蛋白酶體的降解過程
需要被蛋白酶體降解的蛋白質(zhì)會(huì)先被連接上泛素作為標(biāo)記，即蛋白質(zhì)上的一個(gè)賴氨酸與泛素之間形成共價(jià)連接。這一過程是一個(gè)三酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)，即需要有由三個(gè)酶催化的一系列反應(yīng)的發(fā)生，整個(gè)過程被稱為泛素化信號(hào)通路。在第一步反應(yīng)中，泛素活化酶（又被稱為E1）水解ATP并將一個(gè)泛素分子腺苷酸化。接著，泛素被轉(zhuǎn)移到E1的活性中心的半胱氨酸殘基上，并伴隨著第二個(gè)泛素分子的腺苷酸化。 被腺苷酸化的泛素分子接著被轉(zhuǎn)移到第二個(gè)酶，泛素交聯(lián)酶（E2）的半胱氨酸殘基上。最后，高度保守的泛素連接酶（E3）家族中的一員（根據(jù)底物蛋白質(zhì)的不同而不同）識(shí)別特定的需要被泛素化的靶蛋白，并催化泛素分子從E2上轉(zhuǎn)移到靶蛋白上。靶蛋白在被蛋白酶體識(shí)別之前，必須被標(biāo)記上至少四個(gè)泛素單體分子（以多泛素鏈的形式）。 因此，是E3使得這一系統(tǒng)具有了底物特異性。 E1、E2和E3蛋白的數(shù)量依賴于生物體和細(xì)胞類型，人體中就存在大量不同的E3蛋白，這說明泛素-蛋白酶體系統(tǒng)可以作用于數(shù)量巨大的靶蛋白。
多泛素化后的蛋白質(zhì)是如何被蛋白酶體所識(shí)別的，還沒有完全弄清。泛素受體蛋白的N末端具有一個(gè)類泛素結(jié)構(gòu)域，以及一至多個(gè)泛素結(jié)合結(jié)構(gòu)域。類泛素結(jié)構(gòu)域可以被19S調(diào)節(jié)顆粒所識(shí)別，而泛素結(jié)合結(jié)構(gòu)域可以通過形成三螺旋束來結(jié)合泛素。這些受體蛋白可能能夠結(jié)合多泛素化的蛋白質(zhì)并將其攜帶到蛋白酶體，而關(guān)于這種結(jié)合的特異性和調(diào)控機(jī)制還不清楚。 但最近有研究者發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)顆粒上的亞基Rpn13可以發(fā)揮泛素受體的功能。
泛素蛋白自身由76個(gè)殘基所組成，以“泛素”為名是因?yàn)樗谏矬w中廣泛存在：具有高度保守的序列并且存在于所有已知的真核生物體中。真核生物中編碼泛素的基因以串聯(lián)重復(fù)（tandem repeat）的方式排列，這可能是因?yàn)榇罅哭D(zhuǎn)錄的需要，為細(xì)胞生產(chǎn)足夠多的泛素。有人提出泛素是目前發(fā)現(xiàn)的進(jìn)化速度最慢的蛋白質(zhì)。 泛素化信號(hào)通路。其中，“Ub”表示泛素。
泛素化后的蛋白質(zhì)（以下稱為底物蛋白）被19S調(diào)節(jié)顆粒所識(shí)別，這一過程是一個(gè)ATP依賴的結(jié)合過程。 然后，底物蛋白必須進(jìn)入20S核心顆粒的內(nèi)部孔道，以便與位于其中的水解活性位點(diǎn)接觸。由于20S顆粒的孔道相對(duì)狹窄，而且兩端由α環(huán)中亞基的N末端控制開關(guān)，所以底物蛋白在進(jìn)入核心顆粒之前必須至少部分去折疊。將去折疊的蛋白質(zhì)傳遞進(jìn)入核心顆粒的過程被稱為“移位”（translocation），而移位必須發(fā)生在去泛素化之后。 但目前對(duì)于底物蛋白的去泛素化和去折疊機(jī)制還不了解。 在整個(gè)降解反應(yīng)過程中，那一步是限速步取決于底物蛋白的類別；對(duì)于一些蛋白質(zhì)，去折疊過程是限速步，而對(duì)于另一些蛋白質(zhì)，可能是去泛素化為限速因子。 至于哪些底物蛋白在移位之前必須去折疊，還未有結(jié)論，而牢固的三級(jí)結(jié)構(gòu)和一些特殊的非局部相互作用，如二硫鍵，能夠抑制降解。
由α亞基所形成的“門”可以阻止長于四個(gè)殘基的多肽進(jìn)入20S顆粒的內(nèi)部。在識(shí)別步驟開始前結(jié)合上的ATP分子在移位發(fā)生前被水解，而對(duì)于水解產(chǎn)生的能量是用于蛋白質(zhì)去折疊 還是“門”的打開 還有爭議。26S蛋白酶體在存在無法水解的ATP類似物（即無法獲得水解產(chǎn)生的能量）的情況下，依然可以降解去折疊的蛋白質(zhì)，但卻無法降解折疊的蛋白質(zhì)；這一結(jié)果說明ATP水解所產(chǎn)生的能量至少部分被用于蛋白質(zhì)去折疊。 在19S帽子處于ATP結(jié)合狀態(tài)時(shí)，去折疊的底物蛋白可以由促進(jìn)擴(kuò)散作用，傳遞通過開啟的“門”。
