Proteazomul (din engleză protează - proteinază și latină soma - corp) este un complex multiproteic care distruge proteinele inutile sau defecte folosind proteoliză ( o reacție chimică în care legăturile peptidice sunt rupte) la peptide scurte (4-25 de resturi de aminoacizi). Aceste peptide pot fi apoi descompuse în aminoacizi individuali [1] [2] . Proteazomii sunt prezenți în celulele eucariotelor , arheilor și a unor bacterii . În celulele eucariote, proteazomii se găsesc atât în nucleu, cât și în citoplasmă [3] . Degradarea a 80-90% din proteinele intracelulare are loc cu participarea proteazomului [2] . Pentru ca o proteină țintă să fie scindată de proteazom, aceasta trebuie să fie etichetată prin atașarea unei mici proteine ubiquitin la ea . Reacția de adiție a ubiquitinei este catalizată de enzimele ubiquitin ligaze . Atașarea primei molecule de ubiquitină la proteină servește ca semnal pentru ligazele de ubiquitină pentru a atașa în continuare moleculele de ubiquitină. Ca rezultat, un lanț de poliubiquitină este atașat de proteină, care se leagă de proteazom și asigură scindarea proteinei țintă [1] [2] . În general, acest întreg sistem se numește degradare a proteinei dependentă de ubiquitină [4] .
Degradarea proteinelor proteazomale este importantă pentru multe procese celulare, inclusiv ciclul celular , reglarea expresiei genelor și răspunsul la stresul oxidativ [5] . În 2004, Aaron Ciechanover , Avram Hershko și Irwin Rose au primit Premiul Nobel pentru Chimie „pentru descoperirea degradării proteinelor dependente de ubiquitină” [6] .
Înainte de descoperirea sistemului de degradare a proteinelor dependent de ubiquitină , se credea că degradarea proteinelor din celulă are loc în principal din cauza lizozomilor . Lizozomii sunt organite membranoase cu interior acid, care conțin proteaze . Ei sunt capabili să utilizeze proteinele exogene capturate de celulă în timpul endocitozei , proteinele asociate cu membranele și organelele deteriorate [1] [2] . Cu toate acestea, în 1977, Alfred Goldberg a dovedit existența unui sistem de degradare a proteinelor dependent de ATP în reticulocite , cărora le lipsesc lizozomii [7] . Acest lucru a sugerat că există cel puțin încă un mecanism de clivaj intracelular al proteinelor. În 1978 s-a demonstrat că proteaza corespunzătoare este formată din mai multe tipuri de lanțuri polipeptidice [8] . În plus, în studiul modificărilor post-translaționale ale histonelor , a fost găsită o modificare covalentă neașteptată : adăugarea unui rest de glicină ubiquitin C-terminal , o proteină mică cu o funcție necunoscută , la lanțul lateral al lizinei din histonă [9] ] . S-a descoperit că factorul de proteoliză 1 dependent de ATP descris anterior și ubiquitina sunt aceeași proteină [10] . Ulterior, complexul proteic dependent de ATP responsabil pentru degradarea proteinei mediată de ubiquitină a fost izolat din lizat de celule și a fost numit proteazom 26S [11] [12] .
O mare parte din lucrările timpurii care ar duce în cele din urmă la descoperirea sistemului de degradare a proteinelor proteazomului au fost făcute la sfârșitul anilor 1970 și începutul anilor 1980 în laboratorul lui Avram Hershko de la Technion , unde Aaron Ciechanover era student absolvent. Hershko a dezvoltat ideile conceptuale cheie în timpul unui an de muncă în laboratorul lui Irving Rose , deși Rose și-a diminuat ulterior rolul în descoperire [13] . Toți trei au împărțit Premiul Nobel pentru Chimie în 2004 pentru descoperirea acestui sistem.
Deși datele microscopice electronice care indică faptul că structura proteazomului constă din mai multe inele stivuite într-o stivă erau deja disponibile la mijlocul anilor 1980 [14] , prima structură a părții centrale a proteazomului a fost compilată pe baza difracției de raze X. datele au fost obţinute abia în 1994 [15] .
Componentele proteazomului sunt adesea denumite în funcție de coeficienții lor de sedimentare în swedbergs (notați cu litera S). Proteazomul activ în digestia proteinelor se numește proteazom 26S și constă de obicei dintr-un proteazom de miez 20S și una sau două particule de reglare 19S (PA700) și 11S care se atașează la capetele particulei de bază. Deși atașarea a două particule reglatoare, strict vorbind, duce la formarea unui proteazom cu un coeficient de sedimentare de 30S, termenul „30S proteazom” nu este practic folosit în literatură, iar numele „26S proteazom” este aplicat ambelor. izoforme . În plus față de particulele de reglare 19S, proteazomul 26S poate conține și alte componente de reglare: PA28α/β (11S REG), PA28γ (REGγ), PA200, PI31 [2] . Unii proteazomi conțin o altă particulă reglatoare, 11S. Interacționează cu particula 20S în același mod ca și 19S și poate lua parte la degradarea proteinelor străine, de exemplu, cele sintetizate în timpul unei infecții virale [16] .
