Degradacja białek
Komórkowi czyściciele
AGNIESZKA PODLASKA ne w danej chwili białka powstają na bazie in-
Instytut Biochemii i Biofizyki, Warszawa formacji genetycznej poprzez Å‚Ä…czenie poje-
Polska Akademia Nauk dynczych  cegiełek  aminokwasów w dłu-
[e-mail] gie łańcuchy. Z kolei niepotrzebne czy nie-
prawidłowo zbudowane lub uszkodzone biał-
ka podlegają  rozbiórce na aminokwasy. Ta
Najważniejsze procesy komórkowe
rozbiórka, czyli degradacja, zachodzi głównie
rzadko kojarzÄ… siÄ™ z rozpadem
Dr Agnieszka Podlaska
na drodze tzw. ubikwitynozależnej proteolizy.
cząsteczek. Tymczasem integralność
pracuje nad procesami
Funkcjonowanie tego procesu pozwala z jed-
komórki nie może być zachowana,
regulujÄ…cymi
nej strony utrzymać w komórce porządek,
jeśli reakcjom syntezy nie towarzyszy
funkcjonowanie
uniemożliwiając kumulację niepotrzebnych
proteasomu jednocześnie precyzyjnie
i uszkodzonych białek, tym samym chroniąc
w komórkach drożdży
komórkę przed śmiercią, a z drugiej  umoż-
regulowana degradacja
liwia uzyskanie mniejszych, biologicznie ak-
W komórkach naszego organizmu toczą tywnych fragmentów białka lub odzyskanie
się ciągłe przemiany budujących je skład- wolnych aminokwasów służących do budowy
ników. Jednocześnie następuje synteza i de- nowych struktur. Destrukcja białek odgrywa
gradacja bardzo różnorodnych grup białek też kluczową rolę w regulacji bardzo różnych
 podstawowego budulca wszystkich organi- procesów wewnątrzkomórkowych. Dla przy-
zmów. Procesy te można porównać z praca- kładu degradacja niektórych białek zwanych
mi na placu budowy. Niczym nowe domy na inhibitorami prowadzi do aktywacji szlaków
podstawie projektu tak w komórce niezbęd- biochemicznych w komórce, innym razem
Proces ubikwitynozależnej
degradacji białek
został poznany
w latach 80. XX w.
i jest badany w wielu
laboratoriach na całym
świecie. W 2004 roku
za prace na ten temat
przyznano NagrodÄ™ Nobla
z dziedziny chemii
16
Panorama Biologia molekularna ACADEMIA
Wojciech Kuban
Nr 3 (11) 2007
proteoliza białka aktywatora może działać
jak hamulec bezpieczeństwa pozwalający na
natychmiastowe zatrzymanie zachodzÄ…cego
w komórce procesu.
Miniaturowe szpuleczki
W jaki sposób działa ubikwitynozależna
degradacja białek? Proces ten angażuje struk-
tury przypominajÄ…ce wyglÄ…dem miniaturowe
szpuleczki zwane proteasomami. SÄ… to wyspe-
cjalizowane  rozdrabniacze białek. Komórka
ludzka zawiera około 30 tys. proteasomów.
Zlokalizowane są one zarówno w cytopla-
zmie, jak i jądrze komórkowym, a ich liczba
zmienia się w komórce w zależności od za-
potrzebowania na destrukcję. Bardzo ogólnie
mówiąc, proteasom zbudowany jest z dwóch
wielobiałkowych elementów. Pierwszy to
przypominający cylinder rdzeń, posiadają-
cy wewnętrzny kanał. Właśnie w tym kana-
le zachodzi rozpad białka. Kanał jest zbudo-
wany z 4 pierścieni, których niektóre podjed-
nostki to peptydazy, enzymy proteolityczne
odpowiedzialne za degradację białek, a więc,
mówiąc obrazowo,  noże umożliwiające cię-
cie wiązań pomiędzy poszczególnymi amino-
kwasami budującymi białko. Kolejne elemen-
ty proteasomu to tzw. czapeczki regulatorowe
położone po jednej lub po dwóch stronach cy- starych. Poprzez degradację wielu ważnych Rdzeń proteasomu
lindra, odpowiedzialne za rozpoznanie biaÅ‚ka biaÅ‚ek, chociażby p27, p53, NF-ºB, regula- przypomina wydrążony
przeznaczonego do degradacji oraz jego trans- cji ulegają takie procesy komórkowe, jak po- w środku walec.
