Chemistry 版 (精华区)

发信人: Appolo (want come back my friends ), 信区: Chemistry
标  题: The Nobel Prize in Chemistry 2004 – Information for the Public
发信站: BBS 哈工大紫丁香站 (Wed Oct  6 19:00:02 2004)

The Nobel Prize in Chemistry 2004 – Information for the Public
6 October 2004

The Laureates   

Aaron Ciechanover   
Technion (Israel Institute of 
Technology)
Rappaport Institute
1 Efron Street
P.O. Box 9697
Haifa 31096
Israel Israeli citizen. Born 1947 (57 years) in Haifa, Israel. Doctor's degree
 in medicine in 1981 at the Technion (Israel Institute of Technology), Haifa. 
Professor at the Unit of Biochemistry and Director of the Rappaport Family Ins
titute for Research in Medical Sciences at the Technion, Haifa, Israel.  


Avram Hershko   
Technion (Israel Institute of Technology)
Rappaport Institute
1 Efron Street
P.O. Box 9697
Haifa 31096
Israel Israeli citizen. Born 1937 (67 years) in Karcag, Hungary. Doctor's degr
ee in medicine in 1969 at the Hadassah Medical School of the Hebrew University
, Jerusalem. Distinguished Professor at the Rappaport Family Institute for Res
earch in Medical Sciences at the Technion, Haifa, Israel. 


Irwin Rose   
Dept. of Physiology and Biophysics
College of Medicine
University of California, Irvine
Irvine, CA 92697
USA American citizen. Born 1926 (78 years) in New York, USA. Doctor's degree i
n in 1952 at the University of Chicago, USA. Specialist at the Department of P
hysiology and Biophysics, College of Medicine, University of California, Irvin
e, USA. 

http://photo.sohu.com/20041006/Img222356211.jpg

两位以色列科学家和一位美国科学家分享了2004年的诺贝尔化学奖。其实，他们的主要工作——发现泛素调节的蛋白质降解，是在20世纪70年代到80年代间完成的。

　　三位科学家中最年轻的阿龙·切哈诺沃于1947年出生在以色列城市海法。1981年，他在海法的以色列工学院获得医学博士学位，目前他在这所工学院的医学科学研究所担任教授。而阿夫拉姆·赫什科是1937年出生在匈牙利考尔曹格的犹太后裔，目前也是以色列公民。他1969年在耶路撒冷的希伯来大学获得医学博士学位，此后一直与切哈诺沃在以色列工学院共事。

　　这三位获奖科学家中，最年长的美国科学家欧文·罗斯今年已78岁。他1952年在芝加哥大学获得博士学位，曾经主持位于美国费城的福克斯·蔡斯癌症研究中心的工作，目前他在加利福尼亚大学欧文分校担任专家职务。

　　早在1942年，科学家们就已发现了蛋白质分子的降解现象，其中赫什科也属于早期探索者之一，但这个阶段他们一直把研究方向瞄准三磷酸腺苷（ＡＴＰ）的作用。

　　20世纪70年代至80年代间，切哈诺沃与赫什科曾在罗斯主持的福克斯·蔡斯癌症研究中心做访问学者。在这期间，他们联名发表了一系列论文，揭示了泛素调节的蛋白质降解机理，指明了蛋白质降解研究的方向。

　　三位科学家在1979年12月10日一期美国《全国科学院学报》上连续发表的两篇文章，被诺贝尔化学奖评选委员会称为“突破性成果”，并奠定了他们获得诺贝尔奖的基础。




A human cell contains some hundred thousand different proteins. These have num
erous important functions: as accelerators of chemical reactions in the form o
f enzymes, as signal substances in the form of hormones, as important actors i
n the immune defence and by being responsible for the cell's form and structur
e. This year's Nobel Laureates in chemistry, Aaron Ciechanover, Avram Hershko 
and Irwin Rose, have contributed ground-breaking chemical knowledge of how the
 cell can regulate the presence of a certain protein by marking unwanted prote
ins with a label consisting of the polypeptide ubiquitin. Proteins so labelled
 are then broken down – degraded – rapidly in cellular "waste disposers" cal
led proteasomes.

Animation (Plug in requirement: Flash Player 6) »

Through their discovery of this protein-regulating system Aaron Ciechanover, A
vram Hershko and Irwin Rose have made it possible to understand at molecular l
evel how the cell controls a number of very important biochemical processes su
ch as the cell cycle, DNA repair, gene transcription and quality control of ne
wly-produced proteins. New knowledge of this form of controlled protein death 
has also contributed to explaining how the immune defence functions. Defects i
n the system can lead to various diseases including some types of cancer.

