Proteasom

Aaron Ciechanover, Avram Hershko und Irwin Rose erhielten für die Entdeckung des Ubiquitin gesteuerten Proteinabbaus im Jahre  2004 den Nobelpreis für Chemie.

Unter einem Proteasom wird ein zylindrisch aufgebauter Proteinkomplex verstanden, der nicht gefaltete Proteine mittels Adenosin-Triphosphat-abhängiger Proteolyse "schreddert". Die im Proteasom zusammengefassten Zellenzyme, sind beim Menschen maßgeblich am Proteinabbau außerhalb der Lysosomen beteiligt (S.a. Ubiquitinierung). Das Proteasom spielt eine wesentliche Rolle bei der Antigenprozessierung (s. u. MHC).

Das Proteasom ist ein 1.700 kDa schwerer Proteinkomplex, der u.a. bei Eukaryoten im Zytoplasma und auch im Zellkern vorkommt. Das Proteasom baut als Bestandteil der Proteinqualitätskontrolle Proteine zu Fragmenten ab. Der Enzymkomplex zählt zu den Proteasen (Peptidasen).

Das Proteasom in Eukaryoten besteht aus einer 20S- und zwei 19S-Untereinheiten, die ihrerseits wieder aus mehreren Proteinen zusammengesetzt sind. Die 19S-Komplexe sitzen bei Eukaryoten deckelartig (Cap) auf den beiden Öffnungen des 20S-Komplexes, einer schlauchartigen Hohlstruktur.

Beide Caps regulieren den Zugang zum 20S-Komplex. Sie erkennen die zum Abbau bestimmten Proteine, markieren sie in einem mehrstufigen enzymatischen Prozess mittels Ubiquitin-Protein-Ligasen mit einer Polyubiquitin-Kette. Die derart markierten und entfalteten Proteine passen nunmehr in den 20S-Komplex hinein. Sie werden dort enzymatisch zerlegt. Ubiquitin ist ein kleines Protein mit einer Molekülmasse von 8,5 kDa.

Der Proteinabbau ist für die Zelle lebensnotwendig. So werden metabolische Enzyme, Transkriptionsfaktoren oder auch den Zellzyklus regulierende Proteine wie Cycline, CDK-Inhibitoren degradiert. Ebenso werden fehlerhafte Proteine abgebaut.

Auch die Peptide, die an den Haupthistokompatibilitätskomplex I gebunden auf der Oberfläche der Zelle dem Immunsystem präsentiert werden, werden im Proteasom prozessiert. Die "Beladung" des  MHC-I-Moleküls wird durch eine membrangebundene, makromolekulare Maschine gesteuert, die als Peptid-Beladungs-Komplex - PLC ( = peptide loading complex) bezeichnet wird. Der MHC-I-Peptidkomplex wird schließlich an die Zelloberfläche transportiert, damit die Peptide dort dem Immunsystem (über den TCR von CD8-positiven Lymphozyten) zur Induktion von Antikörpern präsentiert werden können. 

Immunproteasom: Hierbei handelt es sich um ein "spezialisiertes Proteasom". Dieses besitzt veränderte katalytische Beta-Untereinheiten und wird bei einer immunologischen Reaktion durch einige hämatopoetische Zellen exprimiert. Folgende Untereinheiten sind verändert: 

• Beta1i: LMP2 (low molecular mass protein 2)
• Beta2i: MECL-1 (multicatalytic endopeptidase complex like 1)
• Beta5i: LMP7 (low molecular mass protein 7) - s.u. PSMB8-Gen (Chromosom 6p21.32) das für diese Untereinheit kodiert. 

Ein derart zusammengesetztes Proteasom wird als Immunproteasom bezeichnet. Das Immunproteasom vermag Antigene im Vergleich zu einem normalen ("konstitutiven") Proteasom verstärkt zu exprimieren. In einigen Immunzellen (z.B. Lymphozyten) wird das Immunproteasom dauerhaft gebildet.

Eine Hemmung dieses natürlichen Proteinabbaus führt, wie auf einer Müllhalde zu einer Ansammlung abzubauender Proteine. Durch die fehlende Entsorgung der zellinternen Proteine, werden Zellzyklus und DNA-Reparaturmechanismen inhibiert und die Apoptose verstärkt. Da bei Tumorzellen Proteinsynthese und –abbau aktiviert sind, reagieren sie sensibler auf eine Hemmung ihrer Proteasomentätgkeit als nicht maligne Zellen (s.a.Proteasom-Inhibitoren).

1. Becker JC et al. (2006). New therapeutic approaches for solid tumors: histone deacetylase, methyltransferase and proteasome inhibitors. J Dtsch Dermatol Ges 4: 108-113