蛋白酶體（大分子復合物）

蛋白酶體（大分子復合物）

蛋白酶體 （大分子復合物） 次瀏覽 | 2022.09.10 11:54:02 更新 來源 ：互聯網 精選百科 本文由作者推薦 蛋白酶體大分子復合物

蛋白酶體是一種巨型蛋白質復合物。它既存在于細胞核中，又存在于胞質溶膠中，是溶酶體外的蛋白水解體系，由10～20個不同的亞基組成中空的圓桶形的結構，顯示多種肽酶的活性，能夠從堿性、酸性和中性氨基酸的羧基側水解多種與遍在蛋白連接的蛋白質底物。蛋白酶體對蛋白質的降解是與環境隔離的。

主要降解兩種類型的蛋白質：一類是錯誤折疊的蛋白質，另一類就是需要進行數量調控的蛋白質。蛋白酶體對蛋白質的降解通過泛素(ubiquitin)介導，所以又稱為泛素降解途徑。蛋白酶體對蛋白質的降解作用分為兩個過程：一是對被降解的蛋白質進行標記，由泛素完成；二是蛋白酶解作用，由蛋白酶體催化。蛋白酶體存在于所有真核細胞中，其活性受γ干擾素的調節。

中文名

蛋白酶體

外文名

proteasomes

結構和組成

蛋白酶體結構復雜且具有多種存在形式，其組成可分為核心顆粒（CP）和調節顆粒（RP）兩個部分。

核心顆粒

核心顆粒是沉降系數為20S的蛋白酶復合體，又稱20S蛋白酶體。它由α環和β環各兩個組成，每環各有7個亞基，按α-β-β-α排列成圓桶狀結構。其中α環位于兩端，β環位于中間，α環中心有一孔道與圓桶內部相連，但α亞基的N末端肽鏈將此孔道完全封閉，防止不該被降解的蛋白質進入圓桶內部而被水解破壞。

蛋白酶體屬于N末端親核水解酶超級家族，其N末端蘇氨酸殘基在蛋白水解過程中作為親核基團進攻肽鍵，雖然活性位點都是蘇氨酸殘基，但不同β亞基的催化活性各不相同。α亞基沒有催化活性，β環內表面的β1（Y）、β2（Z）和β5（X）亞基具有明顯的催化活性，分別為胱天蛋白酶樣活性、胰蛋白酶樣活性、糜蛋白酶樣活性，負責切斷酸性、堿性、疏水氨基酸羧基端的肽鏈。

哺乳動物的蛋白酶體含有7個α亞基和10個β亞基，這是由于在免疫調節細胞因子γ干擾素的誘導作用下，β1、β2、β5亞基可分別為有催化活性的β1i（LMP2）、β2i（MECL-1）、β5i（LMP7）亞基所替代，形成免疫蛋白酶體。這種變化使蛋白酶體降解蛋白質的速度和切割位點與原來相比發生很大變化，發生這種結構變化的機制尚不明確，但其結果更有利于內源性蛋白質的降解和抗原的遞呈。

調節顆粒

底物需要通過α環的中心孔道才能進入20S蛋白酶體內部的催化位點，然而在沒有調節顆粒存在的情況下孔道是封閉的。調節顆粒結合在20S蛋白酶體的兩端，可以使孔道開放且對底物有高度的選擇性。蛋白酶體有多種調節顆粒，包括PA700、PA28、PA200等。PA700具有多種生物功能，如開放孔道、識別底物、底物去折疊及泛素的再循環等。

PA700的結構可分為基底部和蓋部兩部分，基底部位于20S蛋白酶體的兩端?含有6個三倍體ATP酶亞基（Rpt1-6）和三個非ATP酶亞基（Rpn1、Rpn2、Rpn10），蓋部由其他的非ATP酶組成?；撞康腁TP酶亞基在ATP參與的情況下與20S蛋白酶體結合，使α環口的孔道打開，而Rpn10則是蛋白酶體上的多聚泛蛋白底物的受體。蓋部的作用尚不明確，它可能在多聚泛蛋白從前體到降解的過程中起重要作用。

