stringtranslate.com

Фермент, разрушающий инсулин

Фермент, разрушающий инсулин , также известный как IDE , является ферментом . [4]

Известный также как инсулиновая или инсулиновая протеаза , IDE — это крупная цинксвязывающая протеаза семейства металлопротеаз M16, известная тем, что расщепляет несколько коротких полипептидов, которые значительно различаются по последовательности. Другие члены этого семейства включают митохондриальную процессирующую пептидазу [5] и пресеквенциальную протеазу [6] .

Структура

Ген

Ген IDE кодирует белок инсулин-деградирующий фермент . Человеческий ген IDE имеет 28 экзонов и расположен на хромосомном участке 10q23-q25. [4]

Белок

Из-за альтернативного сплайсинга человеческий белок инсулин-деградирующий фермент имеет две изоформы. Изоформа 1 имеет размер ~118 кДа и состоит из 1019 аминокислот, в то время как изоформа 2 имеет размер ~54,2 кДа [7] и состоит из 464 аминокислот (отсутствуют аминокислоты 1-555). Рассчитанный теоретический pI этой изоформы белка составляет 6,26. [8] Структурные исследования IDE Шеном и соавторами [9] дали представление о функциональных механизмах протеазы. Напоминая ранее определенную структуру бактериальной протеазы питрилизина, кристаллическая структура IDE выявляет определенные N- и C-концевые единицы, которые образуют протеолитическую камеру, содержащую активный центр связывания цинка. Кроме того, похоже, что IDE может существовать в двух конформациях: открытая конформация, в которой субстраты могут получить доступ к активному сайту, и закрытое состояние, в котором активный сайт содержится внутри камеры, образованной двумя вогнутыми доменами. Целевые мутации, которые благоприятствуют открытой конформации, приводят к 40-кратному увеличению каталитической активности. На основании этого наблюдения было высказано предположение, что возможный терапевтический подход к болезни Альцгеймера может включать сдвиг конформационного предпочтения IDE в открытое состояние и, таким образом, увеличение деградации Aβ, предотвращение агрегации и, в идеале, предотвращение потери нейронов, которая приводит к симптомам заболевания. [9]

Функция

IDE был впервые идентифицирован по его способности разрушать цепь B гормона инсулина . Эта активность была обнаружена более шестидесяти лет назад, [10] хотя фермент, специально ответственный за расщепление цепи B, был идентифицирован совсем недавно. [11] Это открытие выявило значительное сходство аминокислотной последовательности между IDE и ранее охарактеризованной бактериальной протеазой питрилизином, что предполагает общий протеолитический механизм. IDE, который мигрирует со скоростью 110 кДа во время гель-электрофореза в денатурирующих условиях, с тех пор, как было показано, имеет дополнительные субстраты, включая сигнальные пептиды глюкагон , TGF альфа и β-эндорфин . [12]

Клиническое значение

болезнь Альцгеймера

Значительный интерес к IDE был стимулирован в связи с открытием того, что IDE может разрушать бета-амилоид (Aβ), пептид, вовлеченный в патогенез болезни Альцгеймера . [13] Основная причина или причины заболевания неясны, хотя первичная наблюдаемая невропатология заключается в образовании амилоидных бляшек и нейрофибриллярных клубков. Один из предполагаемых механизмов заболевания, называемый амилоидной гипотезой, предполагает, что возбудителем является гидрофобный пептид Aβ, который образует четвертичные структуры, которые по неясному механизму вызывают гибель нейронов. Aβ является побочным продуктом, образующимся в результате протеолитической обработки белка -предшественника амилоида (APP) протеазами, называемыми β и γ секретазами . Физиологическая роль этой обработки неясна, хотя она может играть роль в развитии нервной системы. [14]

