Протеасома

Cartoon representation of a proteasome. Its active sites are sheltered inside the tube (blue). The caps (red; in this case, 11S regulatory particles) on the ends regulate entry into the destruction chamber, where the protein is degraded.

Top view of the proteasome above.

Протеасомы -это белковые комплексы , меченные убиквитин , которые разлагают белки , , протеолизом химическая реакция , которая разбивает пептидные связи . Ферменты , которые помогают таким реакциям, называются протеазами .

Протеасомы являются частью основного механизма, с помощью которого клетки регулируют концентрацию конкретных белков и разлагают неправильно свернутые белки . Белки помечены для деградации небольшим белком, называемым убиквитином . Реакция мечения катализируется ферментами, называемыми убиквитин -лигазами . Как только белок помечен одной молекулой убиквитина, это сигнал для других лигаз для прикрепления дополнительных молекул убиквитина. Результатом является цепь полиубиквитина , которая связана протеасомой, позволяющая ей разгромить мечевой белок. Процесс деградации дает пептиды длиной около семи до восьми аминокислот , которые затем могут быть дополнительно разлагаются в более короткие аминокислотные последовательности и используются для синтеза новых белков.

Протеасомы встречаются во всех эукариотах и ​​археи , а также в некоторых бактериях . У эукариот протеасомы расположены как в ядре , так и в цитоплазме .

In structure, the proteasome is a cylindrical complex containing a "core" of four stacked rings forming a central pore. Each ring is composed of seven individual proteins. The inner two rings are made of seven β subunits that contain three to seven protease active sites. These sites are located on the interior surface of the rings, so that the target protein must enter the central pore before it is degraded. The outer two rings each contain seven α subunits whose function is to maintain a "gate" through which proteins enter the barrel. These α subunits are controlled by binding to "cap" structures or regulatory particles that recognize polyubiquitin tags attached to protein substrates and initiate the degradation process. The overall system of ubiquitination and proteasomal degradation is known as the ubiquitin–proteasome system.

The proteasomal degradation pathway is essential for many cellular processes, including the cell cycle, the regulation of gene expression, and responses to oxidative stress. The importance of proteolytic degradation inside cells and the role of ubiquitin in proteolytic pathways was acknowledged in the award of the 2004 Nobel Prize in Chemistry to Aaron Ciechanover, Avram Hershko and Irwin Rose.

Discovery

Before the discovery of the ubiquitin–proteasome system, protein degradation in cells was thought to rely mainly on lysosomes, membrane-bound organelles with acidic and protease-filled interiors that can degrade and then recycle exogenous proteins and aged or damaged organelles. However, work by Joseph Etlinger and Alfred L. Goldberg in 1977 on ATP-dependent protein degradation in reticulocytes, which lack lysosomes, suggested the presence of a second intracellular degradation mechanism. This was shown in 1978 to be composed of several distinct protein chains, a novelty among proteases at the time. Later work on modification of histones led to the identification of an unexpected covalent modification of the histone protein by a bond between a lysine side chain of the histone and the C-terminal glycine residue of ubiquitin, a protein that had no known function. It was then discovered that a previously identified protein associated with proteolytic degradation, known as ATP-dependent proteolysis factor 1 (APF-1), was the same protein as ubiquitin. The proteolytic activities of this system were isolated as a multi-protein complex originally called the multi-catalytic proteinase complex by Sherwin Wilk and Marion Orlowski. Later, the ATP-dependent proteolytic complex that was responsible for ubiquitin-dependent protein degradation was discovered and was called the 26S proteasome.

Much of the early work leading up to the discovery of the ubiquitin proteasome system occurred in the late 1970s and early 1980s at the Technion in the laboratory of Avram Hershko, where Aaron Ciechanover worked as a graduate student. Hershko's year-long sabbatical in the laboratory of Irwin Rose at the Fox Chase Cancer Center provided key conceptual insights, though Rose later downplayed his role in the discovery. The three shared the 2004 Nobel Prize in Chemistry for their work in discovering this system.

Although electron microscopy data revealing the stacked-ring structure of the proteasome became available in the mid-1980s, the first structure of the proteasome core particle was not solved by X-ray crystallography until 1994. In 2018, the first atomic structures of the human 26S proteasome holoenzyme in complex with a polyubiquitylated protein substrate were solved by cryogenic electron microscopy, revealing mechanisms by which the substrate is recognized, deubiquitylated, unfolded and degraded by the human 26S proteasome.

Structure and organization

Schematic diagram of the proteasome 20S core particle viewed from one side. The α subunits that make up the outer two rings are shown in green, and the β subunits that make up the inner two rings are shown in blue.

The proteasome subcomponents are often referred to by their Svedberg sedimentation coefficient (denoted S). The proteasome most exclusively used in mammals is the cytosolic 26S proteasome, which is about 2000 kilodaltons (kDa) in molecular mass containing one 20S protein subunit and two 19S regulatory cap subunits. The core is hollow and provides an enclosed cavity in which proteins are degraded; openings at the two ends of the core allow the target protein to enter. Each end of the core particle associates with a 19S regulatory subunit that contains multiple ATPase active sites and ubiquitin binding sites; it is this structure that recognizes polyubiquitinated proteins and transfers them to the catalytic core. An alternative form of regulatory subunit called the 11S particle can associate with the core in essentially the same manner as the 19S particle; the 11S may play a role in degradation of foreign peptides such as those produced after infection by a virus.

20S core particle

"20S" redirects here. For the decade, see 20s.

The number and diversity of subunits contained in the 20S core particle depends on the organism; the number of distinct and specialized subunits is larger in multicellular than unicellular organisms and larger in eukaryotes than in prokaryotes. All 20S particles consist of four stacked heptameric ring structures that are themselves composed of two different types of subunits; α subunits are structural in nature, whereas β subunits are predominantly catalytic. The α subunits are pseudoenzymes homologous to β subunits. They are assembled with their N-termini adjacent to that of the β subunits. The outer two rings in the stack consist of seven α subunits each, which serve as docking domains for the regulatory particles and the alpha subunits N-termini (Pfam PF10584) form a gate that blocks unregulated access of substrates to the interior cavity. The inner two rings each consist of seven β subunits and in their N-termini contain the protease active sites that perform the proteolysis reactions. Three distinct catalytic activities were identified in the purified complex: chymotrypsin-like, trypsin-like and peptidylglutamyl-peptide hydrolyzing. The size of the proteasome is relatively conserved and is about 150 angstroms (Å) by 115 Å. The interior chamber is at most 53 Å wide, though the entrance can be as narrow as 13 Å, suggesting that substrate proteins must be at least partially unfolded to enter.

In archaea such as Thermoplasma acidophilum, all the α and all the β subunits are identical, whereas eukaryotic proteasomes such as those in yeast contain seven distinct types of each subunit. In mammals, the β1, β2, and β5 subunits are catalytic; although they share a common mechanism, they have three distinct substrate specificities considered chymotrypsin-like, trypsin-like, and peptidyl-glutamyl peptide-hydrolyzing (PHGH). Alternative β forms denoted β1i, β2i, and β5i can be expressed in hematopoietic cells in response to exposure to pro-inflammatory signals such as cytokines, in particular, interferon gamma. The proteasome assembled with these alternative subunits is known as the immunoproteasome, whose substrate specificity is altered relative to the normal proteasome. Recently an alternative proteasome was identified in human cells that lack the α3 core subunit. These proteasomes (known as the α4-α4 proteasomes) instead form 20S core particles containing an additional α4 subunit in place of the missing α3 subunit. These alternative 'α4-α4' proteasomes have been known previously to exist in yeast. Although the precise function of these proteasome isoforms is still largely unknown, cells expressing these proteasomes show enhanced resistance to toxicity induced by metallic ions such as cadmium.

19S regulatory particle

The 19S particle in eukaryotes consists of 19 individual proteins and is divisible into two subassemblies, a 9-subunit base that binds directly to the α ring of the 20S core particle, and a 10-subunit lid. Six of the nine base proteins are ATPase subunits from the AAA Family, and an evolutionary homolog of these ATPases exists in archaea, called PAN (proteasome-activating nucleotidase). The association of the 19S and 20S particles requires the binding of ATP to the 19S ATPase subunits, and ATP hydrolysis is required for the assembled complex to degrade folded and ubiquitinated proteins. Note that only the step of substrate unfolding requires energy from ATP hydrolysis, while ATP-binding alone can support all the other steps required for protein degradation (e.g., complex assembly, gate opening, translocation, and proteolysis). In fact, ATP binding to the ATPases by itself supports the rapid degradation of unfolded proteins. However, while ATP hydrolysis is required for unfolding only, it is not yet clear whether this energy may be used in the coupling of some of these steps.

Cartoon representation of the 26S proteasome.

In 2012, two independent efforts have elucidated the molecular architecture of the 26S proteasome by single particle electron microscopy. In 2016, three independent efforts have determined the first near-atomic resolution structure of the human 26S proteasome in the absence of substrates by cryo-EM. In 2018, a major effort has elucidated the detailed mechanisms of deubiquitylation, initiation of translocation and processive unfolding of substrates by determining seven atomic structures of substrate-engaged 26S proteasome simultaneously. In the heart of the 19S, directly adjacent to the 20S, are the AAA-ATPases (AAA proteins) that assemble to a heterohexameric ring of the order Rpt1/Rpt2/Rpt6/Rpt3/Rpt4/Rpt5. This ring is a trimer of dimers: Rpt1/Rpt2, Rpt6/Rpt3, and Rpt4/Rpt5 dimerize via their N-terminal coiled-coils. These coiled-coils protrude from the hexameric ring. The largest regulatory particle non-ATPases Rpn1 and Rpn2 bind to the tips of Rpt1/2 and Rpt6/3, respectively. The ubiquitin receptor Rpn13 binds to Rpn2 and completes the base sub-complex. The lid covers one half of the AAA-ATPase hexamer (Rpt6/Rpt3/Rpt4) and, unexpectedly, directly contacts the 20S via Rpn6 and to lesser extent Rpn5. The subunits Rpn9, Rpn5, Rpn6, Rpn7, Rpn3, and Rpn12, which are structurally related among themselves and to subunits of the COP9 complex and eIF3 (hence called PCI subunits) assemble to a horseshoe-like structure enclosing the Rpn8/Rpn11 heterodimer. Rpn11, the deubiquitinating enzyme, is placed at the mouth of the AAA-ATPase hexamer, ideally positioned to remove ubiquitin moieties immediately before translocation of substrates into the 20S. The second ubiquitin receptor identified to date, Rpn10, is positioned at the periphery of the lid, near subunits Rpn8 and Rpn9.

Conformational changes of 19S

The 19S regulatory particle within the 26S proteasome holoenzyme has been observed in six strongly differing conformational states in the absence of substrates to date. A hallmark of the AAA-ATPase configuration in this predominant low-energy state is a staircase- or lockwasher-like arrangement of the AAA-domains. In the presence of ATP but absence of substrate three alternative, less abundant conformations of the 19S are adopted primarily differing in the positioning of the lid with respect to the AAA-ATPase module. In the presence of ATP-γS or a substrate, considerably more conformations have been observed displaying dramatic structural changes of the AAA-ATPase module. Some of the substrate-bound conformations bear high similarity to the substrate-free ones, but they are not entirely identical, particularly in the AAA-ATPase module. Prior to the 26S assembly, the 19S regulatory particle in a free form has also been observed in seven conformational states. Notably, all these conformers are somewhat different and present distinct features. Thus, the 19S regulatory particle can sample at least 20 conformational states under different physiological conditions.

Three distinct conformational states of the 26S proteasome. The conformations are hypothesized to be responsible for recruitment of the substrate, its irreversible commitment, and finally processing and translocation into the core particle, where degradation occurs.

Regulation of the 20S by the 19S

The 19S regulatory particle is responsible for stimulating the 20S to degrade proteins. A primary function of the 19S regulatory ATPases is to open the gate in the 20S that blocks the entry of substrates into the degradation chamber. The mechanism by which the proteasomal ATPase open this gate has been recently elucidated. 20S gate opening, and thus substrate degradation, requires the C-termini of the proteasomal ATPases, which contains a specific motif (i.e., HbYX motif). The ATPases C-termini bind into pockets in the top of the 20S, and tether the ATPase complex to the 20S proteolytic complex, thus joining the substrate unfolding equipment with the 20S degradation machinery. Binding of these C-termini into these 20S pockets by themselves stimulates opening of the gate in the 20S in much the same way that a "key-in-a-lock" opens a door. The precise mechanism by which this "key-in-a-lock" mechanism functions has been structurally elucidated in the context of human 26S proteasome at near-atomic resolution, suggesting that the insertion of five C-termini of ATPase subunits Rpt1/2/3/5/6 into the 20S surface pockets are required to fully open the 20S gate.

Other regulatory particles

"11S" redirects here. Not to be confused with S11 or 11 (plural).

20S proteasomes can also associate with a second type of regulatory particle, the 11S regulatory particle, a heptameric structure that does not contain any ATPases and can promote the degradation of short peptides but not of complete proteins. It is presumed that this is because the complex cannot unfold larger substrates. This structure is also known as PA28, REG, or PA26. The mechanisms by which it binds to the core particle through the C-terminal tails of its subunits and induces α-ring conformational changes to open the 20S gate suggest a similar mechanism for the 19S particle. The expression of the 11S particle is induced by interferon gamma and is responsible, in conjunction with the immunoproteasome β subunits, for the generation of peptides that bind to the major histocompatibility complex.

Yet another type of non-ATPase regulatory particle is the Blm10 (yeast) or PA200/PSME4 (human). It opens only one α subunit in the 20S gate and itself folds into a dome with a very small pore over it.

Assembly

The assembly of the proteasome is a complex process due to the number of subunits that must associate to form an active complex. The β subunits are synthesized with N-terminal "propeptides" that are post-translationally modified during the assembly of the 20S particle to expose the proteolytic active site. The 20S particle is assembled from two half-proteasomes, each of which consists of a seven-membered pro-β ring attached to a seven-membered α ring. The association of the β rings of the two half-proteasomes triggers threonine-dependent autolysis of the propeptides to expose the active site. These β interactions are mediated mainly by salt bridges and hydrophobic interactions between conserved alpha helices whose disruption by mutation damages the proteasome's ability to assemble. The assembly of the half-proteasomes, in turn, is initiated by the assembly of the α subunits into their heptameric ring, forming a template for the association of the corresponding pro-β ring. The assembly of α subunits has not been characterized.

Only recently, the assembly process of the 19S regulatory particle has been elucidated to considerable extent. The 19S regulatory particle assembles as two distinct subcomponents, the base and the lid. Assembly of the base complex is facilitated by four assembly chaperones, Hsm3/S5b, Nas2/p27, Rpn14/PAAF1, and Nas6/gankyrin (names for yeast/mammals). These assembly chaperones bind to the AAA-ATPase subunits and their main function seems to be to ensure proper assembly of the heterohexameric AAA-ATPase ring. To date it is still under debate whether the base complex assembles separately, whether the assembly is templated by the 20S core particle, or whether alternative assembly pathways exist. In addition to the four assembly chaperones, the deubiquitinating enzyme Ubp6/Usp14 also promotes base assembly, but it is not essential. The lid assembles separately in a specific order and does not require assembly chaperones.

Protein degradation process

Ribbon diagram of ubiquitin, the highly conserved protein that serves as a molecular tag targeting proteins for degradation by the proteasome

Ubiquitination and targeting

Further information: Ubiquitin § Ubiquitination

Proteins are targeted for degradation by the proteasome with covalent modification of a lysine residue that requires the coordinated reactions of three enzymes. In the first step, a ubiquitin-activating enzyme (known as E1) hydrolyzes ATP and adenylylates a ubiquitin molecule. This is then transferred to E1's active-site cysteine residue in concert with the adenylylation of a second ubiquitin. This adenylylated ubiquitin is then transferred to a cysteine of a second enzyme, ubiquitin-conjugating enzyme (E2). In the last step, a member of a highly diverse class of enzymes known as ubiquitin ligases (E3) recognizes the specific protein to be ubiquitinated and catalyzes the transfer of ubiquitin from E2 to this target protein. A target protein must be labeled with at least four ubiquitin monomers (in the form of a polyubiquitin chain) before it is recognized by the proteasome lid. It is therefore the E3 that confers substrate specificity to this system. The number of E1, E2, and E3 proteins expressed depends on the organism and cell type, but there are many different E3 enzymes present in humans, indicating that there is a huge number of targets for the ubiquitin proteasome system.

The mechanism by which a polyubiquitinated protein is targeted to the proteasome is not fully understood. A few high-resolution snapshots of the proteasome bound to a polyubiquitinated protein suggest that ubiquitin receptors might be coordinated with deubiquitinase Rpn11 for initial substrate targeting and engagement. Ubiquitin-receptor proteins have an N-terminal ubiquitin-like (UBL) domain and one or more ubiquitin-associated (UBA) domains. The UBL domains are recognized by the 19S proteasome caps and the UBA domains bind ubiquitin via three-helix bundles. These receptor proteins may escort polyubiquitinated proteins to the proteasome, though the specifics of this interaction and its regulation are unclear.

The ubiquitin protein itself is 76 amino acids long and was named due to its ubiquitous nature, as it has a highly conserved sequence and is found in all known eukaryotic organisms. The genes encoding ubiquitin in eukaryotes are arranged in tandem repeats, possibly due to the heavy transcription demands on these genes to produce enough ubiquitin for the cell. It has been proposed that ubiquitin is the slowest-evolving protein identified to date. Ubiquitin contains seven lysine residues to which another ubiquitin can be ligated, resulting in different types of polyubiquitin chains. Chains in which each additional ubiquitin is linked to lysine 48 of the previous ubiquitin have a role in proteasome targeting, while other types of chains may be involved in other processes.

The ubiquitination pathway

Deubiquitylation

Ubiquitin chains conjugated to a protein targeted for proteasomal degradation are normally removed by any one of the three proteasome-associated deubiquitylating enzymes (DUBs), which are Rpn11, Ubp6/USP14 and UCH37. This process recycles ubiquitin and is essential to maintain the ubiquitin reservoir in cells. Rpn11 is an intrinsic, stoichiometric subunit of the 19S regulatory particle and is essential for the function of 26S proteasome. The DUB activity of Rpn11 is enhanced in the proteasome as compared to its monomeric form. How Rpn11 removes a ubiquitin chain en bloc from a protein substrate was captured by an atomic structure of the substrate-engaged human proteasome in a conformation named E_B. Interestingly, this structure also shows how the DUB activity is coupled to the substrate recognition by the proteasomal AAA-ATPase. In contrast to Rpn11, USP14 and UCH37 are the DUBs that do not always associated with the proteasome. In cells, about 10-40% of the proteasomes were found to have USP14 associated. Both Ubp6/USP14 and UCH37 are largely activated by the proteasome and exhibit a very low DUB activity alone. Once activated, USP14 was found to suppress proteasome function by its DUB activity and by inducing parallel pathways of proteasome conformational transitions, one of which turned out to directly prohibit substrate insertion into the AAA-ATPase, as intuitively observed by time-resolved cryogenic electron microscopy. It appears that USP14 regulates proteasome function at multiple checkpoints by both catalytically competing with Rpn11 and allosterically reprogramming the AAA-ATPase states, which is rather unexpected for a DUB. These observations imply that the proteasome regulation may depend on its dynamic transitions of conformational states.

Unfolding and translocation

After a protein has been ubiquitinated, it is recognized by the 19S regulatory particle in an ATP-dependent binding step. The substrate protein must then enter the interior of the 20S subunit to come in contact with the proteolytic active sites. Because the 20S particle's central channel is narrow and gated by the N-terminal tails of the α ring subunits, the substrates must be at least partially unfolded before they enter the core. The passage of the unfolded substrate into the core is called translocation and necessarily occurs after deubiquitination. However, the order in which substrates are deubiquitinated and unfolded is not yet clear. Which of these processes is the rate-limiting step in the overall proteolysis reaction depends on the specific substrate; for some proteins, the unfolding process is rate-limiting, while deubiquitination is the slowest step for other proteins. The extent to which substrates must be unfolded before translocation is suggested to be around 20 amino acid residues by the atomic structure of the substrate-engaged 26S proteasome in the deubiquitylation-compatible state, but substantial tertiary structure, and in particular nonlocal interactions such as disulfide bonds, are sufficient to inhibit degradation. The presence of intrinsically disordered protein segments of sufficient size, either at the protein terminus or internally, has also been proposed to facilitate efficient initiation of degradation.

The gate formed by the α subunits prevents peptides longer than about four residues from entering the interior of the 20S particle. The ATP molecules bound before the initial recognition step are hydrolyzed before translocation. While energy is needed for substrate unfolding, it is not required for translocation. The assembled 26S proteasome can degrade unfolded proteins in the presence of a non-hydrolyzable ATP analog, but cannot degrade folded proteins, indicating that energy from ATP hydrolysis is used for substrate unfolding. Passage of the unfolded substrate through the opened gate occurs via facilitated diffusion if the 19S cap is in the ATP-bound state.

The mechanism for unfolding of globular proteins is necessarily general, but somewhat dependent on the amino acid sequence. Long sequences of alternating glycine and alanine have been shown to inhibit substrate unfolding, decreasing the efficiency of proteasomal degradation; this results in the release of partially degraded byproducts, possibly due to the decoupling of the ATP hydrolysis and unfolding steps. Such glycine-alanine repeats are also found in nature, for example in silk fibroin; in particular, certain Epstein–Barr virus gene products bearing this sequence can stall the proteasome, helping the virus propagate by preventing antigen presentation on the major histocompatibility complex.

Основное представление о частице ядра протеасомы 20S, иллюстрирующей местоположение активных участков . Субъединицы α представлены в виде зеленых сфер и β -субъединиц в виде белковых оснований, окрашенных отдельной полипептидной цепью . Небольшие розовые сферы представляют собой местоположение остатка треонина активного сайта в каждой субъединице. Голубые химические структуры являются ингибитором бортезомиб, связанным с активными участками.

Proteolysis

See also: threonine protease § mechanism

The proteasome functions as an endoprotease. The mechanism of proteolysis by the β subunits of the 20S core particle is through a threonine-dependent nucleophilic attack. This mechanism may depend on an associated water molecule for deprotonation of the reactive threonine hydroxyl. Degradation occurs within the central chamber formed by the association of the two β rings and normally does not release partially degraded products, instead reducing the substrate to short polypeptides typically 7–9 residues long, though they can range from 4 to 25 residues, depending on the organism and substrate. The biochemical mechanism that determines product length is not fully characterized. Although the three catalytic β subunits have a common mechanism, they have slightly different substrate specificities, which are considered chymotrypsin-like, trypsin-like, and peptidyl-glutamyl peptide-hydrolyzing (PHGH)-like. These variations in specificity are the result of interatomic contacts with local residues near the active sites of each subunit. Each catalytic β subunit also possesses a conserved lysine residue required for proteolysis.

Хотя протеасома обычно производит очень короткие пептидные фрагменты, в некоторых случаях эти продукты сами являются биологически активными и функциональными молекулами. Некоторые факторы транскрипции, регулирующие экспрессию специфических генов, в том числе один компонент комплекса NF-κB млекопитающих , синтезируются как неактивные предшественники, чья убиквитинирование и последующая протеасомная деградация превращают их в активную форму. Такая активность требует, чтобы протеасома была внутренне расщеплять белок субстрата, а не обрабатывать его от одного конца. Было высказано предположение, что длинные петли на поверхностях этих белков служат протеасомными субстратами и попадают в центральную полость, в то время как большая часть белка остается снаружи. Аналогичные эффекты наблюдались у дрожжевых белков; Этот механизм селективной деградации известен как регулируемый убиквитин/протеасома, зависящая от обработки (RUP).

Убиквитин-независимая деградация

Хотя большинство протеасомных субстратов должны быть убиквитинированы перед деградацией, существуют некоторые исключения из этого общего правила, особенно когда протеасома играет нормальную роль в пост- трансляционной обработке белка. Протеасомная активация NF-κB путем обработки p105 в p50 через внутренний протеолиз является одним из основных примеров. Некоторые белки, которые предполагают, являются нестабильными из -за внутренних неструктурированных областей, деградируют, независимо от убиквитина. Наиболее известным примером убиквитин-независимой протеасомной субстрата является фермент орнитин декарбоксилаза . что убиквитин-независимые механизмы, нацеленные на ключевые регуляторы клеточного цикла, такие как p53 , хотя p53 также подвержен убиквитин-зависимой деградации. Также сообщалось, Наконец, структурно аномальные, неправильно свернутые или высоко окисленные белки также подвергаются убиквитин-независимой и 19S-независимой деградации в условиях клеточного стресса.

Эволюция

Собранный комплекс HSLV (синий) и HSLU (красный) из E. coli . Считается, что этот комплекс белков теплового шока напоминает предка современной протеасомы.

Протеасома 20 -х годов является повсеместной и важной у эукариот и археи. бактериального , чьи генные продукты представляют собой мультимерную протеазу , порядка Актиномицеталы также имеют гомологи протеасомы 20S, тогда как большинство бактерий обладают теплового шока генами HSLV и HSLU расположенную в двухслойном кольце и атфазе. Был предположил, что белок HSLV напоминает вероятный предок протеасомы 20 -х годов. В целом, HSLV не является необходимым у бактерий, и не все бактерии обладают им, тогда как некоторые протисты обладают как системами 20 -х, так и HSLV. Многие бактерии также обладают другими гомологами протеасомы и ассоциированной АТФазы, особенно CLPP и CLPX . Эта избыточность объясняет, почему система HSLUV не является обязательной.

Анализ последовательности показывает, что каталитические β -субъединицы расходились ранее в эволюции, чем преимущественно структурные α -субъединицы. У бактерий, которые экспрессируют протеасому 20S, β -субъединицы имеют высокую идентичность последовательности для архейных и эукариотических β -субъединиц, тогда как идентичность α -последовательности намного ниже. Присутствие 20S протеасомов у бактерий может быть результатом бокового переноса генов , в то время как диверсификация субъединиц среди эукариот приписывается множественным событиям дупликации генов .

Контроль клеточного цикла

Прогрессирование клеточного цикла контролируется упорядоченным действием циклина-зависимых киназ (CDK), активируемых специфическими циклинами , которые разграничивают фазы клеточного цикла . Митотические циклины, которые сохраняются в клетке в течение всего нескольких минут, имеют один из самых коротких пролетов с жильем всех внутриклеточных белков. После того, как комплекс CDK-циклина выполнил свою функцию, связанный циклин полиубиквитинирован и разрушается протеасомой, которая обеспечивает направленность для клеточного цикла. В частности, выход из митоза требует протеасомной диссоциации регуляторного компонента циклина B из комплекса фактора, способствующего митозу . В клетках позвоночных «проскальзывание» через митотическую контрольную точку, приводящую к преждевременному выходу из M -фазы , может произойти, несмотря на задержку этого выхода на контрольно -пропускной пункте веретена .

Более ранние контрольно-пропускные пункты клеточного цикла, такие как проверка точек после ограничения между G ₁ фазой и S аналогично, включают протеасомную деградацию циклина A , убиквитинирование которой способствует Anaphase Propering Complex E3 (APC), убиквитиновой лигазу . APC и белковой комплекс SKP1/CUL1/F-BOX ( комплекс SCF ) являются двумя ключевыми регуляторами деградации циклина и контроля контрольной точки; Сам SCF регулируется APC посредством убиквитинирования белка адаптера SKP2, который предотвращает активность SCF до перехода G1-S.

Отдельные компоненты частицы 19S имеют свои собственные регулирующие роли. Ганкирин , недавно идентифицированный онкопротеин , является одним из 19S подкомпонентов, которые также жестко связывают циклин-зависимую киназу CDK4 и играет ключевую роль в распознавании убиквитинированной P53 с помощью его сродства к убиквитиновой лигазе MDM2 . Ганкирин является антипоптотическим и , как было показано, сверхэкспрессируется у некоторых типов опухолевых клеток, таких как гепатоцеллюлярная карцинома .

Как и эукариоты, некоторые археи также используют протеасому для контроля клеточного цикла, в частности, путем контроля деления клеток -опосредованного ESCRT -II.

Регулирование роста растений

У растений , передачи сигналов ауксинов , или фитомормонов , которые упорядочивают направление и тропизм роста растений, вызывает нацеливание класса репрессоров транскрипционного фактора, известных как белки AUX/IAA для протеасомной деградации. Эти белки убиквитинируются SCFTIR1 или SCF в комплексе с рецептором ауксина TIR1. Деградация белков AUX/IAA Дерепрессирует транскрипционные факторы в семействе фактора ауксин-ответ (ARF) и индуцирует экспрессию генов, направленную ARF. Клеточные последствия активации ARF зависят от типа растения и стадии развития, но участвуют в направлении роста корней и вен листьев. Считается, что специфический ответ на арф -дерепрессию опосредован специфичностью в спаривании отдельных белков ARF и AUX/IAA.

Апоптоз

Как внутренние, так и внешние сигналы могут привести к индукции апоптоза или запрограммированной гибели клеток. Полученная деконструкция клеточных компонентов в первую очередь выполняется специализированными протеазами, известными как каспазы , но протеасома также играет важную и разнообразную роль в апоптотическом процессе. Участие протеасомы в этом процессе указывает как увеличение убиквитинирования белка, так и ферментов E1, E2 и E3, которое наблюдается намного до апоптоза. Во время апоптоза также наблюдалось протеасомы в ядре, также наблюдалось, как транспортируется в внешние мембранные пузырьки , характерные для апоптоза.

Ингибирование протеасомы оказывает различное влияние на индукцию апоптоза в разных типах клеток. В целом, протеасома не требуется для апоптоза, хотя ингибирование ее проапоптотической в ​​большинстве типов клеток, которые были изучены. Апоптоз опосредуется путем нарушения регулируемой деградации белков клеточного цикла Pro-роста. Однако некоторые клеточные линии - в частности, первичные культуры покоящихся и дифференцированных клеток , таких как тимоциты и нейроны - не позволяют подвергнуться апоптозу при воздействии ингибиторов протеасом. Механизм этого эффекта не ясен, но предположительно, как специфичный для клеток в покоящихся состояниях или в результате дифференциальной активности проапоптотической киназы JNK . Способность ингибиторов протеасомы вызывать апоптоз в быстро делящихся клетках была использована в нескольких недавно разработанных химиотерапевтических агентах, таких как бортезомиб и салиноспорамид А.

Ответ на клеточный стресс

В ответ на клеточные стрессы, такие как инфекция , тепловой шок или окислительное повреждение , - белки теплового шока экспрессируются , которые идентифицируют неправильно свернутые или развернутые белки и нацелены на их для протеасомной разложения. Как HSP27 , так и HSP90 - белки шаперона были вовлечены в повышение активности системы убиквитин-протеасом, хотя они не являются прямыми участниками процесса. HSP70 , с другой стороны, связывает обнаженные гидрофобные пятна на поверхности неправильно свернутых белков и рекрутирует E3 -убиквитин -лигазы, такие как ChIP, для помещения белков для протеасомной разложения. Белок чипа (карбоксильный термин HSP70-взаимодействующего белка) сам по себе регулируется посредством ингибирования взаимодействия между чипом фермента E3 и его партнером по связыванию E2.

Существуют аналогичные механизмы, чтобы способствовать деградации окислительно поврежденных белков через систему протеасом. В частности, протеасомы, локализованные в ядре, регулируются PARP и активно разлагают ненадлежащие окисленные гистоны . Окисленные белки, которые часто образуют большие аморфные агрегаты в клетке, могут быть разлагаются непосредственно на частицу ядра 20S без регуляторной крышки 19S и не требуют гидролиза или мечения АТФ с помощью убиквитина. Однако высокий уровень окислительного повреждения увеличивает степень сшивания между фрагментами белка, что делает агрегаты устойчивыми к протеолизу. Большие числа и размеры таких высоко окисленных агрегатов связаны со старением .

Дисгуляция системы протеасом убиквитина может способствовать нескольким нейронным заболеваниям. Это может привести к опухолям мозга, таким как астроцитом . При некоторых из последующих нейродегенеративных заболеваний, которые разделяют агрегацию неправильно свернутых белков как общую особенность, такие как болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера , крупные нерастворимые агрегаты неправильно свернутых белков могут образовываться, а затем приводит нейротоксично к Полем Снижение активности протеасом было предложено в качестве причины агрегации и образования тела Льюи в Паркинсоне. Эта гипотеза подтверждается наблюдением, что дрожжи модели Паркинсона более подвержены токсичности от α-синуклеина , основного белкового компонента тел Lewy, в условиях низкой активности протеасом. Нарушение протеасомной активности может лежать в основе когнитивных расстройств, таких как расстройства аутистического спектра , и мышечные и нервные заболевания, такие как миопатия тела включения .

Роль в иммунной системе

Протеасома играет простую, но критическую роль в функции адаптивной иммунной системы . Пептидные антигены отображаются с помощью основных белков комплекса гистосовместимости класса I (MHC) на поверхности антиген-презентативных клеток . Эти пептиды представляют собой продукты протеасомной деградации белков, возникающих в результате вторгаемого патогена . Хотя конститутивно экспрессируемые протеасомы могут участвовать в этом процессе, специализированный комплекс, состоящий из белков, экспрессия которых индуцируется гаммой интерферонов , являются основными производителями пептидов, которые являются оптимальными по размеру и составу для связывания MHC. Эти белки, экспрессия которых увеличивается во время иммунного ответа, включают в себя регуляторную частицу 11S, основная известная биологическая роль которых регулирует производство лигандов MHC, и специализированные β -субъединицы, называемые β1i, β2i и β5i с измененной специфичностью субстрата. Комплекс, образованный со специализированными β -субъединицами, известен как иммунопротеасом . Другая субъединица β5i, β5T, экспрессируется в тимусе, что приводит к специфичной тимусу « тимопротеасоме », чья функция пока неясна.

Сила связывания лиганда MHC I-лиганда зависит от состава C-конца лиганда , поскольку пептиды связываются с помощью водородных связей и близкими контактами с областью, называемой «B-карманом» на поверхности MHC. Многие аллели MHC класса I предпочитают гидрофобные С-концевые остатки, а комплекс иммунопротеаса с большей вероятностью генерирует гидрофобные С-конце.

Благодаря своей роли в создании активированной формы NF-κB , антипоптотический и воспалительный регулятор экспрессии цитокинов , протеасомная активность была связана с воспалительными и аутоиммунными заболеваниями . Повышенные уровни активности протеасом коррелируют с активностью заболевания и участвуют в аутоиммунных заболеваниях, включая системную волчанку и ревматоидный артрит .

Протеасома также участвует во внутриклеточных антитело, опосредованных протеолизом вирионов, связанных с антителами. В этом пути нейтрализации TRIM21 (белок семейства трехсторонних мотивов) связывается с иммуноглобулином G , чтобы направить вирион в протеасому, где она разлагается.

Ингибиторы протеасом

Основная статья: ингибитор протеасомы

Химическая структура бортезомиба (боронарованная форма MG132), ингибитор протеасомы, используемый при химиотерапии , который особенно эффективен в отношении множественной миеломы

Бортезомиб связан с частицей ядра в дрожжевой протеасоме. Молекула бортезомиба находится в центре окрашивается типом атома ( углерод = розовый, азот = синий, кислород = красный, бор = желтый), окруженный локальной поверхностью белка. Синий пятно является каталитическим остатком треонина , активность которого заблокирована присутствием бортезомиба.

Ингибиторы протеасомы обладают эффективной антипухогнутой активностью в клеточной культуре , индуцируя апоптоз путем нарушения регулируемой деградации белков клеточного цикла Pro-роста. Этот подход селективного индуцирования апоптоза в опухолевых клетках оказался эффективным в моделях на животных и исследованиях человека.

Lactacystin , натуральный продукт, синтезированный Streptomyces бактериями , был первым непептидным ингибитором протеасом и широко используется в качестве инструмента исследования в области биохимии и клеточной биологии. Lactacystin был лицензирован на миогенцию/профик, который был приобретен Millennium Pharmaceuticals , в настоящее время частью Takeda Pharmaceuticals . Лактацистин ковалентно модифицирует амино-концевой треонин каталитических β-субъединиц протеасомы, особенно субъединицы β5, ответственной за химотрипсин-активность протеасомы. Это открытие помогло установить протеасому как механически новый класс протеазы: аминоконцевая треониновая протеаза .

Bortezomib (Boronated MG132), молекула, разработанная фармацевтическими препаратами Millennium и продаваемой как Velcade, является первым ингибитором протеасом, который достиг клинического использования в качестве химиотерапевтического агента. Бортезомиб используется при лечении множественной миеломы . Примечательно, что множественная миелома приводит к повышению уровней пептидов, полученных из протеасомы, в сыворотке крови , которые снижаются до нормальных уровней в ответ на успешную химиотерапию. Исследования на животных показали, что бортезомиб также может оказывать клинически значимое влияние на рак поджелудочной железы . Доклинические и ранние клинические исследования начали изучать эффективность Bortezomib в лечении других раковых заболеваний, связанных с B -клетками , В частности, некоторые виды неходжкинской лимфомы . Клинические результаты также, по-видимому, оправдывают использование ингибитора протеасомы в сочетании с химиотерапией, для острого лимфобластного лейкоза B-клеток Ингибиторы протеасом могут убивать некоторые виды культивируемых клеток лейкоза, которые устойчивы к глюкокортикоидам.

молекулы Ритонавир , продаваемый как Норвир, был разработан в качестве ингибитора протеазы и использовался для нацеливания на ВИЧ -инфекцию. Тем не менее, было показано, что он ингибирует протеасомы, а также свободные протеазы; Чтобы быть специфическим, ритонавир, похожая на химотрипсин, ингибируется ритонавиром, в то время как активность, подобная трипсину , несколько усилена. Исследования на животных моделях предполагают, что ритонавир может оказывать ингибирующее влияние на рост клеток глиомы .

Ингибиторы протеасомы также показали перспективу при лечении аутоиммунных заболеваний на животных моделях. Например, исследования на мышах с кожными трансплантатами человека обнаружили уменьшение размера поражений от псориаза после лечения ингибитором протеасомы. Ингибиторы также демонстрируют положительные эффекты на грызунов моделях астмы .

Маркировка и ингибирование протеасомы также представляют интерес к лабораторным условиям как для in vitro , так и in vivo исследования протеасомной активности в клетках. Наиболее часто используемыми лабораторными ингибиторами являются лактацистин и пептид альдегид MG132, первоначально разработанные Goldberg Lab. Флуоресцентные ингибиторы также были разработаны, чтобы специально пометить активные участки собранной протеасомы.

Клиническое значение

Протеасома и ее субъединицы имеют клиническое значение, по крайней мере, по двум причинам: (1) нарушенная сложная сборка или дисфункциональная протеасома может быть связана с основной патофизиологией специфических заболеваний, и (2) они могут использоваться в качестве мишеней лекарств для терапевтических вмешательства. Совсем недавно было предпринято больше усилий, чтобы рассмотреть протеасому для разработки новых диагностических маркеров и стратегий. Улучшение и всестороннее понимание патофизиологии протеасомы должно привести к клиническим применениям в будущем.

Протеасомы образуют ключевой компонент для системы убиквитин -протеасом (UPS) и соответствующий контроль качества клеточного белка (PQC). белка Убиквитинирование и последующий протеолиз и деградация протеасомой являются важными механизмами в регуляции клеточного цикла , роста и дифференцировки клеток , транскрипции генов, трансдукции сигнала и апоптоза . Дефекты протеасом приводят к снижению протеолитической активности и накоплению поврежденных или неправильно свернутых белков, которые могут способствовать нейродегенеративному заболеванию, сердечно -сосудистые заболевания, воспалительные реакции и аутоиммунные заболевания, и системные реакции повреждения ДНК, приводящие к злокачественным новообразованиям .

Исследования привели к дефектам UPS в патогенезе нейродегенеративных и миодегенеративных расстройств, включая болезнь Альцгеймера , Болезнь Паркинсона И болезнь Пика , амиотрофический боковой склероз (БАС), Болезнь Хантингтона , Creutzfeldt -Jakob болезнь , и заболевания моторных нейронов, заболевания полиглутамина (полик), мышечная дистрофия и несколько редких форм нейродегенеративных заболеваний, связанных с деменцией . В рамках системы убиквитин -протеасом (UPS), протеасома поддерживает гомеостаз сердечного белка и, следовательно, играет значительную роль в ишемическом повреждении сердца, желудочковая гипертрофия и сердечная недостаточность . Кроме того, накапливаются доказательства того, что UPS играет важную роль в злокачественной трансформации. Протеолиз UPS играет важную роль в реакциях раковых клеток на стимулирующие сигналы, которые имеют решающее значение для развития рака. Соответственно, экспрессия генов путем деградации факторов транскрипции , таких как p53 , c-Jun , c-fos , nf-κB , c-myc , hif-1α, matα2, stat3 , белки, регулируемые стеролом, и андрогенные рецепторы все являются контролируется UPS и, таким образом, участвует в развитии различных злокачественных новообразований. Более того, UPS регулирует деградацию продуктов гена -супрессора опухоли, таких как аденоматозная полипоза Coli (APC) при колоректальном раке, ретинобластома (RB). и супрессор опухоли фон Хиппель-Линдау (VHL), а также ряд протоонкогенов ( RAF , MYC , MYB , REL , SRC , MOS , ABL ). UPS также участвует в регуляции воспалительных реакций. Эта активность обычно объясняется роли протеасомов в активации NF-κB, которая дополнительно регулирует экспрессию PRO-воспалительных цитокинов, таких как TNF-α , IL-β, IL-8 , молекулы адгезии ( ICAM-1 , VCAM-1 , P-Selectin ) и простагландины и оксид азота (нет). Кроме того, UPS также играет роль в воспалительных реакциях в качестве регуляторов пролиферации лейкоцитов, главным образом посредством протеолиза циклов и деградации ингибиторов CDK . Наконец, пациенты с аутоиммунным заболеванием с СКВ , синдромом Шегрена и ревматоидным артритом (РА) преимущественно демонстрируют циркулирующие протеасомы, которые могут применяться в качестве клинических биомаркеров.

Смотрите также

• Карта протеолиза
• Семейство белков DSS1/SEM1
• Экзосомный комплекс
• Эндоплазмак-ретикаллум, связанная с деградацией белка
• Junq и iPod

Дальнейшее чтение

• Glickman MH, Adir N (январь 2004 г.). «Протеасома и тонкий баланс между разрушением и спасением» . PLOS Биология . 2 (1): E13. doi : 10.1371/journal.pbio.0020013 . PMC   314468 . PMID   14737189 .
• Протеасома дрожжей 26 с списком субъединиц и картин
• Ciechanover A (сентябрь 2005 г.). «Ранняя работа над системой протеасомы убиквитина, интервью с Aaron Ciechanover. Интервью CDD» . Гибель клеток и дифференциация . 12 (9): 1167–77. doi : 10.1038/sj.cdd.4401691 . PMID   16094393 .
• Хершко А (сентябрь 2005 г.). «Ранняя работа над системой протеасомы убиквитина, интервью с Avram Hershko. Интервью CDD» . Гибель клеток и дифференциация . 12 (9): 1158–61. doi : 10.1038/sj.cdd.4401709 . PMID   16094391 .
• Роза I (сентябрь 2005 г.). «Ранняя работа над системой протеасомы убиквитина, интервью с Ирвином Роуз. Интервью CDD» . Гибель клеток и дифференциация . 12 (9): 1162–6. doi : 10.1038/sj.cdd.4401700 . PMID   16094392 .
• CVEK B, DVORAK Z (2007). «Целью ядерного фактора-каппаба и протеасомы дитиокарбаматными комплексами с металлами» . Текущий фармацевтический дизайн . 13 (30): 3155–67. doi : 10.2174/138161207782110390 . PMID   17979756 . Архивировано из оригинала 29 июля 2012 года.

Внешние ссылки

• Руководство по номенклатуре по протеасоме
• 3D -протеасомные структуры в банке данных EM (EMDB)
• Ключевые моменты протеасомы архивировали 17 ноября 2020 года на Wayback Machine функции