PA28也可與20S蛋白酶體結合，開放α環口的中心孔道，刺激肽進入和離開蛋白酶體的催化腔。與PA700不同，PA28與20S蛋白酶體的結合不需要ATP的參與。PA28包括3種亞基：PA28α、PA28β和PA28γ，其中PA28α／β在免疫應答過程中起重要作用。有人發現細胞內存在一種雜化蛋白酶體，其核心顆粒兩端分別結合一個PA700和一個PA28。

PA200是另一種蛋白酶體的調節顆粒，它與20S蛋白酶體形成復合物，可開放中心孔道?加速肽的降解。與PA28相似，PA200與20S蛋白酶體的結合也不需要ATP的參與，另外?PA200還在DNA修復過程中起重要作用。

對于20S蛋白酶體的3個催化亞基β1、β2和β5來說，PA700能將每個催化亞基的活性提高3倍；PA28α／β能將3個亞基的活性提高10～20倍，PA28γ能提高β2亞基的活性，而同時卻抑制β5亞基的活性；PA200對β1亞基活性的提高是對β2和β5亞基的3倍，這可能是由于PA200導致β1亞基構象發生變化的原因。

降解過程泛素化和定靶修飾蛋白質組-泛素化

需要被蛋白酶體降解的蛋白質會先被連接上泛素作為標記，即蛋白質上的一個賴氨酸與泛素之間形成共價連接。這一過程是一個三酶級聯反應，即需要有由三個酶催化的一系列反應的發生，整個過程被稱為泛素化信號通路。

在第一步反應中，泛素活化酶（又被稱為E1）水解ATP并將一個泛素分子腺苷酸化。接著，泛素被轉移到E1的活性中心的半胱氨酸殘基上，并伴隨著第二個泛素分子的腺苷酸化。被腺苷酸化的泛素分子接著被轉移到第二個酶，泛素交聯酶（E2）的半胱氨酸殘基上。最后，高度保守的泛素連接酶（E3）家族中的一員（根據底物蛋白質的不同而不同）識別特定的需要被泛素化的靶蛋白，并催化泛素分子從E2上轉移到靶蛋白上。靶蛋白在被蛋白酶體識別之前，必須被標記上至少四個泛素單體分子（以多泛素鏈的形式）。

因此，是E3使得這一系統具有了底物特異性。E1、E2和E3蛋白的數量依賴于生物體和細胞類型，人體中就存在大量不同的E3蛋白，這說明泛素-蛋白酶體系統可以作用于數量巨大的靶蛋白。

多泛素化后的蛋白質是如何被蛋白酶體所識別的，還沒有完全弄清。泛素受體蛋白的N末端具有一個類泛素結構域，以及一至多個泛素結合結構域。類泛素結構域可以被19S調節顆粒所識別，而泛素結合結構域可以通過形成三螺旋束來結合泛素。這些受體蛋白可能能夠結合多泛素化的蛋白質并將其攜帶到蛋白酶體，而關于這種結合的特異性和調控機制還不清楚。但最近有研究者發現，調節顆粒上的亞基Rpn13可以發揮泛素受體的功能。

泛素蛋白自身由76個殘基所組成，以“泛素”為名是因為它在生物體中廣泛存在：具有高度保守的序列并且存在于所有已知的真核生物體中。真核生物中編碼泛素的基因以串聯重復（英語：tandem repeat）的方式排列，這可能是因為大量轉錄的需要，為細胞生產足夠多的泛素。有人提出泛素是目前發現的進化速度最慢的蛋白質。

去折疊和移位

泛素化信號通路。其中，“Ub”表示泛素。

泛素化后的蛋白質（以下稱為底物蛋白）被19S調節顆粒所識別，這一過程是一個ATP依賴的結合過程。然后，底物蛋白必須進入20S核心顆粒的內部孔道，以便與位于其中的水解活性位點接觸。由于20S顆粒的孔道相對狹窄，而且兩端由α環中亞基的N末端控制開關，所以底物蛋白在進入核心顆粒之前必須至少部分去折疊。將去折疊的蛋白質傳遞進入核心顆粒的過程被稱為“移位”（translocation），而移位必須發生在去泛素化之后。但目前對于底物蛋白的去泛素化和去折疊機制還不了解。

