Ubiquitin Proteasome Pathway
Der Ubiquitin-Proteasom-Weg ist für den gezielten Abbau der meisten kurzlebigen Proteine in der eukaryontischen Zelle erforderlich. Im Gegensatz zu den meisten Regulationsmechanismen ist der Proteinabbau von Natur aus irreversibel. Die Zerstörung eines Proteins kann zu einer vollständigen, schnellen und dauerhaften Beendigung des Prozesses führen, an dem das Protein beteiligt ist, sowie zu einer Veränderung der Zellzusammensetzung. Der schnelle Abbau bestimmter Proteine ermöglicht die Anpassung an neue physiologische Bedingungen.
Die posttranslationale Anlagerung von Ubiquitin an wird Ubiquitinierung genannt. Nur die Polyubiquitinierung an bestimmten Lysinen, meist an K48 und K29, ist mit dem Abbau durch das Proteasom verbunden, während andere Mon- und Polyubiquitinierungen Prozesse wie endozytischen Transport, Entzündung, Translation und DNA-Reparatur regulieren können. Markierte Proteine werden vom 26S-Proteasom erkannt, entfaltet und ATP-abhängig in die 20S-Proteolysekammer geschleust.
Die Ubiquitinierung umfasst drei Hauptschritte: Aktivierung, Konjugation und Ligation, die von Ubiquitin-aktivierenden Enzymen (E1), Ubiquitin-konjugierenden Enzymen (E2) und Ubiquitin-Ligasen (E3) durchgeführt werden. Nur die E1-Familie ist stark konserviert. Die Varianz von E2 und E3 und ihre Kombinationen ermöglichen die selektive Markierung und den Abbau spezifischer intrazellulärer Proteine.
Das Ubiquitin-konjugierende Enzym E2 N (UBE2N) gehört zur E2-Familie, die Ub vom E1-Enzym erhält. Sobald das Proteinsubstrat mono-ubiquitiniert ist, wird durch dieselbe Ubiquitinierungs-Konjugationskaskade eine Poly-Ubiquitin-Kette gebildet. TNF α induziert die Poly-Ubiquitinierung der rezeptorinteragierenden Proteinkinase (RIP), und die ubiquitinierte RIP assoziiert mit NEMO (NF-κB Essential Modulator), um den IKKα- und IKKβ-Kinase-Komplex (Inhibitors of Nuclear Factor Kappa B) zu aktivieren. Dies führt zur Ubiquitinierung von IκB, das von NF-κB getrennt und zum 26S-Proteasom geleitet wird. Valosin-haltiges Peptid (VCP) erleichtert die Abtrennung. Das freigesetzte NF-κB aktiviert die Transkription von Zielgenen im Zellkern. Ectodysplasin (EDA-A1) ist in der Lage, an den TNF-Rezeptor EDAR zu binden, was zur Bildung eines Komplexes aus EDAD, TRAF6, TAB2 und TAK1 führt. TAK1 kann auch die IKK aktivieren, die ihrerseits die IKK phosphoryliert.
Die Herabregulierung der NF-κB-Aktivierung durch den T-Zell-Rezeptor (TCR) beinhaltet die TCR-induzierte Ubiquitinierung und den Abbau von Bcl10. Bcl10 kann die K63-Polyubiquitinierung von NEMO stimulieren, und TRAF6 kann die Mono-Ubiquitinierung von NEMO oder die K63-Polyubiquitinierung von sich selbst katalysieren. Darüber hinaus wird die K63-Polyubiquitinierung von RIP von NEMO als Bindungs- und Aktivierungssignal erkannt. SUMO und NEDD8 sind zwei Beispiele für Ubiquitin-ähnliche Proteine (UBLs). Die SUMO-Modifikation wirkt oft antagonistisch zu der der Ubiquitinierung und dient der Stabilisierung von Proteinsubstraten. Proteine, die mit UBLs konjugiert sind, werden in der Regel nicht durch das Proteasom abgebaut, sondern üben verschiedene regulatorische Funktionen aus.
Ubiquitin in der Wirkstoffforschung
Eine Proteolyse-Targeting-Chimäre (PROTAC) ist ein heterobifunktionelles kleines Molekül, das aus zwei aktiven Domänen und einem Linker besteht. Es ist ein wirksames Werkzeug für den körpereigenen Proteinabbau. Es wirkt nicht wie ein herkömmlicher Enzyminhibitor, wirkt ein PROTAC, indem es eine selektive intrazelluläre Proteolyse auslöst. PROTAC kann das betreffende Protein binden und eine E3-Ligase für die Ubiquitinierung und den anschließenden Abbau des gesamten Proteins rekrutieren. Da PROTACs die Zielproteine direkt beseitigen, anstatt sie lediglich zu blockieren, bieten sie mehrere Vorteile gegenüber niedermolekularen Inhibitoren, bei denen eine hohe systemische Exposition erforderlich ist, um eine ausreichende Hemmung zu erreichen, was häufig zu toxischen Nebenwirkungen und schließlich zu Arzneimittelresistenz führt. Der gezielte Proteinabbau mit Hilfe der PROTAC-Technologie entwickelt sich zu einer neuartigen therapeutischen Methode, um Krankheiten wie Krebs zu bekämpfen, die durch die abnorme Expression eines krankheitsverursachenden Proteins verursacht werden.
Referenzen
- Cermakova K, Hodges HC: "Next-Generation Drugs and Probes for Chromatin Biology: From Targeted Protein Degradation to Phase Separation."Cell (2018).
- Ciechanover A et al.: "The ubiquitin–proteasome pathway: on protein death and cell life." The EMBO Journal. (1998)
- Nalepa G et al.: "Drug discovery in the ubiquitin–proteasome system." Nature Reviews Drug Discovery (2006).
- Li X, Song Y: "Proteolysis-targeting chimera (PROTAC) for targeted protein degradation and cancer therapy." Journal of Hematology & Oncology (2020).
