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=== ユビキチンシステム=== | === ユビキチンシステム=== | ||
[[image:プロテオソーム1.jpg|thumb|350px|'''図1．ユビキチン・プロテアソームシステム'''<br>Ub：ユビキチン、E1: Ub活性化酵素、E2: Ub結合酵素、E3: Ubリガーゼ（連結酵素）、DUB: 脱ユビキチン酵素。基質を選別するE3酵素は、HECT型とRING型に大別される（最近では、HECT型とRING型のハイブリッド型E3としてRBR型E3ファミリーが提唱されている）。26Sプロテアソームは不要なユビキチン化タンパク質をエネルギー依存的に分解する巨大なタンパク質分解酵素複合体である<ref name= | [[image:プロテオソーム1.jpg|thumb|350px|'''図1．ユビキチン・プロテアソームシステム'''<br>Ub：ユビキチン、E1: Ub活性化酵素、E2: Ub結合酵素、E3: Ubリガーゼ（連結酵素）、DUB: 脱ユビキチン酵素。基質を選別するE3酵素は、HECT型とRING型に大別される（最近では、HECT型とRING型のハイブリッド型E3としてRBR型E3ファミリーが提唱されている）。26Sプロテアソームは不要なユビキチン化タンパク質をエネルギー依存的に分解する巨大なタンパク質分解酵素複合体である<ref name=ref1><pubmed>19165213</pubmed></ref>。UPSの作動機構においてATPの加水分解は、基質のユビキチン化（E1の作用）と26Sプロテアソームによる分解作用（基質のアンフォールディング）の二つのプロセスに必要である。]] | ||
1977年、米国ハーバード大学の[[wikipedia:Alfred Goldberg|Goldberg]]のグループは[[wj:網状赤血球|網状赤血球]]の抽出液がエネルギー依存性のタンパク質分解活性を示すことを見いだした<ref name= | 1977年、米国ハーバード大学の[[wikipedia:Alfred Goldberg|Goldberg]]のグループは[[wj:網状赤血球|網状赤血球]]の抽出液がエネルギー依存性のタンパク質分解活性を示すことを見いだした<ref name=ref2><pubmed>264694</pubmed></ref>。その後間もなく、イスラエルの[[wj:アブラム・ハーシュコ|Hershko]]と[[wj:アーロン・チカノーバー|Ciechanover]]は、米国のRoseと共に、熱安定性の小さなタンパク質である[[ユビキチン]]がその主役であることを見出した。 | ||
ユビキチンは76個のアミノ酸からなる小さなタンパク質であり、進化的保存性が高くそのアミノ酸配列は全ての真核生物でほとんど同じである。1980年頃までに彼らは、ユビキチンが[[ユビキチン活性化酵素|活性化酵素]]（E1：2種ヒト遺伝子にコード）・[[ユビキチン結合酵素|結合酵素]]（E2：約20種）・[[ユビキチンリガーゼ|リガーゼ]]（E3：約600種）から構成された複合酵素系（ユビキチンシステム）によって標的タンパク質に[[wj:共有結合|共有結合]]（ユビキチンのC末端の[[wj:カルボキシル基|カルボキシル基]]とタンパク質中の[[wj:リジン|リジン]]残基のε-アミノ基が縮合した[[wj:イソペプチド結合|イソペプチド結合]]）する[[wj:翻訳後修飾|翻訳後修飾]]分子であることを明らかにした（図1）<ref name= | ユビキチンは76個のアミノ酸からなる小さなタンパク質であり、進化的保存性が高くそのアミノ酸配列は全ての真核生物でほとんど同じである。1980年頃までに彼らは、ユビキチンが[[ユビキチン活性化酵素|活性化酵素]]（E1：2種ヒト遺伝子にコード）・[[ユビキチン結合酵素|結合酵素]]（E2：約20種）・[[ユビキチンリガーゼ|リガーゼ]]（E3：約600種）から構成された複合酵素系（ユビキチンシステム）によって標的タンパク質に[[wj:共有結合|共有結合]]（ユビキチンのC末端の[[wj:カルボキシル基|カルボキシル基]]とタンパク質中の[[wj:リジン|リジン]]残基のε-アミノ基が縮合した[[wj:イソペプチド結合|イソペプチド結合]]）する[[wj:翻訳後修飾|翻訳後修飾]]分子であることを明らかにした（図1）<ref name=ref3><pubmed>1323239</pubmed></ref> <ref name=ref4><pubmed>9759494</pubmed></ref>。このE1の作用には[[wj:ATP|ATP]]の[[wj:加水分解|加水分解]]が必要である。そしてタンパク質に結合したユビキチン内の（主として48番目の）リジン残基と新しいユビキチン分子内のC末端の[[wj:グリシン|グリシン]]の間でイソペプチド結合ができ、さらにユビキチン分子間での縮合反応を繰り返すことによって、多数のユビキチン分子が鎖状に伸長した[[ポリユビキチン鎖]]が形成される。 | ||
Hershkoら及びVarshavskyらは生じたポリユビキチン鎖が基質タンパク質を分解装置に輸送するためのシグナル（目印）として機能するという“ユビキチンシグナル”仮説を提唱した<ref name= | Hershkoら及びVarshavskyらは生じたポリユビキチン鎖が基質タンパク質を分解装置に輸送するためのシグナル（目印）として機能するという“ユビキチンシグナル”仮説を提唱した<ref name=ref3 /> <ref name=ref4 /> <ref name=ref5><pubmed>11017125</pubmed></ref>。この仮説は、ポリユビキチン鎖の形成が（オーバーオールの反応としては）分解シグナルの提示反応であるが、実際に起きている化学反応は（イソ）ペプチド結合の形成（タンパク質合成と類似の反応）であり、エネルギー要求性を興味深いことに細胞内には、ユビキチン化の逆反応を触媒する脱ユビキチン酵素（deubiquitylating enzyme：DUB）あるいはUSP（ubiquitin specific protease）が存在し、それらは生物種を問わず大きな遺伝子ファミリー（約80種）を形成している。多数のDUBが存在することは、ユビキチン化による翻訳後修飾が可逆的かつ多面的であることを示唆している。2004年、ユビキチンシステムの発見者たち3名は、[[wj:ノーベル化学賞|ノーベル化学賞]]を受賞した。 | ||
ユビキチンは二つの異なったタイプの遺伝子にコードされている。一つは、ユビキチンとリボソーム蛋白質の融合遺伝子であり、もう一つは数個〜10数個のユビキチンがタンデムに連なったポリユビキチン遺伝子である。これらの融合蛋白質からユビキチンを切り出す際にも、上述のDUBが使用される。ポリユビキチン遺伝子は、1回の転写・翻訳で多数のユビキチンを合成することができる点で秀逸であり、かつ熱ショック応答遺伝子でもあることから、細胞は環境ストレスに曝されたとき、必要とするユビキチンを迅速に大量生成することができるよう合理的に設計されている。このことは、細胞内のユビキチンレベルが外環境の変化に応答して厳格に制御されていることを示唆している。実際、ユビキチンの量は、多くても少なくても細胞は異常になり、常に適切に保たれる必要がある。 | ユビキチンは二つの異なったタイプの遺伝子にコードされている。一つは、ユビキチンとリボソーム蛋白質の融合遺伝子であり、もう一つは数個〜10数個のユビキチンがタンデムに連なったポリユビキチン遺伝子である。これらの融合蛋白質からユビキチンを切り出す際にも、上述のDUBが使用される。ポリユビキチン遺伝子は、1回の転写・翻訳で多数のユビキチンを合成することができる点で秀逸であり、かつ熱ショック応答遺伝子でもあることから、細胞は環境ストレスに曝されたとき、必要とするユビキチンを迅速に大量生成することができるよう合理的に設計されている。このことは、細胞内のユビキチンレベルが外環境の変化に応答して厳格に制御されていることを示唆している。実際、ユビキチンの量は、多くても少なくても細胞は異常になり、常に適切に保たれる必要がある。 | ||
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詳細は本文参照。プロテアソームは、N-terminal threonine protease（Endopeptidase）というユニークな酵素である。]] | 詳細は本文参照。プロテアソームは、N-terminal threonine protease（Endopeptidase）というユニークな酵素である。]] | ||
[[image:プロテオソーム4.jpg|thumb|350px|'''図4．26Sプロテアソームの作動機構モデル'''<ref name= | [[image:プロテオソーム4.jpg|thumb|350px|'''図4．26Sプロテアソームの作動機構モデル'''<ref name=ref7><pubmed>22215586</pubmed></ref> <ref name=ref8><pubmed>22237024</pubmed></ref><br>Ub：ユビキチン、Rpn10、Rpn13：ユビキチンリセプター、Rpn11、USP14/（酵母のUbp6）、Uch37：脱ユビキチン酵素]] | ||
触媒粒子（core particle, CP、20Sプロテアソーム）の両端に調節粒子（regulatory particle, 19S RP)が会合した分子量250万、総サブユニット数66個から構成されたATP依存性プロテアーゼ多成分複合体を26Sプロテアソームという（図2下パネル）<ref name= | 触媒粒子（core particle, CP、20Sプロテアソーム）の両端に調節粒子（regulatory particle, 19S RP)が会合した分子量250万、総サブユニット数66個から構成されたATP依存性プロテアーゼ多成分複合体を26Sプロテアソームという（図2下パネル）<ref name=ref10><pubmed>8811196</pubmed></ref> <ref name=ref11><pubmed>9476896</pubmed></ref> <ref name=ref12><pubmed>19145068</pubmed></ref>。原子レベルでの構造は不明であり、現在、[[wj:極低温電子顕微鏡|極低温電子顕微鏡]]（cryo-electron microscopy; Cryo-EM）による[[wj:単粒子解析|単粒子解析]]と個々の構成サブユニットの結晶構造を組み合わせた解析が進行中である<ref name=ref8 /> <ref name=ref13><pubmed>24463465</pubmed></ref>（図2上パネル）。 | ||
また19S RP（別称：PA700）以外の活性化因子（PA28, PA200等）の存在や、20Sプロテアソームが活性化因子の介在なしに天然変成タンパク質や酸化修飾タンパク質を直接分解することも報告されている<ref name= | また19S RP（別称：PA700）以外の活性化因子（PA28, PA200等）の存在や、20Sプロテアソームが活性化因子の介在なしに天然変成タンパク質や酸化修飾タンパク質を直接分解することも報告されている<ref name=ref12 /> <ref name=ref14><pubmed>18636510</pubmed></ref> <ref name=ref15><pubmed>20498273</pubmed></ref>。 | ||
===触媒粒子=== | ===触媒粒子=== | ||
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===調節粒子=== | ===調節粒子=== | ||
調節粒子（別称：PA700）はlid（蓋部）とbase（基底部）から構成されており，lid複合体とbase複合体は、各々10個と9個のサブユニットから構成されている。二つのユビキチンリセプターRpn10とRpn13は分子表面の離れた位置に存在してユビキチン化タンパク質を捕捉している<ref name= | 調節粒子（別称：PA700）はlid（蓋部）とbase（基底部）から構成されており，lid複合体とbase複合体は、各々10個と9個のサブユニットから構成されている。二つのユビキチンリセプターRpn10とRpn13は分子表面の離れた位置に存在してユビキチン化タンパク質を捕捉している<ref name=ref7 />。調節粒子にはポリユビキチン鎖を根本から切断して解離するRpn11と、それ以外に末端からユビキチンを1個ずつ解離させる酵素USP14（[[wj:酵母|酵母]]のUbp6）とUch37（酵母には存在しない）の3つの脱ユビキチン酵素が存在する。 | ||
Cryo-EMよる解析からlidサブユニット群の位置情報が明らかにされている<ref name= | Cryo-EMよる解析からlidサブユニット群の位置情報が明らかにされている<ref name=ref8 />。またbaseは6種のAAA型[[wj:ATPase|ATPase]]サブユニット（Rpt1〜Rpt6）を含んでおり、この冠（Crown）型構造のATPaseリングは，触媒粒子のαリングと結合してその中央部のゲートを開き，基質タンパク質の通過を可能にさせる機能を有している他、ATPの加水分解エネルギーを利用してタンパク質の3次元構造を破壊（アンフォールディング）し，変性した基質がαリングを通ってβリングの内部に到達できるようにするアンチシャペロン作用を持っている<ref name=ref16><pubmed>19489727</pubmed></ref> <ref name=ref17><pubmed>17889660</pubmed></ref> <ref name=ref18><pubmed>21335235</pubmed></ref>（図4）。 | ||
===PA28=== | ===PA28=== | ||
RP/PA700以外の活性化因子としてPA28α、β、γが知られている<ref name= | RP/PA700以外の活性化因子としてPA28α、β、γが知られている<ref name=ref19><pubmed>10600633</pubmed></ref><ref name=ref20><pubmed>21211719</pubmed></ref>。 | ||
PA28α/βからなるヘテロ7量体は細胞質局在に局在し、インターフェロンγ | PA28α/βからなるヘテロ7量体は細胞質局在に局在し、インターフェロンγによって強く誘導され、内在性抗原のプロセッシングに関与している<ref name=ref12 />。 | ||
ホモ7量体を形成しているPA28γ | ホモ7量体を形成しているPA28γは核に局在し、その欠損マウスは成長が遅延する<ref name=ref12 />。 | ||
また20Sプロテアソームの両端にPA700とPA28の両調節ユニットを併せ持った“ハイブリッドプロテアソーム”も存在する<ref name= | また20Sプロテアソームの両端にPA700とPA28の両調節ユニットを併せ持った“ハイブリッドプロテアソーム”も存在する<ref name=ref21><pubmed>10799514</pubmed></ref>。 | ||
===PA200=== | ===PA200=== | ||
PA200（酵母のBlm10）も活性化因子として知られ、酵母から[[wj:ヒト|ヒト]]まで普遍的に存在するが、その役割は諸説あって確定していない<ref name= | PA200（酵母のBlm10）も活性化因子として知られ、酵母から[[wj:ヒト|ヒト]]まで普遍的に存在するが、その役割は諸説あって確定していない<ref name=ref22><pubmed>21389348</pubmed></ref>。 | ||
==プロテアソーム複合体形成に関与するシャペロン分子== | ==プロテアソーム複合体形成に関与するシャペロン分子== | ||
[[image:プロテオソーム5.jpg|thumb|350px|'''図5．26Sプロテアソームの分子集合機構経路'''<ref name= | [[image:プロテオソーム5.jpg|thumb|350px|'''図5．26Sプロテアソームの分子集合機構経路'''<ref name=ref1 /> <ref name=ref9><pubmed>22350895</pubmed></ref><br>詳細は本文参照。]] | ||
プロテアソームの分子集合には専門的な多数のシャペロン分子が関与している（図5）<ref name= | プロテアソームの分子集合には専門的な多数のシャペロン分子が関与している（図5）<ref name=ref1 /> <ref name=ref9 /> <ref name=ref23><pubmed>23495936</pubmed></ref>。 | ||
===Proteasome Assembling Chaperone=== | ===Proteasome Assembling Chaperone=== | ||
20Sプロテアソームの形成に特化した分子シャペロンProteasome Assembling Chaperone (PAC)1-4は、7種のαサブユニットと階層性をもって結合し、αリングの形成を促進する。PAC1/PAC2ヘテロ二量体はαリング同士の凝集体の形成を阻止する働きを示し、PAC3/PAC4ヘテロ二量体はαリング上へのαサブユニットの段階的な会合を促進して、迅速に正確なαリングを形成させる。βサブユニット群は、逐次的にαリング上に会合してβリングを形成する。この段階的な会合にはβ2やβ5のプロペプチド及びβ2のC末端伸長領域などが“分子内シャペロン”として作用する<ref name= | 20Sプロテアソームの形成に特化した分子シャペロンProteasome Assembling Chaperone (PAC)1-4は、7種のαサブユニットと階層性をもって結合し、αリングの形成を促進する。PAC1/PAC2ヘテロ二量体はαリング同士の凝集体の形成を阻止する働きを示し、PAC3/PAC4ヘテロ二量体はαリング上へのαサブユニットの段階的な会合を促進して、迅速に正確なαリングを形成させる。βサブユニット群は、逐次的にαリング上に会合してβリングを形成する。この段階的な会合にはβ2やβ5のプロペプチド及びβ2のC末端伸長領域などが“分子内シャペロン”として作用する<ref name=ref1 />。 | ||
===Ump1/POMP/Proteassemblin=== | ===Ump1/POMP/Proteassemblin=== | ||
βサブユニットの会合やハーフ・プロテアソームの重合プロセスに関与している<ref name= | βサブユニットの会合やハーフ・プロテアソームの重合プロセスに関与している<ref name=ref1 /> <ref name=ref24><pubmed>18786393</pubmed></ref>。 | ||
===RP assembling chaperones RAC=== | ===RP assembling chaperones RAC=== | ||
19S RPのbaseを構成するATPase リングの分子集合に関与するシャペロン分子で 1-4のサブタイプがある。これらは、それぞれ当初プロテアソームと一時的に結合するタンパク質（proteasome-interacting proteins、 PIPs：数十個存在）として同定されていた分子群、即ちNas2/p27、Nas6/gankyrin (p28)、Rpn14/PAAF1、Hsm3/S5b（出芽酵母／ヒト）であった<ref name= | 19S RPのbaseを構成するATPase リングの分子集合に関与するシャペロン分子で 1-4のサブタイプがある。これらは、それぞれ当初プロテアソームと一時的に結合するタンパク質（proteasome-interacting proteins、 PIPs：数十個存在）として同定されていた分子群、即ちNas2/p27、Nas6/gankyrin (p28)、Rpn14/PAAF1、Hsm3/S5b（出芽酵母／ヒト）であった<ref name=ref9 />が最近、RP assembling chaperones RAC 1-4と呼ばれている<ref name=ref23 />。 | ||
===UBP6/USP14=== | ===UBP6/USP14=== | ||
ユビキチン鎖のbase中間体への偶発的な結合を阻止し、base複合体の形成を促進する<ref name= | ユビキチン鎖のbase中間体への偶発的な結合を阻止し、base複合体の形成を促進する<ref name=ref25><pubmed>21658604</pubmed></ref>。 | ||
== 生理機能== | == 生理機能== | ||
[[image:プロテオソーム6.jpg|thumb|350px|''' | [[image:プロテオソーム6.jpg|thumb|350px|'''図6．プロテアソームの多様性：二つの免疫型酵素のモデル'''<br>詳細は本文参照。]] | ||
ユビキチン-プロテアソーム系をコードする遺伝子の数は、ゲノム総遺伝子数の3〜5 %を占めると推定されており、[[細胞周期]]・[[wj:DNA修復|DNA修復]]・アポトーシス・シグナル伝達・シナプス可塑性・[[転写]]制御・[[代謝]]調節・[[免疫応答]]・タンパク質の品質管理・[[ストレス応答]]・[[wj:感染|感染]]応答など、迅速に、順序よく、一過的にかつ一方向に決定する手段としての役割を担っている<ref name= | ユビキチン-プロテアソーム系をコードする遺伝子の数は、ゲノム総遺伝子数の3〜5 %を占めると推定されており、[[細胞周期]]・[[wj:DNA修復|DNA修復]]・アポトーシス・シグナル伝達・シナプス可塑性・[[転写]]制御・[[代謝]]調節・[[免疫応答]]・タンパク質の品質管理・[[ストレス応答]]・[[wj:感染|感染]]応答など、迅速に、順序よく、一過的にかつ一方向に決定する手段としての役割を担っている<ref name=ref26><pubmed>21860393</pubmed></ref>。これらの生理作用は、細胞内における標的タンパク質の量の厳密な制御を反映しており、とくにユビキチンシステムの多様性に負うところが大きい。一方、プロテアソームは分解系としての役割以外に、前駆体タンパク質のプロセシングによる活性型への転換（例えば、NF-κBの成熟プロセス）やその生成ペプチドを抗原エピトープとして利用するなどポジティブな生命応答に貢献していることも知られている。 | ||
===免疫型プロテアソームの発見=== | ===免疫型プロテアソームの発見=== | ||
<ref name=ref12 /> <ref name=ref27><pubmed>19935803</pubmed></ref> | |||
適応（獲得）免疫の中心的なテーマである自己と非自己の識別（細胞性免疫応答）において必須な役割を果たすために、プロテアソームのアイソフォーム（免疫型プロテアソーム）（図5）が存在する<ref name=ref28><pubmed>9700509</pubmed></ref> <ref name=ref29><pubmed>12078479</pubmed></ref> <ref name=ref30><pubmed>21387144</pubmed></ref>。免疫型プロテアソームの遺伝子は、進化的には適応免疫と同時期に誕生した<ref name=ref28 /> <ref name=ref40><pubmed>21748441</pubmed></ref>。 | 適応（獲得）免疫の中心的なテーマである自己と非自己の識別（細胞性免疫応答）において必須な役割を果たすために、プロテアソームのアイソフォーム（免疫型プロテアソーム）（図5）が存在する<ref name=ref28><pubmed>9700509</pubmed></ref> <ref name=ref29><pubmed>12078479</pubmed></ref> <ref name=ref30><pubmed>21387144</pubmed></ref>。免疫型プロテアソームの遺伝子は、進化的には適応免疫と同時期に誕生した<ref name=ref28 /> <ref name=ref40><pubmed>21748441</pubmed></ref>。 | ||