在整個降解反應過程中，那一步是限速步取決于底物蛋白的類別；對于一些蛋白質，去折疊過程是限速步，而對于另一些蛋白質，可能是去泛素化為限速因子。至于哪些底物蛋白在移位之前必須去折疊，還未有結論，而牢固的三級結構和一些特殊的非局部相互作用，如二硫鍵，能夠抑制降解。

由α亞基所形成的“門”可以阻止長于四個殘基的多肽進入20S顆粒的內部。在識別步驟開始前結合上的ATP分子在移位發生前被水解，而對于水解產生的能量是用于蛋白質去折疊還是“門”的打開還有爭議。26S蛋白酶體在存在無法水解的ATP類似物（即無法獲得水解產生的能量）的情況下，依然可以降解去折疊的蛋白質，但卻無法降解折疊的蛋白質；這一結果說明ATP水解所產生的能量至少部分被用于蛋白質去折疊。在19S帽子處于ATP結合狀態時，去折疊的底物蛋白可以由促進擴散作用，傳遞通過開啟的“門”。

球蛋白去折疊的機制是基本類似的，但在一定程度上也取決于蛋白質的氨基酸序列。研究者發現含有較長的甘氨酸或丙氨酸序列可以抑制去折疊，從而降低蛋白酶體的降解效率；其結果是生成含有部分去折疊蛋白質的混合物，這可能是由于ATP水解和去折疊步驟之間的脫節所導致的。

自然界中的一些蛋白質也有這樣的甘氨酸-丙氨酸重復序列存在，如蠶絲中的絲心蛋白（fibroin）；值得一提的是，特定的人類皰疹病毒基因的表達產物也含有這樣的序列，通過抑制蛋白酶體的作用，阻止了抗原呈遞到主要組織相容性復合體上，從而有助于病毒的繁殖。

20S核心顆粒的一個剖面圖，顯示了活性位點的位置。其中，α亞基用綠色的球來表示，β亞基的蛋白骨架顯示為飄帶，并且不同的多肽鏈用不同的顏色表示。小的粉色球表示每個亞基的活性位點中蘇氨酸殘基的位置。淡藍色的化學結構為結合在活性位點上的抑制劑硼替佐米。

蛋白質的降解

泛素蛋白酶體系統是由泛素介導的一種高度復雜的蛋白降解機制,它參與降解細胞內許多蛋白質并且這個過程具有高度特異性。細胞內蛋白質的降解參與調節許多細胞過程,包括細胞周期、DNA修復、細胞生長和分化、細胞質量的控制、病原生物的感染反應和細胞凋亡等。[1]

蛋白質的降解由20S核心顆粒中的β亞基進行，其機制被認為是蘇氨酸依賴的親核攻擊。這一機制可能需要有一個結合的水分子參與活性的蘇氨酸上羥基的去質子化。降解發生在核心顆粒中間的兩個β環內的孔道里，一般不生成部分降解的產物，而是將底物蛋白完全降解為長度一定的肽段；肽段的長度一般為7-9個殘基，但根據生物體和底物蛋白的不同，長度范圍可以從4-25個殘基不等。決定分解產物中肽段長度的機制，目前還沒有完全弄清。

雖然具有催化活性的三個β亞基具有共同的降解機制，但它們對于底物的特異性卻略有不同，分別為類胰凝乳蛋白酶型、類胰蛋白酶型和肽谷氨?；乃庑?。這種對于底物特異性的差異是來自于靠近活性位點的局部殘基與底物之間的相互作用的不同。每一個具有催化活性的β亞基也都含有一個降解所必需的保守的賴氨酸。

雖然蛋白酶體通常生成非常短的降解片斷，但在一些情況下，這些降解產物自身是具有生物學活性的功能分子。特定的轉錄因子，包括哺乳動物的NF-κB（英語：NF-kB）復合物中的一個組分，合成后是以無活性的前體分子存在，在經過泛素化和蛋白酶降解后，才轉變為活性分子。這種降解需要蛋白酶體剪切蛋白質的中間部分，而不是通常情況下的從蛋白質的一端開始的剪切。

有人提出，需要被剪切的中間部分為一個長的環（英語：loop(biochemistry)），位于蛋白表面，從而可以作為蛋白酶體的底物進入其內部孔道，而蛋白質的其他部分依然在孔道外，并不會被降解。在酵母蛋白中也發現了類似的現象；這種選擇性降解被稱為“受調控的泛素-蛋白酶體依賴的剪切”（regulated ubiquitin/proteasome dependent processing）。

非泛素依賴的降解

雖然大多數的蛋白酶體的底物必須在降解之前被泛素化，但仍然有一些例外的情況，尤其是在蛋白酶體參與蛋白質的翻譯后處理過程中。一個主要的例子是蛋白酶體通過將p105（英語：p105）蛋白剪切為p50[英語：P50(biochemistry)]蛋白來激活NF-κB。一些由于存在無結構區域（英語：intrinsically unstructured proteins）而被推測具有不穩定性的蛋白質也可以通過非泛素依賴的途徑被降解。鳥氨酸脫羧酶是最著名的非泛素依賴途徑中蛋白酶體的底物。

對于關鍵的細胞周期調控因子，如P53蛋白的非泛素依賴的降解機制已經有報道，雖然p53蛋白也可以通過泛素依賴的途徑被降解。此外，在一定的細胞應激條件下，結構不正常、錯誤折疊或者過度氧化的蛋白質也都會進入非泛素依賴的和非19S顆粒依賴的降解途徑。

進化

大腸桿菌中的hslV（英語：HslV）（藍色）和hslU（英語：HslU）復合物（紅色）。這一由熱休克蛋白組成的復合物被認為類似于現在蛋白酶體的祖先。

20S蛋白酶體在真核生物中廣泛存在且必不可少。一些原核生物，包括許多古菌和細菌中的放線菌也含有20S蛋白酶體的同源體，即大多數細菌都含有的熱休克基因hslV（英語：HslV）和hslU（英語：hslU），這兩個基因所編碼的蛋白質可以形成雙層環狀多聚體和ATP酶。一些研究者認為HslV蛋白很可能類似于20S蛋白酶體的祖先。一般來說，HslV蛋白對于細菌不是必要的，且并非所有的細菌都含有這一蛋白，而原生生物同時含有20S蛋白酶體和HslV蛋白系統。

序列分析顯示，催化性的β亞基在進化過程中分化得比結構性的α亞基要早。表達20S蛋白酶體的細菌中，其β亞基與古菌以及真核生物的β亞基具有高度的序列相似性，而α亞基的序列相似程度則低得多。細菌中存在20S蛋白酶體可能是基因水平轉移的結果，而真核生物中各亞基的分化則應是多次基因重復的結果。

作用細胞周期控制

細胞周期進程是由一系列細胞周期蛋白依賴性激酶（CDK）來進行調控的，而CDK則是由細胞周期蛋白（cyclin）來激活。有絲分裂的細胞周期蛋白，在細胞中只有幾分鐘壽命，是所有已知的細胞內蛋白中壽命最短的。在CDK-cyclin復合物行使了它的功能之后，復合物中的cyclin就會被多泛素化并由蛋白酶體降解，從而保證了細胞周期的正常運轉。尤其是在細胞退出有絲分裂期時，作為調控組分的周期蛋白B（英語：cyclin B）需要從有絲分裂促進因子上脫落下來，而這一解離過程依賴于蛋白酶體的參與。

細胞周期檢控點，如G1期和S期之間的后限制點檢查，也需要蛋白酶體降解周期蛋白A（英語：cyclin A），而cyclin A的泛素化由一個名為后期促進復合物（anapha promoting complex，APC）的E3泛素連接酶來進行。APC蛋白和Skp1/Cul1/F-box蛋白復合物（即SCF復合物）是降解cyclin和控制檢控點的兩個關鍵調控因子；SCF復合物自身則由APC蛋白來調控，由于Skp2蛋白（SCF復合物中的轉接蛋白）可以在G1期到S期的過渡期中抑制SCF復合物的活性，因此通過泛素化Skp2蛋白，APC蛋白就可以激活SCF復合物。

