Протеасома

Протеасома — это мультисубъединичный белковый комплекс, присутствующий в клетках всех эукариот, архей и некоторых бактерий, который осуществляет протеолиз (расщепление) белков, помеченных для деградации. Протеасома является ключевым компонентом убиквитин-зависимой системы деградации белков, обеспечивая контроль качества внутриклеточных белков, регуляцию клеточного цикла, апоптоза, транскрипции и иммунного ответа.

История открытия

Первые наблюдения за протеолитической активностью, связанной с крупными белковыми комплексами, были сделаны в 1970-х годах. В 1979 году группа исследователей под руководством А. Гольдберга (Гарвардский университет) описала высокомолекулярную протеазу, чувствительную к АТФ, из ретикулоцитов кролика. В 1980-х годах японский учёный К. Танака и его коллеги выделили и очистили из клеток печени крыс частицу с седиментацией 26S, названную «протеасомой» (от лат. proteo — защищаю, и soma — тело). В 1995 году Р. Хубер и его группа (Институт биохимии Макса Планка) впервые определили трёхмерную структуру протеасомы дрожжей Saccharomyces cerevisiae с помощью рентгеновской кристаллографии, за что в 2004 году были удостоены Нобелевской премии по химии (совместно с А. Гершко и А. Варшавским за открытие убиквитин-опосредованной деградации белков).

Структура

Протеасома представляет собой цилиндрический комплекс, состоящий из нескольких субъединиц. Различают две основные формы: 20S протеасома (коровая частица) и 26S протеасома (полный комплекс).

20S протеасома

20S протеасома — это центральная каталитическая частица, имеющая форму бочонка. Она состоит из четырёх кольцевых структур, расположенных друг над другом: два внешних α-кольца и два внутренних β-кольца. Каждое кольцо образовано семью субъединицами (α1–α7 и β1–β7). У архей и бактерий структура проще: α- и β-субъединицы гомологичны, но у эукариот они гетерогенны.

• α-субъединицы формируют «ворота» на входе и выходе из канала протеасомы. В закрытом состоянии они блокируют доступ субстратов к активному центру. Открытие ворот регулируется связыванием регуляторных частиц или другими сигналами.
• β-субъединицы содержат активные центры протеолиза. У эукариот три из семи β-субъединиц (β1, β2, β5) являются каталитически активными и обладают разной специфичностью:
• β1 — каспазоподобная (расщепляет после кислых аминокислот);
• β2 — трипсиноподобная (расщепляет после основных аминокислот);
• β5 — химотрипсиноподобная (расщепляет после гидрофобных аминокислот).

26S протеасома

26S протеасома — это функциональная форма, состоящая из 20S коровой частицы и одной или двух регуляторных частиц (19S, или PA700). Регуляторная частица отвечает за распознавание убиквитинированных субстратов, их деубиквитинирование, разворачивание и транслокацию в каталитическую камеру.

19S регуляторная частица состоит из двух субкомплексов: «основания» (base) и «крышки» (lid). Основание включает шесть АТФаз (Rpt1–Rpt6), которые образуют кольцо и обеспечивают разворачивание белка за счёт гидролиза АТФ. Крышка содержит субъединицы, ответственные за связывание убиквитиновых цепей (Rpn10, Rpn13) и их отщепление (Rpn11 — деубиквитинирующая изопептидаза).

Другие регуляторные частицы

Помимо 19S, существуют и другие регуляторные комплексы:

• PA28 (11S) — активирует 20S протеасому без участия убиквитина и АТФ. Участвует в процессинге антигенов для презентации на MHC I класса.
• PA200 (Blm10) — участвует в репарации ДНК и сперматогенезе.
• Гибридные протеасомы — содержат одновременно 19S и PA28, что расширяет спектр субстратов.

Механизм действия

Деградация белка протеасомой включает несколько этапов:

1. Убиквитинирование — белок-мишень ковалентно присоединяется к цепи из молекул убиквитина. Этот процесс катализируется каскадом ферментов: E1 (убиквитин-активирующий фермент), E2 (убиквитин-конъюгирующий фермент) и E3 (убиквитин-лигаза). Обычно для деградации требуется цепь из не менее четырёх убиквитинов.
2. Распознавание — убиквитинированный белок связывается с рецепторами на 19S частице (Rpn10, Rpn13).
3. Деубиквитинирование — фермент Rpn11 отщепляет убиквитиновую цепь, которая рециклируется.
4. Разворачивание и транслокация — АТФазы основания 19S разворачивают белок в линейную цепь и проталкивают его через α-поры в каталитическую камеру 20S.
5. Протеолиз — внутри камеры β-субъединицы гидролизуют пептидные связи, образуя короткие пептиды (длиной 7–9 аминокислот).
6. Высвобождение — пептиды выходят из камеры через β-поры и далее могут быть деградированы до аминокислот или использованы для презентации антигенов.

