stringtranslate.com

Рецептор маннозо-6-фосфата

Рецепторы маннозо-6-фосфата ( MPR ) представляют собой трансмембранные гликопротеины , которые направляют ферменты в лизосомы позвоночных . [ 1]

Рецепторы маннозо-6-фосфата связывают вновь синтезированные лизосомальные гидролазы в транс-сети Гольджи (TGN) и доставляют их в прелизосомальные отсеки. Существует два разных MPR, один с ~300 кДа и меньший, димерный рецептор с ~46 кДа. [2] [3] Более крупный рецептор известен как катион-независимый маннозо-6-фосфатный рецептор ( CI-MPR ), в то время как меньший рецептор ( CD-MPR ) требует двухвалентных катионов для эффективного распознавания лизосомальных гидролаз. [3] Хотя двухвалентные катионы не являются необходимыми для связывания лиганда человеческим CD-MPR, номенклатура была сохранена. [4]

Оба эти рецептора связывают терминальный маннозо-6-фосфат с одинаковой аффинностью (CI-MPR = 7 мкМ, CD-MPR = 8 мкМ) [5] и имеют схожие сигналы в своих цитоплазматических доменах для внутриклеточного транспорта. [6]

История

Элизабет Нойфельд изучала пациентов, у которых в клетках присутствовало несколько включений . [7] Из-за большого количества включений она назвала это состояние болезнью I-клеток . Эти включения представляли собой лизосомы, заполненные неперевариваемым материалом. Сначала Нойфельд думала, что у этих пациентов, должно быть, не хватает лизосомальных ферментов . Дальнейшее исследование показало, что все лизосомальные ферменты вырабатывались, но они были неправильно нацелены . Вместо того, чтобы быть отправленными в лизосому , они секретировались. Более того, было обнаружено, что эти неправильно нацеленные ферменты не фосфорилируются . Поэтому Нойфельд предположила, что болезнь I-клеток была вызвана дефицитом ферментов, которые добавляют специфическую маннозо-6-фосфатную метку к лизосомальным ферментам, чтобы их можно было направить в лизосому .

Исследования болезни I-клеток привели к открытию рецепторов , которые связываются с этой специфической меткой. Сначала был обнаружен и выделен CI-MPR с помощью аффинной хроматографии . Однако ученые обнаружили, что некоторые лизосомальные ферменты все же достигали лизосомы в отсутствие CI-MPR. Это привело к идентификации другого рецептора связывания маннозы 6-фосфата , CD-MPR, который связывает свой лиганд в присутствии двухвалентного катиона, такого как Mn 2+ . [8] [9]

Гены для каждого рецептора были клонированы и охарактеризованы. Считается, что они произошли от одного и того же предкового гена, поскольку в некоторых из их границ интрон / экзон наблюдается консервация , а в их связывающих доменах наблюдается гомология . [7]

Функция

Основная функция МПР — направлять лизосомальные ферменты в лизосому .

Механизм нацеливания

Лизосомальные ферменты синтезируются в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме вместе с рядом других секреторных белков . Специфическая распознающая метка развилась, чтобы предотвратить секрецию этих вредных лизосомальных ферментов и гарантировать, что они направлены в лизосому. [7] Эта метка представляет собой остаток маннозо-6-фосфата.

После того, как лизосомальный фермент был перемещен в шероховатый эндоплазматический ретикулум , олигосахарид , состоящий из Glc 3 Man 9 GlcNAc 2, целиком переносится в белок. [1] Олигосахарид , присутствующий на лизосомальных ферментах, обрабатывается таким же образом, как и другие секреторные белки, пока он перемещается из эндоплазматического ретикулума в цис -Гольджи .