 

Proteins labelled for destruction
Degradation needs no energy – or does it?
While great attention and much research have been spent on understanding how t
he cell controls the synthesis of a certain protein – at least five Nobel Pri
zes have been awarded in this area – the reverse, the degradation of proteins
, has long been considered less important. A number of simple protein-degradin
g enzymes were already known. One example is trypsin, which in the small intes
tine breaks down proteins in our food to amino acids. Likewise, a type of cell
 organelle, the lysosome, in which proteins absorbed from outside are broken d
own, had long been studied. Common to these processes is that they do not requ
ire energy in order to function.

Experiments as long ago as the 1950s showed, however, that the breakdown of th
e cell's own proteins does require energy. This long puzzled researchers, and 
it is precisely this paradox that underlies this year's Nobel Prize in Chemist
ry: that the breakdown of proteins within the cell requires energy while other
 protein degradation takes place without added energy. A first step towards an
 explanation of this energy-dependent protein degradation was taken by Goldber
g and his co-workers who in 1977 produced a cell-free extract from immature re
d blood cells, reticulocytes, which catalyse the breakdown of abnormal protein
s in an ATP-dependent manner (ATP = adenosine triphosphate – the cell's energ
y currency).

Using such an extract Aaron Ciechanover, Avram Hershko and Irwin Rose, in a se
ries of epoch-making biochemical studies in the late 1970s and early 1980s, su
cceeded in showing that protein degradation in cells takes place in a series o
f step-wise reactions that result in the proteins to be destroyed being labell
ed with the polypeptide ubiquitin. This process enables the cell to break down
 unwanted proteins with high specificity, and it is this regulation that requi
res energy. As distinct from reversible protein modifications such as phosphor
ylation (Nobel Prize in Physiology or Medicine 1992), regulation through polyu
biquitination is often irreversible since the target protein is destroyed. Muc
h of the work was done during a series of sabbatical leaves that Avram Hershko
 and Aaron Ciechanover of Haifa University spent with Irwin Rose at the Fox Ch
ase Cancer Center in Philadelphia, USA.

The label is ubiquitin
The molecule that would later prove to be the label that marks out a protein f
or degradation was isolated as early as 1975. This 76-amino-acid-long polypept
ide was isolated from calf sweetbread and was assumed to participate in the ma
turation of white blood cells. Since the molecule was subsequently found in nu
merous different tissues and organisms – but not in bacteria – it was given 
the name ubiquitin (from Latin ubique, "everywhere") (fig. 1).

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/chempub1low.gif

The discovery of ubiquitin-mediated protein degradation
After taking his doctorate, Avram Hershko had studied energy-dependent protein
 degradation in liver cells, but decided in 1977 to transfer to the reticulocy
te extract described above. This extract contained large quantities of haemogl
obin, which upset the experiments. In their attempts to remove the haemoglobin
 using chromatography, Aaron Ciechanover and Avram Hershko discovered that the
 extract could be divided into two fractions, each inactive on its own. But it
 turned out that as soon as the two fractions were recombined, the ATP-depende
nt protein degradation restarted. In 1978 the researchers reported that the ac
tive component of one fraction was a heat-stable polypeptide with a molecular 
weight of only 9000 which they termed APF-1 (active principle in fraction 1). 
This protein later proved to be ubiquitin.

The decisive breakthrough in the research was reported in two works that Ciech
anover, Hershko and Rose published in 1980. Until that time the function of AP
F-1 was entirely unknown. In the first work it was shown that APF-1 was bound 
covalently, i.e. with a very stable chemical bond, to various proteins in the 
extract.

In the second work it was further shown that many APF-1 molecules could be bou
nd to the same target protein; the latter phenomenon was termed polyubiquitina
tion. We now know that this polyubiquitination of substrate proteins is the tr
iggering signal that leads to degradation of the protein in the proteasome. It
 is this reaction that constitutes the actual labelling, the "kiss of death" i
f you will.

At a stroke, these entirely unanticipated discoveries changed the conditions f
or future work: it now became possible to concentrate on identifying the enzym
e system that binds ubiquitin to its target proteins. Since ubiquitin occurs s
o generally in various tissues and organisms, it was quickly realised that ubi
quitin-mediated protein degradation must be of general significance for the ce
ll. In addition, the researchers guessed that the energy requirement in the fo
rm of ATP enabled the cell to control the specificity of the process.

The field was now open and between 1981 and 1983 Ciechanover, Hershko, Rose an
d their post docs and students developed "the multistep ubiquitin-tagging hypo
thesis" based on three newly-discovered enzyme activities they termed E1, E2 a
nd E3 (fig. 2). We now know that a typical mammalian cell contains one or a fe
w different E1 enzymes, some tens of E2 enzymes and several hundred different 
E3 enzymes. It is the specificity of the E3 enzyme that determines which prote
ins in the cell are to be marked for destruction in the proteasomes. 