Dimensiunea proteazomului este relativ stabilă din punct de vedere evolutiv și este de 150 pe 115 angstromi . Cavitatea internă are o lățime maximă de 53 de angstromi, dar intrarea în proteazom poate fi de până la 13 angstromi, ceea ce indică faptul că proteina trebuie să fie denaturată în mod specific [17] [18] pentru a intra în proteazom .
Particulele 20S ale proteazomilor procarioți și eucarioți au o structură cuaternară fundamental identică și constau din 28 de subunități organizate în patru inele cu șapte membri stivuite unul peste altul [2] . Cu toate acestea, diversitatea subunităților proteazomului depinde de organismul particular: diversitatea subunităților este mai mare în organismele multicelulare în comparație cu organismele unicelulare și la eucariote în comparație cu procariote. Proteazomii procariotelor constau din 14 copii ale subunităților α identice care formează inelele exterioare și 14 copii ale subunităților β identice care formează inelele interioare. În proteazomul eucariotic, toate cele șapte subunități ale aceluiași inel diferă ca structură, adică proteazomul constă din două copii a șapte subunități α diferite și două copii ale șapte subunități β diferite. În ciuda micilor diferențe, în ceea ce privește structura spațială, subunitățile α și β sunt totuși foarte asemănătoare. Subunitățile α sunt responsabile pentru atașarea particulelor reglatoare la proteazomul 20S, iar regiunile lor N-terminale acoperă intrarea în cavitatea proteazomului, ceea ce exclude proteoliza necontrolată [19] . Subunitățile β au centri de protează și sunt componente catalitice ale proteazomului. În archaea , de exemplu, în Thermoplasma acidophilum , toate subunitățile β sunt aceleași, astfel încât proteazomul conține 14 centri de protează identici. În proteazomii de mamifere , numai subunitățile β1, β2 și β5 sunt active catalitic și toate aceste subunități au specificități diferite de substrat (hidrolizante de peptidil-glutamil, asemănătoare tripsinei și , respectiv, asemănătoare chimotripsinei ) [20] . În celulele hematopoietice , sub influența semnalelor pro-inflamatorii, cum ar fi interferonul citokinei y, pot fi exprimate forme alternative de subunități β , care sunt desemnate β1i, β2i și β5i. Proteazomul care conține aceste subunități β alternative se numește imunoproteazom, iar specificitatea substratului său este oarecum diferită de cea a proteazomului normal [18] . La mijlocul anilor 2010, proteazomi neobișnuiți lipsiți de subunitatea de bază α3 au fost identificați în celulele umane [21] . În acești proteazomi (cunoscuți și ca proteazomi α4-α4), miezul 20S conține subunitatea α4 în loc de α3. Proteazomii α4-α4 alternativi au fost de asemenea identificați în drojdie [22] . Deși funcțiile acestei izoforme de proteazom sunt necunoscute, celulele care le exprimă sunt caracterizate prin rezistență crescută la acțiunea toxică a ionilor metalici , cum ar fi cadmiul [21] [23] .
La eucariote, particula 19S constă din 19 molecule de proteine individuale care formează o bază de 9 subunități care interacționează direct cu inelul α al particulei de miez 20S și un „capac” de 10 subunități. Șase din cele nouă proteine de bază sunt ATPaze din familia AAA , omologii lor se găsesc în arhee și poartă denumirea de PAN (din engleză. Proteasome-Activating Nucleotidase - nucleotidase that activates the proteasome) [24] . Interacțiunea particulelor 19S și 20S necesită ca subunitățile particulei 19S cu activitate ATPază să fie asociate cu ATP, iar hidroliza ATP este necesară pentru degradarea proteazomală a proteinelor pliate și ubiquitinate. Strict vorbind, hidroliza ATP este necesară numai pentru denaturarea proteinei , dar legarea ATP în sine poate facilita alte etape în degradarea proteinei (de exemplu, asamblarea complexă, deschiderea porții, translocarea și proteoliza) [25] [26] . În plus, legarea ATP de ATPazele în sine contribuie la degradarea rapidă a proteinelor desfăcute. Deși nevoia absolută de ATP a fost demonstrată doar pentru distrugerea structurii spațiale a proteinei, posibilitatea ca hidroliza ATP să fie necesară pentru conjugarea diferitelor stadii de degradare a proteinei nu este complet exclusă [26] [27] .
