Растворимая аденилатциклаза
Растворимая аденилатциклаза (sAC) представляет собой регуляторный цитозольный фермент, присутствующий почти в каждой клетке. sAC является источником циклического аденозин-3',5'-монофосфата (цАМФ) – вторичного мессенджера, который опосредует рост и дифференцировку клеток в организмах от бактерий до высших эукариот. sAC отличается от трансмембранной аденилатциклазы (tmACs) – важного источника цАМФ; в том, что sAC регулируется бикарбонатными анионами и рассредоточен по цитоплазме клетки. Было обнаружено, что sAC выполняет различные функции в физиологических системах, отличные от функций tmAC. [ 1 ]
Геномный контекст и резюме
[ редактировать ]
sAC кодируется одним геном Homo sapiens, идентифицированным как ADCY10 или аденилатциклаза 10 (растворимая). Этот ген упаковал 33 экзона размером более 100 т.п.н.; хотя, похоже, он использует несколько промоутеров, [ 2 ] [ 3 ] и его мРНК подвергается обширному альтернативному сплайсингу. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]
Структура
[ редактировать ]Функциональный sAC млекопитающих состоит из двух гетерологичных каталитических доменов (C1 и C2), образующих аминоконец белка массой 50 кДа. [ 6 ] [ 7 ] Дополнительный С-конец фермента размером ~140 кДа включает аутоингибирующую область, [ 8 ] каноническая P-петля, потенциальный гем-связывающий домен, [ 9 ] и последовательность, похожая на лейциновую молнию, [ 10 ] которые представляют собой форму предполагаемых регуляторных доменов.
Усеченная форма фермента включает только домены C1 и C2 и называется минимально функциональным вариантом sAC. [ 5 ] [ 10 ] Эта укороченная форма sAC обладает цАМФ-образующей активностью намного выше, чем ее полноразмерный тип. Эти варианты sAC стимулируются HCO3- и реагируют на все известные селективные ингибиторы sAC. [ 6 ] Кристаллические структуры этого варианта sAC, включающие только каталитическое ядро, в апо-форме и в комплексе с различными аналогами субстрата, продуктами и регуляторами, демонстрируют общую архитектуру AC класса III со специфичными для sAC особенностями. [ 11 ] Структурно родственные домены C1 и C2 образуют типичный псевдогетеродимер с одним активным центром. [ 6 ] Псевдосимметричный сайт содержит специфичный для sAC активатор HCO3-, который активируется, запуская перегруппировку Arg176, остатка, соединяющего оба сайта. Анионный ингибитор sAC 4,4’-диизотиоцианатостилбен-2,2’-дисульфоновая кислота (DIDS) действует как блокатор входа в активный центр и карман связывания бикарбоната. [ 11 ]
Активация бикарбонатом (HCO − 3 ) и кальций (Ca 2+ )
[ редактировать ]Связывание и циклизация аденозин-5'-трифосфата (АТФ) с каталитически активным центром фермента координируется двумя катионами металлов. Каталитическая активность рАЦ повышается в присутствии марганца [Mn 2+ ]. sAC магния [Mg 2+ ] активность регулируется кальцием [Ca 2+ ], который увеличивает сродство к АТФ рАС млекопитающих. Кроме того, бикарбонат [HCO − 3 ] высвобождает АТФ-Mg 2+ ингибирование субстрата и увеличивает V max фермента. [ 12 ]
Состояние открытой конформации sAC достигается, когда АТФ с Ca 2+ связанный с его γ-фосфатом, связывается со специфическими остатками в каталитическом центре фермента. Когда второй металл – Mg 2+ ион – связывается с α-фосфатом АТФ, что приводит к конформационному изменению фермента: закрытому состоянию . Изменение конформации из открытого состояния в закрытое вызывает этерификацию α-фосфата рибозой в аденозине и высвобождение β- и γ-фосфатов, что приводит к циклизации. [ 7 ] фермента Гидрокарбонат стимулирует V max , способствуя аллостерическим изменениям, которые приводят к закрытию активного центра и привлечению каталитического Mg. 2+ ион и перенастройка фосфатов в связанном АТФ. [ 13 ] Бикарбонат активатора связывается с сайтом, псевдосимметричным по отношению к активному сайту, и запускает конформационные изменения, рекрутируя Arg176 из активного сайта (см. выше – «структура»). [ 11 ] Кальций увеличивает сродство к субстрату, заменяя магний в участке иона B, который обеспечивает точку закрепления бета- и гамма-фосфатов субстрата АТФ. [ 11 ] [ 13 ]
Источники бикарбоната (HCO − 3 ) и кальций (Ca 2+ )
[ редактировать ]- бикарбонат, полученный в результате гидратации, зависимой от карбоангидразы (СА).
