stringtranslate.com

Гиалуроновая кислота-синтаза

Гиалуронатсинтазы ( ГАС ) — это связанные с мембраной ферменты , которые используют УДФ-α -N -ацетил- D -глюкозамин и УДФ-α- D -глюкуронат в качестве субстратов для производства гликозаминогликана гиалуронана на поверхности клетки и вытеснения его через мембрану во внеклеточное пространство.

Изоформы

На сегодняшний день описаны три гиалуронансинтазы млекопитающих - HAS1 , HAS2 и HAS3 . Каждая из этих изоформ находится в разных местах хромосомы [2] и была клонирована . [3] Два основных различия между изоформами - это длина цепи молекул гиалуронана , которые они производят, и легкость, с которой они могут высвобождаться с поверхности клетки. [4] [5] Когда клетки млекопитающих стимулируются изменениями в их непосредственном окружении ( цитокины , близость внеклеточного матрикса ), изоформы HAS реагируют по-разному и, по-видимому, находятся под разными механизмами контроля.

В процессе развития эмбриона каждая изоформа экспрессируется по-разному, как в пространственном, так и во временном отношении.

Изоформы HAS также демонстрируют различные физиологические эффекты и терапевтические потенциалы. HAS2 сверхэкспрессируется в линиях клеток рака молочной железы и связан с метастазами в лимфатические узлы , в то время как HAS1 и HAS3 не имеют никаких корреляций с развитием рака или метастазами. [8] HAS-2 также был предложен в качестве нанотерапевтического средства для борьбы с остеоартритом в суставах, демонстрирующих синовиальное воспаление в результате повышенной деполимеризации гиалуронана. [9] Напротив, стимуляция HAS3 была связана с усилением воспаления и атеропрогрессией посредством повышенного высвобождения интерлейкина и активации макрофагов . [10]

Структура

HAS1 имеет один каталитический домен и встроен в трансмембранный канал для образования гликозидных связей при производстве гиалуронана (HA). Он содержит пять трансмембранных спиралей и три интерфейсные спирали, общая архитектура которых напоминает вигвам. [11] Изоформа бактерии Pasteurella multocida (pmHAS) содержит 972 остатка, в которых делеция остатков 1-117 не влияет на активность фермента, а C-конец активного центра находится вокруг остатков 686-703. [12] В каталитическом домене существуют два каталитических остатка: мутация аспарагиновой кислоты в аспарагин в позиции 196 (D196N) приводит к потере активности GlcUA- трансферазы , а мутация аспарагиновой кислоты в лизин в позиции 477 (D477K) приводит к потере активности GlcNAc -трансферазы. Сочетание обоих мутантов приводит к схожей активности по сравнению с диким типом. pmHAS дополнительно содержит последовательность Asp-Gly-Ser, которая сохраняется среди бета- гликозилтрансфераз . [13]

HAS2 регулируется димеризацией и убиквитинированием . В клетках почек обезьяны COS-1 , трансфицированных плазмидами HAS2 и HAS3 мыши , один сайт убиквитинирования виден на лизине в остатке 190. Мутант K190R образовал димер HAS2, а HAS2 и HAS3 с флаговыми и 6myc-тегами показали образование как гомодимеров, так и гетеродимеров друг с другом. [14] Последовательность HAS вируса хлореллы (Cv-HAS) примерно на 45% схожа с последовательностью HAS2 человека. [11] [13]

HAS3 регулируется посредством усечения конца 3'UTR , что подавляет NUDT21 , регулятор полиаденилирования . Потеря этого регуляторного участка в моделях грызунов запускает неопластические процессы, увеличивает проремоделирующие фенотипы и повышает синтез HA, но также увеличивает вероятность легочной гипертензии . [15] HAS3 имеет более высокую идентичность последовательности с HAS2 (71%) по сравнению с HAS1 (57%). [16] HAS1, HAS2 и HAS3 имеют тринадцать, четырнадцать и четырнадцать остатков цистеина соответственно по сравнению с S. pyogenes (spHAS), который содержит шесть остатков цистеина. Сульфгидрил- отравленный цистеин в положении 225 в spHAS ингибирует активность фермента, но неясно, оказывают ли дисульфидные связи значительное влияние на активность ферментов HAS. Графики гидропатии среди трех изоформ HAS1, HAS2 и HAS3 предполагают, что каждый белок организован в мембране схожим образом. [17]

Механизм

Инициация биосинтеза гиалуронана гиалуронансинтазами класса I включает in situ генерацию N-ацетилглюкозаминового (GlcNAc) праймера посредством гидролиза UDP -GlcNAc с последующей диффузией праймера в активный сайт. [11] Активный сайт содержит два отдельных домена, каждый из которых способен связывать либо зарождающуюся цепь UDP-гиалуронана, либо мономер UDP-сахара . [18] Удлинение цепи, начиная с праймера GlcNAc , происходит с последовательным добавлением чередующихся единиц UDP-GlcA и UDP-GlcNAc к восстанавливающему концу растущей цепи. [19]

Схема механизма действия гиалуронатсинтазы.

В каждой итерации удлинения цепи один домен активного сайта занимает существующая цепь UDP-гиалуронана. Мономер UDP-сахара, соответствующий следующей единице, затем связывается с незанятым доменом активного сайта. [20] Затем гидроксильная группа на связанном мономере UDP-сахара выполняет нуклеофильную атаку на аномерный углерод восстанавливающего концевого мономера цепи UDP-гиалуронана, вытесняя UDP из цепи гиалуронана и сдвигая удлиненную цепь в домен, ранее занятый мономером UDP-сахара. После этого процесса вытесненный UDP диссоциирует от другого домена активного сайта. [17] Затем процесс связывания и удлинения мономера повторяется, при этом чередующиеся единицы GlcA и GlcNAc добавляются по мере того, как цепь UDP-гиалуронана смещается с одного домена активного сайта на другой. [21]

HAS1, HAS2 и HAS3 выполняют функционально эквивалентные биосинтезы гиалуронана, но демонстрируют различия в кинетических характеристиках, включая HAS1, демонстрирующий более высокую константу Михаэлиса, чем HAS2 или HAS3. [22] Кинетика HAS и транспорт белков также зависят от посттрансляционных и эпигенетических модификаций . [23] [24]

Роль в метастазировании рака

HAS может играть роль на всех стадиях метастазирования рака. Производя антиадгезивный HA, HAS может позволить опухолевым клеткам освободиться от первичной опухолевой массы, и если HA связывается с рецепторами, такими как CD44, активация Rho GTPases может способствовать ЭПТ раковых клеток. Во время процессов интравазации или экстравазации взаимодействие HAS, произведенного HA, с рецепторами, такими как CD44 или RHAMM, способствует клеточным изменениям, которые позволяют раковым клеткам проникать в сосудистую или лимфатическую системы. Путешествуя в этих системах, HA, произведенный HAS, защищает раковую клетку от физического повреждения. Наконец, при формировании метастатического поражения HAS производит HA, чтобы позволить раковой клетке взаимодействовать с собственными клетками во вторичном месте и производить опухоль для себя. [25]

Повышенная продукция HA раковыми клетками увеличивает инвазивную способность. Взаимодействие HA с CD44 активирует фокальную адгезионную киназу (FAK), важную молекулу в процессе клеточной подвижности, координируя растворение фокальных адгезий на переднем крае клетки и образование на отстающем крае. [26] Другим сигнальным путем, активируемым взаимодействием HA с CD44, является путь Akt, который приводит к экспрессии остеопонтина, молекулы, которая может стимулировать миграцию клеток. [27] Также предполагается, что HA, продуцируемая HAS, защищает раковую клетку от физического повреждения в кровеносной или лимфатической системах. Эта роль HA была показана в других типах клеток, но пока не исследовалась в раковых клетках. [28] HA, продуцируемая HAS, повышает секрецию различных ММП, протеолитических ферментов, которые участвуют во многих этапах метастатического каскада. [29] Исследования показали, что различные HAS могут по-разному влиять на метастатические стадии в зависимости от молекулярной массы и количества HA, которое они производят.