În 2012, două grupuri de cercetare au prezentat în mod independent structura moleculară a proteazomului 26S obținut folosind microscopia electronică cu o singură particule [28] [29] . Mai târziu, un model atomic al proteazomului a fost construit folosind microscopia crioelectronică . În centrul particulei 19S, nu departe de particula 20S, există AAA ATPaze care formează un inel heterohexameric (Rpt1/Rpt2/Rpt6/Rpt3/Rpt4/Rpt5). Acest inel este un trimer al dimerilor Rpt1 /Rpt2, Rpt6/Rpt3 și Rpt4/Rpt5. ATPazele dimerizează folosind bobinele lor spiralate N-terminale care ies din inelul hexameric . Două proteine reglatoare Rpn1 și Rpn2 lipsite de activitate ATPază se leagă la capetele dimerilor Rpt1/2 și, respectiv, Rpt6/3. Receptorul de ubiquitină Rpn13 se leagă de Rpn2. Capacul acoperă jumătate din hexamerul AAA-ATPază (Rpt6/Rpt3/Rpt4) și interacționează direct cu particula 20S prin Rpn6 și, într-o măsură mai mică, Rpn5. Subunitățile Rpn9, Rpn5, Rpn6, Rpn7, Rpn3 și Rpn12, care sunt legate structural între ele, precum și subunitățile complexelor COP9 și eIF3 , se combină într-o structură în formă de potcoavă care conține Rpn8/ heterodimer Rpn11. Subunitatea Rpn11, care este o enzimă de deubiquitinare, este situată în apropierea cavității interioare a inelului hexameric al AAA-ATPazelor, care este ideală pentru îndepărtarea reziduurilor de ubiquitină chiar înainte de translocarea proteinelor degradabile în particula 20S. Al doilea dintre receptorii de ubiquitină cunoscuți în prezent , Rpn10, este situat la periferia operculului, lângă subunitățile Rpn8 și Rpn9 [30] .
Sunt cunoscute trei conformații distincte pentru particulele de reglare 19S [31] . Probabil toate joacă un rol important în recunoașterea și distrugerea substratului . Prima conformație este caracterizată de cea mai scăzută energie, care se realizează prin dispunerea domeniilor AAA ale ATPazelor sub formă de scară sau resort [30] [28] . În prezența ATP, dar în absența unui substrat, se observă o a doua conformație, mai puțin comună, care diferă în locația capacului față de modulul AAA-ATPază. În prezența ATP-γS sau a unui substrat, o a treia conformație este realizată cu o structură puternic alterată a modulului AAA-ATPază [32] [33] .
19S este o particulă reglatoare; stimulează distrugerea substratului de către subunitatea 20S. Funcția principală a particulei 19S este de a deschide poarta 20S, care împiedică intrarea substraturilor în proteazom [34] . A fost posibil să se determine mecanismul prin care ATPazele deschid poarta particulei 20S. Deschiderea porții necesită un motiv specific la capătul C-terminal al ATPazelor. Datorită acesteia, terminalele C ale ATPazelor intră în buzunare speciale în partea superioară a particulei 20S, ancorând complexul ATPazei pe complexul proteolitic 20S, datorită căruia partea din proteazom responsabilă de denaturarea substratului este asociată cu modulul degradant. . Însăși legarea capătului C-terminal al ATPazelor la 20S face ca poarta să se deschidă în acesta din urmă, la fel cum o cheie deschide o lacăt. Au fost studiate și modificările structurale care însoțesc deschiderea porții [35] .
Proteazomul 20S poate interacționa cu o altă particulă reglatoare, care are o masă de 11S și este un heptamer (este cunoscut și sub numele de PA28 sau REG). Nu conține ATPaze și favorizează distrugerea peptidelor scurte, dar nu a proteinelor mari. Acest lucru se datorează probabil faptului că particula 11S nu poate denatura molecule mari de proteine. Mecanismul de interacțiune al particulei 11S cu proteazomul 20S seamănă cu interacțiunea particulei 19S cu acesta din urmă: particula 11S se leagă de 20S cu coada sa C-terminală și induce modificări conformaționale în inelul α, care provoacă poarta. a particulei 20S să se deschidă [36] . Exprimarea particulei 11S este declanșată de interferonul γ, iar această particulă, împreună cu subunitățile β ale imunoproteazomului, este responsabilă pentru formarea peptidelor care se leagă de complexul major de histocompatibilitate [16] .
Asamblarea proteazomului este un proces extrem de complex în care multe molecule de proteine individuale trebuie să se unească pentru a forma un complex activ. Subunitățile p sunt sintetizate cu „propeptide” N-terminale, care, în timpul asamblării particulei 20S, suferă modificări post-translaționale pentru a deveni apoi parte a centrului activ catalitic. Particula 20S este asamblată din două jumătăți, fiecare dintre ele conține un inel β, format din șapte subunități și asociat cu un inel α cu șapte membri. O particulă 20S completă se formează atunci când cele două jumătăți sunt conectate prin inele β, care este însoțită de autoliză dependentă de treonină a propeptidelor, rezultând în formarea centrului activ al proteazomului. Interacțiunea inelelor β este mediată de punți de sare și interacțiuni hidrofobe ale elicelor α conservatoare, iar mutațiile din acestea fac imposibilă asamblarea proteazomului [37] . Asamblarea fiecărei jumătăți a proteazomului începe cu formarea unui inel heptameric de subunități α, care servește ca șablon pentru asamblarea inelului β. Mecanismul de asamblare al inelului α nu a fost studiat [38] .
