stringtranslate.com

CTP-синтетаза

CTP-синтаза — это фермент ( EC 6.3.4.2), участвующий в биосинтезе пиримидина , который взаимопревращает UTP и CTP . [1] [2]

Механизм реакции

ЦТФ (цитидинтрифосфат)синтетаза катализирует последний этап биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов: [3]

АТФ + УТФ + глутамин → АДФ + Pi + ЦТФ + глутамат

Это фермент, ограничивающий скорость синтеза цитозиновых нуклеотидов как по пути de novo , так и по пути утилизации уридина. [4]

Реакция протекает посредством АТФ-зависимого фосфорилирования UTP на 4-атоме кислорода, что делает 4-углерод электрофильным и уязвимым для реакции с аммиаком. [5] Источником аминогруппы в CTP является глутамин , который гидролизуется в домене глутаминамидотрансферазы с образованием аммиака. Затем он направляется через внутреннюю часть фермента в домен синтетазы. [6] [7] Здесь аммиак реагирует с промежуточным 4-фосфорил UTP. [8]

Изоферменты

У человека существуют два изофермента с активностью CTP-синтазы, кодируемые следующими генами:

Структура

Димерная форма CTP-синтазы из Sulfolobus solfataricus (код PDB: 3NVA). Цепь A изображена синим цветом, а цепь B — зеленым.

Активная CTP-синтаза существует как гомотетрамерный фермент. При низких концентрациях фермента и в отсутствие АТФ и УТФ CTP-синтаза существует как неактивный мономер. По мере увеличения концентрации фермента она сначала полимеризуется в димер (такую ​​как форма, показанная слева) и в присутствии АТФ и УТФ образует тетрамер. [5] [9]

Фермент содержит два основных домена, отвечающих за аминотрансферазную и синтазную активность соответственно. Домены амидотрансферазы расположены вдали от тетрамерных интерфейсов и не подвержены влиянию олигомерного состояния. Сайт связывания АТФ и сайт связывания ЦТФ в домене синтазы расположены на тетрамерном интерфейсе. Именно по этой причине для тетрамеризации требуются АТФ и УТФ. [10]

Регулирование

Синтаза CTP точно регулируется внутриклеточными концентрациями CTP и UTP, и было замечено, что как hCTPS1, так и hCTPS2 максимально активны при физиологических концентрациях АТФ, ГТФ и глутамина. [11]

Было показано, что активность человеческого изофермента CTPS1 ингибируется фосфорилированием. [12] Одним из основных примеров этого является фосфорилирование остатка Ser-571 гликогенсинтазой киназой 3 (GSK3) в ответ на низкие условия сыворотки. [13] Кроме того, было замечено, что Ser568 фосфорилируется казеинкиназой 1, ингибируя активность CTP-синтазы. [11]

CTP также подвержен различным формам аллостерической регуляции . GTP действует как аллостерический активатор, который сильно способствует гидролизу глутамина, но также ингибирует глутамин-зависимое образование CTP при высоких концентрациях. [14] Это действует для балансировки относительного количества пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов. Продукт реакции CTP также служит аллостерическим ингибитором. Сайт связывания трифосфата перекрывается с сайтом UTP, но нуклеозидная часть CTP связывается в альтернативном кармане напротив сайта связывания для UTP. [15]

Было показано, что уровни CTP-синтазы зависят от уровней фактора транскрипции Myc . В свою очередь, активность CTP-синтазы необходима для фенотипов, связанных с Myc. [16]

Аналог глутамина DON также действует как необратимый ингибитор и используется в качестве противоракового средства. [ 17]

Нити

Сообщалось, что CTP-синтаза образует нити в нескольких различных организмах. К ним относятся бактерии ( C. crescentus ), [18] дрожжи ( S. cerevisiae ), [19] плодовые мушки ( D. melanogaster ) [20] и клетки человека. [21] Эти нитевидные структуры были названы цитоплазматическими стержнями и кольцами, [22] цитофидиями (от греческого «cyto» — клетка и «ophidium» — змея, из-за морфологии структур) или просто нитями CTP-синтазы. Было показано, что филаментация снижает или повышает активность CTP-синтазы в зависимости от вида. [23] [24] [25] [26] [27] У Drosophila только одна из изоформ CTP-синтазы образует нить. [28] После открытия этого нового способа регуляции фермента в CTP-синтазе было показано, что многие другие ферменты демонстрируют схожие характеристики, что позволяет предположить, что это важная и хорошо сохранившаяся стратегия регуляции фермента. [29] CTP-синтаза остается модельным ферментом для изучения образования филаментов.

