细胞内蛋白质降解（intracellular protein degradation）是决定胞内蛋白半衰期（half life）的主要因素，也是调节胞内蛋白量和功能最有效的方式之一。与消化道内食物蛋白质的降解不同，胞内蛋白质降解是受到复杂调控的过程。其一般特征有：高度选择性、耗能性和进行性，后者指一旦决定被降解，蛋白将会被完全降解为小肽段，过程中不会释放大片段的中间产物。

细胞内蛋白质降解的生物学意义为：①控制细胞内关键蛋白的浓度，调节代谢或控制发育进程；②清除异常蛋白质以免其累积到对细胞有害的水平；③维持细胞内氨基酸代谢库的动态平衡；④参与细胞程序性死亡和贮藏蛋白的动员等。蛋白质质量控制（protein quality control）是新近提出的一个概念，指细胞通过监测胞内蛋白以确保其正确折叠从而维持蛋白稳态（proteostasis）的过程。其质量控制策略主要包含重折叠和降解，而降解系统是保证质量控制的核心机制。

已知的真核细胞内蛋白质降解途径包括泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system，UPS）、自噬-溶酶体系统（autophagy-lysosome system）、胞质蛋白酶水解途径，包括胱天蛋白酶（caspase）水解途径和钙蛋白酶（calpain）系统。此外，有些细胞器具备特有的蛋白水解酶，如线粒体的La蛋白酶、高尔基体内Kex2水解酶、细胞膜表面的水解酶系统等。

泛素-蛋白酶体途径是真核细胞内最主要的特异性蛋白质降解途径，主要负责降解核内或胞质内短寿命蛋白，参与无活性前体蛋白加工、细胞周期调控、DNA修复、细胞应激反应、免疫和生长发育调节等过程。

泛素是一种76个氨基酸组成的蛋白质，广泛存在于真核生物中。在一系列酶的作用下被转移到靶蛋白上，介导靶蛋白的降解。蛋白酶体（proteasome）是筒形多蛋白复合体，因沉降系数为26S，故又称26S蛋白酶体，由中空柱形20S核心颗粒和两端的帽状19S调节颗粒组成。

泛素活化酶E1水解ATP并在泛素分子 C端羧基与其自身的巯基间形成硫酯键。活化后的泛素由E1通过交酯化过程传递给泛素缀合酶E2，接着在泛素连接酶E3的作用下，从E2转移到靶蛋白，与靶蛋白赖氨酸的ε-NH2形成异肽键。已连接的泛素自身作为底物完成多聚泛素化，产生的多聚泛素链一般包含超过4个泛素分子，是蛋白酶体识别底物蛋白的信号。随后，经过19S识别的泛素化底物蛋白被运送到20S的圆柱状核心内，在多种酶的作用下水解为寡肽，最后从蛋白酶体中释放出来。泛素则在与底物解离后回到胞质重新利用。

泛素-蛋白酶体降解过程是一个层次分明的体系，细胞内只表达一种E1，而E3则有大约1000种，负责特异性识别和结合底物蛋白。除了泛素化酶，大多数真核细胞基因组也编码去泛素酶，可快速将刚连接到靶蛋白上的泛素去除，以避免发生蛋白的过度降解。因此，泛素酶和去泛素酶的动态平衡决定了蛋白质是否被降解及其降解速率。

自噬-溶酶体途径是一条非特异性途径，主要与表面膜蛋白和胞吞的胞外蛋白质的降解相关。细胞内的细胞器、90%的长寿蛋白及一部分短寿蛋白都通过该途径降解。自噬是细胞程序性死亡机制中的一种，还能通过降解/再循环过程参与生物体发育及老化。

溶酶体是真核细胞内重要的细胞器，属于内膜系统的组分。溶酶体含60多种酸性水解酶，可分解蛋白质、核酸、多糖和脂类等。根据需降解物质到达溶酶体的途径不同，自噬可分为三种形式：大自噬（macroautophagy）、小自噬（microautophagy）和分子伴侣介导的自噬（chaperone-mediated autophagy，CMA）。在大自噬过程中，来源尚不明确的单层膜凹陷形成杯状双层膜结构的自噬体（autophagosome）或自噬泡（autophagic vacuoles，AVs），随后自噬体与溶酶体融合形成自噬溶酶体（autophagolysosome），内容物被酸性水解酶降解。大自噬又可分为选择性大自噬和非选择性大自噬，其中选择性大自噬包括线粒体自噬（mitophagy）、过氧化物酶体自噬（pexophagy）、核糖体自噬（ribophagy）和内质网自噬（ER-phagy）等。小自噬过程是溶酶体膜直接包裹细胞液中物质并降解。分子伴侣介导的自噬指胞质内蛋白质与分子伴侣，如热休克蛋白 70（heat shock protein 70，HSP70）结合，再被转运到溶酶体中，被溶酶体上受体，溶酶体相关2A型膜蛋白（lysosome-associated membrane protein type-2A，LAMP-2A）识别并进入溶酶体降解。大自噬和小自噬在降解时无明显选择性，而CMA只能降解特定蛋白。胞质中有30%蛋白质含有靶向信号肽KFERQ，可以被HSP70识别并通过CMA途径降解。

自噬在正常细胞内多处于一个相当低的水平，外部营养供应、生长因子和激素刺激、应激、缺氧等都可通过调节mTOR的活性从而诱导或抑制自噬过程。mTOR的负性调节是一种经典的自噬调节方式，例如，胰岛素和生长因子可通过结合细胞表面受体，经 PI3KC1a/Akt/TSC信号转导途径激活mTORC1，从而抑制自噬。而饥饿可在 AMPK/TSC介导下抑制 mTORC1的活性而诱发自噬，通过自噬使胞内组分得到循环利用从而提供能量。除了经典的mTOR依赖的自噬调控途径，还有许多非mTOR依赖的自噬调控途径，包括肌醇信号途径（inositol signalling pathway）的负性调节、Ca ²⁺/钙蛋白酶途径、cAMP/Epac/Ins（1，4，5）P3途径、JNK1/Beclin-1/PI3KC3途径等，能够多角度的调控自噬过程。

caspase由 cysteine aspartic acid-specific protease的字头缩写，是一类蛋白酶，其活性部位为极为保守的半胱氨酸（cysteine），特异性切割底物为天冬氨酸（aspartic acid）。根据其具体功能分为调控 caspase（caspase-1、caspase-2、caspase-4、caspase-5、caspase-8、caspase-9、caspase-10）和 效应caspase（caspase-3、caspase-6、caspase-7、caspase-11）。

caspase以酶原形式存在于正常细胞中，细胞凋亡启动后被激活。一条途径是由死亡信号分子和受体结合后的死亡结构域介导，使caspase-8自身催化成为具水解酶活性的蛋白酶，水解下游的 caspase-3、caspase-6、caspase-7 等，caspase-3、caspase-6、caspase-7作用于底物使其降解，导致细胞凋亡；另一条途径由位于线粒体上的细胞色素C介导，激活caspase-9，活化的caspase-9进而激活caspase-3。此外，还有一条途径位于内质网，与内质网应激密切相关，可通过肌醇需求激酶 1（inositol-requiring kinase 1，IRE-1），m-钙蛋白酶或caspase-7引起caspase-12被切割或活性部分聚集从而激活凋亡过程。细胞凋亡中被降解的蛋白有：DNA损伤修复酶、U1小核核糖核蛋白组分、核纤层蛋白、肌动蛋白和胞衬蛋白等，这些酶及蛋白的降解导致细胞形成凋亡小体，最终被吞噬细胞吞噬消化。

钙蛋白酶是细胞中依赖于Ca ²⁺的中性蛋白酶，在组织损伤、坏死和自溶过程，尤其是在肌细胞中起重要作用。当肌细胞受损和细胞质中Ca ²⁺升高时，钙蛋白酶活化并降解肌原纤维蛋白，导致骨骼肌剪切力降低。

近年来，对蛋白质降解过程与蛋白病（proteinopathies）之间联系的研究已有大量报道。这些疾病的分子机制有以下特性：①突变或者异常修饰导致蛋白构象变化和错误折叠；②当错误折叠的蛋白质积累到一定水平就形成聚集体或包涵体；③正常降解途径无法降解这些包涵体和（或）改变其形式。异常翻译后修饰（AD中的tau）或者内切蛋白水解酶剪切（Aβ）更容易自发性错误折叠并快速沉积形成富β-折叠的寡聚体。特定蛋白的基因突变，如HD中的huntingtin，PD中的α-突触核蛋白，朊蛋白病（prion disease）中的朊蛋白（PrP），肌萎缩性侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）中的 SOD1 和 TDP-43，都可以影响其正常折叠，导致相似的富β-折叠聚集的形成。这些寡聚体至少部分能够抵抗已知的蛋白降解途径，并且能进一步形成内部具有高度规律的纤维态结构的包涵体或者胞外斑块。此外，在受累神经元中，致病性蛋白沉积还能进一步下调蛋白降解途径的活性。这些错误折叠的寡聚体和沉积的细胞毒性导致神经元死亡是许多已知的神经退行性疾病的共同病理机制。

在PD等α-突触核蛋白蛋白病中，野生型α-突触核蛋白可以被泛素化后经泛素-蛋白酶体系统降解。特定位点，如Ser129的磷酸化也可以直接促进α-突触核蛋白经非泛素化过程进入蛋白酶体降解。PD患者黑质中存在调控异常的蛋白酶体系统，泛素连接酶（ubiquitin ligase）E3的编码基因突变所引起的酶功能障碍，泛素羧基末端水解 酶 （ubiquitin carboxy-terminal-hydrolaseL1，UCHL1）的突变导致 UCHL1去泛素化功能缺陷，都会引起家族性早发型PD。此外，敲除蛋白酶体亚单位Psmc1，会引起转基因小鼠黑质和前脑神经元内包含α-突触核蛋白和泛素的类 LB包涵体的形成，同时引起神经退行性变相关症状。可溶性α-突触核蛋白可以通过蛋白酶体系统降解，但其纤维态会与蛋白酶体20S核心直接作用并降低其蛋白水解活性。此外，α-突触核蛋白也可以通过CMA途径降解，而家族性PD患者的α-突触核蛋白存在A30P和A53T突变，突变蛋白与溶酶体膜上介导CMA途径的受体蛋白LAMP-2A结合，阻碍其自身以及其他通过CMA降解的蛋白质进入溶酶体，从而造成CMA底物和各类型α-突触核蛋白在胞内的堆积。不能正常降解的α-突触核蛋白聚集形成路易小体，引起氧化应激，导致神经元自噬或凋亡（图2-4）。

朊蛋白病，也称为传染性海绵状脑病（transmissible spongiform encephalopathies），是一种感染动物和人的神经系统的传染性神经退行性疾病，其病理改变为海绵状空泡化和严重的神经元丢失。动物朊蛋白病包括绵羊和山羊的自然瘙痒病，牛的海绵状脑病（疯牛病）等。人的朊蛋白病包括库鲁病 （Kuru disease）、克-雅 病 （Creutzfeldt-Jakob disease，CJD）、致死性家族性失眠等。这些传染性疾病的共同致病因子是瘙痒朊蛋白（scrapie prion protein，PrP ^SC），一 种由宿主胞内朊蛋白 （cellular prion protein，PrP ^C）错误折叠形成的传染性蛋白。PrP ^SC能够与PrP ^C直接相互作用，促使PrP ^C折叠形成PrP ^SC，而后者又能促使更多PrP ^C向PrP ^SC转化，从而导致错误折叠和聚集的PrP ^SC在脑内的堆积。通过这种播种-成核过程（seeding-nucleation process），小数量入侵的PrP ^SC“种子”就足以引发宿主的PrP ^C自催化转化形成，从而引起朊蛋白病。

正常情况下，可溶性错误折叠的PrP ^C可以通过各种降解途径清除，包括泛素依赖的ER介导的降解途径。然而PrP ^SC是一种富β-折叠蛋白，能抵抗已知的所有降解系统的清除作用。PrP ^SC与20S蛋白酶体结合后不会进一步降解，不仅能诱导20S蛋白酶体关闭状态构型的稳定化，还能通过空间位阻效应阻碍相关底物进入蛋白酶体内降解，从而导致泛素-蛋白酶体系统障碍和泛素化底物在胞内的过量堆积。此外，自噬过程在朊蛋白病中也存在调节异常。PrP ^SC可以在神经元中诱导形成巨大的自噬囊泡，这些囊泡随着神经元老化逐渐增大增多，最终占据受累细胞的整个胞体，进而导致神经元死亡。

此外，一种新近发现的蛋白病，TDP-43蛋白病同样存在降解异常的特点。TAR-DNA 结合蛋白 43（TAR DNA-binding protein 43，TDP-43）是一种主要存在于细胞核内的DNA/RNA结合蛋白，在RNA转录调控中起着重要作用。在97%的肌萎缩性侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）和大部分额颞叶变性（frontotemporal lobar degeneration，FTLD），以及 25%～50%的 AD中都存在TDP-43沉积阳性。TDP-43蛋白是ALS患者脊髓运动神经元和FTLD患者皮质神经元中富泛素包涵体内的主要成分。TDP-43病理改变遵循蛋白病的一般规律，包括正常生理功能的丧失、异常截断、异常翻译后修饰（过磷酸化和泛素化）、异常聚集和降解异常，甚至还和 tau、α-突触核蛋白等蛋白一样具有类似朊蛋白的传播形式。TDP-43能直接抑制蛋白酶体活性和自噬流（autophagic flux），引起患者神经元中富泛素包涵体和过量的自噬体的形成，而降解途径的障碍能进一步促进异常TDP-43在胞内的堆积，从而形成一个恶性循环，导致神经元的死亡。图2-5小结了蛋白质合成、修饰和降解过程及其异常与疾病的关系。