Протеасома

Ленточная диаграмма протеасомы, вид сбоку. Активный сайт, гидролизующий белки, находится внутри цилиндра

Вид сверху

Протеасо́ма (от англ. protease — протеиназа и лат. soma — тело) — очень крупная мультисубъединичная протеаза, присутствующая в клетках эукариот, архей и некоторых бактерий. В эукариотических клетках протеасомы содержатся и в ядре, и в цитоплазме^[1]. Основная функция протеасомы — протеолитическая деградация ненужных и повреждённых белков до коротких пептидов (4—25 аминокислотных остатков), которые затем могут быть расщеплены до отдельных аминокислот^[2][3]. Деградация 80—90 % внутриклеточных белков происходит при участии протеасомы^[3]. Для того чтобы белок-мишень расщепился протеасомой, он должен быть помечен путём присоединения к нему маленького белка убиквитина. Реакция присоединения убиквитина катализируется ферментами убиквитин-лигазами. Присоединение первой молекулы убиквитина к белку служит для лигаз сигналом для дальнейшего присоединения молекул убиквитина. В результате к белку оказывается присоединена полиубиквитиновая цепь, которая связывается с протеасомой и обеспечивает расщепление белка-мишени^[2][3]. В целом вся эта система получила название убиквитин-зависимой деградации белка.

Протеасомальная деградация белка важна для протекания многих клеточных процессов, включая клеточный цикл, регуляцию экспрессии генов и ответ на окислительный стресс. В 2004 году Аарон Чехановер, Аврам Гершко и Ирвин Роуз были удостоены Нобелевской премии по химии «за открытие убиквитин-зависимой деградации белка»^[4].

История открытия

До открытия убиквитин-зависимой системы деградации белков считалось, что деградация белков в клетке происходит, главным образом, за счёт лизосом. Лизосомы — это мембранные органоиды с кислой внутренней средой, содержащей протеазы. Они способны утилизировать экзогенные белки, захваченные клеткой в процессе эндоцитоза, белки, связанные с мембранами, и повреждённые органеллы^[2][3]. Однако в 1977 году Алфред Голдберг доказал существование АТФ-зависимой системы деградации белка в ретикулоцитах, которые лишены лизосом^[5]. Это позволило предположить, что существует, как минимум, ещё один механизм внутриклеточного расщепления белка. В 1978 году было показано, что соответствующая протеаза состоит из полипептидных цепей нескольких типов^[6]. Позднее при исследовании посттрансляционных модификаций гистонов была обнаружена неожиданная ковалентная модификация: присоединение к боковой цепи остатка лизина в гистоне C-концевого остатка глицина убиквитина — небольшого белка с неизвестной функцией^[7]. В дальнейшем было установлено, что описанный ранее ATP-dependent proteolysis factor 1 (APF-1) и убиквин являются одним и тем же белком^[8]. Позднее АТФ-зависимый белковый комплекс, ответственный за убиквитин-опосредованную деградацию белка, был выделен из лизата клеток и назван 26S протеасомой^[9][10].

Большая часть ранних работ, которые впоследствии привели к открытию протеасомальной системы деградации белков, была выполнена в конце 1970-х — начале 1980-х годов в лаборатории Аврама Хершко в Технионе, где Аарон Чехановер был аспирантом. Ключевые концептуальные идеи Хершко выработал за год работы в лаборатории Ирвина Роуза, хотя Роуз впоследствии и приуменьшал свою роль в открытии^[11]. Все трое разделили Нобелевскую премию по химии в 2004 году за открытие этой системы.

Хотя электронномикроскопические данные, указывающие на то, что структура протеасомы представляет собой несколько колец, уложенных в стопку, были доступны уже в середине 1980-х годов^[12], первая структура коровой части протеасомы, составленная на основе данных рентгеноструктурного анализа, была получена только в 1994 году^[13].

Структура

Схематическое изображение коровой 20S протеасомы Saccharomyces cerevisiae, вид сбоку. α-субъединицы, составляющие внешние кольца показаны зелёным, β-субъединицы, образующие внутренние кольца, — синим

То же, вид сверху. Легко наблюдать 7-лучевую симметрию белкового комплекса

Компоненты протеасомы часто называются в соответствии с их коэффициентами седиментации в сведбергах (обозначается буквой S). Протеасома, активная в расщеплении белков, называется 26S протеасомой и обычно состоит из коровой 20S протеасомы и одной или двух 19S регуляторных частиц (PA700), которые присоединяются к торцам коровой частицы. Хотя присоединение двух регуляторных частиц, строго говоря, приводит к формированию протеасомы с коэффициентом седиментации 30S, термин «30S протеасома» в литературе практически не используется, а название «26S протеасома» применяется по отношению к обеим изоформам. Кроме 19S регуляторной частицы в состав 26S протеасомы могут входить и другие регуляторные компоненты: PA28α/β (11S REG), PA28γ (REGγ), PA200, PI31^[3].

20S протеасома

20S протеасомы прокариот и эукариот имеют принципиально одинаковую четвертичную структуру и состоят из 28 субъединиц, организованных в четыре 7-членных кольца, уложенных друг на друга в виде стопки^[3]. Однако разнообразие субчастиц протеасомы зависит от конкретного организма: разнообразие субъединиц выше у многоклеточных организмов по сравнению с одноклеточными и у эукариот по сравнению с прокариотами. Протеасомы прокариот состоят из 14 копий идентичных α-субъединиц, которые формируют внешние кольца, и 14 копий идентичных β-субъединиц, которые формируют внутренние кольца. В эукариотической протеасоме все семь субъединиц одного кольца отличаются по структуре, то есть протеасома состоит из двух копий семи разных α-субъединиц и двух копий семи разных β-субъединиц. Несмотря на небольшие различия, с точки зрения пространственной структуры α- и β-субъединицы тем не менее очень похожи.

α-субъединицы отвечают за присоединение к 20S протеасоме регуляторных частиц, а их N-концевые участки прикрывают вход в полость протеасомы, что исключает неконтролируемый протеолиз^[14]. β-субъединицы имеют протеазные центры и являются каталитическими компонентами протеасомы. У архей, например у Thermoplasma acidophilum, все β-субъединицы одинаковы, поэтому протеасома содержит 14 идентичных протеазных центров. В протеасомах млекопитающих каталитически активными являются только β1-, β2- и β5-субъединицы, причём все эти субъединицы обладают разными субстратными специфичностями (каспазоподобной, трипсиноподобной и химотрипсиноподобной соответственно)^[15].

Размеры протеасом относительно эволюционно стабильны и составляют 150 на 115 ангстрем. Внутренняя полость имеет максимальную ширину 53 ангстрема, однако вход в протеасому может иметь ширину всего 13 ангстрем, это указывает на то, что для входа в протеасому белок должен быть хотя бы частично денатурирован^[16].

Функции

Протеасомы обеспечивают убиквитин-зависимую деградацию белков цитоплазмы и нуклеоплазмы. В частности, в протеасомах разрушаются метаболические ферменты (короткоживущие из-за регуляторной функции), реплицирующие ДНК белки (нужны только на период S-фазы клеточного цикла), гемоглобин, структурные белки и др.

Ингибиторы

• MG132

Ссылки

1. ↑ Peters JM, Franke WW, Kleinschmidt JA. (1994) Distinct 19S and 20S subcomplexes of the 26S proteasome and their distribution in the nucleus and the cytoplasm. J Biol Chem, March 11;269(10):7709-18. PMID 8125997
2. ↑ ^{1 2 3} Lodish H, Berk A, Matsudaira P, Kaiser CA, Krieger M, Scott MP, Zipursky SL, Darnell J 3 // Molecular cell biology. — 5th. — New York: W.H. Freeman and CO, 2004. — P. 66–72. — ISBN 0-7167-4366-3
3. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} Сорокин А. В., Ким Е. Р., Овчинников Л. П. (2009). «Протеасомная система деградации и процессинга белков». Успехи биологической химии 49: 3—76.
4. ↑ Nobel Prize Committee Nobel Prize Awardees in Chemistry, 2004 (2004). Архивировано из первоисточника 6 июня 2012. Проверено 11 декабря 2006.
5. ↑ Etlinger JD, Goldberg AL. (January 1977). «A soluble ATP-dependent proteolytic system responsible for the degradation of abnormal proteins in reticulocytes». PNAS 74 (1): 54–8. DOI:10.1073/pnas.74.1.54. PMID 264694.
6. ↑ Ciehanover A, Hod Y, Hershko A. (1978). «A heat-stable polypeptide component of an ATP-dependent proteolytic system from reticulocytes». Biochemical and Biophysical Research Communications 81 (4): 1100–5. DOI:10.1016/0006-291X(78)91249-4. PMID 666810.
7. ↑ Goldknopf IL, Busch H. (1977). «Isopeptide linkage between nonhistone and histone 2A polypeptides of chromosomal conjugate-protein A24». PNAS 74 (3): 864–8. DOI:10.1073/pnas.74.3.864. PMID 265581.
8. ↑ Ciechanover A. (2000). «Early work on the ubiquitin proteasome system, an interview with Aaron Ciechanover». Cell Death and Differentiation 12 (9): 1167–77. DOI:10.1038/sj.cdd.4401691. PMID 16094393.
9. ↑ Tanaka K, Waxman L, Goldberg AL. (June 1983). «ATP serves two distinct roles in protein degradation in reticulocytes, one requiring and one independent of ubiquitin». The Journal of Cell Biology 96 (6): 1580–5. DOI:10.1083/jcb.96.6.1580. PMID 6304111.
10. ↑ Hough R, Pratt G, Rechsteiner M. (June 1987). «Purification of two high molecular weight proteases from rabbit reticulocyte lysate». The Journal of Biological Chemistry 262 (17): 8303–13. PMID 3298229.
11. ↑ Hershko A (2005). «Early work on the ubiquitin proteasome system, an interview with Avram Hershko». Cell Death Differ 12 (9): 1158–1161. DOI:10.1038/sj.cdd.4401709. PMID 16094391.
12. ↑ Kopp F et al. (1986). «Size and shape of the multicatalytic proteinase from rat skeletal muscle». Biochim Biophys Acta 872 (3): 253–60. DOI:10.1016/0167-4838(86)90278-5. PMID 3524688.
13. ↑ Löwe J et al. (1995). «Crystal structure of the 20S proteasome from the archaeon T. acidophilum at 3.4 Å resolution». Science 268 (5210): 533–539. DOI:10.1126/science.7725097. PMID 7725097.
14. ↑ Smith DM, Chang SC, Park S, Finley D, Cheng Y, Goldberg AL (September 2007). «Docking of the proteasomal ATPases' carboxyl termini in the 20S proteasome's alpha ring opens the gate for substrate entry». Mol. Cell 27 (5): 731–44. DOI:10.1016/j.molcel.2007.06.033. PMID 17803938.
15. ↑ Heinemeyer W et al. (1997). «The active sites of the eukaryotic 20 S proteasome and their involvement in subunit precursor processing». J Biol Chem 272 (40): 25200–9. DOI:10.1074/jbc.272.40.25200. PMID 9312134.
16. ↑ Nandi D et al. (2006). «The ubiquitin-proteasome system». J Biosci 31 (1): 137–55. DOI:10.1007/BF02705243. PMID 16595883.