Аргинилирование
Аргинилирование представляет собой посттрансляционную модификацию, при которой белки модифицируются путем добавления аргинина (Arg) к N-концевой аминогруппе или боковым цепям реактивных аминокислот с помощью фермента аргинилтрансферазы (ATE1) . Недавние исследования также показали, что сотни белков in vivo аргинилированы, и это белки, которые необходимы для многих биологических путей. Хотя фермент ATE1 все еще плохо изучен в биологических условиях, он высоко консервативен, что позволяет предположить, что аргинилирование является важной биологической посттрансляционной модификацией.
Примеры идентифицированных мишеней ATE1 включают орнитиндекарбоксилазу . [ 1 ] тиреоглобулин , [ 2 ] инсулин , [ 3 ] и нейротензин . [ 4 ]
Открытие
[ редактировать ]В 1963 году группа исследователей заметила, что специфические радиоактивные аминокислоты включаются в белки, полученные из экстрактов клеток и тканей, не содержащих рибосом. [ 5 ] Это включение аминокислот в клетки, лишенные рибосом, впервые наблюдалось у прокариот с использованием лейцина (Leu) и фенилаланина (Phe) , а затем было обнаружено в экстрактах печени млекопитающих с использованием аргинина . Включение других аминокислот в клетки, лишенные рибосом, не дало аналогичных результатов, что позволяет предположить, что этот механизм был специфичен для лейцина и фенилаланина у бактерий и аргинина у млекопитающих . [ 6 ] Одним из наиболее интересных аспектов аргинилирования является то, что аминокислоты, используемые для аргинилирования, переносятся с аминоацил-тРНК на целевой белок без использования каких-либо других компонентов трансляции. Этот способ посттрансляционной модификации белков не встречается при добавлении каких-либо других аминокислот к белкам, например, при гликилировании . [ 7 ] глутамилирование , [ 8 ] и тирозинирование [ 9 ] [ 10 ] делая аргинилирование поистине уникальным.
После открытия этой модификации и ее механизма были проведены дальнейшие исследования для выявления фермента или ферментов, которые способствуют этой модификации. После идентификации фермента, ответственного за эту модификацию, у обоих растений [ 11 ] и волосяные фолликулы морской свинки, [ 12 ] он был клонирован и охарактеризован в дрожжах и получил название ATE1. [ 13 ] благодаря своей способности. Более поздние исследования также выявили различные гены, кодирующие ферменты ATE1 у многих видов, что привело к выводу, что ATE1 присутствует у всех эукариот. [ 11 ] [ 13 ] [ 14 ]
Целевые сайты
[ редактировать ]N-конец
[ редактировать ]
После идентификации ранних мишеней аргинилирования с помощью ATE1 (in vitro и in vivo) возникла закономерность. Эта закономерность показала, что ATE1 проявляет высокое сродство к белкам и пептидам, содержащим кислые аминокислоты аспарагин или глутамин , которые находятся на N-концевой стороне белка или пептида. Дальнейшие исследования с помощью высокоточной масс-спектрометрии выявили сотни аргинилированных белков из разных клеток и тканей. [ 15 ] [ 16 ] Некоторые из этих белков также демонстрировали аргинилирование на концах N-цепи, но содержали остатки, отличные от аспарагина или глутамина. [ 5 ] Таким образом, исследования аргинилирования все еще находятся на вводных стадиях, и необходимо провести дальнейшие исследования специфичности аргинилирования.
Однако предположение о том, что аргинилирование происходит только на N-конце, сильно ограничивает количество белков, которые могут быть аргинилированы. Это связано с тем, что если бы предположение о том, что аргинилирование происходит только на N-конце, было верным, то аргинилирование никогда не могло бы происходить на интактных белках из-за белковых последовательностей, начинающихся с метионина на N-конце, а не с метионина. предпочтительный аспарагин или глутамин. Это предположение вскоре оказалось ложным, когда был обнаружен белок с аргинилированным остатком в середине его последовательности.
Средняя цепь
[ редактировать ]Хотя первоначально считалось, что аргинилирование N-конца является единственным местом воздействия ферментов ATE1, недавно было обнаружено, что аргинилирование может также происходить в середине пептидной цепи белка. Первое открытие этой беспрецедентной модификации произошло, когда из клеток был выделен нейротензин, биологический пептид, обнаруженный в центральной нервной системе , и было обнаружено, что аргинин присоединен к остатку глутамина в средней цепи. [ 4 ] Это открытие изменило взгляд на то, как происходит аргинилирование, поскольку это означало, что могут существовать способы модификации и аргинилирования интактных белков.
Чтобы определить распространенность аргинилирования средней цепи, был проведен масс-спектрометрический скрининг различных пептидов. Результаты этого эксперимента выявили множество различных белков, содержащих модифицированные остатки аспарагина и глутамина, присутствующие в середине их пептидной цепи, а дальнейшие исследования показали, что ATE1 также может опосредовать эту реакцию. Действительно, это открытие изменило биологические рамки аргинилирования, предположив, что аргинилирование может также происходить на полностью интактных белках, а не только на N-конце белковых фрагментов или предварительно обработанных белках. [ 5 ]
Последствия
[ редактировать ]В 1986 году было сформулировано правило N-конца , согласно которому идентичность аминокислоты на N-конце аминокислотной последовательности белка определяет период полураспада белка. Чтобы определить влияние аргинилирования на период полураспада белков, было проведено несколько исследований с использованием модифицированных дрожжевых белков. Эти исследования показали, что когда белки были сконструированы таким образом, чтобы они включали аргинилированные N-концы, модифицированные белки были метаболически нестабильными. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] Кроме того, было также обнаружено, что убиквитинирование и деградация белка становятся более вероятными, когда белок аргинилируется. [ 20 ] Данные, полученные в результате этих экспериментов, ясно показывают, что аргинилирование in vivo приводит к деградации белков с остатками аспарагина и глутамина на N-концах.
Однако также было проведено несколько недавних исследований, которые показали, что деградация белка может не быть преобладающей функцией аргинилирования, но что эта модификация также может быть важна для правильного функционирования некоторых белков. Например, когда аргинилирование происходит в белках бета-амилоида , белки принимают правильную форму альфа-спирали , а также предотвращаются от неправильного сворачивания и агрегации. [ 21 ] Еще одним белком, который получает пользу от аргинилирования, является кальретикулин, поскольку при модификации его роль во время стресса эндоплазматического ретикулума облегчается, а не полностью удаляется из клеток. [ 22 ] [ 23 ] Поскольку были идентифицированы и изучены как эффекты деградации, так и облегчения аргинилирования, становится ясно, что аргинилирование играет важную роль в регуляции белков внутри клеток.
Регулирование
[ редактировать ]Поскольку аргинилирование и его регуляция in vivo являются менее изученной посттрансляционной модификацией, все еще остаются в значительной степени эзотерическими. Экспрессия ATE1 может значительно различаться в разных тканях, но его уровни в этих тканях достигают пика в середине развития. [ 24 ] но начинают снижаться по мере старения организма. [ 5 ] [ 25 ] Также было замечено, что различные физиологические соединения и лекарства способны влиять на включение аргинина in vivo, но предполагается, что это происходит неспецифическим образом. [ 26 ] Таким образом, было высказано предположение, что ингибиторы и активаторы, которые регулируют активность ATE1 и, следовательно, аргинилирование, могут существовать in vivo.
Способность аргинилирования делать белки метаболически нестабильными, наблюдаемая у дрожжей, делает белки, модифицированные таким образом, привлекательной мишенью для удаления. Одним из хорошо изученных регуляторов аргинилирования является убиквитин-зависимая деградация белков, которая быстро разлагает и удаляет вредные белки. Этот важный регулятор аргинилирования способствует специфичности этой посттрансляционной модификации и эффективно удаляет белки, которые не должны были аргинилироваться in vivo. [ 27 ]
Наконец, недоказанный, но очень привлекательный механизм регуляции аргинилирования in vivo предполагает использование ферментов деаргинилирования, которые могут быть способны удалять аргинин, добавленный к белкам посттрансляционно. Такие ферменты, как аминопептидаза B и карбоксипептидаза B, способны удалять аргинин с N-конца белка и с карбоксильных групп боковой цепи соответственно, но не воздействуют специфически на аргинилированные участки. Предполагается, что предлагаемые ферменты деаргинилирования действуют так же, как ранее упомянутые ферменты аминопептидаза B и карбоксипептидаза B, но будут отличаться тем фактом, что они специфически нацелены на аргинилированные белковые субстраты. Хотя эти ферменты еще не открыты, поиск и открытие этих ферментов представляет собой захватывающий путь для дальнейших исследований.
Пути, регулируемые
[ редактировать ]Первоначально списанный как несущественный процесс из-за нокаута ATE1 у дрожжей, более поздние исследования показали, что аргинилирование играет значительную роль в нескольких биологических процессах. Нокаут ATE1 у мышей и дрозофилы привел к эмбриональной гибели обоих видов. Дальнейшие исследования с использованием мышиной модели для наблюдения за эффектами нокаута ATE1 в развитии организма показали, что потеря гена приводит к аномальному сердечному и черепно-лицевому морфогенезу, нарушению ангиогенеза и способности клеток подвергаться мейозу . В постнатальном периоде нокаут ATE1 приводил к потере веса, бесплодию и умственной отсталости. Кроме того, наблюдение за эффектами делеции ATE1 в Arabidopsis thaliana , модельном растительном организме, выявило дефектное развитие побегов и листьев, аномальное прорастание семян и замедленное старение листьев. Таким образом, дисфункции, возникающие в результате нокаута фермента ATE1, позволяют предположить, что аргинилирование необходимо для многих физиологических путей внутри эукариот.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Копиц Дж., Рист Б., Боли П. (апрель 1990 г.). «Посттрансляционное аргинилирование орнитиндекарбоксилазы из гепатоцитов крысы» . Биохимический журнал . 267 (2): 343–348. дои : 10.1042/bj2670343 . ПМЦ 1131293 . ПМИД 2334397 .
- ^ Соффер Р.Л. (март 1971 г.). «Ферментативная модификация белков. 4. Аргинилирование бычьего тиреоглобулина» . Журнал биологической химии . 246 (5): 1481–1484. дои : 10.1016/s0021-9258(19)76997-x . ПМИД 5101774 .
- ^ Чжан Н., Доннелли Р., Инголья Н.А. (ноябрь 1998 г.). «Доказательства того, что окисленные белки являются субстратами N-концевого аргинилирования». Нейрохимические исследования . 23 (11): 1411–1420. дои : 10.1023/А:1020706924509 . ПМИД 9814552 . S2CID 12726457 .
- ^ Перейти обратно: а б Эрист Э., Норберг А., Непомучено Д., Куэй С., Камме Ф., Тран Д.Т. и др. (октябрь 2005 г.). «Новая форма нейротензина, посттрансляционно модифицированная аргинилированием» . Журнал биологической химии . 280 (42): 35089–35097. дои : 10.1074/jbc.m502567200 . ПМИД 16087676 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Кашина А.С. (2015). «Аргинилирование белка: более 50 лет открытий». Аргинилирование белков . Методы молекулярной биологии. Том. 1337. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Спрингер Нью-Йорк. стр. 1–11. дои : 10.1007/978-1-4939-2935-1_1 . ISBN 978-1-4939-2934-4 . ПМИД 26285874 .
- ^ Кашина А (сентябрь 2014 г.). «Аргинилирование белка, глобальный биологический регулятор, нацеленный на актиновый цитоскелет и мышцы» . Анатомическая запись . 297 (9): 1630–1636. дои : 10.1002/ar.22969 . ПМЦ 4135399 . ПМИД 25125176 .
- ^ Редекер В., Левилье Н., Шмиттер Дж. М., Ле Каер Ж. П., Россье Дж., Адутте А., Бре М. Х. (декабрь 1994 г.). «Полиглицилирование тубулина: посттрансляционная модификация в аксонемных микротрубочках». Наука . 266 (5191): 1688–1691. Бибкод : 1994Sci...266.1688R . дои : 10.1126/science.7992051 . ПМИД 7992051 .
- ^ Канн М.Л., Соус С., Левилье Н., Фуке Ж.П. (май 2003 г.). «Глутамилированный тубулин: разнообразие экспрессии и распространение изоформ». Подвижность клеток и цитоскелет . 55 (1): 14–25. дои : 10.1002/см.10107 . ПМИД 12673595 .
- ^ Арсе Калифорния, Родригес Х.А., Барра Х.С., Капуто Р. (ноябрь 1975 г.). «Включение L-тирозина, L-фенилаланина и L-3,4-дигидроксифенилаланина в виде отдельных единиц в тубулин мозга крысы» . Европейский журнал биохимии . 59 (1): 145–149. дои : 10.1111/j.1432-1033.1975.tb02435.x . ПМИД 1204603 .
- ^ Халлак М.Е., Родригес Х.А., Барра Х.С., Капутто Р. (февраль 1977 г.). «Высвобождение тирозина из тирозинированного тубулина. Некоторые общие факторы, влияющие на этот процесс и сборку тубулина» . Письма ФЭБС . 73 (2): 147–150. дои : 10.1016/0014-5793(77)80968-x . ПМИД 838053 . S2CID 43053598 .
- ^ Перейти обратно: а б Манахан, Колорадо, приложение AA (июль 1973 г.). «Протеинтрансфераза аргинил-переносящей рибонуклеиновой кислоты из зародышей злаков» . Физиология растений . 52 (1): 13–16. дои : 10.1104/стр.52.1.13 . ПМК 366429 . ПМИД 16658490 .
- ^ Лок Р.А., Хардинг Х.В., Роджерс Дж.Е. (ноябрь 1976 г.). «Активность аргининтрансферазы в гомогенатах волосяных фолликулов морских свинок» . Журнал исследовательской дерматологии . 67 (5): 582–586. дои : 10.1111/1523-1747.ep12541685 . ПМИД 977987 .
- ^ Перейти обратно: а б Бальзи Э., Чодер М., Чен В.Н., Варшавский А., Гоффо А. (май 1990 г.). «Клонирование и функциональный анализ гена аргинил-тРНК-протеинтрансферазы ATE1 Saccharomyces cerevisiae» (PDF) . Журнал биологической химии . 265 (13): 7464–7471. дои : 10.1016/s0021-9258(19)39136-7 . ПМИД 2185248 .
- ^ Рай Р., Кашина А (июль 2005 г.). «Идентификация аргинилтрансфераз млекопитающих, которые модифицируют определенное подмножество белковых субстратов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 102 (29): 10123–10128. Бибкод : 2005PNAS..10210123R . дои : 10.1073/pnas.0504500102 . ПМЦ 1173364 . ПМИД 16002466 .
- ^ Вонг CC, Сюй Т, Рай Р., Бэйли А.О., Йейтс Дж.Р., Вольф Ю.И. и др. (октябрь 2007 г.). «Глобальный анализ посттрансляционного аргинилирования белков» . ПЛОС Биология . 5 (10). Публичная научная библиотека: e258. doi : 10.1371/journal.pbio.0050258 . OCLC 679480183 . ЧВК 1988855 . ПМИД 17896865 .
- ^ Сюй Т, Вонг CC, Кашина А, Йейтс-младший (19 февраля 2009 г.). «Идентификация N-концево аргинилированных белков и пептидов методом масс-спектрометрии» . Протоколы природы . 4 (3): 325–332. дои : 10.1038/nprot.2008.248 . ПМЦ 2683362 . ПМИД 19229197 .
- ^ Бахмайр А., Финли Д., Варшавский А. (октябрь 1986 г.). «Период полураспада белка in vivo зависит от его аминоконцевого остатка». Наука . 234 (4773): 179–186. Бибкод : 1986Sci...234..179B . дои : 10.1126/science.3018930 . ПМИД 3018930 .
- ^ Гонда Д.К., Бахмайр А., Вюннинг И., Тобиас Дж.В., Лейн В.С., Варшавский А. (1989). «Универсальность и структура правила N-конца» (PDF) . Журнал биологической химии . 264 (28): 16700–16712. дои : 10.1016/s0021-9258(19)84762-2 . ПМИД 2506181 .
- ^ Варшавский А (01.01.1995). «Правило N-конца». Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии . 60 : 461–478. дои : 10.1101/SQB.1995.060.01.051 . ПМИД 8824420 .
- ^ Элиас С., Чехановер А (сентябрь 1990 г.). «Посттрансляционное добавление аргининового фрагмента к кислым NH2-концам белков необходимо для их распознавания убиквитин-белковой лигазой» . Журнал биологической химии . 265 (26): 15511–15517. дои : 10.1016/s0021-9258(18)55426-0 . ПМИД 2168415 .
- ^ Бонджованни Дж., Фиделио Г.Д., Барра Х.С., Халлак М.Е. (декабрь 1995 г.). «Посттрансляционное включение аргинина в бета-амилоидный пептид увеличивает вероятность образования альфа-спирали». НейроОтчёт . 7 (1): 326–328. дои : 10.1097/00001756-199512290-00078 . ПМИД 8742481 .
- ^ Карпио М.А., Декка М.Б., Лопес Сэмбрукс С., Дюран Э.С., Монтич Г.Г., Халлак М.Е. (июль 2013 г.). «Димеризация кальретикулина, индуцированная посттрансляционным аргинилированием, имеет решающее значение для формирования каркаса стрессовых гранул». Международный журнал биохимии и клеточной биологии . 45 (7): 1223–1235. дои : 10.1016/j.biocel.2013.03.017 . hdl : 11336/25858 . ПМИД 23567256 .
- ^ Лопес Самбрукс С., Карпио М.А., Халлак М.Э. (июнь 2012 г.). «Аргинилированный кальретикулин на плазматической мембране увеличивает восприимчивость клеток к апоптозу» . Журнал биологической химии . 287 (26): 22043–22054. дои : 10.1074/jbc.m111.338335 . ПМЦ 3381163 . ПМИД 22577148 .
- ^ Квон Ю.Т., Кашина А.С., Варшавский А. (январь 1999 г.). «Альтернативный сплайсинг приводит к дифференциальной экспрессии, активности и локализации двух форм аргинил-тРНК-протеинтрансферазы, компонента пути правила N-конца» . Молекулярная и клеточная биология . 19 (1): 182–193. дои : 10.1128/mcb.19.1.182 . ПМК 83877 . ПМИД 9858543 .
- ^ Ламон К.Д., Кадзи Х (1980). «Активность аргинил-тРНК трансферазы как маркер клеточного старения в периферических тканях крыс». Экспериментальная геронтология . 15 (1): 53–64. дои : 10.1016/0531-5565(80)90023-6 . ПМИД 7409020 . S2CID 5109536 .
- ^ Саха С, Кашина А (октябрь 2011 г.). «Посттрансляционное аргинилирование как глобальный биологический регулятор» . Биология развития . 358 (1): 1–8. дои : 10.1016/j.ydbio.2011.06.043 . ПМК 3171647 . ПМИД 21784066 .
- ^ Чжан Ф., Саха С., Кашина А. (июнь 2012 г.). «Зависимая от аргинилирования регуляция протеолитического продукта талина необходима для межклеточной адгезии» . Журнал клеточной биологии . 197 (6): 819–836. дои : 10.1083/jcb.201112129 . ПМК 3373405 . ПМИД 22665520 .