Фосфолипаза D (EC 3.1.4.4, липофосфодиэстераза II, лецитиназа D, холинфосфатаза, PLD ; систематическое название фосфатидилхолинфосфатидогидролаза ) — чувствительный к анестетикам [1] и механочувствительный [2] фермент суперсемейства фосфолипаз , который катализирует следующую реакцию:
Фосфолипазы широко распространены и могут быть обнаружены во многих организмах, включая бактерии, дрожжи, растения, животных и вирусы. [3] [4] Основным субстратом фосфолипазы D является фосфатидилхолин , который она гидролизует для получения сигнальной молекулы фосфатидной кислоты (PA) и растворимого холина в зависимом от холестерина процессе, называемом презентацией субстрата . [5] Растения содержат многочисленные гены, которые кодируют различные изоферменты PLD с молекулярным весом от 90 до 125 кДа . [6] Клетки млекопитающих кодируют две изоформы фосфолипазы D: PLD1 и PLD2 . [7] Фосфолипаза D играет важную роль во многих физиологических процессах, включая мембранный транспорт , реорганизацию цитоскелета , рецептор-опосредованный эндоцитоз , экзоцитоз и миграцию клеток . [8] Благодаря этим процессам он был дополнительно вовлечен в патофизиологию множества заболеваний : в частности, в прогрессирование болезней Паркинсона и Альцгеймера , а также различных видов рака . [6] [8] PLD также может помочь установить порог чувствительности к анестезии и механической силе. [9] [10]
Активность типа PLD впервые была описана в 1947 году Дональдом Дж. Ханаханом и И. Л. Чайковым. [3] Однако гидролитический механизм действия был выяснен только в 1975 году в клетках млекопитающих . Растительные изоформы PLD были впервые очищены из капусты и клещевины ; PLDα в конечном итоге был клонирован и охарактеризован из различных растений, включая рис, кукурузу и томат. [3] Растительные PLD были клонированы в трех изоформах: PLDα, PLDβ и PLDγ. [11] Более полувека биохимических исследований показали, что активность фосфолипазы D и PA связана с широким спектром физиологических процессов и заболеваний , включая воспаление , диабет , фагоцитоз , нейрональную и сердечную сигнализацию и онкогенез . [12]
Строго говоря, фосфолипаза D является трансфосфатидилазой: она опосредует обмен полярными головными группами, ковалентно прикрепленными к мембраносвязанным липидам . Используя воду в качестве нуклеофила , этот фермент катализирует расщепление фосфодиэфирной связи в структурных фосфолипидах, таких как фосфатидилхолин и фосфатидилэтаноламин . [6] Продуктами этого гидролиза являются мембраносвязанный липид фосфатидная кислота (PA) и холин , который диффундирует в цитозоль . Поскольку холин обладает небольшой активностью вторичного мессенджера , активность PLD в основном трансдуцируется продукцией PA. [8] [13] PA активно участвует во внутриклеточной передаче сигнала . [14] Кроме того, некоторые члены суперсемейства PLD могут использовать первичные спирты , такие как этанол или 1-бутанол , при расщеплении фосфолипида , эффективно катализируя обмен полярной липидной головной группы . [6] [11] Другие члены этого семейства способны гидролизовать другие фосфолипидные субстраты, такие как кардиолипин , или даже фосфодиэфирную связь, составляющую основу ДНК . [7]
Многие из клеточных функций фосфолипазы D опосредованы ее основным продуктом, фосфатидной кислотой (PA). PA представляет собой отрицательно заряженный фосфолипид , чья небольшая головная группа способствует изгибу мембраны . [7] Таким образом, считается, что он облегчает слияние и деление мембранных везикул способом, аналогичным эндоцитозу, опосредованному клатрином . [7] PA также может рекрутировать белки , которые содержат ее соответствующий связывающий домен , область, характеризующуюся областями, богатыми основными аминокислотами . Кроме того, PA может быть преобразована в ряд других липидов , таких как лизофосфатидная кислота (лизо-PA) или диацилглицерол , сигнальные молекулы , которые оказывают множество эффектов на нисходящие клеточные пути . [11] PA и ее липидные производные участвуют во множестве процессов , которые включают внутриклеточный транспорт везикул , эндоцитоз , экзоцитоз , динамику актинового цитоскелета , дифференциацию пролиферации клеток и миграцию . [7]
PLD млекопитающих напрямую взаимодействует с киназами , такими как PKC , ERK , TYK , и контролирует передачу сигналов, указывая на то, что PLD активируется этими киназами. [15] Поскольку холин очень распространен в клетке, активность PLD не оказывает существенного влияния на уровень холина, и холин вряд ли играет какую-либо роль в передаче сигналов.