Particula de reglementare 19S este asamblată din două părți, o bază și un capac. Asamblarea bazei are loc cu participarea a patru însoțitori Hsm3/S5b, Nas2/ p27 , Rpn14/ PAAF1 și Nas6/ gankirin (primul nume este în drojdie, al doilea nume este la mamifere) [39] . Chaperonele interacționează cu subunitățile AAA-ATPaze și asigură formarea inelului hexameric corect din acestea. Asamblarea bazei este ajutată și de enzima deubiquitinatoare Ubp6/ Usp14 , dar nu este strict necesară [40] . Încă nu se știe dacă asamblarea particulei 19S este legată de asamblarea particulei 20S. Operculul este asamblat separat de bază fără participarea însoțitorilor [41] .
Proteinele care urmează să fie degradate de proteazom sunt marcate de atașarea covalentă a proteinei mici ubiquitinei la resturile de lizină. Atașarea ubiquitinei este realizată de trei enzime. În prima etapă, enzima de activare a ubiquitinei , cunoscută sub numele de E1, hidrolizează ATP și adenilează molecula de ubiquitină. În plus, ubiquitina adenilizată este transferată la reziduul de cisteină al enzimei E1 simultan cu adenilarea celei de-a doua ubiquitine [42] . Ubiquitina adenilată este apoi transferată în reziduul de cisteină al celei de-a doua enzime, enzima de conjugare a ubiquitinei (E2). În ultima etapă, o enzimă din grupul mare de ubiquitin ligaze (E3) recunoaște proteina care urmează să fie distrusă și transferă ubiquitina de la E2 la aceasta. Astfel, E3 este cel care oferă specificitatea de substrat a sistemului ubiquitină-proteazom [43] . Pentru a fi recunoscută de capacul proteazomului, o proteină trebuie să poarte un lanț de cel puțin patru monomeri de ubiquitină (adică să fie poliubiquitinată) [44] .
Mecanismul de recunoaștere a unei proteine poliubiquitinate de către proteazom nu este pe deplin înțeles. Receptorii ubiquitinei au un domeniu N-terminal asemănător ubiquitinei ( domeniu asemănător ubiquitinei, UBL ), precum și unul sau mai multe domenii asociate ubiquitinei (domeniu asociat ubiquitinei, UBA ) . Domeniile UBL sunt recunoscute de capacul proteazomului, iar UBA interacționează cu ubiquitina prin intermediul a trei elice α . Proteinele receptorului de ubiquitină pot furniza proteine poliubiquitinate proteazomului, dar detaliile procesului și reglarea acestuia sunt neclare [45] .
Ubiquitin în sine constă din 76 de reziduuri de aminoacizi și și-a primit numele pentru distribuția sa omniprezentă (din engleză ubiquitous - „ubiquitous”). Această proteină este foarte conservată și se găsește la toate eucariotele [46] . Genele eucariote care codifică ubiquitină formează repetări în tandem , probabil datorită faptului că sunt transcrise foarte activ pentru a menține nivelul necesar de ubiquitină în celulă. S-a sugerat că ubiquitina este proteina cunoscută cu cea mai lentă evoluție [47] . Ubiquitina conține șapte resturi de lizină, de care se pot atașa și alte molecule de ubiquitină, ceea ce face posibilă formarea de lanțuri de poliubiquitină de diferite tipuri [48] . Proteazomul recunoaște lanțurile de poliubiquitină, în care fiecare moleculă următoare de ubiquitină este atașată la cel de-al 48-lea reziduu al ubiquitinei anterioare, iar toate celelalte sunt implicate în alte procese celulare, adică sunt modificări post-translaționale [49] .
O proteină poliubiquitinată este recunoscută de subunitatea 19S, iar energia ATP este necesară pentru denaturarea ei (adică distrugerea structurii spațiale) [26] . Apoi, proteina trebuie să intre în subunitatea 20S, și anume, în centrul său activ. Deoarece cavitatea subunității 20S este foarte îngustă și închisă de o poartă de subunități N-terminale ale inelului α, substratul trebuie să fie cel puțin parțial denaturat. În plus, eticheta ubiquitinei trebuie îndepărtată de pe aceasta [26] . Tranziția unei proteine denaturate în centrul activ al proteazomului se numește translocare. Cu toate acestea, ordinea în care au loc denaturarea și deubiquitinarea proteinelor substrat este necunoscută [50] . Care dintre acești pași limitează viteza depinde de substrat [25] . Gradul de denaturare care permite substratului să pătrundă în situsul activ este, de asemenea, necunoscut, dar structura terțiară și unele legături din cadrul moleculei proteice, cum ar fi legăturile disulfurice , împiedică degradarea proteinei [51] . Prezența unor regiuni desfășurate de o anumită lungime în interiorul proteinei sau la capătul acesteia facilitează distrugerea eficientă [52] [53] .
