ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 13.04.2021
Просмотров: 1486
Скачиваний: 4
Протеасомная
система
деградации
и
процессинга
белков
3
Успехи
биологической
химии
,
т
. 49, 2009,
с
. 3–76
Принятые
сокращения
:
Ub –
убиквитин
, 26S PR – 26S
протеасома
, 20S CP –
20S
коровая
частица
,
коровая
протеасома
, 19S RP – 19S
регуляторная
частица
,
а
.
о
. –
аминокислотный
остаток
.
Адрес
для
корреспонденции
:
sorokin@vega.protres.ru
Работа
выполнена
при
поддержке
гранта
РФФИ
№
07-04-00403-
а
,
гранта
Президента
Российской
Федерации
для
государственной
поддержки
моло
дых
российских
ученых
МК
-2542.2008.4,
грантов
Президиума
РАН
по
програм
-
мам
«
Молекулярная
и
клеточная
биология
»
и
«
Фундаментальная
наука
медицине
».
ПРОТЕАСОМНАЯ
СИСТЕМА
ДЕГРАДАЦИИ
И
ПРОЦЕССИНГА
БЕЛКОВ
А
.
В
.
СОРОКИН
,
Е
.
Р
.
КИМ
,
Л
.
П
.
ОВЧИННИКОВ
Институт
белка
РАН
,
Пущино
,
Московская
область
I.
Введение
. II.
Строение
протеасомы
. III.
Убиквитин
-
зависимый
про
тео
лиз
. IV.
Неклассический
протеасомный
протеолиз
. V.
Регу
-
ляция
протеасомы
. VI.
Протеасома
и
медицина
. VIII.
Заклю
чение
.
I.
ВВЕДЕНИЕ
Живые
организмы
содержат
от
нескольких
тысяч
до
нескольких
десят
-
ков
тысяч
белок
-
кодирующих
генов
и
еще
большее
число
кодируемых
ими
белков
.
Множество
исследований
было
посвящено
тому
,
как
белок
синте
зируется
;
однако
обратный
процесс
деградации
белка
долгое
время
оставался
без
должного
внимания
.
Пионером
в
области
изуче
-
ния
деградации
белков
был
Р
.
Шенхаймер
(R.Schoenheimer).
В
1942
г
.
им
были
опубликованы
результаты
исследований
,
полученные
с
использованием
метода
«
мечения
»
молекул
радиоактивными
изото
-
пами
,
согласно
которым
у
животных
белки
постоянно
синтезируются
и
деградируют
[1].
Известно
,
что
по
времени
жизни
белки
сильно
отли
ча
ются
друг
от
друга
,
при
этом
срок
жизни
молекул
белков
в
орга
низме
определяется
их
ролью
.
Так
,
некоторые
структурные
белки
могут
оставаться
неизменными
в
течение
многих
лет
,
регуляторные
же
белки
часто
нужны
организму
лишь
в
течение
нескольких
минут
для
запуска
определенного
процесса
,
и
после
выполнения
своей
функции
они
должны
быть
разрушены
.
Со
временем
в
клетке
накапливаются
8
2009
г
.
А
.
В
.
Сорокин
и
др
.
4
в
большом
количестве
неправильно
свернутые
и
окисленные
белки
,
которые
также
должны
каким
-
то
образом
удаляться
.
Деградация
«
сде
-
лав
ших
свое
дело
»
и
дефектных
белков
должна
быть
селективной
и
осущест
вляться
в
изолированных
компартментах
,
чтобы
не
повре
дить
структурные
компоненты
клетки
и
нужные
ей
белки
.
В
эукариотической
клетке
одним
из
компартментов
для
утилиза
-
ции
белков
служит
лизосома
.
Однако
протеолиз
в
лизосомах
–
процесс
неспецифичный
.
У
высших
эукариот
в
лизосомах
разрушаются
только
белки
,
связанные
с
мембранами
,
и
чужеродные
белки
,
захваченные
во
время
эндоцитоза
(
вирусные
,
бактериальные
и
т
.
д
.).
Деградация
подав
ляющего
большинства
(80–90%)
внутриклеточных
белков
осущест
вляется
26S
протеасомой
[2, 3].
В
этом
случае
изолированным
компартментом
является
внутренняя
протеолитическая
полость
ее
коровой
части
(20S
протеасомы
),
в
которой
расположено
несколько
пептидазных
центров
.
Отбор
субстратов
для
протеолиза
обеспе
чи
-
ва
ется
тем
,
что
вход
в
20S
протеасому
обычно
закрыт
,
и
попасть
в
нее
могут
только
белки
,
несущие
специальную
«
метку
».
В
качестве
«
метки
»
выступает
цепь
полиубиквитина
(
поли
Ub) –
деградации
под
вергаются
белки
,
конъюгированные
с
поли
Ub,
состоящим
как
мини
мум
из
четырех
мономеров
убиквитина
(Ub).
При
входе
в
канал
протеасомы
полипептидная
цепь
белка
разворачивается
и
протя
гивается
через
него
,
гидролизуясь
до
коротких
пептидов
(
от
3
до
25
а
.
