Протеасо́ма (от — протеиназа и — тело) — многобелковый комплекс, разрушающий ненужные или дефектные белки при помощи протеолиза (химической реакции, при которой происходит разрыв пептидных связей) до коротких пептидов (4—25 аминокислотных остатков). Эти пептиды затем могут быть расщеплены до отдельных аминокислот. Протеасомы присутствуют в клетках эукариот, архей и некоторых бактерий. В эукариотических клетках протеасомы содержатся и в ядре, и в цитоплазме. Деградация 80—90 % внутриклеточных белков происходит при участии протеасомы. Для того чтобы белок-мишень расщепился протеасомой, он должен быть помечен путём присоединения к нему маленького белка убиквитина. Реакция присоединения убиквитина катализируется ферментами убиквитинлигазами. Присоединение первой молекулы убиквитина к белку служит для убиквитинлигаз сигналом для дальнейшего присоединения молекул убиквитина. В результате к белку оказывается присоединена полиубиквитиновая цепь, которая связывается с протеасомой и обеспечивает расщепление белка-мишени. 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 стрессKaya H. E. K. & Radhakrishnan S. K. (2020). Trash Talk: Mammalian Proteasome Regulation at the Transcriptional Level. Trends in Genetics. 37 (2), 160—173 . В 2004 году Аарон Чехановер, Аврам Гершко и Ирвин Роуз были удостоены Нобелевской премии по химии «за открытие убиквитин-зависимой деградации белка».
История открытия До открытия убиквитин-зависимой системы деградации белков считалось, что деградация белков в клетке происходит, главным образом, за счёт лизосом. Лизосомы — это мембранные органеллы с кислой внутренней средой, содержащей протеазы. Они способны утилизировать экзогенные белки, захваченные клеткой в процессе эндоцитоза, белки, связанные с мембранами, и повреждённые органеллы. Однако в 1977 году Альфред Голдберг доказал существование АТФ-зависимой системы деградации белка в ретикулоцитах, которые лишены лизосом. Это позволило предположить, что существует как минимум ещё один механизм внутриклеточного расщепления белков. В 1978 году было показано, что соответствующая протеаза состоит из полипептидных цепей нескольких типов. Кроме того, при исследовании посттрансляционных модификаций гистонов была обнаружена неожиданная ковалентная модификация: присоединение к боковой цепи лизина в гистоне C-концевого остатка глицина убиквитина — небольшого белка с неизвестной функцией. Было установлено, что описанный ранее АТФ-зависимый фактор протеолиза 1 и убиквитин являются одним и тем же белком. В дальнейшем АТФ-зависимый белковый комплекс, ответственный за убиквитин-опосредованную деградацию белка, был выделен из лизата клеток и назван 26S-протеасомой.
Большая часть ранних работ, которые впоследствии привели к открытию протеасомной 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 преуменьшал свою роль в открытии. Все трое разделили Нобелевскую премию по химии в 2004 году за открытие этой системы.
Хотя электронно-микроскопические данные, указывающие на то, что структура протеасомы представляет собой несколько колец, уложенных в стопку, были доступны уже в середине 1980-х годов, первая структура коровой части протеасомы, составленная на основе данных рентгеноструктурного анализа, была получена только в 1994 году.
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 регуляторных частиц 19S (PA700) и 11S, 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 регуляторной частицы 19S, в состав 26S-протеасомы могут входить и другие регуляторные компоненты: PA28α/β (11S REG), PA28γ (REGγ), PA200, PI31. В состав некоторых протеасом входит другая регуляторная частица — 11S. Она взаимодействует с 20S-частицей так же, как 19S, и может принимать участие в деградации чужеродных белков, например, синтезированных во время вирусной инфекции.
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 специфичноДолжно быть произведено разворачивание субстрата. денатурирован.
20S-частица 20S-частицы протеасом прокариот и эукариот имеют принципиально одинаковую четвертичную структуру и состоят из 28 субъединиц, организованных в четыре семичленных кольца, уложенных друг на друга в виде стопки. 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. β-субъединицы имеют протеазные центры и являются каталитическими компонентами протеасомы. У архей, например, у , 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 (пептидил-глутамил-гидролизующей, трипсиноподобной и химотрипсиноподобной соответственно). В гематопоэтических клетках под действием провоспалительных сигналов, таких как цитокин интерферон γ, могут экспрессироваться альтернативные формы β-субъединиц, которые обозначаются β1i, β2i и β5i. Протеасому, содержащую эти альтернативные β-субъединицы, называют иммунопротеасомой, и её субстратная специфичность несколько отличается от таковой у обычной протеасомы. В середине 2010-х годов в клетках человека были идентифицированы необычные протеасомы, лишённые коровой субъединицы α3. В таких протеасомах (известных также как α4-α4 протеасомы) 20S-коровая часть содержит субъединицу α4 вместо α3. Альтернативные α4-α4 протеасомы были также выявлены у дрожжей. Хотя функции этой изоформы протеасомы неизвестны, клетки, экспрессирующие их, отличаются повышенной устойчивостью к токсичному действию ионов металлов, например, кадмия.