Клиническое значение

Повышенная активность CTP-синтазы широко наблюдалась в опухолях человека и грызунов. [30] Данные, полученные на моделях мух [16] и раковых клетках человека [31], свидетельствуют о том, что Myc-зависимый рост клеток может быть более восприимчив к подавлению активности CTP-синтазы.

Было замечено, что мутации в CTP-синтазе вызывают устойчивость к цитотоксическим препаратам, таким как цитозинарабинозид (ara-C) в модели лейкемии на клетках яичника китайского хомячка (CHO), хотя такие мутации не были обнаружены у пациентов с устойчивостью к ara-C. [32]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Либерман I (октябрь 1956 г.). «Ферментативное аминирование уридинтрифосфата в цитидинтрифосфат». Журнал биологической химии . 222 (2): 765–775. doi : 10.1016/S0021-9258(20)89934-7 . PMID  13367044.
  2. ^ Long CW, Levitzki A, Koshland DE (январь 1970). «Структура субъединиц и взаимодействия субъединиц цитидинтрифосфатсинтетазы». Журнал биологической химии . 245 (1): 80–87. doi : 10.1016/S0021-9258(18)63424-6 . PMID  5411547.
  3. ^ Кошланд DE, Левицки A (1974). «CTP-синтетаза и родственные ферменты». В Boyer PD (ред.). Ферменты (3-е изд.). Нью-Йорк: Academic Press. стр. 539–59. ISBN 978-0-12-122710-4.
  4. ^ van Kuilenburg AB, Meinsma R, Vreken P, Waterham HR, van Gennip AH (2000). "Изоформы человеческой CTP-синтетазы". Метаболизм пуринов и пиримидинов у человека X. Достижения экспериментальной медицины и биологии. Т. 486. С. 257–261. doi :10.1007/0-306-46843-3_50. ISBN 978-0-306-46515-4. PMID  11783495.
  5. ^ ab von der Saal W, Anderson PM, Villafranca JJ (декабрь 1985 г.). «Механистические исследования синтетазы цитидин-5'-трифосфата Escherichia coli. Обнаружение промежуточного соединения с помощью экспериментов по позиционному изотопному обмену». Журнал биологической химии . 260 (28): 14993–14997. doi : 10.1016/S0021-9258(18)95692-9 . PMID  2933396.
  6. ^ Levitzki A, Koshland DE (август 1971). «Цитидинтрифосфатсинтетаза. Ковалентные промежуточные продукты и механизмы действия». Биохимия . 10 (18): 3365–3371. doi :10.1021/bi00794a008. PMID  4940761.
  7. ^ Endrizzi JA, Kim H, Anderson PM, Baldwin EP (июнь 2004 г.). «Кристаллическая структура синтетазы цитидинтрифосфата Escherichia coli, белка слияния глутаминамидотрансферазы/АТФ-зависимой амидолигазы, регулируемого нуклеотидами, и гомолога мишеней противораковых и противопаразитарных препаратов». Биохимия . 43 (21): 6447–6463. doi :10.1021/bi0496945. PMC 2891762. PMID  15157079 . 
  8. ^ Льюис ДА, Виллафранка ДЖ (октябрь 1989). «Исследование механизма синтетазы ЦТФ с использованием методов быстрого гашения и изотопного разделения». Биохимия . 28 (21): 8454–8459. doi :10.1021/bi00447a027. PMID  2532543.
  9. ^ Anderson PM (июнь 1983 г.). «CTP-синтетаза из Escherichia coli: улучшенная процедура очистки и характеристика гистерезисных и ферментативных концентрационных эффектов на кинетические свойства». Биохимия . 22 (13): 3285–3292. doi :10.1021/bi00282a038. PMID  6349684.
