ユビキチン-プロテアソーム経路。 タンパク質死の複雑さと無数の機能

細胞内タンパク質分解に対する我々の認識は、最近の10年間で劇的に変化した。 スカベンジャー、非制御、非特異的な「エンドポイント」プロセスから、細胞タンパク質のタンパク質分解は非常に複雑で、時間的に制御され、厳密に制御されたプロセスであり、細胞の生と死の間の様々な基本経路で主要な役割を果たすことが明らかになった。 現在、2つの主要なタンパク質分解カスケードが報告されている。 カスパーゼはプログラムされた細胞死（アポトーシス）に関与し、一方、短命の細胞制御タンパク質のほとんどはユビキチン-プロテアソーム経路によって分解される。 これらの中には、有糸分裂やG1サイクリン、サイクリン依存性キナーゼ阻害剤などの細胞周期や分裂の制御因子、c-Fosやc-Junなどの成長制御因子、p53などの腫瘍抑制因子、成長ホルモン受容体などの表面受容体、イオンチャンネル、例えば嚢胞性線維症膜貫通コンダクタンス制御因子（CFTR）などがある。 また、異常・変異タンパク質の選択的タンパク質分解や、主要組織適合性複合体（MHC）クラスI制限抗原のプロセシングにも関与している。 このシステムがc-mycの分解やNF-κBの2段階のタンパク質分解活性化に関与しているという発見は、例えば、ユビキチンを介した分解が転写調節の領域に「参入」することを告げるものであった。 短命で重要な制御タンパク質の分解を通じて、このシステムは様々な基本的な細胞プロセスにおいて重要な役割を果たしているようである。 例えば、細胞周期と分裂の制御、ストレスや細胞外調節因子に対する細胞応答への関与、神経ネットワークの形態形成、細胞表面受容体、イオンチャンネル、分泌経路の調節、DNA修復、オルガネラの生合成、免疫および炎症反応の制御などである。 最近では、このシステムがアポトーシスにも関与していることを示す証拠も得られている。 このように基質とプロセスが多岐にわたるため、最近、このプロセスの異常が、遺伝性、後天性両方のいくつかの疾患の病因に関与していることは驚くには当たらない。 ユビキチン経路を介したタンパク質の分解は、2つの個別かつ連続したステップで進行する。 (i)タンパク質の基質に複数のユビキチン分子が共有結合する、(ii)26Sプロテアソーム複合体によって標的タンパク質が分解され、自由かつ再利用可能なユビキチンが放出される。 ある時点で特定のタンパク質を効率的かつ特異的に除去するためには、ユビキチンの結合とタグ付けされた基質の分解の両方が厳密に制御されなければならない。 今回、Proceedingsに掲載された研究（5）で、Zhangたちは、プロテアソーム活性化因子PA28（REG）のαサブユニットに活性化領域があることを同定したことを報告している。 この発見を適切な生化学的・生理学的文脈に組み込むために、ユビキチンのタンパク質分解経路に関する我々の現在の理解を簡単にレビューすることにする。 このシステム（図1）は、協調して作用するいくつかの要素から構成されている。 ユビキチンは進化的に保存された76残基のタンパク質であり、そのC末端Glyが高エネルギーのチオールエステル中間体に活性化され、その反応はユビキチン活性化酵素E1によって触媒される。 活性化後、いくつかのE2酵素（ユビキチンキャリアー蛋白質またはユビキチン結合酵素、UBC）の1つが、E1からユビキチン蛋白質リガーゼファミリーの一員であるE3へ、基質蛋白質を特異的に結合させる活性化ユビキチン部位を移動させる。 E3は、基質へのユビキチンの共有結合という、結合プロセスの最後のステップを触媒する。 最初のユビキチン部位は、基質タンパク質のLys残基のɛ-NH2基に結合し、イソペプチド結合を生成する。 連続的な反応では、先に結合したユビキチン分子のLys48に、さらに活性化された部位が順次移動して、ポリユビキチン鎖が合成される。 この鎖は、おそらくプロテアソームに対する認識マーカーとして機能する（下記参照）。 ユビキチンK48Rやメチル化ユビキチン（すべての遊離アミノ基が化学的に修飾されている）はポリユビキチン鎖を生成できず、鎖のターミネーターとして機能する。 その結果、細胞内で過剰発現させたり、無細胞系に導入したりすると、タンパク質分解を阻害する。 基質とE3との結合は特異的であり、E3が抱合とそれに続く分解のためのタンパク質の認識と選択に大きな役割を担っていることを示唆している。 このシステムの構造は階層的であり、単一のE1がすべての修飾に必要なユビキチンの活性化を担っているようである。 E2酵素のいくつかの主要な種が哺乳類細胞で特徴づけられた。 それぞれのE2は1つまたはそれ以上のE3酵素と作用することができるようである。 これまで比較的少数のE3酵素しか報告されていないが、ユビキチンリガーゼは大きな、まだ成長中の酵素ファミリーに属しているようである。 リガーゼの認識様式については、一部の例を除き、各E3が単一の基質を標的としている可能性は低い。 むしろ、いくつかの異なる細胞内タンパク質が、同じではないが類似の構造モチーフを介して1つのリガーゼに認識されることが考えられる。 いくつかのタンパク質は、遊離した「不安定な」N末端残基を介して認識されるかもしれない（「N末端ルール」；参考文献6）。 しかし、大部分の細胞性タンパク質は、N末端がアセチル化されているか、あるいは「安定化」するアミノ末端を持ち、異なるシグナルによって標的化される。 あるものは、N末端残基の下流に存在する一次配列を介して認識される。 また、リン酸化などの翻訳後修飾や、オンコプロテインや分子シャペロンなどの補助的なタンパク質と結合することで、標的化されるものもある。