о
.),
которые
выходят
из
противоположного
отверстия
канала
[4–6].
Сам
Ub
внутрь
протеасомы
не
заходит
,
а
после
уничтожения
«
отмеченной
»
молекулы
освобождается
и
метит
другую
молекулу
.
Этот
процесс
получил
название
«
убиквитин
-
зависимая
деградация
белка
» (
рис
. 1).
За
открытие
этого
явления
его
авторы
А
.
Кичановер
,
А
.
Хершко
и
И
.
Роуз
(A.Ciechanover, A.Hershko, I.Rose)
были
удостоены
Нобелевской
премии
по
химии
в
2004
году
.
Такая
схема
Ub-
зависимой
деградации
белков
протеасомой
была
подтверждена
многими
исследователями
.
Вместе
с
тем
к
концу
1990-
х
годов
постепенно
накопилось
достаточно
много
данных
,
сог
ласно
которым
протеасома
может
разрушать
белки
и
другим
Ub-
неза
ви
си
-
мым
способом
.
Более
того
,
стало
очевидно
,
что
протеасома
может
регу
ли
ровать
не
только
количество
,
но
и
функции
белков
:
в
неко
торых
случаях
белок
не
гидролизуется
до
коротких
пептидов
,
а
подвер
гается
огра
ниченному
протеолизу
(
процессингу
),
в
результате
кото
рого
функции
белка
могут
существенным
образом
изменяться
.
Этим
двум
«
неканоническим
»
функциям
протеасомы
мы
уделим
особое
вни
ма
-
ние
в
данном
обзоре
.
Протеасомная
система
деградации
и
процессинга
белков
5
Рис
. 1.
Упрощенная
модель
убиквитин
-
зависимой
деградации
белков
про
теа
-
сомой
.
Общепринятая
модель
убиквитин
-
зависимой
деградации
белков
протеасомой
включает
следующие
стадии
: (1)
формирование
конъюгата
белка
-
субстрата
с
уби
квитином
происходит
в
несколько
этапов
и
опосредуется
ферментами
Е
1,
Е
2
и
Е
3. (2)
Субъединица
Rpn10
регуляторной
частицы
протеасомы
узнает
четвер
-
тич
ную
структуру
полиубиквитиновой
цепи
. (3)
Субъединицы
Rpn1
и
Rpn2
регу
-
ля
торной
частицы
протеасомы
связывают
субстрат
. (4)
Субъединицы
-ATP
азы
регуляторной
частицы
разворачивают
субстрат
.
Взаимодействие
АТРаз
Rpt2
и
Rpt5 c
α
-
субъединицами
коровой
протеасомы
приводит
к
открытию
канала
.
(5)
Отделение
убиквитина
от
субстрата
осуществляется
Rpn11
субъединицей
регу
ляторной
частицы
и
деубиквитинирующими
ферментами
Uch37
и
Usp14/
Ubp6. (6)
Транслокация
полипептидной
цепи
субстрата
в
протеолитическую
полость
протеасомы
осуществляется
субъединицами
-ATP
азами
регуляторной
частицы
,
гидролиз
пептидных
связей
протеазными
субъединицами
(
β
1,
β
2
и
β
5,
каталитические
центры
обозначены
кружками
).
Высвобождаемые
пептиды
имеют
размер
3–25
аминокислотных
остатков
.
Обозначения
: Ub –
убиквитин
, (Ub)n-
субстрат
–
полиубиквитинированный
белок
-
субстрат
, 26S PR – 26S
изоформа
протеасомы
, 20S – 20S
коровая
протеасома
(core proteasome, CP), 19S – 19S
регуляторная
частица
(19S regulatory
particle, RP).
А
.
В
.
Сорокин
и
др
.
6
II.
СТРОЕНИЕ
ПРОТЕАСОМЫ
26S
ПРОТЕАСОМА
Протеасома
,
осуществляющая
Ub-
зависимую
деградацию
белков
,
состоит
из
двух
основных
субкомплексов
:
коровой
20S
протеасомы
(20S CP, ~700
кДа
)
и
активатора
РА
700
или
19S
регуляторной
частицы
(19S RP, ~900
кДа
). 20S CP
содержит
протеазные
субъединицы
,
а
19S RP
включает
субъединицы
,
способные
связывать
поли
Ub
цепи
и
субстрат
,
а
также
изопептидазы
,
отщепляющие
Ub,
и
АТРазы
,
кото
-
рые
обеспечивают
разворачивание
субстрата
и
транслокацию
его
в
канал
коровой
протеасомы
[7]. 19S RP
могут
присоединяться
к
20S
CP
с
одного
или
обоих
концов
,
в
результате
образуются
26S
и
30S
про
теа
сомы
соответственно
.
Однако
термин
«30S
протеасома
»
прак
-
ти
чески
не
используется
,
а
название
«26S
протеасома
»
принято
для
обоз
начения
обеих
изоформ
.
