Proteasom (fra engelsk protease - proteinase og latin soma - body) er et multi-proteinkompleks, der ødelægger unødvendige eller defekte proteiner ved hjælp af proteolyse ( en kemisk reaktion , hvor peptidbindinger brydes ) til korte peptider (4-25 aminosyrerester ). Disse peptider kan derefter nedbrydes til individuelle aminosyrer [1] [2] . Proteasomer er til stede i cellerne i eukaryoter , archaea og nogle bakterier . I eukaryote celler findes proteasomer både i kernen og i cytoplasmaet [3] . Nedbrydning af 80-90% af intracellulære proteiner sker med deltagelse af proteasomet [2] . For at et målprotein kan spaltes af proteasomet, skal det mærkes ved at binde et lille ubiquitinprotein til det . Ubiquitin-additionsreaktionen katalyseres af enzymerne ubiquitin-ligaser . Vedhæftning af det første ubiquitin- molekyle til proteinet tjener som et signal for ubiquitin-ligaser til yderligere at vedhæfte ubiquitin-molekyler. Som et resultat er en polyubiquitinkæde knyttet til proteinet, som binder til proteasomet og giver spaltning af målproteinet [1] [2] . Generelt kaldes hele dette system ubiquitin-afhængig proteinnedbrydning [4] .
Proteasomal proteinnedbrydning er vigtig for mange cellulære processer, herunder cellecyklussen , regulering af genekspression og respons på oxidativt stress [5] . I 2004 blev Aaron Ciechanover , Avram Hershko og Irwin Rose tildelt Nobelprisen i kemi "for deres opdagelse af ubiquitin-afhængig proteinnedbrydning" [6] .
Før opdagelsen af det ubiquitin -afhængige proteinnedbrydningssystem, blev det antaget, at nedbrydningen af proteiner i cellen hovedsageligt sker på grund af lysosomer . Lysosomer er membranøse organeller med et surt indre indeholdende proteaser . De er i stand til at udnytte eksogene proteiner fanget af cellen under endocytose , proteiner forbundet med membraner og beskadigede organeller [1] [2] . Men i 1977 beviste Alfred Goldberg eksistensen af et ATP -afhængigt proteinnedbrydningssystem i retikulocytter , som mangler lysosomer [7] . Dette antydede, at der er mindst en mere mekanisme til intracellulær proteinspaltning. I 1978 blev det vist , at den tilsvarende protease består af flere typer polypeptidkæder [8] . I undersøgelsen af post-translationelle modifikationer af histoner blev der desuden fundet en uventet kovalent modifikation: tilføjelsen af en C-terminal ubiquitinglycinrest , et lille protein med en ukendt funktion , til lysinsidekæden i histonen [ 9 ] . Det blev fundet, at den tidligere beskrevne ATP-afhængige proteolysefaktor 1 og ubiquitin er det samme protein [10] . Efterfølgende blev det ATP-afhængige proteinkompleks, der er ansvarligt for ubiquitin-medieret proteinnedbrydning, isoleret fra cellelysat og navngivet 26S-proteasomet [11] [12] .
Meget af det tidlige arbejde, der i sidste ende ville føre til opdagelsen af proteasom-proteinnedbrydningssystemet, blev udført i slutningen af 1970'erne og begyndelsen af 1980'erne i Avram Hershkos laboratorium på Technion , hvor Aaron Ciechanover var en kandidatstuderende. Hershko udviklede de centrale konceptuelle ideer i løbet af et års arbejde i Irving Roses laboratorium , selvom Rose efterfølgende nedtonede sin rolle i opdagelsen [13] . Alle tre delte Nobelprisen i kemi i 2004 for opdagelsen af dette system.
Selvom elektronmikroskopiske data, der indikerer, at strukturen af proteasomet består af flere ringe stablet i en stak, allerede var tilgængelige i midten af 1980'erne [14] , var den første struktur af proteasomets kernedel kompileret på basis af røntgendiffraktion data blev først indhentet i 1994 [15] .
Komponenterne i proteasomet er ofte navngivet efter deres sedimentationskoefficienter i swedbergs (angivet med bogstavet S). Proteasomet, der er aktivt i proteinfordøjelsen, kaldes 26S proteasomet og består normalt af et 20S kerneproteasom og en eller to 19S (PA700) og 11S regulatoriske partikler, der hæfter til enderne af kernepartiklen. Selvom bindingen af to regulatoriske partikler strengt taget fører til dannelsen af et proteasom med en sedimentationskoefficient på 30S, bruges udtrykket "30S proteasom" praktisk talt ikke i litteraturen, og navnet "26S proteasom" anvendes på begge isoformer . Ud over den regulatoriske 19S-partikel kan 26S-proteasomet også indeholde andre regulatoriske komponenter: PA28α/β (11S REG), PA28γ (REGγ), PA200, PI31 [2] . Nogle proteasomer indeholder en anden regulatorisk partikel, 11S. Den interagerer med 20S-partiklen på samme måde som 19S og kan deltage i nedbrydningen af fremmede proteiner, for eksempel dem, der syntetiseres under en virusinfektion [16] .