Функции

Протеасома играет центральную роль в регуляции множества клеточных процессов:

• Контроль качества белков — удаление повреждённых, неправильно свёрнутых или мутантных белков, которые могут образовывать токсичные агрегаты.
• Регуляция клеточного цикла — деградация циклинов (например, циклин B) и ингибиторов циклин-зависимых киназ (p21, p27) необходима для перехода между фазами G1/S и G2/M.
• Апоптоз — протеасома регулирует уровни про- и антиапоптотических белков (например, p53, Bcl-2, IAP).
• Транскрипция — деградация транскрипционных факторов (NF-κB, HIF-1α) и коактиваторов контролирует экспрессию генов.
• Иммунный ответ — протеасома (особенно иммунопротеасома) генерирует пептиды для презентации на молекулах MHC I класса, что необходимо для распознавания инфицированных или раковых клеток цитотоксическими T-лимфоцитами.
• Сигнальная трансдукция — деградация рецепторов и сигнальных молекул (например, β-катенина, IκB) регулирует передачу сигналов.
• Стрессовые реакции — при тепловом шоке, окислительном стрессе или повреждении ДНК протеасома удаляет повреждённые белки.

Регуляция

Активность протеасомы регулируется на нескольких уровнях:

• Транскрипционный уровень — экспрессия субъединиц протеасомы контролируется факторами транскрипции, такими как Nrf1 и Nrf2, которые активируются при стрессе.
• Посттрансляционные модификации — фосфорилирование, ацетилирование, убиквитинирование и SUMOилирование субъединиц могут изменять активность, сборку и локализацию комплекса.
• Связывание регуляторных частиц — 19S, PA28, PA200 и другие регуляторы модулируют специфичность и скорость деградации.
• Ингибиторы — в клетках существуют эндогенные ингибиторы протеасомы, например, PI31 (протеасомный ингибитор 31 кДа), который может блокировать активность 20S.

Клиническое значение

Нарушение работы протеасомы связано с развитием многих заболеваний:

• Рак — протеасома часто сверхэкспрессируется в опухолевых клетках, обеспечивая их выживание и пролиферацию. Ингибиторы протеасомы (бортезомиб, карфилзомиб, иксазомиб) используются в терапии множественной миеломы и мантийноклеточной лимфомы.
• Нейродегенеративные заболевания — накопление агрегатов белков (α-синуклеин при болезни Паркинсона, тау-белок при болезни Альцгеймера, полиглутаминовые белки при хорее Гентингтона) связано с дисфункцией протеасомы.
• Аутоиммунные заболевания — изменённая активность иммунопротеасомы может влиять на презентацию антигенов и способствовать развитию ревматоидного артрита, системной красной волчанки.
• Инфекции — некоторые вирусы (например, ВИЧ, вирус папилломы человека) используют протеасому для деградации клеточных белков, подавляющих репликацию вируса.

Интересные факты

• Протеасома составляет около 1% от общего белка клетки.
• У человека существует около 30 различных генов, кодирующих субъединицы протеасомы.
• Иммунопротеасома — вариант протеасомы, индуцируемый интерфероном-γ, в котором каталитические β-субъединицы заменены на β1i, β2i, β5i. Она генерирует пептиды, оптимизированные для связывания с MHC I.
• В 2004 году Нобелевская премия по химии была присуждена А. Гершко, А. Варшавскому и Р. Хуберу за открытие убиквитин-опосредованной деградации белков, в котором протеасома играет центральную роль.
• Бортезомиб (торговое название «Велкейд») — первый ингибитор протеасомы, одобренный FDA в 2003 году для лечения множественной миеломы.

Источники

• Goldberg, A. L. (2003). Protein degradation and protection against misfolded or damaged proteins. Nature, 426(6968), 895–899.
• Groll, M., et al. (1997). Structure of 20S proteasome from yeast at 2.4 Å resolution. Nature, 386(6624), 463–471.
• Tanaka, K. (2009). The proteasome: overview of structure and functions. Proceedings of the Japan Academy, Series B, 85(1), 12–36.
• Finley, D. (2009). Recognition and processing of ubiquitin-protein conjugates by the proteasome. Annual Review of Biochemistry, 78, 477–513.
• Hershko, A., & Ciechanover, A. (1998). The ubiquitin system. Annual Review of Biochemistry, 67, 425–479.
• Adams, J. (2004). The proteasome: a suitable antineoplastic target. Nature Reviews Cancer, 4(5), 349–360.