port do wnętrza rdzenia. działy komórki, aktywacja genów, odpowiedz
Przeznaczone
immunologiczna organizmu, procesy zwią- do degradacji białko
Pocałunek śmierci zane z naprawą uszkodzeń DNA i apoptoza. jest wsuwane
Jak są rozpoznane białka kierowane do de- Niewłaściwe funkcjonowanie procesu ubikwi- do kanału i trawione
gradacji przez proteasom? W komórkach ist- tynozależnej proteolizy prowadzi do niektó- przez enzymy   noże
nieje pewnego rodzaju kontrola jakości bia- rych odmian nowotworów złośliwych. Defekt
łek. Jedni jej funkcjonariusze w postaci wy- tego procesu związany jest także z szeregiem
specjalizowanych enzymów wyszukują biał- chorób układu nerwowego takich jak choroba
ka, które trzeba zdegradować. Inne enzy- Alzheimera czy Parkinsona.
my znakują owe białka, umożliwiając tym Proces ubikwitynozależnej degradacji bia-
samym łatwe ich rozpoznanie przez prote- łek został poznany w latach 80. ubiegłego
asom. Wspomniana swego rodzaju  metka stulecia. Ze względu na złożoność proteoli-
to łańcuch specyficznie połączonych ze sobą zy i możliwości jego wpływu na bardzo wiele
malutkich (długości 72 aminokwasów) bia- mechanizmów komórkowych, proces badany
łek o nazwie ubikwityna. Przyłączenie łań- jest do dziś w wielu laboratoriach na całym
cucha ubikwitynowego nazywane jest obra- świecie. Część z tych badań została uhono-
zowo  pocałunkiem śmierci . Białko tak wy- rowana Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii
znakowane już nie ma szans na przetrwanie. w 2004 roku, a otrzymali ją dwaj Izraelczycy,
Sprawne działanie zarówno procesu przyłą- Aaron Ciechanover i Avram Hershko, oraz
czania molekularnej metki w postaci ubikwi- Amerykanin Irvin Rose. Od poczÄ…tku 2000
tyn do białka, jak i samej jego degradacji ma roku badania nad funkcją proteasomu prowa-
kluczowe znaczenie dla komórki. I nie chodzi dzone są także w Instytucie Biochemii i Bio-
tu tylko o usuwanie białek uszkodzonych lub fizyki PAN w Pracowni Mutagenezy i Repe-
17
ACADEMIA Panorama Biologia molekularna
Nr 3 (11) 2007
East News
Degradacja białek
Drożdżowa
raza · (eta, Pol·) to dwie polimerazy niere-
polimeraza DNA
plikacyjne funkcjonujące w komórkach droż-
do zadań specjalnych
dży i człowieka. Podstawową cechą pierwszej
0
 Pol·  ma krótki czas
z nich jest kontynuacja syntezy DNA, nawet
półtrwania (od lewej 30
jeśli wcześniej pojawi się w nowosyntetyzo-
do prawej strony czarny
wanej nici błąd: zostanie wstawiony niepra-
45
prążek  Pol·  zanika).
widłowy nukleotyd. Jednak ta zdolność, której
Jednak jeśli w komórce
zasadniczo nie posiadajÄ… regularne polime-
pojawiÄ… siÄ™ uszkodzenia
racji DNA pod kierunkiem doc. dr hab. Ewy razy replikacyjne, prowadzi w konsekwen-
(tu na skutek
Śledziewskiej-Gójskiej. cji do utrwalenia błędu i powstania mutacji.
promieniowania UV)
Ponadto Polś wstawia prawidłowy nukleotyd,
 życie polimerazy wydłuża
Tolerancja na uszkodzenia gdy w nici matrycowej (która służy jako wzo-
siÄ™. Liczby 0, 30, 45
Nasz zespół bada między innymi udział rzec do syntezy) znajduje się uszkodzona ty-
w kolejnych rzędach
proteasomu w kontroli procesów naprawy mina, np. glikol tymidylowy, powstający pod
to minuty, które upłynęły
uszkodzeń DNA, wykorzystując do badań wpływem działania czynników stresu oksyda-
od zadziałania UV
drożdże jako modelowe organizmy wyższe. cyjnego. Również ta cecha plimerazy ś odróż-
Uszkodzenia DNA powstajÄ… na skutek dzia- nia jÄ… od polimeraz replikacyjnych.
łania licznych czynników zewnętrznych i we-
wnętrznych. Nieprawidłowości struktury Białko ściśle nadzorowane
DNA zaburzajÄ… procesy replikacji, co dalej Pol· z kolei potrafi bezbÅ‚Ä™dnie replikować
wiąże się z ryzykiem powstawania niebez- inne uszkodzenia DNA, np. dimery tymino-
piecznych mutacji. Dlatego właśnie komór- we powstające w wyniku działania promie-
ki wykształciły szereg mechanizmów, które niowania UV. Jednak powielając nieuszko-
pozwalają wykryć i usunąć uszkodzenia ma- dzony DNA, myli się aż 1 tys.  10 tys. razy
teriału genetycznego. Pokazaliśmy, że prawi- częściej niż polimeraza replikacyjna. Zarówno
dłowe działanie proteasomu jest niezbędne nadmiar tej polimerazy, jak i jej brak są szko- Metodą leczenia może być
do funkcjonowania jednego z takich mechani- dliwe dla komórki. Mutacja w genie ją kodują- wytwarzanie substancji
zmów tzw. postreplikacyjnej naprawy uszko- cym u człowieka prowadzi do tragicznej cho- hamujących aktywność
dzeń DNA. Mechanizm ten jest o tyle specy- roby zwanej Xeroderma Pigmentosum Variant, proteasomu. Grafika
ficzny, że pozwala komórce powielać mate- w której komórki są bardzo wrażliwe na mu- ukazuje model inhibitora
riał genetyczny pomimo istnienia uszkodzeń tagenne działanie promieniowania UV, co proteasomu testowanego
w DNA. Główna polimeraza replikacyjna od- drastycznie zwiększa szansę na rozwój raka w terapii szpiczaka.
powiedzialna za kopiowanie informacji gene- skóry u chorych. Kule błękitne  atomy
tycznej nie jest w stanie kontynuować pracy, Obecność polimeraz alternatywnych w ko- węgla, żółte  wodoru,
kiedy na swojej drodze natyka się na uszko- mórce bywa zatem zbawienna w przypadku zielone  boru, granatowe
dzenie manifestujące się zmianą struktury działania czynników uszkadzających DNA.  azotu, czerwone  tlenu
DNA. Polimeraza wraz z towarzyszÄ…cymi jej
białkami wspomagającymi proces replikacji
 spada wówczas z powielanej matrycy DNA,
przez co synteza nowej nici zostaje zatrzyma-
na. Naprawa postreplikacyjna pozwala wtedy
przeżyć komórce mimo istnienia uszkodzeń,
umożliwiając kontynuację replikacji i przeka-
zanie komórce potomnej pełnej, choć zawiera-
jącej błędy, informacji genetycznej.
Jeden z głównych mechanizmów napra-
wy postreplikacyjnej angażuje tzw. polime-
razy alternatywne (por.  Wierni kopiści ,
 Academia nr 4/2007). Nieco odmienna bu-
dowa tych polimeraz w stosunku do polime-
raz replikacyjnych pozwala im na tolerowanie
uszkodzeń DNA kosztem niskiej wydajności
ich syntezy  składają one jedynie krótkie od-
cinki DNA. Polimeraza Å› (zeta, PolÅ›) i polime-
18
0
5
15
30
60
120
Adrianna Skoneczna
Panorama Biologia molekularna ACADEMIA
East News
Nr 3 (11) 2007
Badanie prostych
organizmów, takich
jak drożdże piekarskie
(Saccharomyces
cerevisiae), pomaga
odkrywać procesy
i mechanizmy działania
komórek wyższych
organizmów, także ludzkich
Może jednak być też niebezpieczna, ponie- norakich procesów wewnątrzkomórkowych
waż ich funkcjonowanie zwiększa liczbę mu- służy projektowaniu nowych terapeutyków.
tacji w DNA. Z tego powodu liczba tych bia- Inhibitory proteasomu były dwa lata temu
łek w komórce oraz ich dostęp do widełek re- wprowadzone do praktyki klinicznej w lecze-
plikacyjnych muszą być ściśle kontrolowane. niu szpiczaka mnogiego. Planowane jest roz-
Jedną z metod kontroli ilości  niebezpiecz- szerzenie ich stosowania w innych chorobach
nych , chociaż potrzebnych w sytuacjach wy- nowotworowych, trwają badania nad ich zasto-
jątkowych, enzymów może być celowe ich sowaniem w leczeniu udaru czy chorób serca.
usuwanie. Rzeczywiście  z naszych badań Wygląda jednak na to, że aktywność proteaso-
jednoznacznie wynika, że kontrola stężenia mu może regulować wiele procesów w komór-
alternatywnych polimeraz odbywa się w ko- ce, przez co hamowanie jego aktywności może
mórce drożdży na drodze ubikwitynozależ- dawać niemało efektów ubocznych. Badania
nej proteolizy. funkcji proteolizy pomogą zatem pełniej oce-
nić ryzyko używania w terapii czynników
Białko nietrwałe hamujących działanie proteasomu. Z drugiej
Pokazaliśmy, że kodowana w komórkach strony ułatwią projektowanie bardziej specy-
drożdży przez gen RAD30 Pol· jest  metko- ficznych inhibitorów, hamujÄ…cych Å›ciÅ›le okre-
wana łańcuchem ubikwityn i dzięki temu ślone procesy komórkowe. %
degradowana przez proteasom. Jak ustalili-
śmy, czas półtrwania tego białka (czas, w któ-
Chcesz wiedzieć więcej?
rym połowa białka ulega degradacji) jest krót-
Broughton B.C., Cordonnier A., Kleijer W.J., Jaspers N.G.,
ki, wynosi ok. 20 minut. Okazało się również,
Fawcett H., Raams A., Garritsen V.H., Stary A., Avril
że w odpowiedzi na powodujące uszkodzenia
M.F., Boudsocq F., Masutani C., Hanaoka F., Fuchs R.P.,
DNA promieniowanie UV czas życia białka
Sarasin A., Lehmann A.R. (2002). Molecular analy-
znacząco się wydłuża, zatem istnieje aktywny sis of mutations in DNA polymerase eta in xeroder-
ma pigmentosum-variant patients. Proc Natl Acad Sci
system pozwalajÄ…cy Pol· uniknąć degradacji
USA, 22, 815 820.
w chwilach zagrożenia dla komórki. To pierw-
Podlaska A., McIntyre J., Skoneczna A., Sledziewska-Gojska E.
szy uzyskany na świecie wynik, który poka-
(2003). The link between 20S proteasome activity and
zuje, że od sprawnie funkcjonującej ubikwity-
post-replication DNA repair in Saccharomyces cerevi-
nozależnej proteolizy zależy prawidłowa kon- siae. Mol Microbiol, 49, 1321 1332.
Skoneczna A., McIntyre J., Skoneczny M., Policinska Z.,
trola działania alternatywnych polimeraz DNA
Sledziewska-Gojska E. (2007). Polymerase eta is
w komórkach eukariotycznych.
a short-lived, proteasomally degraded protein that
Pozyskiwana dzięki pracy wielu labora-
is temporarily stabilized following UV irradiation
toriów szeroka wiedza na temat regulowa-
in Saccharomyces cerevisiae. J Mol Biol, 366 (4),
nia przez ubikwitynozależną proteolizę róż- 1074 86.
19
ACADEMIA Panorama Biologia molekularna
Nr 3 (11) 2007
Marta Fikus-Kryńska