bélyegkép|jobbra|Az proteaszóma. Aktív helyei a hengerben (kék) vannak. A szabályzó részecskék (piros, itt 11S) szabályozzák a bemenetet a fehérjebontás helyére. bélyegkép|jobbra|Az 1fnt proteaszóma felülnézete. A proteaszómák szükségtelen vagy hibás fehérjéket peptidkötést bontó proteolízissel bontó fehérjekomplexek. Az e reakciókat segítő enzimek a proteázok.
A proteaszómák a sejtek fehérjekoncentráció-szabályzó és hibásfehérje-bontó mechanizmusát alkotják. A lebontásra jelölt fehérjékre ubikvitin kerül. E reakciót az ubikvitin-ligázok katalizálják. A fehérjére kerülő első ubikvitin jelzi a többi ligáznak, hogy további ubikvitineket helyezzen el a fehérjére. Így poliubikvitin-lánc jön létre, melyet megköt a proteaszóma, lehetővé téve a jelölt fehérje lebontását. Ez 7–8 aminosavas peptideket hoz létre, melyek tovább bonthatók rövidebb aminosav-sorozatokra, illetve felhasználhatók új fehérjék szintézisére.
A proteaszómák minden eukariótában és archeában, valamint néhány baktériumban megtalálhatók. Az eukariótákban a sejtmagban és a citoplazmában is találhatók proteaszómák.
A proteaszóma hengeres komplex 4 egymásra illesztett gyűrűből álló központi pórust tartalmazó maggal. Minden gyűrű 7 fehérjéből áll. A két belső gyűrű 7 β-alegységből áll, 3–7 proteáz aktív helyével. Ezek a gyűrűk belső felszínén találhatók, így a célfehérjének előbb a központi pórusba kell kerülnie lebontás előtt. A két külső gyűrű 7 α-alegységből áll, melyek kaput képeznek, melyen keresztül a hengerbe kerülnek a fehérjék. Ezen alegységeket a szabályzó elemekhez való kötés irányítja, melyek a poliubikvitin-jelet ismerik fel a fehérjeszubsztrátokban, és elindítják a bontást. Az ubikvitináció és proteaszomális bontás rendszere az ubikvitin-proteaszóma rendszer.
A proteaszomális bomlás a sejtben sok folyamathoz szükséges, például a sejtciklushoz, a génexpresszió szabályzásához és az oxidatív stresszre adott válaszokhoz. Fontosságát 2004-ben kémiai Nobel-díjjal ismerték el, melyet Aaron Ciechanover, Avram Hersko és Irwin Rose kapott.
Felfedezés Az ubikvitin-proteaszóma rendszer felfedezése előtt a fehérjebontást főleg a membránnal határolt, savakkal és az exogén fehérjéket és az idős vagy sérült sejtszervecskéket lebontó és újrahasznosító proteázokkal rendelkező lizoszómáknak tulajdonították. Azonban Joseph Etlinger és Alfred L. Goldberg lizoszómák nélküli retikulocitákban történő ATP-dependens fehérjebontásról szóló 1977-es munkája egy másik sejten belüli bontási mechanizmus jelenlétét feltételezte. Erről 1978-ban kimutatták, hogy több különböző fehérjeláncból áll, mely újdonságnak számított az akkor ismert proteázok közt. A hisztonok módosításáról szóló későbbi munkákban kovalens hisztonmódosításról számoltak be a hiszton lizinje és az akkor nem ismert funkciójú ubikvitin glicinje közt. 2005-ben felfedezték, hogy egy korábban proteolízissel összefüggőnek tekintett fehérje, az ATP-dependens proteolízis-faktor 1 (APF-1) azonos az ubikvitinnel. E rendszer proteolitikus aktivitását többfehérjés komplexként azonosították, melyet eredetileg Sherwin Wilk és Marion Orlowski multikatalitikus proteinázkomplexnek nevezett. Később felfedezték az ATP-dependens proteolitikus komplexet, mely az ubikvitindependens fehérjebontásért felel, és elnevezték 26S proteaszómának.
Az ubikvitin-proteaszóma rendszer felfedezését lehetővé tevő munka nagy része az 1970-es évek végén és az 1980-as évek elején történt a Technionban Avram Hersko laboratóriumában, ahol Aaron Ciechanover hallgatóként dolgozott. Több éves munkássága Irwin Rose laboratóriumában a Fox Chase Rákközpontban fontos információkat nyújtott, azonban Rose később a felfedezésében játszott szerepét kisebbnek gondolta. Hármuk megosztva kapta a 2004-es kémiai Nobel-díjat a rendszer felfedezéséért.
Bár elektron-mikroszkópiai adatok a proteaszómák halmozott gyűrűs szerkezetét az 1980-as évek közepén igazolták, a proteaszómamag szerkezetét röntgenkrisztallográfiai úton csak 1994-ben határozták meg. 2018-ban a humán 26S proteaszóma holoenzim és a poliubikvitinált fehérjeszubsztrát rendszerének szerkezetét krioelektron-mikroszkópia révén határozták meg, felfedve a szubsztrát felismerésének, dezubikvitilációjának és bontásának módját.
Szerkezet és elrendezés bélyegkép|jobbra|A 20S proteaszóma szerkezete oldalnézetből. Az α-alegységek zölddel, a β-alegységek kékkel jelölve. A proteaszóma részeit gyakran Svedberg-szedimentációsegyütthatója (S) alapján nevezik. A leggyakoribb proteaszóma emlősökben a citoszol-26S proteaszóma, melynek molekulatömege mintegy 2000 kDa, egy 20S fehérje- és két 19S szabályzóegységgel. Magja üreges, a fehérjebontáshoz zárt helyet biztosít, a mag két végén lévő nyílások lehetővé teszik a fehérje bekerülését. A mag részei egy több ATPáz-aktív- és ubikvitinkötő hellyel rendelkező 19S szabályzóegységgel asszociálnak, ez teszi lehetővé a poliubikvitinált fehérjék felismerését és katalitikus magba kerülését. A szabályzóegység alternatív formája a 11S részecske, mely a 19S-hez hasonlóan asszociálhat a maggal, és idegen, például vírusfertőzéskor keletkező peptidek bontásában lehet fontos. 20S-mag A 20S-mag alegységeinek száma és diverzitása fajfüggő, többsejtű élőlényekben több különböző és specializált egység van, mint egysejtűekben, és több van eukariótákban, mint prokariótákban. Minden 20S-részecske 4 heptamer gyűrűből áll, melyek két alegységből állnak, az α-egységek szerkezetiek, a β-egységek elsősorban katalitikusak. Az α-egységek az β-egységekkel homológ pszeudoenzimek. A β-egységekkel szomszédosan N-terminálisan vannak összekötve. A két külső gyűrű 7 α-alegységet tartalmaz, melyek a szabályzórészecskék kapcsolódoménjei, az α-egységek N-terminusai () a szubsztrát szabályozatlan bekerülését akadályozó kaput alkotnak. A két belső gyűrű 7 β-alegységből áll, és N-terminusaikban proteázok aktív helyei vannak, melyek a proteolízist végzik. Három eltérő katalitikus aktivitást azonosítottak a tiszta komplexben: chimotripszin-, tripszinszerűt és peptidilglutamilpeptid-hidrolitikust. A proteaszóma mérete viszonylag állandó, körülbelül 150 × 115 Å. A belső kamra legfeljebb 53 Å széles, de a bejárat akár 13 Å is lehet, így a szubsztrátok szerkezeteinek feltehetően legalább részben fel kell bomlaniuk a bemenethez.
Az archeákban, például a Thermoplasma acidophilumban minden α- és minden β-alegység azonos egymással, míg az eukariótákéi, például az élesztőéi az egyes alegységekből 7 eltérő típust tartalmaz. Emlősökben a β1, a β2 és a β5 egységek katalitikusak, és bár mechanizmusuk azonos, szubsztrátspecificitásuk eltér – chimotripszin-, tripszinszerű és peptidilglutamilpeptid-hidrolitikus (PHGH). A β1i, β2i és β5i alternatív β-formákat expresszálhatják vérképző sejtek proinflammatiós sejtjelzésekre, például citokinekre, különösen a γ-interferonra válaszul. Az ezen alternatív egységekkel rendelkező proteaszóma az immunproteaszóma, melynek szubsztrátspecificitása eltér a normálistól. 2016-ban az α3 magrész nélküli alternatív proteaszómát azonosítottak humán sejtekben. Ezek az α4–α4 proteaszómák a hiányzó α3 egység helyén α4 egységet tartalmaznak. Ezek létét korábban igazolták élesztőben. Pontos működésük nagyrészt ismeretlen, de az ezeket tartalmazó sejtek jobban ellenállnak a mérgező fémeknek, például a kadmiumnak. 19S-szabályzórészecske A 19S részecske eukariótákban 19 különböző fehérjéből áll, és két részből áll, az egyik egy közvetlenül a 20S maghoz kötő 9 alegységes alap, a másik 10 alegységes fedő. 6 alapfehérje az AAA családba tartozó ATPázalegység, homológjuk, a proteaszómaaktiváló nukleotidáz (PAN) megtalálható archeákban. A 19S és 20S részecskék asszociációja az ATP 19S-ATPázokhoz kötését igényli, az ATP-hidrolízis a szerkezettel rendelkező ubikvitinált fehérjék bontásához szükséges. Csak a szubsztrátszerkezet felbontása igényel ATP-hidrolízisből energiát, a többi lépéshez (például komplexképzés, kapunyitás, transzlokáció, proteolízis) elegendő kizárólag az ATP-kötés. Az ATP kötése az ATPázokhoz önmagában a szerkezet nélküli fehérjék gyors lebontását segíti. Azonban míg az ATP-hidrolízis csak a szerkezetbontáshoz kell, nem ismert, hogy ezt az energiát felhasználja-e a proteaszóma e lépések bármelyikében.
bélyegkép|jobbra|A 26S proteaszóma ábrázolása
2012-ben két független kutatás a 26S proteaszóma szerkezetét egyrészecskés elektronmikroszkópiával határozta meg. 2016-ban három független kutatás először határozta meg a humán 26S proteaszóma közel atomi felbontású szerkezetét szubsztrát nélkül krioelektron-mikroszkópiával. 2018-ban egy kutatásban kiderítették a dezubikvitiláció, a transzlokáció-iniciáció és a processzív szerkezetbontás mechanizmusát 7 szubsztráttal rendelkező 26S proteaszóma szerkezete révén. A 19S-ben a 20S-sel szomszédosan vannak az AAA-ATPázok, melyek Rpt1/Rpt2/Rpt6/Rpt3/Rpt4/Rpt5 sorrendben heterohexamert alkotnak. Ez az Rpt1/Rpt2, Rpt6/Rpt3 és Rpt4/Rpt5 dimerek trimerje, mely N-terminális szerkezeteik mentén jön létre. Ezek a hexamer gyűrűből kiemelkednek. A legnagyobb szabályzó nem ATPázok az Rpn1 és Rpn2, melyek az Rpt1/2, illetve az Rpt6/3 fehérjékhez kötnek. Az ubikvitinreceptor Rpn13 az Rpn2-höz köt, lezárva ezt az alkomplexet. A fedő az AAA-ATPáz-hexamer egyik felét (Rpt6/3/4) fedi le, és közvetlenül érintkezik a 20S-sel az Rpn6 és kisebb mértékben az Rpn5 révén. Az Rpn9, Rpn5, Rpn6, Rpn7, Rpn3 és Rpn12 szerkezetileg egymáshoz és a COP9 szignaloszóma és az eukarióta iniciációs faktor 3 egységeihez kötnek, melyek az Rpn8/11 heterodimert körülzáró patkószerkezetben állnak össze. Az Rpn11, a dezubikvitináló enzim az AAA-ATPáz hexamer nyílásán van, lehetővé téve a szubsztrátokról az ubikvitin eltávolítását bekerülésük előtt. Az Rpn10 a fedő perifériáján, az Rpn8 és Rpn9 mellett van.
A 19S konformációs változásai A 19S szabályzórészecskét a 26S proteaszóma holoenzimjében szubsztrát nélkül 6 erősen eltérő konformációs állapotban azonosították. Az alacsony energiájú AAA-ATPáz-konfigurációban a domének lépcsőzetesen vagy alátétszerűen találhatók. ATP jelenlétében szubsztrát nélkül 3 alternatív, kevésbé gyakori konformáció jelenik meg, melyek elsősorban a fedél elhelyezkedésében térnek el az AAA-ATPáz-modulhoz viszonyítva. ATP-γS vagy szubsztrát jelenlétében sokkal több konfiguráció ismert az AAA-ATPáz jelentős szerkezeti változásaival. Egyes szubsztrátkötött változatok hasonlítanak a szubsztrátmentesekhez, de nem azonosak, különösen az AAA-ATPázban. A 26S létrejötte előtt megfigyelték a szabad 19S szabályzórészecskét 7 konformációs állapotban. Ezek kissé eltérnek, és jellemzőik is eltérnek. Így a 19S legalább 20 konformációs állapotot mutathat eltérő fiziológiai körülmények közt.
bélyegkép|300px|A 26S három különböző állapota. Ezek feltehetően a szubsztrát aktiválásáért, irreverzibilis szerkezetbontásáért és magba kerüléséért felel.
A 20S szabályzása a 19S által A 19S szabályzórész felel a 20S fehérjebontásának stimulálásáért. A 19S szabályzó ATPázainak elsődleges funkciója a 20S kapujának nyitása, mely akadályozza a szubsztrátok bekerülését. A proteaszóma-ATPáz kapunyitási mechanizmusát 2007-ben igazolták. A 20S-kapunyitás, így a szubsztrátbontás is, a proteaszóma-ATPázok C-terminusait igényli, melyek speciális HbYX motívumot tartalmaznak. Ezek a 20S tetején lévő üregekbe kötnek, és az ATPázt a 20S proteolitikus komplexbe rögzítik, összekötve a szubsztrátszerkezet-bontó szerkezetet a 20S bontószerkezetével. Maga e kötés a kulcshoz hasonlóan nyitja a 20S kapuját. Ennek pontos mechanizmusa a humán 26S proteaszómánál közel atomi felbontásban ismert, így feltehetően az Rpt1/2/3/5/6 ATPázalegység C-terminusainak a 20S felszínébe való kötése kell a teljes nyitáshoz.
További szabályzórészecskék