Imbalance of protein homeostasis (proteostasis) is known to cause cellular malfunction, cell death, and diseases. Elaborate regulation of protein synthesis and degradation is one of the important processes in maintaining normal cellular functions. Protein degradation pathways in eukaryotes are largely divided into proteasome-mediated degradation and lysosome-mediated degradation. Proteasome is a multisubunit complex that selectively degrades 80% to 90% of cellular proteins. Proteasome-mediated degradation can be divided into 26S proteasome (20S proteasome + 19S regulatory particle) and free 20S proteasome degradation. In 1980, it was discovered that during ubiquitination process, wherein ubiquitin binds to a substrate protein in an ATP-dependent manner, ubiquitin acts as a degrading signal to degrade the substrate protein via proteasome. Conversely, 20S proteasome degrades the substrate protein without using ATP or ubiquitin because it recognizes the oxidized and structurally modified hydrophobic patch of the substrate protein. To date, most studies have focused on protein degradation via 26S proteasome. This review describes the 26S/20S proteasomal pathway of protein degradation and discusses the potential of proteasome as therapeutic targets for cancer treatment as well as against diseases caused by abnormalities in the proteolytic system.
The ubiquitin-proteasome system is one of the major protein turnover mechanisms that plays important roles in the regulation of a variety of cellular functions. It is composed of E1 (ubiquitin-activating enzyme), E2 (ubiquitin-conjugating enzyme), and E3 ubiquitin ligases that transfer ubiquitin to the substrates that are subjected to degradation in the 26S proteasome. The Skp1, Cullin, F-box protein (SCF) E3 ligases are the largest E3 gene family, in which the F-box protein is the key component to determine substrate specificity. Although the SCF E3 ligase and its F-box proteins have been extensively studied in the model yeast Saccharomyces cerevisiae, only limited studies have been reported on the role of F-box proteins in other fungi. Recently, a number of studies revealed that F-box proteins are required for fungal pathogenicity. In this communication, we review the current understanding of F-box proteins in pathogenic fungi.
Proteolysis in eukaryotic cells is mainly mediated by the ubiquitin (Ub)-proteasome system (UPS) and the autophagy-lysosome system (hereafter autophagy). The UPS is a selective proteolytic system in which substrates are recognized and tagged with ubiquitin for processive degradation by the proteasome. Autophagy is a bulk degradative system that uses lysosomal hydrolases to degrade proteins as well as various other cellular constituents. Since the inception of their discoveries, the UPS and autophagy were thought to be independent of each other in components, action mechanisms, and substrate selectivity. Recent studies suggest that cells operate a single proteolytic network comprising of the UPS and autophagy that share notable similarity in many aspects and functionally cooperate with each other to maintain proteostasis. In this review, we discuss the mechanisms underlying the crosstalk and interplay between the UPS and autophagy, with an emphasis on substrate selectivity and compensatory regulation under cellular stresses.
Nam, Taewook;Han, Jong Hyun;Devkota, Sushil;Lee, Han-Woong
Molecules and Cells
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v.40
no.12
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pp.897-905
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2017
Cellular protein homeostasis is maintained by two major degradation pathways, namely the ubiquitin-proteasome system (UPS) and autophagy. Until recently, the UPS and autophagy were considered to be largely independent systems targeting proteins for degradation in the proteasome and lysosome, respectively. However, the identification of crucial roles of molecular players such as ubiquitin and p62 in both of these pathways as well as the observation that blocking the UPS affects autophagy flux and vice versa has generated interest in studying crosstalk between these pathways. Here, we critically review the current understanding of how the UPS and autophagy execute coordinated protein degradation at the molecular level, and shed light on our recent findings indicating an important role of an autophagy-associated transmembrane protein EI24 as a bridging molecule between the UPS and autophagy that functions by regulating the degradation of several E3 ligases with Really Interesting New Gene (RING)-domains.
The ubiquitin-proteasome system (UPS) and autophagy are two major degradative pathways of proteins in eukaryotic cells. As about 30% of newly synthesized proteins are known to be misfolded under normal cell conditions, the precise and timely operation of the UPS and autophagy to remove them as well as their tightly controlled regulation, is so important for proper cell function and survival. In the UPS, target proteins are labeled by small proteins called ubiquitin, which are then transported to the proteasome complex for degradation. Alternatively, many greatly damaged proteins are believed to be delivered to the lysosome for autophagic degradation. Although these autophagy and UPS pathways have not been considered to be directly related, many recent studies proposed their close link and dynamic interconversion. In this review, we'll focus on the several regulatory molecules that function in both UPS and autophagy and their crosstalk. Among the proposed multiple modulators, we will take a closer look at the so-called main connector of UPS-autophagy regulation, p62. Last, the functional role of p62 in the mitophagy and its implication for the pathogenesis of Parkinson's disease, one of the major neurodegenerative diseases, will be briefly reviewed.
Plants are constantly exposed to a variety of abiotic stresses, such as drought, heat, cold, flood, and salinity. To survive under such unfavorable conditions, plants have evolutionarily developed their own resistant-mechanisms. For several decades, many studies have clarified specific stress response pathways of plants through various molecular and genetic studies. In particular, it was recently discovered that ubiquitin proteasome system (UPS), a regulatory mechanism for protein turn over, is greatly involved in the stress responsive pathways. In the UPS, many E3 ligases play key roles in recognizing and tethering poly-ubiquitins on target proteins for subsequent degradation by the 26S proteasome. Here we discuss the roles of RING ligases that have been defined in related to abiotic stress responses in plants.
A new strategy for cancer therapy has emerged during the past decade based on molecular targets that are less likely to be essential in all cells in the body, therefore confer a wider therapeutic window than traditional cytotoxic drugs which mechanism of action is to inhibit essential cellular functions. Exceptional heterogeneity and adaptability of cancer impose significant challenges in oncology drug discovery, and the concept of complex tumor biology has led the framework of developing many anticancer therapeutics. Protein kinases are the most pursued targets in oncology drug discovery. To date, 12 small molecule kinase inhibitors have been approved by US Food and Drug Administration, and many more are in clinical development. With demonstrated clinical efficacy of bortezomib, ubiquitin proteasome and ubiquitin-like protein conjugation systems are also emerging as new therapeutic targets in cancer therapy. In this review, strategies of targeted cancer therapies with inhibitors of kinases and proteasome systems are discussed. Combinational cancer therapy to overcome drug resistance and to achieve greater treatment benefit through the additive or synergistic effects of each individual agent is also discussed. Finally, the opportunities in the future cancer therapy with molecularly targeted anticancer therapeutics are addressed.
Type 2 diabetes mellitus (T2DM) has contributed to advanced breast cancer development over the past decades. However, the mechanism underlying this contribution is poorly understood. In this study, we determined that high glucose enhanced proteasome activity was accompanied by enhanced proliferation, migration and invasion, as well as suppressed apoptosis, in human breast cancer MCF-7 cells. Proteasome inhibitor bortezomib (BZM) pretreatment mitigated high glucose-induced MCF-7 cell growth and invasion. Furthermore, high glucose increased protein kinase C delta ($PKC{\delta}$)-phosphorylation. Administration of the specific $PKC{\delta}$ inhibitor rottlerin attenuated high glucose-stimulated cancer cell growth and invasion. In addition, $PKC{\delta}$ inhibition by both rottlerin and $PKC{\delta}$ shRNA significantly suppressed high glucose-induced proteasome activity. Our results suggest that $PKC{\delta}$-dependent ubiquitin proteasome system activation plays an important role in high glucose-induced breast cancer cell growth and metastasis.
Seo, Jun Ho;Park, Chun Il;Kim, Se Joo;Kang, Jee In
Anxiety and mood
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v.15
no.2
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pp.122-126
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2019
Objective : Dynamic proteolysis, through the ubiquitin-proteasome system, is an important molecular mechanism for the constant regulation of synaptic plasticity and stress responses in humans. In this study, we examined whether genetic variants in the ubiquitin-specific peptidase (USP) genes were associated with psychological traits of resilience and susceptibility to neuropsychiatric disorders for each gender. Methods : A total of 344 Korean healthy youths (190 males, 154 females) were included in the study. A genotyping of rs2241646 of USP2 and rs346006 of USP46 was performed. The Connor-Davidson Resilience Scale and Brief Fear of Negative Evaluation Scale were administered for measuring trait resilience and social anxiety, respectively. The genetic associations of the USP variants were tested using multiple analyses of covariance with psychological traits as dependent variables after controlling for age in each gender. Results : For USP2 rs2241646, women with the TT genotype showed significantly higher resilience and lower social anxiety, as compared to those carrying the C allele. There were no associations between USP46 rs346005 and the psychological traits in both genders. Conclusions : The present study showed a possible genetic association between the USP2 rs2241646 and stress resilience and trait anxiety in women. The findings suggest that ubiquitin-proteasome system may be related to the resilience and susceptibility to stress-related neuropsychiatric disorders such as anxiety disorders, possibly through the regulation of dynamic proteolysis responses to stress.
Ubiquitin is relatively modest in size but involves almost entire cellular signaling pathways. The primary role of ubiquitin is maintaining cellular protein homeostasis. Ubiquitination regulates the fate of target proteins using the proteasome- or autophagy-mediated degradation of ubiquitinated substrates, which can be either intracellular or foreign proteins from invading pathogens. Legionella, a gram-negative intracellular pathogen, hinders the host-ubiquitin system by translocating hundreds of effector proteins into the host cell's cytoplasm. In this review, we describe the current understanding of ubiquitin machinery from Legionella. We summarize structural and biochemical differences between the host-ubiquitin system and ubiquitin-related effectors of Legionella. Some of these effectors act much like canonical host-ubiquitin machinery, whereas others have distinctive structures and accomplish non-canonical ubiquitination via novel biochemical mechanisms.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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