Poarta formată din subunitățile α împiedică peptidele formate din mai mult de patru reziduuri să pătrundă în interiorul particulei 20S. Înainte de translocarea peptidei, are loc denaturarea acesteia, care necesită energia hidrolizei ATP, dar procesul de translocare în sine nu necesită o sursă suplimentară de energie [25] [26] . Proteazomul poate degrada proteinele denaturate chiar și în prezența unui analog ATP nehidrolizabil, dar nu și proteinele în forma nativă, ceea ce indică faptul că energia ATP este necesară doar pentru procesul de denaturare [25] . Trecerea substratului denaturat prin poartă urmează tipul de difuzie facilitată dacă subunitățile ATPazei ale particulei 19S sunt legate de ATP [54] .
Denaturarea proteinelor globulare urmează în general același mecanism, deși unele dintre reacțiile sale depind de compoziția de aminoacizi a substratului. Întinderile lungi constând în repetarea reziduurilor de glicină și alanină suprimă denaturarea, ceea ce reduce eficiența distrugerii proteazomului, probabil datorită faptului că hidroliza și denaturarea ATP sunt decuplate [55] . Rezultatul acestei distrugeri incomplete sunt proteinele parțial distruse. Repetele de glicina și alanina se găsesc în proteinele naturale, cum ar fi fibroina de mătase . În plus, sunt prezenți în unele proteine ale virusului Epstein-Barr și perturbă activitatea proteazomilor, din cauza cărora prezentarea antigenelor pe complexul major de histocompatibilitate este perturbată și, în consecință, reproducerea virusului este facilitată [56]. ] .
Proteoliza substratului de către subunitățile β ale particulei 20S are loc ca un atac nucleofil dependent de treonină. Deprotonarea grupării hidroxil active a treoninei poate necesita apă. Degradarea are loc în cavitatea centrală a proteazomului, care se formează prin interacțiunea a două inele β și în mod normal nu eliberează proteine parțial distruse, distrugând substratul la peptide cu 7-9 reziduuri (deși lungimea acestora poate varia de la 4 la 25). reziduuri in functie de organism si substrat). Ceea ce determină lungimea peptidelor formate în timpul proteolizei în proteazom este necunoscut [57] . Deși cele trei subunități β folosesc același mecanism pentru a degrada proteinele, ele au specificități de substrat ușor diferite și sunt clasificate ca asemănătoare tripsinei, asemănătoare chimotripsinei și asemănătoare peptidil-glutamilului. Specificitatea se datorează interacțiunilor atomilor reziduurilor de aminoacizi vecine din apropierea centrului activ. În plus, fiecare subunitate β catalitică conține un reziduu de lizină conservat necesar pentru proteoliză [20] .
Deși proteazomul eliberează în mod normal peptide foarte scurte, uneori produsele de degradare a proteazomului sunt ei înșiși molecule funcționale biologic active . Unii factori de transcripție, inclusiv o componentă a complexului mamifer NF-kB , sunt sintetizați ca precursori inactivi care devin activi după ubiquitinare și degradare proteazomală. Pentru o astfel de activare, ruperea legăturilor peptidice nu ar trebui să aibă loc la capetele moleculei, ci în partea sa din mijloc. S-a sugerat că buclele lungi ale acestor proteine sunt substratul adecvat pentru proteazom, în timp ce cea mai mare parte a moleculei proteice nu intră în proteazom [58] . Un mecanism de activare similar a fost identificat în drojdie. A fost numită procesare dependentă de ubiquitin-proteazom [59] .
Deși în cele mai multe cazuri substraturile de proteazom trebuie să fie poliubiquitinate, există câteva excepții cunoscute de la această regulă, în special în cazurile în care proteazomul este implicat în procesarea normală a proteinelor post-translaționale. Subunitatea p105 NF-kB de mamifer trebuie degradată la p50, care face parte din complexul activ [58] . Unele proteine instabile care conțin regiuni lungi desfășurate sunt, de asemenea, probabil să fie degradate de proteazomii lipsiți de lanțuri de ubiquitină [60] . Cel mai studiat substrat proteazom independent de ubiquitină este ornitin decarboxilaza [61] . Unii regulatori ai ciclului celular pot suferi o degradare independentă de ubiquitină [62] . În cele din urmă, proteinele cu o structură anormală sau proteinele puternic oxidate sunt degradate de proteazomi în condiții de stres celular, indiferent de particula 19S și ubiquitină [63] .
Proteazomul 20S se găsește în toate eucariotele și este esențial pentru viața celulei eucariote. Un număr de procariote, inclusiv multe arhee și bacterii din ordinul Actinomycetales , au omologi ai proteazomului 20S. Majoritatea bacteriilor au gene de șoc termic hslV și hslU , ale căror produse proteice formează o protează multimerică formată din două inele [64] . S-a sugerat că proteina hslV poate fi similară cu strămoșul proteazomului 20S [65] . De regulă, hslV nu este strict necesar pentru o celulă bacteriană și nu se găsește în toate bacteriile, totuși, unii protiști au atât proteazomul 20S, cât și hslV. Multe bacterii au alți proteazomi și omologi asociati ATPazei, cum ar fi ClpP și ClpX . Diversitatea omologilor proteazomilor poate explica de ce sistemul HslUV nu este strict necesar pentru celulele bacteriene [64] .
