Акрозин — пищеварительный фермент , действующий как протеаза . У людей акрозин кодируется геном ACR . [ 1] [2] Акрозин высвобождается из акросомы сперматозоидов в результате акросомной реакции . Он способствует проникновению в Zona Pellucida .
Механизм действия фермента
Акрозин – типичная сериновая протеиназа с трипсиноподобной специфичностью. [3]
Механизм каталитического действия акрозина
Реакция протекает по обычному механизму сериновой протеазы . Сначала His-57 депротонирует Ser-195, позволяя ему служить нуклеофилом. Затем депротонированный Ser-195 реагирует с карбонильным углеродом пептида, образуя тетраэдрический промежуточный продукт. Затем тетраэдрический промежуточный продукт разрушается, в результате чего образуется уходящая группа H 2 N-R 1 , которая протонируется через His-57. Наконец, His-57 депротонирует молекулу воды, которая затем может служить нуклеофилом, аналогично реагируя с карбонильным углеродом. Затем разрушение тетраэдрического промежуточного продукта приводит к образованию уходящей группы Ser-195, которая протонируется через His-57, в результате чего все остатки возвращаются в свое докаталитическое состояние, и образуется карбоновая кислота там, где ранее была пептидная связь.
Биологическая функция
Акрозин является основной протеиназой, присутствующей в акросоме зрелых сперматозоидов. Он хранится в акросоме в форме предшественника, проакрозина. При стимуляции акросома высвобождает свое содержимое в zona pellucida. После того, как эта реакция происходит, зимогенная форма протеазы затем обрабатывается в свою активную форму, β-акрозин. Затем активный фермент функционирует в лизисе zona pellucida, тем самым облегчая проникновение сперматозоида через самые внутренние гликопротеиновые слои яйцеклетки . [ 3]
Важность акрозина в акросомной реакции оспаривалась. В ходе экспериментов по генетическому нокауту было обнаружено, что сперматозоиды мышей, лишенные β-акрозина (активной протеазы), все еще обладают способностью проникать в zona pellucida. [4] Таким образом, некоторые утверждают, что он помогает в распространении акросомного содержимого после акросомной реакции, в то время как другие демонстрируют доказательства его роли в качестве вторичного связывающего белка между сперматозоидами и zona pellucida. [5] [6] [7] Согласно гипотезе вторичного связывающего белка, акрозин может играть роль в связывании с молекулами на zona pellucida, привязывая сперматозоиды к яйцеклетке. Это «привязывание» обеспечит проникновение за счет приложенной подвижной силы сперматозоидов. [8]
Было обнаружено, что регуляция акрозина происходит посредством ингибитора протеина C (PCI). PCI присутствует в мужском репродуктивном тракте в 40 раз более высоких концентрациях, чем в плазме крови. [9] Было показано, что PCI ингибирует протеолитическую активность акрозина. [9] Таким образом, была выдвинута гипотеза, что PCI играет защитную роль: если акросомальные ферменты высвобождаются преждевременно или если сперматозоиды дегенерируют в мужском репродуктивном тракте, высокие концентрации PCI будут ингибировать акрозин от нанесения протеолитического повреждения близлежащим тканям. [10]
Структура
β-акрозин демонстрирует высокую степень идентичности последовательностей (70-80%) между изоформами кабана, быка, крысы, морской свинки, мыши и человека. [3] Существует несколько схожая (27-35%) идентичность последовательностей между β-акрозином и другими сериновыми протеазами, такими как трипсин и химотрипсин . [3] В то время как большинство сериновых протеаз активируются через одно событие расщепления, проакрозин требует обработки как в N-, так и в C-концевых доменах. Проакрозин сначала расщепляется между Arg-22 и соседним валином, чтобы создать легкую цепь из 22 остатков и активную протеазу, называемую α-акрозином. [3] Эта легкая цепь остается связанной с тяжелой цепью, сшитой через две дисульфидные связи, чтобы сформировать гетеродимер . После этих событий расщепления N-конца, три расщепления в домене C-конца удаляют 70 остатков, давая β-акрозин. [3] Акрозину присущи два участка, которые были идентифицированы как возможные участки N-гликозилирования : Asn-2 и Asn-169. [3]
Контур поверхности активного центра акрозина, показанный с конкурентным ингибитором бензамидином. Остаток «привратника» Trp-215 показан частично перекрывающим «верхний» (как показано здесь) вход в полость связывания.
