Ubiquitin Proteasome Pathway
Der Ubiquitin-Proteasom-Weg ist für den gezielten Abbau der meisten kurzlebigen Proteine in der eukaryotischen Zelle erforderlich. Im Gegensatz zu den meisten regulatorischen Mechanismen ist der Proteinabbau von Natur aus irreversibel. Dieser ungerichtete proteolytische Schritt verleiht einem Signalweg eine Richtung – 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 spezifischer Proteine ermöglicht die Anpassung an neue physiologische Bedingungen. Das Ubiquitin-Proteasom-System spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der zellulären Proteinhomöostase, und seine Fehlfunktion wird mit verschiedenen Erkrankungen wie Alterung, Fettleibigkeit und neurodegenerativen Krankheiten in Verbindung gebracht.
Die posttranslationale Addition von Ubiquitin wird als Ubiquitinierung bezeichnet. Nur die Polyubiquitinierung an bestimmten Lysinresten, hauptsächlich K48 und K29, ist mit dem Abbau durch das Proteasom verbunden, während andere Mono- und Polyubiquitinierungen Prozesse wie den endozytischen Transport, Entzündungen, Translation und DNA-Reparatur regulieren können. Markierte Proteine werden vom 26S-Proteasom erkannt, entfaltet und in die 20S-proteolytische Kammer in einem ATP-abhängigen Prozess eingeschleust.
Jüngste Studien haben unser Verständnis der Ubiquitinierung über Protein-Substrate hinaus erweitert. Bemerkenswert ist, dass Ubiquitinierung auch an nicht-proteinbasierten Substraten wie Lipopolysacchariden (LPS) in gramnegativen Bakterien stattfinden kann. Diese Modifikation wird durch die RING-typ Ubiquitin-Ligase RNF213/Mysterin katalysiert und verdeutlicht die breitere Rolle von Ubiquitin in zellulären Prozessen.
Die Ubiquitinierung umfasst drei Hauptschritte: Aktivierung, Konjugation und Ligation, die von Ubiquitin-aktivierenden Enzymen (E1s), Ubiquitin-konjugierenden Enzymen (E2s) und Ubiquitin-Ligasen (E3s) durchgeführt werden. Nur die E1-Familie ist hochgradig konserviert. Die Variabilität von E2 und E3 sowie deren Kombinationen ermöglichen eine selektive Markierung und den gezielten Abbau spezifischer intrazellulärer Proteine.
Das Ubiquitin-konjugierende Enzym E2 N (UBE2N) gehört zur E2-Familie, die Ubiquitin vom E1-Enzym empfängt. Sobald das Protein-Substrat mono-ubiquitiniert ist, bildet sich über denselben Ubiquitinierungs-Konjugationsweg eine Polyubiquitin-Kette. TNF-α induziert die Polyubiquitinierung der rezeptorinteragierenden Proteinkinase (RIP), und das ubiquitinierte RIP assoziiert mit NEMO (NF-κB Essential Modulator), um die Inhibitoren des Nuklearfaktors kappa B (IκB)-Kinase-Komplexes zu aktivieren, der aus IKKα und IKKβ besteht.
Dies führt zur Ubiquitinierung von IκB, das sich von NF-κB trennt und dem 26S-Proteasom zugeführt wird.
Das Valosin-enthaltende Peptid (VCP) erleichtert diese Trennung. Das freigesetzte NF-κB aktiviert anschließend die Transkription von Zielgenen im Zellkern. Ektodysplasin (EDA-A1) kann an den TNF-Rezeptor EDAR binden, was zur Bildung eines Komplexes aus EDAD, TRAF6, TAB2 und TAK1 führt. TAK1 kann auch die IKK aktivieren, die wiederum IκB phosphoryliert.
Die Herunterregulierung der NF-κB-Aktivierung durch den T-Zell-Rezeptor (TCR) umfasst die TCR-induzierte Ubiquitinierung und den Abbau von Bcl10. Bcl10 kann die K63-Polyubiquitinierung von NEMO stimulieren, während TRAF6 die Mono-Ubiquitinierung von NEMO oder die K63-Polyubiquitinierung von sich selbst katalysieren kann. 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). SUMO-Modifikationen wirken oft antagonistisch zur Ubiquitinierung und dienen der Stabilisierung von Protein-Substraten. An UBLs konjugierte Proteine werden typischerweise nicht für den Abbau durch das Proteasom markiert, sondern haben vielfältige regulatorische Funktionen.
