Proteasom
Proteasom | ||
---|---|---|
Enzymklassifikation | ||
EC, Kategorie | 3.4.25.1, Peptidase | |
MEROPS | T1 | |
Reaktionsart | Proteolyse | |
Substrat | ubiquitin(yl)ierte Proteine |
Der Begriff Proteasom bezeichnet im Allgemeinen einen Proteinkomplex, der in Archaeen und einigen Bakterien vorkommt und bei Eukaryoten sowohl im Zellkern als auch im Zytoplasma vorliegt. Im Speziellen unterscheiden sich Proteasome in ihrer Zusammensetzung zwischen verschiedenen Taxa. In Säugetieren liegen Proteasome auch innerhalb eines Organismus in verschiedenen Formen vor, z. B. als freies 20S Proteasom oder in Kombination mit einem oder mehreren regulatorischen Partikeln (z. B. als 26S Proteasom). Proteasome spielen eine essenzielle Rolle für den kontrollierten Abbau von Proteinen in der Zelle und sind damit integraler Bestandteil der Proteinqualitätskontrolle in Zellen. Zum Abbau werden bestimmte Proteine entfaltet, in das Proteasom eingeschleust und dort von den katalytisch aktiven Untereinheiten des Proteasoms in kürzere Peptide geschnitten. Es handelt sich bei Proteasomen daher um multikatalytische Proteasen.
Struktur
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Das eukaryotische Proteasom besteht aus dem 20S Kern-Partikel, in dem die katalytischen Proteaseaktivitäten lokalisiert sind, und ggf. weiteren regulatorischen Proteinkomplexen, die an eines oder beide Enden des 20S Proteasoms gebunden sein können. Von besonderer Bedeutung ist der 19S Regulator (auch PA700), der eine zentrale Rolle beim Abbau ubiquitinierter Proteinsubstrate einnimmt. 20S Proteasome in Kombination mit einem oder zwei 19S Regulatoren werden als 26S Proteasom bezeichnet. Die weitere Unterscheidung zwischen 26S (20S + 1 x 19S) und 30S (20S + 2 x 19S) ist in der Literatur uneinheitlich. Neben dem 19S Regulator gibt es weitere Regulatoren wie z. B. den 11S Regulator (PA28
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![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/54/Proteaosome_1fnt_side.png/220px-Proteaosome_1fnt_side.png)
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/08/Proteaosome_1fnt_top.png/220px-Proteaosome_1fnt_top.png)
20S Proteasom (auch 20S Kern-Partikel)
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Das 20S Proteasom hat die Form eines Zylinders und wirkt als multikatalytische Protease. Es besteht aus vier Ringen, die ihrerseits aus jeweils 7 verschiedenen Untereinheiten zusammengesetzt sind. Die äußeren Ringe bestehen aus
19S Regulator
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die 19S Komplexe sitzen bei Eukaryoten ähnlich einer Haube (cap) auf einer Öffnung oder beiden Öffnungen des 20S Komplexes. Sie regulieren den Zugang von Substraten zum 20S Komplex, indem sie Substratproteine entfalten und die Größe der
Entdeckung des Proteasoms
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die Entdeckung des Proteasoms geht maßgeblich auf die Dekade der 1980er Jahre zurück. Es wurde ursprünglich unter mehreren verschiedenen Namen unabhängig voneinander beschrieben, darunter auch unter der Bezeichnung Multikatalytischer Protease Komplex,[9] und schließlich Ende der 1980er Jahre unter dem Begriff Proteasom, welcher die Rolle dieses Komplexes für den Abbau von Proteinen anzeigen sollte[10]. In den frühen 1990er Jahren wurden die ersten Gene (Psmb8/LMP7 und Psmb9/LMP2) der Untereinheiten des sogenannten Immunproteasoms entdeckt, deren Position im Gen-Cluster des Haupthistokompatibilitätskomplexes liegt. 1996 wurde die dritte Untereinheit (Psmb10/MECL-1) des Immunproteasoms entdeckt[11][12] und schließlich im Jahre 2007 eine weitere alternative Untereinheit (Psmb11/
Immunproteasom
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die katalytischen Untereinheiten
Thymoproteasom
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Neben dem konstitutiven Proteasom und dem Immunproteasom gibt es eine dritte Klasse des Proteasoms, die ausschließlich in den kortikalen Epithelzellen des Thymus vorkommt. Hierbei wird die Untereinheit
Zielproteine für den Abbau durch das Proteasom
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Ein zentraler Prozess für den regulierten Abbau von Proteinen ist die sogenannte Ubiquitinierung. Proteine, die abgebaut werden sollen, werden in einem mehrstufigen enzymatischen Prozess von Ubiquitin-Protein-Ligasen mit einer Polyubiquitin-Kette markiert, welche von den 19S Komplexen erkannt wird. Ubiquitin ist ein kleines Protein mit einer Molekülmasse von 8,5 kDa. Die Polyubiquitin-Kette wird vor dem Einschleusen des Substrats ins 20S Proteasom in ihre einzelnen Ubiquitin-Moleküle zerlegt, die dann wiederverwendet werden können. Neben Ubiquitin kann die Markierung zum unmittelbaren Abbau durch das Proteasom auch durch den Ubiquitin-ähnlichen Modifikator FAT10 erfolgen. Im Gegensatz zu Ubiquitin wird FAT10 dabei jedoch mit dem Substrat abgebaut[20]. Bei Vorliegen von zellulärem Stress (z. B. Hitzeschock oder oxidativem Stress) werden vermehrt Proteine geschädigt, die reguliert abgebaut werden müssen. Oxidativ geschädigte Proteine und Proteine mit einer intrinsisch geringen Faltungsstabilität können teilweise auch von freien 20S Proteasomen direkt abgebaut werden[21].
Bedeutung des Proteasoms für die Zelle
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Der kontrollierte Proteinabbau ist für die Zelle lebensnotwendig. So werden metabolische Enzyme, Transkriptionsfaktoren oder auch den Zellzyklus regulierende Proteine wie Cycline und CDK-Inhibitoren degradiert. Ebenso werden fehlerhafte Proteine abgebaut. Proteine werden in Abhängigkeit von ihrer Halbwertzeit reguliert abgebaut und bei Bedarf neu gebildet. Einige der vom Proteasom gebildeten Peptide werden ins Endoplasmatische Retikulum eingeschleust und anschließend an den Haupthistokompatibilitätskomplex I gebunden auf der Oberfläche der Zelle dem Immunsystem präsentiert (vgl. auch Abschnitt Immunproteasom). Ein Großteil der gebildeten Peptide wird jedoch im Zytosol durch weitere Peptidasen rasch in einzelne Aminosäuren zerlegt. Die Aminosäuren stehen dann für die Synthese neuer Proteine zur Verfügung. Im Gegensatz zu Kohlenhydraten und Fetten können Aminosäuren nicht in gesonderten Speicherpolymeren gespeichert werden. Aminosäuren müssen daher bei erhöhtem Proteinsynthese-Bedarf metabolisch gebildet werden, aus der Zellumgebung aufgenommen werden oder durch regulierten Abbau anderer zellulärer Proteine gewonnen werden. Daher sind Proteinsynthese und Proteinabbau durch intrazelluläre Signalprozesse eng miteinander verknüpft.[22] Eine nicht-ausreichende Fähigkeit von Zellen, beschädigte Proteine abzubauen, wurde in Verbindung mit neurodegenerativen Erkrankungen gebracht, in denen nicht abgebaute Proteinaggregate innerhalb und außerhalb von Zellen Schäden im zentralen und/oder peripheren Nervensystem verursachen. Ein Beispiel ist die Erkrankung Amyotrophe Lateralsklerose (ALS), die in Zusammenhang mit genetischen Veränderungen steht, welche u. a. eine Aggregation von Proteinen in Nervenzellen verursachen können. Durch Kryo-Elektronenmikroskopie wurden Hinweise gefunden, dass die resultierenden Proteinaggregate im Fall der C9orf72-Mutation (einer genetischen Variante, die mit ALS im Zusammenhang steht) eine Blockade des 26S Proteasoms verursachen, wodurch die normale Proteinqualitätskontrolle gestört wird.[23]
Proteasominhibitoren
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Proteasominhibitoren sind chemische Substanzen, die die katalytische Aktivität des 20S Proteasoms oder das 26S Proteasom über den 19S Regulator hemmen[24]. Zu den schon früh entwickelten Proteasominhibitoren gehörten Peptidaldehyde wie der Inhibitor MG-132, der noch heute zu den am häufigsten verwendeten Proteasominhibitoren für die Erforschung proteasomabhängiger Prozesse in Zellen verwendet wird[25][26][27]. Anhaltende Inhibition des Proteasoms ist für Zellen toxisch. Wird das Proteasom am Abbau von Proteinen gehindert, resultiert daraus u. a. ein Mangel an notwendigen Aminosäuren in der Zelle. Dies ist einer der Mechanismen, durch den die Zellen in den Zelltod eintreten[28]. Proteasominhibitoren können zudem bestimmte Signalwege wie z. B. den NF-
Proteasominhibitoren in der klinischen Anwendung und präklinischen Entwicklung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Proteasominhibitoren finden in der klinischen Behandlung von Multiplem Myelom und Mantelzelllymphom Anwendung. Der erste, im Jahr 2003 klinisch zugelassene Proteasominhibitor war Bortezomib (Handelsname Velcade) und die Behandlungsoptionen wurden in jüngerer Zeit durch Proteasominhibitoren der zweiten Generation wie Carfilzomib und Ixazomib ergänzt. Aufgrund der Nebenwirkungen von Breitspektrum-Proteasominhibitoren wie Bortezomib ist der klinische Einsatz von Proteasominhibitoren zurzeit auf maligne Erkrankungen beschränkt. Zudem zeigen sich in der klinischen Anwendung Einschränkungen durch Resistenzentwicklung[31]. Zahlreiche weitere Proteasominhibitoren, deren Wirkung auf bestimmte Untereinheiten der verschiedenen Proteasome abzielt, werden derzeit präklinisch entwickelt und erforscht[32]. Dazu gehören auch selektive Immunproteasom-Inhibitoren wie die Wirkstoffe ONX 0914 oder KZR-616. Da diese Wirkstoffe gezielter die Untereinheiten des Immunproteasoms hemmen, besteht die Hoffnung, dass sie in Zukunft auch bei nicht-malignen Erkrankungen zum Einsatz kommen können wie z. B. bei Autoimmunerkrankungen[33][34] oder zur Behandlung von entzündlichen Erkrankungen wie der viralen Myokarditis[35].
Literatur
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Einzelnachweise
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