Аденилирование , [1] [2] более известное как AMPилирование , представляет собой процесс, в котором молекула аденозинмонофосфата (AMP) ковалентно присоединяется к боковой цепи аминокислоты белка . [3] Это ковалентное присоединение AMP к гидроксильной боковой цепи белка является посттрансляционной модификацией . [4] Аденилирование включает фосфодиэфирную связь между гидроксильной группой молекулы, подвергающейся аденилированию, и фосфатной группой нуклеотида аденозинмонофосфата ( т. е. адениловой кислоты). Ферменты , способные катализировать этот процесс, называются AMPилаторами.
Известные аминокислоты, которые являются мишенью в белке, — это тирозин и треонин , а иногда и серин . [5] Когда заряды белка претерпевают изменения, это влияет на характеристики белка, обычно изменяя его форму посредством взаимодействия аминокислот, из которых состоит белок. АМФилирование может оказывать различные эффекты на белок. Это свойства белка, такие как стабильность, ферментативная активность, связывание кофакторов и многие другие функциональные возможности белка. Другая функция аденилирования — активация аминокислот, которая катализируется тРНК-аминоацилсинтетазой. [3] Наиболее часто идентифицируемыми белками, подвергающимися АМФилированию, являются ГТФазы и глутаминсинтетаза .
Ферменты, ответственные за AMPylation, называемые AMPylation или Adenylyltransferase , делятся на два разных семейства, все в зависимости от их структурных свойств и используемого механизма. AMPylation создается двумя каталитическими гомологичными половинами. Одна половина отвечает за катализ реакции аденилирования, в то время как другая половина катализирует реакцию фосфоролитического деаденилирования [2] . Эти два семейства — ДНК- β -полимеразоподобные и семейство Fic. [6]
ДНК- β- полимераза-подобная, является семейством нуклеотидилтрансфераз . [4] Более конкретно она известна как семейство GlnE. Существует определенный мотив, который используется для уточнения этого конкретного семейства. Мотив состоит из трехцепочечного β-слоя, который является частью координации ионов магния и связывания фосфата. Аспартат необходим для активности, происходящей в этом семействе.
Домен Fic принадлежит к суперсемейству Fido (Fic/Doc). Известно, что семейство Fic , представляющее собой филаментацию, вызванную доменом циклического AMP, выполняет AMPylation. Этот термин был придуман, когда было обнаружено, что VopS из Vibrio parahaemolyticus модифицирует RhoGTPases с AMP на серине. Это семейство белков встречается во всех доменах жизни на Земле. Он опосредован механизмом мотива альфа-спирали сайта связывания АТФ. Инфекционные бактерии используют этот домен для прерывания фагоцитоза и вызывают гибель клеток. Домены Fic являются эволюционно консервативными доменами у прокариот и эукариот , которые принадлежат к суперсемейству доменов Fido. [4]
Было показано, что AMPylators сопоставимы с киназами из-за их активности гидролиза АТФ и обратимого переноса метаболита на гидроксильную боковую цепь белкового субстрата. Однако AMPylation катализирует нуклеофильную атаку на α-фосфатную группу, тогда как киназа в реакции фосфорилирования нацелена на γ-фосфат. Нуклеофильная атака AMPylation приводит к высвобождению пирофосфата, а AMP-модифицированный белок является продуктом реакции AMPylation. [5]
ДеАМПилирование — это обратная реакция, в которой молекула АМФ отщепляется от аминокислотной части цепи белка.
Существует три известных механизма этой реакции. Бактериальная GS-ATase (GlnE) кодирует двухкомпонентный белок с отдельными доменами N-терминального AMPylation и C-терминального deAMPylation, активность которого регулируется P II и связанными с ним посттрансляционными модификациями. ДеAMPylation ее субстрата AMPylated глутаминсинтетазы происходит посредством фосфоролитической реакции между аденил-тирозином GS и ортофосфатом , что приводит к образованию АДФ и немодифицированной глутаминсинтетазы. [4]
SidD, белок, введенный в клетку-хозяина патогенной бактерией Legionella pneumophila , де-АМФилирует Rab1, белок хозяина, АМФилированный другим ферментом Legionella pneumophila , АМФилазой SidM. Хотя польза для патогена от введения этих двух антагонистических эффекторов в хозяина остается неясной, биохимическая реакция, осуществляемая SidD, включает использование домена, подобного фосфатазе, для катализа гидролитического удаления АМФ из тирозина 77 хозяина Rab1. [7]
В клетках животных удаление AMP из треонина 518 BiP/Grp78 катализируется тем же ферментом, FICD, который AMPylates BiP. В отличие от бактериальной GS-ATase, FICD осуществляет обе реакции с одним и тем же каталитическим доменом. [8]
AMPylation участвует в бактериальном гомеостазе. Наиболее известным примером является AMPyrator GS-ATase (GlnE), который участвует в сложной регуляции метаболизма азота посредством AMPylation глутаминсинтетазы, которая была введена в части AMPylation и DeAMPylation.
Другим примером AMPylators, которые играют роль в бактериальном гомеостазе, являются Fic AMPylators класса I (FicT), которые модифицируют субъединицу GyrB ДНК-гиразы, консервативный остаток тирозина для связывания АТФ субъединицы ParE в топоизомеразе IV. Эта инактивация ДНК-гиразы AMPylation приводит к активации SOS-ответа, который является клеточным ответом на повреждение ДНК. Активность FicT AMPylation обратима и приводит только к остановке роста, но не к гибели клетки. Следовательно, FicT AMPylation играет роль в регуляции клеточного стресса, что показано на примере бактерий Wolbachia, где уровень FicT увеличивается в ответ на доксициклин.
Также обнаружено, что Fic AMPylator NmFic класса III N. meningtidis модифицирует AMPylate GyrB в консервативном тирозине для связывания АТФ. Это показывает, что домены Fic высоко консервативны, что указывает на важную роль AMPylation в регуляции клеточного стресса у бактерий. Регуляция NmFic включает в себя зависящую от концентрации мономеризацию и аутоAMPylation для активации активности NmFic. [5]
Было показано, что бактериальные белки, также известные как эффекторы, используют AMPylation. Было показано, что такие эффекторы, как VopS, IbpA и DrrA, AMPylation хост-GTPases и вызывают изменения актинового цитоскелета. GTPases являются обычными целями AMPylators. Семейства Rho , Rab и Arf GTPase участвуют в динамике актинового цитоскелета и везикулярном трафике. Они также играют роль в механизмах клеточного контроля, таких как фагоцитоз в клетке-хозяине.
Патоген усиливает или предотвращает свою интернализацию, либо вызывая, либо ингибируя фагоцитоз клетки хозяина [4] . Vibrio parahaemolyticus — грамотрицательная бактерия, вызывающая пищевое отравление в результате потребления сырых или недоваренных морепродуктов у людей. [9] VopS, эффектор типа III, обнаруженный в Vibrio parahaemolyticus , содержит домен Fic, который имеет консервативный мотив HPFx(D/E)GN(G/K)R, содержащий остаток гистидина, необходимый для AMPylation. VopS блокирует сборку актина, модифицируя остаток треонина в области switch 1 Rho GTPases. Перенос фрагмента AMP с использованием АТФ к остатку треонина приводит к стерическим помехам и, таким образом, предотвращает взаимодействие Rho GTPases с нижестоящими эффекторами. VopS также аденилирует RhoA и цикл деления клеток 42 (CDC42), что приводит к дезагрегации сети актиновых филаментов. [3] [5] В результате контроль актинового цитоскелета клетки-хозяина отключается, что приводит к округлению клеток. [4] [9]
IbpA секретируется в эукариотические клетки из H. somni , грамотрицательной бактерии крупного рогатого скота, которая вызывает инфекцию респираторного эпителия. Этот эффектор содержит два домена Fic в C-концевой области. AMPylation of IbpA Fic domain of Rho family GTPases отвечает за его цитотоксичность. Оба домена Fic оказывают схожее действие на цитоскелет клеток хозяина, что и VopS. [3] [5] AMPylation on the tirosine remain of switch 1 region blocking interaction of GTPases with downstream Substrates such as PAK.
DrrA — это субстрат системы транслокации Dot/Icm типа IV DrrA из Legionella pneumophila . Это эффектор, секретируемый L. pneumophila для модификации ГТФаз клеток-хозяев. Эта модификация увеличивает выживаемость бактерий в клетках-хозяевах. DrrA состоит из домена фактора обмена гуаниновых нуклеотидов (GEF) Rab1b , домена связывания липидов C-конца и домена N-конца с неясными цитотоксическими свойствами. Исследования показывают, что DrrA N-конца и полной длины проявляет активность AMPylators по отношению к белку хозяина Rab1b (белок, связанный с Ras), который также является субстратом домена GEF Rab1b. Белок Rab1b — это ГТФаза Rab для регулирования транспортировки везикул и слияния мембран. Аденилирование бактериальными AMPylators продлевает состояние Rab1b, связанное с ГТФ. Таким образом, роль эффектора DrrA связана с преимуществами вакуолей бактерий для их репликации во время инфекции. [3] [5]
Растения и дрожжи не имеют известных эндогенных AMPylating ферментов, но животные геномы наделены одной копией гена, кодирующего Fic-domain AMPylase, [10] , который, вероятно, был приобретен ранним предком животных посредством горизонтального переноса генов от прокариота. Человеческий белок, обычно называемый FICD, ранее был идентифицирован как Huntingtin associated protein E (HypE; назначение, полученное в результате дрожжевого двухгибридного скрининга, но сомнительное, поскольку Huntingtin и HypE/FICD локализованы в разных клеточных компартментах). Гомологи CG9523 у Drosophila melanogaster (CG9523) и C. elegans (Fic-1) также привлекли внимание. У всех животных FICD имеет схожую структуру. Это трансмембранный доменный белок типа II с коротким цитоплазматическим доменом, за которым следует мембранный якорь, удерживающий белок в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР), и длинной С-концевой частью, которая находится в ЭР и охватывает тетратрикопептидные повторы (ТПР), за которыми следует каталитический домен Fic. [11]
Открытие AMPylase в животной клетке [10] , за которым последовало открытие ее локализации в ER и того, что BiP является важным субстратом для ее активности [12], были важными прорывами. BiP (также известный как Grp78) давно известен тем, что подвергается инактивирующей посттрансляционной модификации [13] [14], но его природа остается неуловимой. Широко распространенное мнение, что это АДФ-рибозилирование , оказалось, что это опосредованное FICD AMPylation, поскольку инактивация гена FICD в клетках отменяет все измеримые посттрансляционные модификации BiP. [15]
BiP — это локализованный в ЭР белок-шаперон , активность которого жестко регулируется на уровне транскрипции с помощью программы экспрессии генов, известной как реакция на не свернутый белок (UPR). UPR — это гомеостатический процесс, который связывает скорость транскрипции BiP (и многих других белков) с нагрузкой на не свернутые белки в ЭР (так называемый стресс ЭР), чтобы помочь поддерживать протеостаз ЭР . AMPylation добавляет еще один быстрый посттрансляционный уровень контроля активности BiP, поскольку модификация Thr518 домена связывания субстрата BiP с помощью AMP фиксирует шаперон в неактивной конформации. [16] [17] Эта модификация избирательно развертывается по мере ослабления стресса ЭР, чтобы инактивировать избыток BiP. Однако, когда стресс ЭР снова возрастает, тот же фермент, FICD, катализирует противоположную реакцию, де-AMPylation BiP. [8]
Постепенно появляется понимание структурной основы АМФ-илирования и деАМФ-илирования BiP [18] [19], а также ключи к аллостерии , которая может регулировать переключение активности FICD [20], но важные детали этого процесса, происходящего в клетках, еще предстоит открыть.
Роль FICD в AMPylation (и de-AMPylation) BiP на Thr518 хорошо подтверждается биохимическими и структурными исследованиями. Также были представлены доказательства того, что в некоторых обстоятельствах FICD может AMPylation другой остаток, Thr366 в нуклеотид-связывающем домене BiP. [12]
Fic-1 — единственный белок Fic, присутствующий в генетическом коде C. elegans . Он в основном находится в ядерной оболочке ER взрослых зародышевых клеток и эмбриональных клеток, но небольшие количества могут быть обнаружены в цитоплазме. Этот вне-ER пул FICD-1 приписывается AMPylation основных гистонов и факторов трансляции типа eEF1-A в нематоде. [21]
Хотя различные уровни АМФилирования не оказывали заметного влияния на поведение или физиологию нематод, черви с нокаутированным геном Fic-1 были более восприимчивы к заражению Pseudomonas aeruginosa по сравнению с червями с активными доменами Fic-1, что указывает на связь между АМФилированием клеточных мишеней и иммунными реакциями у нематод. [11]
Мухи, лишенные FICD (CG9523), были описаны как слепые. Первоначально этот дефект приписывался роли FICD на поверхности клеток головчатых выступов — предполагаемого места рециркуляции нейротрансмиттеров [22] , однако более позднее исследование выявило опосредованную FICD AMPylation BiP Thr366 в зрительной проблеме [23]
Было обнаружено, что пресинаптический белок α-синуклеин является мишенью для FICD AMPylation. Во время HypE-опосредованного аденилирования αSyn агрегация αSyn уменьшается, и было обнаружено, что как нейротоксичность , так и стресс ER уменьшаются in vitro . Таким образом, аденилирование αSyn, возможно, является защитной реакцией на стресс ER и агрегацию αSyn. Однако, поскольку aSyn и FICD находятся в разных отсеках, необходимо провести дополнительные исследования, подтверждающие значимость этих утверждений. [24]
Химические маркеры используются для обнаружения посттрансляционно модифицированных белков. Недавно появился N6pATP, содержащий алкинильный тег (пропаргил) в позиции N6 аденина АТФ. Этот N6pATP объединяется с реакцией щелчка для обнаружения АМФилированных белков. Для обнаружения нераспознанного модифицированного белка и маркировки субстратов VopS используются производные АТФ с флуорофором в позиции аденина N6 NH2. [5] [6]
Антитело славится своей высокой аффинностью и селективностью, поэтому это хороший способ обнаружения AMPylated белков. В последнее время антитела ɑ-AMP используются для прямого обнаружения и выделения AMPylated белков (особенно AMPylated тирозина и AMPylated треонина) из клеток и клеточных лизатов. AMPylation является посттрансляционной модификацией, поэтому оно изменяет свойства белка, придавая полярный характер AMPylated и гидрофобность. Таким образом, вместо использования антител, которые обнаруживают всю пептидную последовательность, предпочтительным является повышение AMPylated антител, напрямую нацеленных на определенные аминокислоты. [5] [6]
Ранее во многих научных работах для обнаружения AMPylated пептидов использовалась масс-спектрометрия (MS) в различных режимах фрагментации. В ответ на отличительные методы фрагментации AMPylated белковые последовательности распадались на разных участках AMP. В то время как диссоциация с переносом электронов (ETD) создает минимальные фрагменты и менее сложные спектры, диссоциация, вызванная столкновениями (CID), и фрагментация столкновений высокой энергии (HCD) генерируют характерные ионы, подходящие для идентификации AMPylated белков путем генерации множественных фрагментов AMP. Благодаря стабильности AMP, спектры фрагментации пептидов легко считываются вручную или с помощью поисковых систем. [5] [6]
Были обнаружены ингибиторы АМФилирования белков с константой ингибирования (K i ) в диапазоне от 6 до 50 мкМ и по крайней мере 30-кратной селективностью по сравнению с HypE. [25] [5] [6]