠泛素途径的相关酶类及蛋白酶体。Guarino等在杆状病毒中也发现了病毒编码的泛素，但与真核细胞中不同的是泛素在杆状病毒中以磷脂化的形式存在于出芽型病毒粒子囊膜的内表面。杆状病毒中泛素的功能目前尚不清楚，据推测可能与病毒粒子的组装和出芽有关。
真核细胞中泛素化修饰后的靶蛋白可能被降解、可能被转移到细胞或细胞外的特定部位，也有可能导致靶蛋白的功能发生变化，这主要取决于靶蛋白所加的泛素链的结构，以及泛素链的长短。因此蛋白质的泛素标签并不一定是一个死亡信号，人们现在提出了用蛋白质翻译后的泛素化修饰这个术语来准确地描述泛素连接到靶蛋白的这一生物事件。泛素蛋白酶体途径可分为三步：(1)靶蛋白的识别。(2)将泛素连接到靶蛋白的特定位点。(3)通过26S蛋白酶体或者溶酶体的作用执行其相应的生理功能。
泛素连接酶E3决定靶蛋白的特异性识别，在泛素途径中具有重要的作用。泛素连接酶E3通过调控调节蛋白的泛素化过程参与细胞内的多种生理过程。所有的E3都具有连接靶蛋白和特定E2的能力。蛋白质特定的翻译后的修饰经常作为其相应的泛素连接酶E3识别的标志。例如：泛素连接酶SCFc识别细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶CDK(cyclin—dependentkinase)抑制子Sicl时就需要Sicl在其特定位点的磷酸化，否则不能被E3中的SCFc~4识别从而不能通过泛素途径降解。这可能导致生物体不能对细胞周期进行精确调控，引起某些细胞组织或器官发生癌变。
现在发现鉴定的泛素连接酶E3主要有两大类：HECT结构域家族和RING结构域家族，最近又发现了一类新的E3家族：U．box蛋白家族。HECT结构域主要是通过与泛素形成催化作用所必需的硫酯键发挥作用，而RING结构域为E2和底物提供居留位点从而使E2催化泛素转移到底物上。
HECT结构域(homologoustoE6-APCterminus，HECT)家族的泛素连接酶E3s是目前所知的唯一的可以和泛素形成硫酯键中间体的泛素连接酶，并且它可以直接催化靶蛋白的泛素化。HECTE3s有一个分子量大约为40kDa的具有保守性的羧基末端催化结构域，即HECT结构域。HECTE3s的N末端不具有保守性，并且N末端决定了底物的特异性识别。例如E6AP识别HPVE6和p53就需要其一段大约200个氨基酸左右的特定的N端序列。HECT结构域至少具有四种生物学功能：(1)通过其连接特定E2s。(2)它接受来自于E2s的泛素，并且通过它的Cys活性位点与泛素形成通过硫酯键连接的中间体。(3)其通过催化泛素与底物上Lys侧链的￡．氨基形成异肽键从而将泛素转移到靶蛋白上。(4)它负责转移泛素到正在延长的多泛素链末端从而延长泛素链。与HECTE3相对应的E2s构成一个亚家族，在此亚家族内每一E2成员都对特定的HECTE3s有偏爱性，这归因于E2和HECT结构域的特异性。
HECTE3s中E6AP结构最为典型。HECTE3s中的HECT结构域有两个通过一很小的分界面松散地组装在一起的结构构成，并且两部分之间通过一个由3个氨基酸残基组成的铰链连接在一起。HECT结构域的N端部分比较大(氨基酸残基：495—737)，而且大部分区域为一个细长的0c螺旋结构。
N端部分还有一个80个氨基酸残基左右的疏水性的凹槽亚结构域，此凹槽亚结构域有它自己的疏水性核心，并且通过一个疏水性界面和两个连接子(氨基酸621-4522和702-704)与N端的其他部分相连。此凹槽的氨基酸残基呈中等程度保守性，但在所有HECTE3s中必须保持其疏水性性质。HECT结构域的C端部分比较小(氨基酸残基：741～852)，具有一个oc/p结构并且含有与泛素通过硫酯键相连的催化活性位点Cys820。Cys820定位在位于C端裂片的S9和Sl0的p链中间的一个由4个活性位点氨基酸残基(Thr19、Cys820、Phe821和Asn822)组成的环(即活性环)的中间，活性环的4个氨基酸残基在结构域相互组合时发挥作用，或者通过形成氢键或者通过范德华力与HECT结构域的N端部分发生作用。但活性环与N端部分之间的作用被一有具有溶解力的通道在N．C铰链处隔开，铰链通过非共价键使HECT结构域的两部分相互联系，其中涉及到的氨基酸残基(Asn603、Ile605、Pro793和Va1794)具有部分保守性。活性环具有比较高的保守性。HECT结构域的N端和C端两部分之间有一个比较宽的裂缝。
