蛋白酶體
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蛋白酶體(proteasomes) 是在真核生物和古菌中普遍存在的，在一些原核生物中也存在的一種巨型蛋白質(zhì)復(fù)合物。在真核生物中，蛋白酶體位于細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中。蛋白酶體的主要作用是降解細(xì)胞不需要的或受到損傷的蛋白質(zhì)，這一作用是通過打斷肽鍵的化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。能夠發(fā)揮這一作用的酶被稱為蛋白酶。蛋白酶體是細(xì)胞用來調(diào)控特定蛋白質(zhì)和除去錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)的主要機(jī)制。經(jīng)過蛋白酶體的降解，蛋白質(zhì)被切割為約7-8個(gè)氨基酸長的肽段；這些肽段可以被進(jìn)一步降解為單個(gè)氨基酸分子，然后被用于合成新的蛋白質(zhì)。需要被降解的蛋白質(zhì)會(huì)先被一個(gè)稱為泛素的小型蛋白質(zhì)所標(biāo)記（即連接上）。這一標(biāo)記反應(yīng)是被泛素連接酶所催化。一旦一個(gè)蛋白質(zhì)被標(biāo)記上一個(gè)泛素分子，就會(huì)引發(fā)其它連接酶加上更多的泛素分子；這就形成了可以與蛋白酶體結(jié)合的“多泛素鏈”，從而將蛋白酶體帶到這一標(biāo)記的蛋白質(zhì)上，開始其降解過程。
從結(jié)構(gòu)上看，蛋白酶體是一個(gè)桶狀的復(fù)合物，包括一個(gè)由四個(gè)堆積在一起的環(huán)所組成的“核心”（右圖中藍(lán)色部分），核心中空，形成一個(gè)空腔。其中，每一個(gè)環(huán)由七個(gè)蛋白質(zhì)分子組成。中間的兩個(gè)環(huán)各由七個(gè)β亞基組成，并含有六個(gè)蛋白酶的活性位點(diǎn)。這些位點(diǎn)位于環(huán)的內(nèi)表面，所以蛋白質(zhì)必須進(jìn)入到蛋白酶體的“空腔”中才能夠被降解。外部的兩個(gè)環(huán)各含有七個(gè)α亞基，可以發(fā)揮“門”的作用，是蛋白質(zhì)進(jìn)入“空腔”中的必由之路。這些α亞基，或者說“門”，是由結(jié)合在它們上的“帽”狀結(jié)構(gòu)（即調(diào)節(jié)顆粒，右圖中紅色部分）進(jìn)行控制；調(diào)節(jié)顆?？梢宰R(shí)別連接在蛋白質(zhì)上的多泛素鏈標(biāo)簽，并啟動(dòng)降解過程。包括泛素化和蛋白酶體降解的整個(gè)系統(tǒng)被稱為“泛素-蛋白酶體系統(tǒng)”。
蛋白酶體降解途徑對于許多細(xì)胞進(jìn)程，包括細(xì)胞周期、基因表達(dá)的調(diào)控、氧化應(yīng)激反應(yīng)等，都是必不可少的。2004年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)主題就是蛋白質(zhì)酶解在細(xì)胞中的重要性和泛素在酶解途徑的作用，而三位獲獎(jiǎng)?wù)邽榘?切哈諾沃、阿夫拉姆.赫什科和歐文.羅斯。
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發(fā)現(xiàn)
在發(fā)現(xiàn)泛素-蛋白酶體系統(tǒng)之前，細(xì)胞中的蛋白質(zhì)降解被認(rèn)為主要依賴于溶酶體，一種膜包裹的囊狀細(xì)胞器，內(nèi)部為酸性環(huán)境且充滿了蛋白酶，可以降解并回收外源蛋白質(zhì)以及衰老或損傷的細(xì)胞器。然而，在對網(wǎng)織紅血球的研究中發(fā)現(xiàn)，在缺少溶酶體的情況下，ATP依賴的蛋白質(zhì)降解依然能夠發(fā)生；這一結(jié)果提示，細(xì)胞中存在另一種蛋白質(zhì)降解機(jī)制。1978年，一些研究者發(fā)現(xiàn)這一新的降解機(jī)制有多種不同的蛋白質(zhì)參與，在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是新的蛋白酶。隨后在對組蛋白修飾的研究工作中發(fā)現(xiàn)，組蛋白發(fā)生了意外的共價(jià)修飾：組蛋白上的一個(gè)賴氨酸殘基與泛素蛋白C-端的甘氨酸殘基之間形成了共價(jià)連接，但其對應(yīng)的功能未知。而后又發(fā)現(xiàn)先前鑒定的一個(gè)參與新的降解機(jī)制的蛋白質(zhì)，ATP依賴的蛋白質(zhì)水解因子1（ATP-dependent proteolysis factor 1，APF-1），實(shí)際上就是泛素。
這些早期的工作導(dǎo)致了1970年代末和1980年代初，泛素-蛋白酶體系統(tǒng)在以色列技術(shù)工程學(xué)院（Technion – Israel Institute of Technology）阿夫拉姆.赫什科的實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)，而阿龍.切哈諾沃是當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室中的一名研究生。 正是在?？怂拐彩?a href="/w/%E7%99%8C%E7%97%87" title="癌癥">癌癥中心（Fox Chase Cancer Center）歐文.羅斯的實(shí)驗(yàn)室做訪問研究期間，赫什科提出了關(guān)鍵的概念性想法，而羅斯后來并沒有對自己在其中的貢獻(xiàn)加以強(qiáng)調(diào)。［8］由于他們在發(fā)現(xiàn)泛素-蛋白酶體系統(tǒng)上的貢獻(xiàn)，這三人起分享了2004年度的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
雖然1980年代中期，已經(jīng)有電子顯微學(xué)數(shù)據(jù)顯示蛋白酶體的堆積環(huán)結(jié)構(gòu)，但直到1994年，第一個(gè)蛋白酶體核心顆粒的原子分辨率結(jié)構(gòu)才通過X射線晶體學(xué)獲得解析。至2000年，研究者用酵母中的20S核心顆粒與錐蟲的11S調(diào)節(jié)顆粒構(gòu)造了異源蛋白酶體復(fù)合物，并解析了這一復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。但截止至2007年，還沒有獲得核心顆粒與真核生物中更為常見的20S調(diào)節(jié)顆粒的蛋白酶體復(fù)合物結(jié)構(gòu)?！ ?/p>
結(jié)構(gòu)和組成
從上往下看核心顆粒的簡化結(jié)構(gòu)。可以看出環(huán)結(jié)構(gòu)存在七次軸對稱。蛋白酶體的組分通常根據(jù)它們的斯韋德貝里沉降系數(shù)（以“S”來標(biāo)記）來命名。最普遍的蛋白
酶體的形式是26S蛋白酶體，其分子量約為2000kDa，包含有一個(gè)20S核心顆粒和兩個(gè)19S調(diào)節(jié)顆粒。核心顆粒為中空結(jié)構(gòu)，將剪切蛋白質(zhì)的活性位點(diǎn)圍在“洞”中；將核心顆粒的兩端敞開，目的蛋白質(zhì)就可以進(jìn)入“洞”中。核心顆粒的每一端都連接著一個(gè)S調(diào)節(jié)顆粒，每個(gè)調(diào)節(jié)顆粒都含有多個(gè)ATP酶活性位點(diǎn)和泛素結(jié)合位點(diǎn)；調(diào)節(jié)顆粒可以識(shí)別多泛素化的蛋白質(zhì)，并將它們傳送到核心顆粒中。除了19S調(diào)節(jié)顆粒外，還存在另一種調(diào)節(jié)顆粒，即11S顆粒；11S調(diào)節(jié)顆?？梢砸灶愃朴?9S顆粒的方式與核心顆粒結(jié)合；11S顆?？赡茉诮到馔庠措模ㄈ?a href="/w/%E7%97%85%E6%AF%92%E6%84%9F%E6%9F%93" title="病毒感染">病毒感染后產(chǎn)生的肽段）上發(fā)揮作用。
20S核心顆粒
不同的生物體中，20S核心顆粒中亞基的數(shù)量和差異性都有所不同；就亞基數(shù)量而言，多細(xì)胞生物比單細(xì)胞生物要多，真核生物比原核生物多。所有的20S顆粒都由四個(gè)堆積的七元環(huán)所組成，這些環(huán)結(jié)構(gòu)則是由兩種不同的亞基構(gòu)成：α亞基為結(jié)構(gòu)性蛋白，而 β亞基則發(fā)揮主要的催化作用。外部的兩個(gè)環(huán)，每個(gè)環(huán)都含有七個(gè)α亞基，一方面作為調(diào)節(jié)顆粒的結(jié)合部，另一方面發(fā)揮“門”的作用，阻止蛋白質(zhì)不受調(diào)控地進(jìn)入核心顆粒的內(nèi)部。內(nèi)部的兩個(gè)環(huán)，每個(gè)環(huán)都含有七個(gè)β亞基，且包含蛋白酶活性位點(diǎn)，用于蛋白質(zhì)水解反應(yīng)。蛋白酶體的大小在不同物種之間相當(dāng)保
守，其長和寬分別為約150 ?和115 ?。其內(nèi)部孔道寬為近53 ?，而入口處則只有13 ?的寬度, 這就提示蛋白質(zhì)要進(jìn)入其中，需要先被至少部分去折疊。
在古菌（如Thermoplasma acidophilum）中，所有的α亞基和所有的β亞基是等同的；而真核生物的蛋白酶體（如酵母）中，每個(gè)亞基都不相同，即α和β亞基都含有七種不同的亞基。在哺乳動(dòng)物中，β1、β2和β5亞基具有催化作用；雖然它們有著共同的催化機(jī)制，但它們具有不同的底物特異性，分別為類胰凝乳蛋白酶型、類胰蛋白酶型和肽谷氨?；乃猓╬eptidyl-glutamyl peptide-hydrolyzing）。在暴露于前炎癥信號(hào)（如細(xì)胞因子，特別是γ干擾素）時(shí)，細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)會(huì)促使造血細(xì)胞表達(dá)另一些形式的β亞基，即β1i、β2i和β5i。由這些替代亞基所組裝成的蛋白酶體又被稱為“免疫蛋白酶體”（immunoproteasome），相對于正常形式的蛋白酶體，其底物特異性發(fā)生了變化。
19S調(diào)節(jié)顆粒
真核生物中的19S顆粒是由19個(gè)蛋白質(zhì)組成的，并可以被分成兩個(gè)部分：一個(gè)由10個(gè)蛋白質(zhì)組成的可以與20S核心顆粒上的α環(huán)直接結(jié)合的基底，和一個(gè)由9個(gè)蛋白質(zhì)組成的結(jié)合多泛素鏈的蓋子。其中，10個(gè)基底蛋白質(zhì)中的6個(gè)具有ATP酶活性。19S和20S顆粒的結(jié)合需要ATP先結(jié)合到19S顆粒上的ATP結(jié)合位點(diǎn)。ATP的水解對于蛋白酶體降解一個(gè)連接泛素的折疊的蛋白質(zhì)是必不可少的，而ATP水解所產(chǎn)生的能量主要是用于蛋白質(zhì)的去折疊、核心顆粒的孔道開放還是兩者皆有，則還不清楚。截止到2006年，26S蛋白酶體的結(jié)構(gòu)還沒有獲得解析。
19S顆粒的每個(gè)組分都有它們自己的調(diào)控作用。Gankyrin，一個(gè)近期鑒定出的癌蛋白，是19S顆粒的組分，可以與細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶CDK4緊密結(jié)合，并且通過與泛素連接酶MDM2的結(jié)合，在識(shí)別泛素化的p53蛋白中發(fā)揮作用。Gankyrin具有抗凋亡作用，其被發(fā)現(xiàn)在一些類型的腫瘤細(xì)胞（如肝癌細(xì)胞）中過表達(dá)。
11S調(diào)節(jié)顆粒
20S核心顆粒也可以與第二種調(diào)節(jié)顆粒，即11S顆粒相結(jié)合。11S調(diào)節(jié)顆粒又被稱為PA28或REG。它是七聚體結(jié)構(gòu)，不包含任何ATP酶，能夠促進(jìn)短肽而不是完整的蛋白質(zhì)的降解。這可能是因?yàn)橛?1S顆粒與核心顆粒所組成的復(fù)合物無法將大的底物去折疊。11S顆粒的調(diào)控機(jī)制與19S顆粒的機(jī)制類似，是通過其亞基的C末端結(jié)合核心顆粒，并誘發(fā)α環(huán)發(fā)生構(gòu)象變化，從而打開20S核心顆粒的“門”，使得底物蛋白質(zhì)可以進(jìn)入核心顆粒。11S顆粒的表達(dá)受γ干擾素的誘導(dǎo)，并且負(fù)責(zé)與免疫蛋白酶體的β亞基一起生成結(jié)合到主要組織相容性復(fù)合體上的肽段?！ ?/p>
組裝機(jī)制
蛋白酶體的組裝是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，這是因?yàn)楸仨殞⑺械臄?shù)量眾多的亞基正確地結(jié)合到一起才能形成一個(gè)有活性的核心顆粒復(fù)合物。β亞基被合成后，其N末端帶有“前肽”（propeptide）；在組裝20S顆粒的過程中，“前肽”通過翻譯后修飾作用以暴露出活性位點(diǎn)。整個(gè)組裝過程雖然復(fù)雜，卻也十分有序。首先，將α亞基組裝為七元環(huán)，為對應(yīng)的前β環(huán)提供模板，然后完成前β環(huán)的組裝，這樣一個(gè)亞基的前β環(huán)和一個(gè)七亞基的α環(huán)就形成了半個(gè)核心顆粒。對于α環(huán)的組裝機(jī)制，目前還沒有定論。接著，兩個(gè)半個(gè)核心顆粒之間的兩個(gè)β環(huán)相結(jié)合，并觸發(fā)蘇氨酸依賴的“前肽”的自降解，從而暴露出活性位點(diǎn)，這就組裝成了一個(gè)有活性的20S核心顆粒。β環(huán)之間的這種相互作用主要是由保守的α螺旋殘基之間的鹽橋和疏水相互作用來介導(dǎo)的；而通過突變這些保守殘基，可以破壞蛋白酶體的組裝，從而從另一方面證實(shí)了這些殘基對于組裝的重要性。
對于19S調(diào)節(jié)顆粒的組裝和成熟過程的了解較少。目前的看法認(rèn)為19S調(diào)節(jié)顆粒是由兩個(gè)不同的部分，即含ATP酶的基底部分和泛素識(shí)別的蓋子部分組裝而成。其中，基底部分中的六個(gè)ATP酶可以通過卷曲螺旋（coiled-coil）的相互作用以配對的方式結(jié)合在一起。調(diào)節(jié)顆粒中19個(gè)亞基的這樣的組裝順序很可能是一種調(diào)控機(jī)制，用于阻止在組裝完成之前將活性位點(diǎn)暴露出來?！ ?/p>
蛋白質(zhì)降解過程
泛素化和定靶
需要被蛋白酶體降解的蛋白質(zhì)會(huì)先被連接上泛素作為標(biāo)記，即蛋白質(zhì)上的一個(gè)賴氨酸與泛素之間形成共價(jià)連接。這一過程是一個(gè)三酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)，即需要有由三個(gè)酶
催化的一系列反應(yīng)的發(fā)生，整個(gè)過程被稱為泛素化信號(hào)通路。在第一步反應(yīng)中，泛素活化酶（又被稱為E1）水解ATP并將一個(gè)泛素分子腺苷酸化。接著，泛素被轉(zhuǎn)移到E1的活性中心的半胱氨酸殘基上，并伴隨著第二個(gè)泛素分子的腺苷酸化。被腺苷酸化的泛素分子接著被轉(zhuǎn)移到第二個(gè)酶，泛素交聯(lián)酶（E2）的半胱氨酸殘基上。最后，高度保守的泛素連接酶（E3）家族中的一員（根據(jù)底物蛋白質(zhì)的不同而不同）識(shí)別特定的需要被泛素化的靶蛋白，并催化泛素分子從E2上轉(zhuǎn)移到靶蛋白上。靶蛋白在被蛋白酶體識(shí)別之前，必須被標(biāo)記上至少四個(gè)泛素單體分子（以多泛素鏈的形式）。因此，是E3使得這一系統(tǒng)具有了底物特異性。 E1、E2和E3蛋白的數(shù)量依賴于生物體和細(xì)胞類型，人體中就存在大量不同的E3蛋白，這說明泛素-蛋白酶體系統(tǒng)可以作用于數(shù)量巨大的靶蛋白。
多泛素化后的蛋白質(zhì)是如何被蛋白酶體所識(shí)別的，還沒有完全弄清。泛素受體蛋白的N末端具有一個(gè)類泛素結(jié)構(gòu)域，以及一至多個(gè)泛素結(jié)合結(jié)構(gòu)域。類泛素結(jié)構(gòu)域可以被19S調(diào)節(jié)顆粒所識(shí)別，而泛素結(jié)合結(jié)構(gòu)域可以通過形成三螺旋束來結(jié)合泛素。這些受體蛋白可能能夠結(jié)合多泛素化的蛋白質(zhì)并將其攜帶到蛋白酶體，而關(guān)于這種結(jié)合的特異性和調(diào)控機(jī)制還不清楚。
泛素蛋白自身由76個(gè)殘基所組成，以“泛素”為名是因?yàn)樗谏矬w中廣泛存在：具有高度保守的序列并且存在于所有已知的真核生物體中。真核生物中編碼泛素的基因以串聯(lián)重復(fù)（tandem repeat）的方式排列，這可能是因?yàn)榇罅?a href="/w/%E8%BD%AC%E5%BD%95" title="轉(zhuǎn)錄">轉(zhuǎn)錄的需要，為細(xì)胞生產(chǎn)足夠多的泛素。有人提出泛素是目前發(fā)現(xiàn)的進(jìn)化速度最慢的蛋白質(zhì)。
去折疊和移位
泛素化后的蛋白質(zhì)（以下稱為底物蛋白）被19S調(diào)節(jié)顆粒所識(shí)別，這一過程是一個(gè)ATP依賴的結(jié)合過程。然后，底物蛋白必須進(jìn)入20S核心顆粒的內(nèi)部孔道，以便與
位于其中的水解活性位點(diǎn)接觸。由于20S顆粒的孔道相對狹窄，而且兩端由α環(huán)中亞基的N末端控制開關(guān)，所以底物蛋白在進(jìn)入核心顆粒之前必須至少部分去折疊。將去折疊的蛋白質(zhì)傳遞進(jìn)入核心顆粒的過程被稱為“移位”（translocation），而移位必須發(fā)生在去泛素化之后。但目前對于底物蛋白的去泛素化和去折疊機(jī)制還不了解。在整個(gè)降解反應(yīng)過程中，那一步是限速步取決于底物蛋白的類別；對于一些蛋白質(zhì)，去折疊過程是限速步，而對于另一些蛋白質(zhì)，可能是去泛素化為限速因子。至于哪些底物蛋白在移位之前必須去折疊，還未有結(jié)論，而牢固的三級(jí)結(jié)構(gòu)和一些特殊的非局部相互作用，如二硫鍵，能夠抑制降解。
由α亞基所形成的“門”可以阻止長于四個(gè)殘基的多肽進(jìn)入20S顆粒的內(nèi)部。在識(shí)別步驟開始前結(jié)合上的ATP分子在移位發(fā)生前被水解，而對于水解產(chǎn)生的能量是用于蛋白質(zhì)去折疊還是“門”的打開還有爭議。26S蛋白酶體在存在無法水解的ATP類似物（即無法獲得水解產(chǎn)生的能量）的情況下，依然可以降解去折疊的蛋白質(zhì)，但卻無法降解折疊的蛋白質(zhì)；這一結(jié)果說明ATP水解所產(chǎn)生的能量至少部分被用于蛋白質(zhì)去折疊。在19S帽子處于ATP結(jié)合狀態(tài)時(shí)，去折疊的底物蛋白可以由促進(jìn)擴(kuò)散作用，傳遞通過開啟的“門”。
球蛋白去折疊的機(jī)制是基本類似的，但在一定程度上也取決于蛋白質(zhì)的氨基酸序列。研究者發(fā)現(xiàn)含有較長的甘氨酸或丙氨酸序列可以抑制去折疊，從而降低蛋白酶體的降解效率；其結(jié)果是生成含有部分去折疊蛋白質(zhì)的混合物，這可能是由于ATP水解和去折疊步驟之間的脫節(jié)所導(dǎo)致的。自然界中的一些蛋白質(zhì)也有這樣的甘氨酸-丙氨酸重復(fù)序列存在，如蠶絲中的絲心蛋白（fibroin）；值得一提的是，特定的人類皰疹病毒基因的表達(dá)產(chǎn)物也含有這樣的序列，通過抑制蛋白酶體的作用，阻止了抗原呈遞到主要組織相容性復(fù)合體上，從而有助于病毒的繁殖。
蛋白質(zhì)的降解
蛋白質(zhì)的降解由20S核心顆粒中的β亞基進(jìn)行，其機(jī)制被認(rèn)為是蘇氨酸依賴的親核攻擊。這一機(jī)制可能需要有一個(gè)結(jié)合的水分子參與活性的蘇氨酸上羥基的去質(zhì)子化。降解發(fā)生在核心顆粒中間的兩個(gè)β環(huán)內(nèi)的孔道里，一般不生成部分降解的產(chǎn)物，而是將底物蛋白完全降解為長度一定的肽段；肽段的長度一般為7-9個(gè)殘基，但根據(jù)生物體和底物蛋白的不同，長度范圍可以從4-25個(gè)殘基不等。決定分解產(chǎn)物中肽段長度的機(jī)制，目前還沒有完全弄清。雖然具有催化活性的三個(gè)β亞基具有共同的降解機(jī)制，但它們對于底物的特異性卻略有不同，分別為類胰凝乳蛋白酶型、類胰蛋白酶型和肽谷氨酰基肽水解型。這種對于底物特異性的差異是來自于靠近活性位點(diǎn)的局部殘基與底物之間的相互作用的不同。每一個(gè)具有催化活性的β亞基也都含有一個(gè)降解所必需的保守的賴氨酸。
雖然蛋白酶體通常生成非常短的降解片斷，但在一些情況下，這些降解產(chǎn)物自身是具有生物學(xué)活性的功能分子。特定的轉(zhuǎn)錄因子，包括哺乳動(dòng)物的NF-κB復(fù)合物中的一個(gè)組分，合成后是以無活性的前體分子存在，在經(jīng)過泛素化和蛋白酶降解后，才轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚苑肿?。這種降解需要蛋白酶體剪切蛋白質(zhì)的中間部分，而不是通常情況下的從蛋白質(zhì)的一端開始的剪切。有人提出，需要被剪切的中間部分為一個(gè)長的loop，位于蛋白表面，從而可以作為蛋白酶體的底物進(jìn)入其內(nèi)部孔道，而蛋白質(zhì)的其他部分依然在孔道外，并不會(huì)被降解。在酵母蛋白中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象；這種選擇性降解被稱為“受調(diào)控的泛素-蛋白酶體依賴的剪切”（regulated ubiquitin/proteasome dependent processing）。
非泛素依賴的降解
雖然大多數(shù)的蛋白酶體的底物必須在降解之前被泛素化，但仍然有一些例外的情況，尤其是在蛋白酶體參與蛋白質(zhì)的翻譯后處理過程中。一個(gè)主要的例子是蛋白酶體通過將p105蛋白剪切為p50蛋白來激活NF-κB。一些由于存在無結(jié)構(gòu)區(qū)域（參見intrinsically unstructured proteins）而被推測具有不穩(wěn)定性的蛋白質(zhì)也可以通過非泛素依賴的途徑被降解。鳥氨酸脫羧酶是最著名的非泛素依賴途徑中蛋白酶體的底物。對于關(guān)鍵的細(xì)胞周期調(diào)控因子，如p53蛋白的非泛素依賴的降解機(jī)制已經(jīng)有報(bào)道，雖然p53蛋白也可以通過泛素依賴的途徑被降解。此外，在一定的細(xì)胞應(yīng)激條件下，結(jié)構(gòu)不正常、錯(cuò)誤折疊或者過度氧化的蛋白質(zhì)也都會(huì)進(jìn)入非泛素依賴的和非19S顆粒依賴的降解途徑?！ ?/p>
進(jìn)化
20S蛋白酶體在真核生物中廣泛存在且必不可少。一些原核生物，包括許多古菌和細(xì)菌中的放線菌也含有20S蛋白酶體的同源體，即大多數(shù)細(xì)菌都含有的熱休克基因hslV和hslU，這兩個(gè)基因所編碼的蛋白質(zhì)可以形成雙層環(huán)狀多聚體和ATP酶。一些研究者認(rèn)為HslV蛋白很可能類似于20S蛋白酶體的祖先。一般來說，HslV蛋白對于細(xì)菌不是必要的，且并非所有的細(xì)菌都含有這一蛋白，而原生生物同時(shí)含有20S蛋白酶體和HslV蛋白系統(tǒng)。
序列分析顯示，催化性的β亞基在進(jìn)化過程中分化得比結(jié)構(gòu)性的α亞基要早。表達(dá)20S蛋白酶體的細(xì)菌中，其β亞基與古菌以及真核生物的β亞基具有高度的序列相似性，而α亞基的序列相似程度則低得多。細(xì)菌中存在20S蛋白酶體可能是基因水平轉(zhuǎn)移的結(jié)果，而真核生物中各亞基的分化則應(yīng)是多次基因重復(fù)的結(jié)果.
細(xì)胞周期控制
細(xì)胞周期進(jìn)程是由一系列細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶（CDK）來進(jìn)行調(diào)控的，而CDK則是由細(xì)胞周期蛋白（cyclin）來激活。有絲分裂的細(xì)胞周期蛋白，在細(xì)胞中只有幾分鐘壽命，是所有已知的細(xì)胞內(nèi)蛋白中壽命最短的。在CDK-cyclin復(fù)合物行使了它的功能之后，復(fù)合物中的cyclin就會(huì)被多泛素化并由蛋白酶體降解，從而保證了細(xì)胞周期的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。尤其是在細(xì)胞退出有絲分裂期時(shí)，作為調(diào)控組分的cyclin B需要從有絲分裂促進(jìn)因子上脫落下來，而這一解離過程依賴于蛋白酶體的參與。
細(xì)胞周期檢控點(diǎn)，如G1期和S期之間的后限制點(diǎn)檢查，也需要蛋白酶體降解cyclin A，而cyclin A的泛素化由一個(gè)名為后期促進(jìn)復(fù)合物（anaphase promoting complex，APC）的E3泛素連接酶來進(jìn)行.［42］APC蛋白和Skp1/Cul1/F-box蛋白復(fù)合物（即SCF復(fù)合物）是降解cyclin和控制檢控點(diǎn)的兩個(gè)關(guān)鍵調(diào)控因子；SCF復(fù)合物自身則由APC蛋白來調(diào)控，由于Skp2蛋白（SCF復(fù)合物中的轉(zhuǎn)接蛋白）可以在G1期到S期的過渡期中抑制SCF復(fù)合物的活性，因此通過泛素化Skp2蛋白，APC蛋白就可以激活SCF復(fù)合物。
調(diào)控植物生長
在植物中，茁長素（auxin）或植物激素（phytohormone）的作用是調(diào)控植物生長的方向和向性，它們通過細(xì)胞信號(hào)通路來誘導(dǎo)一系列轉(zhuǎn)錄因子抑制蛋白（Aux/IAA蛋白）進(jìn)入蛋白酶體降解途徑。這些抑制蛋白由SCFTIR1蛋白或者由與auxin受體蛋白TIR1結(jié)合的SCF蛋白進(jìn)行泛素化。Aux/IAA蛋白降解后，對auxin反應(yīng)因子（ARF）家族的轉(zhuǎn)錄因子的抑制就被解除，從而誘導(dǎo)ARF基因的表達(dá)。ARF被激活所導(dǎo)致的結(jié)果因植物類型和發(fā)育水平的不同而有所差異，但都參與了對根和葉脈生長的指導(dǎo)。ARF蛋白和Aux/IAA蛋白之間配對的特異性被認(rèn)為是ARF的去抑制作用具有反應(yīng)特異性的原因。
細(xì)胞內(nèi)外的信號(hào)都能夠誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡或編程性細(xì)胞死亡。其結(jié)果是細(xì)胞內(nèi)部的組分發(fā)生解構(gòu)，這主要是由特定的蛋白酶半胱天冬酶(caspase)來完成，但同時(shí)蛋白酶體也可能在細(xì)胞凋亡過程中扮演了多種重要角色。蛋白酶體參與細(xì)胞凋亡進(jìn)程的推測是基于凋亡發(fā)生前，細(xì)胞中泛素化蛋白質(zhì)以及E1、E2、E3在數(shù)量上的增加這一現(xiàn)象；并且，在細(xì)胞凋亡過程中，原本定位于細(xì)胞核的蛋白酶體被發(fā)現(xiàn)能夠移位到調(diào)亡小泡的外膜。
蛋白酶體的抑制作用可以影響不同類型細(xì)胞的調(diào)亡誘導(dǎo)，在大多數(shù)已被研究的細(xì)胞類型中，抑制蛋白酶體可以促進(jìn)細(xì)胞調(diào)亡。但一般而言，蛋白酶體并非是細(xì)胞調(diào)亡所必需的因子。而且，對于一些細(xì)胞系，特別是原代培養(yǎng)的靜止和分化的細(xì)胞，如胸腺細(xì)胞和神經(jīng)元細(xì)胞，暴露于蛋白酶體抑制劑反而阻止了細(xì)胞的凋亡。這一作用機(jī)制目前還不清楚，但有人推測這種現(xiàn)象只特異性地發(fā)生于靜止?fàn)顟B(tài)的細(xì)胞或者這是由于促細(xì)胞凋亡激酶JNK的活性差異所導(dǎo)致的。由于蛋白酶抑制劑可以誘發(fā)處于快速分裂中的細(xì)胞（如癌細(xì)胞）的凋亡，因此一些蛋白酶抑制劑已經(jīng)被開發(fā)并作為化療藥品被用于治療癌癥?！ ?/p>
細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)
當(dāng)細(xì)胞應(yīng)激（如感染、熱休克以及氧化損傷）反應(yīng)發(fā)生時(shí)，熱休克蛋白被大量表達(dá)，其作用是識(shí)別錯(cuò)誤折疊或去折疊的蛋白質(zhì)，并標(biāo)記它們以供蛋白酶體降解。作為分子伴侶，熱休克蛋白Hsp27和Hsp90已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)可以提高泛素-蛋白酶體系統(tǒng)的活性，雖然它們并不直接參與這一系統(tǒng)的運(yùn)行。另一個(gè)熱休克蛋白Hsp70，可以結(jié)合到錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)表面的疏水區(qū)，并引導(dǎo)E3泛素連接酶（如CHIP）將錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)標(biāo)記上泛素，使得蛋白酶體可以降解它們。CHIP蛋白，全稱為HSP70的C末端相互作用蛋白（carboxyl terminus of Hsp70-interacting protein），其自身可以通過抑制與其對應(yīng)的E2之間的相互作用而被調(diào)控。
對于氧化損傷的蛋白質(zhì)，也有相似的機(jī)制可以促使它們被蛋白酶體系統(tǒng)降解。例如，定位于細(xì)胞核中的蛋白酶體是由PARP蛋白所調(diào)控，可以降解被不正確氧化的組蛋白。被氧化的蛋白質(zhì)往往會(huì)在細(xì)胞中形成巨大的兩性聚合物，而這種聚合物可以被20S核心顆粒直接降解，而不需要19S調(diào)節(jié)顆粒的參與，也不需要ATP水解和泛素標(biāo)簽。但高水平的氧化損傷增加了蛋白片斷之間互相連接的程度，所形成的聚集物就能夠抵抗蛋白酶體的降解。這種高氧化度的聚集物的數(shù)量和大小與衰老程度相關(guān)。
一些晚發(fā)型神經(jīng)退行性疾病（如帕金森氏癥和老年癡呆癥）中都以含有錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)所形成的聚合物為共同特點(diǎn)，而蛋白酶體活力受損被認(rèn)為是導(dǎo)致這類病癥的重要因素。在這些疾病中，錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)可以形成的巨大的不可溶聚合物并導(dǎo)致神經(jīng)中毒，但具體的致病機(jī)制還不清楚。在帕金森氏癥中，蛋白酶體活性的降低被認(rèn)為是導(dǎo)致蛋白聚集和路易體（Lewy body）形成的原因之一。這一推測得到了一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持；在對帕金森氏癥的酵母模型進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)鞍酌阁w的活性降低后，這種酵母對于來自α-突觸核蛋白(α-synuclein，路易體的主要成分）的毒性變得更加敏感?！ ?/p>
在免疫系統(tǒng)中的作用
蛋白酶體直接參與了適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的運(yùn)作，并在其中扮演著關(guān)鍵角色。肽類抗原是由主要組織相容性復(fù)合物（MHC）類型I蛋白傳遞到抗原呈遞細(xì)胞表面。這些肽段是來自被蛋白酶體降解的侵入機(jī)體的病原體。雖然一般的蛋白酶體就可以參與這一進(jìn)程，但實(shí)際上起主要作用的是一種特殊的復(fù)合物，其可以生成合適大小和成分的降解片斷以供MHC結(jié)合。這種復(fù)合物的組成蛋白的表達(dá)是由γ干擾素所誘導(dǎo)；當(dāng)免疫反應(yīng)發(fā)生時(shí)，這些蛋白質(zhì)，包括11S調(diào)節(jié)顆粒（主要作用為調(diào)節(jié)MHC的結(jié)合肽段的產(chǎn)生）和特殊的β亞基（β1i、β2i、β5i，具有不同的底物特異性）的表達(dá)就會(huì)增加。這種由特殊的β亞基參與形成的復(fù)合物就被稱為“免疫蛋白酶體”。另一種有所變化的β5亞基，β5t，在胸腺中表達(dá)，能夠形成胸腺獨(dú)有的“胸腺蛋白酶體”（"thymoproteasome"），參與T細(xì)胞的發(fā)育調(diào)控。
MHC類型I蛋白的配基結(jié)合強(qiáng)度取決于配基C末端的組成，因?yàn)殡亩闻浠峭ㄟ^氫鍵和與MHC表面的"B pocket"近接觸來結(jié)合的。許多MHC類型I蛋白趨向于結(jié)合疏水性殘基，而免疫蛋白酶體復(fù)合物就可以更多地生成具有疏水性C末端的肽段。
由于蛋白酶體參與生成活性形勢的NF-κB（一種抗凋亡和促炎癥調(diào)控因子，調(diào)控細(xì)胞因子的表達(dá)），因此，蛋白酶體被認(rèn)為與炎癥反應(yīng)和自身免疫性疾病相關(guān)。蛋白酶體活性水平的提高與包括紅斑性狼瘡和類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎在內(nèi)的自身免疫性疾病相關(guān)?！ ?/p>
蛋白酶體抑制劑
蛋白酶體抑制劑對于人工培養(yǎng)的細(xì)胞具有有效的抗腫瘤活性，通過降解受調(diào)控的促生長細(xì)胞周期蛋白來誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的凋亡。這種可以選擇性地誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡的方法被證明在動(dòng)物模型以及人體試驗(yàn)中都非常有效。硼替佐米是第一種用作化學(xué)治療藥物的蛋白酶體抑制劑，由千年制藥公司（Millennium Pharmaceuticals）開發(fā)，市場名稱為Velcade。硼替佐米主要被用于多發(fā)性骨髓瘤的治療值得一提的是，多發(fā)性骨髓瘤會(huì)導(dǎo)致血清中蛋白酶體水平的提高，而成功的化療可以將蛋白酶體的水平恢復(fù)到正常范圍。動(dòng)物研究顯示硼替佐米可能對死亡率極高的胰腺癌也有顯著的臨床效果。對于硼替佐米在治療B細(xì)胞相關(guān)癌癥的臨床前和早期臨床研究已經(jīng)開始，特別是一些類型的非霍奇金氏淋巴瘤（non-Hodgkin's lymphoma）。
利托那韋（ritonavir），市場名稱為Norvir，是用于治療艾滋病的一種蛋白酶抑制劑。近期的研究發(fā)現(xiàn)，利托那韋不僅可以抑制蛋白酶，對蛋白酶體也有抑制作用，特別是對類胰凝乳蛋白酶型的蛋白酶體，但對類胰蛋白酶的蛋白酶體則有部分的促進(jìn)作用。［66］對于動(dòng)物模型的研究表明利托那韋可能對神經(jīng)膠質(zhì)瘤（glioma）細(xì)胞的生長有抑制作用。
將蛋白酶體抑制劑應(yīng)用于自體免疫性疾病也大有前景。目前這一方面的研究主要是利用動(dòng)物模型來進(jìn)行。例如，在對植有人類皮膚的小鼠的研究中發(fā)現(xiàn)，用蛋白酶體抑制劑處理過后，原本因患牛皮癬而受損的皮膚所有減少；［68］在一些嚙齒動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)，蛋白酶體抑制劑對于哮喘也有一定的治療作用。
蛋白酶體的標(biāo)記和抑制作用也被用于在實(shí)驗(yàn)室中針對細(xì)胞中蛋白酶體活性所進(jìn)行的“體內(nèi)”（in vivo）和“體外”（in vitro）研究。實(shí)驗(yàn)室中最常用的抑制劑為乳胞素(lactacystin)，一種由鏈霉菌合成的天然產(chǎn)物。［49］帶有熒光基團(tuán)的抑制劑也已經(jīng)被開發(fā)應(yīng)用于特異性標(biāo)記組裝好的蛋白酶體上的活性位點(diǎn)。
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