- СО 2 Метаболизм
- Проникает через мембранно-транспортирующие белки или регуляторы трансмембранной проводимости муковисцидоза .
- Кальций поступает через потенциал-зависимый Ca 2+ каналов или путем высвобождения из эндоплазматического ретикулума .
- Гидрокарбонат и кальций активируют sAC в ядре.
- sAC внутри митохондрий активируется метаболически генерируемым CO 2 посредством карбоангидразы.
Физиологические эффекты
[ редактировать ]Мозг и нервная система
[ редактировать ]Астроциты экспрессируют несколько вариантов сплайсинга sAC, [ 14 ] которые участвуют в метаболической связи между нейронами и астроцитами . Увеличение калия [K + ] во внеклеточное пространство, вызванное активностью нейронов, деполяризует клеточную мембрану близлежащих астроцитов и облегчает поступление гидрокарбоната через Na + /HCO − 3 – котранспортеры. [ 7 ] Увеличение цитозольного гидрокарбоната активирует sAC; Результатом этой активации является высвобождение лактата в качестве источника энергии для использования нейронами .
Кость
[ редактировать ]Многочисленные варианты сплайсинга sAC присутствуют в остеокластах и остеобластах. [ 3 ] а мутация в гене sAC человека связана с низкой плотностью позвоночника. [ 15 ] Кальцификация остеобластами неразрывно связана с бикарбонатом и кальцием. Эксперименты по плотности костей черепа мыши [ 16 ] культивирование указывает на то, что HCO − 3- чувствительный sAC является физиологически подходящим регулятором костеобразования и/или реабсорбции.
Сперма
[ редактировать ]sAC бикарбонатом необходима для подвижности и других аспектов капацитации сперматозоидов Активация млекопитающих. [ 17 ] [ 18 ] У мужчин мутации в гене ADCY10 , приводящие к инактивации sAC, связаны со случаями бесплодия. [ 19 ] Из-за этой важной роли в мужской фертильности sAC был исследован в качестве потенциальной мишени для негормональной мужской контрацепции . [ 20 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Россетти Т., Джеквони С., Бак Дж., Левин Л.Р. (апрель 2021 г.). «Измерение бикарбоната, диоксида углерода и pH с помощью растворимой аденилатциклазы млекопитающих, регулируемой бикарбонатом» . Фокус на интерфейсе . 11 (2): 20200034. doi : 10.1098/rsfs.2020.0034 . ПМЦ 7898154 . ПМИД 33633833 .
- ^ Перейти обратно: а б Фаррелл Дж., Рамос Л., Тресгеррес М., Каменецкий М., Левин Л.Р., Бак Дж. (сентябрь 2008 г.). «Соматические «растворимые» изоформы аденилатциклазы не затрагиваются у «нокаутных» мышей Sacy tm1Lex/Sacy tm1Lex» . ПЛОС ОДИН . 3 (9): е3251. Бибкод : 2008PLoSO...3.3251F . дои : 10.1371/journal.pone.0003251 . ПМЦ 2532759 . ПМИД 18806876 .
- ^ Перейти обратно: а б с Гэн В., Ван З., Чжан Дж., Рид Б.И., Пак С.И., Мо О.В. (июнь 2005 г.). «Клонирование и характеристика растворимой аденилатциклазы человека». Американский журнал физиологии. Клеточная физиология . 288 (6): C1305–C1316. doi : 10.1152/ajpcell.00584.2004 . ПМИД 15659711 . S2CID 1638649 .