Помимо
19S RP,
в
состав
26S
протеа
сомы
могут
входить
альтернативные
регуляторные
частицы
: PA28
α/β (
или
11S REG), PA28
γ (
или
REG
γ),
PA200, PI31
и
др
. (
рис
. 2).
Встречаются
асим
метричные
изоформы
26S
протеасомы
,
содержащие
разные
регу
ляторные
частицы
на
концах
20S CP.
Кроме
того
,
обнаружены
изо
формы
протеасомы
,
в
которых
регуляторные
частицы
замещены
муль
ти
субъединичным
белковым
комплексом
PC530
или
COP9
сигна
ло
сомой
[8].
Строение
и
функции
субкомплексов
протеасомы
под
робно
рассмотрены
ниже
.
КОРОВАЯ
20S
ПРОТЕАСОМА
Молекулярная
структура
20S
протеасома
прокариот
и
эукариот
состоит
из
28
субъединиц
(
табл
. 1).
У
прокариот
протеасома
содержит
14
копий
идентичных
α
-
субъеди
ниц
и
14
копий
идентичных
β
-
субъединиц
(
рис
. 3).
Про
-
теа
сома
эукариот
содержит
по
2
копии
7
разных
α
-
субъединиц
и
по
2
копии
7
разных
β
-
субъединиц
.
Помимо
констутивной
20S
про
-
теа
сомы
,
у
млекопитающих
существует
иммунопротеасома
,
сборка
которой
в
клетке
начинается
после
стимуляции
ее
γ
-
интерфероном
.
Этот
цитокин
запускает
синтез
трех
дополнительных
протеасомных
субъединиц
β
1i,
β
2i
и
β
5i,
которые
во
время
сборки
протеасомы
встраи
-
ваются
вместо
констутивно
синтезируемых
субъединиц
β
1,
β
2
и
β
5
[9–11].
Считается
,
что
в
отличие
от
констутивной
,
иммунопротеасома
гене
рирует
пептиды
,
которые
в
последующем
используются
в
презен
-
тации
антигена
[12–14].
Четвертичная
структура
20S CP
одинакова
у
бактерий
,
архей
и
эукариот
,
включая
млекопитающих
:
α
-
и
β
-
субъединицы
образуют
по
2
гептамерных
кольца
,
сложенных
в
виде
стопки
.
Внешние
кольца
Протеасомная
система
деградации
и
процессинга
белков
7
Рис
. 2.
Схематичное
изображение
строения
20S, 26S
протеасомы
и
регуляторных
частиц
.
А
. 20S
протеасома
(20S CP)
представляет
собой
700-
кДа
бочонок
,
состоящий
из
четырех
уложенных
в
стопку
колец
.
Она
включает
28
субъединиц
,
которые
являются
продуктами
двух
групп
гомологичных
генов
(
α
и
β
).
Два
внешних
кольца
состоят
исключительно
из
α
-
субъединиц
,
а
два
внутренних
кольца
–
из
β
-
субъединиц
.
Функции
α
-
и
β
-
субъединиц
различны
:
α
-
субъединицы
обра
зуют
физический
барьер
,
ограничивающий
доступ
белков
во
внутреннюю
протео
-
литическую
полость
,
β
-
субъединицы
отвечают
за
протеолитическую
актив
ность
протеасомы
(
каталитические
центры
обозначены
кружками
).
Помимо
этого
,
α
-
субъединицы
взаимодействуют
с
регуляторными
комплексами
,
которые
влияют
на
функции
26S
протеасомы
.
Пора
,
образуемая
α
-
субъединицами
,
откры
вается
лишь
при
активации
протеасомы
и
имеет
диаметр
13 Å. (20S
про
теа
сома
Ther moplasma acidophilum
имеет
размеры
148×113 Å ,
бычья
20S
про
теа
сома
– 150×115 Å).
Б
.
К
одному
или
обоим
концам
20S CP
присоединяется
19S
регуляторная
частица
(19S RP),
в
результате
образуются
26S
и
30S
протеасомы
,
соответст
-
венно
. 19S RP
могут
замещаться
альтернативными
регуляторными
частицами
или
другими
мультисубъединичными
белковыми
комплексами
.
В
.
Регуляторные
комплексы
. 19S RP –
РА
700
или
19S
регуляторная
частица
.
У
мле
-
копитающих
она
состоит
из
18
основных
субъединиц
. PA28 –
РА
28
регу
ля
торная
частица
.
Существует
две
ее
изоформы
: PA28
α/β
и
PA28
γ
. PA28
α/β
–
это
регуля
-
тор
11S REG,
гетерогексамер
,
состоящий
из
α
-
и
β
-
субъединиц
. PA28
γ
– REG
γ
,
гек
самер
,
состоящий
из
γ
-
субъединиц
. PA200 –
регулятор
РА
200.
Сос
тоит
из
одного
200-
кДа
белка
асимметричной
куполообразной
формы
. PI31 –
регулятор
Р
I31.
Состоит
из
одного
пролин
-
богатого
30-
кДа
белка
.