Der Proteinabbau ist ein hochregulierter Prozess, der geschädigte, fehlgefaltete oder nicht mehr benötigte Proteine entfernt, die zelluläre Homöostase aufrechterhält und die Konzentrationen regulatorischer Proteine kontrolliert. Zwei Hauptsysteme bewerkstelligen den intrazellulären Proteinabbau: das Ubiquitin-Proteasom-System und der Autophagie-Lysosom-Weg.
Das Ubiquitin-Proteasom-System
Das Ubiquitin-Proteasom-System ist der primäre Weg für den selektiven Proteinabbau in eukaryotischen Zellen. Proteine werden durch kovalente Bindung von Ubiquitin, einem 76-Aminosäuren-Protein, über eine Isopeptidbindung zwischen dem C-terminalen Glycin von Ubiquitin und einem Lysinrest des Zielproteins für den Abbau markiert. Die Ubiquitinierung ist reversibel und deubiquitinierende Enzyme entfernen Ubiquitin von Substraten.
Ubiquitinierungskaskade
Die Ubiquitinierung erfordert drei nacheinander wirkende Enzyme. Das Ubiquitin-aktivierende Enzym verwendet ATP, um eine energiereiche Thioesterbindung zwischen seinem aktiven Zentrum Cystein und dem C-Terminus von Ubiquitin zu bilden. Das aktivierte Ubiquitin wird auf ein Ubiquitin-konjugierendes Enzym übertragen. Eine Ubiquitin-Ligase katalysiert dann die Übertragung von Ubiquitin vom E2 auf das Zielprotein und bildet eine Isopeptidbindung. Das menschliche Genom kodiert etwa 35 E2-Enzyme und über 600 E3-Ligasen, was eine enorme Substratspezifität ermöglicht.
Die prozessive Ubiquitinierung fügt zusätzliche Ubiquitinmoleküle an Lysin 48 des vorherigen Ubiquitins an und bildet eine Polyubiquitinkette. Ketten von mindestens vier über Lysin 48 verknüpften Ubiquitinen sind das kanonische Signal für den proteasomalen Abbau. Andere Verknüpfungstypen, wie Lysin-63-Ketten, signalisieren für nicht-proteolytische Funktionen einschließlich DNA-Reparatur und Zellsignalisierung.
Das Proteasom
Das 26S-Proteasom ist ein großer Proteasekomplex, der aus einem 20S-Kernpartikel besteht, das von einem oder zwei 19S-regulatorischen Partikeln gekappt wird. Der 20S-Kern ist eine barrelförmige Struktur aus vier gestapelten Ringen, wobei die äußeren Alpha-Ringe einen kanal mit Tor bilden und die inneren Beta-Ringe proteolytische aktive Zentren enthalten. Drei Arten katalytischer Untereinheiten haben chymotrypsinähnliche, trypsinähnliche und caspaseähnliche Aktivitäten und spalten nach hydrophoben, basischen bzw. sauren Resten.
Das 19S-regulatorische Partikel erkennt ubiquitinierte Proteine, entfernt die Ubiquitinkette durch deubiquitinierende Enzyme, entfaltet das Substrat und transloziert es durch den engen Kanal in den 20S-Kern. Die ATP-Hydrolyse durch die ATPase-Untereinheiten des regulatorischen Partikels treibt diese Prozesse an. Das Proteasom baut Proteine in Peptide von 7 bis 9 Aminosäuren ab, die dann weiter durch cytosolische Peptidasen abgebaut oder für die Antigenpräsentation verwendet werden.
Autophagie
Die Autophagie liefert cytoplasmatisches Material an das Lysosom zum Abbau. Bei der Makroautophagie verlängert sich eine Doppelmembranstruktur, das Phagophor, und umschließt einen Teil des Cytoplasmas, wodurch ein Autophagosom entsteht, das mit dem Lysosom fusioniert. Der Inhalt wird durch lysosomale Hydrolasen abgebaut und die resultierenden Aminosäuren und anderen Metabolite werden in das Cytosol freigesetzt.
Die Autophagie wird durch den mTOR-Signalweg reguliert, der die Autophagie bei Nährstoffüberschuss hemmt. Hunger, Wachstumsfaktorenentzug und zellulärer Stress aktivieren die Autophagie. Die Autophagie ist für die Qualitätskontrolle unerlässlich und entfernt beschädigte Organellen und Proteinaggregate. Defekte Autophagie trägt zu neurodegenerativen Erkrankungen, Krebs und Alterung bei.
Das Ubiquitin-Proteasom-System bei Krankheiten
Das UPS ist an vielen Krankheiten beteiligt. Bei Krebs sind E3-Ligasen wie MDM2, die p53 regulieren, oft dysreguliert, und Komponenten des SCF-Komplexes sind in bestimmten Malignomen mutiert. Proteasom-Inhibitoren wie Bortezomib sind wirksame Behandlungen für das multiple Myelom. Neurodegenerative Erkrankungen sind durch die Akkumulation ubiquitinierter Proteinaggregate gekennzeichnet, was auf eine Beeinträchtigung des UPS hindeutet. Das Angelman-Syndrom wird durch Funktionsverlust der E3-Ligase UBE3A verursacht.
Die N-End-Regel
Die N-End-Regel setzt die Halbwertszeit eines Proteins mit der Identität seines N-terminalen Rests in Beziehung. Bestimmte N-terminale Aminosäuren wie Arginin, Lysin und Leucin sind destabilisierend und führen durch Erkennung durch spezifische E3-Ligasen zu einem schnellen Proteinabbau. Der N-End-Regel-Weg ist wichtig für die Regulierung der Proteinqualitätskontrolle, der Häm-Sensorik und der Chromosomensegregation. N-terminale Reste können durch proteolytische Spaltung erzeugt werden, was einen Mechanismus für den regulierten Abbau spezifischer Proteine darstellt.