Фосфатидовая кислота является сигнальной молекулой и действует, чтобы привлечь SK1 к мембранам . PA чрезвычайно короткоживущая и быстро гидролизуется ферментом фосфатидатфосфатазой с образованием диацилглицерина (DAG). DAG также может быть преобразована в PA с помощью DAG-киназы . Хотя PA и DAG являются взаимопревращаемыми, они действуют по разным путям . Стимулы , которые активируют PLD, не активируют ферменты ниже по течению от DAG и наоборот.
Возможно, что, хотя PA и DAG являются взаимопревращаемыми, могут поддерживаться отдельные пулы сигнальных и несигнальных липидов . Исследования показали, что сигнализация DAG опосредована полиненасыщенным DAG, тогда как PA, полученный из PLD, является мононенасыщенным или насыщенным . Таким образом, функциональный насыщенный/мононенасыщенный PA может быть разрушен путем гидролиза с образованием нефункционального насыщенного/мононенасыщенного DAG, тогда как функциональный полиненасыщенный DAG может быть разрушен путем преобразования его в нефункциональный полиненасыщенный PA. [16] [17] [18]
Недавно было установлено, что лизофосфолипаза D, называемая аутотаксином, играет важную роль в пролиферации клеток благодаря своему продукту — лизофосфатидной кислоте (ЛФК).
Растительные и животные PLD имеют последовательную молекулярную структуру , характеризующуюся участками катализа , окруженными набором регуляторных последовательностей . [6] Активный центр PLD состоит из четырех высококонсервативных аминокислотных последовательностей ( I-IV), из которых мотивы II и IV особенно консервативны. Эти структурные домены содержат отличительную каталитическую последовательность HxKxxxxD (HKD), где H , K и D представляют собой аминокислоты гистидин (H), лизин (K), аспарагиновую кислоту (D), в то время как x представляет собой неконсервативные аминокислоты . [6] [7] Эти два мотива HKD придают PLD гидролитическую активность и имеют решающее значение для его ферментативной активности как in vitro , так и in vivo . [7] [12] Гидролиз фосфодиэфирной связи происходит, когда эти последовательности HKD находятся в правильной близости .
Человеческие белки, содержащие этот мотив, включают:
PC -гидролизующий PLD является гомологом кардиолипинсинтазы , [19] [20] фосфатидилсеринсинтазы , бактериальных PLD и вирусных белков . Каждый из них, по-видимому , обладает дупликацией домена , которая очевидна по наличию двух мотивов HKD, содержащих хорошо сохранившиеся остатки гистидина , лизина и аспарагина , которые могут способствовать образованию аспарагиновой кислоты активного центра . Эндонуклеаза Escherichia coli (nuc) и подобные белки, по-видимому, являются гомологами PLD, но обладают только одним из этих мотивов. [21] [22] [23] [24]
Гены PLD дополнительно кодируют высококонсервативные регуляторные домены : консенсусную последовательность phox (PX) , домен гомологии плекстрина (PH) и сайт связывания для фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата (PIP 2 ). [4]
PLD- катализируемый гидролиз , как предполагается, происходит в два этапа по механизму « пинг-понг ». В этой схеме остатки гистидина каждого мотива HKD последовательно атакуют фосфолипидный субстрат . Действуя как нуклеофилы , составляющие имидазольные фрагменты гистидинов образуют временные ковалентные связи с фосфолипидом , производя короткоживущий промежуточный продукт , который может быть легко гидролизован водой на последующем этапе . [6] [14]
Презентация субстрата Для млекопитающих PLD2 молекулярной основой активации является презентация субстрата. Фермент находится в неактивном состоянии в липидных микродоменах, богатых сфингомиелином и обедненных субстратом PC. [25] Увеличение PIP2 или уменьшение холестерина заставляет фермент перемещаться в микродомены PIP2 вблизи его субстрата PC. Следовательно, PLD может в первую очередь активироваться локализацией внутри плазматической мембраны, а не конформационным изменением белка. Разрушение липидных доменов анестетиками. [26] или механической силой. [25] Белок также может претерпевать конформационные изменения при связывании PIP2, но это не было показано экспериментально и будет представлять собой механизм активации, отличный от презентации субстрата.
В клетках млекопитающих были идентифицированы две основные изоформы фосфолипазы D : PLD1 и PLD2 (53% гомологии последовательностей ), [27] каждая из которых кодируется различными генами . [7] Активность PLD, по-видимому, присутствует в большинстве типов клеток , за возможным исключением периферических лейкоцитов и других лимфоцитов . [12] Обе изоформы PLD требуют PIP 2 в качестве кофактора для активности . [7] PLD1 и PLD2 демонстрируют различные субклеточные локализации , которые динамически изменяются в ходе передачи сигнала . Активность PLD наблюдалась в плазматической мембране , цитозоле , ЭР и комплексе Гольджи . [12]
PLD1 — это белок массой 120 кДа, который в основном находится на внутренних мембранах клеток. Он в основном присутствует в комплексе Гольджи , эндосомах , лизосомах и секреторных гранулах . [7] При связывании внеклеточного стимула PLD1 транспортируется к плазматической мембране . Однако базальная активность PLD1 низкая, и для передачи внеклеточного сигнала он должен быть сначала активирован такими белками, как Arf , Rho , Rac и протеинкиназа C. [ 7] [8] [13 ]
Активность фосфолипазы D широко регулируется гормонами , нейротрансмиттерами , липидами , небольшими мономерными ГТФазами и другими малыми молекулами, которые связываются с соответствующими им доменами фермента. [6] В большинстве случаев передача сигнала опосредуется посредством продукции фосфатидной кислоты , которая функционирует как вторичный мессенджер . [6 ]
Определенные фосфолипиды являются регуляторами активности PLD в растительных и животных клетках. [3] [6] Большинству PLD требуется фосфатидилинозитол 4,5-бисфосфат (PIP 2 ) в качестве кофактора для активности. [4] [6] PIP 2 и другие фосфоинозитиды являются важными модификаторами динамики цитоскелета и мембранного транспорта и могут транспортировать PLD к его субстрату PC. [28] PLD, регулируемые этими фосфолипидами, обычно участвуют во внутриклеточной передаче сигнала . [6] Их активность зависит от связывания этих фосфоинозитидов вблизи активного центра . [6] У растений и животных этот центр связывания характеризуется наличием консервативной последовательности основных и ароматических аминокислот . [6] [14] В таких растениях, как Arabidopsis thaliana , эта последовательность образована мотивом RxxxxxKxR вместе с его инвертированным повтором , где R — аргинин , а K — лизин . Его близость к активному центру обеспечивает высокий уровень активности PLD1 и PLD2 и способствует перемещению PLD1 к целевым мембранам в ответ на внеклеточные сигналы. [6]
Кальций действует как кофактор в изоформах PLD , содержащих домен C2 . Связывание Ca2 + с доменом C2 приводит к конформационным изменениям фермента, которые усиливают связывание фермента с субстратом , ослабляя при этом связь с фосфоинозитидами . В некоторых растительных изоферментах , таких как PLDβ, Ca2 + может связываться непосредственно с активным сайтом , косвенно увеличивая его сродство к субстрату за счет усиления связывания активатора PIP2 . [ 6 ]
Предполагается, что консенсусная последовательность pbox ( PX) опосредует связывание дополнительных фосфатидилинозитолфосфатов, в частности, фосфатидилинозитол5-фосфата (PtdIns5P), липида, который, как считается, необходим для эндоцитоза , и может способствовать реинтернализации PLD1 из плазматической мембраны . [3]
Высококонсервативный домен гомологии Плекстрина (PH) представляет собой структурный домен длиной около 120 аминокислот . Он связывает фосфатидилинозитолы , такие как фосфатидилинозитол (3,4,5)-трифосфат (PIP 3 ) и фосфатидилинозитол (4,5)-бисфосфат (PIP 2 ). Он также может связывать гетеротримерные G-белки через их βγ-субъединицу . Также считается, что связывание с этим доменом облегчает реинтернализацию белка за счет увеличения его сродства к эндоцитотическим липидным плотам . [3]
В клетках животных малые белковые факторы являются важными дополнительными регуляторами активности PLD. Эти малые мономерные ГТФазы являются членами семейств Rho и ARF суперсемейства Ras . Некоторые из этих белков, такие как Rac1 , Cdc42 и RhoA , аллостерически активируют PLD1 млекопитающих , напрямую увеличивая его активность. В частности, транслокация цитозольного фактора АДФ-рибозилирования (ARF) в плазматическую мембрану имеет важное значение для активации PLD. [3] [6]
Фосфолипаза D метаболизирует этанол в фосфатидилэтанол (PEtOH) в процессе, называемом трансфосфатидилированием. С помощью генетики мух было показано, что PEtOH опосредует гиперактивную реакцию на алкоголь у плодовых мушек. [29] И было показано, что трансфосфатидилирование этанола повышается у алкоголиков и членов их семей. [30] Этот механизм трансфосфатидилирования этанола недавно появился как альтернативная теория влияния алкоголя на ионные каналы. Многие ионные каналы регулируются анионными липидами. [31] и считается, что конкуренция PEtOH с эндогенными сигнальными липидами опосредует влияние этанола на ионные каналы в некоторых случаях, а не прямое связывание свободного этанола с каналом. [29]
PLD2 является механосенсором и напрямую чувствителен к механическому разрушению кластерных липидов GM1. [5] Механическое разрушение (сдвиг жидкости) затем подает сигнал клетке дифференцироваться. PLD2 также активирует каналы TREK-1, калиевый канал в анальгетическом пути. [32]
PLD2 находится выше Piezo2 и ингибирует канал. [33] Piezo2 является возбуждающим каналом, поэтому PLD ингибирует возбуждающий канал и активирует TREK-1, который является ингибирующим каналом. Каналы объединяются, чтобы снизить возбудимость нейронов.
Фосфолипаза D является регулятором нескольких критических клеточных процессов, включая транспорт везикул , эндоцитоз , экзоцитоз , миграцию клеток и митоз . [8] Нарушение регуляции этих процессов является обычным явлением в канцерогенезе , [8] и, в свою очередь, аномалии в экспрессии PLD были вовлечены в прогрессирование нескольких типов рака . [4] [7] Драйверная мутация, обеспечивающая повышенную активность PLD2, наблюдалась при нескольких злокачественных опухолях молочной железы . [7] Повышенная экспрессия PLD также коррелировала с размером опухоли при колоректальной карциноме , карциноме желудка и раке почки . [7] [8] Однако молекулярные пути , через которые PLD управляет прогрессированием рака, остаются неясными. [7] Одна из потенциальных гипотез отводит фосфолипазе D решающую роль в активации mTOR , супрессора апоптоза раковых клеток . [7] Способность PLD подавлять апоптоз в клетках с повышенной активностью тирозинкиназы делает его кандидатом на роль онкогена в раковых заболеваниях , где такая экспрессия типична. [8]
Фосфолипаза D также может играть важную патофизиологическую роль в прогрессировании нейродегенеративных заболеваний , в первую очередь за счет своей способности выступать в качестве передатчика сигналов в незаменимых клеточных процессах, таких как реорганизация цитоскелета и транспортировка везикул . [27] Было показано, что нарушение регуляции PLD белком α-синуклеином приводит к специфической потере дофаминергических нейронов у млекопитающих . α-синуклеин является основным структурным компонентом телец Леви , белковых агрегатов , которые являются отличительными признаками болезни Паркинсона . [7] Растормаживание PLD α-синуклеином может способствовать пагубному фенотипу болезни Паркинсона . [7]
Аномальная активность PLD также подозревается при болезни Альцгеймера , где было обнаружено ее взаимодействие с пресенилином 1 (PS-1), основным компонентом комплекса γ-секретазы, ответственного за ферментативное расщепление белка -предшественника амилоида (APP). Внеклеточные бляшки продукта β-амилоида являются определяющей чертой мозга , пораженного болезнью Альцгеймера . [7] Было показано, что действие PLD1 на PS-1 влияет на внутриклеточный трафик предшественника амилоида в этот комплекс . [7] [27] Фосфолипаза D3 (PLD3), неклассический и плохо охарактеризованный член суперсемейства PLD , также была связана с патогенезом этого заболевания. [34]