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/chempub2low.gif

 
High resolution image (jpeg 383 kB) 
Fig 2. Ubiquitin-mediated protein degradation

The E1 enzyme activates the ubiquitin molecule. This reaction requires energy 
in the form of ATP. 
The ubiquitin molecule is transferred to a different enzyme, E2. 
The E3 enzyme can recognise the protein target which is to be destroyed. The E
2-ubiquitin complex binds so near to the protein target that the actual ubiqui
tin label can be transferred from E2 to the target. 
The E3 enzyme now releases the ubiquitin-labelled protein. 
This last step is repeated until the protein has a short chain of ubiquitin mo
lecules attached to itself. 
This ubiquitin chain is recognised in the opening of the proteasome. The ubiqu
itin label is disconnected and the protein is admitted and chopped into small 
pieces. 
 
All the studies up to this point had been done in cell-free systems. To be abl
e to study the physiological function of ubiquitin-mediated protein degradatio
n as well, Avram Hershko and his co-workers developed an immunochemical method
. By using antibodies to ubiquitin, ubiquitin-protein-conjugate could be isola
ted from cells where the cell proteins had been pulse-labelled with a radioact
ive amino acid not present in ubiquitin. The results showed that cells really 
break down faulty proteins using the ubiquitin system, and we now know that up
 to 30% of the newly-synthesised proteins in a cell are broken down via the pr
oteasomes since they do not pass the cell's rigorous quality control.

The proteasome – the cell's waste disposer
What is a proteasome? A human cell contains about 30,000 proteasomes: these ba
rrel-formed structures can break down practically all proteins to 7-9-amino-ac
id-long peptides. The active surface of the proteasome is within the barrel wh
ere it is shielded from the rest of the cell. The only way in to the active su
rface is via the "lock", which recognises polyubiquitinated proteins, denature
s them with ATP energy and admits them to the barrel for disassembly once the 
ubiquitin label has been removed. The peptides formed are released from the ot
her end of the proteasome. Thus the proteasome itself cannot choose proteins; 
it is chiefly the E3 enzyme that does this by ubiquitin-labelling the right pr
otein for breakdown (fig. 3).

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/chempub3low.gif

 
 English 
Swedish 
 

  
High resolution image (jpeg 187 kB) 
Fig 3. The cell's waste disposer, the proteasome. The black spots indicate act
ive, protein-degrading surfaces. 

 

More recent research
While the biochemical mechanisms underlying ubiquitin-labelled protein degrada
tion were laid bare around 1983 its physiological significance had not yet bee
n fully understood. That it is of importance in destroying defective intracell
ular proteins was known but, to proceed, a mutated cell was needed in the ubiq
uitin system. By studying in detail how the mutated cell differs from a normal
 cell under various growth conditions, it was hoped to gain a better idea of w
hat reactions in the cell depend on the ubiquitin system.

A mutated mouse cell had been isolated in 1980 by a research group in Tokyo. T
heir mouse-cell mutant contained a protein that, because of the mutation, was 
sensitive to temperature. At lower temperatures the protein functioned as it s
hould, but not at higher. Cells cultured at the higher temperature stopped gro
wing. In addition, they showed defective DNA synthesis and other erroneous fun
ctions at the higher temperature. Researchers in Boston quickly showed that th
e heat-sensitive protein in the mutant mouse cell was the ubiquitin-activating
 enzyme E1. Obviously, ubiquitin activation was necessary for the cell to func
tion and reproduce itself at all. Controlled protein breakdown was not only im
portant for degrading incorrect proteins in the cell but it probably also took
 part in control of the cell cycle, DNA replication and chromosome structure.


Since the late 1980s a number of physiologically important substrates for ubiq
uitin-mediated protein breakdown have been identified. Only a few of the most 
important will be mentioned here.

Prevention of self-pollination in plants
Most plants are bisexual, hermaphroditic. Self-pollination leads to a gradual 
decline in genetic diversity which in the long run can cause the whole species
 to die out. To prevent this, plants use ubiquitin-mediated degradation to rej
ect "own" pollen. The exact mechanism has not yet been clarified but the E3 en
zyme has been encountered and when proteasome inhibitors have been introduced,
 the rejection has been impaired.

 

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/chempub4low.gif

 
 English 
Swedish 
 


 
Regulation of the cell cycle
When a cell is to make a copy of itself, many chemical reactions are involved.
 In a human being, six thousand million base pairs must be duplicated in DNA. 
These are gathered in 23 chromosome pairs that must be copied. Ordinary cell d
ivision, mitosis, and the formation of sex cells, meiosis, have many points of
 contact with the subjects of this year's Nobel Prize. The E3 enzyme responsib
le, a protein complex termed the "anaphase-promoting complex" (APC) checks tha
t the cell goes out of mitosis. This enzyme complex has also proved to play an
 important role in the separation of the chromosomes during mitosis and meiosi
s. A different protein complex acts like a rope around the chromosome pair, ho
lding it together. At a given signal, the APC labels an inhibitor of a certain
 protein-degrading enzyme, whereupon the inhibitor is carried to the proteasom
e and destroyed. The enzyme is released, is activated and cuts the rope around
 the chromosome pair. Once the rope is gone, the chromosome pair can be separa
ted. Incorrect chromosome division during meiosis is the commonest cause of spontaneous
 miscarriage during pregnancy, and an extra chromosome 21 in humans leads to D
own's syndrome. Most malignant tumours have cells with changed numbers of chro
mosomes as a result of incorrect chromosome division during mitosis.

