構造と組織 プロテアソーム20Sコア粒子を片側から見た模式図。外側の2つのリングを構成するαサブユニットは緑色で、内側の2つのリングを構成するβサブユニットは青色で示されている。 プロテアソームのサブコンポーネントは、しばしばスヴェドベリ 沈降係数(S で表される)で表されます。哺乳類で最も一般的に使用されているプロテアソームは細胞質26Sプロテアソームで、その質量は約 分子量 2000 kDa で、1つの20Sタンパク質サブコンプレックスと1つの19S調節キャップサブコンプレックスを含む。二重キャッププロテアソームは30Sプロテアソームとも呼ばれ、細胞内にも存在する。20Sコアは中空で、タンパク質が分解される閉鎖された空洞を提供する。コアの両端の開口部は、標的タンパク質が入るゲートである。コア粒子の両端は、複数のATPase 活性部位 とユビキチン結合部位を含む19S調節サブユニットと結合することができる。この構造がポリユビキチン化タンパク質を認識し、触媒コアに転送する。[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]
20Sコアには、いくつかの代替キャップも結合できます。11S(PA26)またはBlm10(PA200)もコアと結合することが知られており、片側または両側に結合できます。11S粒子と呼ばれる別の調節サブユニットは、19S粒子とほぼ同じ方法でコアと結合できます。11Sは、ウイルス感染後に生成されるものなどの外来ペプチドの分解に役割を果たしている可能性があります。 [ 31 ]古 細菌と細菌もプロテアソームを持ち、コアに結合する代替キャップを持っています。以下では、これらのサブコンプレックスの構造と機能について説明します。
20Sコア粒子 20Sコア粒子に含まれるサブユニットの数と多様性は生物によって異なり、多細胞生物では単細胞生物よりも、真核生物では原核生物よりも、それぞれ異なる特殊化されたサブユニットの数が多い。すべての20S粒子は、2種類のサブユニットから構成される4つの積み重なった七量体リング構造から成り、αサブユニットは構造的な性質を持ち、βサブユニットは主に触媒 的である。αサブユニットはβサブユニットと相同な擬似酵素 である。αサブユニットはN末端がβサブユニットのN末端に隣接して組み立てられる。[ 32 ] 積み重なった外側の2つのリングはそれぞれ7つのαサブユニットから成り、調節粒子のドッキングドメインとして機能し、αサブユニットのN末端(Pfam PF10584)は、基質が内部空洞に制御されずにアクセスするのをブロックするゲートを形成する。[ 33 ] 内側の 2 つのリングはそれぞれ 7 つの β サブユニットから構成され、その N 末端にはタンパク質分解反応を行うプロテアーゼ活性部位が含まれています。[ 34 ] 精製された複合体では、キモトリプシン様、トリプシン様、およびペプチジルグルタミルペプチド加水分解の 3 つの異なる触媒活性が確認されました。[ 35 ] プロテアソームのサイズは比較的保存されており、約 150オングストローム (Å) × 115 Å です。内部チャンバーは最大で 53 Å の幅ですが、入口は 13 Å まで狭くなる場合があり、基質タンパク質が入るには少なくとも部分的にほどけている必要があることを示唆しています。[ 36 ]
Thermoplasma acidophilum などの古細菌 では、すべての α サブユニットとすべての β サブユニットは同一ですが、酵母 などの真核生物のプロテアソームには、各サブユニットの 7 つの異なるタイプが含まれています。哺乳類 では、β1、β2、および β5 サブユニットは触媒作用を持ちます。これらは共通のメカニズムを共有していますが、キモトリプシン 様、トリプシン 様、およびペプチジルグルタミルペプチド加水分解 (PHGH) と呼ばれる 3 つの異なる基質特異性を持っています。[ 37 ] β1i、β2i、および β5i と呼ばれる代替 β 型は、サイトカイン 、特にインターフェロン γ などの炎症誘発 シグナル への曝露に応じて造血細胞で発現することができます。これらの代替サブユニットで組み立てられたプロテアソームは 免疫プロテアソーム として知られており、その基質特異性は、通常のプロテアソームと比較して変化しています。[ 36 ] 最近、α3 コア サブユニットを欠くヒト細胞で代替プロテアソームが同定された。[ 38 ] これらのプロテアソーム (α4-α4 プロテアソームとして知られる) は、欠落した α3 サブユニットの代わりに追加の α4 サブユニットを含む 20S コア粒子を形成する。これらの代替「α4-α4」プロテアソームは、以前から酵母に存在することが知られている。[ 39 ] これらのプロテアソーム アイソフォームの正確な機能はまだほとんど不明であるが、これらのプロテアソームを発現する細胞は、カドミウムなどの金属イオンによって誘発される毒性に対する耐性が強化されている。[ 38 ] [ 40 ]
20Sコアによって形成されるペプチドは、最近、プログラム細胞死 と免疫の両方にとって重要な代謝産物として機能することが示されています。[ 41 ] [ 42 ] BRD4を 分解の標的とする分子接着剤 は、26Sプロテアソームによって生成されるペプチドにつながり、アポトーシス阻害因子(IAP)を放出し、 アポトーシス を引き起こします。[ 41 ] 26S によって生成されるペプチドは、主要な細胞プロセスを促進する二次代謝産物として機能することを示唆しています。
19S調節粒子 真核生物の 19S 粒子は 19 個の個々のタンパク質から構成され、20S コア粒子の α リングに直接結合する 9 個のサブユニットからなるベースと、10 個のサブユニットからなるリッドの 2 つのサブアセンブリに分割できます。9 つのベース タンパク質のうち 6 個は AAA ファミリーの ATPase サブユニットであり、これらの ATPase の進化的相同体は古細菌に存在し、PAN (プロテアソーム活性化ヌクレオチダーゼ) と呼ばれています。[ 43 ] 19S 粒子と 20S 粒子の結合には、19S ATPase サブユニットへの ATP の結合が必要であり、組み立てられた複合体が折り畳まれたユビキチン化タンパク質を分解するには、ATP 加水分解が必要です。基質のアンフォールディングのステップのみが ATP 加水分解からのエネルギーを必要とし、ATP 結合のみでタンパク質分解に必要な他のすべてのステップ (複合体の組み立て、ゲートの開口、転座、およびタンパク質分解など) をサポートできることに注意してください。[ 44 ] [ 45 ] 実際、ATPがATPaseに結合すること自体が、折り畳まれていないタンパク質の急速な分解を促進する。しかし、ATP加水分解は折り畳み解除にのみ必要であるが、このエネルギーがこれらのステップのカップリングに利用されるかどうかはまだ明らかではない。[ 45 ] [ 46 ]
26Sプロテアソームの模式図。[ 47 ] 2012年に、2つの独立した研究により、単粒子電子顕微鏡法 によって26Sプロテアソームの分子構造が解明されました。[ 20 ] [ 21 ] 2016年には、3つの独立した研究により、クライオ電子顕微鏡法によって基質が存在しない状態でのヒト26Sプロテアソームのほぼ原子分解能の構造が初めて決定されました。[ 48 ] [ 49 ] [ 19 ] 19Sの中心部、20Sに直接隣接して、AAA-ATPase(AAAタンパク質 )があり、Rpt1/Rpt2/Rpt6/Rpt3/Rpt4/Rpt5の順にヘテロ六量体リングを形成します。このリングは、二量体の三量体です。Rpt1/Rpt2、Rpt6/Rpt3、およびRpt4/Rpt5は、N末端のコイルドコイルを介して二量体化します。これらのコイルドコイルは六量体リングから突き出ている。最大の調節粒子非ATPaseであるRpn1とRpn2は、それぞれRpt1/2とRpt6/3の先端に結合する。ユビキチン受容体Rpn13はRpn2に結合し、ベースサブコンプレックスを完成させる。蓋はAAA-ATPase六量体(Rpt6/Rpt3/Rpt4)の半分を覆い、予想外にもRpn6を介して、そして程度は低いがRpn5を介して20Sに直接接触する。構造的に互いに関連し、COP9複合体 およびeIF3 のサブユニットとも関連しているサブユニットRpn9、Rpn5、Rpn6、Rpn7、Rpn3、およびRpn12 (そのためPCIサブユニットと呼ばれる)は、Rpn8/Rpn11ヘテロ二量体を囲む馬蹄形構造に組み立てられる。脱ユビキチン化酵素で あるRpn11は、AAA-ATPase六量体の開口部に位置しており、基質が20Sサブユニットへ輸送される直前にユビキチン部分を除去するのに理想的な位置にある。これまでに同定された2番目のユビキチン受容体であるRpn10は、蓋の周辺部、サブユニットRpn8およびRpn9の近くに位置している。
これらの初期構造は、19S RP がいくつかの状態 (酵母では s1、s2、s3、s4 と呼ばれる) をとることを示しており、基質がプロテアソームによってどのようにリクルートされ、その後分解されるかのモデルを提供した。[ 50 ] [ 51 ] この主要な低エネルギー状態における AAA-ATPase 構成の特徴は、AAA ドメインの階段状またはロックワッシャー状の配置である。[ 47 ] [ 20 ]これらの状態は、ATPgS [ 22 ] 基質の添加、または非必須 DUB Ubp6 によって操作される可能性がある。s1 状態はプロテアソームの休止状態であると提案されており、タンパク質基質が AAA モーターと結合することを可能にする。基質が結合すると、プロテアソームは処理状態に移行し、AAAモーターの上部から20Sタンパク質分解室への中央チャネルが形成され、19S RPからタンパク質分解部位への基質の直接通過が可能になります。ヒトプロテアソームを用いたその後の研究では、さらに多くのサブ状態が示され、ATP依存的な基質転座のモデルが提供されています。[ 52 ] [ 48 ] [ 25 ]