Изображение, показывающее общую структуру CI-MPR и CD-MPR. Это изображение было адаптировано из «Введения в гликобиологию» [1]

В транс -Гольджи фосфотрансфераза GlcNAc (EC 2.7.8.17) добавляет остаток фосфата GlcNAc -1- к 6-гидроксильной группе определенного остатка маннозы в олигосахариде . [10] Это образует фосфодиэстер : Man-фосфат-GlcNAc. После образования фосфодиэстер лизосомальный фермент будет транслоцирован через аппарат Гольджи в транс -Гольджи . В транс -Гольджи фосфодиэстераза (EC 3.1.4.45) удалит остаток GlcNAc , обнажив метку маннозы-6-фосфата, что позволит лизосомальным ферментам связаться с CI-MPR и CD-MPR. Комплекс MPR-лизосомальный фермент транслоцируется в прелизосомальный компартмент, известный как эндосома , в покрытой COPII везикуле . [11] [12] Это нацеливание в сторону от секреторного пути достигается за счет наличия специфического сортировочного сигнала, кислотного кластера/дилейцинового мотива, в цитоплазматических хвостах MPR. [13] Оба MPR связывают свои лиганды наиболее эффективно при pH 6–7; таким образом, позволяя рецепторам связываться с лизосомальными ферментами в транс -Гольджи и высвобождать их в подкисленной среде эндосомы . После того, как фермент диссоциирует от рецептора маннозо-6-фосфата, он транслоцируется из эндосомы в лизосому , где фосфатная метка удаляется из фермента .

MPR не обнаружены в лизосомах ; они в основном циклируют между сетью транс -Гольджи и эндосомами . CI-MPR также присутствует на поверхности клетки . Около 10-20% CI-MPR можно обнаружить на клеточной мембране. [14] Его функция здесь заключается в захвате любых ферментов, помеченных маннозой-6-фосфатом , которые случайно попали в секреторный путь. Как только он связывается с лизосомальным ферментом, рецептор быстро интернализуется. Интернализация опосредуется сортировочным сигналом в его цитоплазматическом хвосте – мотивом YSKV. [13] Это гарантирует, что все вредные лизосомальные ферменты будут направлены в лизосому .

Исследования на мышах с нокаутом

CI-MPR

Мыши, у которых отсутствует CI-MPR, умирают на 15-й день беременности из-за гиперплазии сердца . [7] Мыши страдают от аномального роста, поскольку они не способны регулировать уровни свободного IGF-II (инсулиноподобного фактора роста типа II). Смерть мышей можно предотвратить, если также отключить аллель IGF-II . Дальнейший анализ эмбрионов также показал, что у них наблюдаются дефекты в нацеливании лизосомальных ферментов , поскольку у них повышен уровень фосфорилированных лизосомальных ферментов в амниотической жидкости . Примерно 70% лизосомальных ферментов секретируются при отсутствии CI-MPR — это говорит о том, что CD-MPR не способен компенсировать его потерю. [1]

CD-MPR

Когда CD-MPR выключается у мышей, они кажутся здоровыми, за исключением того факта, что у них есть дефекты в нацеливании множественных лизосомальных ферментов . У этих мышей наблюдается повышенный уровень фосфорилированных лизосомальных ферментов в крови, и они накапливают непереваренный материал в своих лизосомах . [7]

Из этих нокаутных мышей можно сделать вывод, что оба рецептора необходимы для эффективного нацеливания лизосомальных ферментов . Лизосомальные ферменты , которые секретируются двумя различными нокаутными клеточными линиями, образуют два разных набора. Это предполагает, что каждый MPR взаимодействует преимущественно с подмножеством лизосомальных ферментов .

Структура

CI-MPR и CD-MPR являются структурно различными рецепторами , однако они имеют общую общую структуру, поскольку оба являются интегральными мембранными белками типа I. Оба рецептора имеют большой N-концевой внецитоплазматический домен, один трансмембранный домен и короткий C-концевой цитоплазматический хвост. Эти цитоплазматические хвосты содержат множественные сигналы сортировки; [15] некоторые из которых могут быть либо фосфорилированы , либо пальмитоилированы . [13]

Первые 3 N-концевых домена (домены 1, 2 и 3) катион-независимого маннозо-6-фосфатного рецептора со связанным лигандом. Изображение получено из файла PDB: = 1SZ0 1SZ0 с использованием PyMol.