球蛋白去折疊的機(jī)制是基本類似的，但在一定程度上也取決于蛋白質(zhì)的氨基酸序列。研究者發(fā)現(xiàn)含有較長的甘氨酸或丙氨酸序列可以抑制去折疊，從而降低蛋白酶體的降解效率；其結(jié)果是生成含有部分去折疊蛋白質(zhì)的混合物，這可能是由于ATP水解和去折疊步驟之間的脫節(jié)所導(dǎo)致的。 自然界中的一些蛋白質(zhì)也有這樣的甘氨酸-丙氨酸重復(fù)序列存在，如蠶絲中的絲心蛋白（fibroin）；值得一提的是，特定的人類皰疹病毒基因的表達(dá)產(chǎn)物也含有這樣的序列，通過抑制蛋白酶體的作用，阻止了抗原呈遞到主要組織相容性復(fù)合體上，從而有助于病毒的繁殖。
20S核心顆粒的一個(gè)剖面圖，顯示了活性位點(diǎn)的位置。其中，α亞基用綠色的球來表示，β亞基的蛋白骨架顯示為飄帶，并且不同的多肽鏈用不同的顏色表示。小的粉色球表示每個(gè)亞基的活性位點(diǎn)中蘇氨酸殘基的位置。淡藍(lán)色的化學(xué)結(jié)構(gòu)為結(jié)合在活性位點(diǎn)上的抑制劑硼替佐米（bortezomib）。 蛋白質(zhì)的降解由20S核心顆粒中的β亞基進(jìn)行，其機(jī)制被認(rèn)為是蘇氨酸依賴的親核攻擊。這一機(jī)制可能需要有一個(gè)結(jié)合的水分子參與活性的蘇氨酸上羥基的去質(zhì)子化。降解發(fā)生在核心顆粒中間的兩個(gè)β環(huán)內(nèi)的孔道里，一般不生成部分降解的產(chǎn)物，而是將底物蛋白完全降解為長度一定的肽段；肽段的長度一般為7-9個(gè)殘基，但根據(jù)生物體和底物蛋白的不同，長度范圍可以從4-25個(gè)殘基不等。決定分解產(chǎn)物中肽段長度的機(jī)制，目前還沒有完全弄清。 雖然具有催化活性的三個(gè)β亞基具有共同的降解機(jī)制，但它們對(duì)于底物的特異性卻略有不同，分別為類胰凝乳蛋白酶型、類胰蛋白酶型和肽谷氨?；乃庑汀＿@種對(duì)于底物特異性的差異是來自于靠近活性位點(diǎn)的局部殘基與底物之間的相互作用的不同。每一個(gè)具有催化活性的β亞基也都含有一個(gè)降解所必需的保守的賴氨酸。
雖然蛋白酶體通常生成非常短的降解片斷，但在一些情況下，這些降解產(chǎn)物自身是具有生物學(xué)活性的功能分子。特定的轉(zhuǎn)錄因子，包括哺乳動(dòng)物的NF-κB復(fù)合物中的一個(gè)組分，合成后是以無活性的前體分子存在，在經(jīng)過泛素化和蛋白酶降解后，才轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚苑肿?。這種降解需要蛋白酶體剪切蛋白質(zhì)的中間部分，而不是通常情況下的從蛋白質(zhì)的一端開始的剪切。有人提出，需要被剪切的中間部分為一個(gè)長的loop，位于蛋白表面，從而可以作為蛋白酶體的底物進(jìn)入其內(nèi)部孔道，而蛋白質(zhì)的其他部分依然在孔道外，并不會(huì)被降解。 在酵母蛋白中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象；這種選擇性降解被稱為“受調(diào)控的泛素-蛋白酶體依賴的剪切”（regulated ubiquitin/proteasome dependent processing）。 雖然大多數(shù)的蛋白酶體的底物必須在降解之前被泛素化，但仍然有一些例外的情況，尤其是在蛋白酶體參與蛋白質(zhì)的翻譯后處理過程中。一個(gè)主要的例子是蛋白酶體通過將p105蛋白剪切為p50蛋白來激活NF-κB。 一些由于存在無結(jié)構(gòu)區(qū)域（參見intrinsically unstructured proteins）而被推測具有不穩(wěn)定性的蛋白質(zhì)也可以通過非泛素依賴的途徑被降解。鳥氨酸脫羧酶是最著名的非泛素依賴途徑中蛋白酶體的底物。 對(duì)于關(guān)鍵的細(xì)胞周期調(diào)控因子，如p53蛋白的非泛素依賴的降解機(jī)制已經(jīng)有報(bào)道，雖然p53蛋白也可以通過泛素依賴的途徑被降解。 此外，在一定的細(xì)胞應(yīng)激條件下，結(jié)構(gòu)不正常、錯(cuò)誤折疊或者過度氧化的蛋白質(zhì)也都會(huì)進(jìn)入非泛素依賴的和非19S顆粒依賴的降解途徑。
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綜述