Das Ubiquitin-Proteasom-System spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der zellulären Proteinhomöostase, und seine Fehlfunktion ist mit verschiedenen Krankheiten wie Alterung, Fettleibigkeit und neurodegenerativen Erkrankungen verbunden. Im Alterungsprozess führt eine verminderte UPS-Aktivität zur Akkumulation beschädigter oder fehlgefalteter Proteine, was zur Zellseneszenz und altersbedingten Pathologien beiträgt. Fettleibigkeit wird mit einer veränderten UPS-Funktion in Verbindung gebracht, die Stoffwechselprozesse beeinflusst und das Risiko für metabolische Störungen erhöht. Viele neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson und Huntington sind durch die Anhäufung ubiquitin-positiver Proteinaggregate gekennzeichnet, was auf eine gestörte UPS-Aktivität hinweist. Diese Aggregate beeinträchtigen die neuronale Funktion und Lebensfähigkeit, was die entscheidende Rolle des UPS im neuronalen Schutz unterstreicht.
Ubiquitin in der Arzneimittelforschung
Ein Proteolyse-zielendes Chimäramolekül (PROTAC) ist ein heterobifunktionelles kleines Molekül, das aus zwei aktiven Domänen und einem Linker besteht. Es ist ein wirksames Werkzeug für den gezielten Proteinabbau. Anstatt als herkömmlicher Enzyminhibitor zu wirken, induziert ein PROTAC die selektive intrazelluläre Proteolyse. PROTAC kann an das Zielprotein binden und eine E3-Ligase für die Ubiquitinierung und den anschließenden Abbau des gesamten Proteins rekrutieren. Durch die direkte Entfernung von Zielproteinen anstelle ihrer Blockierung bieten PROTACs mehrere Vorteile gegenüber kleinen Molekülinhibitoren, die oft hohe systemische Konzentrationen erfordern, um ausreichende Hemmung zu erzielen, was zu toxischen Nebenwirkungen und letztlich zu Arzneimittelresistenz führen kann. Gezielter Proteinabbau mit PROTAC-Technologie entwickelt sich zu einer neuartigen therapeutischen Methode zur Bekämpfung von Krankheiten, insbesondere Krebs, die durch eine abnorme Expression krankheitsverursachender Proteine hervorgerufen werden.
Jüngste Fortschritte in der PROTAC-Technologie haben ihr therapeutisches Potenzial erweitert, darunter die Entwicklung optisch gesteuerter PROTACs, die eine präzise zeitliche und räumliche Kontrolle des Proteinabbaus ermöglichen und so unerwünschte Nebenwirkungen reduzieren. Zusätzlich wurden PROTACs in antiviralen Strategien untersucht, was ihre Vielseitigkeit bei der gezielten Eliminierung viraler Proteine und das Potenzial für neue antivirale Therapieansätze verdeutlicht. Fortschrittliche computergestützte Methoden, wie das Reinforcement-Learning-gestützte Linker-Design, wurden ebenfalls eingesetzt, um die Effizienz und Selektivität von PROTACs zu verbessern und eine rationalere Arzneimittelentwicklung zu ermöglichen.
Verwandte Signalwege
Referenzen:
- : "Next-Generation Drugs and Probes for Chromatin Biology: From Targeted Protein Degradation to Phase Separation." in: Molecules (Basel, Switzerland), Vol. 23, Issue 8, (2018) (PubMed).
- : "The ubiquitin-proteasome pathway: on protein death and cell life." in: The EMBO journal, Vol. 17, Issue 24, pp. 7151-60, (1999) (PubMed).
- : "Drug discovery in the ubiquitin-proteasome system." in: Nature reviews. Drug discovery, Vol. 5, Issue 7, pp. 596-613, (2006) (PubMed).
- : "Proteolysis-targeting chimera (PROTAC) for targeted protein degradation and cancer therapy." in: Journal of hematology & oncology, Vol. 13, Issue 1, pp. 50, (2021) (PubMed).
