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

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 Awardees in Chemistry, 2004 (2004). Архивировано из первоисточника 6 июня 2012. Проверено 11 декабря 2006.
5. 10.1073/pnas.74.1.54. PMID 264694.
6. 10.1016/0006-291X(78)91249-4. PMID 666810.
7. 10.1073/pnas.74.3.864. PMID 265581.
8. 10.1038/sj.cdd.4401691. PMID 16094393.
9. 10.1083/jcb.96.6.1580. PMID 6304111.
10. Purification of two high molecular weight proteases from rabbit reticulocyte lysate». The Journal of Biological Chemistry 262 (17): 8303–13. PMID 3298229.
11. 10.1038/sj.cdd.4401709. PMID 16094391.
12. 10.1016/0167-4838(86)90278-5. PMID 3524688.
13. 10.1126/science.7725097. PMID 7725097.
14. 10.1016/j.molcel.2007.06.033. PMID 17803938.
15. 10.1074/jbc.272.40.25200. PMID 9312134.
16. 10.1007/BF02705243. PMID 16595883.