stringtranslate.com

Катепсин

Катепсины ( древнегреческие kata- «вниз» и hepsein «кипеть»; сокращенно CTS ) — это протеазы ( ферменты , которые расщепляют белки), которые встречаются у всех животных, а также у других организмов. Существует около дюжины членов этого семейства, которые отличаются своей структурой, каталитическим механизмом и тем, какие белки они расщепляют [ необходима ссылка ] . Большинство членов активируются при низком pH, обнаруженном в лизосомах . Таким образом, активность этого семейства почти полностью сосредоточена в этих органеллах . Однако существуют исключения, такие как катепсин K , который действует внеклеточно после секреции остеокластами при резорбции кости . Катепсины играют жизненно важную роль в клеточном обороте млекопитающих.

Классификация

Клиническое значение

Катепсины участвуют во многих физиологических процессах и были вовлечены в ряд заболеваний человека. Цистеиновые катепсины привлекли значительные исследовательские усилия в качестве лекарственных мишеней . [1] [2]

Катепсин А

Дефицит этого белка связан с множественными формами галактосиалидозов . Активность катепсина А в лизатах метастатических поражений злокачественной меланомы значительно выше, чем в лизатах первичного очага. Катепсин А повышен в мышцах, умеренно пораженных мышечной дистрофией и денервирующими заболеваниями.

Катепсин В

Катепсин B может функционировать как бета-секретаза 1 , расщепляя белок-предшественник амилоида для получения бета-амилоида . [10] Повышенная экспрессия кодируемого белка, который является членом семейства пептидаз C1, была связана с аденокарциномой пищевода и другими опухолями. [11] Катепсин B также участвует в прогрессировании различных опухолей человека [3], включая рак яичников .

Катепсин D

Катепсин D ( аспартилпротеаза ), по-видимому, расщепляет различные субстраты, такие как фибронектин и ламинин . В отличие от некоторых других катепсинов, катепсин D обладает некоторой протеазной активностью при нейтральном pH. [12] Высокие уровни этого фермента в опухолевых клетках, по-видимому, связаны с большей инвазивностью.

Катепсин К

Катепсин К является наиболее мощной коллагеназой млекопитающих . Катепсин К участвует в остеопорозе , заболевании, при котором снижение плотности костей вызывает повышенный риск переломов. Остеокласты являются клетками организма, резорбирующими костную ткань, и они секретируют катепсин К для того, чтобы разрушить коллаген , основной компонент неминерального белкового матрикса кости. [13] Катепсин К, среди других катепсинов, играет роль в метастазах рака посредством деградации внеклеточного матрикса. [14] Было показано, что генетический нокаут катепсина S и К у мышей с атеросклерозом уменьшает размер атеросклеротических поражений. [15] Экспрессия катепсина К в культивируемых эндотелиальных клетках регулируется напряжением сдвига . [16] Также было показано, что катепсин К играет роль в артрите. [17]

Катепсин V

Мышиный катепсин L гомологичен человеческому катепсину V. [18] Было показано, что мышиный катепсин L играет роль в адипогенезе и непереносимости глюкозы у мышей. Катепсин L разрушает фибронектин, рецептор инсулина (IR) и рецептор инсулиноподобного фактора роста 1 (IGF-1R). Было показано, что у мышей с дефицитом катепсина L меньше жировой ткани, ниже уровень глюкозы и инсулина в сыворотке, больше субъединиц инсулинового рецептора, больше переносчика глюкозы (GLUT4) и больше фибронектина, чем у контрольных мышей дикого типа. [19]

Ингибиторы

Пять циклических пептидов проявляют ингибирующую активность в отношении человеческих катепсинов L, B, H и K. [20] Несколько ингибиторов достигли клинических испытаний , нацеленных на катепсины K и S как перспективные терапевтические средства для лечения остеопороза , остеоартрита и хронической боли . Ингибиторы катепсина K, Relacatib, Balicatib и Odanacatib, были прекращены во время клинических испытаний на фазах I, II и III соответственно из-за неблагоприятных побочных эффектов. [21] SAR114137, ингибитор катепсина S, не продвинулся дальше фазы I для лечения хронической боли. В 2022 году STI-1558 , ингибитор катепсина L, получил разрешение FDA на начало исследований фазы I для лечения COVID-19 . [22]

Катепсиновая зимография

Зимография — это тип гель-электрофореза , который использует полиакриламидный гель, сополимеризованный с субстратом, для обнаружения активности фермента. Катепсиновая зимография разделяет различные катепсины на основе их миграции через полиакриламидный гель, сополимеризованный с желатиновым субстратом. Электрофорез происходит в невосстанавливающих условиях, и ферменты защищены от денатурации с помощью лейпептина . [23] После определения концентрации белка в гель загружают равное количество тканевого белка. Затем белку дают возможность мигрировать через гель. После электрофореза гель помещают в ренатурирующий буфер, чтобы вернуть катепсины в их нативную конформацию. Затем гель помещают в активационный буфер с определенным pH и оставляют инкубироваться на ночь при 37 °C. Этот этап активации позволяет катепсинам разрушать желатиновый субстрат. Когда гель окрашивают с помощью красителя Кумасси синим , области геля, все еще содержащие желатин, становятся синими. Области геля, где катепсины были активны, отображаются в виде белых полос. Этот протокол зимографии катепсина использовался для обнаружения фемтомолярных количеств зрелого катепсина K. [23] Различные катепсины можно идентифицировать на основе их расстояния миграции из-за их молекулярного веса: катепсин K (~37 кДа), V (~35 кДа), S (~25 кДа) и L (~20 кДа). Катепсины имеют определенные уровни pH, при которых они имеют оптимальную протеолитическую активность. Катепсин K способен разрушать желатин при pH 7 и 8, но эти уровни pH не допускают активности катепсинов L и V. При pH 4 катепсин V активен, а катепсин K — нет. Регулировка pH активационного буфера может позволить дальнейшую идентификацию типов катепсина. [24]

История

Термин катепсин был придуман в 1929 году Рихардом Вильштеттером и Ойгеном Баманном для описания протеолитической активности лейкоцитов и тканей при слегка кислом pH (Willstätter & Bamann (1929) Hoppe-Seylers Z. Physiol. Chemie 180, 127-143). Самая ранняя запись о «катепсине», найденная в базе данных MEDLINE (например, через PubMed ), содержится в журнале Journal of Biological Chemistry в 1949 году. [25] Однако ссылки в этой статье указывают на то, что катепсины были впервые идентифицированы и названы на рубеже 20-го века. Большая часть этой ранней работы была проделана в лаборатории Макса Бергмана , который провел первые несколько десятилетий века, определяя эти протеазы. [26]

Примечательно, что исследования, опубликованные в 1930-х годах (в основном Бергманном), использовали термин «катептические ферменты» для обозначения широкого семейства протеаз, включавшего папаин , бромелин и сам катепсин. [27] Первоначальные попытки очистить и охарактеризовать протеазы с использованием гемоглобина предпринимались в то время, когда слово «катепсин» указывало на один фермент; [28] существование нескольких отдельных членов семейства катепсинов (например, B, H, L) в то время, по-видимому, не было понято. Однако к 1937 году Бергманн и его коллеги начали дифференцировать катепсины на основе их источника в организме человека (например, катепсин печени, катепсин селезенки). [26]

Ссылки

  1. ^ Новинец, Марко; Ленарчич, Бригита (1 июня 2013 г.). «Папаин-подобные пептидазы: структура, функции и эволюция». Биомолекулярные концепции . 4 (3): 287–308. дои : 10.1515/bmc-2012-0054 . PMID  25436581. S2CID  2112616.
  2. ^ Турк, Вито; Стока, Вероника; Васильева, Ольга; Ренко, Миха; Сан, Тао; Турк, Борис; Турк, Душан (январь 2012 г.). «Цистеиновые катепсины: от структуры, функции и регуляции к новым рубежам». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Белки и протеомика . 1824 (1): 68–88. doi :10.1016/j.bbapap.2011.10.002. PMC 7105208. PMID  22024571 . 
  3. ^ ab Nomura T, Katunuma N (февраль 2005 г.). «Участие катепсинов в инвазии, метастазах и пролиферации раковых клеток» (PDF) . J. Med. Invest . 52 (1–2): 1–9. doi : 10.2152/jmi.52.1 . PMID  15751268.
  4. ^ Lipton P (октябрь 1999). «Ишемическая гибель клеток в нейронах мозга». Physiol. Rev. 79 ( 4): 1431–568. doi :10.1152/physrev.1999.79.4.1431. PMID  10508238.
  5. ^ Xu J, Wang H, Ding K, Lu X, Li T, Wang J, Wang C, Wang J (24 октября 2013 г.). «Ингибирование катепсина S вызывает нейропротекторные эффекты после травматического повреждения мозга у мышей». Медиаторы воспаления . 2013 (2013): 187873. doi : 10.1155/2013/187873 . PMC 3824312. PMID  24282339 . 
  6. ^ Ямашима Т (2013). «Пересмотрите болезнь Альцгеймера с помощью «гипотезы кальпаина-катепсин» — перспективный обзор». Прогресс в неврологии . 105 : 1–23. doi : 10.1016/j.pneurobio.2013.02.004. PMID  23499711. S2CID  39292302.
  7. ^ Raptis SZ, Shapiro SD, Simmons PM, Cheng AM, Pham CT (июнь 2005 г.). «Сериновая протеаза катепсин G регулирует зависимые от адгезии эффекторные функции нейтрофилов, модулируя кластеризацию интегрина». Immunity . 22 (6): 679–91. doi : 10.1016/j.immuni.2005.03.015 . PMID  15963783.
  8. ^ Чандра К (2005). «Эндосомальный протеолиз гликопротеина вируса Эбола необходим для заражения». Science . 308 (5728): 1643–1645. Bibcode :2005Sci...308.1643C. doi :10.1126/science.1110656. PMC 4797943 . PMID  15831716. 
  9. ^ Им Э., Казлаускас А. (март 2007 г.). «Роль катепсинов в глазной физиологии и патологии». Exp. Eye Res . 84 (3): 383–8. doi :10.1016/j.exer.2006.05.017. PMID  16893541.
  10. ^ Хук, Грегори; Хук, Вивиан; Кинди, Марк (01.01.2011). «Ингибитор цистеиновой протеазы E64d снижает уровень амилоида-β в мозге и улучшает дефицит памяти у животных-моделей болезни Альцгеймера, ингибируя катепсин B, но не активность BACE1, β-секретазы». Журнал болезни Альцгеймера . 26 (2): 387–408. doi :10.3233/JAD-2011-110101. ISSN  1875-8908. PMC 4317342 . PMID  21613740. 
  11. ^ Хабиболлахи, Пейман; Фигейредо, Хосе-Луис; Хейдари, Педрам; Дулак, Остин М; Имамура, Ю; Басс, Адам Дж.; Огино, Шуджи; Чан, Эндрю Т; Махмуд, Умар (2012). «Оптическая визуализация с помощью зонда, активированного катепсином В, для улучшенного обнаружения аденокарциномы пищевода с помощью двухканальной флуоресцентной эндоскопии верхнего отдела желудочно-кишечного тракта». Theranostics . 2 (2): 227–234. doi :10.7150/thno.4088. PMC 3296470 . PMID  22400064. 
  12. ^ Lkhider M, Castino R, Bouguyon E, Isidoro C, Ollivier-Bousquet M (2004). «Катепсин D, выделяемый эпителиальными клетками молочной железы лактирующих крыс, участвует в расщеплении пролактина в физиологических условиях». Journal of Cell Science . 117 (Pt 21): 5155–5164. doi : 10.1242/jcs.01396 . PMID  15456852.
  13. ^ Ши Г.П., Чепмен Х.А., Бхайри С.М., ДеЛеу С., Редди В.Ю., Вайс С.Дж. (январь 1995 г.). «Молекулярное клонирование человеческого катепсина О, новой эндопротеиназы и гомолога кроличьего OC2» (PDF) . ФЭБС Летт . 357 (2): 129–34. дои : 10.1016/0014-5793(94)01349-6 . hdl : 2027.42/116965. PMID  7805878. S2CID  28099876.
  14. ^ Gocheva V, Joyce JA (январь 2007 г.). «Цистеиновые катепсины и передний край раковой инвазии». Cell Cycle . 6 (1): 60–4. doi : 10.4161/cc.6.1.3669 . PMID  17245112.
  15. ^ Lutgens E, Lutgens SP, Faber BC, Heeneman S, Gijbels MM, de Winther MP, Frederik P, van der Made I, Daugherty A, Sijbers AM, Fisher A, Long CJ, Saftig P, Black D, Daemen MJ, Cleutjens KB (январь 2006 г.). «Нарушение гена катепсина К снижает прогрессирование атеросклероза и вызывает фиброз бляшек, но ускоряет образование пенистых клеток макрофагов». Circulation . 113 (1): 98–107. doi : 10.1161/CIRCULATIONAHA.105.561449 . PMID  16365196.
  16. ^ Platt MO, Ankeny RF, Shi GP, Weiss D, Vega JD, Taylor WR, Jo H (март 2007 г.). «Экспрессия катепсина К регулируется напряжением сдвига в культивируемых эндотелиальных клетках и увеличивается в эндотелии при атеросклерозе человека». Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol . 292 (3): H1479–86. doi :10.1152/ajpheart.00954.2006. PMID  17098827.
  17. ^ Salminen-Mankonen HJ, Morko J, Vuorio E (февраль 2007 г.). «Роль катепсина К в нормальных суставах и в развитии артрита». Curr Drug Targets . 8 (2): 315–23. doi :10.2174/138945007779940188. PMID  17305509.
  18. ^ Brömme D, Li Z, Barnes M, Mehler E (февраль 1999). "Функциональная экспрессия человеческого катепсина V, распределение в тканях, электростатический поверхностный потенциал, ферментативная характеристика и хромосомная локализация". Biochemistry . 38 (8): 2377–85. doi :10.1021/bi982175f. PMID  10029531.
  19. ^ Yang M, Zhang Y, Pan J, Sun J, Liu J, Libby P, Sukhova GK, Doria A, Katunuma N, Peroni OD, Guerre-Millo M, Kahn BB, Clement K, Shi GP (август 2007 г.). «Активность катепсина L контролирует адипогенез и толерантность к глюкозе». Nat. Cell Biol . 9 (8): 970–7. doi :10.1038/ncb1623. PMC 3065497. PMID  17643114 . 
  20. ^ Браткович и др. (2005). «Отбор по сродству к папаину дает мощные пептидные ингибиторы катепсинов L, B, H и K». Biochemical and Biophysical Research Communications . 332 (3): 897–903. doi :10.1016/j.bbrc.2005.05.028. PMID  15913550.
  21. ^ Маллард, Эшер (2016-10-01). "Merck & Co. прекращает выпуск препарата для лечения остеопороза оданакатиб". Nature Reviews Drug Discovery . 15 (10): 669. doi : 10.1038/nrd.2016.207 . ISSN  1474-1784. PMID  27681784. S2CID  10186583.
  22. ^ Кули, Брайан (19 июля 2022 г.). ""Sorrento Therapeutics объявляет о выдаче разрешения FDA IND на STI-1558, пероральный ингибитор M(pro) и катепсина L для лечения COVID-19"". Sorrento Therapeutics, Inc. Получено 1 сентября 2022 г.
  23. ^ ab Li WA, Barry ZT, Cohen JD, Wilder CL, Deeds RJ, Keegan PM, Platt MO (июнь 2010 г.). «Обнаружение фемтомолярных количеств зрелого катепсина К с помощью зимографии». Anal. Biochem . 401 (1): 91–8. doi :10.1016/j.ab.2010.02.035. PMID  20206119.
  24. ^ Wilder CL, Park KY, Keegan PM, Platt MO (декабрь 2011 г.). «Манипулирование субстратом и pH в протоколах зимографии селективно различает активность катепсинов K, L, S и V в клетках и тканях». Arch. Biochem. Biophys . 516 (1): 52–7. doi :10.1016/j.abb.2011.09.009. PMC 3221864 . PMID  21982919. 
  25. ^ Maver ME, Greco AE (декабрь 1949). «Гидролиз нуклеопротеинов катепсинами из тимуса теленка». J. Biol. Chem . 181 (2): 853–60. doi : 10.1016/S0021-9258(18)56608-4 . PMID  15393803.
  26. ^ ab Bergmann M, Fruton JS (июль 1936 г.). «Относительно общей природы катептических ферментов». Science . 84 (2169): 89–90. Bibcode :1936Sci....84...89B. doi :10.1126/science.84.2169.89. PMID  17748131.
  27. ^ Бергманн М., Фрутон Дж. С. (1 июня 1937 г.). «О протеолитических ферментах XV. Относительно общей природы внутриклеточных протеолитических ферментов». Журнал биологической химии . 119 : 35–46. doi : 10.1016/S0021-9258(18)74429-3 .
  28. ^ Anson, ML (сентябрь 1936 г.). «Оценка катепсина с гемоглобином и частичная очистка катепсина». Журнал общей физиологии . 20 (4): 565–574. doi :10.1085/jgp.20.4.565. PMC 2141516. PMID 19873011  . 

Внешние ссылки