蛋白酶体降解过程
泛素化蛋白如何被蛋白酶体识别还没有完全弄清楚。泛素受体蛋白在N末端有一个泛素样结构域和一个或多个泛素结合结构域。泛素样结构域可以被19S调控颗粒识别,而泛素结合结构域可以通过形成三螺旋束来结合泛素。这些受体蛋白可能能够与泛素化蛋白结合并将其携带至蛋白酶体,但这种结合的特异性和调节机制尚不清楚。然而,最近有研究人员发现,调节颗粒上的亚单位Rpn13可以发挥泛素受体的作用。
泛素蛋白本身由76个残基组成,因此被命名为“泛素”,因为它广泛存在于生物体内:具有高度保守的序列,存在于所有已知的真核生物中。真核生物中编码泛素的基因是串联重复排列的,这可能是因为需要大量的转录才能为细胞产生足够的泛素。有人提出,泛素是迄今为止发现的进化速度最慢的蛋白质。无处不在的信号路径。其中“Ub”代表泛素。
泛素蛋白(以下简称底物蛋白)被19S调控颗粒识别,是一个ATP依赖的结合过程。然后,底物蛋白必须进入20S核心颗粒的内部孔隙,以便与位于其中的水解活性位点接触。由于20S颗粒的孔道相对较窄,两端受α环亚基的N端控制,底物蛋白在进入核心颗粒前必须至少部分解折叠。将未折叠的蛋白质转移到核心颗粒的过程称为“易位”,易位必须发生在解聚之后。然而,底物蛋白的泛素化和去折叠机制仍然未知。在整个降解过程中,哪一步是限速步骤取决于底物蛋白的类型;对于一些蛋白质来说,去折叠过程是一个限速步骤,而对于其他蛋白质来说,它可能是一个限速因素。至于哪些底物蛋白在易位前必须是未折叠的,目前还没有定论,但是固体的三级结构和一些特殊的非局部相互作用,比如二硫键,可以抑制降解。
α亚基形成的“门”可以阻止长度超过四个残基的肽进入20S粒子内部。在识别步骤之前,结合的ATP分子在移位发生之前被水解,但水解产生的能量是用于蛋白质解折叠还是“开门”仍有争议。26S蛋白酶体在ATP类似物不能水解(即不能获得水解产生的能量)的情况下仍能降解未折叠的蛋白质,但不能降解折叠的蛋白质。这一结果表明,ATP水解产生的能量至少部分用于蛋白质去折叠。当19S hat处于ATP结合状态时,未折叠的底物蛋白可以通过易化扩散通过打开的“门”转移。
球蛋白去折叠的机制基本相似,但也在一定程度上依赖于蛋白质的氨基酸序列。研究人员发现,含有更长的甘氨酸或丙氨酸序列可以抑制去折叠,从而降低蛋白酶体的降解效率;结果是含有部分未折叠蛋白质的混合物,这可能是由于ATP水解和去折叠步骤之间的脱节造成的。自然界中一些蛋白质也有这种甘氨酸-丙氨酸重复序列,如丝心蛋白);丝绸的;值得一提的是,特定人类疱疹病毒基因的表达产物中也含有这样的序列,通过抑制蛋白酶体的作用,阻止抗原提呈到主要组织相容性复合体,从而有助于病毒的繁殖。
20S核心粒子的横截面图,显示了活性位点的位置。其中,α亚基用绿球表示,β亚基的蛋白质骨架显示为带状,不同的多肽链用不同的颜色表示。粉红色的小球表示苏氨酸残基在每个亚基活性位点的位置。浅蓝色的化学结构是硼替佐米,一种与活性位点结合的抑制剂。蛋白质被20S核心颗粒中的β亚基降解,其机制被认为是苏氨酸依赖的亲核攻击。这种机制可能需要结合的水分子参与活性苏氨酸上羟基的去质子化。降解发生在核心颗粒两个β环之间的孔道中,一般不产生部分降解产物,而是将底物蛋白完全降解成一定长度的肽段;肽的长度通常为7-9个残基,但根据不同的生物体和底物蛋白,它可以在4-25个残基之间变化。目前,决定分解产物中肽片段长度的机制尚未完全了解。具有催化活性的三个β亚基虽然降解机制相同,但对底物的特异性略有不同,分别是类糜蛋白酶、类胰蛋白酶和肽酰-谷氨酰水解。这种底物特异性的差异来自于活性位点附近的局部残基和底物之间的相互作用。每个具有催化活性的β亚基也含有降解所必需的保守赖氨酸。
虽然蛋白酶体通常产生非常短的降解片段,但在某些情况下,这些降解产物是具有生物活性的功能分子。特定的转录因子,包括哺乳动物NF-κB复合体的一种成分,合成后以无活性的前体分子存在,泛素化和蛋白酶降解后转变为活性分子。这种降解需要蛋白酶体切割蛋白质的中间部分,而不是通常的从蛋白质的一端切割。有人提出,要剪切的中间部分是一个长环,位于蛋白质表面,这样可以作为蛋白酶体的底物进入其内部孔,而蛋白质的其他部分仍在孔外,不会被降解。在酵母蛋白中也发现了类似的现象。这种选择性降解被称为“受调节的泛素/蛋白酶体依赖加工”。尽管大多数蛋白酶体底物在降解前必须被泛素化,但仍有一些例外,尤其是蛋白酶体参与蛋白质的翻译后加工。一个主要的例子是蛋白酶体通过将p105蛋白切割成p50蛋白来激活NF-κB。一些由于非结构蛋白质的存在而被认为是不稳定的蛋白质,也可以通过泛素非依赖性途径被降解。鸟氨酸脱羧酶是泛素非依赖性途径中最著名的蛋白酶体底物。尽管p53蛋白也可以通过泛素依赖性途径降解,但是已经报道了关键细胞周期调节因子如p53蛋白的泛素非依赖性降解机制。此外,在某些细胞应激条件下,结构异常、错误折叠或过度氧化的蛋白质也会进入泛素非依赖性和19S颗粒非依赖性降解途径。