CI-MPR : CI-MPR составляет ~300 кДа. [16] N -концевой внецитоплазматический домен содержит 15 смежных доменов распознавания углеводов P-типа. [16] Их называют доменами MRH (маннозо-6-фосфатный рецептор гомология). Домены гомологичны , потому что они имеют:

Структура 7 из 15 доменов была определена с помощью рентгеновской кристаллографии , и они, по-видимому, имеют схожую складку . [16] CI-MPR существует в мембране в основном в виде димера . Было обнаружено, что домены 3, 5 и 9 связываются с маннозо-6-фосфатом. Домены 3 и 9 могут связываться с маннозо-6-фосфатом с высокой аффинностью . Домен 5 связывает только Man-6-фосфат со слабой аффинностью . Однако было также показано, что домен 5 связывается с фосфодиэфиром, Man-фосфатом-GlcNAc. [16] Это механизм безопасности для клетки — он означает, что она способна связываться с лизосомальными ферментами , которые избежали действия фермента, удаляющего остаток GlcNAc . Объединение этих 3 доменов позволяет CI-MPR связываться с широким спектром фосфорилированных гликановых структур. Домен 11 связывается с IGF-II .

CD-MPR : CD-MPR намного меньше, чем CI-MPR – он всего ~46 кДа. [16] Его N-концевой внецитоплазматический домен содержит только 1 домен распознавания углеводов P-типа. CD-MPR существует в основном в виде димера в мембране . Однако считается, что существуют также мономерные и тетрамерные формы. [17] Равновесие между этими различными олигомерами зависит от pH , температуры и присутствия остатков маннозо-6-фосфата. Каждый мономер образует 9-цепочечный β-цилиндр , который может связываться с одним остатком маннозо-6-фосфата.

Катионозависимый маннозо-6-фосфатный рецептор со связанным лигандом. Фиолетовая сфера представляет катион Mn 2+ . Изображение получено из файла PDB: = 1C39 1C39 с использованием PyMol.

Связывание маннозо-6-фосфата

CI-MPR и CD-MPR связывают маннозо-6-фосфат схожим образом. Оба образуют набор водородных связей между ключевыми остатками и характерными гидроксильными группами на остатке маннозы . Водородные связи с гидроксильными группами в положениях 2, 3 и 4 делают сайт специфичным только для маннозы .

Оба MPR разделяют 4 остатка, которые необходимы для связывания лиганда . Мутация любого из этих остатков приводит к потере связывания маннозо-6-фосфата. [16] Эти остатки представляют собой глутамин , аргинин , глутаминовую кислоту и тирозин и отвечают за образование водородных связей , которые связываются со специфическими гидроксильными группами в остатке маннозы .

На лизосомальных ферментах может присутствовать широкий спектр структур N-гликанов . Эти гликаны могут различаться по:

CI-MPR и CD-MPR способны связываться с этим широким диапазоном структур N-гликанов , имея различную архитектуру сайта связывания. [1] MPR также связываются с фосфатной группой немного по-другому. Домен 3 CI-MPR использует Ser -386 и упорядоченную молекулу воды для связывания с фосфатной группой. С другой стороны, CD-MPR использует остатки Asp -103, Asn -104 и His -105 для образования благоприятных водородных связей с фосфатной группой. [16] CD-MPR также содержит двухвалентный катион Mn 2+ , который образует благоприятные водородные связи с фосфатной группой.

CI-MPR и рак

Хорошо известно, что CI-MPR связывает маннозо-6-фосфат, но появляется все больше доказательств того, что CI-MPR также связывается с негликозилированным IGF-II . Считается, что когда CI-MPR присутствует на поверхности клетки , домен 11 будет связываться с любым свободным IGF-II во внеклеточном матриксе . Затем рецептор быстро интернализуется вместе с IGF-II через мотив YSKV, присутствующий в цитоплазматическом хвосте CI-MPR. [13] Затем IGF-II будет направлен в лизосому , где он будет деградировать. Это регулирует уровень свободного IGF-II в организме.

