البروتيازوم

البروتيازومات هي مركبات بروتينية أساسية مسؤولة عن تحلل البروتينات عن طريق التحلل البروتيني ، وهو تفاعل كيميائي يكسر الروابط الببتيدية . تُسمى الإنزيمات التي تساعد في هذه التفاعلات بالبروتيازات . توجد البروتيازومات داخل جميع حقيقيات النوى والعتائق ، وفي بعض أنواع البكتيريا . في حقيقيات النوى، تتواجد البروتيازومات في كل من النواة والسيتوبلازم . ^{[ 1 ]} يُعد مسار التحلل البروتيني البروتيازومي ضروريًا للعديد من العمليات الخلوية، بما في ذلك دورة الخلية ، وتنظيم التعبير الجيني ، والاستجابة للإجهاد التأكسدي . وقد تم الاعتراف بأهمية التحلل البروتيني داخل الخلايا ودور اليوبيكويتين في مسارات التحلل البروتيني في منح جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2004 لكل من آرون سيشانوفر ، وأفرام هيرشكو ، وإروين روز . ^{[ 2 ]}

البروتيازوم 20S الأساسي (باللون الأزرق في الشكل المجاور) هو مُركّب بروتيني أسطواني مُقسّم إلى أربع حلقات مُتراصة تُشكّل مسامًا مركزيًا. تتكوّن كل حلقة من سبعة بروتينات مُنفصلة. تتكوّن الحلقتان الداخليتان من سبع وحدات فرعية β تحتوي على ما بين ثلاثة إلى سبعة مواقع نشطة للبروتياز ، داخل الحجرة المركزية للمُركّب. ^{[ 3 ]} يتم التحكم في الوصول إلى هذه البروتيازات من أعلى البروتيازوم 20S، ويتم تنظيم هذا الوصول بواسطة العديد من المُركّبات البروتينية الكبيرة، بما في ذلك الجسيم التنظيمي 19S الذي يُشكّل البروتيازوم 26S. في حقيقيات النوى، يتم توجيه البروتينات الموسومة باليوبيكويتين إلى البروتيازوم 26S، وهي الخطوة قبل الأخيرة من نظام البروتيازوم اليوبيكويتين (UPS). تُعدّ البروتيازومات جزءًا من آلية رئيسية تُنظّم بها الخلايا تركيز بروتينات مُحدّدة وتُحلّل البروتينات المُطوية بشكل خاطئ .

تتطلب البروتينات المُخصصة للتحلل بواسطة البروتيازوم 26S عنصرين أساسيين: 1) ارتباط بروتين صغير يُسمى يوبيكويتين، و2) منطقة غير مُهيكلة تتكون من حوالي 25 حمضًا أمينيًا. ^{[ 4 ] [ 5 ]} يمكن للبروتينات التي تفتقر إلى هذه المنطقة غير المُهيكلة أن تمتلك مُحركًا آخر، مثل cdc48 في الخميرة أو P97 في البشر، لتوليد هذه المنطقة غير المُهيكلة ^{[ 6 ]} من خلال آلية فريدة حيث يتم فك طي اليوبيكويتين بواسطة cdc48 وعوامله المساعدة Npl4/Ufd1. ^{[ 7 ]} يتم تحفيز وسم البروتين المستهدف باليوبيكويتين بواسطة سلسلة من الإنزيمات تتكون من إنزيم تنشيط اليوبيكويتين (E1) ، وإنزيم اقتران اليوبيكويتين (E2) ، وإنزيمات ربط اليوبيكويتين (E3) . بمجرد وسم البروتين بجزيء يوبيكويتين واحد، تُرسل هذه الإشارة إلى إنزيمات الربط الأخرى لربط جزيئات يوبيكويتين إضافية. والنتيجة هي سلسلة متعددة اليوبيكويتين ترتبط بالبروتيازوم، مما يسمح له بتحليل البروتين الموسوم بطريقة تعتمد على الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP). ^{[ 8 ]} ينتج عن عملية التحليل بواسطة البروتيازوم ببتيدات يتراوح طولها بين سبعة وثمانية أحماض أمينية ، والتي يمكن تحليلها لاحقًا إلى سلاسل أقصر من الأحماض الأمينية واستخدامها في تصنيع بروتينات جديدة. ^{[ 8 ]}

قبل اكتشاف نظام اليوبيكويتين-البروتيازوم، كان يُعتقد أن تحلل البروتين في الخلايا يعتمد بشكل أساسي على الليزوزومات ، وهي عضيات محاطة بغشاء ذات بيئة حمضية مليئة بالبروتيازات، قادرة على تحليل وإعادة تدوير البروتينات الخارجية والعضيات القديمة أو التالفة. ^{[ 8 ]} مع ذلك، أشارت دراسة أجراها جوزيف إتلينجر وألفريد ل. جولدبيرج عام 1977 حول تحلل البروتين المعتمد على الأدينوسين ثلاثي الفوسفات في الخلايا الشبكية ، التي تفتقر إلى الليزوزومات، إلى وجود آلية تحلل داخلية ثانية. ^{[ 9 ]} وقد تبين عام 1978 أن هذه الآلية تتكون من عدة سلاسل بروتينية متميزة، وهو أمر جديد بين البروتيازات في ذلك الوقت. ^{[ 10 ]} وفي وقت لاحق، أدت دراسات حول تعديل الهستونات إلى تحديد تعديل تساهمي غير متوقع لبروتين الهستون، وذلك من خلال رابطة بين سلسلة جانبية من الليسين في الهستون وبقايا الجليسين الطرفية لليوبيكويتين ، وهو بروتين لم تكن له وظيفة معروفة. ^{[ 11 ]} ثم اكتُشف أن بروتينًا سبق تحديده مرتبطًا بالتحلل البروتيني، يُعرف باسم عامل التحلل البروتيني المعتمد على الأدينوسين ثلاثي الفوسفات 1 (APF-1)، هو نفسه بروتين اليوبيكويتين. ^{[ 12 ]} عُزلت الأنشطة البروتينية لهذا النظام كمركب بروتيني متعدد، أطلق عليه شيروين ويلك وماريون أورلوفسكي في البداية اسم مركب البروتياز متعدد المحفزات. ^{[ 13 ]} لاحقًا، اكتُشف المركب البروتيني المعتمد على الأدينوسين ثلاثي الفوسفات المسؤول عن تحلل البروتين المعتمد على اليوبيكويتين، وسُمي البروتيازوم 26S. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

أُجريت معظم الأعمال المبكرة التي أدت إلى اكتشاف نظام البروتيازوم اليوبيكويتين في أواخر سبعينيات وأوائل ثمانينيات القرن الماضي في معهد التخنيون، في مختبر أفراهام هيرشكو ، حيث كان آرون سيشانوفر طالب دراسات عليا. وقد أتاحت إجازة هيرشكو البحثية التي استمرت عامًا كاملًا في مختبر إيروين روز بمركز فوكس تشيس للسرطان رؤى مفاهيمية أساسية، على الرغم من أن روز قلل لاحقًا من شأن دوره في الاكتشاف. ^{[ 16 ]} وتقاسم الثلاثة جائزة نوبل في الكيمياء عام 2004 لإسهاماتهم في اكتشاف هذا النظام. ^{[ 2 ]}

على الرغم من أن بيانات المجهر الإلكتروني (EM) التي تكشف عن بنية الحلقة المتراصة للبروتيازوم أصبحت متاحة في منتصف الثمانينيات، ^{[ 17 ]} إلا أن البنية الأولى للجسيم الأساسي للبروتيازوم لم يتم حلها بواسطة علم البلورات بالأشعة السينية حتى عام 1994. ^{[ 18 ]} كشف العمل الرائد على المجهر الإلكتروني فائق البرودة من قبل مجموعة فولفغانغ باوميستر عن البنية العامة للبروتيازوم 26S ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]} ومكن التجارب الكيميائية الحيوية من توفير آلية عامة للتحلل المعتمد على اليوبيكويتين. ^{[ 23 ]} في عام 2018، تم تحديد البنية الأولى للبروتيازوم 26S في الخميرة ^{[ 24 ]} ، تلتها أولى البنى الذرية للبروتيازوم 26S البشري الكامل [ ^{25 ] في} مركب مع ركيزة بروتينية متعددة اليوبيكويتين، وذلك باستخدام المجهر الإلكتروني فائق البرودة ، مما أكد الآليات التي يتم من خلالها التعرف على الركيزة، وإزالة اليوبيكويتين منها، وفك طيها، وتحللها بواسطة البروتيازوم 26S. وقد وفرت الكيمياء الحيوية المفصلة آلية عامة للتحلل المعتمد على اليوبيكويتين بواسطة البروتيازوم: ارتباط الركيزة بالبروتيازوم، وانخراط منطقة غير منظمة مع محرك AAA مصحوبًا بتغير بنيوي كبير للبروتيازوم، وإزالة اليوبيكويتين المعتمدة على الانتقال بواسطة Rpn11، يليها فك الطي والتحلل البروتيني بواسطة الجسيم الأساسي 20S. ^{[ 23 ]}

قدّمت تقنية التصوير المقطعي الإلكتروني بالتبريد (Cryo-ET) رؤى فريدة حول البروتيازومات داخل الخلايا. عند فحص الخلايا العصبية، وُجد أن البروتيازومات في نفس الحالة الأرضية وحالات المعالجة التي تم تحديدها بواسطة التصوير المجهري الإلكتروني بالتبريد. ومن المثير للاهتمام أن معظم البروتيازومات كانت في الحالة الأرضية، مما يشير إلى أنها جاهزة لبدء العمل عندما تتعرض الخلية لإجهاد بروتيني سام. ^{[ 26 ]} في دراسة منفصلة، ​​عند الإفراط في التعبير عن تجمعات البروتين على شكل تكرارات بولي-جلايسين-ألانين، تم رصد البروتيازومات وهي متوقفة على هذه التجمعات. ^{[ 27 ]} كشف التصوير المقطعي الإلكتروني بالتبريد للطحالب الخضراء الكلاميدوموناس رينهاردتي أن البروتيازومات 26S داخل النواة تتجمع حول معقد المسام النووية وترتبط بشكل خاص بالغشاء.

غالبًا ما يُشار إلى المكونات الفرعية للبروتيازوم بمعامل ترسيب سفيدبيرغ (يرمز له بـ S ). البروتيازوم الأكثر استخدامًا بشكل حصري في الثدييات هو البروتيازوم السيتوبلازمي 26S، والذي يبلغ حجمه حوالي يبلغ وزنها الجزيئي 2000 كيلو دالتون ، وتحتوي على مُركّب بروتيني فرعي واحد من نوع 20S ومُركّب تنظيمي فرعي واحد من نوع 19S. تُعرف البروتيازومات ذات الغطاء المزدوج باسم بروتيازومات 30S، وتوجد أيضًا في الخلية. يتميز لبّ 20S بأنه مجوّف، ويُوفّر تجويفًا مُغلقًا تُحلّل فيه البروتينات؛ وتُمثّل الفتحات الموجودة في طرفي اللبّ بوابات تسمح بدخول البروتين المستهدف. يمكن لكل طرف من طرفي جسيم اللبّ أن يرتبط بوحدة تنظيمية فرعية من نوع 19S تحتوي على مواقع نشطة متعددة لإنزيم ATPase ومواقع ارتباط اليوبيكويتين؛ وهذا التركيب هو الذي يتعرّف على البروتينات متعددة اليوبيكويتين وينقلها إلى اللبّ التحفيزي. ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

يمكن لعدة أغطية بديلة أن ترتبط أيضًا بالنواة 20S: من المعروف أن 11S (PA26) أو Blm10 (PA200) يرتبطان بالنواة ويمكنهما الارتباط بأحد جانبيها أو كليهما. ويمكن لشكل بديل من الوحدة التنظيمية يُسمى جسيم 11S أن يرتبط بالنواة بنفس طريقة ارتباط جسيم 19S تقريبًا؛ وقد يلعب 11S دورًا في تحلل الببتيدات الغريبة، مثل تلك التي تُنتج بعد الإصابة بفيروس . [ ^{31 ] تمتلك} العتائق والبكتيريا أيضًا بروتيازومات، ولها أغطية بديلة ترتبط بنواها. سنتناول فيما يلي بنية ووظيفة هذه المركبات الفرعية.

الجسيم التنظيمي 19S

يتكون جسيم 19S في حقيقيات النوى من 19 بروتينًا منفردًا، وينقسم إلى مجموعتين فرعيتين: قاعدة مكونة من 9 وحدات فرعية ترتبط مباشرةً بحلقة ألفا لجسيم 20S الأساسي، وغطاء مكون من 10 وحدات فرعية. ستة من بروتينات القاعدة التسعة هي وحدات فرعية من إنزيمات ATPase من عائلة AAA، ويوجد نظير تطوري لهذه الإنزيمات في العتائق يُسمى PAN (النيوكليوتيداز المنشط للبروتيازوم). ^{[ 43 ]} يتطلب ارتباط جسيمَي 19S و20S ارتباط ATP بوحدات ATPase الفرعية في 19S، كما أن تحلل ATP ضروري لكي يقوم المركب المُجمَّع بتحليل البروتينات المطوية والمُيوبيكويتينية. تجدر الإشارة إلى أن خطوة فك طي الركيزة فقط هي التي تتطلب طاقة من تحلل ATP، بينما يكفي ارتباط ATP وحده لدعم جميع الخطوات الأخرى اللازمة لتحلل البروتين (مثل تجميع المركب، وفتح البوابة، والانتقال، والتحلل البروتيني). ^{[ 44 ] [ 45 ]} في الواقع، يدعم ارتباط ATP بإنزيمات ATPases بحد ذاته التحلل السريع للبروتينات غير المطوية. ومع ذلك، فبينما يُعد تحلل ATP ضروريًا لفك طي البروتين فقط، فإنه ليس من الواضح بعد ما إذا كان من الممكن استخدام هذه الطاقة في ربط بعض هذه الخطوات. ^{[ 45 ] [ 46 ]}

في عام 2012، كشفت دراستان مستقلتان عن البنية الجزيئية للبروتيازوم 26S باستخدام المجهر الإلكتروني أحادي الجسيم . ^{[ 20 ] [ 21 ]} وفي عام 2016، حددت ثلاث دراسات مستقلة أول بنية للبروتيازوم البشري 26S بدقة شبه ذرية في غياب الركائز باستخدام المجهر الإلكتروني فائق البرودة. ^{[ 48 ] [ 49 ] [ 19 ]} في قلب البروتيازوم 19S، المجاور مباشرةً للبروتيازوم 20S، توجد إنزيمات AAA-ATPases ( بروتينات AAA ) التي تتجمع لتكوين حلقة سداسية غير متجانسة بالترتيب Rpt1/Rpt2/Rpt6/Rpt3/Rpt4/Rpt5. هذه الحلقة عبارة عن ثلاثي من ثنائيات: Rpt1/Rpt2 وRpt6/Rpt3 وRpt4/Rpt5 تتحد عبر حلزوناتها الملتفة الطرفية N. تبرز هذه اللفائف من الحلقة السداسية. يرتبط أكبر جسيم تنظيمي غير ATPase، وهما Rpn1 وRpn2، بأطراف Rpt1/2 وRpt6/3 على التوالي. يرتبط مستقبل اليوبيكويتين Rpn13 بـ Rpn2، مُكملاً بذلك المُركب الفرعي الأساسي. يُغطي الغطاء نصف سداسي AAA-ATPase (Rpt6/Rpt3/Rpt4)، وبشكل غير متوقع، يتصل مباشرةً بـ 20S عبر Rpn6، وبدرجة أقل عبر Rpn5. تتجمع الوحدات الفرعية Rpn9 وRpn5 وRpn6 وRpn7 وRpn3 وRpn12، المرتبطة بنيويًا فيما بينها ومع الوحدات الفرعية لمركب COP9 و eIF3 (لذا تُسمى وحدات PCI الفرعية)، لتُشكل بنيةً على شكل حدوة حصان تُحيط بالمتغاير الثنائي Rpn8/Rpn11. يقع إنزيم Rpn11، وهو الإنزيم المزيل لليوبيكويتين ، عند مدخل سداسي AAA-ATPase، وهو موقع مثالي لإزالة جزيئات اليوبيكويتين مباشرة قبل نقل الركائز إلى 20S. أما مستقبل اليوبيكويتين الثاني الذي تم تحديده حتى الآن، Rpn10، فيقع على محيط الغطاء، بالقرب من الوحدات الفرعية Rpn8 وRpn9.