在植物中，生長素或植物激素的作用是調控植物生長的方向和向性，它們通過細胞信號通路來誘導一系列轉錄因子抑制蛋白（Aux/IAA蛋白）進入蛋白酶體降解途徑。這些抑制蛋白由SCFTIR1蛋白或者由與auxin受體蛋白TIR1結合的SCF蛋白進行泛素化。Aux/IAA蛋白降解后，對auxin反應因子（ARF）家族的轉錄因子的抑制就被解除，從而誘導ARF基因的表達。

ARF被激活所導致的結果因植物類型和發育水平的不同而有所差異，但都參與了對根和葉脈生長的指導。ARF蛋白和Aux/IAA蛋白之間配對的特異性被認為是ARF的去抑制作用具有反應特異性的原因。

細胞凋亡

細胞內外的信號都能夠誘導細胞凋亡或編程性細胞死亡。其結果是細胞內部的組分發生解構，這主要是由特定的蛋白酶半胱天冬酶來完成，但同時蛋白酶體也可能在細胞凋亡過程中扮演了多種重要角色。蛋白酶體參與細胞凋亡進程的推測是基于凋亡發生前，細胞中泛素化蛋白質以及E1、E2、E3在數量上的增加這一現象；并且，在細胞凋亡過程中，原本定位于細胞核的蛋白酶體被發現能夠移位到調亡小泡的外膜。

蛋白酶體的抑制作用可以影響不同類型細胞的調亡誘導，在大多數已被研究的細胞類型中，抑制蛋白酶體可以促進細胞調亡。但一般而言，蛋白酶體并非是細胞調亡所必需的因子。而且，對于一些細胞系，特別是原代培養的靜止和分化的細胞，如胸腺細胞和神經元細胞，暴露于蛋白酶體抑制劑反而阻止了細胞的凋亡。這一作用機制目前還不清楚，但有人推測這種現象只特異性地發生于靜止狀態的細胞或者這是由于促細胞凋亡激酶JNK（英語：JNK）的活性差異所導致的。由于蛋白酶抑制劑可以誘發處于快速分裂中的細胞（如癌細胞）的凋亡，因此一些蛋白酶抑制劑已經被開發并作為化療藥品被用于治療癌癥。

免疫系統

蛋白酶體直接參與了適應性免疫系統的運作，并在其中扮演著關鍵角色。肽類抗原是由主要組織相容性復合物（MHC）類型I蛋白傳遞到抗原呈遞細胞表面。這些肽段是來自被蛋白酶體降解的侵入機體的病原體。雖然一般的蛋白酶體就可以參與這一進程，但實際上起主要作用的是一種特殊的復合物，其可以生成合適大小和成分的降解片斷以供MHC結合。

這種復合物的組成蛋白的表達是由γ干擾素所誘導；當免疫反應發生時，這些蛋白質，包括11S調節顆粒（主要作用為調節MHC的結合肽段的產生）和特殊的β亞基（β1i、β2i、β5i，具有不同的底物特異性）的表達就會增加。這種由特殊的β亞基參與形成的復合物就被稱為“免疫蛋白酶體”。另一種有所變化的β5亞基，β5t，在胸腺中表達，能夠形成胸腺獨有的“胸腺蛋白酶體”（"thymoproteasome"），參與T細胞的發育調控。

MHC類型I蛋白的配基結合強度取決于配基C末端的組成，因為肽段配基是通過氫鍵和與MHC表面的"B pocket"近接觸來結合的。許多MHC類型I蛋白趨向于結合疏水性殘基，而免疫蛋白酶體復合物就可以更多地生成具有疏水性C末端的肽段。

由于蛋白酶體參與生成活性形勢的NF-κB（英語：NF-kB）（一種抗凋亡和促炎癥調控因子，調控細胞因子的表達），因此，蛋白酶體被認為與炎癥反應和自身免疫性疾病相關。蛋白酶體活性水平的提高與包括紅斑性狼瘡和類風濕性關節炎在內的自身免疫性疾病相關。

