Πρωτεασώματα: Οι κυτταρικοί σκουπιδοφάγοι

Τα πρωτεασώματα είναι μεγάλα πρωτεϊνικά συμπλέγματα, στο εσωτερικό όλων των ευκαρυωτικών οργανισμών και ορισμένων βακτηρίων. Βρίσκονται κυρίως στον πυρήνα και τοκυτταρόπλασμα. Η κύρια λειτουργία τους συνίσταται στην απορύθμιση άχρηστων ή κατεστραμμένων πρωτεϊνών μέσω της πρωτεόλυσης. Τα πρωτεασώματα είναι μέρος ενός τεράστιου μηχανισμού με τον οποίο τα κύτταρα ρυθμίζουν τη συγκέντρωση συγκεκριμένων πρωτεϊνών και απορυθμίζουν άχρηστες. Οι πρωτεΐνες που οδεύουν προς απορρύθμιση είναι οι ακόλουθες:

• Μετουσιωμένες πρωτεΐνες
• Πρωτεΐνες με λανθασμένη πτύχωση
• Πρωτεΐνες που περιέχουν αμινοξέα τα οποία έχουν υποστεί οξείδωση ή κάποια άλλη βλάβη.

Κατά τη διαδικασία της απορρύθμισης σπάζουν δεσμούς μήκους 7-8 αμινοξέων τα οποία, στη συνέχεια, μπορούν να διαχωριστούν σε μεμονωμένα αμινοξέα και να επαναχρησιμοποιηθούν στη σύνθεση νέων πρωτεϊνών.

Δομή

Απεικόνιση πρωτεασώματος

Ένα πρωτεάσωμα περιέχει στο κέντρο του έναν κύλινδρο ο οποίος σχηματίζεται από πρωτεάσες, των οποίων τα ενεργά κέντρα πιστεύεται ότι είναι στραμμένα προς την εσωτερική επιφάνεια του κυλίνδρου. Τα δύο άκρα του κυλίνδρου πωματίζονται από μεγάλα πρωτεϊνικά σύμπλοκα τα οποία σχηματίζονται τουλάχιστον από δέκα διαφορετικά είδη πρωτεϊνικών υπομονάδων. Αυτά τα πρωτεϊνικά πώματα εικάζεται ότι συνδέονται με τις πρωτεΐνες που προορίζονται για αποδόμηση και τις προωθούν στον εσωτερικό θάλαμο του κυλίνδρου. Εκεί οι πρωτεάσες αποδομούν τις πρωτεΐνες σε βραχέα πεπτίδια, τα οποία κατόπιν απελευθερώνονται. Η διάταξη αυτή εξασφαλίζει ότι οι πρωτεάσες εφοδιάζονται με πολύ επιλεγμένα υποστρώματα. Αυτό το κυλινδρικό σύμπλοκο (παρομοιάζεται και με βαρέλι) του πρωτεασώματος, αποτελείται από τέσσερις (4) στοιβαγμένους δακτυλίους που περιβάλλουν έναν κεντρικό πόρο. Κάθε δακτύλιος απαρτίζεται από 7 πρωτεΐνες. Οι 2 εσωτερικοί δακτύλιοι περιέχουν 7 β-υπομονάδες οι οποίες περιλαμβάνουν 6 ενεργά κέντρα πρωτεασών. Αυτά τα ενεργά κέντρα είναι τοποθετημένα στην εσωτερική επιφάνεια των δακτυλίων κι έτσι η πρωτεΐνη-στόχος πρέπει να εισέλθει στον κεντρικό πόρο πριν καταστραφεί. Οι 2 εξωτερικοί δακτύλιοι περιέχουν 7 α-υπομονάδες (ο καθένας) των οποίων λειτουργία είναι να διατηρούν μία πύλη διαμέσου της οποίας οι πρωτεΐνες-στόχοι εισέρχονται στο εσωτερικό του κυλίνδρου. Οι α-υπομονάδες συνδέουν δομές ή ρυθμιστικές περιοχές που αναγνωρίζουν πολυουβικουιτινικές αλληλουχίες προσκολλημένες στα πρωτεϊνικά υποστρώματα και αρχίζουν τη διαδικασία απορύθμισης.

Η πιο συνηθισμένη μορφή του πρωτεασώματος είναι γνωστή ως 26S πρωτεάσωμα, με περίπου 2000kDa μοριακή μάζα. Αποτελείται από έναν πυρήνα 20S και δύο ρυθμιστικές περιοχές 19S. Ο πυρήνας είναι κενός και περιέχει μια τρύπα στην οποία οι πρωτεΐνες-στόχοι απορυθμίζονται. Ανοίγματα στις δύο άκρες του πυρήνα επιτρέπουν στις πρωτεΐνες-στόχους να εισέλθουν. Κάθε απόληξη του πυρήνα επικοινωνεί με μια 19S ρυθμιστική υπομονάδα που περιέχει πολλαπλές ενεργές ΑΤΡάσες καθώς και θέσεις σύνδεσης της ουβικουιτίνης. Και είναι αυτή η δομή που αναγνωρίζει το σύμπλοκο ουβικουιτίνης-πρωτεϊνών στόχων και το μεταφέρει στον καταλυτικό πυρήνα. Μία άλλη μορφή ρυθμιστικής υπομονάδας που ονομάζεται τμήμα 11S μπορεί να επικοινωνεί με τον πυρήνα, με τον ίδιο ουσιαστικό τρόπο, όπως το 19S τμήμα. Το 11S πιθανολογείται πως παίζει σημαντικό ρόλο στην απορύθμισης ξένων πεπτιδίων, όπως αυτών που παράγονται μετά από μόλυνση από έναν ιό.

Διαδικασία πρωτεόλυσης

Πρωτεασώματα και ουβικουιτίνη

Οι πρωτεΐνες που πρόκειται να διασπαστούν ενώνονται με μια μικρή πρωτεΐνη που ονομάζεται ουβικουιτίνη. Η αντίδραση της σύνδεσης αυτής καταλύεται από ένζυμα που ονομάζονται λιγάσες ουβικουιτίνης. Μόλις η πρωτεΐνη που οδεύει προς απορύθμιση συνδεθεί με ένα μόριο ουβικουιτίνης, αυτό σηματοδοτεί σε άλλες λιγάσες να προσεγγίσουν επιπλέον μόρια ουβικουιτίνης. Το αποτέλεσμα είναι μια πολυουβικουιτινική αλυσίδα η οποία συνδέεται με το πρωτεάσωμα επιτρέποντάς το να απορρυθμίσει την προσαρτώμενη πρωτεΐνη. Η πρωτεϊνική απορύθμιση που διενεργεί το πρωτεάσωμα είναι απαραίτητη για πολλές κυτταρικές διαδικασίες συμπεριλαμβανομένου του κυτταρικού κύκλου, της ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης και του οξειδωτικού στρες.

Ξετύλιγμα και τοποθέτηση

Αφού η πρωτεϊνη-στόχος συνδεθεί με την ουβικουιτίνη, αναγνωρίζεται από την 19S ρυθμιστική περιοχή, μέσω μιας διαδικασίας στην οποία συμμετέχει ενεργά το ΑΤΡ. Η πρωτεϊνη του υποστρώματος πρέπει στη συνέχεια να εισέλθει στο εσωτερικό του 20S, ώστε να επικοινωνήσει με τα πρωτεολυτικά ενεργά κέντρα. Όμως,επειδή η δίοδος του 20S είναι στενή και κλεισμένη από το αμινοτελικό άκρο των α-υπομονάδων των δακτυλίων, τα υποστρώματα πρέπει να είναι, τουλάχιστον μερικώς, κατεστραμμένα πριν την είσοδό τους στο εσωτερικό του πυρήνα. Η τοποθέτηση του κατεστραμμένου υποστρώματος στον πυρήνα συμβαίνει απαραίτητα μετά την ουβικουιτίνωση. Η πύλη που σχηματίζουν οι α υπομονάδες εμποδίζει πεπτίδια μεγαλύτερα των 4 υπολειμμάτων να εισέλθουν στο εσωτερικό του 20S. Τα μόρια του ΑΤΡ υδρολύονται πριν την τοποθέτηση. Το 26S πρωτεάσωμα δύναται να απορρυθμίσει τις λανθασμένες πρωτεΐνες παρουσία ενός μη υδρολυόμενου αναλόγου ΑΤΡ αλλά δεν δύναται να απορρυθμίσει πτυσσόμενες πρωτεΐνες, αποδεικνύοντας ότι η ενέργεια της υδρόλυσης του ΑΤΡ χρησιμοποιείται για τα ξεδιπλωμένα υποστρώματα πρωτεϊνών.

Απόκριση στο οξειδωτικό στρες

Δυσλειτουργία στο σύστημα ουβικουιτίνης-πρωτεασώματος μπορεί να αποτελέσει αιτία πολλών νευρολογικών ασθενειών. Μπορεί να οδηγήσει σε εγκεφαλικούς όγκους όπως το astrocytomas. Σε κάποιες νευροεκφυλιστικές ασθένειες που εμφανίζουν ως κύριο χαρακτηριστικό την συσσώρευση πρωτεϊνών με λανθασμένη πτύχωση, όπως η νόσος του Πάρκινσον και η νόσος Αλτσχάιμερ, μεγάλα αδιάλυτα σύμπλοκα τέτοιων πρωτεϊνών μπορούν να σχηματιστούν και να επιφέρουν νευροτοξικότητα, μέσω μηχανισμών που δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητοί. Διαταραγμένη πρωτεασωμική ενεργότητα μπορεί να αποτελεί την βάση γνωστικών παθήσεων όπως ο αυτισμός, καθώς και μυϊκών και νευρολογικών ασθενειών όπως η μυασθένεια.

Ρόλος τους στο ανοσοποιητικό σύστημα

Εξαιτίας του ρόλου του πρωτεασώματος στη ρύθμιση της ενεργής μορφής του ΝF-κΒ, ενός αντιαποπτωτικού και προαντιφλεγμονώδους ρυθμιστή της έκφρασης των κυτοκινών, η δραστηριότητα του πρωτεασώματος έχει συνδεθεί με αντιφλεγμονώδη και αυτοάνοσα νοσήματα συμπεριλαμβανομένου του συστηματικού ερυθηματώδους λύκου και τηςρευματοειδούς αρθρίτιδας.

Αναστολείς πρωτεασώματος

Οι αναστολείς πρωτεασώματος έχουν αντικαρκινική δράση στην κυτταρική ανάπτυξη, επάγοντας την απόπτωση μέσω της απορρύθμισης της κανονισμένης καταστροφής των pro-growth πρωτεϊνών του κυτταρικού κύκλου. Αυτή η προσέγγιση της επιλεκτικής παρακινούμενης απόπτωσης στα καρκινικά κύτταρα έχει αποδειχθεί αποτελεσματική σε πειραματόζωα αλλά και σε δοκιμές στον άνθρωπο. Το μόριο ριτοναβίρη (εμπορική ονομασία Norvir) αναπτύχθηκε ως αναστολέας πρωτεασών και χρησιμοποιείτο ενάντια στην επίδραση του HIV. Όμως έχει αποδειχθεί πως εμποδίζει τη δράση του πρωτεασώματος το ίδιο καλά με τις πρωτεάσες. Οι αναστολείς του πρωτεασώματος έχουν, επίσης, αφήσει υποσχέσεις στη θεραπεία αυτοάνοσων νοσημάτων σε πειραματόζωα. Μελέτες σε τρωκτικά αποδεικνύουν ότι οι αναστολείς επιφέρουν θετικά αποτελέσματα και στη θεραπεία τουάσθματος. Η σήμανση και η αναστολή του πρωτεασώματος παρουσιάζει ενδιαφέρον στις εργαστηριακές έρευνες τόσο σε in vitro όσο και σε in vivo μελέτη της πρωτεασωμικής δραστηριότητας σε κύτταρα. Οι πιο κοινοί αναστολείς που χρησιμοποιούνται εργαστηριακά είναι η λακτακυστίνη (ένα φυσικό προϊόν που συντίθεται ένα το βακτήριο) και το πεπτίδιο MG132. Φθορίζοντες αναστολείς έχουν αναπτυχθεί ώστε να σημαίνουν τα ενεργά κέντρα του πρωτεασώματος.