Глутатион S -трансферазы ( GST ), ранее известные как лигандины , представляют собой семейство эукариотических и прокариотических метаболических изоферментов фазы II , наиболее известных своей способностью катализировать конъюгацию восстановленной формы глутатиона (GSH) с ксенобиотическими субстратами с целью детоксикации. Семейство GST состоит из трех суперсемейств: цитозольных , митохондриальных и микросомальных — также известных как MAPEG — белков . [1] [2] [3] Члены суперсемейства GST чрезвычайно разнообразны по аминокислотной последовательности , и большая часть последовательностей, депонированных в публичных базах данных, имеют неизвестную функцию. [4] Инициатива по функциям ферментов (EFI) использует GST в качестве модельного суперсемейства для определения новых функций GST.
GST могут составлять до 10% цитозольного белка в некоторых органах млекопитающих. [5] [6] GST катализируют конъюгацию GSH — через сульфгидрильную группу — с электрофильными центрами на самых разных субстратах, чтобы сделать соединения более водорастворимыми. [7] [8] Эта активность детоксифицирует эндогенные соединения, такие как пероксидированные липиды , и позволяет расщеплять ксенобиотики. GST также могут связывать токсины и функционировать как транспортные белки, что дало начало раннему термину для GST — лигандин . [9] [10]
Последовательность и структура белка являются важными дополнительными критериями классификации для трех суперсемейств (цитозольных, митохондриальных и MAPEG) GST: в то время как классы из цитозольного суперсемейства GST обладают более чем 40% гомологии последовательностей , классы из других классов могут иметь менее 25%. Цитозольные GST делятся на 13 классов на основе их структуры: альфа, бета, дельта, эпсилон, дзета, тета, мю, ню, пи, сигма, тау, фи и омега. Митохондриальные GST относятся к классу каппа. Суперсемейство MAPEG микросомальных GST состоит из подгрупп, обозначенных I-IV, между которыми аминокислотные последовательности имеют менее 20% идентичности. Человеческие цитозольные GST принадлежат к классам альфа, дзета, тета, мю, пи, сигма и омега, в то время как известно, что существуют шесть изоферментов, принадлежащих к классам I, II и IV суперсемейства MAPEG. [8] [12] [13]
Стандартизированная номенклатура GST, впервые предложенная в 1992 году, идентифицирует вид, к которому принадлежит интересующий изофермент, с помощью строчной буквы (например, «h» для человека), которая предшествует аббревиатуре GST. Класс изоферментов впоследствии идентифицируется с помощью заглавной буквы (например, «A» для альфа), за которой следует арабская цифра, представляющая подсемейство класса (или субъединицу). Поскольку как митохондриальные, так и цитозольные GST существуют в виде димеров , и только гетеродимеры образуются между членами одного и того же класса, второй компонент подсемейства димера фермента обозначается дефисом, за которым следует дополнительная арабская цифра. [12] [13] Следовательно, если человеческая глутатион- S -трансфераза является гомодимером в подсемействе 1 класса пи, ее название будет записано как «hGSTP1-1».
Ранняя номенклатура GST называла их белками «Y», ссылаясь на их разделение во фракции «Y» (в отличие от фракций «X и Z») с использованием хроматографии Sephadex G75. [14] По мере идентификации субъединиц GST их стали называть Ya, Yp и т. д., при необходимости указывая номер, идентифицирующий изоформу мономера (например, Yb1). Литвак и др. предложили термин «лигандин» для обозначения белков, ранее известных как белки «Y». [10]
В клинической химии и токсикологии чаще всего используются термины альфа-GST, мю-GST и пи-GST.
Сайт связывания глутатиона, или «G-сайт», расположен в тиоредоксиноподобном домене как цитозольных, так и митохондриальных GST. Регион, содержащий наибольшее количество вариабельности между различными классами, — это область спирали α2 , где один из трех различных аминокислотных остатков взаимодействует с остатком глицина глутатиона. Две подгруппы цитозольных GST были охарактеризованы на основе их взаимодействия с глутатионом: группа Y-GST, которая использует остаток тирозина для активации глутатиона, и S/C-GST, которая вместо этого использует остатки серина или цистеина . [8] [4]
Фермент pGTSP1-1 класса свиных пи-рецепторов был первым GST, структура которого была определена, и он является представителем других членов суперсемейства цитозольных GST, которые содержат тиоредоксиноподобный N -концевой домен, а также C -концевой домен, состоящий из альфа-спиралей . [8] [15]
Цитозольные GST млекопитающих являются димерными , причем обе субъединицы принадлежат к одному и тому же классу GST, хотя и не обязательно идентичны. Размер мономеров составляет приблизительно 25 кДа. [12] [16] Они активны в отношении широкого спектра субстратов со значительным перекрытием. [17] В следующей таблице перечислены все ферменты GST каждого класса, которые, как известно, существуют у Homo sapiens , как указано в базе данных UniProtKB/Swiss-Prot .