Størrelsen af proteasomet er relativt evolutionært stabil og er 150 gange 115 ångstrøm . Det indre hulrum har en maksimal bredde på 53 ångstrøm, men proteasomindgangen kan være så lille som 13 ångstrøm, hvilket indikerer, at proteinet skal være specifikt [17] denatureret [18] for at komme ind i proteasomet .
20S-partiklerne af de prokaryote og eukaryote proteasomer har en fundamentalt identisk kvaternær struktur og består af 28 underenheder organiseret i fire syvleddede ringe stablet oven på hinanden [2] . Imidlertid afhænger diversiteten af proteasomunderenheder af den særlige organisme: diversiteten af underenheder er højere i flercellede organismer sammenlignet med encellede organismer og i eukaryoter sammenlignet med prokaryoter. Prokaryoternes proteasomer består af 14 kopier af identiske α-underenheder, der danner de ydre ringe, og 14 kopier af identiske β-underenheder, der danner de indre ringe. I det eukaryote proteasom er alle syv underenheder af den samme ring forskellige i struktur, det vil sige, at proteasomet består af to kopier af syv forskellige α-underenheder og to kopier af syv forskellige β-underenheder. På trods af små forskelle, hvad angår rumlig struktur, er α- og β-underenhederne ikke desto mindre meget ens. α-underenheder er ansvarlige for at binde regulatoriske partikler til 20S-proteasomet, og deres N-terminale regioner dækker indgangen til proteasomhulrummet, hvilket udelukker ukontrolleret proteolyse [19] . β-underenheder har proteasecentre og er katalytiske komponenter i proteasomet. I archaea , for eksempel i Thermoplasma acidophilum , er alle β-underenheder ens, så proteasomet indeholder 14 identiske proteasecentre. I pattedyrproteasomer er kun β1- , β2- og β5-underenheder katalytisk aktive, og alle disse underenheder har forskellige substratspecificiteter (henholdsvis peptidyl-glutamyl-hydrolyserende, trypsin -lignende og chymotrypsin -lignende ) [20] . I hæmatopoietiske celler , under påvirkning af pro-inflammatoriske signaler, såsom cytokininterferon y , kan alternative former for β-underenheder udtrykkes , som er betegnet β1i, β2i og β5i. Proteasomet, der indeholder disse alternative β-underenheder, kaldes immunproteasomet, og dets substratspecificitet er noget anderledes end det normale proteasoms [18] . I midten af 2010'erne blev usædvanlige proteasomer, der manglede α3-kerneunderenheden, identificeret i humane celler [21] . I disse proteasomer (også kendt som α4-α4-proteasomer) indeholder 20S-kernen α4-underenheden i stedet for α3. Alternative α4-α4-proteasomer er også blevet identificeret i gær [22] . Selvom funktionerne af denne proteasom-isoform er ukendte, er celler, der udtrykker dem, karakteriseret ved øget modstand mod den toksiske virkning af metalioner , såsom cadmium [21] [23] .
I eukaryoter består 19S-partiklen af 19 individuelle proteinmolekyler, der danner en 9-underenhedsbase, der interagerer direkte med α-ringen af 20S-kernepartiklen, og en "hætte" på 10 underenheder. Seks af de ni baseproteiner er ATPaser fra AAA - familien , deres homologer findes i archaea og kaldes PAN (fra engelsk. Proteasom-Activating Nucleotidase - nucleotidase, der aktiverer proteasomet) [24] . Interaktionen mellem 19S- og 20S-partikler kræver, at underenheder af 19S-partiklen med ATPase-aktivitet associeres med ATP, og ATP-hydrolyse er nødvendig for den proteasomale nedbrydning af foldede og ubiquitinerede proteiner. Strengt taget er ATP- hydrolyse kun nødvendig for proteindenaturering , men ATP-binding i sig selv kan lette andre trin i proteinnedbrydning (f.eks. komplekssamling, portåbning, translokation og proteolyse) [25] [26] . Derudover bidrager bindingen af ATP til ATPaser selv til den hurtige nedbrydning af udfoldede proteiner. Selvom det absolutte behov for ATP kun er blevet vist for ødelæggelsen af proteinets rumlige struktur, er muligheden for, at ATP-hydrolyse er nødvendig for konjugering af forskellige stadier af proteinnedbrydning, ikke fuldstændig udelukket [26] [27] .