التغيرات التركيبية لـ 19S

أظهرت هذه البنى الأولية أن البروتيازوم 19S يتخذ عدة حالات (تُسمى s1، s2، s3، وs4 في الخميرة)، مما وفر نموذجًا لكيفية استقطاب الركائز وتحللها لاحقًا بواسطة البروتيازوم. ^{[ 50 ] [ 51 ]} من السمات المميزة لتكوين AAA-ATPase في هذه الحالة السائدة منخفضة الطاقة هو ترتيب نطاقات AAA على شكل سلم أو حلقة قفل. ^{[ 47 ] [ 20 ]} يمكن التحكم في هذه الحالات بإضافة ATPgS، ^{[ 22 ]} أو الركيزة، أو بواسطة إنزيم DUB غير الأساسي Ubp6. وقد اقتُرح أن تكون الحالة s1 هي حالة الراحة للبروتيازوم، مما يسمح لركيزة بروتينية بالارتباط بمحرك AAA. عند ارتباط الركيزة، ينتقل البروتيازوم إلى حالة المعالجة، حيث تتشكل قناة مركزية من أعلى محرك AAA إلى حجرة التحلل البروتيني 20S، مما يسمح بمرور الركيزة مباشرةً من وحدة 19S RP إلى موقع التحلل البروتيني. وقد أظهرت دراسات لاحقة على البروتيازوم البشري العديد من الحالات الفرعية الأخرى، وقدمت نموذجًا لانتقال الركيزة المعتمد على ATP. ^{[ 52 ] [ 48 ] [ 25 ]}

في عام 2018، تم تحديد أول بنية لبروتيازوم معالج مرتبط بركيزة باستخدام المجهر الإلكتروني فائق البرودة، مما أكد نتائج الكيمياء الحيوية التي أظهرت أن إزالة اليوبيكويتين بواسطة Rpn11 تتم بطريقة تعتمد على الانتقال ^{[ 53 ]} ، وكشف عن خطوات رئيسية في عملية الانتقال. ^{[ 24 ]} لاحقًا، بُذلت جهود كبيرة لتوضيح البنى التفصيلية لإزالة اليوبيكويتين، وبدء الانتقال، والفك التدريجي للركائز، وذلك من خلال تحديد سبع بنى ذرية لبروتيازوم 26S المرتبط بالركيزة في آن واحد. ^{[ 25 ]}

يُعدّ تجميع البروتيازوم عملية معقدة نظرًا لعدد الوحدات الفرعية التي يجب أن تتحد لتكوين مُركّب نشط. تُصنّع الوحدات الفرعية β مع "ببتيدات أولية" في الطرف الأميني، والتي تُعدّل بعد الترجمة أثناء تجميع جسيم 20S لكشف الموقع النشط للتحلل البروتيني. يتكوّن جسيم 20S من نصفي بروتيازوم، يتألف كل منهما من حلقة β أولية سباعية الذرات متصلة بحلقة α سباعية الذرات. يُحفّز ارتباط حلقتي β في نصفي البروتيازوم التحلل الذاتي للببتيدات الأولية المعتمد على الثريونين لكشف الموقع النشط. تتوسط هذه التفاعلات β بشكل رئيسي جسور ملحية وتفاعلات كارهة للماء بين حلزونات ألفا المحفوظة ، والتي يؤدي تعطيلها عن طريق الطفرات إلى إضعاف قدرة البروتيازوم على التجميع. ^{[ 58 ]} تبدأ عملية تجميع أنصاف البروتيازومات، بدورها، بتجميع الوحدات الفرعية α في حلقتها السباعية، مما يشكل قالبًا لارتباط حلقة pro-β المقابلة. لم يتم توصيف عملية تجميع الوحدات الفرعية α. ^{[ 59 ]}

لم يُكشف النقاب عن عملية تجميع الجسيم التنظيمي 19S إلا مؤخرًا إلى حد كبير. يتجمع هذا الجسيم من مكونين فرعيين متميزين: القاعدة والغطاء. ويُسهّل تجميع معقد القاعدة أربعة بروتينات مُرافقة للتجميع ، هي: Hsm3/S5b، وNas2/p27، وRpn14/PAAF1، وNas6/ gankyrin (أسماء مُشتقة من الخميرة/الثدييات). ^{[ 60 ]} ترتبط هذه البروتينات المُرافقة بوحدات AAA- ATPase الفرعية، ويبدو أن وظيفتها الرئيسية هي ضمان التجميع السليم لحلقة AAA- ATPase السداسية غير المتجانسة . وحتى الآن، لا يزال الجدل قائمًا حول ما إذا كان معقد القاعدة يتجمع بشكل منفصل، أو ما إذا كان التجميع مُوجّهًا بواسطة الجسيم الأساسي 20S، أو ما إذا كانت هناك مسارات تجميع بديلة. بالإضافة إلى البروتينات المُرافقة الأربعة، يُعزز إنزيم إزالة اليوبيكويتين Ubp6/ Usp14 أيضًا تجميع القاعدة، ولكنه ليس ضروريًا. ^{[ 61 ]} يتم تجميع الغطاء بشكل منفصل بترتيب محدد ولا يتطلب وجود مشرفين على التجميع. ^{[ 62 ]}

يُعدّ البروتيازوم 20S واسع الانتشار وضروريًا في حقيقيات النوى والعتائق. كما تشترك رتبة البكتيريا الأكتينوميسيتاليس في وجود نظائر للبروتيازوم 20S، بينما تمتلك معظم البكتيريا جينات الصدمة الحرارية hslV و hslU ، والتي ينتج عنها بروتين بروتياز متعدد الوحدات مُرتب في حلقة ثنائية الطبقات، بالإضافة إلى إنزيم ATPase. ^{[ 122 ]} وقد افترض الباحثون أن بروتين hslV يُشبه السلف المحتمل للبروتيازوم 20S. ^{[ 123 ]} بشكل عام، لا يُعدّ hslV ضروريًا في البكتيريا، ولا تمتلكه جميع البكتيريا، بينما تمتلك بعض الطلائعيات كلاً من نظامي 20S وhslV. ^{[ 122 ]} كما تمتلك العديد من البكتيريا نظائر أخرى للبروتيازوم وإنزيم ATPase مرتبط به، وأبرزها ClpP وClpX . يُفسر هذا التكرار سبب عدم ضرورة نظام HslUV.

