stringtranslate.com

Кальпейн

Кальпаин ( / ˈ k æ l p eɪ n / ; [1] EC 3.4.22.52, EC 3.4.22.53) — это белок, принадлежащий к семейству кальций -зависимых, нелизосомальных цистеиновых протеаз ( протеолитических ферментов ), повсеместно экспрессируемых у млекопитающих и многих других организмов. Кальпаины составляют семейство C2 клана протеаз CA в базе данных MEROPS . Протеолитическая система кальпаинов включает кальпаиновые протеазы, малую регуляторную субъединицу CAPNS1 , также известную как CAPN4, и эндогенный кальпаин-специфический ингибитор кальпастатин .

Открытие

История открытия кальпаина берет свое начало в 1964 году, когда в мозге , хрусталике глаза и других тканях были обнаружены кальций-зависимые протеолитические активности, вызванные «нейтральной протеазой, активируемой кальцием» (CANP) . В конце 1960-х годов ферменты были выделены и охарактеризованы независимо как в мозге крысы, так и в скелетных мышцах . Эти активности были вызваны внутриклеточной цистеиновой протеазой, не связанной с лизосомой и имеющей оптимальную активность при нейтральном pH , что явно отличало ее от семейства протеаз катепсинов . Кальций-зависимая активность, внутриклеточная локализация и ограниченный, специфический протеолиз на его субстратах подчеркнули роль кальпаина как регуляторной, а не пищеварительной протеазы. Когда последовательность этого фермента стала известна, [2] ему дали название «кальпаин», чтобы признать его общие свойства с двумя известными в то время белками, кальций-регулируемым сигнальным белком, кальмодулином , и цистеиновой протеазой папайи , папаином . Вскоре после этого было обнаружено, что активность приписывается двум основным изоформам, названным μ («мю»)-кальпаином и м-кальпаином (или кальпаинами I и II), которые различались в первую очередь по их потребности в кальции in vitro . Их названия отражают тот факт, что они активируются микро- и почти миллимолярными концентрациями Ca 2+ внутри клетки соответственно. [3]

На сегодняшний день эти две изоформы остаются наиболее охарактеризованными членами семейства кальпаинов. Структурно эти две гетеродимерные изоформы имеют одинаковую малую (28 кДа) субъединицу ( CAPNS1 (ранее CAPN4)), но имеют различные большие (80 кДа) субъединицы, известные как кальпаин 1 и кальпаин 2 (каждая кодируется генами CAPN1 и CAPN2 соответственно).

Специфичность расщепления

Никакая конкретная аминокислотная последовательность не распознается кальпаинами однозначно. Среди белковых субстратов элементы третичной структуры , а не первичные аминокислотные последовательности , вероятно, отвечают за направление расщепления на определенный субстрат. Среди пептидных и низкомолекулярных субстратов наиболее последовательно сообщаемая специфичность относится к небольшим гидрофобным аминокислотам (например, лейцину , валину и изолейцину ) в позиции P2 и большим гидрофобным аминокислотам (например, фенилаланину и тирозину ) в позиции P1. [4] Возможно, лучшим в настоящее время доступным флуорогенным субстратом кальпаина является ( EDANS )-Glu-Pro-Leu-Phe=Ala-Glu-Arg-Lys-(DABCYL), при этом расщепление происходит по связи Phe=Ala.

Большая семья

Проект «Геном человека» выявил, что существует более дюжины других изоформ кальпаина, некоторые из которых имеют множественные варианты сплайсинга . [5] [6] [7] Будучи первым кальпаином, чья трехмерная структура была определена, m-кальпаин является типовой протеазой для семейства C2 (кальпаин) в базе данных MEROPS .

Функция

Хотя физиологическая роль кальпаинов до сих пор плохо изучена, было показано, что они активно участвуют в таких процессах, как подвижность клеток и прогрессия клеточного цикла , а также в специфических для типа клеток функциях, таких как долгосрочная потенциация в нейронах и слияние клеток в миобластах . В этих физиологических условиях временный и локализованный приток кальция в клетку активирует небольшую локальную популяцию кальпаинов (например, тех, которые находятся близко к каналам Ca 2+ ), которые затем продвигают путь передачи сигнала, катализируя контролируемый протеолиз его целевых белков. [8] Кроме того, было обнаружено, что фосфорилирование протеинкиназой А и дефосфорилирование щелочной фосфатазой положительно регулируют активность μ-кальпаинов, увеличивая случайные спирали и уменьшая β-слои в его структуре. Фосфорилирование улучшает протеолитическую активность и стимулирует аутоактивацию μ-кальпаинов. Однако повышенная концентрация кальция перекрывает эффекты фосфорилирования и дефосфорилирования на активность кальпаина, и, таким образом, активность кальпаина в конечном итоге зависит от присутствия кальция. [9] Другие известные роли кальпаинов заключаются в функционировании клеток , помогая регулировать свертываемость и диаметр кровеносных сосудов , а также играя роль в памяти . Кальпаины были вовлечены в апоптотическую гибель клеток и, по-видимому, являются существенным компонентом некроза . Фракционирование детергента выявило цитозольную локализацию кальпаина. [8]