N端裂片的靠近裂缝的部分主要是由呈极性和带电荷(总体带负电荷)的氨基酸残基组成，并且其中部分氨基酸残基Arg506、Glu539、Glu550和Asp607具有非常高的保守性，任何一个氨基酸残基的突变都会导致与泛素形成硫酯键的能力降低达90%以上。而C端裂片靠近裂缝的部分是由一些保守的疏水性氨基酸组成，例如：Phe785，Leu814，Pro815，Ala842和Phe849。E6AP的最后6个氨基酸残基(包括Phe)的删除会导致泛素和底物之间异肽键的形成能力的消失，但对泛素和HECTE3s间通过硫酯键联接的中间体形成影响不大。
UbcH7是与E6AP相结合的E2。UbcH7通过N端的0c螺旋和B折叠片层结构一端的环与HECT结构域N端部分的疏水性的凹槽亚结构域相连，并且只有在HECT特异性的E2亚家族中具有保守性的Phe63连接到此凹槽的中心。已有实验证明了此保守性的Phe63决定了HECT特异性的E2亚家族中的E2对HECTE3s的特异性。HECT结构域的N端部分具有保守性，因为此部分在HECTE3催化其与泛素形成硫酯键所需要的。HECT结构域的N端部分具有保守性，因为C端部分的氨基酸残基对于催化泛素与HECTE3之间形成异肽键的酶活性具有重要作用。HECT结构域中具有高度保守性的活性环在N．C界面处的连接对HECTE3s催化自身和泛素形成通过硫酯键联接的中间体具有重要作用。
缺乏HECT结构域的E3s在亚基组成和氨基酸序列上是多样的，但大部分含有与E2相连的RING结构域。RING结构域家族最典型的特点是具有环指结构域(Ringfingerdomain)，RING结构域是此家族具有泛素连接酶作用的重要因素。RINGE3s中RING结构域的氨基酸序列为：Cys．X2．Cys．．Cys．X~_3-His-X23-Cys-X2一Cys-X-C__并且每一环指结构域连有两个锌离子。RINGE3s的E3活性依赖于环指结构域，并通过其与泛素结合酶E2相连。
以前曾有研究表明RING结构域家族的E3(RINGE3s)变构激活泛素结合酶E2从而促进由E2直接催化的底物Lys残基的泛素化。但在与c—Cbl相对应的泛素结合酶UbcH7结构上并没有显著的构象变化，UbcH7的活性位点Cys与RING结构域的氨基酸残基之间的距离最近为15A，表明RING结构域不可能提供与E2的Cys反应的位点，但并不排除c—Cbl可能诱导E2的构象变化或者对E2与泛素相连发挥其他作用。RINGE3S家族包括大量成员，如：原癌基因c—Cbl、SCF、APC和一些IAP家族成员等。现以原癌基因c—Cbl为例阐明其结构及其与E2的相互作用。
c—Cbl在与相应的E2发生作用时主要有两部分发生作用，即酪氨酸激酶结合结构域(tyrosinekinasebindingdomain，TKB结构域)和RING结构域。TKB结构域有1个4H(four-helixbundle)，2个EF手形结构域和1个SH，结构域。RING结构域有1个3条链组成的D折叠片层、1个0c螺旋和两个大环构成，RING结构域通过与两个锌离子螯合稳定其结构。
RING结构域通过氢键和范德华作用锚定在TKB结构域的4H束上，其中涉及RING结构域中的7个氨基酸残基和4H束中的11个氨基酸残基，这些氨基酸残基大都具有保守性，暗示了两个结构域之间相对精确的排布对其行使酶的功能具有重要作用。TKB和RING结构域之间通过一个具保守性的大约40个氨基酸残基的间插序列(被称做连接子)相连，此连接子属于TKB结构域的一整合部分，在c—Cbl的结构方面有重要作用，并且已有实验证明了连接子和TKB界面的完整性对c—Cbl的E3活性是必须的。
在c.Cbl中RING结构域和连接子的螺旋结构与E2相连，但主要依靠RING结构域与E2相连。RING结构域中有一个由它的0c螺旋和两个与锌离子螯合的环构成的浅槽，与E2的大部分联系都是在此凹槽处发生。但连接子的螺旋结构通过界面含有的呈极性的氨基酸残基和带电荷的氨基酸残基与E2的特定氨基酸形成分子间的氢键，并且连接子也与E2发生相互作用，这可能帮助解释了某些RINGE3s与E2相连还需要一些多肽链的辅助。目前已经发现C—Cbl和其相对应的E2的特异性主要取决于c．Cbl的Trp408和I1e383以及其对应的E2的Phe63。因此相对应于c—Cbl的Trp408和Ile383和E2的Phe63位置的氨基酸残基侧链的性质决定了RINGE3s对特定E2的偏爱性。尽管RINGE3s中RING结构域是泛素连接酶活性所必须的，但并不是所有含有RING结构域的蛋白质都具有RINGE3的活性。例如：家蚕核多角体病毒中有6种编码含有RING结构域的蛋白质，但只有其中的3种被证明具有RINGE3活性。另外3种无活性原因可能是因为其RING结构域中无与E2连接所需要的凹槽结构。并且此实验组还证明了锌离子是RINGE3s具酶活性所必需的，因为环指结构域维持其特定的构象需要锌离子。
RING家族E3一E2复合物的作用机制还不是很清楚，人们曾经认为RINGE3s通过别构激活泛素结合酶E2从而促进由E2直接催化的底物Lys残基的泛素化，但在与c—Cbl相对应的泛素结合酶UbcH7结构上并没有显著的构象变化。RINGE3s的一功能是招募E2和底物，因此它可以通过增加E2周围底物的有效浓度促进底物的泛素化。因此人们提出了一假说，认为E2在其在E3连接部位精确安置对E3的活性有重要作用。目前已有很多实验表明RINGE3s的功能可能不只是招募E2和底物，也可能对底物泛素化位点的选择有作用，即RINGE3作为骨架使E2和底物达到最佳定位以便完成泛素由E2转移到底物特定位点的修饰。
结构特点及其可能作用机制
U—box家族的泛素连接酶E3是真核细胞蛋白质翻译后质量控制所必需的。此类蛋白质的c端都包含一个大约70个氨基酸残基的从酵母菌到人类具保守性的U—box结构域，U—box的三维结构类似于RING结构域家族泛素连接酶E3s的RING结构域，是此类型的泛素连接酶酶活性所必需的。U—box蛋白家族的泛素连接酶E3开始被认为是一个多聚泛素链的装配因子E4，在与E1、E2和E3的共同作用下催化靶蛋白多聚泛素链的形成。
后来被证明是泛素连接酶E3的一种新的类型，而其促进多聚泛素链的装配反应了特定泛素连接酶E3的酶活性。U-box家族的泛素连接酶E3的作用机制开始认为和Hect家族的作用机制类似：通过U—boxdomain与泛素结合酶E2相连，然后与泛素形成通过硫酯键结合的中间复合体，最后催化靶蛋白的多聚泛素化修饰。但是__此家族E3的U．box结构域内部没有保守的Cys残基，甚至此家族的有些成员在U．box结构域中根本不含任何Cys残基。因此这种作用机制不成立。事实上此蛋白质家族是通过U．box结构域与泛素结合酶E2相互作用从而将泛素直接从泛素结合酶E2转移到靶蛋白将其泛素化修饰。实验发现所有哺乳动物类型的U．box蛋白都与分子伴侣或分子伴侣协作因子相互作用，例如：此家族的泛素连接酶CHIP可以与Hsc/Hsp70相互作用。说明U．box结构域E3s可能通过与分子伴侣发生作用来识别未折叠或错误折叠的蛋白质。U．box结构域E3s作为受体调节未折叠或错误折叠的蛋白质降解，从而对蛋白质的质量控制起着重要作用。
靶蛋白通过被泛素途径的酶E2或E3识别而被泛素化修饰，通常是通过识别靶蛋白的特定Lys残基而将泛素连接到靶蛋白上。有时对靶蛋白的识别还需要特定位点的磷酸化并且要达到一定的磷酸化阈值。除此之外还有另外两种识别机制，即N．end规则和一种新的区别于N．end规则的N端氨基酸残基识别机制。N．end规则一般是针对于不稳定的蛋白质而言(若N端第一个氨基酸是Phe、Leu、Trp、Tyr、Ile、Arg、Lys和His等时此蛋白质为不稳定蛋白质)，泛素系统识别靶蛋白N端的不稳定氨基酸，然后将泛素连接到靶蛋白特定或非特定的Lys残基的￡氨基基团上。
区别于N．end规则的N端氨基酸残基识别机制一般是针对于某些N端并不是不稳定氨基酸残基的靶蛋白，泛素系统识别靶蛋白N端氨基酸序列蕴涵的泛素化修饰信息从而将靶蛋白泛素化标记。对于此种识别机制，LYS残基不是必须，靶蛋白中所有Lys残基被剔除后仍然被泛素化修饰降解，但与野生型相比泛素化修饰率偏低；与此相对应的是N端氨基酸残基的去除则导致此蛋白质不能被泛素化修饰。此结果说明了此种识别机制中是N端氨基酸残基而不是靶蛋白中的Lys残基决定了靶蛋白的泛素化修饰。
但保留靶蛋白的N端氨基酸残基而将N端氨基酸序列中的一个或某几个氨基酸残基替换也会导致靶蛋白不能被泛素化修饰，此结果说明了是N端氨基酸序列而不是N端第一个氨基酸蕴涵了靶蛋白的泛素化修饰信息。通常靶蛋白的特异性是由E2或E3决定的，但现在发现多聚泛素链连接蛋t(multiubiquitinchainbindingproteins，MCBPs)可以将靶蛋白招募到蛋白酶体，并且对泛素蛋白酶系统特异性选择靶蛋白起一定作用。
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