Многочисленные исследования in vitro и in vivo показали корреляции между IDE, деградацией Aβ и болезнью Альцгеймера. У мышей, у которых отсутствовали оба аллеля гена IDE, наблюдалось 50%-ное снижение деградации Aβ, что приводило к накоплению Aβ в мозге. [15] Исследования генетически унаследованных форм болезни Альцгеймера показали снижение как экспрессии IDE [16] , так и каталитической активности [17] среди пораженных людей. Несмотря на очевидную роль IDE в заболевании, относительно мало известно о его физиологических функциях. Они могут быть разнообразными, поскольку IDE локализуется в нескольких местах, включая цитозоль, пероксисомы, эндосомы, протеасомные комплексы [18] и поверхность цереброваскулярных эндотелиальных клеток. [19] На основании вышеупомянутых наблюдений за структурой белка было высказано предположение, что возможный терапевтический подход к болезни Альцгеймера может включать изменение конформационного предпочтения IDE в открытое состояние и, таким образом, усиление деградации Aβ, предотвращение агрегации и, в идеале, предотвращение потери нейронов, которая приводит к симптомам заболевания.

Регуляция внеклеточного амилоидного β-белка

Сообщения о IDE, локализованном в цитозоле и пероксисомах [20], вызвали опасения относительно того, как протеаза может разрушать эндогенный Aβ. Несколько исследований обнаружили инсулин-разрушающую активность в кондиционированной среде культивируемых клеток, [21] [22] что предполагает проницаемость клеточной мембраны и, таким образом, возможное высвобождение IDE из протекающих клеток. Цю и коллеги выявили присутствие IDE во внеклеточной среде с помощью антител к ферменту. Они также количественно определили уровни Aβ-разрушающей активности [23] с помощью элюирования из колоночной хроматографии. Корреляция присутствия IDE и Aβ-разрушающей активности в кондиционирующей среде подтвердила, что протекающие мембраны ответственны за внеклеточную активность IDE. Однако другие сообщения указали, что он высвобождается через экзосомы. [24]

Потенциальная роль в олигомеризации Aβ

Недавние исследования показали, что олигомеризация синтетического Aβ полностью ингибируется конкурентным субстратом IDE, инсулином. [23] Эти результаты свидетельствуют о том, что активность IDE способна объединять несколько фрагментов Aβ. Куи и др. выдвинули гипотезу, что фрагменты Aβ, генерируемые IDE, могут либо усиливать олигомеризацию пептида Aβ, либо могут олигомеризоваться сами. Также вполне возможно, что IDE может опосредовать деградацию и олигомеризацию Aβ независимыми действиями, которые еще предстоит изучить.

Механизм

Механизм фермента IDE остается плохо изученным. Первый шаг одного из предложенных механизмов [25] включает связанную с цинком гидроксидную группу, осуществляющую нуклеофильную атаку на углеродный субстрат, который материализуется в промежуточный продукт INT1. В этом виде мы можем отметить, что связанный с цинком гидроксид полностью переносится на карбонильный углерод субстрата в результате разрыва связи Zn2 + −OH. В TS2 остаток Glu111 вращается, чтобы занять правильное положение для образования двух водородных связей с азотом амида и группой −OH, связанной с атомом углерода субстрата, таким образом, одновременно выступая в качестве донора и акцептора водорода. Образование второй указанной связи способствует восстановлению связи Zn2 + −OH, разорванной ранее на уровне INT1. Нуклеофильное присоединение и протонирование азота амида пептида — очень быстрый процесс, который, как полагают, происходит как один шаг в каталитическом процессе. Конечным видом на пути является продукт PROD. [25] В результате переноса протона Glu111 на амидный азот субстрата, произошедшего в TS3, пептидная связь N—C разрывается.

Взгляд на весь путь реакции показывает, что скорость-определяющим этапом в этом процессе является нуклеофильное присоединение. После этой точки каталитическое событие должно протекать без особых препятствий. [26] [27]

Ссылки

  1. ^ abc GRCh38: Ensembl выпуск 89: ENSG00000119912 – Ensembl , май 2017 г.
  2. ^ "Human PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  3. ^ "Mouse PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  4. ^ ab "Ген Энтреза: фермент IDE, разрушающий инсулин".
  5. ^ Алешин А.Е., Граматикова С., Хура Г.Л., Бобков А., Стронгин А.Ю., Стец Б. и др. (Ноябрь 2009 г.). «Структуры кристаллов и растворов прокариотической пептидазы M16B: открытый и закрытый случай». Structure . 17 (11): 1465–75. doi :10.1016/j.str.2009.09.009. PMC 3615642 . PMID  19913481. 
  6. ^ King JV, Liang WG, Scherpelz KP, Schilling AB, Meredith SC, Tang WJ (июль 2014 г.). «Молекулярная основа распознавания и деградации субстрата человеческой пресеквенционной протеазой». Структура . 22 (7): 996–1007. doi :10.1016/j.str.2014.05.003. PMC 4128088. PMID  24931469 . 
  7. ^ "IDE - Фермент, расщепляющий инсулин - Homo sapiens (Человек) - Ген и белок IDE".
  8. ^ "Uniprot: P14735 - IDE_HUMAN".
  9. ^ ab Shen Y, Joachimiak A, Rosner MR, Tang WJ (октябрь 2006 г.). «Структуры человеческого инсулин-деградирующего фермента раскрывают новый механизм распознавания субстрата». Nature . 443 (7113): 870–4. Bibcode :2006Natur.443..870S. doi :10.1038/nature05143. PMC 3366509 . PMID  17051221. 
  10. ^ Мирский ИА, Брох-Кан РХ (январь 1949). «Инактивация инсулина тканевыми экстрактами; распределение и свойства экстрактов, инактивирующих инсулин». Архивы биохимии . 20 (1): 1–9. PMID  18104389.
  11. ^ Affholter JA, Fried VA, Roth RA (декабрь 1988 г.). «Человеческий инсулин-деградирующий фермент имеет структурную и функциональную гомологию с протеазой III E. coli». Science . 242 (4884): 1415–8. Bibcode :1988Sci...242.1415A. doi :10.1126/science.3059494. PMID  3059494.
  12. ^ Wang DS, Dickson DW, Malter JS (2006). "Деградация бета-амилоида и болезнь Альцгеймера". Журнал биомедицины и биотехнологии . 2006 (3): 58406. doi : 10.1155/JBB/2006/58406 . PMC 1559921. PMID  17047308 . 
  13. ^ Курочкин IV, Гото S (май 1994). «Пептид бета-амилоида болезни Альцгеймера специфически взаимодействует с ферментом, разрушающим инсулин, и разрушается им». FEBS Letters . 345 (1): 33–7. doi : 10.1016/0014-5793(94)00387-4 . PMID  8194595. S2CID  43917847.
  14. ^ Керр МЛ, Смолл ДХ (апрель 2005 г.). «Цитоплазматический домен предшественника бета-амилоидного белка болезни Альцгеймера: функция, регуляция протеолиза и последствия для разработки лекарств». Журнал исследований нейронауки . 80 (2): 151–9. doi :10.1002/jnr.20408. PMID  15672415. S2CID  31985212.
  15. ^ Farris W, Mansourian S, Chang Y, Lindsley L, Eckman EA, Frosch MP и др. (апрель 2003 г.). «Инсулин-деградирующий фермент регулирует уровни инсулина, бета-амилоидного белка и внутриклеточного домена предшественника бета-амилоидного белка in vivo». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (7): 4162–7. Bibcode : 2003PNAS..100.4162F . doi : 10.1073/pnas.0230450100 . PMC 153065. PMID  12634421. 
  16. ^ Cook DG, Leverenz JB, McMillan PJ, Kulstad JJ, Ericksen S, Roth RA и др. (январь 2003 г.). «Снижение уровня инсулиноразрушающего фермента гиппокампа при болезни Альцгеймера с поздним началом связано с аллелем аполипопротеина E-epsilon4». The American Journal of Pathology . 162 (1): 313–9. doi :10.1016/s0002-9440(10)63822-9. PMC 1851126. PMID 12507914.  Архивировано из оригинала 2003-08-30 . Получено 2008-02-10 . 
  17. ^ Ким М., Херш Л.Б., Лейссринг МА., Ингельссон М., Мацуи Т., Фаррис В. и др. (март 2007 г.). «Снижение каталитической активности фермента, разрушающего инсулин, в семьях больных болезнью Альцгеймера, связанных с хромосомой 10». Журнал биологической химии . 282 (11): 7825–32. doi : 10.1074/jbc.M609168200 . PMID  17244626.
  18. ^ Duckworth WC, Bennett RG, Hamel FG (октябрь 1998 г.). «Деградация инсулина: прогресс и потенциал». Endocrine Reviews . 19 (5): 608–24. doi : 10.1210/edrv.19.5.0349 . PMID  9793760.
  19. ^ Lynch JA, George AM, Eisenhauer PB, Conn K, Gao W, Carreras I и др. (май 2006 г.). «Фермент, разрушающий инсулин, локализуется преимущественно на поверхности клеток поляризованных и неполяризованных культур эндотелиальных клеток сосудов головного мозга человека». Journal of Neuroscience Research . 83 (7): 1262–70. doi :10.1002/jnr.20809. PMID  16511862. S2CID  23670388.
  20. ^ Authier F, Bergeron JJ, Ou WJ, Rachubinski RA, Posner BI, Walton PA (апрель 1995 г.). «Деградация расщепленного лидерного пептида тиолазы пероксисомальной протеиназой». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 92 (9): 3859–63. Bibcode : 1995PNAS...92.3859A. doi : 10.1073 /pnas.92.9.3859 . PMC 42061. PMID  7731996. 
  21. ^ Roth RA, Mesirow ML, Cassell DJ, Yokono K, Baba S (март 1985). «Характеристика фермента, разрушающего инсулин, из культивируемых лимфоцитов человека». Diabetes Research and Clinical Practice . 1 (1): 31–9. doi :10.1016/S0168-8227(85)80026-7. PMID  3915257.
  22. ^ Semple JW, Lang Y, Speck ER, Delovitch TL (октябрь 1992 г.). «Обработка и презентация инсулина. III. Инсулин-деградирующий фермент: нейтральная металлоэндопротеиназа, которая негомологична классическим эндопротеиназам, опосредует обработку эпитопов инсулина для хелперных Т-клеток». Международная иммунология . 4 (10): 1161–7. doi :10.1093/intimm/4.10.1161. PMID  1283335.
  23. ^ ab Qiu WQ, Walsh DM, Ye Z, Vekrellis K, Zhang J, Podlisny MB и др. (декабрь 1998 г.). «Инсулин-деградирующий фермент регулирует внеклеточные уровни бета-амилоидного белка путем деградации». Журнал биологической химии . 273 (49): 32730–8. doi : 10.1074/jbc.273.49.32730 . PMID  9830016.
  24. ^ Tamboli IY, Barth E, Christian L, Siepmann M, Kumar S, Singh S, et al. (Ноябрь 2010). «Статины способствуют деградации внеклеточного амилоидного {бета}-пептида микроглией посредством стимуляции секреции экзосом-ассоциированного инсулин-деградирующего фермента (IDE)». Журнал биологической химии . 285 (48): 37405–14. doi : 10.1074/jbc.M110.149468 . PMC 2988346. PMID  20876579 . 
  25. ^ ab Amata O, Marino T, Russo N, Toscano M (октябрь 2009 г.). «Механизм работы фермента, разрушающего инсулин человека». Журнал Американского химического общества . 131 (41): 14804–11. doi :10.1021/ja9037142. PMID  19785409.
  26. ^ Leopoldini M, Russo N, Toscano M (август 2009). «Определение каталитического пути фермента марганцевой аргиназы посредством исследования функциональной плотности». Химия: Европейский журнал . 15 (32): 8026–36. doi :10.1002/chem.200802252. PMID  19288480.
  27. ^ Hersh LB (ноябрь 2006 г.). «Загадка инсулина (фермента, разрушающего инсулин)». Cellular and Molecular Life Sciences . 63 (21): 2432–4. doi :10.1007/s00018-006-6238-9. PMC 11136442 . PMID  16952049. S2CID  12536419. 

Внешние ссылки