Proteasome là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Proteasome là phức hợp enzym đa phân tử chịu trách nhiệm nhận diện và phân hủy protein bị hư hỏng hoặc được đánh dấu ubiquitin thành peptide ngắn. Hệ thống ubiquitin–proteasome duy trì cân bằng proteostasis, điều hòa chu kỳ tế bào, tín hiệu viêm và stress ôxy hóa, ngăn ngừa tích tụ protein bất thường.

Giới thiệu

Proteasome là phức hợp enzymatic đa phân tử giữ vai trò trung tâm trong hệ ubiquitin–proteasome (UPS), chịu trách nhiệm nhận diện và phân hủy protein bị suy giảm, hư hỏng hoặc đã được đánh dấu bằng ubiquitin thành các peptide ngắn. Hoạt động của proteasome duy trì cân bằng nội bào protein (proteostasis), ngăn ngừa tích tụ protein bất thường và đóng góp vào điều hòa nhiều quá trình sinh học như chu kỳ tế bào, tín hiệu viêm, stress ôxy hóa và chết theo chương trình (apoptosis).

Ở tế bào nhân chuẩn, sự mất cân bằng giữa tổng hợp và thoái hóa protein có thể dẫn đến bệnh lý thần kinh (Alzheimer, Parkinson), ung thư hoặc rối loạn miễn dịch. Proteasome, cùng với hệ thống autophagy–lysosome, là hai cơ chế quan trọng để loại bỏ protein bất thường, bảo vệ tế bào trước tổn thương và duy trì chức năng sinh lý bình thường.

Proteasome không chỉ đóng vai trò cơ bản trong sinh học tế bào mà còn là mục tiêu điều trị quan trọng. Chất ức chế proteasome như bortezomib và carfilzomib đã được phê duyệt trong điều trị đa u tủy xương và một số lymphoma, tận dụng cơ chế tích tụ protein độc tế bào để kích hoạt quá trình apoptosis đặc hiệu ở tế bào ung thư .

Cấu trúc và thành phần

Proteasome 26S ở tế bào nhân chuẩn gồm hai thành phần chính: 20S core particle (CP) và 19S regulatory particle (RP). CP là cấu trúc hình trụ gồm bốn vòng đồng tâm α₇β₇β₇α₇, trong đó các tiểu đơn vị β1, β2 và β5 mang hoạt tính protease nội tuyến với cơ chế cắt peptide theo dạng caspase-like, trypsin-like và chymotrypsin-like.

RP gồm hai nửa đối xứng, mỗi nửa chứa 19 tiểu đơn vị phụ trách nhận diện protein nền đã được ubiquitin hóa, tháo chuỗi ubiquitin nhờ hoạt tính deubiquitinase và mở nắp α để đưa protein nền vào lòng CP. Sự tương tác ATP-dependent giữa RP và CP điều chỉnh lối vào, giúp bảo đảm chỉ các chất nền đã được đánh dấu mới tiếp cận được lòng CP.

Thành phầnSố lượngChức năng chính
α subunits (CP)14Điều tiết cửa vào peptide
β subunits (CP)14Hoạt tính protease
19S RP lid~9Nhận diện & deubiquitinase
19S RP base~10ATPase kéo protein nền

Các biến thể proteasome như immunoproteasome thay thế ba tiểu đơn vị β chuẩn bằng β1i, β2i, β5i, tối ưu hóa quá trình tạo peptide cho MHC I và góp phần vào phản ứng miễn dịch tế bào .

Cơ chế phân hủy protein

Quy trình phân hủy protein bắt đầu bằng ba bước tuần tự: khởi động (initiation), truyền tải (translocation) và phân cắt (proteolysis). Đầu tiên, protein nền được gắn chuỗi polyubiquitin qua hệ thống E1–E2–E3, với E3 chịu trách nhiệm chọn lọc chất nền.

Sau khi nhận diện, 19S RP thủy phân liên kết isopeptide giữa Lys của protein nền và Gly của ubiquitin theo phản ứng:

UbεLysProtein+H2O    Protein+UbUb–ε–Lys–Protein + H_2O \;\longrightarrow\; Protein + Ub

tiếp theo 19S RP sử dụng năng lượng ATP để mở nắp α, kéo protein nền vào lòng CP. Bên trong 20S CP, các tiểu đơn vị β thực hiện cắt peptide tại các vị trí đặc hiệu, tạo ra mảnh peptide độ dài 3–25 amino acids.

  • Khởi động: gắn ubiquitin và nhận diện bởi deubiquitinase.
  • Truyền tải: ATP-hydrolysis kéo protein nền qua nắp α.
  • Proteolysis: cắt peptide nội tuyến, giải phóng peptide ngắn.

Peptide thành phẩm sẽ được giải phóng khỏi CP và tiếp tục bị phân hủy thành amino acids tự do bởi các peptidase khác trong tế bào.

Phân loại proteasome

Proteasome được phân thành nhiều loại dựa trên thành phần và điều kiện hoạt động:

  • 26S proteasome: phức hợp CP + RP, ATP-dependent, xử lý protein ubiquitin hóa.
  • 20S proteasome: chỉ gồm core particle, có thể phân cắt protein chưa cần ubiquitin, đặc biệt khi mở nắp α qua hoạt hóa viên (PA28, PA200).
  • Immunoproteasome: biến thể của 20S, biểu hiện chủ yếu ở tế bào miễn dịch, tối ưu hóa tạo peptide cho MHC I, tăng hiệu quả trình diện kháng nguyên.
  • Thymoproteasome: biến thể chỉ có ở tuyến ức, hỗ trợ chọn lọc tế bào T qua trình diện peptide.

Các loại proteasome đa dạng cho phép tế bào điều chỉnh hoạt tính proteolytic theo bối cảnh sinh lý và tín hiệu ngoại bào, đảm bảo đáp ứng linh hoạt trước stress, nhiễm trùng hoặc giai đoạn phát triển khác nhau.

Vai trò trong đường phân hủy protein

Hệ thống ubiquitin–proteasome (UPS) phối hợp cùng autophagy–lysosome duy trì cân bằng proteostasis bằng cách loại bỏ các protein bị hư hỏng, sai gập hoặc không cần thiết. UPS chiếm ưu thế trong phân hủy các protein ngắn sống (short-lived proteins) và các yếu tố điều hòa tín hiệu như cyclin, p53 và IκB.

Tín hiệu phân hủy được khởi đầu bằng gắn chuỗi polyubiquitin lên lysine của protein nền qua ba enzyme E1–E2–E3. Số lượng và liên kết ubiquitin quyết định đặc hiệu hóa, trong đó liên kết Lys48 thường hướng protein tới proteasome, còn Lys63 tham gia tín hiệu sửa chữa DNA hoặc kích hoạt autophagy.

  • Giai đoạn nhận diện: E3 ligase chọn lọc protein mục tiêu.
  • Giai đoạn xử lý: 19S RP tháo ubiquitin và định hướng protein vào 20S CP.
  • Giai đoạn phân cắt: CP cắt protein thành peptide ngắn, tiếp tục bị peptidase khác xử lý.

Điều hòa hoạt tính

Hoạt tính proteasome chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố nội bào và ngoại bào, bao gồm điều hòa phiên mã, các chất ức chế/hoạt hóa, và biến thể thành phần:

  • Chất ức chế tổng hợp: bortezomib và carfilzomib ức chế vùng chymotrypsin-like (β5), gây tích tụ protein gây stress cho tế bào ung thư .
  • Chất kích thích: PA28 (11S regulator) liên kết với CP, mở cửa nắp α để tăng khả năng phân cắt protein không cần ubiquitin.
  • Biến thể biểu hiện: immunoproteasome và thymoproteasome thay thế các tiểu đơn vị β, điều chỉnh ái lực và đặc hiệu cắt peptide, ảnh hưởng đến quá trình trình diện kháng nguyên.
Cơ chếYếu tố điều hòaHiệu ứng
Ức chế proteaseBortezomib, CarfilzomibỨc chế β5, tăng stress nội bào
Hoạt hóa nắpPA28, PA200Tăng cắt protein không ubiquitin
Thay thế tiểu đơn vịβ1i, β2i, β5iTối ưu peptide MHC I

Chức năng sinh lý

Proteasome điều hòa chu kỳ tế bào thông qua phân hủy cyclin và CDK inhibitors, đảm bảo tiến trình G1/S và G2/M chính xác. Sự thoái hóa cyclin B qua UPS kích hoạt phân tách nhiễm sắc thể và kết thúc phân chia tế bào.