Эта функция CI-MPR была определена с помощью нокаутных мышей . Было замечено, что у мышей с дефицитом CI-MPR был повышенный уровень свободного IGF-II и увеличенные органы (примерно 30% увеличение размера [7] ). Эти мыши умирают на 15-й день беременности из-за гиперплазии сердца . [7] Смерть мышей можно было предотвратить, если также нокаутировать аллель IGF-II . Когда нокаутированы CI-MPR и аллель IGF-II, наблюдается нормальный рост мышей, поскольку больше нет фактора роста, который нужно регулировать.

Из-за способности CI-MPR модулировать уровни IGF-II было высказано предположение, что он может играть роль супрессора опухолей . [13] Исследования многочисленных видов рака у человека показали, что потеря функции CI-MPR связана с прогрессированием опухолеобразования . [18] Потеря гетерозиготности (LOH) в локусе CI-MPR была обнаружена при многочисленных типах рака , включая рак печени и молочной железы . [13] [19] Однако это относительно новая концепция, и для изучения связи между CI-MPR и раком потребуется провести еще много исследований .

Ссылки

  1. ^ abcde Drickamer K, Taylor ME (2011). Введение в гликобиологию (3-е изд.). Oxford [ua]: Oxford University Press. стр. 177–181. ISBN 978-0199569113.
  2. ^ Хофлак Б., Корнфельд С. (июль 1985 г.). «Связывание лизосомального фермента с мембранами макрофагов мыши P388D1, лишенными рецептора маннозы-6-фосфата массой 215 кДа: доказательства существования второго рецептора маннозы-6-фосфата». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 82 (13): 4428–32. Bibcode :1985PNAS...82.4428H. doi : 10.1073/pnas.82.13.4428 . PMC 391114 . PMID  3160044. 
  3. ^ ab Hoflack B, Kornfeld S (октябрь 1985 г.). «Очистка и характеристика катионозависимого маннозо-6-фосфатного рецептора из макрофагов мыши P388D1 и печени быка». J. Biol. Chem . 260 (22): 12008–14. doi : 10.1016/S0021-9258(17)38977-9 . PMID  2931431.
  4. ^ Junghans U, Waheed A, von Figura K (сентябрь 1988 г.). ««Катион-зависимый» маннозо-6-фосфатный рецептор связывает лиганды в отсутствие двухвалентных катионов». FEBS Lett . 237 (1–2): 81–4. doi : 10.1016/0014-5793(88)80176-5 . PMID  2971570. S2CID  29141433.
  5. ^ Tong PY, Kornfeld S (май 1989). «Взаимодействие лигандов катион-зависимого маннозо-6-фосфатного рецептора. Сравнение с катион-независимым маннозо-6-фосфатным рецептором». J. Biol. Chem . 264 (14): 7970–5. doi : 10.1016/S0021-9258(18)83137-4 . PMID  2542255.
  6. ^ Джонсон КФ, Чан В, Корнфельд С (декабрь 1990 г.). «Катион-зависимый рецептор маннозы 6-фосфата содержит два сигнала интернализации в своем цитоплазматическом домене». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 87 (24): 10010–4. Bibcode :1990PNAS...8710010J. doi : 10.1073/pnas.87.24.10010 . PMC 55304 . PMID  2175900. 
  7. ^ abcdefg Varki A, Cummings RD, Esko JD, Freeze HH, Stanley P, Bertozzi CR, Hart GW, Etzler M (2009). "Лектины P-типа". Основы гликобиологии (2-е изд.). Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press. ISBN 978-0879697709.
