stringtranslate.com

PA клан протеаз

Клан PA ( Протеазы смешанного нуклеофила, суперсемейство A ) является крупнейшей группой протеаз с общим происхождением, что определяется структурной гомологией . Члены имеют химотрипсин -подобную укладку и схожие механизмы протеолиза , но могут иметь идентичность <10%. Клан содержит как цистеиновые , так и сериновые протеазы (разные нуклеофилы ). [1] [2] Протеазы клана PA можно найти в растениях , [3] животных , [3] грибах , [3] эубактериях , [4] археях [5] [ 6] и вирусах . [2]

Распространенное использование каталитической триады для гидролиза несколькими кланами протеаз, включая клан PA, представляет собой пример конвергентной эволюции . [7] Различия в каталитической триаде внутри клана PA также являются примером дивергентной эволюции активных участков ферментов. [2]

История

В 1960-х годах сходство последовательностей нескольких протеаз указывало на то, что они были эволюционно связаны. [8] Они были сгруппированы в химотрипсин-подобные сериновые протеазы [9] (теперь называемые семейством S1). Когда структуры этих и других протеаз были решены с помощью рентгеновской кристаллографии в 1970-х и 80-х годах, было замечено, что несколько вирусных протеаз, таких как протеаза вируса гравировки табака, показали структурную гомологию, несмотря на отсутствие заметного сходства последовательностей и даже другой нуклеофил. [2] [10] [11] На основе структурной гомологии было определено суперсемейство , которое позже было названо кланом PA (по системе классификации MEROPS ). По мере того, как решалось больше структур, к суперсемейству клана PA добавлялось больше семейств протеаз. [12] [13]

Этимология

P относится к протеазам смешанного нуклеофила. A указывает на то , что это был первый такой клан, который был идентифицирован (существуют также кланы PB, PC, PD и PE). [1]

Структура

Структурная гомология в суперсемействе PA. Двойной бета-бочка, характеризующая суперсемейство, выделена красным. Показаны репрезентативные структуры из нескольких семейств в суперсемействе PA. Обратите внимание, что некоторые белки демонстрируют частично измененную структуру. Химотрипсин ( PDB : 1gg6 ), тромбин ( PDB : 1mkx ), протеаза вируса гравировки табака ( PDB : 1lvm ), калицивирин ( PDB : 1wqs ), протеаза вируса Западного Нила ( PDB : 1fp7 ), эксфолиатиновый токсин ( PDB : 1exf ), протеаза HtrA ( PDB : 1l1j ), активатор плазминогена змеиного яда ( PDB : 1bqy ), протеаза хлоропласта ( PDB : 4fln ) и протеаза вируса артериита лошадей ( PDB : 1mbm ).
Выше, сохранение последовательности 250 членов клана протеазы PA ( суперсемейство ). Ниже, сохранение последовательности 70 членов семейства протеазы C04. Стрелки указывают на остатки каталитической триады . Выровнено на основе структуры по DALI
Поверхностная структура протеазы TEV. С-концевое расширение присутствует только у вирусных членов клана PA химотрипсиноподобных протеаз в виде (a) поверхности с петлей синего цвета (b) вторичной структуры и (c) b-факторной замазки (более широкие области указывают на большую гибкость) для структуры протеазы TEV. Субстрат черного цвета, триада активного центра красного цвета. Последние 15 аминокислот (222-236) С-конца фермента не видны в структуре, поскольку они слишком гибкие. ( PDB : 1lvm, 1lvb ​)

Несмотря на сохранение всего лишь 10% идентичности последовательностей, члены клана PA, выделенные из вирусов, прокариот и эукариот, демонстрируют структурную гомологию и могут быть выровнены по структурному сходству (например, с помощью DALI ). [3]

Двойной β-ствол

Все протеазы клана PA имеют основной мотив из двух β-бочек с ковалентным катализом, осуществляемым каталитическим триадным мотивом кислота-гистидин-нуклеофил. Бочонки расположены перпендикулярно друг к другу с гидрофобными остатками, удерживающими их вместе в качестве основного каркаса для фермента. Остатки триады разделены между двумя бочками, так что катализ происходит на их границе. [14]

Вирусная протеазная петля

В дополнение к двойному β-ствольному ядру некоторые вирусные протеазы (например, протеаза TEV ) имеют длинную, гибкую C-концевую петлю, которая образует крышку, полностью покрывающую субстрат и создающую связывающий туннель. Этот туннель содержит набор плотно связывающих карманов, так что каждая боковая цепь субстратного пептида (P6 к P1') связана в комплементарном сайте (S6 к S1'), а специфичность обеспечивается большой площадью контакта между ферментом и субстратом. [11] Наоборот, клеточные протеазы, у которых отсутствует эта петля, такие как трипсин, имеют более широкую специфичность .

Эволюция и функционирование

Каталитическая активность

Эволюционное расхождение каталитических триад для использования разных нуклеофилов. Показаны сериновая триада химотрипсина ( клан PA , семейство S1) и цистеиновая триада протеазы TEV ( клан PA , семейство C3).

Структурная гомология указывает на то, что члены клана PA произошли от общего предка той же укладки. Хотя протеазы клана PA используют каталитическую триаду, выполняющую 2-ступенчатый нуклеофильный катализ , [7] некоторые семейства используют серин в качестве нуклеофила, тогда как другие используют цистеин . [2] Таким образом, суперсемейство является экстремальным примером дивергентной эволюции ферментов , поскольку в ходе эволюционной истории основной каталитический остаток фермента переключался в разных семействах. [15] В дополнение к их структурному сходству было показано, что направленная эволюция способна преобразовывать цистеиновую протеазу в активную сериновую протеазу. [16] Все клеточные протеазы клана PA являются сериновыми протеазами , однако существуют как сериновые, так и цистеиновые семейства протеаз вирусных протеаз. [7] Большинство из них являются эндопептидазами , за исключением семейства экзопептидаз S46 . [17] [18]

Биологическая роль и субстратная специфичность

В дополнение к расхождению в их основных каталитических механизмах, протеазы клана PA также демонстрируют широкую дивергентную эволюцию в функциях. Члены клана PA могут быть обнаружены у эукариот , прокариот и вирусов и охватывают широкий спектр функций. У млекопитающих некоторые участвуют в свертывании крови (например, тромбин ) и поэтому имеют высокую субстратную специфичность, а также пищеварение (например, трипсин ) с широкой субстратной специфичностью. Несколько змеиных ядов также являются протеазами клана PA, такими как гемотоксин ямкоголовой гадюки , и вмешиваются в каскад свертывания крови жертвы. Кроме того, бактерии, такие как Staphylococcus aureus, выделяют эксфолиативный токсин , который переваривает и повреждает ткани хозяина. Многие вирусы экспрессируют свой геном как один массивный полипротеин и используют протеазу клана PA для расщепления его на функциональные единицы (например, протеазы полиомиелита , норовируса и TEV ). [19] [20]

В суперсемействе также есть несколько псевдоферментов , в которых остатки каталитической триады мутировали и, таким образом, функционируют как связывающие белки. [21] Например, гепарин -связывающий белок азуроцидин имеет глицин вместо нуклеофила и серин вместо гистидина. [22]

Семьи

Внутри клана PA (P=протеазы смешанных нуклеофилов ) семейства обозначаются по их каталитическим нуклеофилам (C= цистеиновые протеазы , S= сериновые протеазы ). Несмотря на отсутствие гомологии последовательностей для клана PA в целом, отдельные семейства внутри него можно идентифицировать по сходству последовательностей.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Rawlings ND, Barrett AJ, Bateman A (январь 2012 г.). "MEROPS: база данных протеолитических ферментов, их субстратов и ингибиторов". Nucleic Acids Research . 40 (выпуск базы данных): D343-50. doi :10.1093/nar/gkr987. PMC  3245014. PMID  22086950.
  2. ^ abcde Bazan JF, Fletterick RJ (ноябрь 1988 г.). "Вирусные цистеиновые протеазы гомологичны трипсиноподобному семейству сериновых протеаз: структурные и функциональные последствия". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 85 (21): 7872–6. Bibcode : 1988PNAS...85.7872B. doi : 10.1073/pnas.85.21.7872 . PMC 282299. PMID  3186696 . 
  3. ^ abcd Laskar A, Rodger EJ, Chatterjee A, Mandal C (май 2012 г.). "Моделирование и структурный анализ сериновых протеаз клана PA". BMC Research Notes . 5 : 256. doi : 10.1186/1756-0500-5-256 . PMC 3434108. PMID  22624962 . 
  4. ^ Barbosa JA, Saldanha JW, Garratt RC (июль 1996 г.). «Новые особенности активных участков сериновой протеазы и карманов специфичности: анализ последовательности и модельные исследования глутамат-специфических эндопептидаз и эпидермолитических токсинов». Protein Engineering . 9 (7): 591–601. doi : 10.1093/protein/9.7.591 . PMID  8844831.
  5. ^ "MEROPS - Архейные протеазы S01".[ постоянная мертвая ссылка ‍ ]
  6. ^ Ruiz-Perez F, Nataro JP (март 2014 г.). «Бактериальные сериновые протеазы, секретируемые аутотранспортным путем: классификация, специфичность и роль в вирулентности». Cellular and Molecular Life Sciences . 71 (5): 745–70. doi :10.1007/s00018-013-1355-8. PMC 3871983 . PMID  23689588. 
  7. ^ abc Buller AR, Townsend CA (февраль 2013 г.). «Внутренние эволюционные ограничения структуры протеазы, ацилирования фермента и идентичности каталитической триады». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 110 (8 ) : E653-61. Bibcode : 2013PNAS..110E.653B. doi : 10.1073/pnas.1221050110 . PMC 3581919. PMID  23382230. 
  8. ^ de Haën C, Neurath H, Teller DC (февраль 1975). «Филогения сериновых протеаз, связанных с трипсином, и их зимогенов. Новые методы исследования отдаленных эволюционных связей». Журнал молекулярной биологии . 92 (2): 225–59. doi :10.1016/0022-2836(75)90225-9. PMID  1142424.
  9. ^ Lesk AM, Fordham WD (май 1996). «Консервация и изменчивость структур сериновых протеиназ семейства химотрипсинов». Журнал молекулярной биологии . 258 (3): 501–37. doi :10.1006/jmbi.1996.0264. PMID  8642605.
  10. ^ Горбаленя А.Е., Блинов В.М., Донченко А.П. (январь 1986 г.). «Протеиназа 3С, кодируемая полиовирусом: возможная эволюционная связь между семействами клеточных сериновых и цистеиновых протеиназ». FEBS Letters . 194 (2): 253–7. Bibcode : 1986FEBSL.194..253G. doi : 10.1016/0014-5793(86)80095-3 . PMID  3000829. S2CID  23268152.
  11. ^ ab Phan J, Zdanov A, Evdokimov AG, Tropea JE, Peters HK, Kapust RB, Li M, Wlodawer A, Waugh DS (декабрь 2002 г.). «Структурная основа субстратной специфичности протеазы вируса табачной гравировки». Журнал биологической химии . 277 (52): 50564–72. doi : 10.1074/jbc.M207224200 . PMID  12377789.
  12. ^ Allaire M, Chernaia MM, Malcolm BA, James MN (май 1994). «Пикорнавирусные 3C цистеиновые протеиназы имеют складку, похожую на химотрипсин-подобные сериновые протеиназы». Nature . 369 (6475): 72–6. Bibcode :1994Natur.369...72A. doi :10.1038/369072a0. PMID  8164744. S2CID  4312593.
  13. ^ Snijder EJ, Wassenaar AL, van Dinten LC, Spaan WJ, Gorbalenya AE (март 1996 г.). «Протеаза артеривируса nsp4 является прототипом новой группы химотрипсин-подобных ферментов, 3C-подобных сериновых протеаз». Журнал биологической химии . 271 (9): 4864–71. doi : 10.1074/jbc.271.9.4864 . PMID  8617757.
  14. ^ Dougherty WG, Parks TD, Cary SM, Bazan JF, Fletterick RJ (сентябрь 1989 г.). «Характеристика каталитических остатков протеиназы 49-кДа вируса табачной гравировки». Вирусология . 172 (1): 302–10. doi :10.1016/0042-6822(89)90132-3. PMID  2475971.
  15. ^ Laskar A, Rodger EJ, Chatterjee A, Mandal C (май 2012 г.). «Моделирование и структурный анализ сериновых протеаз клана PA». BMC Research Notes . 5 (1): 256. doi : 10.1186/1756-0500-5-256 . PMC 3434108. PMID  22624962 . 
  16. ^ Shafee T, Gatti-Lafranconi P, Minter R, Hollfelder F (сентябрь 2015 г.). «Эволюция восстановления гандикапа приводит к химически универсальной, нуклеофильно-разрешительной протеазе». ChemBioChem . 16 (13): 1866–1869. doi :10.1002/cbic.201500295. PMC 4576821 . PMID  26097079. 
  17. ^ Suzuki Y, Sakamoto Y, Tanaka N, Okada H, Morikawa Y, Ogasawara W (март 2014 г.). «Идентификация каталитической триады экзопептидаз семейства S46, тесно связанных с эндопептидазами клана PA». Scientific Reports . 4 : 4292. Bibcode :2014NatSR...4E4292S. doi :10.1038/srep04292. PMC 3944710 . PMID  24598890. 
  18. ^ Сакамото Ю, Сузуки Ю, Иидзука И, Татеока С, Роппонги С, Фудзимото М, Инака К, Танака Х, Масаки М, Охта К, Окада Х, Нонака Т, Морикава Ю, Накамура К.Т, Огасавара В, Танака Н (май 2014). «Пептидазы S46 - первые экзопептидазы, входящие в клан PA». Научные отчеты . 4 : 4977. Бибкод : 2014NatSR...4E4977S. дои : 10.1038/srep04977. ПМК 4021333 . ПМИД  24827749. 
  19. ^ Salvesen G (2013). Rawlings N (ред.). Справочник протеолитических ферментов . Бостон: Academic Press. ISBN 9780123822192.
  20. ^ Полгар Л. (октябрь 2005 г.). «Каталитическая триада сериновых пептидаз». Cellular and Molecular Life Sciences . 62 (19–20): 2161–72. doi :10.1007/s00018-005-5160-x. PMC 11139141 . PMID  16003488. S2CID  3343824. 
  21. ^ Todd AE, Orengo CA, Thornton JM (октябрь 2002 г.). «Последовательность и структурные различия между ферментными и неферментными гомологами». Структура . 10 (10): 1435–51. doi : 10.1016/s0969-2126(02)00861-4 . PMID  12377129.
  22. ^ Иверсен Л.Ф., Каструп Дж.С., Бьорн С.Е., Расмуссен П.Б., Виберг ФК, Флодгаард Х.Дж., Ларсен И.К. (апрель 1997 г.). «Структура HBP, многофункционального белка со складкой сериновой протеиназы». Структурная биология природы . 4 (4): 265–8. дои : 10.1038/nsb0497-265. PMID  9095193. S2CID  19949043.

Внешние ссылки