2018年に、基質に結合したプロセシングプロテアソームの最初の構造がクライオ電子顕微鏡を用いて解明され、Rpn11による脱ユビキチン化が転座依存的に行われることを示す生化学的知見が確認され[ 53 ] 、転座の重要なステップが明らかになった [ 24 ] 。その後、基質に結合した26Sプロテアソームの7つの原子構造を同時に決定することにより、脱ユビキチン化、転座の開始、および基質の連続的なアンフォールディングの詳細な構造が解明された[ 25 ] 。
26Sプロテアソームの3つの異なる立体構造状態。[ 50 ] これらの立体構造は、基質のリクルート、その不可逆的な関与、そして最終的に分解が起こるコア粒子への処理と転置に関与していると考えられている。
19世紀による20世紀の規制 19S調節粒子は、20Sがタンパク質を分解するように刺激する役割を担っています。19S調節ATPaseの主な機能は、基質が分解チャンバーに入るのをブロックする20Sのゲートを開くことです。[ 54 ] プロテアソームATPaseがこのゲートを開くメカニズムは最近解明されました。[ 33 ] 20Sゲートの開口、ひいては基質の分解には、特定のモチーフ (すなわちHbYXモチーフ)を含むプロテアソームATPaseのC末端が必要です。ATPaseのC末端は20Sの上部のポケットに結合し、ATPase複合体を20Sタンパク質分解複合体に繋ぎ止め、基質の展開装置と20S分解装置を結合します。これらのC末端が20Sポケットに結合するだけで、20Sのゲートが開くのを刺激します。これは、鍵が錠前に入ってドアが開くのとほぼ同じです。[ 33 ] この「鍵が錠前に入っている」メカニズムが機能する正確なメカニズムは、ヒト26Sプロテアソームのコンテキストでほぼ原子レベルの解像度で構造的に解明されており、ATPaseサブユニットRpt1/2/3/5/6の5つのC末端が20S表面ポケットに挿入されることが20Sゲートを完全に開くために必要であることが示唆されており、酵母プロテアソームで以前に行われた研究を裏付けています。[ 52 ] [ 25 ] [ 48 ]
その他の調節粒子
BLM10/PA200また別の非ATPase調節粒子として、Blm10(酵母)またはPA200/ PSME4 (ヒト)がある。これは20Sゲート内のαサブユニットを1つだけ開き、非常に小さな孔を持つドーム状に折り畳まれる。[ 32 ]
古細菌プロテアソーム 古細菌に も、20Sコアと、19Sプロテアソームと類似点を持つプロテアソーム活性化ヌクレオチダーゼ(PAN)からなる調節粒子を含むプロテアソーム分解経路が存在する。真核生物の19Sと同様に、PANはAAA-ATPase であり、N末端コイルドコイル、OBリング、古細菌の20Sと相互作用するHBXYモチーフを持つATPaseドメインを含む。
細菌プロテアソーム 放線菌は、独自の20Sコア粒子とAAAタンパク質 モーターであるMPA(マイコバクテリアプロテアソーム活性化因子)を含むプロテアソーム分解経路を獲得している。19Sの基本サブコンプレックスとは異なり、MPAはホモヘキサマーモーター複合体であり、ATPase部位、タンデム(オリゴ糖/オリゴヌクレオチド結合)OBリング、およびOBリングのN末端から伸びるコイルドコイルを 含む。C末端には、他の調節粒子と同様に20Sコア粒子と接触するHBXYモチーフが含まれている。MPAへのターゲティングには、タンパク質基質に付加できるタグとしてユビキチンとして機能する原核生物タンパク質、原核生物ユビキチン様タンパク質 (またはPup)が必要であるが、Pupの構造はユビキチンの構造とは無関係である。いったん結合すると、蛹化したタンパク質はコイルドコイルを介してMPAに標的化され、AAAモーターを介して20Sに誘導されて分解される。[ 56 ] [ 57 ]
組み立て プロテアソームの組み立ては、活性複合体を形成するために多数のサブユニットが結合する必要があるため、複雑なプロセスです。βサブユニットは、N末端 に「プロペプチド」を持つ状態で合成され、20S粒子の組み立て中に翻訳後修飾を受けて、 タンパク質分解活性部位が露出します。20S粒子は、それぞれ7員環のプロβ環と7員環のα環が結合した2つのハーフプロテアソームから組み立てられます。2つのハーフプロテアソームのβ環が結合すると、プロペプチドのスレオニン依存性自己分解が引き起こされ、 活性部位 が露出します。これらのβ相互作用は、保存されたαヘリックス 間の塩橋 と疎水性相互作用によって主に媒介され、 変異 によってこれらの相互作用が破壊されると、プロテアソームの組み立て能力が損なわれます。[ 58 ] ハーフプロテアソームの組み立ては、αサブユニットが七量体リングに組み立てられることで開始され、対応するプロβリングの結合のためのテンプレートが形成される。αサブユニットの組み立ては特徴付けられていない。[ 59 ]
19S調節粒子の組み立てプロセスはごく最近になってかなり解明された。19S調節粒子は、ベースとリッドという2つの異なるサブコンポーネントとして組み立てられる。ベース複合体の組み立ては、Hsm3/S5b、Nas2/p27、Rpn14/PAAF1、Nas6/ガンキリン (酵母/哺乳類の名称)の4つの組み立てシャペロンによって促進される。 [ 60 ] これらの組み立てシャペロンはAAA- ATPase サブユニットに結合し、その主な機能はヘテロ六量体AAA- ATPase リングの適切な組み立てを保証することであると思われる。現在でも、ベース複合体が別々に組み立てられるのか、組み立てが20Sコア粒子によってテンプレート化されるのか、あるいは代替の組み立て経路が存在するのかについては議論が続いている。4つの組み立てシャペロンに加えて、脱ユビキチン化酵素Ubp6/ Usp14 もベースの組み立てを促進するが、必須ではない。[ 61 ] 蓋は特定の順序で別々に組み立てられ、組み立て補助者は必要ない。[ 62 ]
タンパク質分解プロセス ユビキチン のリボン図 。ユビキチンは高度に保存されたタンパク質 であり、プロテアソームによるタンパク質分解の標的となる分子タグとして機能する。
ユビキチン化と標的化 タンパク質は、3 つの酵素 の協調反応を必要とするリジン残基の共有結合修飾によってプロテアソームによる分解の標的となる。最初のステップでは、ユビキチン活性化酵素 (E1 として知られる) が ATP を加水分解し、ユビキチン 分子をアデニル化する。次に、これは、2 番目のユビキチンのアデニル化と同時に、E1 の活性部位のシステイン残基に転移される。 [ 63 ] このアデニル化されたユビキチンは、次に、2 番目の酵素であるユビキチン結合酵素 (E2)のシステインに転移される。最後のステップでは、ユビキチンリガーゼ (E3)として知られる非常に多様な酵素群のメンバーが、ユビキチン化される特定のタンパク質を認識し、E2 からこの標的タンパク質へのユビキチンの転移を触媒する。標的タンパク質は、プロテアソームの蓋によって認識される前に、少なくとも4つのユビキチンモノマー(ポリユビキチン鎖の形)で標識されなければならない。[ 64 ] したがって、このシステムに基質 特異性を与えるのはE3である。 [ 65 ] 発現するE1、E2、およびE3タンパク質の数は生物と細胞の種類によって異なるが、ヒトには多くの異なるE3酵素が存在し、ユビキチンプロテアソームシステムの標的が膨大にあることを示している。
ユビキチンタンパク 質自体は76アミノ酸長で、高度に 保存された 配列を持ち、既知のすべての真核生物に存在することから、遍在性からその名が付けられました。 [ 66 ] 真核 生物のユビキチンをコードする遺伝子はタンデムリピート に配置されており、これは細胞に十分なユビキチンを生成するためにこれらの遺伝子に強い転写 要求があるためと考えられます。ユビキチンは、これまでに同定されたタンパク質の中で最も進化が 遅いタンパク質であると提唱されています。 [ 67 ] ユビキチンには7つのリジン残基があり、そこに別のユビキチンが結合して、異なるタイプのポリユビキチン鎖が形成されます。[ 68 ] 追加のユビキチンが前のユビキチンのリジン48に結合している鎖はプロテアソーム標的化に関与していますが、他のタイプの鎖は他のプロセスに関与している可能性があります。[ 69 ] [ 70 ]
ユビキチン化 経路
プロテアソームの内在性ユビキチン受容体 ポリユビキチン化されたタンパク質は、19S RP に付着し、標的基質の構造化されていない領域を AAA モーターの N ドメインに誘導できる 3 つの同定されたユビキチン受容体、Rpn1、Rpn10、および Rpn13 を介してプロテアソームに標的化されます。[ 71 ] それぞれが個別に同定され、ユビキチンに結合することが特徴付けられました。
Rpn10 Rpn10は、プロテアソーム上で最初に同定されたユビキチン受容体です。Rpn10は、酵母では単一のユビキチン相互作用モチーフ(UIM)に、高等真核生物では2つのUIMに結合したフォン・ヴィルブランド因子A型(VWA)を持っています。VWAドメインは19S RPのベースサブコンプレックスとリッドサブコンプレックスの間に結合し、UIMはAAAモーター上の空間に伸びていますが、UIMはクライオEM構造では確認されていません。NMR研究では、Rpn10のUIMがモノユビキチンとK48ジユビキチンに高い親和性で結合することが示されています。[ 72 ] さらに最近では、高等真核生物のRpn10のC末端がE3リガーゼUBE3A/E6APに結合することが示されています(プロテアソームリガーゼを参照)。