  8. ^ Хофлак, Б.; Комфельд, С. (1985). «Связывание лизосомального фермента с мембранами макрофагов мыши P388D1, лишенными рецептора маннозы-6-фосфата 215 кДа: доказательства существования второго рецептора маннозы-6-фосфата». Proc. Natl. Acad. Sci. 82 (13): 4428–32. Bibcode :1985PNAS...82.4428H. doi : 10.1073/pnas.82.13.4428 . PMC 391114 . PMID  3160044.  
  9. ^ Хофлак Б., Корнфельд С. (1985). «Очистка и характеристика катионозависимого маннозо-6-фосфатного рецептора из макрофагов мыши P388D1 и печени быка». J. Biol. Chem. 260 (22): 12008–14. doi : 10.1016/S0021-9258(17)38977-9 . PMID  2931431.
  10. ^ Рейтман МЛ, Корнфельд С (1981). «Лизосомальные ферменты нацеливания. N-ацетилглюкозаминилфосфотрансфераза селективно фосфорилирует нативные лизосомальные ферменты». J. Biol. Chem. 256 (23): 11977–80. doi : 10.1016/S0021-9258(18)43217-6 . PMID  6457829.
  11. ^ Дункан Дж. Р., Корнфельд С. (март 1988 г.). «Внутриклеточное движение двух рецепторов маннозы-6-фосфата: возвращение в аппарат Гольджи». J. Cell Biol . 106 (3): 617–28. doi : 10.1083/jcb.106.3.617. PMC 2115106. PMID  2964450. 
  12. ^ Le Borgne R, Hoflack B (1997). «Маннозо-6-фосфатные рецепторы регулируют образование везикул, покрытых клатрином, в TGN». J. Cell Biol . 137 (2): 335–45. doi :10.1083/jcb.137.2.335. PMC 2139777. PMID  9128246 . 
  13. ^ abcdefgh Ghosh P, Dahms NM, Kornfeld S (2003). «Маннозо-6-фосфатные рецепторы: новые повороты в истории». Nature Reviews Molecular Cell Biology . 4 (3): 202–212. doi :10.1038/nrm1050. PMID  12612639. S2CID  16991464.
  14. ^ Pohlmann, R.; Nagel, G.; Hille, A.; Wendland, M.; Waheed, A.; Braulke, T. & von Figura, K. (1989). «Специфические рецепторы маннозо-6-фосфата: структура и функция». Biochem Soc Trans . 17 (1): 15–16. doi :10.1042/bst0170015. PMID  2541033.
  15. ^ Джонсон КФ, Чан В, Корнфельд С (1990). «Катион-зависимый рецептор маннозы 6-фосфата содержит два сигнала интернализации в своем цитоплазматическом домене». Proc. Natl. Acad. Sci. 87 (24): 10010–4. Bibcode :1990PNAS...8710010J. doi : 10.1073/pnas.87.24.10010 . PMC 55304 . PMID  2175900.  
  16. ^ abcdefg Bohnsack RN, Song X, Olson LJ, Kudo M, Gotschall RR, Canfield WM, Cummings RD, Smith DF, Dahms NM (2009). «Катиононезависимый рецептор маннозы 6-фосфата, состоящий из отдельных участков связывания фосфоманнозила». Журнал биологической химии . 284 (50): 35215–35226. doi : 10.1074/jbc.M109.056184 . PMC 2787381. PMID  19840944 . 
  17. ^ Tong PY, Kornfeld S (1989). «Взаимодействия лигандов катион-зависимого маннозо-6-фосфатного рецептора. Сравнение с катион-независимым маннозо-6-фосфатным рецептором». J. Biol. Chem. 264 (14): 7970–5. doi : 10.1016/S0021-9258(18)83137-4 . PMID  2542255.
  18. ^ De Souza AT, Hankins GR, Washington MK, Orton TC, Jirtle RL (1996). «Ген M6P/IGF2R мутирует в гепатоцеллюлярных карциномах человека с потерей гетерозиготности». Nat. Genet. 11 (4): 447–9. doi :10.1038/ng1295-447. PMID  7493029. S2CID  21787312.
  19. ^ De Souza AT, Hankins GR, Washington MK, Fine RL, Orton TC, Jirtle RL (1995). «Частая потеря гетерозиготности на 6q в локусе рецептора маннозо-6-фосфата/инсулиноподобного фактора роста II в гепатоцеллюлярных опухолях человека». Онкоген . 10 (9): 1725–9. PMID  7753549.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки