stringtranslate.com

Папаиноподобная протеаза

Папаиноподобные протеазы (или папаиноподобные (цистеиновые) пептидазы ; сокращенно PLP или PLCP ) представляют собой большое семейство белковых ферментов цистеиновых протеаз , которые разделяют структурные и ферментативные свойства с одноименным членом группы, папаином . Они встречаются во всех доменах жизни . У животных группа часто известна как цистеиновые катепсины или, в более старой литературе, лизосомальные пептидазы . [1] В системе классификации ферментов протеаз MEROPS папаиноподобные протеазы образуют клан CA. [ 2] Папаиноподобные протеазы имеют общий каталитический диадный активный центр, включающий остаток аминокислоты цистеина , который действует как нуклеофил . [1]

Геном человека кодирует одиннадцать цистеиновых катепсинов , которые имеют широкий спектр физиологических функций. [3] У некоторых паразитов папаиноподобные протеазы играют роль во вторжении хозяина , например, крузипаин из Trypanosoma cruzi . [1] У растений они участвуют в защите хозяина и в развитии. [4] Исследования папаиноподобных протеаз из прокариот отстают от их эукариотических аналогов. [1] В клеточных организмах они синтезируются как препроферменты , которые не являются ферментативно активными до созревания, и их активность жестко регулируется, часто присутствием эндогенных ингибиторов протеазы , таких как цистатины . [3] У многих РНК-вирусов , включая значимые человеческие патогены , такие как коронавирусы SARS-CoV и SARS-CoV-2 , папаиноподобные домены протеазных белков часто играют роль в переработке полипротеинов в зрелые вирусные неструктурные белки . [5] [6] Многие папаиноподобные протеазы считаются потенциальными мишенями для лекарственных препаратов . [3] [7]

Классификация

Система классификации ферментов протеазы MEROPS определяет клан CA как содержащий папаиноподобные протеазы. Считается, что они имеют общее эволюционное происхождение. По состоянию на 2021 год клан включал 45 семейств. [2] [8]

Структура

Ранняя (1984) структура рентгеновской кристаллографии зрелого фермента папаина. Слева показан преимущественно альфа-спиральный L-домен, справа — богатый бета-слоями R-домен. Выделены каталитические остатки: цистеин (окисленный в этой структуре) — зеленым, гистидин — синим. Сохранившаяся дисульфидная связь показана голубым. Из PDB : 9PAP ​. [9]

Структура папаина была одной из самых ранних структур белка, экспериментально определенных с помощью рентгеновской кристаллографии . [3] [10] [9] Многие ферменты протеазы, подобные папаину, функционируют как мономеры , хотя некоторые, такие как катепсин C (дипептидилпептидаза I), являются гомотетрамерами . Структура зрелого мономера характерно разделена на две доли или субдомены, известные как L-домен ( N-концевой ) и R-домен ( C-концевой ), где активный центр расположен между ними. [1] L-домен в основном спиральный, в то время как R-домен содержит бета-слои в форме бета-бочки , окруженные спиралью. [3] Субстрат фермента взаимодействует с обоими доменами в расширенной конформации. [1] [3]

Папаиноподобные протеазы часто синтезируются как препроэнзимы или ферментативно неактивные предшественники. Сигнальный пептид на N-конце , который служит сигналом субклеточной локализации , расщепляется сигнальной пептидазой с образованием зимогена . Посттрансляционная модификация в форме N-связанного гликозилирования также происходит параллельно. [3] Зимоген все еще неактивен из-за присутствия пропептида , который функционирует как ингибитор, блокирующий доступ к активному сайту. Пропептид удаляется протеолизом с образованием зрелого фермента. [1] [3] [11]

