Proteasom (från engelska protease - proteinase och latin soma - body) är ett multiproteinkomplex som förstör onödiga eller defekta proteiner med hjälp av proteolys ( en kemisk reaktion där peptidbindningar bryts ) till korta peptider (4-25 aminosyrarester ). Dessa peptider kan sedan brytas ner till individuella aminosyror [1] [2] . Proteasomer finns i cellerna hos eukaryoter , archaea och vissa bakterier . I eukaryota celler finns proteasomer både i kärnan och i cytoplasman [3] . Nedbrytning av 80-90% av intracellulära proteiner sker med deltagande av proteasomen [2] . För att ett målprotein ska klyvas av proteasomen måste det märkas genom att ett litet ubiquitinprotein fästs till det . Ubiquitinadditionsreaktionen katalyseras av enzymerna ubiquitinligaser . Fästningen av den första ubiquitinmolekylen till proteinet fungerar som en signal för ubiquitinligaser att ytterligare fästa ubiquitinmolekyler. Som ett resultat binds en polyubiquitinkedja till proteinet, som binder till proteasomen och ger klyvning av målproteinet [1] [2] . I allmänhet kallas hela detta system ubiquitin-beroende proteinnedbrytning [4] .
Proteasomal proteinnedbrytning är viktig för många cellulära processer, inklusive cellcykeln , reglering av genuttryck och svar på oxidativ stress [5] . År 2004 tilldelades Aaron Ciechanover , Avram Hershko och Irwin Rose Nobelpriset i kemi "för deras upptäckt av ubiquitin-beroende proteinnedbrytning" [6] .
Innan upptäckten av det ubiquitinberoende proteinnedbrytningssystemet trodde man att nedbrytningen av proteiner i cellen främst sker på grund av lysosomer . Lysosomer är membranösa organeller med ett surt inre innehållande proteaser . De kan använda exogena proteiner som fångas av cellen under endocytos , proteiner associerade med membran och skadade organeller [1] [2] . Men 1977 bevisade Alfred Goldberg existensen av ett ATP -beroende proteinnedbrytningssystem i retikulocyter , som saknar lysosomer [7] . Detta antydde att det finns åtminstone ytterligare en mekanism för intracellulär proteinklyvning. 1978 visades det att motsvarande proteas består av flera typer av polypeptidkedjor [ 8] . Dessutom, i studien av post-translationella modifieringar av histoner , fann man en oväntad kovalent modifiering: tillägget av en C-terminal ubiquitinglycinrest , ett litet protein med en okänd funktion , till lysinsidokedjan i histonen [ 9 ] . Det visade sig att den tidigare beskrivna ATP-beroende proteolysfaktor 1 och ubiquitin är samma protein [10] . Därefter isolerades det ATP-beroende proteinkomplexet som var ansvarigt för ubiquitin-medierad proteinnedbrytning från cellysat och gav namnet 26S-proteasomen [11] [12] .
De flesta av de tidiga arbetena, som sedan ledde till öppnandet av proteasalproteinnedbrytningssystemet, utfördes i slutet av 1970-talet och början av 1980-talet i Abram Hershko-laboratoriet i en teknik där Aaron Chekhanover var doktorand. Hershko utvecklade viktiga konceptuella idéer i Irwin Roses laboratorium , även om Rose senare förstod sin roll i upptäckten [13] . Alla tre delade Nobelpriset i kemi 2004 för öppnandet av detta system.
Även om elektronmikroskopiska data som indikerar att strukturen av proteasomen består av flera ringar staplade i en stapel fanns tillgängliga redan i mitten av 1980-talet [14] , den första strukturen av kärndelen av proteasomen kompilerad på basis av röntgendiffraktion uppgifter erhölls först 1994 [15] .
Komponenterna i proteasomen benämns ofta efter sina sedimentationskoefficienter i swedbergs (betecknas med bokstaven S). Den proteasom som är aktiv vid proteinnedbrytning kallas 26S-proteasomen och består vanligtvis av en 20S-kärnproteasom och en eller två 19S (PA700) och 11S-regulatoriska partiklar som fäster vid ändarna av kärnpartikeln. Även om bindningen av två regulatoriska partiklar strikt sett leder till bildandet av en proteasom med en sedimentationskoefficient på 30S, används termen "30S proteasom" praktiskt taget inte i litteraturen, och namnet "26S proteasom" används för båda isoformer . Förutom den regulatoriska 19S-partikeln kan 26S-proteasomen även innehålla andra regulatoriska komponenter: PA28α/β (11S REG), PA28γ (REGγ), PA200, PI31 [2] . Vissa proteasomer innehåller en annan regulatorisk partikel, 11S. Den interagerar med 20S-partikeln på samma sätt som 19S och kan delta i nedbrytningen av främmande proteiner, till exempel de som syntetiseras under en virusinfektion [16] .
Dimensionerna av proteas är relativt evolutionärt stabila och är 150 gånger 115 Ångström . Den inre kaviteten har en maximal bredd på 53 ångström, dock kan ingången till proteassomat ha en bredd på endast 13 ångström, detta indikerar att för ingången till proteassproteinet bör proteinet vara specifikt [17] denaturerat [18] .
20S-partiklarna av de prokaryota och eukaryota proteasomerna har en i grunden identisk kvartär struktur och består av 28 subenheter organiserade i fyra sju-ledade ringar staplade ovanpå varandra [2] . Mångfalden av proteasomsubenheter beror dock på den specifika organismen: mångfalden av subenheter är högre i flercelliga organismer jämfört med encelliga organismer och i eukaryoter jämfört med prokaryoter. Prokaryoternas proteasomer består av 14 kopior av identiska α-subenheter som bildar de yttre ringarna och 14 kopior av identiska β-subenheter som bildar de inre ringarna. I den eukaryota proteasomen skiljer sig alla sju subenheter av samma ring i struktur, det vill säga proteasomen består av två kopior av sju olika α-subenheter och två kopior av sju olika β-subenheter. Trots små skillnader, i termer av rumslig struktur, är α- och β-subenheterna ändå väldigt lika. α-subenheter är ansvariga för att fästa regulatoriska partiklar till 20S-proteasomen, och deras N-terminala regioner täcker ingången till proteasomhålan, vilket utesluter okontrollerad proteolys [19] . β-subenheter har proteascentra och är katalytiska komponenter i proteasomen. I archaea , till exempel, i Thermoplasma acidophilum är alla β-subenheter desamma, så proteasomen innehåller 14 identiska proteascentra. I däggdjursproteasomer är endast β1- , β2- och β5-subenheter katalytiskt aktiva, och alla dessa subenheter har olika substratspecificiteter (peptidyl-glutamyl-hydrolyserande, trypsin -liknande respektive chymotrypsin -liknande ) [20] . I hematopoetiska celler , under påverkan av pro-inflammatoriska signaler såsom cytokininterferon y , kan alternativa former av β-subenheter uttryckas , vilka betecknas β1i, β2i och β5i. Proteasomen som innehåller dessa alternativa β-subenheter kallas immunoproteasomen, och dess substratspecificitet skiljer sig något från den normala proteasomen [18] . I mitten av 2010-talet identifierades ovanliga proteasomer som saknade α3-kärnsubenheten i mänskliga celler [21] . I dessa proteasomer (även kända som α4-α4-proteasomer) innehåller 20S-kärnan α4-subenheten istället för α3. Alternativa α4-α4-proteasomer har också identifierats i jäst [22] . Även om funktionerna hos denna proteasomisoform är okända, kännetecknas celler som uttrycker dem av ökad motståndskraft mot den toxiska effekten av metalljoner , såsom kadmium [21] [23] .
I eukaryoten består 19-talsdelen av 19 separata proteinmolekyler, som bildar en 9-molnbas som direkt interagerar med α-ringen av en 20-tals koro-partikel, och ett 10-tygs "lock". Sex av de nio proteinerna i basen är ATFAZ från familjen AAA , deras homologer är tillgängliga för Archae och kallas Pan (från engelska Proteasome-CTIVATING NUCLEOTIDASE -Nucleotidase, som aktiverar proteassomet) [24] . För interaktionen av 19s och 20s är det nödvändigt att 19s-delsubenheterna med atfagaktivitet associeras med ATP, och för proteassidenedbrytning av de staplade och dödade proteinerna är ATP-hydrolys nödvändig. Strängt taget behövs ATP -hydrolys endast för denaturering av proteiner , men bindningen av ATP i sig kan bidra till förloppet av andra stadier av proteindestruktion (till exempel sammansättning av komplexet, öppning av porten, translokation och proteolys) [25 ] [26] . Dessutom bidrar bindningen av ATP med atfaze i sig till den snabba nedbrytningen av icke-använda proteiner. Även om det absoluta behovet av ATP endast har visat sig förstöra proteinets rumsliga struktur, är möjligheten av det faktum att ATP-hydrolys är nödvändig för konjugeringen av olika stadier av proteinnedbrytning [26] [27] .
År 2012 presenterade två forskargrupper oberoende av varandra den molekylära strukturen för 26S-proteasomen som erhölls med en partikelelektronmikroskopi [28] [29] . Senare konstruerades en atommodell av proteasomen med användning av kryoelektronmikroskopi . I mitten av 19S-partikeln, inte långt från 20S-partikeln, finns AAA ATPaser som bildar en heterohexamerisk ring (Rpt1/Rpt2/Rpt6/Rpt3/Rpt4/Rpt5). Denna ring är en trimer av Rpt1 /Rpt2, Rpt6/Rpt3 och Rpt4/Rpt5 dimerer. ATPaser dimeriseras med deras N-terminala lindade spolar som sticker ut från den hexameriska ringen . Två regulatoriska proteiner Rpn1 och Rpn2 som saknar ATPas-aktivitet binder till ändarna av Rpt1/2- respektive Rpt6/3-dimererna. Ubiquitinreceptorn Rpn13 binder till Rpn2. Locket täcker hälften av AAA-ATPase-hexameren (Rpt6/Rpt3/Rpt4) och interagerar direkt med 20S-partikeln via Rpn6 och, i mindre utsträckning, Rpn5. Underenheterna Rpn9, Rpn5, Rpn6, Rpn7, Rpn3 och Rpn12, som är strukturellt besläktade med varandra, såväl som till subenheterna i COP9- och eIF3 -komplexen , kombineras till en hästskoformad struktur som innehåller Rpn8/ Rpnll-heterodimer. Rpn11-subenheten, som är ett deubikvitinerande enzym, ligger nära den inre håligheten i den hexameriska ringen av AAA-ATPases, vilket är idealiskt för att ta bort ubikvitinrester strax före translokation av nedbrytbara proteiner till 20S-partikeln. Den andra av de för närvarande kända ubiquitinreceptorerna , Rpn10 , ligger i periferin av operculum, bredvid Rpn8- och Rpn9-subenheterna [30] .
Tre distinkta konformationer är kända för 19S reglerande partikel [31] . De spelar förmodligen alla en viktig roll i att känna igen och förstöra substratet . Den första konformationen kännetecknas av den minsta energin, vilket uppnås genom placeringen av AAA-domäner ATFAZ i form av en trappa eller fjäder [30] [28] . I närvaro av ATP, men i frånvaro av ett substrat, observeras en andra, mindre vanlig konformation, som kännetecknas av lockets placering i förhållande till den aaa-athaziska modulen. I närvaro av ATP-γs eller substrat realiseras en tredje konformation med en kraftigt förändrad struktur av AAA-Atfusal-modulen [32] [33] .
19S är en reglerande partikel, den stimulerar förstörelsen av substratet 20S-Subezhnaya. Huvudfunktionen hos 19-talsdelen är öppningen av porten på 20-talet, vilket förhindrar inmatningen av substraten inuti proteassomet [34] . Det var möjligt att bestämma mekanismen genom vilken ATPaser öppnar porten för 20S-partikeln. Portöppning kräver ett specifikt motiv vid C-terminalen av ATPaser. På grund av det kommer C-C-ATFAZ in i speciella fickor i de övre 20S-partiklarna och fixerar ataskomplexet på 20-talets proseolitiska komplex, på grund av vilket den del av proteasomerna som ansvarar för denatureringen av substratet är associerad med den nedbrytande modulen. Bindningen av ATFAZs C-kåpor med 20S gör att porten öppnas i den senare precis som nyckeln öppnar låset. Strukturella förändringar som åtföljer portöppning har också studerats [35] .
En annan regulatorisk partikel som har en massa på 11s och är även känd som PA28 eller REG) kan interagera med 20S-proteasom . Det innehåller inte ATPaser och främjar förstörelsen av korta peptider, men inte stora proteiner. Detta beror troligen på att 11s-delen inte kan denaturera stora proteinmolekyler. Mekanismen för interaktion mellan 11S-partikeln och 20S-proteasomen liknar interaktionen mellan 19S-partikeln och den senare: 11S-partikeln binder till 20S med sin C-terminala svans och inducerar konformationsförändringar i α-ringen, vilket orsakar porten. av 20S-partikeln för att öppna [36] . Uttryck av 11S-partikeln utlöses av interferon y, och denna partikel, tillsammans med β-subenheterna i immunoproteasomen, är ansvarig för bildandet av peptider som binder till det stora histokompatibilitetskomplexet [16] .
Sammansättning av proteasomen är en mycket komplex process där många individuella proteinmolekyler måste mötas för att bilda ett aktivt komplex. β-subenheter syntetiseras med N-terminala "propeptider", som under montering av 20S-partikeln genomgår posttranslationella modifieringar för att sedan bli en del av det katalytiska aktiva centret. 20S-partikeln är sammansatt av två halvor, som var och en innehåller en β-ring, bestående av sju subenheter och associerad med en sju-ledad a-ring. En komplett 20S-partikel bildas när de två halvorna är sammankopplade via β-ringar, vilket åtföljs av treoninberoende autolys av propeptider, vilket resulterar i bildandet av proteasomens aktiva centrum. Interaktionen mellan β-ringar förmedlas av saltbryggor och hydrofoba interaktioner av konservativa α-helixar, och mutationer i dem gör det omöjligt att sätta ihop proteasomen [37] . Sammansättning av varje halva av proteasomen börjar med bildandet av en heptamer ring av α-subenheter, som fungerar som en mall för montering av β-ringen. Monteringsmekanismen för α-ringen har inte studerats [38] .
19S regulatoriska partikel är sammansatt av två delar, en bas och ett lock. Basmontering sker med deltagande av fyra chaperoner Hsm3/S5b, Nas2/ p27 , Rpn14/ PAAF1 och Nas6/ gankirin (förnamnet är i jäst, det andra namnet är i däggdjur) [39] . Chaperones interagerar med AAA-ATPas-subenheter och säkerställer bildandet av den korrekta hexameriska ringen från dem. Basmonteringen underlättas också av det deubiquitinerande enzymet Ubp6/ Usp14 , men är inte strikt nödvändigt [40] . Det är fortfarande okänt om sammansättningen av 19S-partikeln är relaterad till sammansättningen av 20S-partikeln. Operculum monteras separat från basen utan deltagande av chaperones [41] .
Proteiner som ska brytas ned av proteasomen markeras av den kovalenta bindningen av det lilla proteinet ubiquitin till lysinrester. Fästningen av ubiquitin utförs av tre enzymer. I det första steget hydrolyserar det ubiquitinaktiverande enzymet , känt som E1, ATP och adenylerar ubiquitinmolekylen. Vidare överförs adenylylerat ubiquitin till cysteinresten av E1-enzymet samtidigt med adenylering av det andra ubiquitinet [42] . Det adenylerade ubiquitinet överförs sedan till cysteinresten av det andra enzymet, det ubiquitin-konjugerande enzymet (E2). I det sista skedet känner ett enzym från den stora gruppen av ubiquitinligaser (E3) igen proteinet som ska förstöras och överför ubiquitin från E2 till det. Således är det E3 som tillhandahåller substratspecificiteten för ubiquitin-proteasomsystemet [43] . För att kännas igen av proteasomlocket måste ett protein bära en kedja av minst fyra ubikvitinmonomerer (dvs vara polyubiquitinerad) [44] .
Mekanismen för igenkänning av ett polyubiquitinerat protein av proteasomen är inte helt klarlagd. Ubiquitin-receptorer har en N-terminal ubiquitin-liknande domän ( ubiquitin -like domän, UBL ), såväl som en eller flera ubiquitin-associerade domäner ( ubiquitin-associated domän, UBA ) . UBL-domäner känns igen av proteasomlocket och UBA interagerar med ubiquitin via tre α-helixar . Ubiquitinreceptorproteiner kan leverera polyubiquitinerade proteiner till proteasomen, men detaljerna i processen och dess reglering är oklara [45] .
Kilquitin själv består av 76 aminosyrarester och fick sitt namn för utbredd distribution (från engelskan ubiquitous - "widespread"). Detta protein är mycket konserverat och finns i alla eukaryoter [46] . Eukaryota gener som kodar för ubiquitin bildar tandemupprepningar , troligen på grund av att de transkriberas mycket aktivt för att upprätthålla den erforderliga nivån av ubiquitin i cellen. Det har föreslagits att ubiquitin är det protein som utvecklas långsammast känt [47] . Ubiquitin innehåller sju lysinrester, till vilka andra ubiquitinmolekyler kan fästa, vilket gör det möjligt att bilda polyubiquitin-kedjor av olika slag [48] . Proteasomen känner igen polyubiquitin-kedjor, i vilka varje nästa ubiquitin-molekyl är fäst vid den 48:e resten av det tidigare ubiquitinet, och alla övriga är involverade i andra cellulära processer, det vill säga de är post-translationella modifieringar [49] .
Ett polyubiquitinerat protein känns igen av 19S-subenheten, och ATP-energi krävs för dess denaturering (det vill säga förstörelsen av den rumsliga strukturen) [26] . Därefter måste proteinet komma in i 20S-subenheten, nämligen in i dess aktiva centrum. Eftersom håligheten hos 20S-subenheten är mycket smal och stängd av en grind av N-terminala subenheter i a-ringen, måste substratet vara åtminstone delvis denaturerat. Dessutom bör det ubikvitiska märket tas bort från det [26] . Övergången av ett denaturerat protein till proteasomens aktiva centrum kallas translokation. Den ordning i vilken denaturering och deubiquitination av substratproteiner sker är okänd [50] . Vilket av dessa steg som är hastighetsbegränsande beror på substratet [25] . Graden av denaturering som gör att substratet kan komma in i det aktiva stället är också okänd, men den tertiära strukturen och vissa bindningar inom proteinmolekylen, såsom disulfidbindningar , förhindrar proteinnedbrytning [51] . Närvaron av ovikta regioner av en viss längd inuti proteinet eller i dess ände underlättar effektiv destruktion [52] [53] .
Porten som bildas av α-subenheter förhindrar peptider som består av mer än fyra rester från att komma in i 20S-partikeln. Innan translokationen av peptiden sker dess denaturering, vilket kräver energin från ATP-hydrolys, men själva translokationsprocessen kräver ingen ytterligare energikälla [25] [26] . Proteasomen kan bryta ned denaturerade proteiner även i närvaro av en icke-hydrolyserbar ATP-analog, men inte proteiner i naturlig form, vilket indikerar att ATP-energi endast behövs för denatureringsprocessen [25] . Passagen av det denaturerade substratet genom porten följer typen av underlättad diffusion om ATPase-subenheterna i 19S-partikeln är bundna till ATP [54] .
Denatureringen av globulära proteiner följer i allmänhet samma mekanism, även om vissa av dess reaktioner beror på aminosyrasammansättningen av substratet. Långa sträckor bestående av upprepade glycin- och alaninrester undertrycker denaturering, vilket minskar effektiviteten av proteasomdestruktion, troligen på grund av att ATP-hydrolys och denaturering är frikopplade [55] . Resultatet av denna ofullständiga förstörelse är delvis förstörda proteiner. Glycin- och alaninupprepningar finns i naturliga proteiner som silkesfibroin . Dessutom finns de i vissa proteiner från Epstein-Barr-viruset och stör proteasomernas arbete, på grund av vilket presentationen av antigener på det stora histokompatibilitetskomplexet störs och följaktligen underlättas reproduktionen av viruset [56 ] .
Substratproteolys av β-subenheter av 20S-partikeln sker som en treoninberoende nukleofil attack. Deprotonering av den hydroxylgruppen i treonin kan kräva vatten. Nedbrytning sker i den centrala kaviteten av proteasomen, som bildas genom interaktion mellan två β-ringar och normalt inte frisätter delvis förstörda proteiner, vilket förstör substratet till peptider med 7-9 rester (även om deras längd kan variera från 4 till 25 rester beroende på organism och substrat). Vad som bestämmer längden på peptider som bildas under proteolys i proteasomen är okänt [57] . Även om de tre β-subenheterna använder samma mekanism för att bryta ned proteiner, har de något olika substratspecificiteter och klassificeras som trypsinliknande, kymotrypsinliknande och peptidylglutamylliknande. Specificiteten beror på växelverkan mellan atomer av angränsande aminosyrarester nära det aktiva centret. Dessutom innehåller varje katalytisk β-subenhet en konserverad lysinrest som krävs för proteolys [20] .
Även om proteasomen normalt frisätter mycket korta peptider, är ibland proteasomnedbrytningsprodukter i sig biologiskt aktiva funktionella molekyler. Vissa transkriptionsfaktorer, inklusive en komponent av däggdjurs -NF-KB- komplexet , syntetiseras som inaktiva prekursorer som blir aktiva efter ubiquitination och proteasomal nedbrytning. För sådan aktivering bör brytningen av peptidbindningar inte ske i ändarna av molekylen, utan i dess mittdel. Det har föreslagits att de långa slingorna av dessa proteiner är det rätta substratet för proteasomen, medan det mesta av proteinmolekylen inte kommer in i proteasomen [58] . En liknande aktiveringsmekanism har identifierats i jäst. Det har kallats ubiquitin-proteasomberoende bearbetning [59] .
Även om proteasomsubstrat i de flesta fall måste polyubiquitineras, finns det flera kända undantag från denna regel, särskilt i fall där proteasomen är involverad i normal posttranslationell proteinbearbetning. Däggdjurs NF-KB-subenheten p105 måste brytas ned till p50, som är en del av det aktiva komplexet [58] . Vissa instabila proteiner som innehåller långa oveckade regioner kommer sannolikt också att brytas ned av proteasomer som saknar ubiquitin-kedjor [60] . Det mest studerade ubiquitin-oberoende proteasomsubstratet är ornitindekarboxylas [61] . Vissa cellcykelregulatorer kan genomgå ubiquitin-oberoende nedbrytning [62] . Slutligen bryts proteiner med en onormal struktur eller starkt oxiderade proteiner ned av proteasomer under förhållanden av cellulär stress, oavsett 19S-partikeln och ubiquitin [63] .
20S-proteasomen finns i alla eukaryoter och är väsentlig för den eukaryota cellens liv. Ett antal prokaryoter, inklusive många archaea och bakterier av ordningen Actinomycetales , har homologer av 20S-proteasomen. De flesta bakterier har värmechockgener hslV och hslU , vars proteinprodukter bildar ett multimert proteas som består av två ringar [64] . Det har föreslagits att hslV-proteinet kan likna förfadern till 20S-proteasomen [65] . Som regel är hslV inte absolut nödvändigt för en bakteriecell och finns inte i alla bakterier, men vissa protister har både 20S-proteasomen och hslV. Många bakterier har andra proteasomer och associerade ATPas-homologer, såsom ClpP och ClpX . Mångfalden av proteasomhomologer kan förklara varför HslUV-systemet inte är strikt nödvändigt för bakterieceller [64] .
Sekvensanalys visade att de katalytiska β-subenheterna isolerades under evolution tidigare än α-subenheterna, som spelar en övervägande strukturell roll. I bakterier med en 20S-proteasom är sekvenserna för β-subenheterna mycket lika de för archaea och eukaryoter, medan sekvenserna för α-subenheterna är mycket mindre lika. Bakterier kan förvärva 20S-proteasomen genom horisontell genöverföring , och diversifieringen av proteasomsubenheter i eukaryoter är en konsekvens av multipla gendupliceringar [ 64] .
Cellcykeln är under kontroll av cyklinberoende kinaser ( CDK ), som aktiveras av cyklinproteiner . Mitotiska cykliner existerar bara i några minuter och är ett av de kortaste cellulära proteinerna. Efter att cykelkomplexet med CDK utfört sin funktion polyubiquitiniseras cykeln och förstörs av proteassomet, vilket är anledningen till att motsvarande CDK blir inaktiv, och nästa fas av cellcykeln inträffar. I synnerhet, för att lämna mitos, är proteasmös destruktion av cykel b [66] nödvändig . När man passerar genom kontrollpunkten för cellcykeln , känd som begränsningspunkten och ligger mellan G 1 -fas och S -fas, sker proteasförstörelsen av cykel A , och dess dödning utförs av en uppsättning anafasstimulering (APC), som är E3-Ubquitinligaz [67] . APC och SCF-komplexet är två nyckelfaktorer i nedbrytningen av cykliner. Dessutom regleras själva SCF-komplexet av APC genom dödandet av adapterprotein SKP2 , vilket undertrycker aktiviteten av SCF till övergången från G 1 -fas till S-fas [68] .
De individuella komponenterna i 19S-partikeln har sina egna cellulära funktioner. Således är en av komponenterna i 19S-partikeln, känd som gankirin, ett onkoprotein som binder tätt till cyklinberoende kinas 4 (CDK4) och som interagerar med MDM2 ubiquitinligas , spelar en avgörande roll i igenkännandet av ubiquitinerad p53 . Gankirin hämmar apoptos och överuttrycks i vissa cancerformer , såsom hepatocellulärt karcinom [69] .
I växter stimulerar fytohormonerna auxiner den proteasomala förstörelsen av Aux/IAA, repressorer av transkriptionsfaktorer . Dessa proteiner ubiquitineras av SCFTIR1, SCF-komplexet med TIR1-auxinreceptorn. Som ett resultat av förstörelsen av Aux/IAA, avtrycks transkriptionsfaktorer av familjen auxinresponsfaktor (ARF), vilket aktiverar uttrycket av gener som kontrolleras av dem [70] . De cellulära effekterna av ARF-aktivering beror på växtutvecklingsstadiet, men oftast reglerar de tillväxtriktningen för rötter och bladvener . Specificiteten hos svaret på ARF-derepression ger förmodligen en tydlig överensstämmelse mellan vissa proteiner från Aux/IAA- och ARF-familjerna [71] .
Proteasomer spelar en viktig roll i apoptos genom att stimulera protein ubiquitination, även om kaspaser spelar den ledande rollen i proteinnedbrytning under apoptos [72] [73] [74] . Under apoptos flyttar de proteasomer som finns i kärnan i en döende cell in i sammansättningen av de så kallade blåsorna som lossnar från cellmembranet ( membranblåsning är ett karakteristiskt kännetecken för apoptos) 75] . Proteasomhämning har olika effekter på apoptos i olika celltyper. I de flesta fall är proteasomer inte strikt nödvändiga för apoptos, även om proteasomhämning i de flesta celler utlöser apoptos. En viktig roll i initieringen av apoptos spelas av störningar av det välkoordinerade systemet för nedbrytning av proteiner som stimulerar cellproliferation och delning [ 76] . Vissa typer av celler, såsom differentierade G0 - fasceller, såsom tymocyter och neuroner , går emellertid inte in i apoptos under verkan av proteasomhämmare. Mekanismen för denna effekt är inte klar, men är förmodligen specifik för vilande celler eller på grund av den differentiella aktiviteten av det proapoptotiska JNK -kinaset [77] . Förmågan hos inhibitorer av proteas att starta apoptos i snabbt delande celler används i några nyligen utvecklade kemoterapiläkemedel mot cancer , såsom Bortezomib och Salinosporage A .
Under förhållanden av cellulär stress som infektion , värmechock, oxidativ skada, uttrycks värmechockproteiner som känner igen felveckade eller denaturerade proteiner och leder dem till proteasomal nedbrytning. Det har visat sig att Hsp27 och Hsp90 chaperonerna är involverade i att öka aktiviteten hos ubiquitin-proteasomsystemet, även om de inte är direkt involverade i denna process [78] . En annan chaperon, Hsp70 , binder till exponerade hydrofoba regioner av ovikta proteiner (normalt vänder sådana regioner sig inåt) och attraherar ubiquitinligaser som CHIP, som styr proteiner som ska brytas ned i proteasomerna [79] . Liknande mekanismer styr oxiderade proteiner till destruktion. Till exempel regleras nukleära proteasomer av poly(ADP-ribos) polymeraser (PARP) och bryter aktivt ned oxiderade histoner [80] . Oxiderade proteiner bildar ofta stora amorfa aggregat inuti cellen, och 20S-partikeln kan förstöra dem utan 19S-partikeln, oavsett ATP- och ubiquitinhydrolys [63] . Men allvarliga oxidativa skador ökar risken för tvärbindning av proteinfragment, vilket gör dem resistenta mot proteolys. Stora och talrika ansamlingar av oxiderade proteiner är associerade med åldrande [81] .
Proteasomer spelar en avgörande roll för den adaptiva immunitetens funktion . I protezomen hos antigenpresenterande celler förstörs proteinerna från patogenen som invaderade kroppen till peptider, som visas ut från molekylerna i huvudkomplexet av histokompatibilitet av klass I (MHCI). I denna process kan både vanliga, konstant uttryckta proteasmer och specialiserade immunproteasmer delta. Deras uttryck lanseras av interferon y, och peptiderna som bildas av dem har den idealiska storleken och sammansättningen för att uppvisa MHC. Under immunsvaret ökar uttrycket av den regulatoriska subenheten 11s, vilket reglerar bildningen av MHC- ligander , såväl som specialiserade β-mossar β1i, β2i och β5i, som har något förändrad substratspecificitet. Immunproteasomer är utdrag som innehåller sådana specialiserade β-moser [16] . I tymus uttrycks en annan version av subenheten β5i - β5T, vilket leder till bildandet av Timoproteas specifika för Timus, vars funktioner är oklara [82] .
Bindningsstyrkan för MHCI-liganden beror på aminosyrasammansättningen av ligandproteinets C-terminal, eftersom det är dess C-terminal som väte binder till en speciell plats på MHCI-ytan, som kallas B-fickan. Många MHCI- alleler binder bäst till hydrofoba C-terminaler, och peptider som produceras av immunproteasomer tenderar att ha hydrofoba C-terminaler [83] .
Eftersom proteasomer är involverade i aktiveringen av NF-KB, en anti-apoptotisk och pro-inflammatorisk regulator av cytokinuttryck , spelar de en roll i utvecklingen av inflammatoriska och autoimmuna sjukdomar . En ökad nivå av proteasomuttryck är associerad med sjukdomens svårighetsgrad och observeras vid autoimmuna sjukdomar som systemisk lupus erythematosus och reumatoid artrit [16] .
Proteasomer deltar i antikroppsmedierad intracellulär proteolys, som antikroppsbundna viruspartiklar ( virioner ) genomgår. TRIM21 -proteinet binder till immunglobulin G och styr virionen till proteasomal förstörelse [84] .
Proteasominhibitorer visar uttalad antitumöraktivitet i cellkulturer genom att inducera apoptos genom att störa proteinnedbrytning. På grund av den selektiva proapoptotiska effekten på cancerceller har proteasomhämmare testats framgångsrikt i kliniska prövningar på djur och människor [76] .
Den första identifierade hämmaren av icke-opeptisk natur var laktacistin , syntetiserad av bakterier av släktet Streptomyces . Lactacystin är licensierat av Takeda Pharmaceutical . Han har funnit utbredd användning i forskningsarbete inom biokemi och cellbiologi . Laktacistin modifierar smygande N-transportörresterna av β-Subens trionic, speciellt β5 subenheter, som har chipripsin-liknande aktivitet. Tack vare laktacistin var det möjligt att fastställa att proteasomet är ett aminoconsevaya treoninproteas (den första representanten för den nya klassen av proteaser) [85] .
Bortezomib (varunamnet Velkad), utvecklat av Millennium Pharmaceuticals , var den första hämmaren av Proteas som användes i kemoterapi mot cancer [86] . Det används för att behandla multipelt myelom [87] . Vid multipelt myelom i blodplasman detekteras en hög nivå av peptider av proteassursprung, vilket reduceras till det normala vid behandling av Bortezomib [88] . Djurstudier har visat att Bortozomibe kan vara effektivt vid cancer i bukspottkörteln [89] [90] . Sedan början av 2000-talet har prekliniska och kliniska tester av Bortozomibs effektivitet vid behandling av andra typer av B- cellscancer [91] , i synnerhet vissa icke -Rhodekhkinsky lymfom [92] utförts . Kliniska tester visade effektiviteten av Bortozomibe i kombination med standardkemoterapi i kampen mot B-cells akut lymfatisk leukemi [93] . Proteashämmare under cellkultur dödar cellerna i vissa leukemier som är resistenta mot glukokortikoider [94] .
Ritonavir (varunamnet Norvir ) utvecklades som en hämmare av proteas för behandling av HIV-infektion . Det visade sig dock att det inte bara undertrycker fria proteaser, utan även proteassom - mer exakt blockerar den chipripsinliknande aktiviteten hos proteassomet, samtidigt som den tripisinliknande aktiviteten ökar något [95] . Djurstudier har visat att ritonavir kan undertrycka gliomtillväxt [96] .
Experiment i djurmodeller har visat att proteasominhibitorer kan vara effektiva vid behandling av autoimmuna störningar. Studien av möss med transplanterad mänsklig hud visade att under påverkan av proteashämmare minskade storleken på sår orsakade av psoriasis [97] . Proteashämmare var också effektiva mot astma på djurmodeller [98] .
Testamentet och undertryckandet av proteas är viktigt för att studera proteas arbete både in vitro och in vivo . De mest använda proteasomhämmarna i forskningspraktiken är laktacystin och peptidaldehyd MG132. För att markera aktiva ställen utvecklade proteas specifika fluorescerande hämmare [99] .
Proteasomer och deras underenheter är viktiga för medicinen inte bara som den molekylära basen för många sjukdomar, utan också som ett lovande mål för många läkemedel. Kanske kan proteasmer användas som biomarkörer (i synnerhet biomarkörer för vissa autoimmuna sjukdomar [100] ). Kränkningar i arbetet med proteas identifierades med neurodegenerativa [101] [102] , kardiovaskulära [103] [104] [105] , inflammatoriska och autoimmuna sjukdomar [106] , såväl som många typer av cancer [107] . De kan också vara associerade med hjärntumörer såsom astrocytom [ 108] .
Flera experimentella och kliniska studier indikerade sambandet mellan dysfunktion och proteas med många neuro- och myodgenerativa sjukdomar, inklusive Alzheimers sjukdom [109] , Parkinsons sjukdom [110] , toppsjukdom [111] , lateral amyotrofisk skleros och andra sjukdomar i motorneuroner [111] , Gentingtons sjukdom [110] , Kreitzfeldts sjukdom - Jacob [112] , flera sällsynta neurodegenerativa sjukdomar associerade med demens [113] , polyglutaminsjukdomar , muskeldystrofi [114] och myopathy of the Tail of inclusion [ 108] . Vid dysfunktion av proteas bildas stora olösliga ansamlingar av icke-nötta proteiner i nervvävnaden , vilket ofta observeras vid neurodegenerativa sjukdomar (till exempel vid Parkinsons sjukdom bildas de så kallade Levi-kropparna [115] ). Den molekylära grunden för proteinaggregatens neurotoxicitet är dock oklar. Studier på jäst har visat att celler är mest känsliga för den toxiska effekten av α-synuklein (huvudprotein Taurus Levy) under tillstånd av hämmande proteas [116] . Felaktigt arbete med proteas kan ligga bakom kognitiva problem såsom en autistisk spektrumstörning [108] .
Kränkningar relaterade till proteas funktion är associerade med kranskärlssjukdom [117] , ventrikulär hypertrofi [118] och hjärtinfarkt [119] . Eftersom proteasomer är associerade med cellernas svar på stimulerande signaler, kan deras dysfunktioner leda till cancer. Under kontroll av Proteas är antalet av många proteiner associerade med utvecklingen av cancer: P53, C-JUN , C-FOS , NF- Ukraina, C- MyC , HIF-1α , MATα2, StAT3 och andra [120] . Proteasomer förstör många proteiner som fungerar som tumörsuppressorer , till exempel adenomatös polypos coli och VHL , såväl som vissa protoverkande ( RAF , Myb , myb , rel, SRC [en], mos [en], mos [en] , mos , mos Abl ). Justerar aktiveringen av NF-Ukraina, som aktiverar uttrycket av pro-inflammatoriska cytokiner, prostaglandiner och kväveoxid ( NO ), är proteasmerna involverade i regleringen av inflammation [106] . Proteasomer, som påverkar förstörelsen av cykliner och hämmare av cyklinberoende kinaz , fungerar som regulatorer av leukocytproliferation under inflammation [121] .
Ordböcker och uppslagsverk | |
---|---|
I bibliografiska kataloger |
eukaryota cellorganeller _ | |
---|---|
endomembransystem | |
cytoskelett | |
Endosymbionter | |
Andra inre organeller | |
Externa organeller |