Introducción del traductor
Al principio, mi motivación para traducir este artículo fue porque estaba bien escrito, lo que me dio la idea de compartir una buena historia. Pero es más fácil decirlo que hacerlo. Diversas terminologías profesionales, sumadas a mi bajo nivel de japonés, retrasaron la traducción de este breve artículo. A pesar de mis mejores esfuerzos, todavía no estoy seguro de la autoridad del contenido. Es mejor que lo trates como una historia; deja de explicar los detalles correctamente. Si echamos la vista atrás al descubrimiento de la ubiquitina, no se pueden ignorar dos estudios innovadores. El primer descubrimiento de la ubiquitina se remonta a medio siglo. En 1953, Simpson utilizó isótopos radiactivos que eran populares en ese momento para realizar experimentos metabólicos y publicó el artículo "La descomposición de proteínas en células biológicas requiere energía metabólica, es decir, la hidrólisis de ATP". Sin embargo, esta investigación trascendental fue ignorada durante mucho tiempo. En la visión mundial de la termodinámica de esa época, la reacción de hidrólisis era una reacción de productividad. A diferencia de las reacciones de síntesis que requieren energía, este proceso no requería energía. Otro estudio fundamental fue el artículo de Goldberg et al. (1977), que informó que los fenómenos observados por Simpson se reproducían en tubos de ensayo. Este documento despertó a Simpson de su sueño en la planta baja de la biblioteca. Goldberg et al. informaron que agregar ATP al extracto de reticulocitos promovió significativamente la descomposición de proteínas, es decir, el consumo de energía estuvo acompañado por la descomposición de proteínas. La selección de reticulocitos es única en este hallazgo. Goldberg et al. notaron que cuando los reticulocitos finalmente se diferencian en eritrocitos, las proteínas del núcleo celular, los orgánulos, los lisosomas y otras células que ya no son necesarios se descomponen rápidamente dentro de la célula. Es decir, en los reticulocitos con síntesis de proteínas activa, su descomposición. La actividad también es muy alta. Se puede decir que esta elección lo determina todo. De hecho, si no se añadiera ATP al extracto de reticulocitos y el experimento de Simpson se observara in vitro, el descubrimiento de la ubiquitina podría tener que esperar muchos años. El descubrimiento de la proteólisis dependiente de ATP in vivo sugiere un posible mecanismo bioquímico.
Los estudios anteriores y otros fenómenos increíbles sobre la degradación de proteínas están empezando a atraer la atención de la gente. A principios de la década de 1960, se descubrieron los lisosomas, orgánulos llenos de enzimas hidrolíticas y, por tanto, se los consideró el principal órgano de degradación de proteínas. Sin embargo, la destrucción no selectiva de los lisosomas es difícil de explicar la contradicción entre proteínas individuales con diferente duración de vida y niveles de expresión en los orgánulos. Pero en aquel momento era sólo una opinión minoritaria y poco a poco fue desapareciendo. Pero en la década de 1970, con el desarrollo de inhibidores de la función lisosomal, las células tratadas con estos agentes todavía presentaban una degradación continua de las proteínas, lo que sugiere la existencia de un sistema de degradación de las proteínas diferente al de los lisosomas. Basándose en estas observaciones, en ese momento se le denominó "sistema de degradación de proteínas no lisosomal". Pronto, este "sistema de degradación de proteínas no lisosomal" y el "sistema de degradación de proteínas dependiente de ATP" antes mencionado se fusionaron en uno solo.
Para mantener el pH ácido en lisosomas y orgánulos se requiere energía metabólica, pero esta energía proviene de la acción de la bomba de ATP de membrana, lo cual es completamente consistente con el mecanismo de consumo de energía en el citoplasma observado por Goldberg. et al. De hecho, la degradación de proteínas en procariotas sin orgánulos como E. coli también requiere energía metabólica, lo que aclara que las enzimas proteolíticas dependientes de ATP y los sistemas lisosomales existen independientemente unos de otros. Luego, se descubrió en E. coli la enzima Lon, una enzima proteolítica dependiente de ATP (una enzima multifuncional con una estructura de enzima proteolítica serina y enzima bomba de ATP). Basándose en su experiencia con la enzima Lon, Goldberg et al. creían firmemente que las enzimas proteolíticas dependientes de ATP también existen en las células eucariotas. El equipo de Goldberg que descubrió y estableció el sistema de reticulocitos en ese momento también tenía absoluta confianza en encontrar el mecanismo dependiente de ATP. Sin embargo, el programa tuvo un giro inesperado que les robó la gloria que buscaban, y fueron las superestrellas Hershko y Varshavsky quienes destrozaron los sueños del equipo de Goldberg.
Del descubrimiento del APF-1 al descubrimiento de la ubiquitina
A finales de los años 1960, Hershko informó sobre la tirosina inducida por esteroides en el laboratorio Tomkin, famoso por defender las "enzimas inducibles". "La vida media de la transferasa ácida se acorta significativamente y su catabolismo requiere energía.
En 1971, regresó a su Israel natal para continuar su investigación sobre la degradación de proteínas. En 1977, se inspiró en el "sistema de descomposición de proteínas dependiente de ATP" de los reticulocitos utilizado por Goldberg et al., y colaboró con Ciechanover, que era un estudiante de posgrado en ese momento, para descubrir su mecanismo. Utilizaron métodos químicos para aislar y purificar factores relacionados con la fase en extractos de reticulocitos. Pronto, en 1978, se obtuvo la "Fase 1" mediante el método de la celulosa y la "Fase 2" mediante adsorción y salinización en alta concentración. Afortunadamente, estas operaciones son métodos de análisis bioquímicos de rutina que eliminan grandes cantidades de hemoglobina de los glóbulos rojos. El efecto promotor del ATP es casi invisible solo en las fases 1 y 2, pero cuando se mezclan las dos, se puede observar el efecto promotor del ATP. Este resultado demostró que la vía de descomposición de proteínas dependiente de ATP es compleja y se publicó en forma de artículo informativo en BBRC (1978). Consideran este pequeño documento como su mayor logro e incluso lo mencionan a menudo en sus discursos actuales.
Poco después, el factor proteolítico dependiente de ATP (APF-1) se purificó con éxito en la etapa 1. APF-1 es una proteína de molécula pequeña con buena estabilidad térmica. Se especuló que el APF-1 era un activador desconocido de las enzimas proteolíticas de fase 2, y se utilizó el APF-1 marcado con I125 para detectar moléculas que interactúan con él. Sin embargo, los resultados revelaron un fenómeno sorprendente. El 125I-APF-1 aparece en forma de escaleras de polímero, lo que aclara la necesidad de esta reacción de modificación en la reacción de hidrólisis del ATP. Ahora bien, este fenómeno es natural como fenómeno de poliubiquitinación, pero no es difícil imaginar su sorpresa en ese momento. Contrariamente a las expectativas originales, en 1980 se pensaba que APF-1 era el producto de la unión de proteínas sustrato con energía gastada.
Ahora es necesario introducir la historia de la investigación de la ubiquitina. Al principio, en 1975, Goldstein pensó que se trataba del descubrimiento de la hormona del timo, pero pronto quedó claro que se trataba simplemente de una sustancia mezclada en la muestra, es decir, la ubiquitina fue "descubierta por error molecular". Pero fue durante esta investigación que se acuñó el nombre "ubiquitina", que se ha transmitido a lo largo de la historia. Para enfatizar que esta sustancia es ubicua en todos los tejidos y células, es decir, su universalidad, Goldstein et al. En 1977, Goldknopf y Busch identificaron la ubiquitina como una molécula unida a su cadena isopeptídica en la histona 2A del cromosoma. Este artículo "La unión del enlace de valencia de la ubiquitina y la proteína * * *" aporta luz para dilucidar el mecanismo de reacción de la modificación de la ubiquitina. Luego, en 1980, Hershko y sus colegas demostraron que APF-1 y ubiquitina eran la misma sustancia. Se confirmó una vez más la función de la ubiquitina.
La hipótesis de la ubiquitina de Hershko
Pronto Hershko y Ciechanover propusieron la hipótesis de que la ubiquitina juega un papel fundamental en la degradación de las proteínas: la ubiquitina pasa a través de E1 (enzima activadora), E2 (enzima de unión) La multi -etapa de reacción de la enzima) y E3 (ligasa) se une a la proteína objetivo con una valencia * * * La mayoría de las moléculas de ubiquitina son dendríticas, formando cadenas de poliubiquitina. Las cadenas de poliubiquitina se convierten en un signo de ataque de enzima proteolítica. Esta "hipótesis de la ubiquitina" fue posteriormente ampliamente promovida. El punto clave de esta hipótesis es que se requiere energía metabólica para la activación de la ubiquitina. Conceptualmente, el ATP se consume en la formación de señales para la degradación de proteínas. Esta hipótesis es completamente diferente del concepto de enzimas proteolíticas dependientes de ATP predicho por Goldberg et al. Esta explicación del mecanismo de descomposición de proteínas dependiente de energía es nada menos que un rayo caído del cielo. Cabe señalar que todos esta serie de estudios se obtuvieron mediante métodos bioquímicos y no tuvieron nada que ver con la tecnología de biología molecular en auge en ese momento.
Durante los cinco años anteriores a que Hershko y Ciechanover propusieran la hipótesis de la ubiquitina, no hubo competidores, lo cual era extremadamente raro en tiempos de paz. Por supuesto, esto también está relacionado con el hecho de que a todos les resultaba difícil creer en este "fenómeno impensable" en ese momento, y la gente siempre dudaba de la credibilidad de sus suposiciones. Este es también un ejemplo típico de originalidad que alcanza un estado de trascendencia. Pero este tipo de originalidad es demasiado alta, lo que a menudo trae algunas desgracias. Debido a que va más allá del sentido común, revistas de talla mundial como Nature y Science no creyeron en sus hallazgos y se negaron a publicarlos durante mucho tiempo.
Los estudios genéticos de Varshavsky
Varshavsky y sus colegas hicieron la mayor contribución a la demostración de la función in vitro del sistema de ubiquitina.
Tuvieron muchos estudiantes (Finley, Jantsch, Hochstrasse, etc.) y todavía están activos como líderes en este mundo. En 1977, Varshavsky se trasladó del Instituto de Cromosomas de Moscú, la antigua Unión Soviética, al Instituto Tecnológico de Massachusetts en Boston. En aquella época estudiaba principalmente los cromosomas. Debido a esta relación, notó los informes de Goldknopf y Busch sobre la modificación de la ubiquitina y estudió las funciones relacionadas con los cromosomas de la histona H2A ubiquitinada. Aprovechando esto como una oportunidad, alrededor de 1980, Varshavsky comenzó a utilizar tecnología de genética inversa en levaduras en ciernes para estudiar el sistema de ubiquitina. Luego se aislaron uno a uno los genes de levadura correspondientes a E1, E2, E3 y otros grupos de enzimas identificados por Hershey Biochemistry. Estos estudios dilucidarán la función de las cadenas de ubiquitina como señales de descomposición reales dentro de las células, al tiempo que eliminan del texto los supuestos de la "hipótesis de la ubiquitina". A través de una serie de estudios genéticos, han obtenido muchos resultados de estudios prospectivos relacionados con el sistema de ubiquitina. . Esta serie de artículos publicados en las revistas "Nature", "Science" y "Cell" tardó cinco años en barrer el mundo de la descomposición de proteínas. Teniendo en cuenta el impacto de su investigación en las generaciones futuras, su trabajo es muy encomiable.
El descubrimiento de las enzimas proteolíticas
Como ejemplo maravilloso, la hipótesis de la ubiquitina todavía tiene un defecto importante desde la perspectiva de un mecanismo de descomposición de proteínas dependiente de energía, es decir, la modificación de la ubiquitina. un dispositivo que consume ATP. En 1983, los autores y Goldberg defendieron la "teoría de la degradación de proteínas en dos etapas dependiente de ATP" al demostrar que la degradación de proteínas modificadas con ubiquitina todavía requiere la hidrólisis de ATP. Es decir, aunque se ha demostrado que es correcto el concepto de que la ubiquitina como marcador del ataque de enzimas proteolíticas es un mecanismo de unión de señales dependiente de energía, de hecho, la descomposición de las proteínas después de la modificación de la ubiquitina todavía requiere energía. El punto clave de esta hipótesis es que, como segundo mecanismo molecular de consumo de ATP, los eucariotas y los procariotas tienen la misma enzima proteolítica dependiente de ATP. Esto significa que antes de que apareciera la ubiquitina, la mitad de las predicciones de Goldberg eran correctas. Este razonamiento llevó al descubrimiento de enzimas proteolíticas dependientes de ATP llamadas proteosomas. El cuerpo proteolítico apareció por primera vez en una revista científica en 1988, pero su estructura molecular no se comprendió hasta más de 10 años después. La razón por la que lleva tanto tiempo es que este cuerpo enzimático es el agregado molecular más grande y complejo de la historia de las ciencias biológicas, con un peso molecular de 2,5 millones y un total de 100 subunidades.
La enzima proteolítica es un nuevo tipo de enzima que es conceptualmente completamente diferente de las enzimas proteolíticas conocidas. Su descubrimiento se puede llamar una serie de televisión. Como una de las partes involucradas en el descubrimiento de esta enzima y su posterior progreso en la investigación, desafortunadamente no podré contar la historia del descubrimiento de las enzimas proteolíticas aquí, pero los lectores interesados pueden visitar mi página de inicio personal.
Convergencia de la investigación biológica de la ubiquitina
Este artículo solo cuenta la historia del descubrimiento de la ubiquitina y es difícil resumir el progreso de la investigación de la ubiquitina en unas pocas frases. Los rápidos avances en la biología de los sistemas de descomposición de proteínas dependientes de la ubiquitina han llevado al descubrimiento de un número cada vez mayor de enfermedades y pacientes relacionados. Este artículo describe sólo un ejemplo de investigación que fue precursora de su descubrimiento biológico. En 1980, un equipo japonés (el profesor Masato Yamada, profesor emérito de la Universidad de Tokio, etc.) aisló una célula mutante sensible a la temperatura, ts85, que podía inducir una coagulación cromosómica anormal, e informó que cuando las células se cultivaban a temperatura ilimitada , modificación Desaparición de la ubiquitina de la histona H2A. Varshavsky, que estaba estudiando la ubiquitinación de histonas en ese momento, notó este artículo, obtuvo células ts85, demostró que había una mutación en la enzima activadora de ubiquitina E1 en las células ts85 y usó esta célula para demostrar que la ubiquitina está involucrada en la descomposición de las histonas cortas. -proteínas vivas. Este informe de 1984 fue el primer artículo histórico sobre la función fisiológica del sistema de ubiquitina intracelular. Al mismo tiempo, el estudio de las células ts85 se ha convertido en un medio importante para estudiar la importancia de la ubiquitina en el control del ciclo celular.
En 1983, Hunt descubrió la ciclina (CyclinB) en la proteína, que cambia periódicamente durante la división celular. Luego, en 1991, el equipo de Hershko y Kirschner publicaron de forma independiente artículos relacionados con el ciclo de descomposición de CyclinB y el sistema de descomposición de proteínas dependiente de ubiquitina, abriendo una nueva página en la investigación del ciclo celular. Luego, Hershko utilizó métodos bioquímicos para aislar la ligasa E3 de ubiquitinación CyclinB y la llamó ciclosoma.
Este nombre un tanto exagerado proviene de CyclinB, que puede detectar la ubiquitinación, que es muy diferente a 20S. Pero al principio el cuerpo del anillo fue visto con sospecha. "¿Podría la enzima E3 ser un producto de la membrana celular u otras moléculas desconocidas?" Espera, hay un sinfín de preguntas. En 1996 ocurrió un incidente que disipó por completo estas dudas. Varios grupos de investigación diferentes a nivel internacional han demostrado la estructura molecular del cuerpo del anillo, también conocido como APC (complejo promotor de fase tardía). Los resultados muestran que APC es un enorme complejo molecular compuesto por 10 subunidades. Ahora bien, esta enzima es APC/C, y luego el profesor Tsuhiro Yanagida y Kim Nasmyth de la Universidad de Kyoto identificaron la subunidad APC/C y sus moléculas diana en la mayoría de los casos aislando genomas de levadura que fueron inducidos de manera anormal en cromosomas separados. Este fue un evento decisivo que demostró la importancia de los sistemas de descomposición de proteínas dependientes de ubiquitina en el control del ciclo celular. Este resultado revela el misterio de la coagulación anormal de los cromosomas en las células ts85 a una temperatura inadmisible y también permite estudiar la fase M del ciclo celular, es decir, el mecanismo de distribución de los cromosomas, hasta alcanzar el nivel molecular. La importancia del sistema de ubiquitina será cada vez más importante en futuros estudios del ciclo celular. En particular, el descubrimiento de nuevas ubiquitina ligasas como SCF y Mdm2, y los estudios sobre ellas, han confirmado el papel central de la degradación de proteínas dependiente de ubiquitina en la regulación de los puntos de control durante la progresión suave del ciclo celular. Estos resultados establecieron el concepto de que el ciclo celular está controlado por la fosforilación de proteínas y la proteólisis está controlada por la ubiquitina, lo que se ha considerado el mayor logro en la investigación del cáncer en los últimos años.
Más tarde, el estudio de la ubiquitina
Han pasado 20 años desde que Finley, Ciechanover y Varshavsky publicaran un artículo “La ubiquitina está relacionada con la degradación de proteínas intracelulares” en la revista Cell en 1984. En 2004, para conmemorar este descubrimiento, la revista Cell publicó un artículo sobre los recuerdos del implicado. Según lo que Pickart recuerda de este descubrimiento, había menos de 100 artículos relacionados con la ubiquitina en 1984 y más de 1.000 en 2003. Esto también refleja el rápido desarrollo de la investigación sobre la ubiquitina. Además, en las principales revistas "Nature", "Science" y "Cell" en el campo de las ciencias biológicas, en cada número se publican "temas especiales sobre la ubiquitina". La investigación sobre la ubiquitina sigue desarrollándose rápidamente y no ha disminuido. La ubiquitina-proteasoma es un medio razonable para determinar que muchas reacciones biológicas en el cuerpo pueden ocurrir de manera rápida, secuencial, instantánea y en una dirección. Se usa ampliamente en el ciclo celular, la apoptosis, la regulación metabólica, la respuesta inmune, la transmisión de señales y la regulación transcripcional. , gestión de la calidad y estrés Se ha convertido en un hecho inquebrantable que muchas áreas de las ciencias de la vida, como la reacción y la reparación del ADN, desempeñan un papel central.
La investigación sobre la ubiquitina también ha conseguido resultados inesperados. Por ejemplo, la investigación sobre la ubiquitinación de histonas mencionada al principio también aclaró que la ubiquitina tiene funciones distintas a la degradación de proteínas. Por ejemplo, se ha demostrado que la ubiquitina desempeña un papel como molécula de señalización en la selección de agua potable celular, transporte de vesículas, sistemas de reciclaje de material intracelular como la gemación viral o la reparación del ADN, control de traducción y señalización. Para poner otro ejemplo, hay muchas moléculas similares a la ubiquitina (proteínas similares a la ubiquitina) en las células, que forman de forma independiente un enorme "sistema de modificación postraduccional de proteína a proteína". Pueden controlar la amplificación de genes a través de información genética y pueden realizar funciones que los motivos genéticos no tienen. Aún más sorprendente es que el genoma relacionado con la ubiquitina representa entre el 2 y el 3% del número total de genes. La ubiquitina es en realidad una proteína común y corriente.
Hershko, Ciechanover y Varshavsky recibieron el premio Albert Lasker en 2000 por su descubrimiento de la ubiquitina. La conferencia de verano de Faseb "Ubiquitina y degradación de proteínas", iniciada por ershko, Goldberg y Varshavsky, hizo una enorme contribución al progreso de la investigación sobre la ubiquitina. La primera sesión se celebró en 1989 y posteriormente se celebró cada dos años. La octava sesión se celebró en 2004. En la primera sesión, los participantes fueron principalmente los tres grandes hombres mencionados anteriormente y sus discípulos. Sólo una pequeña reunión de investigadores de ubiquitina. Ahora esta situación ha cambiado y más de la mitad de los participantes son jóvenes investigadores que no conozco. Además, desde 2003, los seminarios "Casa en todas partes" organizados por la CSH se celebrarán alternativamente cada año. Además, en 2005 se celebrará en Clermont-Ferrand (Francia) el sexto taller sobre proteasomas. Además de estas conferencias internacionales periódicas, los talleres Keystone y los talleres EMBO suelen celebrar reuniones irregulares sobre el tema de la ubiquitina.
A juzgar por estas circunstancias, la ubiquitina se encuentra ahora en un período de vigoroso desarrollo. Pero, lamentablemente, todavía se desconoce cómo será el mundo después del clímax. ¿Puede realmente traer buenas noticias para la comprensión de la vida, o seguimos vagando en el misterioso abismo? Personalmente, no espero vivir mucho, pero en un momento en el que la investigación sobre la ubiquitina está viendo el fin del mundo, quiero decir adiós a este mundo.