Каталитическая триада состоит из остатков His-57, Asp-102 и Ser-195. [3] Эти остатки находятся в связывающем кармане, который был назван карманом «S1», что соответствует схеме наименования, принятой для других протеаз. [11] Карман S1 регулирует специфичность акрозина к субстратам Arg и Lys, при этом консервативный Trp-215 служит остатком «привратника» для входа в сайт связывания. [3]
Остатки активного центра акрозина, показанные с конкурентным ингибитором бензамидином.
Важным структурным элементом β-акрозина является сильно заряженный участок (образованный как за счет аминокислот, так и посттрансляционных модификаций) на его поверхностной области, который был назван «экзосайтом связывания анионов». [3] Этот участок состоит из области избыточного положительного заряда, которая, как предполагалось, важна для связывания с матрицей zona pellucida, сильно гликозилированной и сульфатированной области с избыточным отрицательным зарядом. [12] Эта структурная особенность согласуется с гипотезой вторичного связывающего белка, поскольку взаимодействия заряд-заряд стабилизируют «связывающий» комплекс белок-zona pellucida. [13] Кроме того, с этой структурной гипотезой согласуется знание того, что сурамин — полисульфатированный препарат (с существенным соответствующим отрицательным зарядом), как было обнаружено, ингибирует связывание спермы с zona pellucida. [14]
Заболевания и фармацевтическая значимость
В то время как одно исследование, в котором использовались мышиные модели, показало, что акрозин не является необходимым компонентом проникновения в zona pellucida, другие исследования на людях показали связь между низкой активностью акросомальной протеиназы и бесплодием. [15] [16] Другие исследовательские группы продемонстрировали значительную корреляцию между активностью акрозина и подвижностью сперматозоидов. [17] В моделях кроликов интравагинальное контрацептивное устройство, которое секретировало тетрадецилсульфат натрия, известный ингибитор акрозина и гиалуронидазы , имело полный контрацептивный эффект. [18] Хотя его точный механизм действия не совсем ясен, акрозин, таким образом, может служить новой целью для контрацептивных агентов. Акрозин может представлять собой уникальную лекарственную цель из-за его расположения и высокой клеточной специфичности. [19] Таким образом, разработка ингибиторов акрозина может обеспечить основу для безопасных, обратимых мужских контрацептивов или женских контрацептивов посредством использования интравагинальных контрацептивных устройств. [19]
Более того, поскольку сериновые протеазы играют важную роль в потенцировании ВИЧ , исследования показали, что ингибитор акрозина, 4'-ацетамидофенил 4-гуанидинобензоат, обладает способностью ингибировать ВИЧ-инфекцию в лимфоцитах , инокулированных вирусом . [20] Это предполагает дальнейшую роль ингибиторов акрозина как потенциально жизнеспособных агентов в профилактике передачи ВИЧ. [20]
Ссылки
^ Adham IM, Klemm U, Maier WM, Engel W (январь 1990). «Молекулярное клонирование кДНК препроакрозина человека». Генетика человека . 84 (2): 125–8. doi :10.1007/bf00208925. PMID 2298447. S2CID 39848902.
^ Honda A, Siruntawineti J, Baba T (2002). «Роль протеаз акросомального матрикса во взаимодействиях сперматозоидов с zona pellucida». Human Reproduction Update . 8 (5): 405–12. doi : 10.1093/humupd/8.5.405 . PMID 12398221.
^ abcdefghij Трантер, Ребекка; Рид, Джон А.; Джонс, Рой; Брэди, Р. Лео (2000-11-15). "Эффекторные сайты в трехмерной структуре β-акрозина спермы млекопитающих". Структура . 8 (11): 1179–1188. doi : 10.1016/S0969-2126(00)00523-2 . ISSN 0969-2126. PMID 11080640.
^ T. Baba, S. Azuma, S. Kashiwabara, Y. Toyoda. Сперма мышей, несущих целевую мутацию гена акрозина, может проникать в zona pellucida ооцита и вызывать оплодотворение" J. Biol. Chem. 1994; 269, стр. 31845–31849
^ K. Yamagata, T. Baba и др. Акрозин ускоряет распространение акросомальных белков сперматозоидов во время акросомной реакции. J. Biol. Chem. 1998; 273, стр. 10470–10474
^ Р. Джонс, CR Браун. Идентификация белка, связывающего зону, из сперматозоидов кабана как проакрозина. Expl" Cell Res 1987; 171, стр. 505–508
^ Р. Джонс. Взаимодействие гликопротеинов zona pellucida, сульфатированных углеводов и синтетических полимеров с проакрозином, предполагаемым белком, связывающим яйцеклетку, из сперматозоидов млекопитающих. Развитие 1991; 111, стр. 1155–1163
^ DP Green. Формы головок некоторых сперматозоидов млекопитающих и их возможная связь с формой щели проникновения через zona pellucida. J. Reprod. Fertil., 83 (1988), стр. 377–387
^ ab Laurell, M; Christensson, A; Abrahamsson, PA; Stenflo, J; Lilja, H (1992). «Ингибитор белка C в жидкостях человеческого организма. Семенная плазма богата антигеном-ингибитором, происходящим из клеток по всей мужской репродуктивной системе». J Clin Invest . 89 (4): 1094–101. doi :10.1172/JCI115689. PMC 442965 . PMID 1372913.
^ Чжэн, X; Гейгер, M; Экке, S (1994). «Ингибирование акрозина ингибитором протеина C и локализация ингибитора протеина C в сперматозоидах». Am. J. Physiol . 267 (2 Pt 1): C466–72. doi :10.1152/ajpcell.1994.267.2.C466. PMID 7521127.
^ И. Шехтер, А. Бергер. О размере активного центра протеаз. I. Papain. Biochim. Biophys. Res. Commun, 27 (1967), стр. 157–162.
^ Nakano M, Tobets T и др. (1990). «Дальнейшее фракционирование семейств гликопротеинов свиной zona pellucida с помощью анионообменной ВЭЖХ и некоторая характеристика разделенных фракций». J. Biochem . 107 (1): 144–150. doi :10.1093/oxfordjournals.jbchem.a122998. PMID 2110153.
^ S. Shimizu, M. Tsuji, J. Dean. In vitro биосинтез трех сульфатированных гликопротеинов мышиных zonae pellucidae ооцитами, выращенными в культуре фолликулов. J. Biol. Chem. 1983; 258, стр. 5858–5863
^ Джонс Р., Парри Р., Леггио Л.Л., Никель П. (1996). «Ингибирование связывания сперматозоидов с сурамином, потенциальным «ведущим» соединением для разработки новых антифертильных агентов». Mol. Hum. Rep . 2 (8): 597–605. doi : 10.1093/molehr/2.8.597 . PMID 9239672.
^ Welker B, Bernstein GS, Diedrich K, Nakamura RM, Krebs D (октябрь 1988 г.). «Активность акросомальной протеиназы человеческих сперматозоидов и связь результатов с качеством спермы». Hum Reprod . 3 (Suppl 2): 75–80. doi :10.1093/humrep/3.suppl_2.75. PMID 3068243.
^ Tummon IS; Yuzpe AA; Daniel SA; Deutsch A. Общая активность акрозина коррелирует с потенциалом фертильности после оплодотворения in vitro» Fertil Steril 1991 Nov;56(5):933-8.
^ Cui YH, Zhao RL, Wang Q, Zhang ZY (сентябрь 2000 г.). «Определение активности акрозина спермы для оценки мужской фертильности». Asian J Androl . 2 (3): 229–232. PMID 11225983.
^ Burck PJ, Zimmerman RE. Внутривлагалищное контрацептивное устройство для доставки ингибитора акрозина и гиалуронидазы. Fertil Steril 1984 Feb;41(2):314-8.
^ Аб Нин, Вэйвэй; Чжу, Цзюй; Чжэн, Цаньхой; Лю, Сюэфэй; Сун, Юньлун; Чжоу, Юцзюнь; Чжан, Сяомэн; Чжан, Лин; Шэн, Чуньцюань (01 апреля 2013 г.). «Фрагментарный дизайн новых производных хиназолинона в качестве ингибиторов акросина человека». Химическая биология и дизайн лекарств . 81 (4): 437–441. дои : 10.1111/cbdd.12106. ISSN 1747-0285. PMID 23331539. S2CID 21445655.
^ ab Bourinbaiar AS, Lee-Huang S (май 1995). "Ингибитор акрозина, 4'-ацетамидофенил 4-гуанидинобензоат, экспериментальный вагинальный контрацептив с анти-ВИЧ активностью". Contraception . 51 (5): 319–22. doi : 10.1016/0010-7824(95)00094-q . PMID 7628208.
Дальнейшее чтение
Elce JS, McIntyre EJ (январь 1982 г.). «Очистка бычьего и человеческого акрозина». Канадский журнал биохимии . 60 (1): 8–14. doi :10.1139/o82-002. PMID 6802470.
Кимура К, Вакамацу А, Сузуки Ю, Ота Т, Нисикава Т, Ямашита Р, Ямамото Дж, Секинэ М, Цуритани К, Вакагури Х, Исии С, Сугияма Т, Сайто К, Исоно Ю, Ириэ Р, Кушида Н, Ёнеяма Т , Оцука Р., Канда К., Ёкои Т., Кондо Х., Вагацума М., Муракава К., Исида С., Исибаши Т., Такахаси-Фудзи А., Танасе Т., Нагай К., Кикучи Х., Накаи К., Исогай Т., Сугано С. (январь 2006 г.). «Диверсификация транскрипционной модуляции: крупномасштабная идентификация и характеристика предполагаемых альтернативных промоторов генов человека». Геномные исследования . 16 (1): 55–65. doi : 10.1101/gr.4039406. PMC 1356129. PMID 16344560 .
Клемм У., Мюллер-Эстерл В., Энгель В. (октябрь 1991 г.). «Акрозин, своеобразная специфичная для сперматозоидов сериновая протеаза». Генетика человека . 87 (6): 635–41. doi :10.1007/bf00201716. PMID 1937464. S2CID 7711967.
Kim J, Bhinge AA, Morgan XC, Iyer VR (январь 2005 г.). «Картирование ДНК-белковых взаимодействий в больших геномах с помощью анализа последовательностей тегов геномного обогащения». Nature Methods . 2 (1): 47–53. doi :10.1038/nmeth726. PMID 15782160. S2CID 6135437.
Moreno RD, Hoshi M, Barros C (май 1999). «Функциональные взаимодействия между сульфатированными полисахаридами и проакрозином: влияние на связывание сперматозоидов и переваривание zona pellucida». Zygote . 7 (2): 105–11. doi :10.1017/S0967199499000453. PMID 10418103. S2CID 42476442.
Liu RZ, Lu YL, Xu ZG, Zuo WJ, Xin JL, Wang ZS (2003). "[Влияние антиспермальных антител спермы на активность акрозина спермы человека]". Zhonghua Nan Ke Xue = Национальный журнал андрологии . 9 (4): 252–3. PMID 12931362.
Steven FS, Griffin MM, Chantler EN (август 1982 г.). «Ингибирование акрозина человеческой и бычьей спермы ионами двухвалентных металлов. Возможная роль цинка как регулятора активности акрозина». International Journal of Andrology . 5 (4): 401–12. doi : 10.1111/j.1365-2605.1982.tb00270.x . PMID 6815104.
Marí SI, Rawe V, Biancotti JC, Charreau EH, Dain L, Vazquez-Levin MH (июнь 2003 г.). «Биохимические и молекулярные исследования системы проакрозин/акрозин у пациентов с необъяснимым бесплодием». Fertility and Sterility . 79 (Suppl 3): 1676–9. doi : 10.1016/s0015-0282(03)00372-8 . PMID 12801583.
Glogowski J, Demianowicz W, Piros B, Ciereszko A (октябрь 1998 г.). «Определение активности акрозина в сперматозоидах хряка клиническим методом: оптимизация анализа и изменения при кратковременном хранении спермы». Theriogenology . 50 (6): 861–72. doi :10.1016/S0093-691X(98)00191-5. PMID 10734459.
Furlong LI, Veaute C, Vazquez-Levin MH (июнь 2005 г.). «Связывание рекомбинантного человеческого проакрозина/акрозина с гликопротеинами zona pellucida. II. Участие остатков маннозы во взаимодействии». Fertility and Sterility . 83 (6): 1791–6. doi : 10.1016/j.fertnstert.2004.12.043 . PMID 15950652.
Furlong LI, Harris JD, Vazquez-Levin MH (июнь 2005 г.). «Связывание рекомбинантного человеческого проакрозина/акрозина с гликопротеинами zona pellucida (ZP). I. Исследования с рекомбинантными человеческими ZPA, ZPB и ZPC». Fertility and Sterility . 83 (6): 1780–90. doi : 10.1016/j.fertnstert.2004.12.042 . PMID 15950651.
Hartley JL, Temple GF, Brasch MA (ноябрь 2000 г.). «Клонирование ДНК с использованием in vitro сайт-специфической рекомбинации». Genome Research . 10 (11): 1788–95. doi :10.1101/gr.143000. PMC 310948. PMID 11076863 .
Collins JE, Wright CL, Edwards CA, Davis MP, Grinham JA, Cole CG, Goward ME, Aguado B, Mallya M, Mokrab Y, Huckle EJ, Beare DM, Dunham I (2004). "Подход к клонированию человеческого ORFeome на основе аннотации генома". Genome Biology . 5 (10): R84. doi : 10.1186/gb-2004-5-10-r84 . PMC 545604 . PMID 15461802.
Dubé C, Leclerc P, Baba T, Reyes-Moreno C, Bailey JL (2005). «Проакрозин-связывающий белок sp32 фосфорилируется по тирозину во время капацитации свиной спермы». Журнал андрологии . 26 (4): 519–28. doi :10.2164/jandrol.04163. PMID 15955892.
Zahn A, Furlong LI, Biancotti JC, Ghiringhelli PD, Marijn-Briggiler CI, Vazquez-Levin MH (март 2002 г.). «Оценка системы проакрозин/акрозин и ее механизма активации в экстрактах спермы человека». Журнал репродуктивной иммунологии . 54 (1–2): 43–63. doi :10.1016/S0165-0378(01)00080-8. hdl : 11336/31329 . PMID 11839395.
Howes E, Pascall JC, Engel W, Jones R (ноябрь 2001 г.). «Взаимодействие между мышиным гликопротеином ZP2 и проакрозином; механизм вторичного связывания сперматозоидов с zona pellucida во время оплодотворения». Journal of Cell Science . 114 (Pt 22): 4127–36. doi :10.1242/jcs.114.22.4127. PMID 11739644.
Юдин AI, Вандеворт CA, Ли MW, Оверстрит JW (июль 1999). "PH-20, но не акрозин, участвует в проникновении сперматозоидов в zona pellucida макаки". Молекулярное воспроизведение и развитие . 53 (3): 350–62. doi :10.1002/(SICI)1098-2795(199907)53:3<350::AID-MRD11>3.0.CO;2-9. PMID 10369396. S2CID 36291116.