- ^ Шмид А., Сутто З., Нленд М.К., Хорват Г., Шмид Н., Бак Дж. и др. (июль 2007 г.). «Растворимая аденилатциклаза локализуется в ресничках и способствует регуляции частоты сокращений ресничек посредством продукции цАМФ» . Журнал общей физиологии . 130 (1): 99–109. дои : 10.1085/jgp.200709784 . ПМК 2154360 . ПМИД 17591988 .
- ^ Перейти обратно: а б Джайсвал Б.С., Конти М. (август 2001 г.). «Идентификация и функциональный анализ сплайсинговых вариантов растворимой аденилатциклазы зародышевых клеток» . Журнал биологической химии . 276 (34): 31698–31708. дои : 10.1074/jbc.m011698200 . ПМИД 11423534 .
- ^ Перейти обратно: а б с Стигборн С. (декабрь 2014 г.). «Структура, механизм и регуляция растворимых аденилатциклаз - сходства и различия с трансмембранными аденилатциклазами» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Молекулярные основы болезней . 1842 (12 Пт Б): 2535–2547. дои : 10.1016/j.bbadis.2014.08.012 . ПМИД 25193033 .
- ^ Перейти обратно: а б с Тресгеррес М., Левин Л.Р., Бак Дж. (июнь 2011 г.). «Внутриклеточная передача сигналов цАМФ с помощью растворимой аденилатциклазы» . Почки Интернешнл . 79 (12): 1277–1288. дои : 10.1038/ki.2011.95 . ПМК 3105178 . ПМИД 21490586 .
- ^ Чалупка Дж.А., Баллок С.А., Юргенко В., Левин Л.Р., Бак Дж. (март 2006 г.). «Аутоингибирующая регуляция растворимой аденилатциклазы» . Молекулярное воспроизводство и развитие . 73 (3): 361–368. дои : 10.1002/mrd.20409 . ПМЦ 3644951 . ПМИД 16250004 .
- ^ Миддельхауфе С., Лейпельт М., Левин Л.Р., Бак Дж., Стигборн С. (октябрь 2012 г.). «Идентификация гем-домена в растворимой аденилатциклазе человека» . Отчеты по биологическим наукам . 32 (5): 491–499. дои : 10.1042/BSR20120051 . ПМЦ 3475452 . ПМИД 22775536 .
- ^ Перейти обратно: а б Бак Дж., Синклер М.Л., Шапал Л., Канн М.Дж., Левин Л.Р. (январь 1999 г.). «Цитозольная аденилатциклаза определяет уникальную сигнальную молекулу у млекопитающих» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 96 (1): 79–84. Бибкод : 1999ПНАС...96...79Б . дои : 10.1073/pnas.96.1.79 . ПМК 15096 . ПМИД 9874775 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Кляйнбоелтинг С., Диас А., Мониот С., ван ден Хеувел Дж., Вейанд М., Левин Л.Р. и др. (март 2014 г.). «Кристаллические структуры растворимой аденилатциклазы человека раскрывают механизмы катализа и ее активации посредством бикарбоната» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (10): 3727–3732. Бибкод : 2014PNAS..111.3727K . дои : 10.1073/pnas.1322778111 . ПМЦ 3956179 . ПМИД 24567411 .
- ^ Литвин Т.Н., Каменецкий М., Зарифян А., Бак Дж., Левин Л.Р. (май 2003 г.). «Кинетические свойства «растворимой» аденилатциклазы. Синергизм кальция и бикарбоната» . Журнал биологической химии . 278 (18): 15922–15926. дои : 10.1074/jbc.m212475200 . ПМИД 12609998 .
- ^ Перейти обратно: а б Стигборн С., Литвин Т.Н., Левин Л.Р., Бак Дж., Ву Х. (январь 2005 г.). «Бикарбонатная активация аденилатциклазы посредством содействия закрытию каталитического активного центра и привлечению металлов» . Структурная и молекулярная биология природы . 12 (1): 32–37. дои : 10.1038/nsmb880 . ПМЦ 3644947 . ПМИД 15619637 .
- ^ Чой Х.Б., Гордон Г.Р., Чжоу Н., Тай С., Рунгта Р.Л., Мартинес Дж. и др. (сентябрь 2012 г.). «Метаболическая связь между астроцитами и нейронами посредством бикарбонат-чувствительной растворимой аденилатциклазы» . Нейрон . 75 (6): 1094–1104. дои : 10.1016/j.neuron.2012.08.032 . ПМК 3630998 . ПМИД 22998876 .
- ^ Рид БАЙ, Гитомер В.Л., Хеллер Х.Дж., Сюй М.К., Лемке М., Падалино П., Пак С.Ю. (апрель 2002 г.). «Идентификация и характеристика гена с заменами оснований, связанным с фенотипом абсорбционной гиперкальциурии и низкой плотностью костей позвоночника» . Журнал клинической эндокринологии и метаболизма . 87 (4): 1476–1485. дои : 10.1210/jcem.87.4.8300 . ПМИД 11932268 .
- ^ Гэн В., Хилл К., Зервех Дж.Э., Колер Т., Мюллер Р., Мо О.В. (август 2009 г.). «Ингибирование образования и функции остеокластов бикарбонатом: роль растворимой аденилатциклазы» . Журнал клеточной физиологии . 220 (2): 332–340. дои : 10.1002/jcp.21767 . ПМК 3044925 . ПМИД 19360717 .
- ^ Се Ф., Гарсия М.А., Карлсон А.Е., Шух С.М., Бэбкок Д.Ф., Джайсвал Б.С. и др. (август 2006 г.). «Растворимая аденилатциклаза (sAC) необходима для функционирования сперматозоидов и оплодотворения». Биология развития . 296 (2): 353–362. дои : 10.1016/j.ydbio.2006.05.038 . ПМИД 16842770 .
- ^ Веннемут Дж., Карлсон А.Э., Харпер А.Дж., Бэбкок Д.Ф. (апрель 2003 г.). «Действие бикарбоната на реакцию жгутиковых и Ca2+-каналов: начальные события активации сперматозоидов» . Разработка . 130 (7): 1317–1326. дои : 10.1242/dev.00353 . PMID 12588848 .
- ^ Акбари, Арванд; Пипитоне, Иоанн Креститель; Анвар, Захра; Джафариния, Моджтаба; Феррари, Маурицио; Каррера, Паола; Тотончи, Мехди (4 июня 2019 г.). «Вариант со сдвигом рамки ADCY10, приводящий к тяжелой рецессивной астенозооспермии и сегрегации с абсорбционной гиперкальциурией». Репродукция человека . 34 (6): 1155–1164. дои : 10.1093/humrep/dez048 . ПМИД 31119281 .
- ^ Бальбах, Мелани; Россетти, Томас; Феррейра, Джейкоб; Ганем, Лубна; Ритальяти, Карла; Майерс, Роберт В.; Хаггинс, Дэвид Дж.; Стигборн, Клеменс; Миранда, Илеана С.; Мейнке, Питер Т.; Бак, Йохен; Левин, Лонни Р. (14 февраля 2023 г.). «Мужская контрацепция по требованию посредством острого ингибирования растворимой аденилатциклазы» . Природные коммуникации . 14 (1): 637. Бибкод : 2023NatCo..14..637B . дои : 10.1038/s41467-023-36119-6 . ПМЦ 9929232 . ПМИД 36788210 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Тресгеррес М., Левин Л.Р., Бак Дж. (июнь 2011 г.). «Внутриклеточная передача сигналов цАМФ с помощью растворимой аденилатциклазы» . Почки Интернешнл . 79 (12): 1277–1288. дои : 10.1038/ki.2011.95 . ПМК 3105178 . ПМИД 21490586 .
- Чен Ю, Канн М.Дж., Литвин Т.Н., Юргенко В., Синклер М.Л., Левин Л.Р., Бак Дж. (июль 2000 г.). «Растворимая аденилатциклаза как эволюционно консервативный сенсор бикарбоната». Наука . 289 (5479): 625–628. Бибкод : 2000Sci...289..625C . дои : 10.1126/science.289.5479.625 . ПМИД 10915626 .
- Стигборн С. (декабрь 2014 г.). «Структура, механизм и регуляция растворимых аденилатциклаз - сходства и различия с трансмембранными аденилатциклазами» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Молекулярные основы болезней . 1842 (12 Пт Б): 2535–2547. дои : 10.1016/j.bbadis.2014.08.012 . ПМИД 25193033 .