프로테아좀에 의해 분해되어야 하는 단백질은 먼저 표지로서 유비퀴틴에 연결됩니다. 즉, 단백질의 라이신과 유비퀴틴이 결합 결합을 형성합니다. 이 과정은 세 가지 효소에 의해 촉매되는 일련의 반응이 필요한 세 가지 효소 연속 반응입니다. 전체 과정을 유비퀴틴화 신호 전달 경로라고 합니다. 반응의 첫 번째 단계에서 유비퀴틴 활성화 효소(E1이라고도 함)는 ATP를 가수분해하고 유비퀴틴 분자를 아데닐화합니다. 다음으로 유비퀴틴은 두 번째 유비퀴틴 분자의 아데닐화와 함께 E1의 활성 중심에 있는 시스테인 잔기로 옮겨집니다. 그런 다음 아데닐화된 유비퀴틴 분자는 두 번째 효소인 유비퀴틴 가교 효소(E2)의 시스테인 잔기로 옮겨집니다. 마지막으로, 고도로 보존된 유비퀴틴 리가제(E3) 계열(기질 단백질에 따라 다름)의 구성원은 유비퀴틴화되어야 하는 특정 표적 단백질을 인식하고 E2에서 표적으로의 유비퀴틴 분자의 전달을 촉매합니다. 표적 단백질은 프로테아좀에 의해 인식되기 전에 적어도 4개의 유비퀴틴 단량체 분자(폴리유비퀴틴 사슬 형태)로 표지되어야 합니다. 따라서 이 시스템에 기질 특이성을 부여하는 것은 E3입니다. E1, E2, E3 단백질의 양은 유기체와 세포 유형에 따라 다릅니다. 인체에는 다양한 E3 단백질이 있으며, 이는 유비퀴틴-프로테아좀 시스템이 수많은 표적 단백질에 작용할 수 있음을 보여줍니다.
폴리유비퀴틴화된 단백질이 프로테아좀에 의해 어떻게 인식되는지는 아직 완전히 이해되지 않았습니다. 유비퀴틴 수용체 단백질의 N 말단에는 유비퀴틴 유사 도메인과 하나 이상의 유비퀴틴 결합 도메인이 있습니다. 유비퀴틴 유사 도메인은 19S 조절 입자에 의해 인식될 수 있는 반면, 유비퀴틴 결합 도메인은 삼중나선 다발을 형성하여 유비퀴틴과 결합할 수 있습니다. 이들 수용체 단백질은 폴리유비퀴틴화된 단백질과 결합하여 이를 프로테아좀으로 운반할 수 있지만, 이 결합의 특이성과 조절 메커니즘은 불분명합니다. 그러나 최근 연구자들은 조절 입자의 하위 단위 Rpn13이 유비퀴틴 수용체로 기능할 수 있음을 발견했습니다.
유비퀴틴 단백질 자체는 76개의 잔기로 구성되어 있습니다. 이는 유기체에 널리 존재하기 때문에 "유비퀴틴"이라는 이름이 붙었습니다. 이는 고도로 보존된 서열을 가지며 살아있는 유기체에 존재합니다. 진핵생물에서 유비퀴틴을 암호화하는 유전자는 직렬 반복으로 배열되는데, 이는 아마도 세포에 충분한 유비퀴틴을 생산하기 위해 광범위한 전사가 필요하기 때문일 것입니다. 유비퀴틴은 지금까지 발견된 단백질 중 가장 느리게 진화하는 단백질인 것으로 제안되었습니다. 유비퀴틴화 신호 전달 경로. 그 중 'Ub'는 유비퀴틴을 뜻한다.
유비퀴틴화된 단백질(이하 기질단백질이라 함)은 19S 조절입자에 의해 인식되는 과정으로 ATP에 의존하는 결합과정이다. 기질 단백질은 그 안에 위치한 가수분해 활성 부위와 접촉하기 위해 20S 코어 입자의 내부 기공으로 들어가야 합니다. 20S 입자의 기공은 상대적으로 좁고 양쪽 끝은 α 고리에 있는 하위 단위의 N 말단에 의해 제어되고 전환되므로 코어 입자에 들어가기 전에 기질 단백질이 적어도 부분적으로 펼쳐져 있어야 합니다. 펼쳐진 단백질을 코어 입자로 전달하는 과정을 전위(translocation)라고 하며, 탈유비퀴틴화 후에 전위가 일어나야 합니다. 그러나 기질 단백질의 탈유비퀴틴화 및 풀림 메커니즘은 현재 이해되지 않습니다. 전체 분해 반응 과정에서 어느 단계가 속도 제한 단계인지는 기질 단백질의 유형에 따라 다릅니다. 일부 단백질의 경우 풀림 과정이 속도 제한 단계인 반면, 다른 단백질의 경우 탈유비퀴틴화가 속도 제한 요소일 수 있습니다. . 전위 전에 어떤 기질 단백질이 전개되어야 하는지는 아직 결정되지 않았지만 강력한 3차 구조와 이황화 결합과 같은 일부 특별한 비국소적 상호작용이 분해를 억제할 수 있습니다.
α 서브유닛에 의해 형성된 "게이트"는 4개 이상의 잔기보다 긴 폴리펩티드가 20S 입자 내부로 들어가는 것을 방지합니다. 인식 단계가 시작되기 전 결합된 ATP 분자는 전위가 일어나기 전에 가수분해되는데, 가수분해에 의해 생성된 에너지가 단백질 풀림 또는 "게이트" 열림에 사용되는지에 대해서는 논란이 있습니다. 26S 프로테아좀은 가수분해될 수 없는(즉, 가수분해에 의해 생성된 에너지를 얻을 수 없음) ATP 유사체의 존재 하에서 펼쳐진 단백질을 분해할 수 있지만, 접힌 단백질을 분해할 수는 없습니다. 이 결과는 사용된 ATP 가수분해에 의해 생성된 에너지를 보여줍니다. , 적어도 부분적으로는 단백질 전개에 대한 것입니다.
19S 캡이 ATP 결합 상태에 있을 때 펼쳐진 기질 단백질은 촉진 확산에 의해 열린 "게이트"를 통해 운반될 수 있습니다.
글로불린이 펼쳐지는 메커니즘은 기본적으로 유사하지만 단백질의 아미노산 서열에 따라 어느 정도 의존하기도 한다. 연구진은 더 긴 글리신 또는 알라닌 서열을 포함하면 전개가 억제되어 프로테아솜 분해 효율이 감소한다는 사실을 발견했습니다. 결과적으로 ATP 가수분해와 전개 단계 사이의 간격으로 인해 부분적으로 전개되지 않은 단백질이 포함되는 것으로 나타났습니다. 자연의 일부 단백질도 실크의 피브로인과 같은 글리신-알라닌 반복 서열을 가지고 있습니다. 특정 인간 헤르페스 바이러스 유전자의 발현 산물도 프로테아좀의 작용을 억제하여 항원 제시를 방지한다는 점을 언급할 가치가 있습니다. 주요 조직 적합성 복합체를 형성하여 바이러스 전파를 돕습니다.
활성 부위의 위치를 보여주는 20S 코어 입자의 단면. 그 중 α 서브유닛은 녹색 공으로 표시되고, β 서브유닛의 단백질 골격은 스트리머로 표시되며, 서로 다른 폴리펩타이드 사슬은 서로 다른 색상으로 표시된다. 작은 분홍색 공은 각 하위 단위의 활성 부위에 있는 트레오닌 잔기의 위치를 나타냅니다. 하늘색 화학 구조는 활성 부위에 결합된 억제제 보르테조밉입니다. 단백질 분해는 20S 코어 입자의 β 서브유닛에 의해 수행되며, 그 메커니즘은 트레오닌 의존적 친핵성 공격인 것으로 생각된다. 이 메커니즘은 반응성 트레오닌에서 수산기의 탈양성자화에 관여하는 결합된 물 분자의 존재를 요구할 수 있습니다. 분해는 코어 입자 중간에 있는 2개의 β-ring에 있는 기공에서 일어나며, 일반적으로 부분적인 분해산물은 생성되지 않으나, 기질 단백질은 특정 길이의 펩타이드 단편으로 완전히 분해된다. 일반적으로 염기는 7~9개이지만, 유기체와 기질 단백질에 따라 길이는 4~25개까지 다양합니다. 분해 산물에서 펩타이드의 길이를 결정하는 메커니즘은 아직 완전히 이해되지 않았습니다. 세 가지 촉매 활성 β 하위 단위는 동일한 분해 메커니즘을 가지지만 기질 특이성은 약간 다릅니다(키모트립신 유사, 트립신 유사 및 펩티드 글루타밀). 기질 특이성의 이러한 차이는 활성 부위에 가까운 국소 잔기와 기질 사이의 상호 작용의 차이로 인해 발생합니다. 각 촉매 활성 β 하위 단위에는 분해에 필요한 보존된 라이신도 포함되어 있습니다.
프로테아좀은 일반적으로 매우 짧은 분해 조각을 생성하지만 경우에 따라 이러한 분해 산물 자체가 생물학적 활성 기능 분자인 경우도 있습니다. 포유동물 NF-κB 복합체의 구성요소를 포함한 특정 전사 인자는 합성 후 비활성 전구체 분자로 존재하며 유비퀴틴화 및 프로테아제 분해 후에 활성 분자로 전환됩니다. 이러한 분해를 위해서는 단백질의 한쪽 끝에서 시작되는 일반적인 절단보다는 프로테아좀이 단백질의 중간 부분을 절단해야 합니다. 일부 사람들은 절단되어야 하는 중간 부분이 단백질 표면에 위치한 긴 고리이므로 프로테아좀의 기질 역할을 하고 내부 기공으로 들어갈 수 있는 반면 단백질의 다른 부분은 남아 있을 수 있다고 제안했습니다. 모공 밖에서 분해되지 않습니다. 유사한 현상이 효모 단백질에서도 발견되었습니다. 이러한 선택적 분해는 조절된 유비퀴틴/프로테아좀 의존성 처리로 알려져 있습니다. 대부분의 프로테아좀 기질은 분해되기 전에 유비퀴틴화되어야 하지만, 특히 프로테아좀이 단백질의 번역 후 처리에 관여하는 경우에는 여전히 몇 가지 예외가 있습니다. 대표적인 예는 p105 단백질을 p50 단백질로 절단하여 프로테아좀에 의한 NF-κB의 활성화입니다. 구조화되지 않은 영역(본질적으로 구조화되지 않은 단백질 참조)의 존재로 인해 불안정한 것으로 추정되는 일부 단백질은 유비퀴틴 독립적인 경로를 통해 분해될 수도 있습니다. 오르니틴 탈탄산효소는 유비퀴틴 독립적 경로에서 가장 잘 알려진 프로테아좀 기질입니다.
p53 단백질과 같은 주요 세포주기 조절 인자의 유비퀴틴 독립적 분해 메커니즘이 보고되었지만, p53 단백질은 유비퀴틴 의존 경로를 통해 분해될 수도 있습니다. 또한 특정 세포 스트레스 조건에서 비정상적인 구조, 잘못된 접힘 또는 과도한 산화를 가진 단백질은 유비퀴틴 독립적 및 19S 과립 독립적 분해 경로로 진입합니다.