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(zhǎng)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(duì)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。
目錄 |
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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)自己在其中的貢獻(xiàn)加以強(qiáng)調(diào)。［8］由于他們?cè)诎l(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)。
結(jié)構(gòu)和組成
從上往下看核心顆粒的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。可以看出環(huán)結(jié)構(gòu)存在七次軸對(duì)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?？梢宰R(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)顆粒可以以類似于19S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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)于組裝的重要性。
對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)于一些蛋白質(zhì)，去折疊過程是限速步，而對(duì)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(zhǎng)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(duì)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(zhēng)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(zhǎng)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(zhǎng)度一定的肽段；肽段的長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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?；乃庑?。這種對(duì)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(zhǎng)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(cè)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(duì)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。
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(duì)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(zhǎng)
在植物中，茁長(zhǎng)素（auxin）或植物激素（phytohormone）的作用是調(diào)控植物生長(zhǎng)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(duì)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(duì)根和葉脈生長(zhǎng)的指導(dǎo)。ARF蛋白和Aux/IAA蛋白之間配對(duì)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(cè)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(duì)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(cè)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(duì)應(yīng)的E2之間的相互作用而被調(diào)控。
對(duì)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(cè)得到了一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持；在對(duì)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(duì)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(shì)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(duì)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(zhǎng)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(chǎng)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(duì)死亡率極高的胰腺癌也有顯著的臨床效果。對(duì)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(chǎng)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(duì)蛋白酶體也有抑制作用，特別是對(duì)類胰凝乳蛋白酶型的蛋白酶體，但對(duì)類胰蛋白酶的蛋白酶體則有部分的促進(jìn)作用。［66］對(duì)于動(dòng)物模型的研究表明利托那韋可能對(duì)神經(jīng)膠質(zhì)瘤（glioma）細(xì)胞的生長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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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