  10. ^ Lauritsen I, Willemoës M, Jensen KF, Johansson E, Harris P (февраль 2011 г.). «Структура димерной формы CTP-синтазы из Sulfolobus solfataricus». Acta Crystallographica. Раздел F, Structural Biology and Crystallization Communications . 67 (Pt 2): 201–208. doi :10.1107/S1744309110052334. PMC 3034608. PMID  21301086 . 
  11. ^ ab Kassel KM, Higgins MJ, Hines M, Graves LM (октябрь 2010 г.). «Регулирование человеческой цитидинтрифосфатсинтетазы 2 путем фосфорилирования». Журнал биологической химии . 285 (44): 33727–33736. doi : 10.1074/jbc.M110.178566 . PMC 2962471. PMID  20739275 . 
  12. ^ Carman GM, Kersting MC (февраль 2004 г.). «Синтез фосфолипидов в дрожжах: регуляция фосфорилированием». Биохимия и клеточная биология . 82 (1): 62–70. doi :10.1139/o03-064. PMID  15052328.
  13. ^ Higgins MJ, Graves PR, Graves LM (октябрь 2007 г.). «Регулирование человеческой цитидинтрифосфатсинтетазы 1 гликогенсинтазокиназой 3». Журнал биологической химии . 282 (40): 29493–29503. doi : 10.1074/jbc.M703948200 . PMID  17681942.
  14. ^ Lunn FA, MacDonnell JE, Bearne SL (январь 2008 г.). «Структурные требования к активации синтазы CTP Escherichia coli аллостерическим эффектором GTP строгие, но требования к ингибированию слабые». Журнал биологической химии . 283 (4): 2010–2020. doi : 10.1074/jbc.M707803200 . PMID  18003612.
  15. ^ Endrizzi JA, Kim H, Anderson PM, Baldwin EP (октябрь 2005 г.). «Механизмы регуляции обратной связи продукта и лекарственной устойчивости в цитидинтрифосфатсинтетазах из структуры комплекса, ингибируемого CTP». Биохимия . 44 (41): 13491–13499. doi :10.1021/bi051282o. PMC 2891682. PMID  16216072 . 
  16. ^ ab Aughey GN, Grice SJ, Liu JL (февраль 2016 г.). «Взаимодействие между Myc и CTP-синтазой у дрозофилы». PLOS Genetics . 12 (2): e1005867. doi : 10.1371/journal.pgen.1005867 . PMC 4759343. PMID  26889675 . 
  17. ^ Ahluwalia GS, Grem JL, Hao Z, Cooney DA (1990). «Метаболизм и действие аналоговых аминокислот противораковых агентов». Pharmacology & Therapeutics . 46 (2): 243–271. doi :10.1016/0163-7258(90)90094-I. PMID  2108451.
  18. ^ Ingerson-Mahar M, Briegel A, Werner JN, Jensen GJ, Gitai Z (август 2010 г.). «Метаболический фермент CTP-синтаза формирует филаменты цитоскелета». Nature Cell Biology . 12 (8): 739–746. doi :10.1038/ncb2087. PMC 3210567 . PMID  20639870. 
  19. ^ Noree C, Sato BK, Broyer RM, Wilhelm JE (август 2010 г.). «Идентификация новых белков, формирующих филаменты, в Saccharomyces cerevisiae и Drosophila melanogaster». Журнал клеточной биологии . 190 (4): 541–551. doi :10.1083/jcb.201003001. PMC 2928026. PMID  20713603 . 
  20. ^ Liu JL (май 2010). «Внутриклеточная компартментация CTP-синтазы у дрозофилы». Журнал генетики и геномики = Yi Chuan Xue Bao . 37 (5): 281–296. doi :10.1016/S1673-8527(09)60046-1. PMID  20513629. S2CID  206173864.
  21. ^ Chen K, Zhang J, Tastan ÖY, Deussen ZA, Siswick MY, Liu JL (сентябрь 2011 г.). «Аналоги глутамина способствуют сборке цитофидия в клетках человека и дрозофилы». Журнал генетики и геномики = Yi Chuan Xue Bao . 38 (9): 391–402. doi :10.1016/j.jgg.2011.08.004. PMID  21930098.
  22. ^ Carcamo WC, Satoh M, Kasahara H, Terada N, Hamazaki T, Chan JY и др. (2011). «Индукция цитоплазматических стержней и кольцевых структур путем ингибирования синтетического пути CTP и GTP в клетках млекопитающих». PLOS ONE . 6 (12): e29690. Bibcode : 2011PLoSO...629690C. doi : 10.1371/journal.pone.0029690 . PMC 3248424. PMID  22220215 . 
  23. ^ Lynch EM, Hicks DR, Shepherd M, Endrizzi JA, Maker A, Hansen JM и др. (июнь 2017 г.). «Структура филаментов человеческой CTP-синтазы выявляет активную конформацию фермента». Nature Structural & Molecular Biology . 24 (6): 507–514. doi :10.1038/nsmb.3407. PMC 5472220 . PMID  28459447. 
  24. ^ Barry RM, Bitbol AF, Lorestani A, Charles EJ, Habrian CH, Hansen JM и др. (Июль 2014 г.). «Крупномасштабное образование нитей ингибирует активность синтетазы CTP». eLife . 3 : e03638. doi : 10.7554/eLife.03638 . PMC 4126345 . PMID  25030911. 
  25. ^ Aughey GN, Grice SJ, Shen QJ, Xu Y, Chang CC, Azzam G и др. (октябрь 2014 г.). «Синтез нуклеотидов регулируется образованием цитофидия во время нейроразвития и адаптивного метаболизма». Biology Open . 3 (11): 1045–1056. doi :10.1242/bio.201410165. PMC 4232762. PMID  25326513 . 
  26. ^ Noree C, Monfort E, Shiau AK, Wilhelm JE (август 2014 г.). «Общий регуляторный контроль активности фермента CTP-синтазы и образования филаментов». Молекулярная биология клетки . 25 (15): 2282–2290. doi :10.1091/mbc.E14-04-0912. PMC 4116302. PMID  24920825 . 
  27. ^ Barry RM, Gitai Z (декабрь 2011 г.). «Самоорганизующиеся ферменты и происхождение цитоскелета». Current Opinion in Microbiology . 14 (6): 704–711. doi :10.1016/j.mib.2011.09.015. PMC 3234109. PMID 22014508  . 
  28. ^ Azzam G, Liu JL (февраль 2013 г.). «Только одна изоформа синтазы CTP Drosophila melanogaster образует цитофидий». PLOS Genetics . 9 (2): e1003256. doi : 10.1371/journal.pgen.1003256 . PMC 3573105 . PMID  23459760. 
  29. ^ Aughey GN, Liu JL (2015). «Метаболическая регуляция посредством ферментной филаментации». Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology . 51 (4): 282–293. doi :10.3109/10409238.2016.1172555. PMC 4915340. PMID  27098510 . 
  30. ^ Кизаки Х, Уильямс Дж. К., Моррис Х. П., Вебер Г. (ноябрь 1980 г.). «Повышенная активность цитидин-5'-трифосфатсинтетазы в опухолях крыс и человека». Cancer Research . 40 (11): 3921–3927. PMID  7471043.
  31. ^ Sun Z, Zhang Z, Wang QQ, Liu JL (март 2022 г.). «Комбинированная инактивация CTPS1 и ATR синтетически летальна для раковых клеток, сверхэкспрессирующих MYC». Cancer Research . 82 (6): 1013–1024. doi :10.1158/0008-5472.can-21-1707. PMC 9359733 . PMID  35022212. 
  32. ^ Whelan J, Smith T, Phear G, Rohatiner A, Lister A, Meuth M (февраль 1994 г.). «Устойчивость к цитозин-арабинозиду при остром лейкозе: значение мутаций в CTP-синтетазе». Leukemia . 8 (2): 264–265. PMID  8309250.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки