Папаиноподобная протеаза
![]() Папаин , однофамилец семьи, из Carica papaya. | |
Идентификаторы | |
---|---|
Символ | Пептидаза_CA |
Пфам Клан | CL0125 |
ЭКОД | 219.1.1 |
МЕРОПС | ЧТО |
Папаин-подобные протеазы (или папаин-подобные (цистеиновые) пептидазы ; сокращенно PLP или PLCP ) представляют собой большое белковое семейство цистеиновых протеаз ферментов , которые имеют общие структурные и ферментативные свойства с одноименным членом группы, папаином . Они встречаются во всех сферах жизни . У животных эта группа часто известна как цистеиновые катепсины или, в более старой литературе, лизосомальные пептидазы . [ 1 ] В системе классификации ферментов протеаз MEROPS папаин-подобные протеазы образуют Clan CA. [ 2 ] Папаин-подобные протеазы имеют общий каталитической диады активный центр , содержащий цистеина аминокислотный остаток , который действует как нуклеофил . [ 1 ]
Геном человека кодирует одиннадцать цистеиновых катепсинов, которые обладают широким спектром физиологических функций. [ 3 ] У некоторых паразитов папаин-подобные протеазы играют роль во инвазии хозяина , например, крузипаин из Trypanosoma cruzi . [ 1 ] У растений они участвуют в защите хозяина и развитии. [ 4 ] Исследования папаин-подобных протеаз прокариот отстают от их эукариотических аналогов. [ 1 ] В клеточных организмах они синтезируются в виде препроферментов , которые не проявляют ферментативной активности до созревания, а их активность жестко регулируется, часто за счет присутствия эндогенных ингибиторов протеаз, таких как цистатины . [ 3 ] Во многих РНК-вирусах , включая важные человеческие патогены, такие как коронавирусы SARS-CoV и SARS-CoV-2 , белковые домены папаин-подобных протеаз часто играют роль в процессинге полипротеинов в зрелые вирусные неструктурные белки . [ 5 ] [ 6 ] Многие папаин-подобные протеазы считаются потенциальными мишенями для лекарств . [ 3 ] [ 7 ]
Классификация
[ редактировать ]Система классификации ферментов протеаз MEROPS определяет клан CA как содержащий папаин-подобные протеазы. Считается, что они имеют общее эволюционное происхождение. По состоянию на 2021 год в клане насчитывалось 45 семей. [ 2 ] [ 8 ]
Структура
[ редактировать ]
Структура папаина была одной из первых белковых структур, экспериментально определенных с помощью рентгеновской кристаллографии . [ 3 ] [ 10 ] [ 9 ] Многие ферменты папаин-подобных протеаз функционируют как мономеры , хотя некоторые из них, такие как катепсин C (дипептидилпептидаза I), являются гомотетрамерами . Структура зрелого мономера обычно разделена на две доли или субдомены, известные как L-домен ( N-конец ) и R-домен ( С-конец ), где активный сайт . между ними расположен [ 1 ] L-домен преимущественно спиральный, тогда как R-домен содержит бета-листы в форме бета-бочки , окруженные спиралью. [ 3 ] Ферментный субстрат взаимодействует с обоими доменами в вытянутой конформации. [ 1 ] [ 3 ]
Папаин-подобные протеазы часто синтезируются в виде препроферментов или ферментативно неактивных предшественников. Сигнальный пептид на N-конце , который служит сигналом субклеточной локализации , расщепляется сигнальной пептидазой с образованием зимогена . посттрансляционная модификация в виде N-связанного гликозилирования . Параллельно происходит и [ 3 ] Зимоген все еще неактивен из-за присутствия пропептида , который действует как ингибитор, блокирующий доступ к активному центру. Пропептид удаляется путем протеолиза с образованием зрелого фермента. [ 1 ] [ 3 ] [ 11 ]
Каталитический механизм
[ редактировать ]Папаин-подобные протеазы имеют каталитическую диаду, состоящую из остатка цистеина и гистидина , которые образуют ионную пару через свои заряженные тиолатные и имидазолиевые боковые цепи. Отрицательно заряженный тиолат цистеина действует как нуклеофил . [ 1 ] [ 2 ] Дополнительные соседние остатки — аспартат , аспарагин или глутамин — позиционируют каталитические остатки; [ 1 ] [ 2 ] в папаине необходимые каталитические остатки цистеин, гистидин и аспартат иногда называют каталитической триадой (аналогично сериновым протеазам ). [ 11 ] Папаин-подобные протеазы обычно являются эндопептидазами , но некоторые члены группы также или даже исключительно являются экзопептидазами . [ 1 ] Некоторые вирусные папаин-подобные протеазы, в том числе коронавирусы , также могут расщеплять изопептидные связи и функционировать как деубиквитиназы . [ 5 ]
Функция
[ редактировать ]Эукариоты
[ редактировать ]Млекопитающие
[ редактировать ]У животных, особенно в биологии млекопитающих, члены семейства папаин-подобных протеаз обычно называются цистеиновыми катепсинами, то есть цистеиновых членами группы протеаз, известных как катепсины (которая включает цистеиновые, сериновые и аспарагиновые протеазы ). . имеется 11 цистеиновых катепсинов: B , C , F , H , K , L , O , S , V , X и W. У человека Большинство катепсинов экспрессируются по всему телу, но некоторые имеют более узкое распределение в тканях . [ 1 ] [ 3 ]

Хотя исторически они известны как лизосомальные протеазы и изучаются главным образом из-за их роли в катаболизме белков , с тех пор было идентифицировано, что цистеиновые катепсины играют важную роль в ряде физиологических процессов и болезненных состояний. В рамках нормальных физиологических процессов они участвуют в ключевых этапах антигена в рамках адаптивной иммунной системы , ремоделировании внеклеточного матрикса , дифференцировке кератиноцитов презентации и процессинге пептидных гормонов . [ 1 ] [ 3 ] Цистеиновые катепсины связаны с раком и прогрессированием опухолей , сердечно-сосудистыми заболеваниями , аутоиммунными заболеваниями и другими состояниями здоровья человека. [ 11 ] [ 13 ] [ 14 ] Катепсин К играет роль в резорбции костей и был изучен в качестве мишени для лечения остеопороза . [ 15 ]
Паразиты
[ редактировать ]Ряд паразитов , в том числе гельминты (паразитические черви), используют папаин-подобные протеазы в качестве механизмов инвазии в своих хозяев . Примеры включают Toxoplasma gondii и Giardia lamblia . У многих плоских червей очень высокий уровень экспрессии цистеиновых катепсинов; у печеночного сосальщика Fasciola hepatica дупликация генов привела к образованию более 20 паралогов катепсин -L -подобного фермента. [ 1 ] Цистеиновые катепсины также являются частью нормального жизненного цикла одноклеточного паразита Leishmania , где они действуют как факторы вирулентности . [ 16 ] Фермент и потенциальная мишень препарата крузипаин важны для жизненного цикла паразита Trypanosoma cruzi , вызывающего болезнь Шагаса . [ 17 ]
Растения
[ редактировать ]
Члены семейства папаин-подобных протеаз играют ряд важных ролей в развитии растений , включая прорастание семян , старение листьев и реакцию на абиотический стресс . Папаин-подобные протеазы участвуют в регуляции запрограммированной гибели клеток у растений, например, в тапетуме во время развития пыльцы . Они также важны для иммунитета растений, обеспечивая защиту от вредителей и патогенов . [ 4 ] Взаимосвязь между растительными папаин-подобными протеазами и реакцией на патогены, такие как цистатина ингибиторы , описывается как эволюционная гонка вооружений . [ 19 ]
Некоторые представители семейства PLP в растениях имеют кулинарное и коммерческое применение. Одноименный член семейства, папаин , представляет собой протеазу, полученную из папайи , используемую в качестве размягчителя мяса . [ 20 ] Подобные, но менее широко используемые растительные продукты включают бромелайн из ананаса и фицин из инжира . [ 1 ] [ 20 ]
Прокариоты
[ редактировать ]Хотя папаин-подобные протеазы встречаются во всех сферах жизни они изучены хуже, , у прокариот чем у эукариот . [ 1 ] Лишь немногие прокариотические ферменты PLP были охарактеризованы с помощью рентгеновской кристаллографии или ферментативных исследований, в основном из патогенных бактерий, включая стрептопаин из Streptococcus pyogenes ; ксилеллаин из возбудителя растений Xylella fastidiosa ; [ 21 ] Cwp84 Clostridium difficile ; [ 22 ] и Lpg2622 из Legionella pneumophila . [ 23 ]
Вирусы
[ редактировать ]
Семейство папаин-подобных протеаз включает ряд белковых доменов , которые встречаются в крупных полипротеинах, экспрессируемых РНК-вирусами . [ 2 ] Среди наиболее изученных вирусных PLP — нидовирусные папаин-подобные протеазные домены нидовирусов особенно , коронавирусов . Эти PLP ответственны за несколько событий расщепления, которые перерабатывают большой полипротеин в вирусные неструктурные белки , хотя они выполняют меньше расщеплений, чем 3C-подобная протеаза (также известная как основная протеаза). [ 5 ] PLP коронавируса представляют собой многофункциональные ферменты, которые также могут действовать как деубиквитиназы (расщепляющие изопептидную связь с убиквитином ) и «деИСГилирующие ферменты» с аналогичной активностью против убиквитиноподобного белка ISG15 . [ 5 ] [ 6 ] В патогенах человека, включая SARS-CoV , MERS-CoV и SARS-CoV-2 , домен PLP необходим для репликации вируса и поэтому считается мишенью для разработки противовирусных препаратов . [ 6 ] [ 7 ] Один из таких экспериментальных противовирусных препаратов, Jun12682 , изучается как потенциальное средство лечения COVID-19, и считается, что он действует путем ингибирования папаин-подобной протеазы SARS-CoV-2 (PLpro). [ 25 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот Новинец М., Ленарчич Б. (июнь 2013 г.). «Папаин-подобные пептидазы: структура, функции и эволюция» . Биомолекулярные концепции . 4 (3): 287–308. дои : 10.1515/bmc-2012-0054 . ПМИД 25436581 . S2CID 2112616 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и «Сводка по клану СА» . МЕРОПС . Проверено 20 декабря 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж Турк В., Стока В., Васильева О., Ренко М., Сан Т., Турк Б. и др. (январь 2012 г.). «Цистеиновые катепсины: от структуры, функции и регуляции к новым горизонтам» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Белки и протеомика . 1824 (1): 68–88. дои : 10.1016/j.bbapap.2011.10.002 . ПМК 7105208 . ПМИД 22024571 .
- ^ Перейти обратно: а б Лю Х, Ху М, Ван Ц, Ченг Л, Чжан Цз (4 декабря 2018 г.). «Роль папаин-подобных цистеиновых протеаз в развитии растений» . Границы в науке о растениях . 9 : 1717. doi : 10.3389/fpls.2018.01717 . ПМК 6288466 . ПМИД 30564252 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Милех А.М., Чен Ю, Месекар А.Д., Бейкер СК (декабрь 2014 г.). «Папаин-подобные протеазы нидовируса: многофункциональные ферменты с протеазной, деубиквитинирующей и деисгилирующей активностью» . Вирусные исследования . 194 : 184–190. doi : 10.1016/j.virusres.2014.01.025 . ПМК 4125544 . ПМИД 24512893 .
- ^ Перейти обратно: а б с Хартениан Э., Нандакумар Д., Лари А., Ли М., Такер Дж.М., Глаунсингер Б.А. (сентябрь 2020 г.). «Молекулярная вирусология коронавирусов» . Журнал биологической химии . 295 (37): 12910–12934. дои : 10.1074/jbc.REV120.013930 . ПМЦ 7489918 . ПМИД 32661197 .
- ^ Перейти обратно: а б Клемм Т., Эберт Г., Каллея Д.Д., Эллисон К.С., Ричардсон Л.В., Бернардини Дж.П. и др. (сентябрь 2020 г.). «Механизм и ингибирование папаинподобной протеазы PLpro SARS-CoV-2» . Журнал ЭМБО . 39 (18): e106275. дои : 10.15252/embj.2020106275 . ПМК 7461020 . ПМИД 32845033 . S2CID 221328909 .
- ^ Роулингс Н.Д., Барретт А.Дж., Томас П.Д., Хуан Х, Бейтман А., Финн Р.Д. (январь 2018 г.). «База данных протеолитических ферментов MEROPS, их субстратов и ингибиторов в 2017 году и сравнение с пептидазами в базе данных PANTHER» . Исследования нуклеиновых кислот . 46 (Д1): Д624–Д632. дои : 10.1093/нар/gkx1134 . ПМЦ 5753285 . ПМИД 29145643 .
- ^ Перейти обратно: а б Камфуис И.Г., Калк К.Х., Сварте М.Б., Дрент Дж. (октябрь 1984 г.). «Структура папаина уточнена при разрешении 1,65 А». Журнал молекулярной биологии . 179 (2): 233–256. дои : 10.1016/0022-2836(84)90467-4 . ПМИД 6502713 .
- ^ Дрент Дж., Янсониус Дж. Н., Кукук Р., Свен Х. М., Уолтерс Б. Г. (июнь 1968 г.). «Структура папаина». Природа . 218 (5145): 929–932. Бибкод : 1968Natur.218..929D . дои : 10.1038/218929a0 . ПМИД 5681232 . S2CID 4169127 .
- ^ Перейти обратно: а б с Лёзер Р., Питч Дж. (23 июня 2015 г.). «Цистеиновые катепсины: их роль в прогрессировании опухоли и последние тенденции в разработке датчиков визуализации» . Границы в химии . 3 : 37. Бибкод : 2015FrCh....3...37L . дои : 10.3389/fchem.2015.00037 . ПМЦ 4477214 . ПМИД 26157794 .
- ^ Лоу С., Андро П.М., Агуда А.Х., Нгуен Н.Т., Кругляк Н., Брайер Г.Д. и др. (февраль 2017 г.). «Идентификация структурных элементов катепсина К мыши, которые регулируют эффективность оданакатиба» . Биохимический журнал . 474 (5): 851–864. дои : 10.1042/BCJ20160985 . ПМИД 28049758 .
- ^ Видак Э, Яворшек У, Визовишек М, Турк Б (март 2019 г.). «Цистеиновые катепсины и их внеклеточные роли: формирование микроокружения» . Клетки . 8 (3): 264. doi : 10.3390/cells8030264 . ПМК 6468544 . ПМИД 30897858 .
- ^ Якош Т., Пишлар А., Джеветт А., Кос Дж. (28 августа 2019 г.). «Цистеиновые катепсины в опухолеассоциированных иммунных клетках» . Границы в иммунологии . 10 : 2037. дои : 10.3389/fimmu.2019.02037 . ПМК 6724555 . ПМИД 31555270 .
- ^ Дрейк М.Т., Кларк Б.Л., Оурслер М.Дж., Хосла С. (август 2017 г.). «Ингибиторы катепсина К при остеопорозе: биология, потенциальная клиническая польза и извлеченные уроки» . Эндокринные обзоры . 38 (4): 325–350. дои : 10.1210/er.2015-1114 . ПМЦ 5546879 . ПМИД 28651365 .
- ^ Моттрам Дж.К., Кумбс Г.Х., Александр Дж. (август 2004 г.). «Цистеиновые пептидазы как факторы вирулентности лейшмании». Современное мнение в микробиологии . 7 (4): 375–381. дои : 10.1016/j.mib.2004.06.010 . ПМИД 15358255 .
- ^ Бранкинья М.Х., Оливейра С.С., Сангенито Л.С., Содре К.Л., Кнейпп Л.Ф., д'Авила-Леви К.М. и др. (2015). «Крузипаин: обновленная информация о его потенциале в качестве мишени химиотерапии против человеческого патогена Trypanosoma cruzi». Современная медицинская химия . 22 (18): 2225–2235. дои : 10.2174/0929867322666150521091652 . ПМИД 25994861 .
- ^ Чу М.Х., Лю К.Л., Ву ХИ, Йе К.В., Ченг Ю.С. (август 2011 г.). «Кристаллическая структура комплекса тароцистатин-папаин: значение ингибирующих свойств фитоцистатинов группы 2» . Планта . 234 (2): 243–254. Бибкод : 2011Plant.234..243C . дои : 10.1007/s00425-011-1398-8 . ПМК 3144364 . ПМИД 21416241 .
- ^ Мисас-Вилламиль Х.К., ван дер Хорн Р.А., Дёлеманн Г. (декабрь 2016 г.). «Папаиноподобные цистеиновые протеазы как центральные узлы иммунитета растений» . Новый фитолог . 212 (4): 902–907. дои : 10.1111/nph.14117 . ПМИД 27488095 .
- ^ Перейти обратно: а б Фернандес-Лукас Х., Кастаньеда Д., Ормиго Д. (октябрь 2017 г.). «Новые тенденции для классического фермента: папаин, история биотехнологического успеха в пищевой промышленности». Тенденции в пищевой науке и технологиях . 68 : 91–101. дои : 10.1016/j.tifs.2017.08.017 . hdl : 11323/1609 .
- ^ Лейте Н.Р., Фаро А.Р., Дотта М.А., Фаим Л.М., Джанотти А., Сильва Ф.Х. и др. (февраль 2013 г.). «Кристаллическая структура цистеиновой протеазы Xylellain из Xylella fastidiosa обнаруживает интригующий механизм активации» . Письма ФЭБС . 587 (4): 339–344. дои : 10.1016/j.febslet.2013.01.009 . ПМИД 23333295 . S2CID 1367730 .
- ^ Брэдшоу В.Дж., Кирби Дж.М., Тиягараджан Н., Чемберс С.Дж., Дэвис А.Х., Робертс А.К. и др. (июль 2014 г.). «Структура цистеиновой протеазы и лектиноподобных доменов Cwp84, белка, связанного с поверхностным слоем Clostridium difficile» . Акта Кристаллографика. Раздел D. Биологическая кристаллография . 70 (Часть 7): 1983–1993. Бибкод : 2014AcCrD..70.1983B . дои : 10.1107/S1399004714009997 . ПМК 4089489 . ПМИД 25004975 .
- ^ Гонг X, Чжао X, Чжан В, Ван Дж, Чен X, Хамид М.Ф. и др. (август 2018 г.). «Структурная характеристика гипотетического белка Lpg2622, нового члена пептидаз семейства C1 Legionella pneumophila» . Письма ФЭБС . 592 (16): 2798–2810. дои : 10.1002/1873-3468.13210 . ПМИД 30071124 . S2CID 51906615 .
- ^ Осипюк Дж., Азизи С.А., Дворкин С., Эндрес М., Еджейчак Р., Джонс К.А. и др. (февраль 2021 г.). «Структура папаинподобной протеазы SARS-CoV-2 и ее комплексов с нековалентными ингибиторами» . Природные коммуникации . 12 (1): 743. Бибкод : 2021NatCo..12..743O . дои : 10.1038/s41467-021-21060-3 . ПМЦ 7854729 . ПМИД 33531496 .
- ^ Тан Б., Чжан Х, Ансари А, Джадхав П., Тан Х., Ли К. и др. (март 2024 г.). «Разработка ингибитора папаинподобной протеазы SARS-CoV-2 с противовирусной эффективностью на мышиной модели» . Наука . 383 (6690): 1434–1440. дои : 10.1126/science.adm9724 . ПМЦ 10705561 . ПМИД 38547259 .