Analiza secvenței a arătat că subunitățile β catalitice au fost izolate în timpul evoluției mai devreme decât subunitățile α, care joacă un rol predominant structural. La bacteriile cu proteazom 20S, secvențele subunităților β sunt foarte asemănătoare cu cele ale arheilor și eucariotelor, în timp ce secvențele subunităților α sunt mult mai puțin asemănătoare. Bacteriile ar putea dobândi proteazomul 20S prin transferul orizontal al genelor , iar diversificarea subunităților proteazomului în eucariote este o consecință a duplicărilor multiple de gene [64] .
Ciclul celular este sub controlul kinazelor dependente de ciclină ( CDKs ), care sunt activate de proteinele ciclinei . Ciclinele mitotice există doar pentru câteva minute și sunt printre cele mai scurte proteine celulare vii. După ce complexul ciclină-CDK și-a finalizat funcția, ciclina este poliubiquitinată și distrusă de proteazom, din cauza căreia CDK-ul corespunzător devine inactiv și începe următoarea fază a ciclului celular. În special, ieșirea din mitoză necesită distrugerea proteazomală a ciclinei B [66] . La trecerea prin punctul de control al ciclului celular , cunoscut sub numele de punct de restricție și situat între faza G 1 și faza S , are loc distrugerea proteazomului ciclinei A , iar ubiquitinarea acesteia este efectuată de către complex de stimulare a anafazei (APC), care este E3 ubiquitin ligaza [67] . APC și complexul SCF sunt doi factori cheie în degradarea ciclinelor. Mai mult, complexul SCF în sine este reglat de APC prin ubiquitinarea proteinei adaptoare Skp2 , care suprimă activitatea SCF înainte de tranziția de la faza G 1 la faza S [68] .
Componentele individuale ale particulei 19S au propriile lor funcții celulare. Astfel, una dintre componentele particulei 19S, cunoscută sub numele de gankirin, este o oncoproteină care se leagă strâns de kinaza 4 (CDK4) dependentă de ciclină și, interacționând cu MDM2 ubiquitin ligaza , joacă un rol crucial în recunoaşterea p53 ubicuitinată . Gankirina inhibă apoptoza și este supraexprimată în unele tipuri de cancer , cum ar fi carcinomul hepatocelular [69] .
La plante, fitohormonii auxinele stimulează distrugerea proteazomală a Aux/IAA, represori ai factorilor de transcripție . Aceste proteine sunt ubiquitinate de SCFTIR1, complexul SCF cu receptorul de auxină TIR1. Ca urmare a distrugerii Aux/IAA, factorii de transcripție din familia factorului de răspuns auxină (ARF) sunt dereprimați, ceea ce activează expresia genelor controlate de aceștia [70] . Efectele celulare ale activării ARF depind de stadiul de dezvoltare a plantei, cu toate acestea, cel mai adesea ele reglează direcția de creștere a rădăcinilor și venelor frunzelor . Specificitatea răspunsului la dereprimarea ARF oferă probabil o corespondență clară între anumite proteine din familiile Aux/IAA și ARF [71] .
Proteazomii joacă un rol important în apoptoză prin stimularea ubiquitinării proteinelor, deși caspazele joacă rolul principal în degradarea proteinelor în timpul apoptozei [72] [73] [74] . În timpul apoptozei, proteazomii localizați în nucleul unei celule muribunde se deplasează în compoziția așa-numitelor blebs care se desprind de membrana celulară ( blebbingul membranei este o trăsătură caracteristică a apoptozei) 75 ] . Inhibarea proteazomului are efecte diferite asupra apoptozei în diferite tipuri de celule. În cele mai multe cazuri, proteazomii nu sunt strict necesari pentru apoptoză, deși în majoritatea celulelor, inhibarea proteazomului declanșează apoptoza. Un rol important în inițierea apoptozei este jucat de perturbarea sistemului bine coordonat de degradare a proteinelor care stimulează proliferarea și diviziunea celulară [76] . Cu toate acestea, unele tipuri de celule, cum ar fi celulele diferențiate în fază G0 , cum ar fi timocitele și neuronii , nu intră în apoptoză sub acțiunea inhibitorilor de proteazom. Mecanismul acestui efect nu este clar, dar este probabil specific celulelor în repaus sau datorită activității diferențiale a kinazei JNK proapoptotice [77] . Capacitatea inhibitorilor de proteazom de a declanșa apoptoza în celulele cu diviziune rapidă este exploatată în unele medicamente pentru chimioterapie anticancer dezvoltate recent , cum ar fi bortezomib și salinosporamida A .
În condiții de stres celular, cum ar fi infecția , șocul termic, deteriorarea oxidativă, proteinele de șoc termic sunt exprimate care recunosc proteinele pliate greșit sau denaturate și le direcționează către degradarea proteazomală. S-a demonstrat că însoțitorii Hsp27 și Hsp90 sunt implicați în creșterea activității sistemului ubiquitină-proteazom, deși nu sunt implicați direct în acest proces [78] . Un alt însoțitor, Hsp70 , se leagă de regiunile hidrofobe expuse ale proteinelor desfășurate (în mod normal, astfel de regiuni sunt orientate spre interior) și atrage ligazele ubiquitinei precum CHIP, care direcționează proteinele să fie degradate în proteazomi [79] . Mecanisme similare direcționează proteinele oxidate spre distrugere. De exemplu, proteazomii nucleari sunt reglați de poli (ADP-riboză) polimeraze (PARP) și degradează activ histonele oxidate [80] . Proteinele oxidate formează adesea agregate amorfe mari în interiorul celulei, iar particula 20S este capabilă să le distrugă fără particulele 19S, indiferent de hidroliza ATP și a ubiquitinei [63] . Cu toate acestea, deteriorarea oxidativă severă crește riscul de reticulare a fragmentelor de proteine, ceea ce le face rezistente la proteoliză. Acumulări mari și numeroase de proteine oxidate sunt asociate cu îmbătrânirea [81] .
Proteazomii joacă un rol critic în funcționarea imunității adaptive . În proteazomii celulelor prezentatoare de antigen , proteinele agentului patogen invadator sunt degradate în peptide care sunt expuse la exterior de moleculele complexului major de histocompatibilitate clasa I (MHCI). Atât proteazomii convenționali, exprimați în mod constant, cât și imunoproteazomii specializați pot lua parte la acest proces. Expresia lor este declanșată de interferonul γ, iar peptidele pe care le formează sunt de dimensiunea și compoziția ideală pentru expunerea la MHC. În timpul răspunsului imun, este crescută expresia subunității de reglare 11S, care reglează formarea liganzilor MHC , precum și a subunităților β specializate β1i, β2i și β5i, care au specificitatea substratului ușor modificată. Imunoproteazomii sunt proteazomi care conțin astfel de subunități β specializate [16] . O altă variantă a subunității β5i, β5t, este exprimată în timus, ceea ce duce la formarea de timoproteazomi specifici timusului, ale căror funcții sunt neclare [ 82] .
Puterea de legare a ligandului MHCI depinde de compoziția de aminoacizi a capătului C-terminal al proteinei ligand, deoarece capătul său C-terminal se leagă de hidrogen la un loc special de pe suprafața MHCI, care se numește buzunar B. Multe alele MHCI se leagă cel mai bine de C-terminali hidrofobi, iar peptidele produse de imunoproteazomi tind să aibă C-terminali hidrofobi [83] .
Deoarece proteazomii sunt implicați în activarea NF-kB, un regulator anti-apoptotic și proinflamator al expresiei citokinelor , ei joacă un rol în dezvoltarea bolilor inflamatorii și autoimune . Un nivel crescut al expresiei proteazomului este asociat cu severitatea bolii și se observă în bolile autoimune precum lupusul eritematos sistemic și artrita reumatoidă [16] .
Proteazomii participă la proteoliza intracelulară mediată de anticorpi , la care sunt supuse particulele virale legate de anticorpi ( virionii ). Proteina TRIM21 se leagă de imunoglobulina G și direcționează virionul spre distrugerea proteazomală [84] .
Inhibitorii de proteazom prezintă activitate antitumorală pronunțată în culturile celulare prin inducerea apoptozei prin perturbarea degradării proteinelor. Datorită efectului proapoptotic selectiv asupra celulelor canceroase , inhibitorii de proteazom au fost testați cu succes în studii clinice la animale și la oameni [76] .
Primul inhibitor non-peptidic de proteazom identificat a fost lactacistin , sintetizat de bacterii din genul Streptomyces . Lactacystin este autorizat de Takeda Pharmaceutical . A găsit o largă aplicație în activitatea de cercetare în domeniul biochimiei și al biologiei celulare . Lactacistinul modifică covalent resturile de treonină N-terminale ale subunităţilor β, în special subunitatea β5, care are activitate asemănătoare chimotripsinei. Datorită lactacistinei, s-a putut stabili că proteazomul este o treonin protează amino-terminală (primul reprezentant al unei noi clase de proteaze) [85] .
Bortezomib (nume comercial Velkad), dezvoltat de Millennium Pharmaceuticals , a fost primul inhibitor de proteazom care a fost utilizat în chimioterapia cancerului [86] . Este utilizat pentru tratarea mielomului multiplu [87] . În mielomul multiplu, în plasma sanguină este detectat un nivel ridicat de peptide de origine proteazomală , care scade la normal în timpul tratamentului cu bortezomib [88] . Studiile pe animale au arătat că bortezomibul poate fi eficient în cancerul pancreatic [89] [90] . De la începutul secolului al XXI-lea, au fost efectuate studii preclinice și clinice privind eficacitatea bortezomibului în tratamentul altor tipuri de cancere cu celule B [91] , în special, unele limfoame non-Hodgkin [92] . Studiile clinice au demonstrat eficacitatea bortezomibului în combinație cu chimioterapia standard în lupta împotriva leucemiei limfoblastice acute cu celule B [93] . Inhibitorii de proteazom în condiții de cultură celulară ucid unele celule de leucemie care sunt rezistente la glucocorticoizi [94] .
