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プロテアソーム (proteasome) はタンパク質 たんぱくしつ の分解 ぶんかい を行 おこな う巨大 きょだい な酵素 こうそ 複 ふく 合体 がったい である。プロテアソームは真 ま 核 かく 生物 せいぶつ の細胞 さいぼう において細胞 さいぼう 質 しつ および核 かく 内 うち のいずれにも分布 ぶんぷ している[1] 。ユビキチン により標識 ひょうしき されたタンパク質 たんぱくしつ をプロテアソームで分解 ぶんかい する系 けい はユビキチン-プロテアソームシステム と呼 よ ばれ、細胞 さいぼう 周期 しゅうき 制御 せいぎょ 、免疫 めんえき 応答 おうとう 、シグナル伝達 でんたつ といった細胞 さいぼう 中 ちゅう の様々 さまざま な働 はたら きに関 かか わる機構 きこう である。この「ユビキチンを介 かい したタンパク質 たんぱくしつ 分解 ぶんかい の発見 はっけん 」の功績 こうせき によりアーロン・チカノーバー 、アブラム・ハーシュコ 、アーウィン・ローズ の3人 にん が2004年 ねん ノーベル化学 かがく 賞 しょう を受賞 じゅしょう した。
プロテアソームは全 すべ ての真 ま 核 かく 生物 せいぶつ と古 こ 細菌 さいきん が有 ゆう しているが、古 こ 細菌 さいきん のものは真 ま 核 かく 生物 せいぶつ に比 くら べはるかに単純 たんじゅん である。本稿 ほんこう では主 おも に真 ま 核 かく 生物 せいぶつ のプロテアソームについて解説 かいせつ する。
両 りょう 端 はし に11S複 ふく 合体 がったい が結合 けつごう したプロテアソーム。
26Sプロテアソームは、プロテアーゼ 活性 かっせい を有 ゆう する筒 つつ 状 じょう の20Sプロテアソームにその蓋 ぶた (ふた)のような役割 やくわり を果 は たす19S複 ふく 合体 がったい が2つ結合 けつごう したもので、「ダンベル型 がた 」と呼 よ ばれることもある。それに対 たい して20Sプロテアソームの両 りょう 端 はし に11S複 ふく 合体 がったい がそれぞれ結合 けつごう したものは「フットボール型 がた 」と呼 よ ばれる。
20Sプロテアソーム (CP:core particle)
20Sプロテアソームはα あるふぁ 1~7の7分子 ぶんし から構成 こうせい されるα あるふぁ リングと、β べーた 1~7の7分子 ぶんし から構成 こうせい されるβ べーた リングが、αββαの順 じゅん に積 つ み重 かさ なった筒 つつ 状 じょう 構造 こうぞう をしている。空洞 くうどう になった部分 ぶぶん はタンパク質 たんぱくしつ 分解 ぶんかい の場 ば となっており、β べーた 1、β べーた 2、β べーた 5がそれぞれトリプシン 様 よう 、キモトリプシン 様 よう 、ペプチジルグルタミルペプチド加水 かすい 分解 ぶんかい (PGPH)活性 かっせい という異 こと なる触媒 しょくばい 活性 かっせい を発揮 はっき する[2] 。通常 つうじょう 20Sプロテアソーム単体 たんたい の状態 じょうたい ではα あるふぁ リングが閉 と じており、基質 きしつ が中 なか に入 はい ることはできない。20S proteasome分子 ぶんし 集合 しゅうごう には、PAC1, 2, 3, 4(Pba1, 2, 3, 4), Ump1の分子 ぶんし シャペロンにより、正 まさ しく形成 けいせい される。
19S複 ふく 合体 がったい (RP:regulatory particle, PA700)
筒 つつ 状 じょう の20Sプロテアソームの両 りょう 端 はし に結合 けつごう し、蓋 ぶた のような役割 やくわり を果 は たす。19S複 ふく 合体 がったい はさらにbase(基部 きぶ )とlid(蓋 ぶた 部 ぶ )に分 わ けられる。baseは Rpt1~6とRpn1~2の計 けい 8分子 ぶんし のタンパク質 たんぱくしつ から構成 こうせい され、20Sプロテアソームのα あるふぁ リング開口 かいこう 制御 せいぎょ 、標的 ひょうてき タンパク質 たんぱくしつ のアンフォールディングに関 かか わっている。lidはRpn3,5~9,11,12の計 けい 8分子 ぶんし のタンパク質 たんぱくしつ から構成 こうせい されており、脱 だつ ユビキチン化 か 反応 はんのう に関 かか わっている。また、baseとlidのつなぎ目 め にはRpn10サブユニットがあり、蝶番 ちょうつがい (ちょうつがい)的 てき な役割 やくわり 並 なら びに標的 ひょうてき タンパク質 たんぱくしつ の認識 にんしき ・捕捉 ほそく に関 かか わっている。
11S複 ふく 合体 がったい は上記 じょうき の19S複 ふく 合体 がったい と同様 どうよう に20Sプロテアソームの両 りょう 端 はし に結合 けつごう する能力 のうりょく を有 ゆう する8量 りょう 体 たい である。ATPase活性 かっせい を有 ゆう するサブユニットは含 ふく まず、短 みじか いペプチドの分解 ぶんかい に寄与 きよ する。
免疫 めんえき プロテアソーム[ 編集 へんしゅう ]
ウイルス感染 かんせん などによりIFNγ がんま が産 さん 生 む されると、これに応答 おうとう してβ べーた 1i、β べーた 2i、β べーた 5iの3種類 しゅるい のサブユニット が誘導 ゆうどう される。これらは20Sプロテアソームのβ べーた 1、β べーた 2、β べーた 5と入 い れ替 か わり、すなわちプロテアーゼ活性 かっせい 部位 ぶい がそっくり入 い れ替 か わり、免疫 めんえき プロテアソームと呼 よ ばれるプロテアソームを形成 けいせい する。
また、IFNγ がんま はPA28(proteasome activator) 複 ふく 合体 がったい を誘導 ゆうどう する。このPA28複 ふく 合体 がったい は19S複 ふく 合体 がったい と同様 どうよう に20Sプロテアソームと結合 けつごう する。分解 ぶんかい されたペプチド断片 だんぺん の排出 はいしゅつ を促進 そくしん することがその役割 やくわり と考 かんが えられており、19S複 ふく 合体 がったい -20S免疫 めんえき プロテアソーム-PA28複 ふく 合体 がったい の3つにより形成 けいせい されたプロテアソーム(ハイブリッドプロテアソーム)はMHCクラスI により抗原 こうげん 提示 ていじ される際 さい に都合 つごう の良 よ いペプチド断片 だんぺん を生 しょう じると考 かんが えられている。
タンパク質 たんぱくしつ 分解 ぶんかい メカニズム[ 編集 へんしゅう ]
ユビキチン-プロテアソームシステムの大 おお まかな流 なが れ [ 編集 へんしゅう ]
ユビキチンの基質 きしつ への結合 けつごう メカニズム。
標的 ひょうてき タンパク質 たんぱくしつ がユビキチンにより標識 ひょうしき される。詳 くわ しくはユビキチン を参照 さんしょう 。
標的 ひょうてき タンパク質 たんぱくしつ に結合 けつごう したユビキチン鎖 くさり が19S複 ふく 合体 がったい に結合 けつごう する。
標的 ひょうてき タンパク質 たんぱくしつ からユビキチン鎖 くさり を切 き り離 はな す。切 き り離 はな されたユビキチンは再 さい 利用 りよう される。
標的 ひょうてき タンパク質 たんぱくしつ の立体 りったい 構造 こうぞう を解 と き(アンフォールディング)、20Sプロテアソーム内 ない に送 おく り込 こ む。
β べーた リング内部 ないぶ のプロテアーゼ活性 かっせい により標的 ひょうてき タンパク質 たんぱくしつ は分解 ぶんかい される。
ユビキチン非 ひ 依存 いぞん 的 てき なタンパク質 たんぱくしつ 分解 ぶんかい [ 編集 へんしゅう ]
プロテアソームによるタンパク質 たんぱくしつ 分解 ぶんかい はほとんどの場合 ばあい ユビキチンによる標識 ひょうしき を必要 ひつよう とするが、必 かなら ずしもそうではない。例外 れいがい として最 もっと もよく知 し られている分子 ぶんし がオルニチンデカルボキシラーゼ (ODC)である[3] 。細胞 さいぼう 周期 しゅうき の制御 せいぎょ に関与 かんよ しているp53もユビキチン非 ひ 依存 いぞん 性 せい の分解 ぶんかい 経路 けいろ が存在 そんざい するが、この分子 ぶんし はユビキチン依存 いぞん 的 てき な分解 ぶんかい が行 おこな われる[4] 。
プロテアソームによる分解 ぶんかい の意義 いぎ [ 編集 へんしゅう ]
プロテアソームと同 おな じく細胞 さいぼう 内 ない 蛋白質 たんぱくしつ の分解 ぶんかい を司 つかさど るものとしてリソソーム が知 し られているが、リソソームは蛋白質 たんぱくしつ を分解 ぶんかい して他 た の新 あたら しい蛋白質 たんぱくしつ を合成 ごうせい するための材料 ざいりょう を供給 きょうきゅう することを目的 もくてき としているのに対 たい し、プロテアソームは目的 もくてき 蛋白質 たんぱくしつ を特異 とくい 的 てき に分解 ぶんかい し、細胞 さいぼう 内 ない から除去 じょきょ することを目的 もくてき としている。
プロテアソームを介 かい した細胞 さいぼう 周期 しゅうき ・シグナル伝達 でんたつ の制御 せいぎょ [ 編集 へんしゅう ]
プロテアソームは細胞 さいぼう 周期 しゅうき ・シグナル伝達 でんたつ の制御 せいぎょ においても重要 じゅうよう な役割 やくわり を果 は たしている。以下 いか にその具体 ぐたい 例 れい を示 しめ した。
Nuclear factor κ かっぱ B(NF-κ かっぱ B)経路 けいろ の活性 かっせい 化 か [ 編集 へんしゅう ]
転写 てんしゃ 因子 いんし NF-κ かっぱ B は炎症 えんしょう 関連 かんれん 遺伝子 いでんし の活性 かっせい 化 か に関与 かんよ するタンパク質 たんぱくしつ である。そのアミノ酸 あみのさん 配列 はいれつ 中 ちゅう には核 かく 内 ない 移行 いこう シグナル (nuclear localization signal;NLS)を有 ゆう しているが、通常 つうじょう はinhibitor of κ かっぱ B(Iκ かっぱ B)によりNLSがマスクされているため細胞 さいぼう 質 しつ に保持 ほじ されている。しかし、何 なん らかの刺激 しげき (炎症 えんしょう 性 せい 刺激 しげき 、酸化 さんか ストレス 等 ひとし )が細胞 さいぼう に入 はい ることによりIκ かっぱ Bのリン酸化 さんか が生 しょう じるとIκ かっぱ Bはユビキチン‐プロテアソーム系 けい を介 かい した分解 ぶんかい を受 う ける。IkBが外 はず れてフリーになったNF-κ かっぱ Bは核 かく 内 ない 移行 いこう した後 のち にDNAとの相互 そうご 作用 さよう により転写 てんしゃ 亢進 こうしん を行 おこな う。
細胞 さいぼう 周期 しゅうき におけるプロテアソームの関与 かんよ [ 編集 へんしゅう ]
細胞 さいぼう 周期 しゅうき の回転 かいてん にはサイクリン とサイクリン依存 いぞん 性 せい キナーゼ (CDK;cyclin dependent kinase)の複 ふく 合体 がったい が重要 じゅうよう な役割 やくわり を担 にな っている。細胞 さいぼう 周期 しゅうき の回転 かいてん はG1 →S →G2 →M期 き の順 じゅん に進行 しんこう し、例 たと えばG1→Sの進行 しんこう にはサイクリンE /CDK2 が寄与 きよ している。G1期 き にはサイクリンEの発現 はつげん が上昇 じょうしょう して細胞 さいぼう 周期 しゅうき の回転 かいてん を進 すす めるが、S期 き に入 はい るとサイクリンEはリン酸化 さんか を受 う けプロテアソームにより分解 ぶんかい を受 う けることが知 し られている。
また、上記 じょうき とは反対 はんたい にCDKのキナーゼ活性 かっせい を阻害 そがい して細胞 さいぼう 周期 しゅうき を負 まけ に制御 せいぎょ するCDKインヒビター(p21 、p27 など)も、プロテアソーム依存 いぞん 的 てき に分解 ぶんかい されることで発現 はつげん 量 りょう の制御 せいぎょ を受 う けるものが多 おお く、サイクリン-CDKと協調 きょうちょう して細胞 さいぼう 周期 しゅうき の秩序 ちつじょ だった進行 しんこう やチェックポイント機構 きこう の制御 せいぎょ に重要 じゅうよう な役割 やくわり を担 にな っている。
細胞 さいぼう 周期 しゅうき の回転 かいてん に関与 かんよ するユビキチンリガーゼ としてAPC/C (anaphase-promoting complex/cyclosome)とSCF(Skp1-cullin-F-box)が知 し られており、2大 だい ユビキチンリガーゼといわれる。M期 き の細胞 さいぼう 周期 しゅうき の回転 かいてん にAPC/Cが関与 かんよ しており、その他 た の時期 じき にSCFが関与 かんよ している。また、サイクリン/CDK2の抑制 よくせい に働 はたら くp53の分解 ぶんかい にMDM2 (murine double minute2)が関与 かんよ している。
HIF-1α あるふぁ の分解 ぶんかい [ 編集 へんしゅう ]
転写 てんしゃ 因子 いんし である低 てい 酸素 さんそ 誘導 ゆうどう 因子 いんし hypoxia inducible factor(HIF)-1α あるふぁ は低 てい 酸素 さんそ 状態 じょうたい において誘導 ゆうどう される蛋白質 たんぱくしつ である。HIF-1α あるふぁ は誘導 ゆうどう 型 がた 一酸化 いっさんか 窒素 ちっそ 合成 ごうせい 酵素 こうそ iNOS(inducible NO synthase)や血管 けっかん 内皮 ないひ 増殖 ぞうしょく 因子 いんし VEGF(vascular endothelial growth factor)等 とう の転写 てんしゃ 促進 そくしん に関与 かんよ し、癌 がん における血管 けっかん 新生 しんせい などに関与 かんよ しているが、正常 せいじょう 酸素 さんそ 状態 じょうたい ではHIF-1α あるふぁ はプロリン 残 ざん 基 もと が水酸化 すいさんか を受 う け、プロテアソームによる分解 ぶんかい へ導 みちび かれる。
古 こ 細菌 さいきん におけるプロテアソーム[ 編集 へんしゅう ]
現在 げんざい 調 しら べられている全 すべ ての古 こ 細菌 さいきん はプロテアソームを持 も つ。最初 さいしょ に構造 こうぞう が決定 けってい されたプロテアソームは、真 ま 核 かく 生物 せいぶつ のものではなく、古 こ 細菌 さいきん T. acidopilum のものであった。真 ま 核 かく 生物 せいぶつ と同様 どうよう 、タンパク質 たんぱくしつ 分解 ぶんかい を担 にな っている。ユビキチンシステムの遺伝子 いでんし も一部 いちぶ の古 こ 細菌 さいきん から見出 みいだ されているが、実態 じったい は不明 ふめい である。
大 おお まかな20Sプロテアソームの構造 こうぞう は真 ま 核 かく 生物 せいぶつ 型 がた とほぼ同一 どういつ である。ただしサブユニット構造 こうぞう ははるかに単純 たんじゅん で、α あるふぁ 分子 ぶんし ホモ7量 りょう 体 たい から構成 こうせい されるα あるふぁ リングとβ べーた 分子 ぶんし ホモ7量 りょう 体 たい から構成 こうせい されるβ べーた リングがα あるふぁ β べーた β べーた α あるふぁ の4層 そう に重 かさ なった構造 こうぞう をしている。また、26SプロテアソームはRpnを持 も たず、Rpt6分子 ぶんし よりなる蓋 ぶた 部 ぶ を備 そな えたTα あるふぁ β べーた β べーた α あるふぁ Tの様 よう な構造 こうぞう をとることが明 あき らかになっている。
なお、真正 しんしょう 細菌 さいきん ではアクチノマイセス目 め が古 こ 細菌 さいきん のものに似 に たプロテアソームを有 ゆう している。アクチノマイセス目 め は真正 しんせい 細菌 さいきん のタンパク質 たんぱくしつ 分解 ぶんかい システムも同時 どうじ に備 そな えており、なぜ真正 しんせい 細菌 さいきん の中 なか でアクチノマイセス目 め のみがプロテアソームを持 も っているのかは不明 ふめい である。ただし、結核 けっかく 菌 きん においては病原 びょうげん 性 せい に関与 かんよ することが示 しめ されている。
プロテアソーム阻害 そがい 薬 やく [ 編集 へんしゅう ]
ボルテゾミブの構造 こうぞう 。
26Sプロテアソームを阻害 そがい するボルテゾミブ が、血液 けつえき 癌 がん の一種 いっしゅ である多発 たはつ 性 せい 骨髄腫 こつづいしゅ に有効 ゆうこう であることが報告 ほうこく され、抗癌剤 こうがんざい として臨床 りんしょう 応用 おうよう されている[5] 。
^ Peters JM, Franke WW and Kleinschmidt JA.(1994)"Distinct 19S and 20S subcomplexes of the 26S proteasome and their distribution in the nucleus and the cytoplasm."J.Biol.Chem. 269 ,7709–18. PMID 8125997
^ Heinemeyer W, Fischer M, Krimmer T, Stachon U and Wolf DH.(1997)"The active sites of the eukaryotic 20 S proteasome and their involvement in subunit precursor processing."J.Biol.Chem. 272 ,25200–9. PMID 9312134
^ Zhang M and Coffino P.(2004)"Repeat sequence of Epstein-Barr virus-encoded nuclear antigen 1 protein interrupts proteasome substrate processing."J.Biol.Chem. 279 ,8635–41. PMID 14688254
^ Asher G and Shaul Y.(2005)"p53 proteasomal degradation: poly-ubiquitination is not the whole story."Cell Cycle. 4 ,1015–8. PMID 16082197
^ Fisher RI, Bernstein SH, Kahl BS, Djulbegovic B, Robertson MJ, de Vos S, Epner E, Krishnan A, Leonard JP, Lonial S, Stadtmauer EA, O'Connor OA, Shi H, Boral AL and Goy A.(2006)"Multicenter phase II study of bortezomib in patients with relapsed or refractory mantle cell lymphoma."J.Clin.Oncol. 24 ,4867–74. PMID 17001068