 
 
  
High resolution image (jpeg 230 kB) 

 

DNA repair, cancer and programmed cell death
Protein p53 has been dubbed "the guardian of the genome" and it is a tumour-su
ppressor gene. This means that as long as a cell can produce p53 the developme
nt of cancer is hampered. Sure enough, the protein is mutated in at least 50% 
of all human cancer. The amount of protein p53 in a normal cell is low in cons
equence of continual production and breakdown. The breakdown is regulated thro
ugh ubiquitination and the E3 enzyme responsible forms a complex with protein 
p53. Following DNA injury, protein p53 is phosphorylated and can no longer bin
d to its E3 enzyme. The breakdown stops and the quantity of p53 in the cell ri
ses rapidly. Protein p53 acts as a transcription factor, i.e. a protein that c
ontrols the expression of a certain gene. Protein p53 binds to and controls ge
nes that regulate DNA repair and programmed cell death. Raised levels of prote
in p53 lead first to interruption of the cell cycle to allow time for repair o
f DNA damage. If the damage is too extensive the cell triggers programmed cell
 death and "commits suicide".

Infection with human papilloma virus correlates strongly to the occurrence of 
cervical cancer. The virus avoids the protein p53 control function through one
 of its proteins activating and changing the recognition pattern of a certain 
cellular E3 enzyme, E6-AP, which is tricked into ubiquitinating the protein p5
3, which is totally destroyed. In consequence of this the infected cell can no
 longer repair DNA damage in a normal manner or trigger programmed cell death.
 The DNA mutations increase in number and this can ultimately lead to the deve
lopment of cancer. 

Immune and inflammatory reactions
A certain transcription factor regulates many of the genes in the cell that ar
e important for immune defence and inflammatory reactions. This protein, the t
ranscription factor, occurs bound to an inhibitor protein in the cytoplasm of 
the cell, and the bound form of the transcription factor lacks activity. When 
cells are exposed to bacteria or various signal substances, the inhibitor prot
ein is phosphorylated, and this results in its being ubiquitinated and broken 
down in the proteasome. The released transcription factor is transported to th
e cell nucleus where it binds to, and activates the expression of, specific ge
nes. 

The ubiquitin-proteasome system also produces the peptides that are presented 
by the immune defence on the surface of a virus-infected cell by breaking down
 virus proteins to suitable sizes. T lymphocytes recognise these peptides and 
attack the cell as an important part of our defence against virus infections.


Cystic fibrosis (CF)
The hereditary disease cystic fibrosis, CF, is caused by a non-functioning pla
sma membrane chloride channel called CFTR, the "cystic fibrosis transmembrane 
conductance regulator". Most CF patients have one and the same genetic damage,
 loss of the amino acid phenylalanine in the CFTR protein. The mutation causes
 faulty folding of the protein and this in turn leads to the protein being ret
ained in the cell's control system for protein quality. This system ensures th
at the incorrectly folded protein is destroyed through ubiquitin-mediated prot
ein breakdown instead of being transported out to the cell wall. A cell with n
o functioning chloride channel can no longer transport chloride ions through i
ts wall. This affects secretion in, among other organs, the lungs and leads to
 the accretion of thick phlegm in the lungs which impairs their function, grea
tly increasing the risk of infection.

The ubiquitin system has become an interesting area of research for medicines 
against various diseases. Such preparations can be aimed at components of the 
ubiquitin-mediated breakdown system to prevent the degradation of specific pro
teins. They can also be designed to cause the system to destroy unwanted prote
ins. A medicine already being tested clinically is the proteasome inhibitor Ve
lcade (PS341) which is used against multiple myeloma, a cancer disease that af
fects the body's antigen-producing cells.

This year's Laureates have explained the molecular background to a protein reg
ulation system of great importance for all higher cells. New cell functions co
ntrolled by ubiquitin-mediated protein degradation are being discovered all th
e time and this research is being conducted in numerous laboratories all over 
the world.




※ 修改:·Appolo 於 Oct  6 22:35:59 2004 修改本文·[FROM: 159.226.37.11]
※ 来源:·哈工大紫丁香 http://bbs.hit.edu.cn·[FROM: 159.226.37.11]