The meteoric rise of regulated intracellular proteolysis

R. John Mayer

Nature Reviews Molecular Cell Biology 1, 145-148 (2000)


Внутриклеточный протеолиз, запускаемый присоединением множественных копий малых белков, называемых ubiquitin, является фундаментаьным. 
Клетки обладают двумя механизмами для внутриклеточной деградации белков: эндосомно-лизосомной системой, которая деградирует белки, интернализованные с помощью эндоцитоза, и не-лизосомная система, которая деградирует белки ядра, цитозоля и эндоплазматического ретикулема.

Links
FURTHER INFORMATION
Regulatory subunits of the 26S proteasome | Ubiquitin index | The Ciechanover laboratory | The Hershko laboratory | The Varshavsky laboratory | Press Release on the 2000 Albert Lasker Awards | Nature Medicine commentaries
ENCYCLOPEDIA OF LIFE SCIENCES
Ubiquitin pathway | Protease complexes
Не-лизосомная система деградации белка является ubiquitin/26S proteasome системой, в которой ε-амино группа лизинового остатка в белке-мишени ковалентно связывается с carboxy-терминальным глициновым остатком убиквитина (ubiquitin) (Рис.1). Лизин 48 первого убиквитина затем м. связываться с помощью изопептидного мостика с С-концевым глицином следующего убиквитина. Эта реакция м. продолжаться до образования мульти-убиквитиновой цепи, которая и является сигналом для деградации белка-мишени с помощью протеосомы  26S .
(Рис.1.) .

Discovery of ubiquitin

 Hershko с сотр., открывшие убиквитин, установили, что добавление убиквитина к белку-мишени (ubiquitylation) нуждается в энзимах трех типов, обозначенных E1, E2 и E3.
  • Первый,  ubiquitin-активирующий энзим (E1) образует thioester с carboxy-терминальным остатком глицина убиквитина с помощью реакции, нуждающейся в АТФ. 
  • Активированный убиквитин затем переносится с E1 на ubiquitin-conjugating энзим (E2) с помощью transesterification.
  • Наконецa ubiquitin–protein лигаза(E3) катализирует перенос убиквитина на ε-амино группу лизинового остатка белка-мишени для образования  ubiquitin–protein conjugate.
    • Более того, они установили, что активность убиквитинового пути существенно увеличивается в клетках, продуцирующих аномальные белки. Установлено, что имеются множественные  E2s и E3s, и что E3s отвечают за выбор субстрата для ubiquitylation. Известно, что мутации в белках, препятствующие распознаванию с помощью E3s, мутации E3s или секвестрация E3s с помощью вирусов могут вызывать рак (Box.1) .

    Ubiquitylation is essential for life

     Varshavsky с сотр. очистили некоторые индивидуальные  E2 энзимы дрожжей Saccharomyces cerevisiae, и установили, что компонент пути ДНК репарации, известный как RAD6, и др. белок со слабой гомологией с ним (CDC34), являются энзимами E2. Следовательно, E2s играют ключевую роль в репарации ДНК и клеточном цикле. Затем было установлено, что  cyclin деградируется с помощью пути (Box 1).

    Piecing together the 26S proteasome

    В 1984 стало известно, что ubiquitylated белки становятся мигенями для деградации с помощью АТФ-зависимых протеаз. Marty Rechsteiner с сотр. открыли и частично очистили 26S proteasome. Было высказано предположение, что 20S протеасомы имеют общие субъединицы с 26S enzyme. Затем было установлено, что большая протеаза образуется в результате ассоциации трех мультисубъединичных компонент и что один из них, CF3, на самом деле идентичен 20S протеосоме. 20S proteasome соответствовала ранее названной 19S 'prosome' частице.
    Ассоциация 19S regulator с20S сердцевиной и дает  26S частицу. Было установлено, что 19S regulator содержит 6  ATPases вместе с кагортой др. белков, включая первый рецептор для multi-ubiquitylated белков.
    Подтверждена существенная и non-redundant функциональная роль для ATPases, вмсте с активностью 26S протеосомы в регуляции клеточного цикла. Мутантные протеосомы удалось разделить на  т.наз.<19S 'bases' и 'lids': первая содержала 6 ATPases и две не-ATPase субъединицы; послендняя содержала non-ATPases.  ATPases обладают активностью chaperone и, по-видимому, участвуют в распрямлении ( unfolding) белков для вступления их в 20S сердцевину, которая обладает протеолитической активностью. Выясненеа трехмерная структура сердцевины  20S и установлено, что каталитиеские сайты компартментализованы внутри цилиндрической частицы. Это указывает на то, что расправленные белки должны вставляться в центральную камеру для протеолиза.

    Ubiquitin and disease

    Иммунохимически убиквитинилированные белки выявляются во внутринейрональных включениях при всех нейродегенеративных заболеваниях человека(напр., Alzheimer's, Parkinson's и Huntington's diseases, а также amyotrophic lateral sclerosis), и это привело к идентификации нового не