蛋白酶體抑制劑

蛋白酶體抑制劑硼替佐米的化學結構。采用硼替佐米的化學療法可以有效地治療多發性骨髓瘤。

硼替佐米

硼替佐米結合于酵母蛋白酶體的核心顆粒上。硼替佐米分子位于圖的正中；其中，粉色表示碳原子，藍色表示氮原子，紅色表示氧原子，黃色表示硼原子。環繞在硼替佐米分子周圍的是蛋白質局部表面，其中藍色的部分是發揮催化作用的蘇氨酸殘基，由于結合上硼替佐米，因而失去了催化活性。

蛋白酶體抑制劑對于人工培養的細胞具有有效的抗腫瘤活性，通過降解受調控的促生長細胞周期蛋白來誘導腫瘤細胞的凋亡。這種可以選擇性地誘導腫瘤細胞凋亡的方法被證明在動物模型以及人體試驗中都非常有效。硼替佐米是第一種用作化學治療藥物的蛋白酶體抑制劑，由千年制藥公司（英語：Millennium Pharmaceuticals）開發，市場名稱為Velcade。

硼替佐米主要被用于多發性骨髓瘤的治療，值得一提的是，多發性骨髓瘤會導致血清中蛋白酶體水平的提高，而成功的化療可以將蛋白酶體的水平恢復到正常范圍。動物研究顯示硼替佐米可能對死亡率極高的胰腺癌也有顯著的臨床效果。對于硼替佐米在治療B細胞相關癌癥的臨床前和早期臨床研究已經開始，特別是一些類型的非霍奇金氏淋巴瘤。

為了研究蛋白酶體抑制劑硼替佐米對急性白血病K562細胞株核因子κB(NF-κB)及細胞間黏附分子(ICAM-1)表達的影響，用含10%小牛血清的RPMI1640培養液體外培養K562細胞，用0、10、20、30、50、100nmol/L的硼替佐米干預K562細胞6小時后收集細胞。用SP免疫組織化學法測各組細胞NF-κB活性，并以反轉錄聚合酶鏈反應(RT-PCR)分析K562細胞ICAM-1表達的變化。[2]

結果表明：各藥物處理組K562細胞NF-κB的活性和ICAM-1的表達均明顯受抑制，與對照組相比，存在顯著性差異(p<0.05)，且各組NF-κB活性與ICAM-1表達成正相關。結論：蛋白酶體抑制劑硼替佐米可能通過抑制NF-κB活性下調細胞間黏附分子ICAM-1的表達，這為白血病靶向治療提供了一個新的途徑。

利托那韋（英語：ritonavir），市場名稱為Norvir，是用于治療艾滋病的一種蛋白酶抑制劑。近期的研究發現，利托那韋不僅可以抑制蛋白酶，對蛋白酶體也有抑制作用，特別是對類胰凝乳蛋白酶型的蛋白酶體，但對類胰蛋白酶的蛋白酶體則有部分的促進作用。對于動物模型的研究表明利托那韋可能對神經膠質瘤細胞的生長有抑制作用。

將蛋白酶體抑制劑應用于自體免疫性疾病也大有前景。目前這一方面的研究主要是利用動物模型來進行。例如，在對植有人類皮膚的小鼠的研究中發現，用蛋白酶體抑制劑處理過后，原本因患牛皮癬而受損的皮膚所有減少；在一些嚙齒動物模型中發現，蛋白酶體抑制劑對于哮喘也有一定的治療作用。

蛋白酶體的標記和抑制作用也被用于在實驗室中針對細胞中蛋白酶體活性所進行的“體外”（in vitro）和“體內”（in vivo）研究。實驗室中最常用的抑制劑為乳胞素（英語：lactacystin），一種由鏈霉菌合成的天然產物。帶有熒光基團的抑制劑也已經被開發應用于特異性標記組裝好的蛋白酶體上的活性位點。

2004年諾貝爾化學獎的獲獎主題就是蛋白質酶解在細胞中的重要性和泛素在酶解途徑的作用，而三位獲獎者為阿龍·切哈諾沃、阿夫拉姆·赫什科和歐文·羅斯。

參考資料