Medicamentul ritonavir (numele comercial Norvir) a fost dezvoltat ca inhibitor de protează pentru tratamentul infecției cu HIV . Cu toate acestea, s-a dovedit că inhibă nu numai proteazele libere, ci și proteazomii - mai precis, blochează activitatea de tip chimotripsină a proteazomului, în timp ce crește ușor activitatea asemănătoare tripsinei [95] . Studiile pe animale au arătat că ritonavirul poate inhiba creșterea celulelor gliomului [96] .
Experimentele pe modele animale au arătat că inhibitorii de proteazom pot fi eficienți în tratamentul tulburărilor autoimune. Un studiu pe șoareci cu grefe de piele umană a arătat că inhibitorii de protează au redus dimensiunea ulcerelor cauzate de psoriazis [97] . Inhibitorii de protează s-au dovedit, de asemenea, a fi eficienți împotriva astmului la modelele animale [98] .
Etichetarea și reducerea la tăcere a proteazomilor este importantă pentru studierea funcției proteazomului atât in vitro , cât și in vivo . Cei mai des utilizați inhibitori de proteazom în practica cercetării sunt lactacistinul și aldehida peptidică MG132. Inhibitori fluorescenți specifici au fost dezvoltați pentru marcarea situsurilor active din proteazomi [99] .
Proteazomii și subunitățile lor sunt importante pentru medicină nu numai ca bază moleculară a multor boli, ci și ca țintă promițătoare pentru multe medicamente. Posibil, proteazomii pot fi utilizați ca biomarkeri (în special, biomarkeri ai unor boli autoimune [100] ). Au fost identificate anomalii ale proteazomului în boli neurodegenerative [101] [102] , cardiovasculare [103] [104] [105] , boli inflamatorii și autoimune [106] și multe tipuri de cancer [107] . Ele pot fi, de asemenea, asociate cu tumori cerebrale , cum ar fi astrocitoamele [108] .
Mai multe studii experimentale și clinice au legat disfuncția proteazomului de multe boli neuro- și miodegenerative, inclusiv boala Alzheimer [109] , boala Parkinson [110] , boala Pick [111] , scleroza laterală amiotrofică și alte boli ale neuronilor motori [111] , boala Huntington [110] , boala Creutzfeldt-Jakob [112] , câteva boli neurodegenerative rare asociate cu demența [113] , tulburări de poliglutamină , distrofii musculare [114] și miopatie cu corp de incluziune [108] . Disfuncția proteazomului duce la formarea unor mari acumulări insolubile de proteine desfășurate în țesutul nervos , care este adesea observată în bolile neurodegenerative (de exemplu, în boala Parkinson, se formează așa-numiții corpi Lewy [115] ). Cu toate acestea, baza moleculară a neurotoxicității agregatelor proteice este neclară. Studiile pe drojdie au arătat că celulele sunt cele mai sensibile la efectele toxice ale α-sinucleinei (proteina principală a corpilor Lewy) în condiții de inhibare a proteazomului [116] . Proteazomii nefuncționali pot sta la baza problemelor cognitive, cum ar fi tulburările din spectrul autismului [108] .
Disfuncțiile proteazomului sunt asociate cu boala coronariană [117] , hipertrofia ventriculară [118] și infarctul miocardic [119] . Deoarece proteazomii sunt implicați în răspunsurile celulare la semnalele stimul, disfuncțiile lor pot duce la cancer. Proteazomii controlează abundența multor proteine asociate cu dezvoltarea cancerului: p53, c-Jun , c-Fos , NF-kB, c- Myc , HIF-1α , MATα2, STAT3 și altele [120] . Proteazomii degradează multe proteine care funcționează ca supresori de tumori , cum ar fi polipoza adenomatoasă coli și VHL , precum și unele proto-oncogene ( Raf , Myc, Myb , Rel, Src , Mos , Abl ). Prin reglarea activării NF-kB, care activează expresia citokinelor proinflamatorii, prostaglandinelor și oxidului nitric ( NO ), proteazomii sunt implicați în reglarea inflamației [106] . Influențând distrugerea ciclinelor și inhibitorilor kinazelor dependente de ciclină , proteazomii acționează ca regulatori ai proliferării leucocitelor în timpul inflamației [121] .
![]() | |
---|---|
În cataloagele bibliografice |
organele de celule eucariote | |
---|---|
sistem endomembranar | |
citoschelet | |
Endosimbioți | |
Alte organite interne | |
Organele externe |