I 2012 præsenterede to forskergrupper uafhængigt af hinanden den molekylære struktur af 26S-proteasomet opnået ved hjælp af enkeltpartikelelektronmikroskopi [28] [29] . Senere blev en atommodel af proteasomet konstrueret ved hjælp af kryoelektronmikroskopi . I midten af 19S partiklen, ikke langt fra 20S partiklen, er der AAA ATPaser, der danner en heterohexamer ring (Rpt1/Rpt2/Rpt6/Rpt3/Rpt4/Rpt5). Denne ring er en trimer af Rpt1 /Rpt2, Rpt6/Rpt3 og Rpt4/Rpt5 dimerer. ATPaser dimeriserer ved hjælp af deres N-terminale spiralformede spoler , der stikker ud fra den hexameriske ring . To regulatoriske proteiner Rpn1 og Rpn2, der mangler ATPase-aktivitet, binder til enderne af henholdsvis Rpt1/2- og Rpt6/3-dimererne. Ubiquitin-receptoren Rpn13 binder til Rpn2. Låget dækker halvdelen af AAA-ATPase-hexameren (Rpt6/Rpt3/Rpt4) og interagerer direkte med 20S-partiklen via Rpn6 og i mindre grad Rpn5. Rpn9, Rpn5, Rpn6, Rpn7, Rpn3 og Rpn12 underenhederne, som er strukturelt beslægtede med hinanden, såvel som til underenhederne af COP9 og eIF3 komplekserne , kombineres til en hesteskoformet struktur, der indeholder Rpn8/ Rpn11 heterodimer. Rpn11-underenheden, som er et deubiquitinerende enzym, er placeret nær det indre hulrum af den hexameriske ring af AAA-ATPases, som er ideel til at fjerne ubiquitinrester lige før translokation af nedbrydelige proteiner til 20S-partiklen. Den anden af de i øjeblikket kendte ubiquitin -receptorer , Rpn10, er placeret i periferien af operculum, ved siden af Rpn8- og Rpn9-underenhederne [30] .
Tre forskellige konformationer er kendt for 19S regulatoriske partikel [31] . De spiller sandsynligvis alle en vigtig rolle i genkendelsen og ødelæggelsen af substratet . Den første konformation er karakteriseret ved den laveste energi, som opnås ved arrangementet af AAA-domænerne af ATPaser i form af en stige eller fjeder [30] [28] . I nærvær af ATP, men i fravær af et substrat, observeres en anden, mindre almindelig konformation, som adskiller sig i hættens placering i forhold til AAA-ATPase-modulet. I nærvær af ATP-γS eller et substrat realiseres en tredje konformation med en stærkt ændret struktur af AAA-ATPase-modulet [32] [33] .
19S er en regulatorisk partikel; den stimulerer ødelæggelsen af substratet af 20S-underenheden. Hovedfunktionen af 19S-partiklen er at åbne 20S-porten, som forhindrer substrater i at trænge ind i proteasomet [34] . Det var muligt at bestemme mekanismen, hvorved ATPaser åbner porten til 20S-partiklen. Portåbning kræver et specifikt motiv ved C-terminalen af ATPaser. På grund af det kommer C-terminalerne af ATPaser ind i særlige lommer i den øvre del af 20S-partiklen, der forankrer ATPase-komplekset på det 20S-proteolytiske kompleks, på grund af hvilket den del af proteasomet, der er ansvarlig for substratdenaturering, er forbundet med det nedbrydende modul . Selve bindingen af C-terminalen af ATPaser til 20S får porten til at åbne i sidstnævnte, ligesom en nøgle åbner en lås. Strukturelle ændringer, der ledsager portåbning, er også blevet undersøgt [35] .
20S-proteasomet kan interagere med en anden regulatorisk partikel, som har en masse på 11S og er en heptamer (den er også kendt som PA28 eller REG). Det indeholder ikke ATPaser og fremmer ødelæggelsen af korte peptider, men ikke store proteiner. Dette skyldes sandsynligvis, at 11S-partiklen ikke kan denaturere store proteinmolekyler. Mekanismen for interaktion mellem 11S-partiklen og 20S-proteasomet ligner interaktionen mellem 19S-partiklen og sidstnævnte: 11S-partiklen binder sig til 20S med sin C-terminale hale og inducerer konformationelle ændringer i α-ringen, som forårsager porten. af 20S-partiklen for at åbne [36] . Ekspression af 11S-partiklen udløses af interferon y, og denne partikel er sammen med β-underenhederne af immunoproteasomet ansvarlig for dannelsen af peptider, der binder til det store histokompatibilitetskompleks [16] .
Samling af proteasomet er en meget kompleks proces, hvor mange individuelle proteinmolekyler skal samles for at danne et aktivt kompleks. β-underenheder syntetiseres med N-terminale "propeptider", som under samling af 20S-partiklen undergår post-translationelle modifikationer for derefter at blive en del af det katalytiske aktive center. 20S-partiklen er samlet af to halvdele, som hver indeholder en β-ring, bestående af syv underenheder og forbundet med en syvleddet α-ring. En komplet 20S-partikel dannes, når de to halvdele er forbundet via β-ringe, hvilket er ledsaget af threonin -afhængig autolyse af propeptider, hvilket resulterer i dannelsen af det aktive center af proteasomet. Interaktionen af β-ringe medieres af saltbroer og hydrofobe interaktioner af konservative α-helixer, og mutationer i dem gør det umuligt at samle proteasomet [37] . Samling af hver halvdel af proteasomet begynder med dannelsen af en heptamer ring af α-underenheder, som tjener som skabelon til samling af β-ringen. Samlingsmekanismen for α-ringen er ikke blevet undersøgt [38] .
19S regulatoriske partikel er samlet af to dele, en base og en hætte. Basissamling sker med deltagelse af fire chaperoner Hsm3/S5b, Nas2/ p27 , Rpn14/ PAAF1 og Nas6/ gankirin (fornavnet er i gær, det andet navn er i pattedyr) [39] . Chaperoner interagerer med AAA-ATPase-underenheder og sikrer dannelsen af den korrekte hexameriske ring fra dem. Basesamling er også hjulpet af det deubiquitinerende enzym Ubp6/ Usp14 , men er ikke strengt nødvendigt [40] . Det er stadig uvist, om samlingen af 19S-partiklen er relateret til samlingen af 20S-partiklen. Operculum samles separat fra basen uden deltagelse af chaperoner [41] .
Proteiner, der skal nedbrydes af proteasomet, er markeret ved den kovalente binding af det lille protein ubiquitin til lysinrester. Vedhæftningen af ubiquitin udføres af tre enzymer. I det første trin hydrolyserer det ubiquitin-aktiverende enzym , kendt som E1, ATP og adenylerer ubiquitin-molekylet. Yderligere overføres adenylyleret ubiquitin til cysteinresten af E1-enzymet samtidig med adenylering af det andet ubiquitin [42] . Det adenylerede ubiquitin overføres derefter til cysteinresten af det andet enzym, det ubiquitin-konjugerende enzym (E2). På det sidste stadie genkender et enzym fra den store gruppe af ubiquitinligaser (E3) det protein, der skal ødelægges, og overfører ubiquitin fra E2 til det. Det er således E3, der giver substratspecificiteten af ubiquitin-proteasomsystemet [43] . For at blive genkendt af proteasomhætten skal et protein bære en kæde på mindst fire ubiquitinmonomerer (dvs. være polyubiquitineret) [44] .
Mekanismen for genkendelse af et polyubiquitineret protein af proteasomet er ikke fuldt ud forstået. Ubiquitin-receptorer har et N-terminalt ubiquitin-lignende domæne ( ubiquitin - lignende domæne, UBL ), såvel som et eller flere ubiquitin-associerede domæner ( ubiquitin-associeret domæne, UBA ) . UBL-domæner genkendes af proteasomhætten, og UBA interagerer med ubiquitin via tre α-helixer . Ubiquitin-receptorproteiner kan levere polyubiquitinerede proteiner til proteasomet, men detaljerne i processen og dens regulering er uklare [45] .
Ubiquitin selv består af 76 aminosyrerester og har fået sit navn for sin allestedsnærværende fordeling (fra engelsk ubiquitous - "ubiquitous"). Dette protein er meget konserveret og findes i alle eukaryoter [46] . Eukaryote gener , der koder for ubiquitin, danner tandemgentagelser , sandsynligvis på grund af det faktum, at de transskriberes meget aktivt for at opretholde det nødvendige niveau af ubiquitin i cellen. Det er blevet foreslået, at ubiquitin er det langsomst udviklede protein kendt [47] . Ubiquitin indeholder syv lysinrester, som andre ubiquitinmolekyler kan binde sig til, hvilket gør det muligt at danne polyubiquitinkæder af forskellige typer [48] . Proteasomet genkender polyubiquitin-kæder, hvor hvert næste ubiquitin-molekyle er knyttet til den 48. rest af det tidligere ubiquitin, og alle resten er involveret i andre cellulære processer, det vil sige, de er post-translationelle modifikationer [49] .
Et polyubiquitineret protein genkendes af 19S-underenheden, og der kræves ATP-energi til dets denaturering (det vil sige ødelæggelsen af den rumlige struktur) [26] . Dernæst skal proteinet komme ind i 20S-underenheden, nemlig ind i dets aktive center. Da hulrummet i 20S-underenheden er meget smalt og lukket af en gate af N-terminale underenheder i α-ringen, skal substratet være i det mindste delvist denatureret. Derudover skal ubiquitin-etiketten fjernes fra den [26] . Overgangen af et denatureret protein til det aktive center af proteasomet kaldes translokation. Imidlertid er rækkefølgen, hvori denaturering og deubiquitinering af substratproteiner forekommer, ukendt [50] . Hvilket af disse trin er hastighedsbegrænsende afhænger af substratet [25] . Graden af denaturering, der tillader substratet at komme ind i det aktive sted, er også ukendt, men den tertiære struktur og nogle bindinger i proteinmolekylet, såsom disulfidbindinger , forhindrer proteinnedbrydning [51] . Tilstedeværelsen af udfoldede områder af en vis længde inde i proteinet eller ved dets ende letter effektiv destruktion [52] [53] .
Porten dannet af α-underenheder forhindrer peptider bestående af mere end fire rester i at komme ind i 20S-partiklen. Før translokationen af peptidet sker dets denaturering, hvilket kræver energien fra ATP-hydrolyse, men selve translokationsprocessen kræver ikke en yderligere energikilde [25] [26] . Proteasomet kan nedbryde denaturerede proteiner selv i nærvær af en ikke-hydrolyserbar ATP-analog, men ikke proteiner i den native form, hvilket indikerer, at ATP-energi kun er nødvendig for denatureringsprocessen [25] . Passagen af det denaturerede substrat gennem porten følger typen af faciliteret diffusion hvis ATPase-underenhederne af 19S-partiklen er bundet til ATP [54] .
Denatureringen af globulære proteiner følger generelt den samme mekanisme, selvom nogle af dens reaktioner afhænger af substratets aminosyresammensætning. Lange strækninger bestående af gentagne glycin- og alaninrester undertrykker denaturering, hvilket reducerer effektiviteten af proteasomdestruktion, sandsynligvis på grund af det faktum, at ATP-hydrolyse og denaturering er afkoblet [55] . Resultatet af denne ufuldstændige ødelæggelse er delvist ødelagte proteiner. Glycin og alanin gentagelser findes i naturlige proteiner såsom silkefibroin . Derudover er de til stede i nogle proteiner af Epstein-Barr-virussen og forstyrrer proteasomernes arbejde, på grund af hvilket præsentationen af antigener på det store histokompatibilitetskompleks forstyrres, og som følge heraf lettes reproduktionen af virussen [56 ] .
Substratproteolyse af β-underenheder af 20S-partiklen forekommer som et threoninafhængigt nukleofilt angreb. Deprotonering af den hydroxylgruppe i threonin kan kræve vand. Nedbrydning sker i det centrale hulrum af proteasomet, som dannes ved interaktion mellem to β-ringe og normalt ikke frigiver delvist ødelagte proteiner, hvilket ødelægger substratet til peptider med 7-9 rester (selvom deres længde kan variere fra 4 til 25). rester afhængigt af organismen og substratet). Hvad der bestemmer længden af peptider dannet under proteolyse i proteasomet er ukendt [57] . Selvom de tre β-underenheder bruger den samme mekanisme til at nedbryde proteiner, har de lidt forskellige substratspecificiteter og er klassificeret som trypsin-lignende, chymotrypsin-lignende og peptidyl-glutamyl-lignende. Specificiteten skyldes vekselvirkningerne mellem atomer af tilstødende aminosyrerester nær det aktive center. Derudover indeholder hver katalytisk β-underenhed en konserveret lysinrest, der kræves til proteolyse [20] .
Selvom proteasomet normalt frigiver meget korte peptider, er proteasomnedbrydningsprodukter nogle gange i sig selv biologisk aktive funktionelle molekyler. Nogle transkriptionsfaktorer, herunder en komponent af pattedyrs NF-KB- komplekset , syntetiseres som inaktive prækursorer, der bliver aktive efter ubiquitinering og proteasomal nedbrydning. For en sådan aktivering bør brydningen af peptidbindinger ikke forekomme i enderne af molekylet, men i dets midterste del. Det er blevet foreslået, at de lange sløjfer af disse proteiner er det korrekte substrat for proteasomet, mens det meste af proteinmolekylet ikke kommer ind i proteasomet [58] . En lignende aktiveringsmekanisme er blevet identificeret i gær. Det er blevet kaldt ubiquitin-proteasom-afhængig behandling [59] .
Selvom proteasomsubstrater i de fleste tilfælde skal polyubiquitineres, er der flere kendte undtagelser fra denne regel, især i tilfælde, hvor proteasomet er involveret i normal post-translationel proteinbehandling. Pattedyrets NF-KB-underenhed p105 skal nedbrydes til p50, som er en del af det aktive kompleks [58] . Nogle ustabile proteiner, der indeholder lange udfoldede områder, vil sandsynligvis også blive nedbrudt af proteasomer, der mangler ubiquitinkæder [60] . Det mest undersøgte ubiquitin-uafhængige proteasomsubstrat er ornithin-decarboxylase [61] . Nogle cellecyklusregulatorer kan gennemgå ubiquitin-uafhængig nedbrydning [62] . Endelig nedbrydes proteiner med en unormal struktur eller stærkt oxiderede proteiner af proteasomer under forhold med cellulær stress, uanset 19S-partiklen og ubiquitin [63] .
20S-proteasomet findes i alle eukaryoter og er essentielt for den eukaryote celles liv. En række prokaryoter, herunder mange archaea og bakterier af ordenen Actinomycetales , har homologer af 20S-proteasomet. De fleste bakterier har varmechokgener hslV og hslU , hvis proteinprodukter danner en multimer protease bestående af to ringe [64] . Det er blevet foreslået, at hslV-proteinet kan ligne forfaderen til 20S-proteasomet [65] . Som regel er hslV ikke strengt nødvendigt for en bakteriecelle og findes ikke i alle bakterier, dog har nogle protister både 20S-proteasomet og hslV. Mange bakterier har andre proteasomer og associerede ATPase-homologer, såsom ClpP og ClpX . Mangfoldigheden af proteasomhomologer kan forklare, hvorfor HslUV-systemet ikke er strengt nødvendigt for bakterieceller [64] .
Sekvensanalyse viste, at de katalytiske β-underenheder blev isoleret under evolution tidligere end α-underenhederne, som spiller en overvejende strukturel rolle. I bakterier med et 20S-proteasom er sekvenserne af β-underenhederne meget lig dem for archaea og eukaryoter, mens sekvenserne af α-underenhederne er meget mindre ens. Bakterier kunne erhverve 20S-proteasomet gennem horisontal genoverførsel , og diversificeringen af proteasomunderenheder i eukaryoter er en konsekvens af multiple genduplikationer [ 64] .
Cellecyklussen er under kontrol af cyclin-afhængige kinaser ( CDK'er ), som aktiveres af cyclinproteiner . Mitotiske cykliner eksisterer kun i et par minutter og er blandt de kortest levende cellulære proteiner. Efter at cyclin-CDK-komplekset har fuldført sin funktion, polyubiquitineres cyclinen og ødelægges af proteasomet, hvorved det tilsvarende CDK bliver inaktivt, og den næste fase af cellecyklussen begynder. Især udgang fra mitose kræver proteasomal ødelæggelse af cyclin B [66] . Når man passerer gennem kontrolpunktet for cellecyklussen , kendt som restriktionspunktet og placeret mellem G 1 - fasen og S-fasen , sker proteasomødelæggelsen af cyclin A , og dets ubiquitinering udføres af anaphase stimulation complex (APC), som er E3 ubiquitin ligase [67] . APC og SCF-komplekset er to nøglefaktorer i nedbrydningen af cycliner. Desuden reguleres selve SCF-komplekset af APC gennem ubiquitinering af adapterproteinet Skp2 , som undertrykker SCF-aktivitet før overgangen fra G 1 -fasen til S-fasen [68] .
De enkelte komponenter i 19S-partiklen har deres egne cellulære funktioner. Således er en af komponenterne i 19S-partiklen, kendt som gankirin, et onkoprotein , der binder tæt til cyclin-afhængig kinase 4 (CDK4) og, som interagerer med MDM2 ubiquitin-ligasen , spiller en afgørende rolle i genkendelsen af ubiquitineret p53 . Gankirin hæmmer apoptose og er overudtrykt i nogle kræftformer , såsom hepatocellulært karcinom [69] .
Hos planter stimulerer phytohormoner auxiner den proteasomale ødelæggelse af Aux/IAA, repressorer af transkriptionsfaktorer . Disse proteiner er ubiquitineret af SCFTIR1, SCF-komplekset med TIR1-auxinreceptoren. Som et resultat af ødelæggelsen af Aux/IAA bliver transkriptionsfaktorer af auxin-responsfaktor (ARF)-familien dereprimeret, hvilket aktiverer ekspressionen af gener, der kontrolleres af dem [70] . De cellulære virkninger af ARF-aktivering afhænger af planteudviklingsstadiet , men oftest regulerer de vækstretningen af rødder og bladårer . Specificiteten af responsen på ARF-derepression giver sandsynligvis en klar overensstemmelse mellem visse proteiner fra Aux/IAA- og ARF-familierne [71] .
Proteasomer spiller en vigtig rolle i apoptose ved at stimulere protein ubiquitination, selvom caspaser spiller den førende rolle i proteinnedbrydning under apoptose [72] [73] [74] . Under apoptose bevæger de proteasomer, der er placeret i kernen af en døende celle sig ind i sammensætningen af de såkaldte blebs, der løsnes fra cellemembranen ( membranblebbing er et karakteristisk træk ved apoptose) 75] . Proteasomhæmning har forskellige virkninger på apoptose i forskellige celletyper. I de fleste tilfælde er proteasomer ikke strengt nødvendige for apoptose, selvom proteasomhæmning i de fleste celler udløser apoptose. En vigtig rolle i initieringen af apoptose spilles af afbrydelse af det velkoordinerede system for nedbrydning af proteiner, der stimulerer celleproliferation og -deling [ 76 ] . Nogle typer celler, såsom differentierede G0 - faseceller , såsom thymocytter og neuroner , går imidlertid ikke ind i apoptose under virkningen af proteasomhæmmere. Mekanismen for denne effekt er ikke klar, men er sandsynligvis specifik for hvilende celler eller på grund af den differentielle aktivitet af den proapoptotiske JNK -kinase [77] . Proteasomhæmmernes evne til at udløse apoptose i hurtigt delende celler udnyttes i nogle nyligt udviklede cancerkemoterapilægemidler , såsom bortezomib og salinosporamid A .
Under betingelser med cellulær stress, såsom infektion , varmechok, oxidativ beskadigelse, udtrykkes varmechokproteiner , der genkender fejlfoldede eller denaturerede proteiner og dirigerer dem til proteasomal nedbrydning. Det er blevet vist, at Hsp27 og Hsp90 chaperonerne er involveret i at øge aktiviteten af ubiquitin-proteasomsystemet, selvom de ikke er direkte involveret i denne proces [78] . En anden chaperon, Hsp70 , binder sig til udsatte hydrofobe områder af udfoldede proteiner (normalt vender sådanne regioner indad) og tiltrækker ubiquitin-ligaser som CHIP, som dirigerer proteiner til at blive nedbrudt i proteasomerne [79] . Lignende mekanismer dirigerer oxiderede proteiner til destruktion. For eksempel reguleres nukleare proteasomer af poly(ADP-ribose) polymeraser (PARP) og nedbryder aktivt oxiderede histoner [80] . Oxiderede proteiner danner ofte store amorfe aggregater inde i cellen, og 20S partiklen er i stand til at ødelægge dem uden 19S partiklen, uanset ATP og ubiquitin hydrolyse [63] . Alvorlig oxidativ skade øger imidlertid risikoen for tværbinding af proteinfragmenter, hvilket gør dem modstandsdygtige over for proteolyse. Store og talrige ophobninger af oxiderede proteiner er forbundet med aldring [81] .
Proteasomer spiller en afgørende rolle i funktionen af adaptiv immunitet . I proteasomerne af antigen-præsenterende celler nedbrydes proteinerne fra det invaderende patogen til peptider, der eksponeres til ydersiden af molekyler af det store histokompatibilitetskompleks klasse I (MHCI). Både konventionelle, konstant udtrykte proteasomer og specialiserede immunproteasomer kan deltage i denne proces. Deres ekspression udløses af interferon y, og de peptider, de danner, er af den ideelle størrelse og sammensætning til MHC-eksponering. Under immunresponset øges ekspressionen af den regulatoriske 11S-underenhed, som regulerer dannelsen af MHC- ligander , samt specialiserede β-underenheder β1i, β2i og β5i, som har lidt ændret substratspecificitet. Immunoproteasomer er proteasomer, der indeholder sådanne specialiserede β-underenheder [16] . En anden variant af β5i-underenheden, β5t, udtrykkes i thymus, hvilket fører til dannelsen af thymusspecifikke thymoproteasomer, hvis funktioner er uklare [ 82] .
Bindingsstyrken af MHCI-liganden afhænger af aminosyresammensætningen af ligandproteinets C-terminale ende, da det er dens C-terminal, som hydrogen binder til et særligt sted på MHCI-overfladen, som kaldes B-lommen. Mange MHCI- alleler binder bedst til hydrofobe C-termini, og peptider produceret af immunproteasomer har tendens til at have hydrofobe C-termini [83] .
Da proteasomer er involveret i aktiveringen af NF-KB, en anti-apoptotisk og pro-inflammatorisk regulator af cytokinekspression , spiller de en rolle i udviklingen af inflammatoriske og autoimmune sygdomme . Et øget niveau af proteasomekspression er forbundet med sygdommens sværhedsgrad og observeres ved autoimmune sygdomme som systemisk lupus erythematosus og leddegigt [16] .
Proteasomer deltager i antistofmedieret intracellulær proteolyse, som antistofbundne viruspartikler ( virioner ) gennemgår. TRIM21 proteinet binder til immunoglobulin G og dirigerer virion til proteasomal ødelæggelse [84] .
Proteasomhæmmere viser udtalt antitumoraktivitet i cellekulturer ved at inducere apoptose ved at forstyrre proteinnedbrydning. På grund af den selektive proapoptotiske effekt på cancerceller er proteasomhæmmere blevet testet med succes i dyre- og humane kliniske forsøg [76] .
Den første identificerede ikke-peptidproteasomhæmmer var lactacystin , syntetiseret af bakterier af slægten Streptomyces . Lactacystin er licenseret af Takeda Pharmaceutical . Det har fundet bred anvendelse i forskningsarbejde inden for biokemi og cellebiologi . Lactacystin modificerer kovalent de N-terminale threoninrester af β-underenhederne, især β5-underenheden, som har chymotrypsinlignende aktivitet. Takket være lactacystin var det muligt at fastslå, at proteasomet er en aminoterminal threoninprotease (den første repræsentant for en ny klasse af proteaser) [85] .
Bortezomib (handelsnavn Velkad), udviklet af Millennium Pharmaceuticals , var den første proteasomhæmmer, der blev brugt i cancerkemoterapi [86] . Det bruges til at behandle myelomatose [87] . Ved myelomatose påvises et højt niveau af peptider af proteasomoprindelse i blodplasma , som falder til normalt under behandling med bortezomib [88] . Dyreforsøg har vist, at bortezomib kan være effektiv ved bugspytkirtelkræft [89] [90] . Siden begyndelsen af det 21. århundrede er prækliniske og kliniske undersøgelser af effektiviteten af bortezomib til behandling af andre typer af B- cellekræft [91] , især nogle non-Hodgkins lymfomer [92] blevet udført . Kliniske forsøg har vist effektiviteten af bortezomib i kombination med standard kemoterapi i kampen mod B-celle akut lymfatisk leukæmi [93] . Proteasomhæmmere under cellekulturbetingelser dræber nogle leukæmiceller , der er resistente over for glukokortikoider [94] .
Lægemidlet ritonavir (varenavn Norvir) blev udviklet som en proteasehæmmer til behandling af HIV-infektion . Det viste sig dog, at det ikke kun hæmmer frie proteaser, men også proteasomer – mere præcist blokerer det proteasomets chymotrypsinlignende aktivitet, mens det øger trypsinlignende aktivitet en smule [95] . Dyreforsøg har vist, at ritonavir kan hæmme væksten af gliomceller [96] .
Eksperimenter i dyremodeller har vist, at proteasomhæmmere kan være effektive i behandlingen af autoimmune lidelser. En undersøgelse af mus med humane hudtransplantater viste, at proteasehæmmere reducerede størrelsen af sår forårsaget af psoriasis [97] . Proteasehæmmere har også vist sig at være effektive mod astma i dyremodeller [98] .
Mærkning og dæmpning af proteasomer er vigtig for at studere proteasomfunktionen både in vitro og in vivo . De mest almindeligt anvendte proteasomhæmmere i forskningspraksis er lactacystin og peptidaldehyd MG132. Specifikke fluorescerende inhibitorer er blevet udviklet til mærkning af aktive steder i proteasomer [99] .
Proteasomer og deres underenheder er vigtige for medicin, ikke kun som det molekylære grundlag for mange sygdomme, men også som et lovende mål for mange lægemidler. Muligvis kan proteasomer bruges som biomarkører (især biomarkører for nogle autoimmune sygdomme [100] ). Proteasomabnormaliteter er blevet identificeret i neurodegenerative [101] [102] , kardiovaskulære [103] [104] [105] , inflammatoriske og autoimmune sygdomme [106] og mange typer cancer [107] . De kan også være forbundet med hjernetumorer såsom astrocytomer [ 108] .
Adskillige eksperimentelle og kliniske undersøgelser har forbundet proteasom dysfunktion til mange neuro- og myodegenerative sygdomme, herunder Alzheimers sygdom [109] , Parkinsons sygdom [110] , Picks sygdom [111] , amyotrofisk lateral sklerose og andre motoriske neuronsygdomme [111] , Huntingtons sygdom [110] , Creutzfeldt-Jakobs sygdom [112] , adskillige sjældne neurodegenerative sygdomme forbundet med demens [113] , polyglutaminlidelser , muskeldystrofier [114] og inklusionskropsmyopati [ 108 ] . Proteasom dysfunktion fører til dannelsen af store uopløselige ophobninger af udfoldede proteiner i nervevævet , hvilket ofte observeres ved neurodegenerative sygdomme (for eksempel ved Parkinsons sygdom dannes de såkaldte Lewy-legemer [115] ). Det molekylære grundlag for neurotoksiciteten af proteinaggregater er imidlertid uklart. Gærundersøgelser har vist, at celler er mest følsomme over for de toksiske virkninger af α-synuclein (hovedproteinet i Lewy-legemer) under forhold med proteasomhæmning [116] . Fejlfungerende proteasomer kan ligge til grund for kognitive problemer såsom autismespektrumforstyrrelser [108] .
Proteasomdysfunktioner er forbundet med koronar hjertesygdom [117] , ventrikulær hypertrofi [118] og myokardieinfarkt [119] . Fordi proteasomer er involveret i cellerespons på stimulussignaler, kan deres dysfunktioner føre til kræft. Proteasomer kontrollerer overfloden af mange proteiner forbundet med kræftudvikling: p53, c-Jun , c-Fos , NF-KB, c- Myc , HIF-1α , MATα2, STAT3 , og andre [120] . Proteasomer nedbryder mange proteiner, der fungerer som tumorundertrykkere , såsom adenomatøs polyposis coli og VHL , såvel som nogle proto-onkogener ( Raf , Myc, Myb , Rel, Src , Mos , Abl ). Ved at regulere aktiveringen af NF-KB, som aktiverer ekspressionen af proinflammatoriske cytokiner, prostaglandiner og nitrogenoxid ( NO ), er proteasomer involveret i reguleringen af inflammation [106] . Proteasomer, der påvirker ødelæggelsen af cycliner og inhibitorer af cyclinafhængige kinaser , fungerer som regulatorer af leukocytproliferation under inflammation [121] .
Ordbøger og encyklopædier | |
---|---|
I bibliografiske kataloger |
eukaryote celleorganeller _ | |
---|---|
endomembransystem | |
cytoskelet | |
Endosymbionter | |
Andre indre organeller | |
Eksterne organeller |