Повышенная активность кальпаина, регулируемая CAPNS1, вносит значительный вклад в гиперреактивность тромбоцитов в условиях гипоксии. [10]

В мозге, в то время как μ-кальпаин в основном находится в теле клетки и дендритах нейронов и в меньшей степени в аксонах и глиальных клетках , m-кальпаин обнаружен в глиальных клетках и в небольшом количестве в аксонах. [11] Кальпаин также участвует в расщеплении белка скелетных мышц из-за физических упражнений и измененных состояний питания. [12]

Клиническое значение

Патология

Структурное и функциональное разнообразие кальпаинов в клетке отражается в их участии в патогенезе широкого спектра расстройств. По крайней мере два хорошо известных генетических расстройства и одна форма рака были связаны с тканеспецифичными кальпаинами. При дефекте кальпаин 3 млекопитающих (также известный как p94) является генным продуктом, ответственным за конечностно-поясную мышечную дистрофию типа 2A, [13] [14] кальпаин 10 был идентифицирован как ген восприимчивости к сахарному диабету II типа, а кальпаин 9 был идентифицирован как супрессор опухолей при раке желудка. Более того, гиперактивация кальпаинов участвует в ряде патологий, связанных с измененным гомеостазом кальция, таких как болезнь Альцгеймера , [15] и образование катаракты , а также вторичная дегенерация, возникающая в результате острого клеточного стресса после ишемии миокарда, церебральной (нейрональной) ишемии, травматического повреждения головного мозга и повреждения спинного мозга. Избыточное количество кальпаина может быть активировано из-за притока Ca2 + после цереброваскулярного инцидента (во время ишемического каскада ) или некоторых типов травматического повреждения мозга , таких как диффузное аксональное повреждение . Увеличение концентрации кальция в клетке приводит к активации кальпаина, что приводит к нерегулируемому протеолизу как целевых, так и нецелевых белков и последующему необратимому повреждению тканей. Чрезмерно активный кальпаин расщепляет молекулы в цитоскелете , такие как спектрин , субъединицы микротрубочек , белки, ассоциированные с микротрубочками , и нейрофиламенты . [16] [17] Он также может повреждать ионные каналы , другие ферменты, молекулы клеточной адгезии и рецепторы клеточной поверхности . [11] Это может привести к деградации цитоскелета и плазматической мембраны . Кальпаин также может разрушать натриевые каналы , которые были повреждены из-за повреждения аксонального растяжения, [18] что приводит к притоку натрия в клетку. Это, в свою очередь, приводит к деполяризации нейрона и притоку большего количества Ca 2+ . Значительным следствием активации кальпаина является развитие сердечной сократительной дисфункции, которая следует за ишемическим инсультом сердца. При реперфузии ишемического миокарда происходит развитие перегрузки или избытка кальция в клетках сердца (кардиомиоцитах). Это увеличение кальция приводит к активации кальпаина. [19] [нерелевантная цитата ]Недавно было установлено, что кальпаин способствует развитию венозного тромбоза, вызванного высокогорьем, посредством опосредования гиперактивации тромбоцитов.[10]

Терапевтические ингибиторы

Экзогенная регуляция активности кальпаина, таким образом, представляет интерес для разработки терапевтических средств при широком спектре патологических состояний. В качестве нескольких из многочисленных примеров, подтверждающих терапевтический потенциал ингибирования кальпаина при ишемии, ингибитор кальпаина AK275 защищает от очагового ишемического повреждения мозга у крыс при введении после ишемии, а MDL28170 значительно уменьшает размер поврежденной инфарктной ткани в модели очаговой ишемии у крыс. Также известно, что ингибиторы кальпаина обладают нейропротекторным действием: PD150606, [20] SJA6017, [21] ABT-705253, [22] [23] и SNJ-1945. [24]

Кальпаин может выделяться в мозге в течение месяца после черепно-мозговой травмы и может быть ответственным за уменьшение мозга, которое иногда наблюдается после таких травм. [25] Однако, кальпаин также может участвовать в процессе «перестройки», который помогает восстанавливать повреждения после травмы. [25]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "определение кальпаина". Dictionary.com . Получено 23 апреля 2018 г. .
  2. ^ Ohno S, Emori Y, Imajoh S, Kawasaki H, Kisaragi M, Suzuki K (1984). «Эволюционное происхождение кальций-зависимой протеазы путем слияния генов тиоловой протеазы и кальций-связывающего белка?». Nature . 312 (5994): 566–70. Bibcode :1984Natur.312..566O. doi :10.1038/312566a0. PMID  6095110. S2CID  4359635.
  3. ^ Glass JD, Culver DG, Levey AI, Nash NR (апрель 2002 г.). «Очень ранняя активация m-calpain в периферическом нерве во время валлеровской дегенерации». J. Neurol. Sci . 196 (1–2): 9–20. doi :10.1016/S0022-510X(02)00013-8. PMID  11959150. S2CID  22674283.
  4. ^ Cuerrier D, Moldoveanu T, Davies PL (декабрь 2005 г.). «Определение специфичности пептидного субстрата для мю-кальпаина с помощью подхода на основе пептидной библиотеки: важность взаимодействий с праймированной стороной». J. Biol. Chem . 280 (49): 40632–41. doi : 10.1074/jbc.M506870200 . PMID  16216885.
  5. ^ Томпсон В. (2002-02-12). "Номенклатура кальпаина". Колледж сельского хозяйства и естественных наук при Университете Аризоны . Получено 2010-08-06 .
  6. ^ Huang Y, Wang KK (август 2001 г.). «Семейство кальпаинов и болезни человека». Trends Mol Med . 7 (8): 355–62. doi :10.1016/S1471-4914(01)02049-4. PMID  11516996.
  7. ^ Suzuki K, Hata S, Kawabata Y, Sorimachi H (февраль 2004 г.). «Структура, активация и биология кальпаина». Диабет . 53. Приложение 1: S12–8. doi : 10.2337/diabetes.53.2007.s12 . PMID  14749260.
  8. ^ ab Jaguva Vasudevan, AA; Perkovic, M; Bulliard, Y; Cichutek, K; Trono, D; Häussinger, D; Münk, C (август 2013 г.). «Прототип пенистого вируса Bet нарушает димеризацию и цитозольную растворимость человеческого APOBEC3G». Журнал вирусологии . 87 (16): 9030–40. doi :10.1128/JVI.03385-12. PMC 3754047. PMID  23760237 . 
  9. ^ Ду, Маньтин; Ли, Синь; Ли, Чжэн; Шэнь, Цинву; Ван, Ин; Ли, Гуйся; Чжан, Дэцюань (2018-06-30). «Фосфорилирование, регулируемое протеинкиназой А и щелочной фосфатазой, играет положительную роль в активности μ-кальпаина». Пищевая химия . 252 : 33–39. doi :10.1016/j.foodchem.2018.01.103. ISSN  0308-8146. PMID  29478550. S2CID  3538480.
  10. ^ ab Tyagi, T.; Ahmad, S.; Gupta, N.; Sahu, A.; Ahmad, Y.; Nair, V.; Chatterjee, T.; Bajaj, N.; Sengupta, S.; Ganju, L.; Singh, SB; Ashraf, MZ (февраль 2014 г.). «Измененная экспрессия белков тромбоцитов и активность кальпаина опосредуют протромботический фенотип, вызванный гипоксией». Blood . 123 (8): 1250–60. doi : 10.1182/blood-2013-05-501924 . PMID  24297866.
  11. ^ ab Lenzlinger PM, Saatman KE, Raghupathi R, Mcintosh TK (2000). "Глава 1: Обзор основных механизмов, лежащих в основе нейропатологических последствий черепно-мозговой травмы". В Newcomb JK, Miller LS, Hayes RL (ред.). Черепно-мозговая травма: основные, доклинические и клинические направления . Нью-Йорк: Wiley-Liss. ISBN 978-0-471-36015-5.
  12. ^ Belcastro AN, Albisser TA, Littlejohn B (октябрь 1996 г.). «Роль нейтральной протеазы, активируемой кальцием (кальпаина), в диете и физических упражнениях». Can J Appl Physiol . 21 (5): 328–46. doi :10.1139/h96-029. PMID  8905185.
  13. ^ Ричард И., Бру О., Алламанд В. и др. (апрель 1995 г.). «Мутации в протеолитическом ферменте кальпаине 3 вызывают конечностно-поясную мышечную дистрофию типа 2А». Cell . 81 (1): 27–40. doi : 10.1016/0092-8674(95)90368-2 . PMID  7720071. S2CID  17565219.
  14. ^ Оно Y, Шимада H, Соримачи H и др. (Июль 1998 г.). «Функциональные дефекты специфичного для мышц кальпаина, p94, вызванные мутациями, связанными с конечностно-поясной мышечной дистрофией типа 2A». J. Biol. Chem . 273 (27): 17073–8. doi : 10.1074/jbc.273.27.17073 . PMID  9642272.
  15. ^ Ямашима Т (2013). «Пересмотрите болезнь Альцгеймера с помощью «гипотезы кальпаина-катепсин» — перспективный обзор». Прогресс в неврологии . 105 : 1–23. doi : 10.1016/j.pneurobio.2013.02.004. PMID  23499711. S2CID  39292302.
  16. ^ Liu J, Liu MC, Wang KK (апрель 2008 г.). «Кальпаин в ЦНС: от синаптической функции до нейротоксичности». Sci. Signal . 1 (14): re 1. doi :10.1126/stke.114re1. PMID  18398107. S2CID  21992464.
  17. ^ Castillo MR, Babson JR (октябрь 1998 г.). «Ca 2+ -зависимые механизмы повреждения клеток в культивируемых корковых нейронах». Neuroscience . 86 (4): 1133–44. doi :10.1016/S0306-4522(98)00070-0. PMID  9697120. S2CID  54228571.
  18. ^ Iwata A, Stys PK, Wolf JA, et al. (Май 2004). «Травматическое аксональное повреждение вызывает протеолитическое расщепление потенциалзависимых натриевых каналов, модулируемых тетродотоксином и ингибиторами протеазы». J. Neurosci . 24 (19): 4605–13. doi : 10.1523/JNEUROSCI.0515-03.2004 . PMC 6729402 . PMID  15140932. 
  19. ^ Neuhof C, Neuhof H (2014). «Система кальпаина и ее участие в ишемии миокарда и реперфузионном повреждении». World J Cardiol . 7 (6): 638–52. doi : 10.4330/wjc.v6.i7.638 . PMC 4110612. PMID  25068024 . 
  20. ^ Wang KK, Nath R, Posner A, Raser KJ, Buroker-Kilgore M, Hajimohammadreza I, Probert AW, Marcoux FW, Ye Q, Takano E, Hatanaka M, Maki M, Caner H, Collins JL, Fergus A, Lee KS, Lunney EA, Hays SJ, Yuen P (июнь 1996 г.). «Производное альфа-меркаптоакриловой кислоты является селективным непептидным ингибитором кальпаина, проницаемым для клеток, и обладает нейропротекторным действием». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 93 (13): 6687–92. Bibcode :1996PNAS...93.6687W. doi : 10.1073/pnas.93.13.6687 . PMC 39087 . PMID  8692879. 
  21. ^ Kupina NC, Nath R, Bernath EE, Inoue J, Mitsuyoshi A, Yuen PW, Wang KK, Hall ED (ноябрь 2001 г.). «Новый ингибитор кальпаина SJA6017 улучшает функциональный результат после отсроченного введения в мышиной модели диффузного повреждения мозга» (PDF) . J. Neurotrauma . 18 (11): 1229–40. doi :10.1089/089771501317095269. hdl : 2027.42/63231 . PMID  11721741.
  22. ^ Lubisch W, Beckenbach E, Bopp S, Hofmann HP, Kartal A, Kästel C, Lindner T, Metz-Garrecht M, Reeb J, Regner F, Vierling M, Möller A (июнь 2003 г.). «Кетоамиды, полученные из бензоилаланина и несущие винилбензиламиноостатки: открытие мощных водорастворимых ингибиторов кальпаина с пероральной биодоступностью». J. Med. Chem . 46 (12): 2404–12. doi :10.1021/jm0210717. PMID  12773044.
  23. ^ Nimmrich V, Reymann KG, Strassburger M, Schöder UH, Gross G, Hahn A, Schoemaker H, Wicke K, Möller A (апрель 2010 г.). «Ингибирование кальпаина предотвращает гибель клеток, вызванную NMDA, и синаптическую дисфункцию, вызванную бета-амилоидом, в культурах срезов гиппокампа». Br. J. Pharmacol . 159 (7): 1523–31. doi :10.1111/j.1476-5381.2010.00652.x. PMC 2850408. PMID  20233208 . 
  24. ^ Koumura A, Nonaka Y, Hyakkoku K, Oka T, Shimazawa M, Hozumi I, Inuzuka T, Hara H (ноябрь 2008 г.). «Новый ингибитор кальпаина, ((1S)-1((((1S)-1-бензил-3-циклопропиламино-2,3-диоксопропил)амино)карбонил)-3-метилбутил) карбаминовой кислоты 5-метокси-3-оксапентиловый эфир, защищает нейрональные клетки от повреждения, вызванного церебральной ишемией у мышей». Neuroscience . 157 (2): 309–18. doi :10.1016/j.neuroscience.2008.09.007. PMID  18835333. S2CID  29425598.
  25. ^ ab White V (1999-10-21). "– Исследователь из Университета Флориды обнаружил, что 'биохимический шторм' после травмы мозга является важным фактором в лечении". Новости Университета Флориды. Архивировано из оригинала 2011-06-23 . Получено 2010-08-07 .

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки