Ubikvitīna un proteasomu ceļš šūnā

Ubikvitīns ir neliela olbaltumviela, kuras aminoskābju secība dažādās sugās ir gandrīz identiska, sākot no rauga līdz cilvēkam. Tieši šī nemainība norāda, cik senā un cik būtiskā procesā tā piedalās. Nosaukums nāk no vārda par visuresošu, jo to izdevās atrast praktiski jebkurā pārbaudītajā audā.

Pievienošana notiek trīs soļos, ko veic trīs enzīmu saimes. Pirmā enzīma darbībai nepieciešama enerģija no ATP, un tas ubikvitīnu saista ar savu cisteīna atlikumu. Otrais enzīms to pārņem, bet trešais, ubikvitīna ligāze, nodrošina specifiskumu: tieši tā atpazīst konkrēto mērķa olbaltumvielu un panāk ubikvitīna piesaisti tās lizīna atlikumam.

Cilvēka genomā ir tikai daži E1 tipa enzīmi, vairāki desmiti E2 enzīmu un ļoti liels skaits dažādu E3 ligāžu. Šī piramīda izskaidro sistēmas loģiku: kopīgs enerģijas un pārneses mehānisms, bet ārkārtīgi daudzveidīga mērķu atpazīšana.

1. E1 aktivējošais enzīms ar ATP palīdzību piesaista ubikvitīnu savai aktīvajai vietai.
2. Ubikvitīnu pārnes uz E2 konjugējošo enzīmu.
3. E3 ligāze atpazīst mērķa olbaltumvielu pēc noteiktas pazīmes un tuvina to E2 enzīmam.
4. Ubikvitīns tiek piesaistīts mērķa olbaltumvielas lizīna atlikumam.
5. Process atkārtojas, veidojot ubikvitīna ķēdi, kas kalpo par atpazīšanas signālu.
6. Proteasoma atpazīst ķēdi, noņem ubikvitīnu atkārtotai lietošanai un noārda olbaltumvielu.

Būtiskākais, ko bieži nepasaka vienkāršotos aprakstos: ubikvitīns nav tikai iznīcināšanas zīme. Ubikvitīna molekulas var saistīties cita ar citu dažādās vietās, un iegūtās ķēdes telpiskā forma nosaka pavisam atšķirīgas sekas.

Ja ķēde veidojas caur vienu noteiktu lizīna atlikumu, tas ir klasiskais noārdīšanas signāls proteasomai. Ja ķēde veidojas caur citu vietu, olbaltumviela netiek noārdīta, bet gan iesaistīta DNS bojājumu labošanā, iekšējā transportā vai signālceļu aktivēšanā. Ir arī gadījumi, kad pievieno tikai vienu ubikvitīna molekulu, un tā galvenokārt maina olbaltumvielas atrašanās vietu vai aktivitāti.

Procesu var arī atgriezt atpakaļ. Deubikvitinējošie enzīmi noņem ubikvitīnu no mērķa un tādējādi atceļ jau pieņemtu lēmumu. Tas nozīmē, ka marķēšana ir dinamisks līdzsvars, nevis vienreizējs spriedums.

Proteasoma ir liels, daudzu apakšvienību veidots komplekss, kas pēc formas atgādina mucu ar vāciņiem abos galos. Mucas centrālajā daļā ir četri viens virs otra sakārtoti gredzeni, un tieši iekšējo gredzenu sienās atrodas proteolītiskās aktīvās vietas. Tās ir vērstas uz kanāla iekšpusi, tāpēc olbaltumviela var tikt sagriezta tikai tad, ja tā ir iestūrēta kanālā.

Vāciņa daļa veic atlasi un sagatavošanu. Tā atpazīst ubikvitīna ķēdi, noņem to, lai ubikvitīnu varētu izmantot atkārtoti, un ar ATP enerģiju attin olbaltumvielu no tās telpiskās struktūras. Attītā ķēde tiek ievilkta šaurajā centrālajā kanālā, kur to sagriež īsos peptīdos.

Iegūtie fragmenti lielākoties tiek sadalīti līdz aminoskābēm un izmantoti no jauna. Daļa fragmentu imūnsistēmā tiek pārvietoti tālāk un izmantoti, lai uz šūnas virsmas parādītu, kas šūnas iekšienē tiek ražots. Šī saikne ar imunitāti ir viens no iemesliem, kāpēc daļa šūnu var pārslēgties uz īpašu proteasomas variantu iekaisuma apstākļos.

Slimības rodas abos virzienos. Nepietiekama noārdīšana ļauj uzkrāties nepareizi salocītām olbaltumvielām, un šūnās parādās ieslēgumi. Vairākās iedzimtās parkinsonisma formās ir bojāta tieši kāda ubikvitīna ligāze, kas atbild par bojātu mitohondriju marķēšanu, un šī saikne kļuvusi par vienu no svarīgākajiem neirodeģenerācijas pētījumu virzieniem.

Pārmērīga vai nepareizi vērsta noārdīšana savukārt raksturīga audzējiem. Ja ligāze pārāk aktīvi iznīcina audzēju nomācošu olbaltumvielu, šūna zaudē bremzi. Ir arī vīrusi, kas izmanto saimniekšūnas ubikvitīna sistēmu, lai iznīcinātu tieši tās olbaltumvielas, kuras traucē vīrusa vairošanos.

Šo mehānismu jau izmanto ārstēšanā. Proteasomas inhibitorus lieto multiplās mielomas un dažu citu hematoloģisku slimību terapijā, jo plazmas šūnas ražo ārkārtīgi daudz olbaltumvielu un ir īpaši jutīgas pret noārdīšanas apturēšanu. Jaunākā pieeja ir molekulas, kas mākslīgi savieno izvēlētu olbaltumvielu ar ligāzi un liek šūnai iznīcināt mērķi, kuru citādi nav iespējams nobloķēt.

• Neirodeģenerācija: bojāta olbaltumvielu kvalitātes kontrole un ieslēgumu veidošanās.
• Onkoloģija: regulējošo olbaltumvielu pārmērīga noārdīšana vai nepietiekama iznīcināšana.
• Imunoloģija: peptīdu sagatavošana uzrādīšanai uz šūnas virsmas.
• Infekcijas: vīrusu un baktēriju iejaukšanās saimnieka ubikvitīna sistēmā.
• Farmakoloģija: proteasomas inhibitori un mērķtiecīgas noārdīšanas molekulas.

Sistēmas jauda nav nemainīga. Jaunās, aktīvi dalīties spējīgās šūnās proteasomu aktivitāte parasti ir augsta, savukārt novecojot daudzos audos novēro noārdīšanas jaudas samazināšanos, kas sakrīt ar bojāto olbaltumvielu uzkrāšanos. Šo saikni pēta kā vienu no novecošanas mehānismiem, taču cēloņa un seku virziens vēl nav pilnībā noskaidrots.

Sistēma reaģē arī uz slodzi. Karstuma šoks, oksidatīvs stress un endoplazmatiskā tīkla pārslodze aktivē regulācijas ceļus, kas palielina proteasomu apakšvienību un kvalitātes kontroles olbaltumvielu ražošanu. Šī pielāgošanās spēja ir viens no iemesliem, kāpēc šūna izdzīvo īslaicīgu stresu.

Skeleta muskulī sistēma darbojas arī kā audu noārdīšanas ceļš. Ilgstošā nekustībā, badošanās, smagas slimības vai izteikta iekaisuma apstākļos noteiktas muskuļiem raksturīgas ubikvitīna ligāzes aktivējas, un muskuļa olbaltumvielas tiek pastiprināti noārdītas. Tas ir viens no muskuļu masas zuduma mehānismiem smagi slimiem cilvēkiem.

Šūnā ir divi lieli noārdīšanas ceļi, un tos nedrīkst jaukt. Ubikvitīna un proteasomu ceļš strādā citoplazmā un kodolā, apstrādā atsevišķas olbaltumvielu molekulas un ir ļoti selektīvs. Autofagijas un lizosomu ceļš savukārt spēj norīt veselus organellu gabalus, olbaltumvielu agregātus un pat baktērijas, un darbojas skābā vidē lizosomas iekšienē.

Abi ceļi nav izolēti. Ubikvitīns daļēji darbojas arī kā signāls selektīvajai autofagijai, un, ja proteasomu darbība tiek nomākta, šūna pastiprina autofagiju kā kompensāciju. Tieši šī savstarpējā aizvietojamība ir viens no iemesliem, kāpēc proteasomas inhibitoru terapija laika gaitā var zaudēt efektivitāti.

Klīniskajā praksē šo ceļu tieši nemēra, un nav analīzes, ko pacients varētu nodot, lai uzzinātu savu proteasomu darbību. Pētniecībā to vērtē netieši, un metodes ir salīdzinoši standarta.

Visbiežāk izmanto olbaltumvielu daudzuma noteikšanu ar imūnblotinga metodi pirms un pēc proteasomas nomākšanas: ja pēc inhibitora pievienošanas pētāmās olbaltumvielas daudzums strauji pieaug, tas nozīmē, ka to parasti noārda tieši šis ceļš. Ubikvitinētos variantus izdala ar specifiskām antivielām un identificē ar masspektrometriju.

Papildus izmanto fluorescējošus peptīdu substrātus, kas ļauj izmērīt proteasomas aktivitāti šūnas ekstraktā, un ģenētiskās metodes, kas izslēdz konkrētu ligāzi, lai pārliecinātos, kura no tām atbild par konkrēto mērķi. Šāda kombinācija ir kļuvusi par standartu, meklējot jaunus zāļu mērķus.