Экологическая проблема, вызванная природными токсинами, помогла подготовить Drosophilae к воздействию ДДТ ,
Активность GST зависит от постоянного снабжения GSH синтетическими ферментами гамма-глутамилцистеинсинтетазой и глутатионсинтетазой , а также от действия специфических транспортеров для удаления конъюгатов GSH из клетки. Основная роль GST заключается в детоксикации ксенобиотиков путем катализа нуклеофильной атаки GSH на электрофильные атомы углерода, серы или азота указанных неполярных ксенобиотических субстратов, тем самым предотвращая их взаимодействие с важнейшими клеточными белками и нуклеиновыми кислотами. [13] [19] В частности, функция GST в этой роли двоякая: связывать как субстрат в гидрофобном H -сайте фермента, так и GSH в соседнем гидрофильном G-сайте, которые вместе образуют активный сайт фермента; и впоследствии активировать тиоловую группу GSH, обеспечивая нуклеофильную атаку на субстрат. [12] Молекула глутатиона связывается в щели между N- и C -концевыми доменами - каталитически важные остатки, как предполагается, находятся в N -концевом домене. [20] Обе субъединицы димера GST, будь то гетеро- или гомодимерные по своей природе, содержат один несубстратный связывающий сайт, а также GSH-связывающий сайт. Однако в гетеродимерных комплексах GST, таких как те, которые образованы цитозольными мю- и альфа-классами, щель между двумя субъединицами является домом для дополнительного высокоаффинного несубстратного ксенобиотического связывающего сайта, который может объяснять способность ферментов образовывать гетеродимеры. [19] [21]
Соединения, на которые таким образом нацелены GST, охватывают широкий спектр экологических или иных экзогенных токсинов, включая химиотерапевтические агенты и другие препараты, пестициды, гербициды, канцерогены и эпоксиды различного происхождения; действительно, GST отвечают за конъюгацию β 1 -8,9-эпоксида, реакционноспособного промежуточного продукта, образованного из афлатоксина B 1 , который является важнейшим средством защиты от токсина у грызунов. Реакции детоксикации включают первые четыре этапа синтеза меркаптуровой кислоты , [19] причем конъюгация с GSH служит для того, чтобы сделать субстраты более растворимыми и позволить им быть удаленными из клетки с помощью транспортеров, таких как белок 1, ассоциированный с множественной лекарственной устойчивостью ( MRP1 ). [8] После экспорта продукты конъюгации преобразуются в меркаптуровые кислоты и выводятся через мочу или желчь . [13]
Большинство изоферментов млекопитающих имеют сродство к субстрату 1-хлор-2,4-динитробензолу , и спектрофотометрические анализы с использованием этого субстрата обычно используются для сообщения об активности GST. [22] Однако некоторые эндогенные соединения, например, билирубин, могут ингибировать активность GST. У млекопитающих изоформы GST имеют клеточно-специфическое распределение (например, α-GST в гепатоцитах и π-GST в желчных путях печени человека). [23]
GST играют роль в процессе биоактивации пролекарства клопидогреля . [24]
Хотя GST наиболее известны своей способностью конъюгировать ксенобиотики с GSH и тем самым детоксифицировать клеточную среду, GST также способны связывать несубстратные лиганды , что имеет важное значение для клеточной сигнализации . Было показано, что несколько изоферментов GST из различных классов ингибируют функцию киназы , участвующей в пути MAPK , который регулирует пролиферацию и смерть клеток , не давая киназе выполнять свою роль в обеспечении сигнального каскада. [25]
Цитозольный GSTP1-1, хорошо охарактеризованный изофермент семейства GST млекопитающих, экспрессируется в основном в тканях сердца, легких и мозга; фактически, это наиболее распространенный GST, экспрессируемый за пределами печени. [25] [26] Основываясь на его сверхэкспрессии в большинстве линий опухолевых клеток человека и распространенности в опухолях, устойчивых к химиотерапии, считается, что GSTP1-1 играет роль в развитии рака и его потенциальной устойчивости к лекарственному лечению. Дополнительные доказательства этого исходят из знания того, что GSTP может селективно ингибировать фосфорилирование C -Jun с помощью JNK , предотвращая апоптоз. [25] Во время низкого клеточного стресса комплекс образуется посредством прямых белок-белковых взаимодействий между GSTP и C -концом JNK, эффективно предотвращая действие JNK и, таким образом, его индукцию пути JNK. Клеточный окислительный стресс вызывает диссоциацию комплекса, олигомеризацию GSTP и индукцию пути JNK, что приводит к апоптозу . [27] Связь между ингибированием GSTP проапоптотического пути JNK и сверхэкспрессией изофермента в опухолевых клетках, устойчивых к лекарственным препаратам, может сама по себе объяснять способность опухолевых клеток избегать апоптоза, опосредованного лекарственными препаратами, которые не являются субстратами GSTP. [25]