Rpn13 Rpn13は、酵母ツーハイブリッド スクリーニングを用いてユビキチン受容体として同定された。[ 73 ] ユビキチンは、ユビキチンに対するプレクストリン様受容体(PRU)ドメインを介してRpn13に結合する。[ 73 ] PRUの変異はユビキチンとの結合を阻害する。Rpn13はRpn2を介してプロテアソームに結合し、モーターのOBリングの上に位置する19Sの上部に留まる。[ 71 ] Rpn13は脱ユビキチン化酵素 UCH37にも結合して活性化する(下記参照)。
Rpn1 ユビキチンは、NMRを用いて同定されたT1部位とT2部位と呼ばれる2つの部位を介してRpn1に結合する。[ 74 ] Rpn1はUbp6のドッキング部位も提供する。
これらの受容体単独におけるユビキチンの親和性は、様々な方法で測定されてきた。それらはすべてマイクロモル濃度範囲であるが、ユビキチンシグナルと非構造領域の両方を持つ基質のミカエリス・メンテン 定数は数百ナノモル濃度範囲であり、非構造領域が基質との結合において重要な役割を果たしていることを示唆している。
潜在的な追加のユビキチン受容体。 興味深いことに、酵母のRpn1、Rpn10、Rpn13の変異は致死的ではないため、追加の部位が存在する可能性が示唆される。[ 74 ] Rpt4/5のコイルドコイルは、クロスリンク質量分析により結合部位として提案されており、これはクライオ電子顕微鏡によって可視化されている。
プロテアソーム脱ユビキチン化酵素 プロテアソーム分解の標的となるタンパク質に結合したユビキチン鎖は、通常、プロテアソーム関連脱ユビキチン化酵素(DUB)であるRpn11、Ubp6/USP14、およびUCH37のいずれかによって除去される。Rpn11は基質からユビキチンシグナルを一括除去する必須DUBであり、Ubp6/USP14とUCH37はユビキチンコードを編集すると考えられている。Saccharomyces cerevisiae のUbp6ノックアウトは生存可能であり、出芽酵母にはUCH37のホモログは存在しないが、Schizosaccharomyces pombe およびより高等な真核生物には存在する。このプロセスはユビキチンをリサイクルし、細胞内のユビキチン貯蔵庫を維持するために不可欠である。[ 70 ]
Rpn11 (POH1)酵母Rpn11/8ヘテロ二量体が野生型ユビキチンに結合した結晶構造。Rpn11は緑色、Rpn8は灰色、ユビキチンはピンク色で示されている。 Rpn11 は 19S 調節粒子の固有の化学量論的サブユニットであり、26S プロテアソームの機能に必須です。Rpn11 は、JAB1/MPN/Mov34 メタロ酵素 (JAMM) ファミリー DUB の亜鉛依存性メタロプロテアーゼであり、タンパク質基質からユビキチン鎖を一括除去する必須 DUB であることが確認されています。[ 75 ] [ 76 ] Rpn11 は Rpn8 と必須二量体を形成し、すべてのユビキチン結合を切断できる活性 DUB を形成します。[ 77 ] Rpn11 の活性部位は、触媒亜鉛の金属配位によって形成され、この部位は、この活性部位を覆う Insert-1 ループによって覆われています。[ 77 ] [ 78 ] この構造は、K63 ユビキチン切断に関与する関連 JAMM DUB、AMSH の構造と非常によく似ているが、AMSH の結合特異性に重要な残基が欠けている。ユビキチンに結合した Rpn11 の構造は、ユビキチンの C 末端が挿入 1 ループを β シートに押し込み、触媒亜鉛へのアクセスを可能にすることを明らかにした。この構造と詳細な生化学的解析を組み合わせると、タンパク質基質の転座によって Rpn11 の DUB 活性が少なくとも 10 倍加速されることが明らかになり、転座によって Ub 基質が Rpn11 の活性部位に運ばれることが示唆された。[ 79 ] この転座依存性脱ユビキチン化モデルは、後に酵母およびヒトのプロテアソームが基質に結合した状態でのクライオ電子顕微鏡によって確認され、どちらも Rpn11 に結合したユビキチンの結晶構造を再現した。[ 24 ] [ 80 ] 酵母プロテアソームの単一分子研究では、生化学的に測定されたDUB速度が実際に転座によって刺激されることが確認された。[ 81 ] より最近の生化学的および単一分子研究では、Rpn11は必須DUBであることに加えて、プロテアソームによる基質の適切な結合を可能にするアロステリックセンサーとして機能するユビキチン受容体でもあることが示されている。[ 82 ]
Rpn11はユビキチンに結合するだけでなく、最近では多くのプロテアソーム関連因子の結合部位でもあることが示されている。最近の3つのクライオ電子顕微鏡研究では、PITHD1(プロテアソーム相互作用チオレドキシンドメイン1)とTXNL1(チオレドキシン様タンパク質1)がRpn2/Rpn10に結合し、Rpn11の挿入1ループと相互作用することでプロテアソームに結合することが示されている。[ 83 ] [ 84 ] [ 85 ] PITHD1は休止状態のプロテアソームに結合し、休眠因子であると提唱されているが[ 83 ] 、 TXNL1は処理状態のプロテアソームに結合するため、タンパク質分解を助ける積極的な役割を担っている可能性がある。[ 84 ] [ 85 ] クライオ電子顕微鏡により、Rpn11 は転写因子のユビキチン非依存性分解を可能にするタンパク質であるミドノリンのユビキチン様ドメインに結合できることも示されています(ユビキチン非依存性分解のセクションを参照)。[ 86 ]
USP14/UBP6Rpn11とは対照的に、USP14とUCH37はプロテアソームと常に結合するとは限らず、ユビキチン依存性分解に必須ではないDUBである。代わりに、これらのDUBは、すでにプロテアソームと結合している基質のユビキチンコードを「編集」すると考えられている。細胞内では、プロテアソームの約10~40%にUSP14が結合していることがわかっている。Ubp6/USP14は、触媒システインを利用してユビキチンを切断するユビキチン特異的プロテアーゼ(USP)ファミリーのメンバーである。USPに加えて、Ubp6/USP14はプロテアソームに結合するユビキチン様タンパク質 (UBL)を含んでいる。Ubp6/USP14は主にプロテアソームによって活性化され、単独では非常に低いDUB活性を示す。[ 87 ] [ 88 ] 活性化されたUSP14は、DUB活性とプロテアソームの構造変化の並行経路を誘導することによってプロテアソーム機能を抑制することがわかった。そのうちの1つは、最初に生化学的に観察され[ 87 ] 、後に時間分解クライオ電子顕微鏡によって確認されたように、AAA-ATPaseへの基質挿入を直接阻害することが判明した[ 89 ] 。USP14は、Rpn11と触媒的に競合し、AAA-ATPaseの状態をアロステリックに再プログラムすることによって、複数のチェックポイントでプロテアソーム機能を調節しているようで、これはDUBとしてはかなり予想外である[ 89 ]。これら の 観察結果 は 、プロテアソームの調節が構造状態の動的な変化に依存している可能性があることを示唆している。
UCH37 UCH37は、ユビキチン受容体Rpn13を介して26Sプロテアソームに結合すると活性化されるユビキチンC末端ヒドロラーゼである。[ 90 ] UCH37は、Rpn2に結合するC末端DEUBAD(DUBアダプター)ドメインを介してプロテアソームに結合すると活性化される。[ 91 ] [ 92 ]
プロテアソームリガーゼ Ubp6とUCH37は基質上のユビキチンを除去することでユビキチンコードを再構築できるが、ユビキチンリガーゼはプロテアソームと結合してユビキチンを付加することもできる。26S rRNA遺伝子の場合、酵母ではHul5(ヒトでは UBE3C )、ヒトではUBE3A /E6APがこれに該当する。
Hul5は、酵母においてUbp6とともに26Sリガーゼとして初めて同定され、プロテアソームでユビキチン鎖をリモデリングする役割を担うと考えられていた。生化学的研究により、Hul5はユビキチン化された基質にさらにユビキチンを付加し、ユビキチンリガーゼ として効果的に機能することが示されている。Hul5は酵母においてRpn2に結合すると考えられているが、この相互作用は構造的に証明されていない。Hul5の作用機序や、Hul5によって処理される基質を理解するためには、さらなる研究が必要である。
UBE3A/E6APは哺乳類のRpn10のC末端に結合する。NMRにより、以前に記述されたRpn10の無秩序領域がE6APの結合によって秩序化し、低ナノモル濃度範囲で強固な相互作用を形成することが示されている。[ 93 ]
プロテアソームシャペロン DUBやリガーゼに加えて、プロテアソームと結合し、分解に重要な役割を果たす他の多くのタンパク質も存在する。これらのタンパク質は通常、ユビキチン様ドメイン (UBL)とユビキチン結合ドメイン(UBA)から構成され、Dsk2、Rad23、Ddi1はプロテアソームシャペロンに分類される。Dsk2とRad23は、プロテアソームの受容体に結合するUBLを持つ。Ddi1は長いK48-ユビキチン鎖に結合し、プロテアーゼとして作用することが示されており、プロテアソームと直接相互作用している可能性は低い。
展開と転座 タンパク質がユビキチン化された後、ATP依存性結合ステップで19S調節粒子によって認識される。[ 45 ] 基質タンパク質は、タンパク質分解活性部位と接触するために、20Sサブユニットの内部に入らなければならない。20S粒子の中心チャネルは狭く、αリングサブユニットのN末端テールによってゲートされているため、基質はコアに入る前に少なくとも部分的にほどけなければならない。ほどけた基質がコアに入ることを転座 といい、脱ユビキチン化の後に必ず起こる。[ 45 ] 理想的な基質の場合、転座が脱ユビキチン化を促進する。[ 79 ] しかし、基質が脱ユビキチン化され、ほどける順序はまだ明らかになっていない。[ 94 ] これらのプロセスのどれが全体のタンパク質分解反応の律速段階 であるかは、特定の基質によって異なる。一部のタンパク質では、アンフォールディング過程が律速段階である一方、他のタンパク質では脱ユビキチン化が最も遅い段階である。[ 44 ] 基質がトランスロケーション前にアンフォールディングされる必要がある程度は、脱ユビキチン化適合状態の基質結合26Sプロテアソームの原子構造から、約20アミノ酸残基であると示唆されているが、[ 25 ] 実質的な三次構造 、特にジスルフィド結合 などの非局所的相互作用は、分解を阻害するのに十分である。[ 95 ] タンパク質末端または内部に十分な大きさの内在的に無秩序なタンパク質 セグメントが存在することも、効率的な分解開始を促進すると提案されている。[ 96 ] [ 97 ]
αサブユニットによって形成されるゲートは、約4残基より長いペプチドが20S粒子内部に入るのを防ぎます。最初の認識ステップの前に結合したATP分子は、転座前に加水分解さ れます。基質のアンフォールディングにはエネルギーが必要ですが、転座にはエネルギーは必要ありません。[ 44 ] [ 45 ] 組み立てられた26Sプロテアソームは、非加水分解性ATPアナログ の存在下でアンフォールディングしたタンパク質を分解できますが、フォールディングしたタンパク質を分解することはできません。これは、ATP加水分解からのエネルギーが基質のアンフォールディングに使用されていることを示しています。[ 44 ] 19SキャップがATP結合状態にある場合、開いたゲートを通過するアンフォールディングした基質の通過は促進拡散によって起こります。 [ 98 ]
球状タンパク質 のアンフォールディング機構は必然的に普遍的であるが、アミノ酸配列 に多少依存する。グリシンとアラニンが 交互に並んだ長い配列は基質のアンフォールディングを阻害し、プロテアソーム分解の効率を低下させることが示されている。その結果、ATP加水分解とアンフォールディングのステップが分離されることにより、部分的に分解された副産物が放出される可能性がある。[ 99 ] このようなグリシン-アラニン繰り返し配列は、例えば絹 フィブロイン など、自然界にも見られる。特に、この配列を持つ特定のエプスタイン・バーウイルス遺伝子産物はプロテアソームを停止させ、主要組織適合性複合体上での 抗原提示を 阻害することでウイルスの増殖を助けることができる。[ 100 ]
プロテアソーム20Sコア粒子の断面図。活性部位 の位置を示している。αサブユニットは緑色の球体で、βサブユニットは個々のポリペプチド鎖 で色分けされたタンパク質骨格で表されている。小さなピンク色の球体は、各サブユニットの活性部位スレオニン 残基の位置を示している。水色の化学構造は、活性部位に結合した阻害剤ボルテゾミブである。
タンパク質分解 プロテアソームはエンドプロテアーゼ として機能する。[ 101 ] [ 102 ] [ 103 ] [ 104 ] 20Sコア粒子のβサブユニットによるタンパク質分解のメカニズムは、スレオニン依存性の求核攻撃 によるものである。このメカニズムは、反応性スレオニンヒドロキシルの脱プロトン化のために、関連する 水分 子に依存している可能性がある。分解は、2つのβリングの会合によって形成される中央チャンバー内で起こり、通常は部分的に分解された生成物を放出せず、代わりに基質を通常7~9残基長の短いポリペプチドに還元するが、生物と基質によっては4~25残基の範囲になることもある。生成物の長さを決定する生化学的メカニズムは完全には解明されていない。[ 105 ] 3 つの触媒 β サブユニットは共通のメカニズムを持つが、基質特異性はわずかに異なり、キモトリプシン様、トリプシン様、およびペプチジルグルタミルペプチド加水分解 (PHGH) 様と考えられている。これらの特異性の違いは、各サブユニットの活性部位付近の局所残基との原子間接触の結果である。各触媒 β サブユニットは、タンパク質分解に必要な保存されたリジン残基も持っている。[ 37 ]
プロテアソームは通常、非常に短いペプチド断片を生成しますが、場合によっては、これらの産物自体が生物学的に活性で機能的な分子となります。特定の遺伝子の発現を調節する特定の転写因子(哺乳類の NF-κB 複合体の構成要素の1つを含む)は、不活性な前駆体として合成され、ユビキチン化とそれに続くプロテアソーム分解によって活性型に変換されます。このような活性には、プロテアソームが基質タンパク質を一方の末端から連続的に分解するのではなく、内部で切断することが必要です。これらのタンパク質の表面にある長いループが プロテアソームの基質として機能し、中心空洞に入り、タンパク質の大部分は外側に残ると考えられています。[ 106 ] 酵母タンパク質でも同様の効果が観察されており、この選択的分解のメカニズムは、調節されたユビキチン/プロテアソーム依存性プロセシング (RUP)として知られています。[ 107 ]
ユビキチン非依存性分解 ほとんどの基質は26Sプロテアソームによって分解される前にユビキチン化される必要があるが、この一般的な規則にはいくつかの例外があり、特にプロテアソームがタンパク質の翻訳後処理で通常の役割を果たしている場合は例外となる。内部プロテオリシスを介して p105を p50に処理することによるNF-κBのプロテアソーム活性化は、その主要な例の1つである。[ 106 ] 本質的に構造化されていない 領域のために不安定であると仮定されている一部のタンパク質は、ユビキチン非依存的に分解される。[ 108 ] p53 などの重要な細胞周期 調節因子を標的とするユビキチン非依存的メカニズムも報告されているが、p53はユビキチン依存的分解も受ける。[ 109 ] 最後に、構造的に異常な、ミスフォールドした、または高度に酸化されたタンパク質も、細胞ストレス条件下でユビキチン非依存的および19S非依存的分解を受ける。[ 110 ]
ユビキチン非依存性プロテアソーム基質の最もよく知られた例は、オルニチン脱炭酸 酵素(ODC)である。[ 111 ] [ 112 ] [ 113 ] ODCは、発現および補因子であるオルニチン脱炭酸酵素アンチザイム (AZ)との結合によって分解され、AZはODC二量体を切断する。ODCは、分解に必要となるC末端無秩序領域(ヒトの場合)またはN末端無秩序領域(酵母の場合)を含み、19S RPのAAAモーターと結合すると考えられているが、[ 114 ] この相互作用のメカニズムの詳細はまだ解明されていない。ユビキチン非依存性分解のもう1つの例はチミジン合成酵素であり、N末端無秩序領域が分解に不可欠である。
FAT10(またはユビキチンD )はタンデムUBLタンパク質であり、ユビキチン非依存的にプロテアソームによっても分解される。最近の生化学的および構造的研究により、FAT10はNUB1 の結合によって分解されることが示されている。NUB1はFAT10の最初のUBLをほどき、26Sプロテアソームとの結合を可能にする。NUB1-FAT10複合体は、Rpn1に結合するNUB1上のUBLも露出させ、FAT10をプロテアソームの中央チャネルの上に配置している。[ 115 ] ミドノリンは、転写因子をプロテアソームに標的としてユビキチン非依存的に分解するタンパク質として同定された。[ 116 ] 最近の構造的研究により、ミドノリンのUBLはRpn11に結合し、ヘリックスがRpn1に結合し、CATCHドメインが転写因子に結合することが示されており、ユビキチン非依存的分解がどのように起こるかのモデルを提供している。[ 117 ] [ 118 ]
病原体もまた、ユビキチン非依存性分解を利用することを学んでいる。植物の場合、寄生性のファイトプラズマは 、 転写因子に結合し、Rpn10のVWAドメインに結合することで26Sプロテアソームによる分解の標的とするタンパク質SAP05を発現する。[ 119 ] 興味深いことに、SAP05は昆虫ベクターRpn10には結合しない。結晶構造は、SAP05がこれらの転写因子とRpn10の両方にどのように結合するかを示しており、SAP05が転写因子をAAAモーターの入り口付近に配置し、ユビキチン非依存性分解を可能にすることを示している。[ 120 ] [ 121 ]
進化 大腸菌 由来のhslV (青色)とhslU (赤色)の複合体。この熱ショックタンパク 質の複合体は、現代のプロテアソームの祖先に似ていると考えられている。20Sプロテアソームは真核生物と古細菌の両方に遍在し、必須である。細菌の 放線 菌目も20Sプロテアソームの相同体を共有しているが、ほとんどの細菌は熱ショック 遺伝子hslV とhslU を持っており、その遺伝子産物は2層リングに配置された多量体プロテアーゼとATPaseである。[ 122 ] hslVタンパク質は20Sプロテアソームの祖先である可能性が高いと仮説が立てられている。[ 123 ] 一般的に、HslVは細菌にとって必須ではなく、すべての細菌がそれを持っているわけではないが、一部の原生生物は 20SシステムとhslVシステムの両方を持っている。[ 122 ] 多くの細菌は、プロテアソームと関連するATPaseの他の相同体も持っており、最も注目すべきはClpPとClpX である。この冗長性により、HslUVシステムが必須ではない理由が説明される。
配列解析によると、触媒βサブユニットは、主に構造を担うαサブユニットよりも進化の早い段階で分岐したと考えられる。20Sプロテアソームを発現する細菌では、βサブユニットは古細菌および真核生物のβサブユニットと高い配列相同性 を示すが、αサブユニットの配列相同性ははるかに低い。細菌における20Sプロテアソームの存在は水平遺伝子伝達 の結果である可能性があり、真核生物におけるサブユニットの多様化は複数の遺伝子重複 イベントに起因すると考えられる。[ 122 ]
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外部リンク プロテアソームサブユニット命名法ガイド EMデータバンク(EMDB)に登録されている3Dプロテアソーム構造 プロテアソーム機能 の要点( 2020年11月17日にWayback Machine に アーカイブ済み)