تشير تحليلات التسلسل إلى أن الوحدات الفرعية β المحفزة تباينت في وقت أبكر من التطور مقارنةً بالوحدات الفرعية α ذات الطابع البنيوي السائد. في البكتيريا التي تُنتج بروتيازوم 20S، تتمتع الوحدات الفرعية β بتطابق تسلسلي عالٍ مع الوحدات الفرعية β في العتائق وحقيقيات النوى، بينما يكون تطابق تسلسل الوحدات الفرعية α أقل بكثير. قد يكون وجود بروتيازومات 20S في البكتيريا ناتجًا عن النقل الجيني الأفقي ، بينما يُعزى تنوع الوحدات الفرعية بين حقيقيات النوى إلى أحداث تضاعف جيني متعددة . ^{[ 122 ]}

تُضبط دورة الخلية من خلال عمل منظم لكينازات السيكلين المعتمدة (CDKs)، التي تُنشطها سيكلينات محددة تُحدد مراحل دورة الخلية . تتميز سيكلينات الانقسام، التي لا تبقى في الخلية إلا لبضع دقائق، بعمر قصير نسبيًا بين جميع البروتينات داخل الخلوية. ^{[ 8 ]} بعد أن يؤدي مُركب CDK-سيكلين وظيفته، يُضاف إلى السيكلين المرتبط به سلاسل متعددة من اليوبيكويتين، ثم يُدمر بواسطة البروتيازوم، الذي يُحدد اتجاه دورة الخلية. على وجه الخصوص، يتطلب الخروج من الانقسام انفصال السيكلين B ، وهو المكون التنظيمي، عن مُركب عامل تحفيز الانقسام، وذلك بواسطة البروتيازوم . ^{[ 124 ]} في خلايا الفقاريات ، قد يحدث "انزلاق" عبر نقطة تفتيش الانقسام، مما يؤدي إلى خروج مبكر من طور M، على الرغم من تأخير هذا الخروج بواسطة نقطة تفتيش المغزل . ^{[ 125 ]}

تتضمن نقاط التفتيش المبكرة في دورة الخلية، مثل نقطة التفتيش بعد نقطة التقييد بين طور G1 وطور S، _تحلل السيكلين A بواسطة البروتيازوم ، والذي يُحفز إضافة اليوبيكويتين إليه بواسطة مُركب تعزيز الطور الانفصالي (APC)، وهو إنزيم ليغاز اليوبيكويتين E3 . ^{[ 126 ]} يُعد مُركب تعزيز الطور الانفصالي (APC) ومركب بروتين Skp1/Cul1/F-box ( مركب SCF ) المنظمين الرئيسيين لتحلل السيكلين والتحكم في نقاط التفتيش؛ ويتم تنظيم مركب SCF نفسه بواسطة مُركب تعزيز الطور الانفصالي (APC) عبر إضافة اليوبيكويتين إلى البروتين المُهايئ Skp2، مما يمنع نشاط مركب SCF قبل الانتقال من طور G1 إلى طور S. ^{[ 127 ]}

لكل مكون من مكونات جسيم 19S دوره التنظيمي الخاص. يُعدّ جانكيرين ، وهو بروتين ورمي تم اكتشافه مؤخرًا ، أحد المكونات الفرعية لجسيم 19S، ويرتبط بقوة أيضًا بالكيناز المعتمد على السيكلين CDK4، ويلعب دورًا رئيسيًا في التعرف على البروتين p53 المُيوبيكويتين ، من خلال انجذابه لإنزيم يوبيكويتين ليغاز MDM2 . يتميز جانكيرين بخصائصه المضادة للاستماتة ، وقد ثبت أنه يُفرط في التعبير في بعض أنواع الخلايا السرطانية ، مثل سرطان الخلايا الكبدية . ^{[ 128 ]}

على غرار حقيقيات النوى، تستخدم بعض العتائق أيضًا البروتيازوم للتحكم في دورة الخلية، وتحديدًا عن طريق التحكم في انقسام الخلية بوساطة ESCRT -III. ^{[ 129 ]}

استجابةً للضغوط الخلوية  ، كالإصابة بالعدوى أو الصدمة الحرارية أو التلف التأكسدي  ، تُفرز بروتينات الصدمة الحرارية التي تُحدد البروتينات المطوية بشكل خاطئ أو غير المطوية، وتُوجهها للتحلل البروتيني بواسطة البروتيازوم. وقد ثبت أن كلاً من بروتينَي Hsp27 و Hsp90 ، وهما بروتينان مرافقان ، يُساهمان في زيادة نشاط نظام اليوبيكويتين-بروتيازوم، على الرغم من أنهما لا يُشاركان بشكل مباشر في هذه العملية. ^{[ 138 ]} من جهة أخرى، يرتبط بروتين Hsp70 بالبقع الكارهة للماء المكشوفة على سطح البروتينات المطوية بشكل خاطئ، ويستقطب إنزيمات E3 يوبيكويتين ليغاز، مثل CHIP، لوسم هذه البروتينات تمهيدًا لتحللها بواسطة البروتيازوم. ^{[ 139 ]} ويخضع بروتين CHIP (الطرف الكربوكسيلي لبروتين Hsp70 المتفاعل) نفسه للتنظيم عبر تثبيط التفاعلات بين إنزيم E3 CHIP وشريكه الرابط E2. ^{[ 140 ]}

توجد آليات مماثلة لتعزيز تحلل البروتينات المتضررة بالأكسدة عبر نظام البروتيازوم. على وجه الخصوص، تُنظَّم البروتيازومات الموجودة في النواة بواسطة PARP ، وتعمل بنشاط على تحلل الهستونات المؤكسدة بشكل غير مناسب . ^{[ 141 ]} يمكن تحلل البروتينات المؤكسدة، التي غالبًا ما تُشكِّل تجمعات كبيرة غير متبلورة في الخلية، مباشرةً بواسطة الجسيم الأساسي 20S دون الحاجة إلى الغطاء التنظيمي 19S، ولا تتطلب تحلل ATP أو وسمها باليوبيكويتين. ^{[ 110 ]} مع ذلك، فإن المستويات العالية من التلف التأكسدي تزيد من درجة الترابط بين أجزاء البروتين، مما يجعل التجمعات مقاومة للتحلل البروتيني. يرتبط ازدياد أعداد وأحجام هذه التجمعات المؤكسدة بشدة بالشيخوخة . ^{[ 142 ]}

قد يُساهم خلل تنظيم نظام البروتيازوم واليوبيكويتين في العديد من الأمراض العصبية، وقد يؤدي إلى أورام دماغية مثل الأورام النجمية . ^{[ 143 ]} في بعض الأمراض التنكسية العصبية المتأخرة الظهور ، والتي تشترك في تراكم البروتينات المطوية بشكل خاطئ كسمة مشتركة، مثل مرض باركنسون ومرض الزهايمر ، يمكن أن تتشكل تجمعات كبيرة غير قابلة للذوبان من البروتينات المطوية بشكل خاطئ، مما يؤدي إلى سمية عصبية ، من خلال آليات لم تُفهم جيدًا بعد. وقد اقتُرح انخفاض نشاط البروتيازوم كسبب لتراكم البروتينات وتكوّن أجسام ليوي في مرض باركنسون. ^{[ 144 ]} وتدعم هذه الفرضية ملاحظة أن نماذج الخميرة لمرض باركنسون أكثر عرضة للسمية الناتجة عن بروتين ألفا-سينوكلين ، وهو المكون البروتيني الرئيسي لأجسام ليوي، في ظل ظروف انخفاض نشاط البروتيازوم. ^{[ 145 ]} قد يكون ضعف نشاط البروتيازوم سببًا للاضطرابات المعرفية مثل اضطرابات طيف التوحد ، وأمراض العضلات والأعصاب مثل اعتلال العضلات بالأجسام الشاملة . ^{[ 143 ]}

يؤدي البروتيازوم دورًا مباشرًا ولكنه بالغ الأهمية في وظيفة الجهاز المناعي التكيفي . تُعرض مستضدات الببتيد بواسطة بروتينات معقد التوافق النسيجي الرئيسي من الفئة الأولى (MHC) على سطح الخلايا العارضة للمستضد . هذه الببتيدات هي نتاج التحلل البروتيني بواسطة البروتيازوم للبروتينات التي يُنتجها العامل الممرض الغازي . على الرغم من أن البروتيازومات المُعبر عنها بشكل دائم يمكنها المشاركة في هذه العملية، إلا أن مُركبًا متخصصًا مُكوّنًا من بروتينات، يتم تحفيز التعبير عنها بواسطة إنترفيرون غاما ، هو المُنتج الرئيسي للببتيدات ذات الحجم والتركيب الأمثل للارتباط بـ MHC. تشمل هذه البروتينات، التي يزداد التعبير عنها أثناء الاستجابة المناعية، الجسيم التنظيمي 11S، الذي يتمثل دوره البيولوجي الرئيسي المعروف في تنظيم إنتاج روابط MHC، ووحدات فرعية β متخصصة تُسمى β1i وβ2i وβ5i ذات خصوصية ركيزة مُعدلة. يُعرف المُركب المُتشكل من الوحدات الفرعية β المتخصصة باسم البروتيازوم المناعي . ^{[ 31 ]} يتم التعبير عن وحدة فرعية أخرى من متغيرات β5i، وهي β5t، في الغدة الزعترية، مما يؤدي إلى تكوين " بروتيازوم زعتر " خاص بالغدة الزعترية، ووظيفته غير واضحة حتى الآن. ^{[ 146 ]}

تعتمد قوة ارتباط الليجاندات بجزيئات MHC من الفئة الأولى على تركيب الطرف الكربوكسيلي لليجاند ، حيث ترتبط الببتيدات بروابط هيدروجينية ومن خلال تلامس وثيق مع منطقة تُسمى "الجيب B" على سطح MHC. تفضل العديد من أليلات MHC من الفئة الأولى بقايا الطرف الكربوكسيلي الكارهة للماء، ومن المرجح أن يُنتج مُركب البروتيازوم المناعي نهايات كربوكسيلية كارهة للماء. ^{[ 147 ]}

نظراً لدور البروتيازوم في توليد الشكل النشط من NF-κB ، وهو منظم مضاد للاستماتة ومحفز للالتهاب لتعبير السيتوكينات ، فقد ارتبط نشاطه بالأمراض الالتهابية والمناعية الذاتية . وترتبط المستويات المرتفعة من نشاط البروتيازوم بنشاط المرض، وقد ثبت تورطها في أمراض المناعة الذاتية، بما في ذلك الذئبة الحمامية الجهازية والتهاب المفاصل الروماتويدي . ^{[ 31 ]}

يشارك البروتيازوم أيضًا في التحلل البروتيني داخل الخلايا للفيروسات المرتبطة بالأجسام المضادة. في مسار التحييد هذا، يرتبط بروتين TRIM21 (وهو بروتين من عائلة الزخارف الثلاثية) بالغلوبولين المناعي G لتوجيه الفيروس إلى البروتيازوم حيث يتم تحلله. ^{[ 148 ]}

تتمتع مثبطات البروتيازوم بنشاط فعال مضاد للأورام في مزارع الخلايا ، حيث تحفز موت الخلايا المبرمج عن طريق تعطيل التحلل المنظم لبروتينات دورة الخلية المحفزة للنمو. ^{[ 136 ]} وقد أثبت هذا النهج المتمثل في التحفيز الانتقائي لموت الخلايا المبرمج في الخلايا السرطانية فعاليته في النماذج الحيوانية والتجارب السريرية على البشر.

اللاكتاسيستين ، وهو منتج طبيعي تُصنّعه بكتيريا الستربتوميسيس ، كان أول مثبط غير ببتيدي للبروتيازوم يُكتشف ^{[ 149 ]} ، ويُستخدم على نطاق واسع كأداة بحثية في الكيمياء الحيوية وبيولوجيا الخلية. رُخِّص اللاكتاسيستين لشركة مايوجينيكس/بروسكريبت، التي استحوذت عليها شركة ميلينيوم للأدوية ، وهي الآن جزء من شركة تاكيدا للأدوية . يُعدِّل اللاكتاسيستين تساهميًا الثريونين الأميني الطرفي للوحدات الفرعية β المحفزة للبروتيازوم، وخاصة الوحدة الفرعية β5 المسؤولة عن نشاط البروتيازوم الشبيه بالكيموتريبسين. ساعد هذا الاكتشاف في ترسيخ البروتيازوم كفئة جديدة من البروتيازات من الناحية الميكانيكية: بروتياز الثريونين الأميني الطرفي .

بورتيزوميب (بوروناتيد MG132)، وهو جزيء طورته شركة ميلينيوم للأدوية ويُسوّق تحت اسم فيلكيد، هو أول مثبط للبروتيازوم يصل إلى الاستخدام السريري كعامل للعلاج الكيميائي . ^{[ 150 ]} يُستخدم بورتيزوميب في علاج الورم النخاعي المتعدد . ^{[ 151 ]} ومن الجدير بالذكر أن الورم النخاعي المتعدد يُلاحظ أنه يؤدي إلى زيادة مستويات الببتيدات المشتقة من البروتيازوم في مصل الدم ، والتي تنخفض إلى مستوياتها الطبيعية استجابةً للعلاج الكيميائي الناجح. ^{[ 152 ]} أشارت الدراسات التي أُجريت على الحيوانات إلى أن بورتيزوميب قد يكون له أيضًا تأثيرات ذات أهمية سريرية في سرطان البنكرياس . ^{[ 153 ] [ 154 ]} بدأت الدراسات قبل السريرية والسريرية المبكرة لفحص فعالية بورتيزوميب في علاج أنواع أخرى من السرطانات المرتبطة بالخلايا البائية ، ^{[ 155 ]} ولا سيما بعض أنواع سرطان الغدد الليمفاوية اللاهودجكينية . ^{[ 156 ]} يبدو أن النتائج السريرية تبرر أيضًا استخدام مثبطات البروتيازوم مع العلاج الكيميائي، لعلاج ابيضاض الدم الليمفاوي الحاد للخلايا البائية. ^{[ 157 ]} يمكن لمثبطات البروتيازوم أن تقتل بعض أنواع خلايا ابيضاض الدم المزروعة المقاومة للجلوكوكورتيكويدات. ^{[ 158 ]}

طُوِّر جزيء ريتونافير ، الذي يُسوَّق تحت اسم نورفير، كمثبط للبروتياز ، واستُخدم لعلاج عدوى فيروس نقص المناعة البشرية . ومع ذلك، فقد ثبت أنه يُثبِّط البروتيازومات بالإضافة إلى البروتيازات الحرة؛ وبشكلٍ أدق، يُثبِّط ريتونافير النشاط الشبيه بالكيموتريبسين للبروتيازوم، بينما يُعزِّز النشاط الشبيه بالتريبسين إلى حدٍّ ما. ^{[ 159 ]} تشير الدراسات التي أُجريت على نماذج حيوانية إلى أن ريتونافير قد يكون له تأثيرات مثبطة على نمو خلايا الورم الدبقي . ^{[ 160 ]}

أظهرت مثبطات البروتيازوم نتائج واعدة في علاج أمراض المناعة الذاتية في النماذج الحيوانية. فعلى سبيل المثال، وجدت دراسات أجريت على فئران خضعت لعمليات زرع جلد بشري انخفاضًا في حجم آفات الصدفية بعد العلاج بمثبط البروتيازوم. ^{[ 161 ]} كما أظهرت المثبطات آثارًا إيجابية في نماذج القوارض المصابة بالربو . ^{[ 162 ]}

يُعدّ وسم البروتيازوم وتثبيطه ذا أهمية في المختبرات لدراسة نشاطه داخل الخلايا، سواءً في المختبر أو في الجسم الحي . ومن أكثر مثبطات البروتيازوم استخدامًا في المختبر اللاكتاسيستين والببتيد الألدهيد MG132، الذي طُوّر في البداية في مختبر غولدبيرغ. كما طُوّرت مثبطات فلورية لوسم المواقع النشطة للبروتيازوم المُجمّع بشكلٍ خاص. ^{[ 163 ]}

يُعدّ البروتيازوم ووحداته الفرعية ذا أهمية سريرية لسببين رئيسيين على الأقل: (1) قد يرتبط خلل في تجميع هذا المركب أو خلل وظيفي في البروتيازوم بالآليات المرضية الكامنة وراء أمراض معينة، و(2) يمكن استغلالها كأهداف دوائية للتدخلات العلاجية. ومؤخرًا، بُذلت جهودٌ حثيثة لدراسة البروتيازوم بهدف تطوير مؤشرات واستراتيجيات تشخيصية جديدة. ومن المتوقع أن يُفضي فهمٌ أعمق وأشمل للآليات المرضية للبروتيازوم إلى تطبيقات سريرية في المستقبل.

تُشكّل البروتيازومات عنصرًا محوريًا في نظام اليوبيكويتين-بروتيازوم (UPS) ^{[ 164 ]} ونظام مراقبة جودة البروتين الخلوي (PQC) المقابل. يُعدّ يوبيكويتين البروتين وما يتبعه من تحلل وتفكك بواسطة البروتيازوم آليات مهمة في تنظيم دورة الخلية ، ونموها وتمايزها، ونسخ الجينات ، ونقل الإشارات، والاستماتة الخلوية . ^{[ 165 ]} تؤدي عيوب البروتيازوم إلى انخفاض النشاط البروتيني وتراكم البروتينات التالفة أو المطوية بشكل خاطئ، مما قد يُساهم في الأمراض التنكسية العصبية، ^{[ 166 ] [ 167 ]} وأمراض القلب والأوعية الدموية، ^{[ 168 ] [ 169 ] [ 170 ]} والاستجابات الالتهابية وأمراض المناعة الذاتية، ^{[ 171 ]} واستجابات تلف الحمض النووي الجهازية التي تؤدي إلى الأورام الخبيثة . ^{[ 172 ]}

وقد أشارت الأبحاث إلى وجود خلل في نظام البروتيازوم في التسبب في الأمراض العصبية التنكسية والعضلية التنكسية، بما في ذلك مرض الزهايمر ، ^{[ 173 ]} ومرض باركنسون ^{[ 174 ]} ومرض بيك ، ^{[ 175 ]} والتصلب الجانبي الضموري (ALS)، ^{[ 175 ]} ومرض هنتنغتون ، ^{[ 174 ]} ومرض كروتزفيلد جاكوب ، ^{[ 176 ]} وأمراض الخلايا العصبية الحركية، وأمراض البولي جلوتامين (PolyQ)، وضمور العضلات ^{[ 177 ]} والعديد من الأشكال النادرة للأمراض العصبية التنكسية المرتبطة بالخرف . ^{[ 178 ]} يُعد البروتيازوم، كجزء من نظام اليوبيكويتين-البروتيازوم (UPS)، مسؤولاً عن الحفاظ على استتباب البروتينات في القلب، وبالتالي يلعب دورًا هامًا في إصابة القلب الإقفارية ، ^{[ 179 ]} وتضخم البطين ^{، [ 180 ]} وفشل القلب . ^{[ 181 ]} بالإضافة إلى ذلك، تتراكم الأدلة التي تشير إلى أن نظام اليوبيكويتين-البروتيازوم يلعب دورًا أساسيًا في التحول الخبيث. يلعب تحلل البروتينات بواسطة نظام اليوبيكويتين-البروتيازوم دورًا رئيسيًا في استجابة الخلايا السرطانية للإشارات المحفزة التي تُعد حاسمة لتطور السرطان. وبناءً على ذلك، فإن التعبير الجيني عن طريق تحلل عوامل النسخ ، مثل p53 و c-jun و c-Fos و NF-κB و c-Myc وHIF-1α وMATα2 و STAT3 والبروتينات الرابطة لعنصر تنظيم الستيرول ومستقبلات الأندروجين ، كلها تخضع لسيطرة نظام اليوبيكويتين-البروتيازوم، وبالتالي فهي تُشارك في تطور العديد من الأورام الخبيثة. ^{[ 182 ]} علاوة على ذلك، ينظم نظام اليوبيكويتين-بروتيازوم (UPS) تحلل منتجات جينات كابتة للأورام مثل جين الورم الحميد القولوني (APC) في سرطان القولون والمستقيم، وجين الورم الأرومي الشبكي (Rb)، وجين كابت الورم فون هيبل-لينداو (VHL)، بالإضافة إلى عدد من الجينات الأولية المسرطنة ( Raf ، Myc ، Myb ، Rel ، Src ، Mos ، ABL).يشارك نظام البروتيازوم واليوبيكويتين (UPS) أيضًا في تنظيم الاستجابات الالتهابية. يُعزى هذا النشاط عادةً إلى دور البروتيازومات في تنشيط عامل النسخ النووي NF-κB، الذي بدوره ينظم التعبير عن السيتوكينات المحفزة للالتهاب، مثل عامل نخر الورم ألفا (TNF-α) ، والإنترلوكين بيتا (IL-β)، والإنترلوكين 8 ( IL-8 ) ، وجزيئات الالتصاق ( ICAM-1 ، و VCAM-1 ، و P-selectin )، والبروستاجلاندينات ، وأكسيد النيتريك (NO). ^{[ 171 ]} بالإضافة إلى ذلك، يلعب نظام البروتيازوم واليوبيكويتين دورًا في الاستجابات الالتهابية كمنظم لتكاثر الكريات البيضاء، وذلك بشكل رئيسي من خلال تحلل السيكلينات وتفكيك مثبطات كينازات البروتين المعتمدة على السيكلين (CDK ) . ^{[ 183 ]} ​​أخيرًا، يُظهر مرضى أمراض المناعة الذاتية، مثل الذئبة الحمامية الجهازية (SLE) ، ومتلازمة شوغرن، والتهاب المفاصل الروماتويدي (RA)، وجودًا ملحوظًا للبروتيازومات في الدورة الدموية، والتي يمكن استخدامها كمؤشرات حيوية سريرية. ^{[ 184 ]}

• خريطة التحلل البروتيني
• عائلة بروتين DSS1/SEM1
• معقد الإكسوسوم
• تحلل البروتين المرتبط بالشبكة الإندوبلازمية
• JUNQ و iPod