19S-регуляторная частица У эукариот 19S-частица состоит из 19 отдельных белковых молекул, которые образуют 9-субъединичное основание, непосредственно взаимодействующее с α-кольцом 20S-коровой частицы, и 10-субъединичную «крышечку». Шесть из девяти белков основания являются АТФазами из семейства , их гомологи имеются у архей и называются PAN (от — нуклеотидаза, активирующая протеасому). Для взаимодействия 19S- и 20S-частиц необходимо, чтобы субъединицы 19S-частицы с АТФазной активностью были связаны с АТФ, и для протеасомной деградации уложенных и убиквитинированных белков необходим гидролиз АТФ. Строго говоря, гидролиз АТФ нужен только для денатурации белков, но само связывание с АТФ может способствовать протеканию других этапов разрушения белков (например, сборке комплекса, открыванию ворот, транслокации и протеолизу). Кроме того, связывание АТФ с АТФазами само по себе способствует быстрой деградации неуложенных белков. Хотя абсолютная необходимость в АТФ показана лишь для разрушения пространственной структуры белка, до конца не исключена возможность того, что гидролиз АТФ необходим для сопряжения разных этапов деградации белка.
В 2012 году две исследовательские группы независимо представили молекулярную структуру 26S-протеасомы, полученную с помощью . Позднее с помощью криоэлектронной микроскопии была построена атомная модель протеасомы. В центре 19S-частицы, недалеко от 20S-частицы, находятся ААА-АТФазы, которые образуют гетерогексамерное кольцо (Rpt1/Rpt2/Rpt6/Rpt3/Rpt4/Rpt5). Это кольцо представляет собой тример димеров Rpt1/Rpt2, Rpt6/Rpt3 и Rpt4/Rpt5. АТФазы димеризуются при помощи своих N-концевых биспиральных () участков, которые выступают из гексамерного кольца. Два регуляторных белка Rpn1 и Rpn2, лишённые АТФазной активности, связываются с концами димеров Rpt1/2 и Rpt6/3 соответственно. Рецептор убиквитина Rpn13 связывается с Rpn2. Крышечка закрывает половину ААА-АТФазного гексамера (Rpt6/Rpt3/Rpt4) и взаимодействует непосредственно с 20S-частицей при помощи Rpn6 и, в меньшей степени, Rpn5. Субъединицы Rpn9, Rpn5, Rpn6, Rpn7, Rpn3 и Rpn12, структурно родственные друг другу, а также субъединицам комплексов COP9 и , объединяются в подковообразную структуру, в которой заключён гетеродимер Rpn8/Rpn11. Субъединица Rpn11, которая является деубиквитинирующим ферментом, помещается недалеко от внутренней полости гексамерного кольца из ААА-АТФаз, что идеально подходит для удаления убиквитиновых остатков непосредственно перед транслокацией разрушаемых белков в 20S-частицу. Второй из известных на данный момент убиквитиновых рецепторов, Rpn10, находится на периферии крышечки, рядом с субъединицами Rpn8 и Rpn9.
Конформационные изменения в 19S-частице Для регуляторной частицы 19S известны три чётко различающиеся конформации. Вероятно, все они играют важную роль в распознавании и разрушении субстрата. Первая конформация характеризуется наименьшей энергией, что достигается расположением ААА-доменов АТФаз в виде лестницы или пружины. В присутствии АТФ, но в отсутствие субстрата, наблюдается вторая, менее распространённая конформация, которая отличается расположением крышечки относительно ААА-АТФазного модуля. В присутствии АТФ-γS или субстрата реализуется третья конформация с сильно изменённой структурой ААА-АТФазного модуля.
Регуляция 20S-частицы 19S-частицей 19S — регуляторная частица, она стимулирует разрушение субстрата 20S-субъединицей. Главной функцией 19S-частицы является открывание ворот в 20S, которые препятствуют входу субстратов внутрь протеасомы. Удалось определить механизм, по которому АТФазы открывают ворота 20S-частицы. Для открывания ворот необходим специфический мотив на C-концах АТФаз. За счёт него C-концы АТФаз входят в специальные карманы в верхней части 20S-частицы, закрепляя АТФазный комплекс на 20S-протеолитическом комплексе, благодаря чему часть протеасомы, ответственная за денатурацию субстрата, оказывается сопряжена с деградирующим модулем. Само связывание C-концов АТФаз с 20S вызывает открытие ворот в последней подобно тому, как ключ открывает замок. Структурные изменения, сопровождающие открытие ворот, также были изучены.
11S-регуляторная частица