Trong tín hiệu viêm, proteasome đóng vai trò trung tâm khi phân hủy IκB, giải phóng NF-κB vào nhân để kích hoạt biểu hiện gen cytokine. Sự ức chế proteasome làm giảm đáp ứng viêm, cơ chế được khai thác trong điều trị lupus và viêm khớp dạng thấp.

  • Kiểm soát chu kỳ tế bào: phân hủy cyclin A, B, D.
  • Đáp ứng stress ôxy hóa: loại bỏ protein bị oxy hóa, ngăn chặn tích tụ oligomer.
  • Điều hòa miễn dịch: tạo peptide cho MHC I, giám sát tế bào nhiễm virus.

Liên quan đến bệnh lý

Suy giảm hoạt tính proteasome dẫn đến tích tụ protein bất thường, góp phần vào bệnh Alzheimer, Parkinson và bệnh thoái hóa thần kinh đa hệ thống. Lewy bodies trong Parkinson chứa α-synuclein và ubiquitin tích tụ do UPS kém hiệu quả.

Tăng hoạt tính proteasome thường gặp trong tế bào ung thư, hỗ trợ phân hủy protein điều hòa apoptosis và checkpoints, dẫn đến tăng sinh không kiểm soát. Ức chế proteasome làm tế bào ung thư tích tụ protein độc, kích hoạt apoptosis nội sinh.

Rối loạn biểu hiện immunoproteasome liên quan đến bệnh tự miễn như lupus và tiểu đường type I, do thay đổi quần thể peptide trình diện gây mất tự dung kháng nguyên.

Ứng dụng dược phẩm

Bortezomib (Velcade) là chất ức chế proteasome đầu tiên được FDA phê duyệt năm 2003 để điều trị đa u tủy. Carfilzomib và ixazomib ra đời sau đó cải thiện độ chọn lọc và giảm độc tính thần kinh.

Proteasome inhibitors kết hợp với liệu pháp corticosteroid hoặc kháng thể đơn dòng (ví dụ daratumumab) giúp tăng hiệu quả điều trị và kéo dài thời gian sống cho bệnh nhân u tủy. Ngoài ung thư, chất ức chế UPS đang thử nghiệm trong bệnh lý viêm và thoái hóa thần kinh.

Kỹ thuật phân tích

Đánh giá hoạt tính proteasome thường dựa trên assay đo cắt peptide gắn huỳnh quang (fluorogenic substrates) specific cho các hoạt tính caspase-like, trypsin-like và chymotrypsin-like. Đo tín hiệu huỳnh quang tương ứng với tốc độ cắt peptide.

Mass spectrometry (MS) cho phép xác định vị trí cắt và thành phần peptide sinh ra, hỗ trợ hiểu rõ cơ chế chọn lọc substrate và ảnh hưởng của biến thể proteasome. Kết hợp với quantitative proteomics, MS đánh giá mức độ ubiquitinomes trong tế bào.

Phương phápỨng dụngĐặc điểm
Fluorogenic assayHoạt tính proteaseNhanh, định lượng
Western blotBiểu hiện subunitNhạy, bán định lượng
MS-based proteomicsPhân tích peptideChính xác, toàn diện

References

  • Tanaka K., “The proteasome: overview of structure and functions.” Histochemistry and Cell Biology, 2013.
  • Collins G. A.; Goldberg A. L., “The Logic of the 26S Proteasome.” Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2017.
  • Livneh I. et al., “The life cycle of the 26S proteasome: from birth, through regulation and function to death.” Cell Research, 2016.
  • Rock K. L.; Goldberg A. L., “Protein degradation and the generation of MHC class I–presented peptides.” Immunity, 1999.
  • Shchors K.; Evan G., “Tumor maintenance is mediated by eukaryotic translation initiation factor 4E.” Cell, 2016.

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề proteasome:

Con đường phân hủy protein ubiquitin-proteasome: Phá hủy vì mục đích xây dựng Dịch bởi AI
Physiological Reviews - Tập 82 Số 2 - Trang 373-428 - 2002
Giữa thập kỷ 1960 và 1980, hầu hết các nhà khoa học về sự sống tập trung chú ý vào việc nghiên cứu axit nucleic và quá trình dịch mã thông tin mã hóa. Sự phân hủy protein là một lĩnh vực bị bỏ qua, được coi là một quá trình không đặc hiệu và không có lối thoát. Dù có biết rằng protein sẽ quay vòng, nhưng quy mô lớn và đặc hiệu cao của quá trình này, trong đó các protein khác nhau có thời g...... hiện toàn bộ
β-catenin is a target for the ubiquitin–proteasome pathway
EMBO Journal - Tập 16 Số 13 - Trang 3797-3804 - 1997
STRUCTURE AND FUNCTIONS OF THE 20S AND 26S PROTEASOMES
Annual Review of Biochemistry - Tập 65 Số 1 - Trang 801-847 - 1996
The proteasome is an essential component of the ATP-dependent proteolytic pathway in eukaryotic cells and is responsible for the degradation of most cellular proteins. The 20S (700-kDa) proteasome contains multiple peptidase activities that function through a new type of proteolytic mechanism involving a threonine active site. The 26S (2000-kDa) complex, which degrades ubiquitinated prote...... hiện toàn bộ
Impairment of the Ubiquitin-Proteasome System by Protein Aggregation
American Association for the Advancement of Science (AAAS) - Tập 292 Số 5521 - Trang 1552-1555 - 2001
Intracellular deposition of aggregated and ubiquitylated proteins is a prominent cytopathological feature of most neurodegenerative disorders. Whether protein aggregates themselves are pathogenic or are the consequence of an underlying molecular lesion is unclear. Here, we report that protein aggregation directly impaired the function of the ubiquitin-proteasome system. Transient expressio...... hiện toàn bộ
The 26S Proteasome: A Molecular Machine Designed for Controlled Proteolysis
Annual Review of Biochemistry - Tập 68 Số 1 - Trang 1015-1068 - 1999
▪ Abstract  In eukaryotic cells, most proteins in the cytosol and nucleus are degraded via the ubiquitin-proteasome pathway. The 26S proteasome is a 2.5-MDa molecular machine built from ∼31 different subunits, which catalyzes protein degradation. It contains a barrel-shaped proteolytic core complex (the 20S proteasome), capped at one or both ends by 19S regulatory complexes, which recogniz...... hiện toàn bộ
Role of the Ubiquitin-Proteasome Pathway in Regulating Abundance of the Cyclin-Dependent Kinase Inhibitor p27
American Association for the Advancement of Science (AAAS) - Tập 269 Số 5224 - Trang 682-685 - 1995
The p27 mammalian cell cycle protein is an inhibitor of cyclin-dependent kinases. Both in vivo and in vitro, p27 was found to be degraded by the ubiquitin-proteasome pathway. The human ubiquitin-conjugating enzymes Ubc2 and Ubc3 were specifically involved in the ubiquitination of p27. Compared with proliferating cells, quiescent cells exhibited a smaller amount of p27 ubiquitinating activi...... hiện toàn bộ
Recognition and Processing of Ubiquitin-Protein Conjugates by the Proteasome
Annual Review of Biochemistry - Tập 78 Số 1 - Trang 477-513 - 2009
The proteasome is an intricate molecular machine, which serves to degrade proteins following their conjugation to ubiquitin. Substrates dock onto the proteasome at its 19-subunit regulatory particle via a diverse set of ubiquitin receptors and are then translocated into an internal chamber within the 28-subunit proteolytic core particle (CP), where they are hydrolyzed. Substrate is thread...... hiện toàn bộ
The Proteasome: Paradigm of a Self-Compartmentalizing Protease
Cell - Tập 92 Số 3 - Trang 367-380 - 1998
Rapid degradation of a large fraction of newly synthesized proteins by proteasomes
Nature - Tập 404 Số 6779 - Trang 770-774 - 2000
The ubiquitin-proteasome pathway: on protein death and cell life
EMBO Journal - Tập 17 Số 24 - Trang 7151-7160 - 1998
Tổng số: 2,924   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 10