Proteasom

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Proteasom
Enzymklassifikation
EC, Kategorie 3.4.25.1Peptidase
MEROPS T1
Reaktionsart Proteolyse
Substrat ubiquitin(yl)ierte Proteine

Das Proteasom (auch: Macropain) ist ein Proteinkomplex von 1700 kDa, der im Cytoplasma und bei Eukaryoten auch im Zellkern Proteine zu Fragmenten abbaut und daher zu den Peptidasen (auch Proteasen) zählt. Das Proteasom ist ein Bestandteil der Proteinqualitätskontrolle.

Struktur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Cartoon-Darstellung der Struktur des Proteasoms. Die katalytische Untereinheit in Form eines Hohlzylinders ist in blau dargestellt, die beiden Deckel in rot.
Ansicht von oben.

Das 26S-Proteasom in Eukaryoten besteht aus einer zentralen 20S- und zwei 19S-Untereinheiten, die ihrerseits wieder aus mehreren Proteinen zusammengesetzt sind. Den Proteasomen von Prokaryoten fehlen die 19S-Untereinheiten. Die Größe des Proteasoms ist 17 nm × 11 nm.

20S-Untereinheit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die 20S-Untereinheit hat die Form eines hohlen Zylinders und wirkt als multikatalytische Protease. Sie besteht aus vier Ringen, die ihrerseits wiederum aus jeweils 7 Untereinheiten zusammengesetzt sind (α1 bis α7, bzw. β1 bis β7). Die beiden inneren Ringe bestehen aus β-Untereinheiten, die beiden äußeren aus α-Untereinheiten. Die äußeren Ringe sind für die Substraterkennung und den Substratzugang zuständig. Es können nur entfaltete Proteine in das Proteasom gelangen, da der Durchmesser für Tertiärstrukturen zu gering ist. An der Innenwand der β-Ringe ist die proteolytische Aktivität lokalisiert: Die Untereinheiten β1, β2 und β5 zeigen Proteaseaktivität, die übrigen nicht. Jede dieser drei Untereinheiten hat eine etwas andere proteolytische Aktivität: β1 spaltet die Peptidkette des entfalteten Proteins nach sauren Aminosäuren (Caspase-ähnliche Aktivität), β2 spaltet nach basischen Aminosäuren (Trypsin-ähnliche Aktivität) und β5 spaltet nach hydrophoben Aminosäuren (Chymotrypsin-ähnliche Aktivität).

19S-Untereinheit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die 19S-Komplexe sitzen bei Eukaryoten als Deckel (cap) auf den beiden Öffnungen des 20S-Komplexes. Sie regulieren den Zugang zum 20S-Komplex und erkennen und entfalten zum Abbau bestimmte Proteine. Die 19S-Untereinheiten sind aus Rpn- und Rpt-Proteinen aufgebaut. Rpn erkennt die für den Abbau markierten Proteine anhand von Ubiquitinmolekülen und bindet diese. Rpt dagegen hydrolysiert Adenosintriphosphat (ATP), so dass nötige Energie gewonnen wird. (nur entfaltete Proteine passen in den 20S-Komplex hinein).

Zielproteine[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Proteine, die abgebaut werden sollen, werden in einem mehrstufigen enzymatischen Prozess 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 beim Abbau in ihre einzelnen Ubiquitin-Moleküle zerlegt, die dann wiederverwendet werden können. Der Proteinabbau ist für die Zelle lebensnotwendig. So werden metabolische Enzyme, Transkriptionsfaktoren oder auch den Zellzyklus regulierende Proteine wie Cycline, CDK-Inhibitoren degradiert. Ebenso werden fehlerhafte Proteine abgebaut. Auch die Peptide, die an den Haupthistokompatibilitätskomplex I gebunden auf der Oberfläche der Zelle dem Immunsystem präsentiert werden, werden im Proteasom prozessiert (vgl. auch Abschnitt Immunproteasom).

Bedeutung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Diese Funktionen machen das Proteasom zu einem zentralen Schalter innerhalb der Zelle. Als dieser und insbesondere auch wegen seiner Funktionen im Zellzyklus wird das Proteasom als ein mögliches Ziel für die Therapie verschiedener Krankheiten, u. a. von Krebserkrankungen, angesehen. Proteasominhibitoren, d. h. chemische Substanzen, die die Aktivität des Proteasoms hemmen, sind zurzeit in der klinischen Untersuchung als Medikamente gegen bestimmte Tumoren und neurodegenerative Krankheiten, wie z. B. Chorea Huntington. Der erste zugelassene Proteasominhibitor, Bortezomib, ist wirksam gegen das Multiple Myelom, eine maligne Plasmazellerkrankung.

Immunproteasom[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die katalytischen Untereinheiten β1, β2 und β5 werden auch als konstitutive Untereinheiten bezeichnet und das komplette 20S Proteasom mit diesen Untereinheiten als konstitutives Proteasom. Diese nähere Spezifikation ist von Bedeutung für die besondere Rolle des Proteasoms im Rahmen einer Immunantwort. Im Verlauf einer solchen werden Zellen an Orten eindringender Pathogene (Viren, Bakterien, Parasiten) durch Zellen des Immunsystems dem Cytokin Interferon-γ ausgesetzt. Dadurch verändern die Zellen die Expression verschiedener Gene, wodurch die Immunantwort unterstützt wird. Anstelle der drei Proteasom-Untereinheiten β1, β2 und β5 werden dann die Untereinheiten Low molecular mass protein 7 (LMP7, auch β5i), Multicatalytic endopeptidase complex like 1 (MECL-1, auch β2i) und LMP2 (auch β1i) in den 20S Core Particle eingebaut. Das so zusammengesetzte Proteasom wird daher als "Immunproteasom" bezeichnet. Das Immunproteasom hat zahlreiche Funktionen für die Immunantwort, beispielsweise eine stärkere Präsentation von Antigenen über MHC-Klasse I im Vergleich zum konstitutiven Proteasom. In Zellen des Immunsystems (z. B. Lymphozyten) wird dauerhaft das Immunproteasom gebildet.

Thymoproteasom[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Neben dem konstituvien Proteasom und dem Immunproteasom gibt es eine dritte Klasse des Proteasoms, die ausschließlich in den kortikalen Epithelzellen des Thymus vorkommt. Hierbei wird die Untereinheit β5 durch die alternative Untereinheit β5t ("t" für thymoproteasome) ersetzt. Die kortikalen Epithelzellen des Thymus spielen eine wichtige Rolle beim Prozess der positiven Selektion während der Entwicklung der T-Lymphozyten.

Bedeutung der alternativen Proteasom-Untereinheiten für die T Zell Selektion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einen wichtigen Beitrag zur Entschlüsselung der Funktion des Thymoproteasoms für die Selektion von CD8-positiven T Zellen im Thymus leistete eine Arbeit der Gruppe von Kenneth Rock, die im Juni 2016 im Fachmagazin Nature Immunology veröffentlicht wurde. Durch genetische Deletion aller alternativen Untereinheiten (β5i, β2i, β1i und β5t) in Mäusen (bezeichnet als 4KO-Mäuse) wurden Belege dafür gefunden, dass die Peptide, welche den CD8+ T Zellen beim Prozess der positiven Selektion präsentiert werden, von den Peptiden, die während der negativen Selektion präsentiert werden, verschieden sind. Dieses sogenannte "Peptide Switching" Modell besagt, dass die kortikalen Epithelzellen durch Thymo- und Immunproteasom andere Peptide generieren als die medullären Epithelzellen und die dendritischen Zellen bei der negativen Selektion. 4KO Mäuse besitzen in allen Zellen ausschließlich konstitutives Proteasom. Während die Menge der positiv selektierten CD8 T Zellen in wildtypischen Mäusen (WT-Mäuse) und 4KO-Mäusen etwa gleich ist, zeigt sich, dass diese dennoch in ihrem selektierenden Peptidom unterschiedlich sein müssen. Im darauffolgenden Prozess der negativen Selektion werden in 4KO-Mäusen im Vergleich zu wildtypischen Mäusen mehr als 90 % der positiv selektierten CD8 T Zellen durch negative Selektion entfernt, da in diesen Mäusen das positiv selektierende Peptidom mit dem negativ selektierenden Peptidom größtenteils identisch ist. Ein weiterer Beleg für die Bedeutung der unterschiedlichen Peptidome zwischen positiver und negativer Selektion liefern Experimente mit Knochenmarkchimären. Wird das Knochenmark aus Mäusen mit transgenen T Zell Rezeptoren (OT-I oder P14; diese Mäuse tragen auf allen CD8+ T Zellen einen monoklonalen T Zell Rezeptor, der spezifisch ist für eine bestimmte Kombination aus MHC-I Molekül und Peptid) in bestrahlte 4KO-Mäuse transferiert, ist eine starke Reduktion der Anzahl positiv selektierter CD8 T Zellen im Vergleich zum Transfer in bestrahlte WT-Mäuse erkennbar. Dies lässt sich dadurch erklären, dass die transgenen T Zell Rezeptoren der OT-I und P14 T Zellen ursprünglich in Thymi positiv selektiert wurden, die alternative Proteasom-Untereinheiten enthielten. Diejenigen Peptide, die ursprünglich diese Zellen positiv selektierten, sind in 4KO-Mäusen wegen der fehlenden alternativen Untereinheiten nicht oder nur teilweise vorhanden. Daher ist in diesem Fall bereits der Prozess der positiven Selektion gestört. Zusammenfassend zeigt diese Studie, dass die verschiedenen Formen des Proteasoms für ein funktionsfähiges adaptives Immunsystem schon während der Selektion im Thymus eine essenzielle Rolle spielen.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]