Каталитический механизм

Папаиноподобные протеазы имеют каталитическую диаду, состоящую из остатка цистеина и гистидина , которые образуют ионную пару через свои заряженные тиолятные и имидазолиевые боковые цепи. Отрицательно заряженный тиолят цистеина функционирует как нуклеофил . [1] [2] Дополнительные соседние остатки — аспартат , аспарагин или глутамин — располагают каталитические остатки; [1] [2] в папаине требуемые каталитические остатки цистеин, гистидин и аспартат иногда называют каталитической триадой (аналогично сериновым протеазам ). [11] Папаиноподобные протеазы обычно являются эндопептидазами , но некоторые члены группы также являются, или даже исключительно, экзопептидазами . [1] Некоторые вирусные папаиноподобные протеазы, включая протеазы коронавирусов , также могут расщеплять изопептидные связи и могут функционировать как деубиквитиназы . [5]

Функция

Эукариоты

Млекопитающие

У животных, особенно в биологии млекопитающих, члены семейства папаин-подобных протеаз обычно называются цистеиновыми катепсинами, то есть членами цистеиновой протеазы из группы протеаз, известных как катепсины (в которую входят цистеиновые, сериновые и аспарагиновые протеазы ). У людей существует 11 цистеиновых катепсинов: B , C , F , H , K , L , O , S , V , X и W. Большинство катепсинов экспрессируются по всему телу, но некоторые имеют более узкое распределение в тканях . [1] [3]

Человеческий катепсин К в комплексе с ковалентным ингибитором оданакатибом , показан светло-голубым цветом с ковалентно модифицированным каталитическим цистеином зеленым цветом. Оданакатиб изучался в клинических испытаниях как ингибитор катепсина К при остеопорозе. [12]

Хотя исторически они известны как лизосомальные протеазы и изучались в основном из-за их роли в катаболизме белков, с тех пор было идентифицировано, что цистеиновые катепсины играют важную роль в ряде физиологических процессов и болезненных состояний. В рамках нормальных физиологических процессов они участвуют в ключевых этапах презентации антигена как части адаптивной иммунной системы , ремоделирования внеклеточного матрикса , дифференциации кератиноцитов и обработки пептидных гормонов . [1] [3] Цистеиновые катепсины связаны с прогрессированием рака и опухолей , сердечно-сосудистыми заболеваниями , аутоиммунными заболеваниями и другими состояниями здоровья человека. [11] [13] [14] Катепсин К играет роль в резорбции костей и изучался в качестве лекарственной мишени для лечения остеопороза . [15]

Паразиты

Ряд паразитов , включая гельминтов (паразитических червей), используют папаиноподобные протеазы в качестве механизмов для вторжения в своих хозяев . Примерами служат Toxoplasma gondii и Giardia lamblia . У многих плоских червей наблюдаются очень высокие уровни экспрессии цистеиновых катепсинов; у печеночной двуустки Fasciola hepatica дупликации генов привели к образованию более 20 паралогов фермента , подобного катепсину L. [1] Цистеиновые катепсины также являются частью нормального жизненного цикла одноклеточного паразита Leishmania , где они функционируют как факторы вирулентности . [16] Фермент и потенциальная лекарственная мишень крузипаин важны для жизненного цикла паразита Trypanosoma cruzi , вызывающего болезнь Шагаса . [17]

Растения

Рентгеноструктурная структура папаина в комплексе с ингибитором цистатиновой протеазы (оранжевый) из растения таро . Остатки активного центра выделены (цистеин зеленым и гистидин синим). Из PDB : 3IMA ​. [18]

Члены семейства папаиноподобных протеаз играют ряд важных ролей в развитии растений , включая прорастание семян , старение листьев и реагирование на абиотический стресс . Папаиноподобные протеазы участвуют в регуляции запрограммированной гибели клеток в растениях, например, в тапетуме во время развития пыльцы . Они также важны для иммунитета растений, обеспечивая защиту от вредителей и патогенов . [4] Связь между растительными папаиноподобными протеазами и реакциями на патогены, такими как ингибиторы цистатина , была описана как эволюционная гонка вооружений . [19]

Некоторые представители семейства PLP в растениях имеют кулинарное и коммерческое применение. Папаин , названный в честь этого семейства , является протеазой, полученной из папайи , и используется в качестве размягчителя мяса . [20] Похожие, но менее широко используемые растительные продукты включают бромелайн из ананаса и фицин из инжира . [1] [20]

Прокариоты

Хотя папаиноподобные протеазы встречаются во всех сферах жизни , они изучены у прокариот меньше , чем у эукариот . [1] Только несколько прокариотических ферментов PLP были охарактеризованы с помощью рентгеновской кристаллографии или ферментативных исследований, в основном из патогенных бактерий, включая стрептопаин из Streptococcus pyogenes ; ксилеллен из фитопатогена Xylella fastidiosa ; [21] Cwp84 из Clostridioides difficile ; [22] и Lpg2622 из Legionella pneumophila . [23]

Вирусы

Структура рентгеновской кристаллографии домена папаин-подобной протеазы (PLPro) из неструктурного белка 3 SARS-CoV-2. Каталитические остатки выделены зеленым цистеином и синим гистидином. Синяя сфера представляет собой связанный ион цинка . Из PDB : 6WZU ​. [24]

Семейство папаиноподобных протеаз включает ряд белковых доменов , которые обнаруживаются в крупных полипротеинах , экспрессируемых РНК-вирусами . [2] Среди наиболее изученных вирусных PLP — нидовирусные папаиноподобные протеазные домены из нидовирусов , особенно из коронавирусов . Эти PLP отвечают за несколько событий расщепления, которые перерабатывают крупный полипротеин в вирусные неструктурные белки , хотя они выполняют меньше расщеплений, чем 3C-подобная протеаза (также известная как основная протеаза). [5] Коронавирусные PLP — это многофункциональные ферменты, которые также могут действовать как деубиквитиназы (расщепляющие изопептидную связь с убиквитином ) и «деИСГилирующие ферменты» с аналогичной активностью против убиквитин-подобного белка ISG15 . [5] [6] У человеческих патогенов, включая SARS-CoV , MERS-CoV и SARS-CoV-2 , домен PLP необходим для репликации вируса и поэтому считается лекарственной мишенью для разработки противовирусных препаратов . [6] [7] Один из таких экспериментальных противовирусных препаратов, Jun12682 , изучается как потенциальное средство лечения COVID-19, и считается, что он работает путем ингибирования папаин-подобной протеазы (PLpro) SARS-CoV-2. [25]

Ссылки

  1. ^ abcdefghijklmno Novinec M, Lenarčič B (июнь 2013 г.). "Папаиноподобные пептидазы: структура, функция и эволюция". Biomolecular Concepts . 4 (3): 287–308. doi : 10.1515/bmc-2012-0054 . PMID  25436581. S2CID  2112616.
  2. ^ abcde "Summary for clan CA". MEROPS . Получено 20 декабря 2021 г. .
  3. ^ abcdefghij Турк В., Стока В., Васильева О., Ренко М., Сан Т., Турк Б. и др. (январь 2012 г.). «Цистеиновые катепсины: от структуры, функции и регуляции к новым рубежам». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Белки и протеомика . 1824 (1): 68–88. дои : 10.1016/j.bbapap.2011.10.002. ПМК 7105208 . ПМИД  22024571. 
  4. ^ ab Liu H, Hu M, Wang Q, Cheng L, Zhang Z (4 декабря 2018 г.). "Роль папаиноподобных цистеиновых протеаз в развитии растений". Frontiers in Plant Science . 9 : 1717. doi : 10.3389/fpls.2018.01717 . PMC 6288466. PMID  30564252 . 
  5. ^ abcd Mielech AM, Chen Y, Mesecar AD, Baker SC (декабрь 2014 г.). «Папаиноподобные протеазы нидовирусов: многофункциональные ферменты с протеазной, деубиквитинирующей и деИСГилирующей активностью». Virus Research . 194 : 184–190. doi :10.1016/j.virusres.2014.01.025. PMC 4125544 . PMID  24512893. 
  6. ^ abc Hartenian E, Nandakumar D, Lari A, Ly M, Tucker JM, Glaunsinger BA (сентябрь 2020 г.). «Молекулярная вирусология коронавирусов». Журнал биологической химии . 295 (37): 12910–12934. doi : 10.1074/jbc.REV120.013930 . PMC 7489918. PMID  32661197 . 
  7. ^ ab Klemm T, Ebert G, Calleja DJ, Allison CC, Richardson LW, Bernardini JP и др. (сентябрь 2020 г.). «Механизм и ингибирование папаиноподобной протеазы PLpro SARS-CoV-2». The EMBO Journal . 39 (18): e106275. doi :10.15252/embj.2020106275. PMC 7461020. PMID 32845033.  S2CID 221328909  . 
  8. ^ Rawlings ND, Barrett AJ, Thomas PD, Huang X, Bateman A, Finn RD (январь 2018 г.). «База данных протеолитических ферментов MEROPS, их субстратов и ингибиторов в 2017 г. и сравнение с пептидазами в базе данных PANTHER». Nucleic Acids Research . 46 (D1): D624–D632. doi :10.1093/nar/gkx1134. PMC 5753285. PMID  29145643. 
  9. ^ ab Kamphuis IG, Kalk KH, Swarte MB, Drenth J (октябрь 1984 г.). «Структура папаина, уточненная при разрешении 1,65 А». Журнал молекулярной биологии . 179 (2): 233–256. doi :10.1016/0022-2836(84)90467-4. PMID  6502713.
  10. ^ Дрент Дж., Янсониус Дж. Н., Кукук Р., Свен Х. М., Уолтерс Б. Г. (июнь 1968 г.). «Структура папаина». Природа . 218 (5145): 929–932. Бибкод : 1968Natur.218..929D. дои : 10.1038/218929a0. PMID  5681232. S2CID  4169127.
  11. ^ abc Löser R, Pietzsch J (23 июня 2015 г.). "Цистеиновые катепсины: их роль в прогрессировании опухолей и последние тенденции в разработке зондов визуализации". Frontiers in Chemistry . 3 : 37. Bibcode : 2015FrCh....3...37L. doi : 10.3389 /fchem.2015.00037 . PMC 4477214. PMID  26157794. 
  12. ^ Law S, Andrault PM, Aguda AH, Nguyen NT, Kruglyak N, Brayer GD и др. (Февраль 2017 г.). «Идентификация структурных элементов мышиного катепсина К, которые регулируют эффективность оданакатиба». The Biochemical Journal . 474 (5): 851–864. doi : 10.1042/BCJ20160985 . PMID  28049758.
  13. ^ Видак Э., Яворшек У., Визовишек М., Турк Б. (март 2019 г.). «Цистеиновые катепсины и их внеклеточная роль: формирование микросреды». Клетки . 8 (3): 264. doi : 10.3390/cells8030264 . PMC 6468544. PMID  30897858. 
  14. ^ Jakoš T, Pišlar A, Jewett A, Kos J (28 августа 2019 г.). «Цистеиновые катепсины в иммунных клетках, ассоциированных с опухолями». Frontiers in Immunology . 10 : 2037. doi : 10.3389/fimmu.2019.02037 . PMC 6724555. PMID  31555270. 
  15. ^ Drake MT, Clarke BL, Oursler MJ, Khosla S (август 2017 г.). «Ингибиторы катепсина К при остеопорозе: биология, потенциальная клиническая полезность и извлеченные уроки». Endocrine Reviews . 38 (4): 325–350. doi :10.1210/er.2015-1114. PMC 5546879 . PMID  28651365. 
  16. ^ Mottram JC, Coombs GH, Alexander J (август 2004 г.). «Цистеиновые пептидазы как факторы вирулентности Leishmania». Current Opinion in Microbiology . 7 (4): 375–381. doi :10.1016/j.mib.2004.06.010. PMID  15358255.
  17. ^ Branquinha MH, Oliveira SS, Sangenito LS, Sodre CL, Kneipp LF, d'Avila-Levy CM и др. (2015). «Cruzipain: обновление его потенциала в качестве цели химиотерапии против человеческого патогена Trypanosoma cruzi». Current Medicinal Chemistry . 22 (18): 2225–2235. doi :10.2174/0929867322666150521091652. PMID  25994861.
  18. ^ Chu MH, Liu KL, Wu HY, Yeh KW, Cheng YS (август 2011 г.). «Кристаллическая структура комплекса тароцистатин-папаин: влияние на свойство ингибирования фитоцистатинами группы 2». Planta . 234 (2): 243–254. Bibcode :2011Plant.234..243C. doi :10.1007/s00425-011-1398-8. PMC 3144364 . PMID  21416241. 
  19. ^ Misas-Villamil JC, van der Hoorn RA, Doehlemann G (декабрь 2016 г.). «Папаиноподобные цистеиновые протеазы как хабы в иммунитете растений». The New Phytologist . 212 (4): 902–907. doi : 10.1111/nph.14117 . PMID  27488095.
  20. ^ ab Fernández-Lucas J, Castañeda D, Hormigo D (октябрь 2017 г.). «Новые тенденции для классического фермента: папаин, история биотехнологического успеха в пищевой промышленности». Trends in Food Science & Technology . 68 : 91–101. doi : 10.1016/j.tifs.2017.08.017. hdl : 11323/1609 .
  21. ^ Leite NR, Faro AR, Dotta MA, Faim LM, Gianotti A, Silva FH и др. (февраль 2013 г.). «Кристаллическая структура цистеиновой протеазы Xylellain из Xylella fastidiosa раскрывает интригующий механизм активации». FEBS Letters . 587 (4): 339–344. doi : 10.1016/j.febslet.2013.01.009 . PMID  23333295. S2CID  1367730.
  22. ^ Bradshaw WJ, Kirby JM, Thiyagarajan N, Chambers CJ, Davies AH, Roberts AK и др. (июль 2014 г.). «Структура цистеиновой протеазы и лектин-подобных доменов Cwp84, белка, ассоциированного с поверхностным слоем Clostridium difficile». Acta Crystallographica. Раздел D, Биологическая кристаллография . 70 (Pt 7): 1983–1993. Bibcode :2014AcCrD..70.1983B. doi :10.1107/S1399004714009997. PMC 4089489 . PMID  25004975. 
  23. ^ Gong X, Zhao X, Zhang W, Wang J, Chen X, Hameed MF и др. (август 2018 г.). «Структурная характеристика гипотетического белка Lpg2622, нового члена семейства пептидаз C1 из Legionella pneumophila». FEBS Letters . 592 (16): 2798–2810. doi : 10.1002/1873-3468.13210 . PMID  30071124. S2CID  51906615.
  24. ^ Osipiuk J, Azizi SA, Dvorkin S, Endres M, Jedrzejczak R, Jones KA и др. (февраль 2021 г.). «Структура папаиноподобной протеазы из SARS-CoV-2 и ее комплексов с нековалентными ингибиторами». Nature Communications . 12 (1): 743. Bibcode :2021NatCo..12..743O. doi :10.1038/s41467-021-21060-3. PMC 7854729 . PMID  33531496. 
  25. ^ Tan B, Zhang X, Ansari A, Jadhav P, Tan H, Li K и др. (март 2024 г.). «Разработка ингибитора протеазы, подобного папаину SARS-CoV-2, с противовирусной эффективностью в мышиной модели». Science . 383 (6690): 1434–1440. doi :10.1126/science.adm9724. PMC 10705561 . PMID  38547259.