Ссылки

  1. ^ Maloney, Finn P.; Kuklewicz, Jeremi; Corey, Robin A.; Bi, Yunchen; Ho, Ruoya; Mateusiak, Lukasz; Pardon, Els; Steyaert, Jan; Stansfeld, Phillip J.; Zimmer, Jochen (7 апреля 2022 г.). «Структура, распознавание субстрата и инициирование синтазы гиалуронана». Nature . 604 (7904): 195–201. Bibcode :2022Natur.604..195M. doi :10.1038/s41586-022-04534-2. PMC  9358715 . PMID  35355017.
  2. ^ Спайсер AP, Селдин MF, Олсен AS, Браун N, Уэллс DE, Доггетт NA, Итано N, Кимата K, Инадзава J, Макдональд JA (1997). "Хромосомная локализация генов гиалуронатсинтазы человека и мыши". Геномика . 41 (3): 493–7. doi :10.1006/geno.1997.4696. PMID  9169154.
  3. ^ Itano N, Kimata K (2002). «Гиалуроновые синтазы млекопитающих». IUBMB Life . 54 (4): 195–9. doi : 10.1080/15216540214929 . PMID  12512858.
  4. ^ Itano N, Sawai T, Yoshida M, Lenas P, Yamada Y, Imagawa M, Shinomura T, Hamaguchi M, Yoshida Y, Ohnuki Y, Miyauchi S, Spicer AP, McDonald JA, Kimata K (1999). «Три изоформы синтазы гиалуроновой кислоты млекопитающих имеют различные ферментативные свойства». Журнал биологической химии . 274 (35): 25085–92. doi : 10.1074/jbc.274.35.25085 . PMID  10455188.
  5. ^ Стерн Р., Асари А.А., Сугахара К.Н. (2006). «Фрагменты гиалуроновой кислоты: информационная система». Европейский журнал клеточной биологии . 85 (8): 699–715. doi :10.1016/j.ejcb.2006.05.009. ПМИД  16822580.
  6. ^ Camenisch TD, Spicer AP, Brehm-Gibson T, Biesterfeldt J, Augustine ML, Calabro A, Kubalak S, Klewer SE, McDonald JA (2000). «Нарушение гиалуронансинтазы-2 отменяет нормальный сердечный морфогенез и опосредованную гиалуронаном трансформацию эпителия в мезенхиму». Журнал клинических исследований . 106 (3): 349–60. doi :10.1172/JCI10272. PMC 314332. PMID  10930438 . 
  7. ^ Bai KJ, Spicer AP, Mascarenhas MM, Yu L, Ochoa CD, Garg HG, Quinn DA (2005). «Роль гиалуроновой кислоты синтазы 3 в повреждении легких, вызванном вентилятором». Американский журнал респираторной и интенсивной терапии . 172 (1): 92–8. doi :10.1164/rccm.200405-652OC. PMC 2718450. PMID  15790861 . 
  8. ^ Ли, Пэн; Сян, Тинсю; Ли, Хунчжун; Ли, Цяньцянь; Ян, Бин; Хуан, Цзин; Чжан, Сян; Ши, Юань; Тан, Цзиньсян; Жэнь, Гошен (1 октября 2015 г.). «Сверхэкспрессия гиалуронансинтазы 2 коррелирует с опухолеобразованием и метастазами рака молочной железы человека». Международный журнал клинической и экспериментальной патологии . 8 (10): 12101–12114. PMC 4680340. PMID  26722395 . 
  9. ^ Ли, Хуэйминь; Го, Хуэйлинь; Лей, Чанг; Лю, Ли; Сюй, Лицинь; Фэн, Япин; Кэ, Джин; Фанг, Вэй; Сун, Хао; Сюй, Чунь; Ю, Чэнчжун; Лонг, Син (ноябрь 2019 г.). «Нанотерапия суставов: увеличение производства эндогенного гиалуронана за счет доставки гиалуронансинтазы 2». Продвинутые материалы . 31 (46): 1904535. Бибкод : 2019AdM....3104535L. дои : 10.1002/adma.201904535. PMID  31549776. S2CID  202745517.
  10. ^ Хоманн, Сюзанна; Грандох, Мария; Киене, Лена С.; Подсвязек, Янина; Фельдманн, Катрин; Рабауш, Берит; Надь, Надин; Лер, Стефан; Кречмер, Инга; Оберхубер, Александр; Боллики, Пол; Фишер, Йенс В. (март 2018 г.). «Гиалуронансинтаза 3 способствует воспалению бляшек и атеропрогрессии». Матричная биология . 66 : 67–80. doi :10.1016/j.matbio.2017.09.005. ПМК 6023397 . ПМИД  28987865. 
  11. ^ abc Maloney, Finn P.; Kuklewicz, Jeremi; Corey, Robin A.; Bi, Yunchen; Ho, Ruoya; Mateusiak, Lukasz; Pardon, Els; Steyaert, Jan; Stansfeld, Phillip J.; Zimmer, Jochen (7 апреля 2022 г.). «Структура, распознавание субстрата и инициирование синтазы гиалуронана». Nature . 604 (7904): 195–201. Bibcode :2022Natur.604..195M. doi :10.1038/s41586-022-04534-2. PMC 9358715 . PMID  35355017. 
  12. ^ Jing, W. (10 июня 2003 г.). «Анализ двух активных участков гиалуронансинтазы и хондроитинсинтазы Pasteurella multocida». Glycobiology . 13 (10): 661–671. doi : 10.1093/glycob/cwg085 . PMID  12799342.
  13. ^ ab Jing, W.; DeAngelis, PL (1 сентября 2000 г.). «Раскрытие двух трансферазных активностей гиалуронансинтазы Pasteurella multocida: два активных центра существуют в одном полипептиде». Glycobiology . 10 (9): 883–889. doi : 10.1093/glycob/10.9.883 . PMID  10988250.
  14. ^ Карусу, Эухения; Камирё, Масару; Скандалис, Спирос С.; Руусала, Айно; Астериу, Триас; Пасси, Альберто; Ямашита, Хидетоши; Хеллман, Ульф; Хельдин, Карл-Хенрик; Хельдин, Параскеви (июль 2010 г.). «Активность гиалуронансинтазы 2 регулируется димеризацией и убиквитинированием». Журнал биологической химии . 285 (31): 23647–23654. doi : 10.1074/jbc.M110.127050 . PMC 2911313. PMID  20507985 . 
  15. ^ Ценг, Виктор; Коллум, Скотт Д.; Аллаузи, Айед; Кротти, Кэтрин; Йелигар, Саманта; Траммелл, Аарон; Райан Смит, М.; Канг, Бум-Йонг; Сатлифф, Рой Л.; Ингрэм, Дженнифер Л.; Джотула, Сома ССК; Тандавараян, Раджараджан А.; Хуан, Ховард Дж.; Нозик, Ева С.; Вагнер, Эрик Дж.; Майкл Харт, К.; Кармути-Кинтана, Гарри (август 2022 г.). «Укорочение 3'UTR HAS2 способствует гиперсинтезу гиалуронана и биоэнергетической дисфункции при легочной гипертензии». Matrix Biology . 111 : 53–75. doi :10.1016/j.matbio.2022.06.001. PMC 9676077. PMID  35671866 . 
  16. ^ Спайсер, Эндрю П.; Олсон, Джеффри С.; Макдональд, Джон А. (апрель 1997 г.). «Молекулярное клонирование и характеристика кДНК, кодирующей третью предполагаемую гиалуроновую синтазу млекопитающих». Журнал биологической химии . 272 ​​(14): 8957–8961. doi : 10.1074/jbc.272.14.8957 . PMID  9083017.
  17. ^ ab Weigel, Paul H.; Hascall, Vincent C.; Tammi, Markku (май 1997). "Hyaluronan Synthases". Журнал биологической химии . 272 ​​(22): 13997–14000. doi : 10.1074/jbc.272.22.13997 . PMID  9206724.
  18. ^ Хаббард, Кейтлин; Макнамара, Джошуа Т.; Адзумая, Кэли; Патель, Мехул С.; Циммер, Йохен (апрель 2012 г.). «Гиалуронансинтаза катализирует синтез и мембранную транслокацию гиалуронана». Журнал молекулярной биологии . 418 (1–2): 21–31. дои : 10.1016/j.jmb.2012.01.053. ПМИД  22343360.
  19. ^ DeAngelis, PL (ноябрь 1999 г.). «Гиалуронансинтазы: увлекательные гликозилтрансферазы позвоночных, бактериальных патогенов и вирусов водорослей». Cellular and Molecular Life Sciences . 56 (7): 670–682. doi : 10.1007/s000180050461 . PMC 11147114 . PMID  11212314. S2CID  21344879. 
  20. ^ Prehm, P (1 апреля 1983 г.). «Синтез гиалуроната в дифференцированных клетках тератокарциномы. Механизм роста цепи». Biochemical Journal . 211 (1): 191–198. doi :10.1042/bj2110191. PMC 1154343. PMID  6870820 . 
  21. ^ Weigel, Paul H. (1 октября 2002 г.). «Функциональные характеристики и каталитические механизмы бактериальных гиалуронансинтаз». IUBMB Life (Международный союз биохимии и молекулярной биологии: Жизнь) . 54 (4): 201–211. doi : 10.1080/15216540214931 . PMID  12512859. S2CID  25537143.
  22. ^ Итано, Наоки; Савай, Такахиро; Ёсида, Мамору; Ленас, Петрос; Ямада, Ёичи; Имагава, Мичико; Шиномура, Тамаюки; Хамагути, Мичинари; Ёсида, Юко; Онуки, Ёдзи; Мияучи, Сатоши; Спайсер, Эндрю П.; Макдональд, Джон А.; Кимата, Кодзи (август 1999 г.). «Три изоформы гиалуронансинтазы млекопитающих обладают отличительными ферментативными свойствами». Журнал биологической химии . 274 (35): 25085–25092. дои : 10.1074/jbc.274.35.25085 . ПМИД  10455188.
  23. ^ Каон, Илария; Парнигони, Арианна; Виола, Мануэла; Карусу, Евгения; Пасси, Альберто; Виджетти, Давиде (январь 2021 г.). «Клеточный энергетический метаболизм и синтез гиалуронана». Журнал гистохимии и цитохимии . 69 (1): 35–47. doi :10.1369/0022155420929772. PMC 7780193. PMID  32623953 . 
  24. ^ Мелеро-Фернандес де Мера, РМ; Арасу, Юта; Карня, Р.; Оикари, С.; Рилла, К.; Вигетти, Д.; Пасси, А.; Хелдин, П.; Тамми, Мичиган; Дин, Эй Джей (июль 2019 г.). «Влияние мутаций в сайтах посттрансляционной модификации на транспорт гиалуронансинтазы 2 (HAS2)». Матричная биология . 80 : 85–103. doi :10.1016/j.matbio.2018.10.004. PMID  30394292. S2CID  53217005.
  25. ^ Bharadwaj AG, Kovar JL, Loughman E, Elowsky C, Oakley GG, Simpson MA (2009). «Спонтанное метастазирование рака простаты стимулируется избыточным синтезом и обработкой гиалуронана». The American Journal of Pathology . 174 (3): 1027–36. doi :10.2353/ajpath.2009.080501. PMC 2665762. PMID  19218337 . 
  26. ^ Фудзита Ю, Китагава М, Накамура С, Адзума К, Исии Г, Хигаси М, Киши Х, Хиваса Т, Кода К, Накадзима Н, Харигая К (2002). «Передача сигналов CD44 через киназу фокальной адгезии и ее антиапоптотический эффект». Письма ФЭБС . 528 (1–3): 101–8. дои : 10.1016/S0014-5793(02)03262-3 . ПМИД  12297287.
  27. ^ Park JB, Kwak HJ, Lee SH (2008). «Роль гиалуронана в инвазии глиомы». Клеточная адгезия и миграция . 2 (3): 202–7. doi :10.4161/cam.2.3.6320. PMC 2634087. PMID  19262113 . 
  28. ^ Jiang D, Liang J, Fan J, Yu S, Chen S, Luo Y, Prestwich GD, Mascarenhas MM, Garg HG, Quinn DA, Homer RJ, Goldstein DR, Bucala R, Lee PJ, Medzhitov R, Noble PW (2005). «Регулирование повреждения и восстановления легких с помощью Toll-подобных рецепторов и гиалуронана». Nature Medicine . 11 (11): 1173–9. doi :10.1038/nm1315. PMID  16244651. S2CID  11765495.
  29. ^ Dunn KM, Lee PK, Wilson CM, Iida J, Wasiluk KR, Hugger M, McCarthy JB (2009). «Ингибирование гиалуронансинтаз снижает экспрессию и активность матриксной металлопротеиназы-7 (ММП-7)». Хирургия . 145 (3): 322–9. doi :10.1016/j.surg.2008.11.008. PMID  19231585.

Внешние ссылки