Proteasomi ( englanniksi proteaasi - proteinaasi ja latinaksi soma - body) on moniproteiinikompleksi , joka tuhoaa tarpeettomat tai vialliset proteiinit proteolyysillä ( kemiallinen reaktio , jossa peptidisidokset katkeavat ) lyhyiksi peptideiksi (4-25 aminohappotähdettä ). Nämä peptidit voidaan sitten pilkkoa yksittäisiksi aminohapoiksi [1] [2] . Proteasomeja on eukaryoottien , arkkien ja joidenkin bakteerien soluissa . Eukaryoottisoluissa proteasomeja löytyy sekä tumasta että sytoplasmasta [3] . 80-90 % solunsisäisistä proteiineista hajoaa proteasomin osallistuessa [2] . Jotta proteasomi pilkkoo kohdeproteiinin, se on leimattava kiinnittämällä siihen pieni ubikvitiiniproteiini . Ubikitiinilisäysreaktiota katalysoivat entsyymit ubikvitiiniligaasit . Ensimmäisen ubikvitiinimolekyylin kiinnittäminen proteiiniin toimii signaalina ubikvitiiniligaasien kiinnittämiseksi edelleen ubikvitiinimolekyyleihin. Tämän seurauksena proteiiniin kiinnittyy polyubikitiiniketju, joka sitoutuu proteasomiin ja saa aikaan kohdeproteiinin pilkkomisen [1] [2] . Yleisesti tätä koko järjestelmää kutsutaan ubikvitiiniriippuvaiseksi proteiinien hajoamiseksi [4] .
Proteasomaalisen proteiinin hajoaminen on tärkeää monille soluprosesseille, mukaan lukien solusykli , geeniekspression säätely ja vaste oksidatiiviseen stressiin [5] . Vuonna 2004 Aaron Ciechanover , Avram Hershko ja Irwin Rose saivat kemian Nobel-palkinnon "ubikitiiniriippuvaisen proteiinien hajoamisen löytämisestä" [6] .
Ennen ubikvitiiniriippuvaisen proteiinien hajoamisjärjestelmän löytämistä uskottiin, että proteiinien hajoaminen solussa tapahtuu pääasiassa lysosomien vuoksi . Lysosomit ovat kalvomaisia organelleja , joiden hapan sisäpuoli sisältää proteaaseja . Ne pystyvät hyödyntämään solun endosytoosin aikana vangitsemia eksogeenisiä proteiineja , kalvoihin liittyviä proteiineja ja vaurioituneita organelleja [1] [2] . Kuitenkin vuonna 1977 Alfred Goldberg osoitti ATP - riippuvaisen proteiinien hajoamisjärjestelmän olemassaolon retikulosyyteissä , joista puuttuu lysosomeja [7] . Tämä viittasi siihen, että on olemassa ainakin yksi solunsisäisen proteiinin pilkkoutumismekanismi. Vuonna 1978 osoitettiin, että vastaava proteaasi koostuu useista polypeptidiketjutyypeistä [ 8] . Lisäksi histonien translaation jälkeisten modifikaatioiden tutkimuksessa löydettiin odottamaton kovalenttinen modifikaatio: C-terminaalisen ubikvitiiniglysiinitähteen , pienen proteiinin, jolla on tuntematon tehtävä , lisäys histonin lysiinin sivuketjuun [9 ] . Havaittiin, että aiemmin kuvattu ATP-riippuvainen proteolyysitekijä 1 ja ubikitiini ovat sama proteiini [10] . Myöhemmin ATP-riippuvainen proteiinikompleksi, joka vastaa ubikvitiinivälitteisestä proteiinien hajoamisesta, eristettiin solulysaatista ja nimettiin 26S-proteasomiksi [11] [12] .
Suuri osa varhaisesta työstä, joka lopulta johti proteasomiproteiinien hajoamisjärjestelmän löytämiseen, tehtiin 1970-luvun lopulla ja 1980-luvun alussa Avram Hershkon laboratoriossa Technionissa , jossa Aaron Ciechanover oli jatko-opiskelija. Hershko kehitti keskeiset käsitteelliset ideat vuoden työskentelyn aikana Irving Rosen laboratoriossa , vaikka Rose myöhemmin vähätteli rooliaan löydössä [13] . Kaikki kolme saivat Nobelin kemian palkinnon vuonna 2004 tämän järjestelmän löytämisestä.
Vaikka elektronimikroskooppisia tietoja, jotka osoittavat, että proteasomin rakenne koostuu useista pinoon pinotuista renkaista, oli saatavilla jo 1980-luvun puolivälissä [14] , proteasomin ydinosan ensimmäinen rakenne koottiin röntgendiffraktion perusteella. tiedot saatiin vasta vuonna 1994 [15] .
Proteasomin komponentit nimetään usein niiden sedimentaatiokertoimien mukaan swedbergeissä (merkitty S-kirjaimella). Proteiinien pilkkomisessa aktiivista proteasomia kutsutaan 26S-proteasomiksi, ja se koostuu tavallisesti 20S-ydinproteasomista ja yhdestä tai kahdesta 19S- (PA700) ja 11S-säätelypartikkelista, jotka kiinnittyvät ydinpartikkelin päihin. Vaikka kahden säätelyhiukkasen kiinnittyminen johtaa tiukasti ottaen proteasomin muodostumiseen, jonka sedimentaatiokerroin on 30S, termiä "30S-proteasomi" ei käytännössä käytetä kirjallisuudessa, ja nimeä "26S-proteasomi" käytetään molempiin. isoformit . 19S-säätelypartikkelin lisäksi 26S-proteasomi voi sisältää myös muita säätelykomponentteja: PA28α/β (11S REG), PA28y (REGy), PA200, PI31 [2] . Jotkut proteasomit sisältävät toisen säätelypartikkelin, 11S:n. Se on vuorovaikutuksessa 20S-partikkelin kanssa samalla tavalla kuin 19S ja voi osallistua vieraiden proteiinien, esimerkiksi virusinfektion aikana syntetisoituneiden proteiinien hajoamiseen [16] .
Proteasomin koko on suhteellisen evoluutiostabiili ja on 150 x 115 angströmiä . Sisäontelon maksimileveys on 53 angströmiä, mutta proteasomin sisäänkäynti voi olla jopa 13 angströmiä, mikä osoittaa, että proteiinin täytyy olla spesifisesti [17] denaturoitu [18] päästäkseen proteasomiin .
Prokaryoottisten ja eukaryoottisten proteasomien 20S-partikkeleilla on pohjimmiltaan identtinen kvaternäärinen rakenne ja ne koostuvat 28 alayksiköstä, jotka on järjestetty neljään seitsemänjäseniseen renkaaseen, jotka on pinottu päällekkäin [2] . Proteasomien alayksiköiden monimuotoisuus riippuu kuitenkin tietystä organismista: alayksiköiden monimuotoisuus on suurempi monisoluisissa organismeissa kuin yksisoluisissa organismeissa ja eukaryooteissa verrattuna prokaryooteihin. Prokaryoottien proteasomit koostuvat 14 kopiosta identtisistä α-alayksiköistä, jotka muodostavat ulkorenkaat, ja 14 kopiosta identtisiä β-alayksiköitä, jotka muodostavat sisärenkaat. Eukaryoottisessa proteasomissa kaikki seitsemän saman renkaan alayksikköä eroavat rakenteeltaan, toisin sanoen proteasomi koostuu kahdesta kopiosta seitsemästä eri α-alayksiköstä ja kahdesta kopiosta seitsemästä eri β-alayksiköstä. Pienistä eroista huolimatta α- ja β-alayksiköt ovat tilarakenteen suhteen kuitenkin hyvin samankaltaisia. α-alayksiköt vastaavat säätelypartikkelien kiinnittymisestä 20S-proteasomiin, ja niiden N-terminaaliset alueet peittävät proteasomin ontelon sisäänkäynnin, mikä sulkee pois hallitsemattoman proteolyysin [19] . P-alayksiköissä on proteaasikeskuksia ja ne ovat proteasomin katalyyttisiä komponentteja. Esimerkiksi arkeassa Thermoplasma acidophilum : ssä kaikki β-alayksiköt ovat samoja, joten proteasomi sisältää 14 identtistä proteaasikeskusta. Nisäkkäiden proteasomeissa vain β1-, β2- ja β5-alayksiköt ovat katalyyttisesti aktiivisia, ja kaikilla näillä alayksiköillä on erilaiset substraattispesifisyydet (peptidyyliglutamyylihydrolysoiva, trypsiinin kaltainen ja kymotrypsiinin kaltainen, vastaavasti) [20] . Hematopoieettisissa soluissa tulehdusta edistävien signaalien, kuten sytokiini - interferoni y :n , vaikutuksen alaisena voidaan ilmentää vaihtoehtoisia β-alayksiköiden muotoja , jotka on nimetty β1i:ksi, β2i:ksi ja β5i:ksi. Näitä vaihtoehtoisia β-alayksiköitä sisältävää proteasomia kutsutaan immunoproteasomiksi, ja sen substraattispesifisyys on jossain määrin erilainen kuin normaalin proteasomin [18] . 2010-luvun puolivälissä ihmisen soluista tunnistettiin epätavallisia proteasomeja, joista puuttui α3-ydinalayksikkö [21] . Näissä proteasomeissa (tunnetaan myös nimellä α4-α4 proteasomeja) 20S-ydin sisältää α4-alayksikön α3:n sijasta. Vaihtoehtoisia α4-α4-proteasomeja on tunnistettu myös hiivasta [22] . Vaikka tämän proteasomi-isoformin toimintoja ei tunneta, niitä ilmentäville soluille on ominaista lisääntynyt vastustuskyky metalli - ionien , kuten kadmiumin , toksiselle vaikutukselle [21] [23] .
Eukaryooteissa 19S-partikkeli koostuu 19 yksittäisestä proteiinimolekyylistä, jotka muodostavat 9-alayksikön emäksen, joka on suoraan vuorovaikutuksessa 20S-ydinpartikkelin a-renkaan ja 10-alayksikön "korkin" kanssa. Kuusi yhdeksästä emäsproteiinista on AAA - perheen ATPaaseja , niiden homologeja löytyy arkeista ja niitä kutsutaan nimellä PAN ( englanniksi. Proteasome-Activating Nucleotidase - nukleotidaasi, joka aktivoi proteasomin) [24] . 19S- ja 20S-partikkelien vuorovaikutus edellyttää, että 19S-partikkelin ATPaasiaktiivisuuden omaavat alayksiköt liittyvät ATP:hen, ja ATP-hydrolyysi on välttämätön laskostuneiden ja ubikvitinoitujen proteiinien proteasomaaliselle hajoamiselle. Tarkkaan ottaen ATP:n hydrolyysiä tarvitaan vain proteiinien denaturaatioon , mutta itse ATP:n sitoutuminen voi helpottaa muita vaiheita proteiinien hajoamisessa (esim. kompleksin kokoaminen, portin avautuminen, translokaatio ja proteolyysi) [25] [26] . Lisäksi ATP:n sitoutuminen ATPaaseihin itsessään edistää laskostumattomien proteiinien nopeaa hajoamista. Vaikka ATP:n ehdoton tarve on osoitettu vain proteiinin spatiaalisen rakenteen tuhoamiseksi, ei täysin poissuljeta sitä mahdollisuutta, että ATP:n hydrolyysi on välttämätöntä proteiinin hajoamisen eri vaiheiden konjugoimiseksi [26] [27] .
Vuonna 2012 kaksi tutkimusryhmää esitteli itsenäisesti yksipartikkelielektronimikroskoopilla saadun 26S-proteasomin molekyylirakenteen [28] [29] . Myöhemmin proteasomin atomimalli rakennettiin kryoelektronimikroskoopilla . 19S-partikkelin keskellä, lähellä 20S-partikkelia, on AAA-ATPaasit, jotka muodostavat heteroheksameerisen renkaan (Rpt1/Rpt2/Rpt6/Rpt3/Rpt4/Rpt5). Tämä rengas on Rpt1 / Rpt2- , Rpt6/Rpt3- ja Rpt4/Rpt5-dimeerien trimeeri. ATPaasit dimerisoituvat käyttämällä N-terminaalisia kierrekeloja , jotka työntyvät esiin heksameerirenkaasta . Kaksi säätelyproteiinia Rpn1 ja Rpn2, joista puuttuu ATPaasiaktiivisuus, sitoutuvat Rpt1/2- ja Rpt6/3-dimeerien päihin, vastaavasti. Ubikitiinireseptori Rpn13 sitoutuu Rpn2:een. Kansi peittää puolet AAA-ATPaasi-heksameeristä (Rpt6/Rpt3/Rpt4) ja on suoraan vuorovaikutuksessa 20S-partikkelin kanssa Rpn6:n ja vähemmässä määrin Rpn5:n kautta. Alayksiköt Rpn9, Rpn5, Rpn6, Rpn7, Rpn3 ja Rpn12, jotka liittyvät rakenteellisesti toisiinsa sekä COP9- ja eIF3 -kompleksien alayksiköihin , yhdistyvät hevosenkengän muotoiseksi rakenteeksi, joka sisältää Rpn8/ Rpn11 heterodimeeri. Rpn11-alayksikkö, joka on deubikvitinoiva entsyymi, sijaitsee lähellä AAA-ATPaasien heksameerisen renkaan sisäonteloa, joka on ihanteellinen ubikitiinijäämien poistamiseen juuri ennen hajoavien proteiinien siirtymistä 20S-partikkeliin. Toinen tällä hetkellä tunnetuista ubikitiinireseptoreista , Rpn10 , sijaitsee operculumin reunalla, Rpn8- ja Rpn9-alayksiköiden vieressä [30] .
19S-säätelyhiukkaselle tunnetaan kolme erilaista konformaatiota [31] . Niillä kaikilla on luultavasti tärkeä rooli substraatin tunnistamisessa ja tuhoamisessa . Ensimmäiselle konformaatiolle on ominaista alhaisin energia, joka saavutetaan järjestämällä ATPaasien AAA-domeenit tikapuun tai jousen muotoon [30] [28] . ATP:n läsnä ollessa, mutta substraatin puuttuessa, havaitaan toinen, vähemmän yleinen konformaatio, joka eroaa korkin sijainnista suhteessa AAA-ATPaasi-moduuliin. ATP-γS:n tai substraatin läsnä ollessa kolmas konformaatio toteutuu AAA-ATPaasi-moduulin voimakkaasti muuttuneella rakenteella [32] [33] .
19S on säätelypartikkeli; se stimuloi substraatin tuhoamista 20S-alayksikön toimesta. 19S-partikkelin päätehtävä on avata 20S-portti, joka estää substraattien pääsyn proteasomiin [34] . Oli mahdollista määrittää mekanismi, jolla ATPaasit avaavat 20S-hiukkasen portin. Portin avaaminen vaatii erityisen motiivin ATPaasien C-päässä. Sen ansiosta ATPaasien C-päät menevät 20S-partikkelin yläosan erityisiin taskuihin ankkuroimalla ATPaasikompleksin 20S-proteolyyttiseen kompleksiin, minkä vuoksi substraatin denaturaatiosta vastaava proteasomin osa liittyy hajoamismoduuliin. . ATPaasien C-pään sitoutuminen 20S:ään saa portin avautumaan jälkimmäisessä, aivan kuten avain avaa lukon. Myös portin avautumiseen liittyviä rakenteellisia muutoksia on tutkittu [35] .
20S-proteasomi voi olla vuorovaikutuksessa toisen säätelypartikkelin kanssa, jonka massa on 11S ja joka on heptameeri (se tunnetaan myös nimellä PA28 tai REG). Se ei sisällä ATPaaseja ja edistää lyhyiden peptidien, mutta ei suurten proteiinien, tuhoamista. Tämä johtuu luultavasti siitä, että 11S-partikkeli ei voi denaturoida suuria proteiinimolekyylejä. 11S-partikkelin vuorovaikutusmekanismi 20S-proteasomin kanssa muistuttaa 19S-partikkelin vuorovaikutusta jälkimmäisen kanssa: 11S-partikkeli sitoutuu 20S:ään C-pään hännällään ja indusoi konformaatiomuutoksia a-renkaassa, mikä aiheuttaa portin. 20S-hiukkasesta avautumaan [36] . 11S-partikkelin ilmentymisen laukaisee y-interferoni, ja tämä partikkeli yhdessä immunoproteasomin β-alayksiköiden kanssa on vastuussa peptidien muodostumisesta, jotka sitoutuvat tärkeimpään histokompatibiliteettikompleksiin [16] .
Proteasomin kokoaminen on erittäin monimutkainen prosessi, jossa monien yksittäisten proteiinimolekyylien täytyy yhdistyä muodostaakseen aktiivisen kompleksin. P-alayksiköt syntetisoidaan N-terminaalisilla "propeptideillä", jotka 20S-partikkelin kokoamisen aikana käyvät läpi translaation jälkeisiä modifikaatioita tullakseen sitten osaksi katalyyttisesti aktiivista keskustaa. 20S-partikkeli on koottu kahdesta puolikkaasta, joista jokainen sisältää β-renkaan, joka koostuu seitsemästä alayksiköstä ja liittyy seitsenjäseniseen α-renkaaseen. Täydellinen 20S-partikkeli muodostuu, kun kaksi puoliskoa yhdistetään β-renkaiden kautta, mihin liittyy propeptidien treoniiniriippuvainen autolyysi , mikä johtaa proteasomin aktiivisen keskuksen muodostumiseen. β-renkaiden vuorovaikutusta välittävät suolasillat ja konservatiivisten α-heliksien hydrofobiset vuorovaikutukset, ja niiden mutaatiot tekevät proteasomin kokoamisen mahdottomaksi [37] . Proteasomin kummankin puolikkaan kokoaminen alkaa a-alayksiköiden heptameerisen renkaan muodostumisella, joka toimii mallina β-renkaan kokoamisessa. α-renkaan kokoamismekanismia ei ole tutkittu [38] .
19S-säätelyhiukkanen on koottu kahdesta osasta, pohjasta ja korkista. Emäksen kokoonpano tapahtuu neljän chaperonin Hsm3/S5b, Nas2/ p27 , Rpn14/ PAAF1 ja Nas6/ gankirin osallistuessa (ensimmäinen nimi on hiivassa, toinen nimi on nisäkkäissä) [39] . Chaperonit ovat vuorovaikutuksessa AAA-ATPaasi-alayksiköiden kanssa ja varmistavat oikean heksameerirenkaan muodostumisen niistä. Emäksen kokoonpanoa auttaa myös deubikvitinoiva entsyymi Ubp6/ Usp14 , mutta se ei ole ehdottoman välttämätöntä [40] . Vielä ei tiedetä, liittyykö 19S-hiukkasen kokoonpano 20S-hiukkasen kokoonpanoon. Operculum kootaan erillään alustasta ilman ohjaajien osallistumista [41] .
Proteasomin hajottamat proteiinit on merkitty pienen ubikitiiniproteiinin kovalenttisella kiinnityksellä lysiinitähteisiin. Ubikitiinin kiinnittäminen tapahtuu kolmen entsyymin toimesta. Ensimmäisessä vaiheessa ubikvitiinia aktivoiva entsyymi , joka tunnetaan nimellä E1, hydrolysoi ATP:n ja adenyloi ubikitiinimolekyylin. Lisäksi adenyloitu ubikitiini siirtyy E1-entsyymin kysteiinitähteeseen samanaikaisesti toisen ubikitiinin adenyloinnin kanssa [42] . Adenyloitu ubikitiini siirretään sitten toisen entsyymin, ubikitiinikonjugoivan entsyymin (E2), kysteiinitähteeseen. Viimeisessä vaiheessa entsyymi suuresta ubikvitiiniligaasiryhmästä (E3) tunnistaa tuhoutuvan proteiinin ja siirtää ubikvitiinia E2:sta siihen. Siten E3 tarjoaa ubikvitiini-proteasomijärjestelmän substraattispesifisyyden [43] . Jotta proteasomin korkki tunnistaa sen, proteiinin täytyy sisältää vähintään neljän ubikvitiinimonomeerin ketju (eli sen on oltava polyubiquitinated) [44] .
Polyubikvitinoidun proteiinin tunnistamismekanismia proteasomin toimesta ei täysin ymmärretä. Ubikitiinireseptoreissa on N-terminaalinen ubikvitiinin kaltainen domeeni ( ubikvitiinin kaltainen domeeni, UBL ) sekä yksi tai useampi ubikvitiiniin liittyvä domeeni ( ubikvitiiniin liittyvä domeeni, UBA ) . Proteasomin kansi tunnistaa UBL-domeenit, ja UBA on vuorovaikutuksessa ubikvitiinin kanssa kolmen a-heliksen kautta . Ubikitiinireseptoriproteiinit voivat kuljettaa polyubikvitinoituja proteiineja proteasomiin, mutta prosessin ja sen säätelyn yksityiskohdat ovat epäselviä [45] .
Ubiquitiini itsessään koostuu 76 aminohappotähteestä ja sai nimensä sen ubiquitous-jakaumasta ( englannin sanasta ubiquitous - "ubiquitous"). Tämä proteiini on hyvin konservoitunut ja sitä löytyy kaikista eukaryooteista [46] . Eukaryoottigeenit, jotka koodaavat ubikvitiinia, muodostavat tandem-toistoja , mikä johtuu luultavasti siitä, että ne transkriptoivat erittäin aktiivisesti ylläpitääkseen vaadittua ubikvitiinitasoa solussa. On ehdotettu, että ubikvitiini on hitain kehittyvä tunnettu proteiini [47] . Ubikitiini sisältää seitsemän lysiinitähdettä, joihin muut ubikvitiinimolekyylit voivat kiinnittyä, mikä mahdollistaa erityyppisten polyubikvitiiniketjujen muodostamisen [48] . Proteasomi tunnistaa polyubikitiiniketjut, joissa jokainen seuraava ubikvitiinimolekyyli on kiinnittynyt edellisen ubikvitiinin 48. tähteeseen ja kaikki loput ovat mukana muissa soluprosesseissa, eli ne ovat translaation jälkeisiä modifikaatioita [49] .
19S-alayksikkö tunnistaa polyubikvitinoidun proteiinin, ja sen denaturoitumiseen (eli spatiaalisen rakenteen tuhoutumiseen) tarvitaan ATP-energiaa [26] . Seuraavaksi proteiinin täytyy päästä 20S-alayksikön sisään, nimittäin sen aktiiviseen keskustaan. Koska 20S-alayksikön onkalo on hyvin kapea ja sen sulkee a-renkaan N-pään alayksiköiden portti, substraatin on oltava ainakin osittain denaturoitunut. Lisäksi siitä on poistettava ubikvitiinimerkki [26] . Denaturoidun proteiinin siirtymistä proteasomin aktiiviseen keskukseen kutsutaan translokaatioksi. Substraattiproteiinien denaturoitumisen ja deubikvitinoitumisen järjestystä ei kuitenkaan tunneta [50] . Mikä näistä vaiheista on nopeutta rajoittava , riippuu substraatista [25] . Denaturaatioaste, joka sallii substraatin pääsyn aktiiviseen kohtaan, ei myöskään ole tiedossa, mutta tertiäärinen rakenne ja jotkut proteiinimolekyylin sisällä olevat sidokset, kuten disulfidisidokset , estävät proteiinin hajoamisen [51] . Tietyn pituisten laskostumattomien alueiden läsnäolo proteiinin sisällä tai sen päässä helpottaa tehokasta tuhoamista [52] [53] .
α-alayksiköiden muodostama portti estää useammasta kuin neljästä tähteestä koostuvien peptidien pääsyn 20S-partikkelin sisään. Ennen peptidin translokaatiota tapahtuu sen denaturaatio, mikä vaatii ATP:n hydrolyysin energiaa, mutta itse translokaatioprosessi ei vaadi ylimääräistä energialähdettä [25] [26] . Proteasomi voi hajottaa denaturoituneita proteiineja jopa ei-hydrolysoituvan ATP-analogin läsnä ollessa, mutta ei proteiineja natiivimuodossa, mikä osoittaa, että ATP-energiaa tarvitaan vain denaturaatioprosessiin [25] . Denaturoidun substraatin kulku portin läpi noudattaa helpotetun diffuusion tyyppiä , jos 19S-partikkelin ATPaasi-alayksiköt ovat sitoutuneet ATP:hen [54] .
Globulaaristen proteiinien denaturaatio noudattaa yleensä samaa mekanismia, vaikka jotkut sen reaktioista riippuvat substraatin aminohappokoostumuksesta. Pitkät venytykset, jotka koostuvat toistuvista glysiini- ja alaniinitähteistä , estävät denaturaatiota, mikä vähentää proteasomien tuhoutumisen tehokkuutta, mikä johtuu luultavasti siitä, että ATP:n hydrolyysi ja denaturaatio eivät ole yhteydessä toisiinsa [55] . Tämän epätäydellisen tuhoutumisen seurauksena ovat osittain tuhoutuneet proteiinit. Glysiini- ja alaniinitoistoja löytyy luonnollisista proteiineista, kuten silkkifibroiinista . Lisäksi niitä on joissakin Epstein-Barr-viruksen proteiineissa ja ne häiritsevät proteasomien toimintaa, minkä seurauksena antigeenien esiintyminen suuressa histokompatibiliteettikompleksissa häiriintyy ja tämän seurauksena viruksen lisääntyminen helpottuu [56] ] .
20S-partikkelin β-alayksiköiden substraattiproteolyysi tapahtuu treoniinista riippuvaisena nukleofiilisenä hyökkäyksenä. Treoniinin aktiivisen hydroksyyliryhmän deprotonointi saattaa vaatia vettä. Hajoaminen tapahtuu proteasomin keskusontelossa, joka muodostuu kahden β-renkaan vuorovaikutuksesta ja joka ei normaalisti vapauta osittain tuhoutuneita proteiineja, mikä tuhoaa substraatin 7-9 tähteen peptideiksi (vaikka niiden pituus voi vaihdella välillä 4-25). jäämät organismista ja substraatista riippuen). Se, mikä määrittää proteolyysin aikana muodostuneiden peptidien pituuden proteasomissa, ei ole tiedossa [57] . Vaikka kolme p-alayksikköä käyttävät samaa mekanismia proteiinien hajottamiseen, niillä on hieman erilaiset substraattispesifisyydet ja ne luokitellaan trypsiinin kaltaisiin, kymotrypsiinin kaltaisiin ja peptidyyliglutamyylin kaltaisiin. Spesifisyys johtuu lähellä aktiivista keskustaa olevien viereisten aminohappotähteiden atomien vuorovaikutuksista. Lisäksi jokainen katalyyttinen β-alayksikkö sisältää konservoituneen lysiinitähteen, jota tarvitaan proteolyysissä [20] .
Vaikka proteasomi vapauttaa normaalisti hyvin lyhyitä peptidejä, joskus proteasomin hajoamistuotteet ovat itse biologisesti aktiivisia toiminnallisia molekyylejä. Jotkut transkriptiotekijät, mukaan lukien nisäkkään NF-KB- kompleksin komponentti , syntetisoidaan inaktiivisina prekursoreina, jotka muuttuvat aktiivisiksi ubikvitinaation ja proteasomaalisen hajoamisen jälkeen. Tällaista aktivaatiota varten peptidisidosten katkeamisen ei tulisi tapahtua molekyylin päissä, vaan sen keskiosassa. On ehdotettu, että näiden proteiinien pitkät silmukat ovat oikea substraatti proteasomille, kun taas suurin osa proteiinimolekyylistä ei pääse proteasomiin [58] . Samanlainen aktivointimekanismi on tunnistettu hiivassa. Sitä on kutsuttu ubikvitiiniproteasomista riippuvaiseksi prosessoinniksi [59] .
Vaikka useimmissa tapauksissa proteasomisubstraattien on oltava polyubiquitinoituja, tästä säännöstä on useita tunnettuja poikkeuksia, erityisesti tapauksissa, joissa proteasomi on osallisena normaalissa translaation jälkeisessä proteiiniprosessoinnissa. Nisäkkään NF-KB-alayksikkö p105 on hajotettava p50:ksi, joka on osa aktiivista kompleksia [58] . Jotkut epästabiilit proteiinit, jotka sisältävät pitkiä laskostumattomia alueita, hajoavat todennäköisesti myös proteasomeissa, joista puuttuu ubikvitiiniketjuja [60] . Tutkituin ubikitiinista riippumaton proteasomisubstraatti on ornitiinidekarboksylaasi [61] . Jotkut solusyklin säätelijät voivat läpikäydä ubikitiinista riippumattoman hajoamisen [62] . Lopuksi proteasomit hajottavat proteiinit, joilla on epänormaali rakenne tai erittäin hapettuneet proteiinit solustressin olosuhteissa, riippumatta 19S-partikkelista ja ubikitiinista [63] .
20S-proteasomi löytyy kaikista eukaryooteista ja on välttämätön eukaryoottisolun elämälle. Useilla prokaryooteilla, mukaan lukien monet Actinomycetales-lahkon arkeat ja bakteerit , on 20S-proteasomin homologeja. Useimmilla bakteereilla on lämpösokkigeenit hslV ja hslU , joiden proteiinituotteet muodostavat kahdesta renkaasta koostuvan multimeerisen proteaasin [64] . On ehdotettu, että hslV-proteiini voi olla samanlainen kuin 20S-proteasomin esi-isä [65] . Yleensä hslV ei ole ehdottoman välttämätön bakteerisolulle, eikä sitä löydy kaikista bakteereista, mutta joillakin protisteilla on sekä 20S-proteasomi että hslV. Monilla bakteereilla on muita proteasomeja ja niihin liittyviä ATPaasihomologeja, kuten ClpP ja ClpX . Proteasomihomologien monimuotoisuus voi selittää, miksi HslUV-järjestelmä ei ole ehdottoman välttämätön bakteerisoluille [64] .
Sekvenssianalyysi osoitti, että katalyyttiset β-alayksiköt eristettiin evoluution aikana aikaisemmin kuin α-alayksiköt, joilla on pääasiassa rakenteellinen rooli. Bakteereissa, joissa on 20S-proteasomi, β-alayksiköiden sekvenssit ovat hyvin samankaltaisia kuin arkeoiden ja eukaryoottien sekvenssit, kun taas a-alayksiköiden sekvenssit ovat paljon vähemmän samankaltaisia. Bakteerit voivat hankkia 20S-proteasomin horisontaalisen geeninsiirron kautta , ja proteasomien alayksiköiden monipuolistuminen eukaryooteissa on seurausta useista geenien päällekkäisyyksistä [64] .
Solusykliä säätelevät sykliiniriippuvaiset kinaasit ( CDK :t ), joita sykliiniproteiinit aktivoivat . Mitoottiset sykliinit ovat olemassa vain muutaman minuutin ja ovat lyhyimpiä eläviä soluproteiineja. Kun sykliini-CDK-kompleksi on suorittanut toimintansa, sykliini polyubiquitinoituu ja proteasomi tuhoaa, minkä seurauksena vastaava CDK muuttuu inaktiiviseksi ja solusyklin seuraava vaihe alkaa. Erityisesti mitoosista poistuminen vaatii sykliini B :n proteasomaalista tuhoa [66] . Kun solusyklin tarkistuspiste kulkee G 1 -vaiheen ja S-vaiheen välissä sijaitsevan restriktiopisteen kautta, tapahtuu sykliini A proteasomituhoa ja sen ubikvitinaatio suorittaa anafaasistimulaatiokompleksi (APC), joka on E3-ubikvitiiniligaasi [67] . APC ja SCF-kompleksi ovat kaksi avaintekijää sykliinien hajoamisessa. Lisäksi APC säätelee itse SCF-kompleksia adapteriproteiinin Skp2 en] ubikvitinoinnin kautta , mikä suppressoi SCF-aktiivisuutta ennen siirtymistä G1 - faasista S-vaiheeseen [68] .
19S-partikkelin yksittäisillä komponenteilla on omat solutoimintonsa. Siten yksi 19S-partikkelin komponenteista, joka tunnetaan nimellä gankirin, on onkoproteiini , joka sitoutuu tiukasti sykliinistä riippuvaiseen kinaasiin 4 (CDK4) ja on vuorovaikutuksessa MDM2 ubikitiiniligaasin kanssa, sillä on ratkaiseva rooli ubikvitinoituneen p53 :n tunnistaminen . Gankiriini estää apoptoosia ja yliekspressoituu joissakin syövissä , kuten hepatosellulaarisessa karsinoomassa [69] .
Kasveissa fytohormoniauksiinit stimuloivat Aux/IAA:n, transkriptiotekijöiden repressoreiden, proteasomaalista tuhoa . Näitä proteiineja ubikvitoi SCFTIR1, SCF-kompleksi TIR1-auksiinireseptorin kanssa. Aux/IAA:n tuhoutumisen seurauksena auxiinivastetekijäperheen (ARF) transkriptiotekijät derepressoituvat, mikä aktivoi niiden hallitsemien geenien ilmentymisen [70] . ARF-aktivaation soluvaikutukset riippuvat kasvin kehitysvaiheesta, mutta useimmiten ne säätelevät juurien ja lehtisuonien kasvusuuntaa . ARF-derepression vasteen spesifisyys tarjoaa luultavasti selkeän vastaavuuden tiettyjen Aux/IAA- ja ARF-perheiden proteiinien välillä [71] .
Proteasomeilla on tärkeä rooli apoptoosissa stimuloimalla proteiinien ubikvitinaatiota, vaikka kaspaaseilla on johtava rooli proteiinien hajoamisessa apoptoosin aikana [72] [73] [74] . Apoptoosin aikana kuolevan solun tumassa sijaitsevat proteasomit siirtyvät solukalvosta irtautuvien ns. rakkuloiden koostumukseen ( kalvon blebbing on apoptoosille tyypillinen piirre) 75] . Proteasomin estämisellä on erilaisia vaikutuksia apoptoosiin eri solutyypeissä. Useimmissa tapauksissa proteasomeja ei vaadita ehdottomasti apoptoosiin, vaikka useimmissa soluissa proteasomin esto laukaisee apoptoosin. Tärkeä rooli apoptoosin käynnistämisessä on solujen lisääntymistä ja jakautumista stimuloivien proteiinien hyvin koordinoidun hajoamisjärjestelmän häiriintymisellä [76] . Tietyt solutyypit, kuten erilaistuneet G0 - vaiheen solut , kuten tymosyytit ja neuronit , eivät kuitenkaan pääse apoptoosiin proteasomi-inhibiittoreiden vaikutuksesta. Tämän vaikutuksen mekanismi ei ole selvä, mutta se on luultavasti spesifinen lepääville soluille tai johtuu proapoptoottisen JNK -kinaasin differentiaalisesta aktiivisuudesta [77] . Proteasomi-inhibiittoreiden kykyä laukaista apoptoosia nopeasti jakautuvissa soluissa hyödynnetään joissakin äskettäin kehitetyissä syövän kemoterapialääkkeissä , kuten bortetsomibi ja salinosporamidi A .
Solujen stressin olosuhteissa, kuten infektio , lämpöshokki, oksidatiiviset vauriot, ekspressoituvat lämpösokkiproteiineja , jotka tunnistavat väärin laskostuneet tai denaturoidut proteiinit ja ohjaavat ne proteasomaaliseen hajoamiseen. On osoitettu, että Hsp27 ja Hsp90 chaperonit osallistuvat ubikitiini-proteasomijärjestelmän aktiivisuuden lisäämiseen, vaikka ne eivät ole suoraan mukana tässä prosessissa [78] . Toinen chaperoni, Hsp70 , sitoutuu laskostumattomien proteiinien paljaisiin hydrofobisiin alueisiin (normaalisti sellaiset alueet ovat sisäänpäin) ja houkuttelevat ubikitiiniligaasit, kuten CHIP, jotka ohjaavat proteiineja hajoamaan proteasomeissa [79] . Samanlaiset mekanismit ohjaavat hapettuneet proteiinit tuhoon. Esimerkiksi ydinproteasomeja säätelevät poly(ADP-riboosi)polymeraasit (PARP) ja ne hajottavat aktiivisesti hapettuneita histoneita [80] . Hapetetut proteiinit muodostavat usein suuria amorfisia aggregaatteja solun sisällä, ja 20S-partikkeli pystyy tuhoamaan ne ilman 19S-partikkelia ATP:n ja ubiquitiinin hydrolyysistä riippumatta [63] . Kuitenkin vakavat oksidatiiviset vauriot lisäävät proteiinifragmenttien silloittumisen riskiä, mikä tekee niistä resistenttejä proteolyysille. Suuret ja lukuisat hapettuneiden proteiinien kertymät liittyvät ikääntymiseen [81] .
Proteasomeilla on kriittinen rooli adaptiivisen immuniteetin toiminnassa . Antigeeniä esittelevien solujen proteasomeissa tunkeutuvan patogeenin proteiinit hajoavat peptideiksi, jotka altistuvat ulkopuolelle tärkeimmän histokompatibiliteettikompleksiluokan I (MHCI) molekyylien vaikutuksesta. Sekä tavanomaiset, jatkuvasti ilmentyvät proteasomit että erikoistuneet immunoproteasomit voivat osallistua tähän prosessiin. Niiden ilmentymisen laukaisee y-interferoni, ja niiden muodostamat peptidit ovat kooltaan ja koostumukseltaan ihanteellisia MHC-altistukseen. Immuunivasteen aikana MHC- ligandien muodostumista säätelevän säätelyalayksikön 11S sekä erikoistuneiden β-alayksiköiden β1i, β2i ja β5i, joilla on hieman muuttunut substraattispesifisyys, ilmentyminen lisääntyy. Immunoproteasomit ovat proteasomeja, jotka sisältävät tällaisia erikoistuneita β-alayksiköitä [16] . Toinen β5i-alayksikön muunnos, β5t, ilmentyy kateenkorvassa, mikä johtaa kateenkorvaspesifisten tymoproteasomien muodostumiseen, joiden toiminnot ovat epäselviä [ 82] .
MHCI-ligandin sitoutumisvoimakkuus riippuu ligandiproteiinin C-pään aminohappokoostumuksesta, koska juuri sen C-päässä vety sitoutuu MHCI:n pinnalla olevaan erityiseen kohtaan, jota kutsutaan B-taskuksi. Monet MHCI- alleelit sitoutuvat parhaiten hydrofobisiin C-päihin, ja immunoproteasomien tuottamilla peptideillä on yleensä hydrofobinen C-pää [83] .
Koska proteasomit osallistuvat NF-KB:n, anti-apoptoottisen ja tulehdusta edistävän sytokiiniekspression säätelijän, aktivoimiseen , niillä on rooli tulehduksellisten ja autoimmuunisairauksien kehittymisessä . Lisääntynyt proteasomien ilmentymistaso liittyy taudin vakavuuteen, ja sitä havaitaan autoimmuunisairauksissa, kuten systeemisessä lupus erythematosuksessa ja nivelreumassa [16] .
Proteasomit osallistuvat vasta - ainevälitteiseen solunsisäiseen proteolyysiin, jonka vasta-aineisiin sitoutuneet viruspartikkelit ( virionit ) käyvät läpi. TRIM21 -proteiini sitoutuu immunoglobuliini G :hen ja ohjaa virionin proteasomaaliseen tuhoutumiseen [84] .
Proteasomi-inhibiittorit osoittavat huomattavaa kasvainten vastaista aktiivisuutta soluviljelmissä indusoimalla apoptoosia häiritsemällä proteiinien hajoamista. Syöpäsoluihin kohdistuvan selektiivisen proapoptoottisen vaikutuksen vuoksi proteasomi-inhibiittoreita on testattu menestyksekkäästi eläin- ja ihmiskokeissa [ 76] .
Ensimmäinen tunnistettu ei-peptidinen proteasomi-inhibiittori oli laktakystiini , jonka Streptomyces -suvun bakteerit syntetisoivat . Lactasystin on Takeda Pharmaceuticalin lisensoima . Se on löytänyt laajan sovelluksen biokemian ja solubiologian tutkimuksessa . Laktasystiini modifioi kovalenttisesti β-alayksiköiden N-terminaalisia treoniinijäännöksiä, erityisesti β5-alayksikköä, jolla on kymotrypsiinin kaltaista aktiivisuutta. Laktakystiinin ansiosta oli mahdollista todeta, että proteasomi on aminoterminaalinen treoniiniproteaasi (ensimmäinen uuden proteaasiluokan edustaja) [85] .
Bortetsomibi (kauppanimi Velkad), jonka on kehittänyt Millennium Pharmaceuticals , oli ensimmäinen proteasomin estäjä, jota käytettiin syövän kemoterapiassa [86] . Sitä käytetään multippelin myelooman hoitoon [87] . Multippeli myeloomassa veriplasmassa havaitaan suuri määrä proteasomista peräisin olevia peptidejä , mikä laskee normaaliksi bortetsomibihoidon aikana [88] . Eläintutkimukset ovat osoittaneet, että bortetsomibi voi olla tehokas haimasyövän hoidossa [89] [90] . 2000-luvun alusta lähtien on tehty prekliinisiä ja kliinisiä tutkimuksia bortetsomibin tehosta muun tyyppisten B- solusyöpien [91] , erityisesti joidenkin non-Hodgkinin lymfoomien [92] hoidossa . Kliiniset tutkimukset ovat osoittaneet bortetsomibin tehokkuuden yhdessä tavanomaisen kemoterapian kanssa taistelussa B-solujen akuuttia lymfoblastista leukemiaa vastaan [93] . Proteasomi-inhibiittorit tappavat soluviljelyolosuhteissa joitain leukemiasoluja , jotka ovat resistenttejä glukokortikoideille [94] .
Lääke ritonaviiri (kauppanimi Norvir) kehitettiin proteaasi-inhibiittoriksi HIV-infektion hoitoon . Kuitenkin kävi ilmi, että se ei estä vain vapaita proteaaseja, vaan myös proteasomeja – tarkemmin sanottuna se estää proteasomin kymotrypsiinin kaltaista aktiivisuutta, samalla kun se lisää hieman trypsiinin kaltaista aktiivisuutta [95] . Eläintutkimukset ovat osoittaneet, että ritonaviiri voi estää glioomasolujen kasvua [96] .
Eläinmalleilla tehdyt kokeet ovat osoittaneet, että proteasomi-inhibiittorit voivat olla tehokkaita autoimmuunisairauksien hoidossa. Tutkimus hiirillä , joilla oli ihosiirteitä, osoitti, että proteaasi-inhibiittorit pienensivät psoriaasin aiheuttamien haavaumien kokoa [97] . Proteaasiestäjien on myös osoitettu olevan tehokkaita astmaa vastaan eläinmalleissa [98] .
Proteasomien merkitseminen ja hiljentäminen on tärkeää proteasomien toiminnan tutkimisessa sekä in vitro että in vivo . Tutkimuskäytännössä yleisimmin käytetyt proteasomi-inhibiittorit ovat laktakystiini ja peptidialdehydi MG132. Spesifisiä fluoresoivia estäjiä on kehitetty proteasomien aktiivisten kohtien leimaamiseen [99] .
Proteasomit ja niiden alayksiköt ovat tärkeitä lääketieteelle paitsi monien sairauksien molekyyliperustana, myös lupaavana kohteena monille lääkkeille. Mahdollisesti proteasomeja voidaan käyttää biomarkkereina (erityisesti joidenkin autoimmuunisairauksien biomarkkereina [100] ). Proteasomipoikkeavuuksia on tunnistettu neurodegeneratiivisissa [101] [102] , sydän- ja verisuonisairauksissa [103] [104] [105] , tulehdus- ja autoimmuunisairauksissa [106] ja monissa syövissä [107] . Ne voivat myös liittyä aivokasvaimiin , kuten astrosytoomiin [ 108] .
Useat kokeelliset ja kliiniset tutkimukset ovat yhdistäneet proteasomien toimintahäiriöt moniin hermo- ja myodegeneratiivisiin sairauksiin, mukaan lukien Alzheimerin tauti [109] , Parkinsonin tauti [110] , Pickin tauti [111] , amyotrofinen lateraaliskleroosi ja muut motoriset neuronitaudit [111] , Huntingtonin tauti [110] , Creutzfeldt-Jakobin tauti [112] , useat harvinaiset hermostoa rappeuttavat sairaudet, jotka liittyvät dementiaan [113] , polyglutamiinihäiriöt , lihasdystrofiat [114] ja inkluusiokehon myopatia [108] . Proteasomin toimintahäiriö johtaa suurten liukenemattomien laskostumattomien proteiinien kertymien muodostumiseen hermokudoksessa , mikä havaitaan usein hermostoa rappeutuvissa sairauksissa (esimerkiksi Parkinsonin taudissa muodostuu ns. Lewy-kappaleita [115] ). Proteiiniaggregaattien neurotoksisuuden molekyyliperusta on kuitenkin epäselvä. Hiivatutkimukset ovat osoittaneet, että solut ovat herkimpiä α-synukleiinin (Lewyn kappaleiden pääproteiini) toksisille vaikutuksille proteasomin eston olosuhteissa [116] . Toimimattomat proteasomit voivat olla taustalla kognitiivisia ongelmia, kuten autismikirjon häiriöitä [108] .
Proteasomin toimintahäiriöt liittyvät sepelvaltimotautiin [117] , kammiohypertrofiaan [118] ja sydäninfarktiin [119] . Koska proteasomit osallistuvat soluvasteisiin ärsykesignaaleihin, niiden toimintahäiriöt voivat johtaa syöpään. Proteasomit säätelevät monien syövän kehittymiseen liittyvien proteiinien runsautta: p53, c-Jun , c-Fos , NF-κB, c- Myc , HIF-1a , MATα2, STAT3 ja muut [120] . Proteasomit hajottavat monia kasvaimen suppressoreina toimivia proteiineja , kuten adenomatoottisen polypoosi colin ja VHL :n, sekä joitain proto-onkogeenejä ( Raf , Myc, Myb , Rel, Src , Mos , Abl ). Proteasomit osallistuvat tulehduksen säätelyyn säätelemällä NF-κB:n aktivaatiota, joka aktivoi tulehdusta edistävien sytokiinien, prostaglandiinien ja typpioksidin ( NO ) ilmentymisen [106] . Proteasomit vaikuttavat sykliinien ja sykliinistä riippuvaisten kinaasien estäjien tuhoutumiseen, ja ne toimivat leukosyyttien lisääntymisen säätelijöinä tulehduksen aikana [121] .
Sanakirjat ja tietosanakirjat | |
---|---|
Bibliografisissa luetteloissa |
eukaryoottisten solujen organellit | |
---|---|
endomembraanijärjestelmä | |
sytoskeleton | |
Endosymbiontit | |
Muut sisäiset organellit | |
Ulkoiset organellit |