Подобно GSTP, GSTM1 участвует в регуляции апоптотических путей посредством прямых белок-белковых взаимодействий, хотя он действует на ASK1 , который находится выше JNK. Механизм и результат аналогичны механизмам GSTP и JNK, в том, что GSTM1 секвестрирует ASK1 посредством комплексообразования и предотвращает его индукцию проапоптотических частей p38 и JNK каскада сигнализации MAPK. Подобно GSTP, GSTM1 взаимодействует со своим партнером при отсутствии окислительного стресса, хотя ASK1 также участвует в реакции теплового шока , которая также предотвращается во время секвестрации ASK1. Тот факт, что высокие уровни GST связаны с устойчивостью к апоптозу, вызванному рядом веществ, включая химиотерапевтические агенты, подтверждает его предполагаемую роль в предотвращении сигнализации MAPK. [27]
Растет количество доказательств, подтверждающих роль GST, в частности GSTP, в развитии рака и резистентности к химиотерапии. Связь между GSTP и раком наиболее очевидна в сверхэкспрессии GSTP во многих видах рака, но она также подтверждается тем фактом, что трансформированный фенотип опухолевых клеток связан с аберрантно регулируемыми сигнальными путями киназы и клеточной зависимостью от сверхэкспрессированных белков. Тот факт, что большинство противораковых препаратов являются плохими субстратами для GSTP, указывает на то, что роль повышенного GSTP во многих линиях опухолевых клеток заключается не в детоксикации соединений, а должна иметь другую цель; эта гипотеза также подтверждается общим обнаружением сверхэкспрессии GSTP в линиях опухолевых клеток, которые не являются лекарственно-устойчивыми. [28]
В дополнение к их роли в развитии рака и устойчивости к химиотерапевтическим препаратам, GST вовлечены в различные заболевания в силу их участия в GSH. Хотя доказательства влияния полиморфизмов GST классов альфа, мю, пи и тета на восприимчивость к различным типам рака минимальны, многочисленные исследования выявили такие генотипические вариации при астме , атеросклерозе , аллергии и других воспалительных заболеваниях. [19]
Поскольку диабет — это заболевание, которое включает окислительное повреждение, а метаболизм GSH дисфункционален у пациентов с диабетом, GST могут представлять собой потенциальную цель для лечения диабетических препаратов. Кроме того, известно, что введение инсулина приводит к увеличению экспрессии гена GST через путь PI3K/AKT/mTOR и снижению внутриклеточного окислительного стресса, тогда как глюкагон снижает такую экспрессию гена. [29]
Гены GST омега-класса (GSTO), в частности, связаны с неврологическими заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера , болезнь Паркинсона и боковой амиотрофический склероз ; опять же, считается, что виновником является окислительный стресс, при этом снижение экспрессии гена GSTO приводит к снижению возраста начала этих заболеваний. [30]
Высокие внутриклеточные концентрации GST в сочетании с их клеточно-специфическим распределением позволяют им функционировать как биомаркеры для локализации и мониторинга повреждений определенных типов клеток. Например, гепатоциты содержат высокие уровни альфа-GST, а сывороточный альфа-GST, как было обнаружено, является индикатором повреждения гепатоцитов при трансплантации , токсичности и вирусных инфекциях. [31] [32] [33]
Аналогично, у людей клетки проксимальных канальцев почек содержат высокие концентрации альфа-GST, тогда как клетки дистальных канальцев содержат пи-GST. [34] Это специфическое распределение позволяет использовать измерение мочевых GST для количественной оценки и локализации повреждения почечных канальцев при трансплантации , нефротоксичности и ишемическом повреждении. [35]
В доклинических исследованиях на грызунах было показано, что альфа-ГСТ в моче и сыворотке являются чувствительными и специфическими индикаторами некроза проксимальных канальцев почек и гепатоцитов соответственно. [36] [37]
GST можно добавить к интересующему белку, чтобы очистить его от раствора в процессе, известном как анализ с вытягиванием . Это достигается путем вставки кодирующей последовательности ДНК GST рядом с той, которая кодирует интересующий белок. Таким образом, после транскрипции и трансляции белок GST и интересующий белок будут экспрессироваться вместе как слитый белок . Поскольку белок GST имеет сильное связывающее сродство к GSH, к белковой смеси можно добавить бусины, покрытые соединением; в результате интересующий белок, прикрепленный к GST, прилипнет к бусинам, изолируя белок от остальных в растворе. Бусины извлекаются и промываются свободным GSH, чтобы отделить интересующий белок от бус, в результате чего получается очищенный белок. Этот метод можно использовать для выяснения прямых белок-белковых взаимодействий. Недостатком этого анализа является то, что интересующий белок прикреплен к GST, изменяя его нативное состояние. [38] [39]
GST-тег часто используется для разделения и очистки белков, содержащих белок слияния GST. Тег имеет размер 220 аминокислот (примерно 26 кДа), [40] что по сравнению с такими тегами, как Myc-тег или FLAG-тег , довольно большой. Он может быть слит либо с N -концом , либо с C -концом белка. Помимо функционирования в качестве очищающего тега, GST действует как шаперон для прикрепленного белка, способствуя его правильному сворачиванию, а также предотвращая его агрегацию в тельцах включения при экспрессии в бактериях. Тег GST можно легко удалить после очистки путем добавления протеазы, если между GST-тегом и интересующим белком был вставлен подходящий сайт расщепления протеазой (который обычно включен во многие коммерчески доступные источники плазмид с GST-тегом). [38] [41]