Глутамат-цистеиновая лигаза
Глутамат-цистеиновая лигаза | |||
---|---|---|---|
Идентификаторы | |||
Номер ЕС. | 6.3.2.2 | ||
Номер CAS. | 9023-64-7 | ||
Базы данных | |||
ИнтЭнк | вид IntEnz | ||
БРЕНДА | БРЕНДА запись | ||
Экспаси | Просмотр NiceZyme | ||
КЕГГ | КЕГГ запись | ||
МетаЦик | метаболический путь | ||
ПРЯМОЙ | профиль | ||
PDB Структуры | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||
Генная онтология | АмиГО / QuickGO | ||
|
Глутамат-цистеинлигаза (GCL) EC 6.3.2.2 ), ранее известная как γ-глутамилцистеинсинтетаза (GCS), является первым ферментом пути биосинтеза клеточного глутатиона (GSH), который катализирует химическую реакцию :
L -глутамат + L -цистеин + АТФ γ-глутамилцистеин + АДФ + P i
GSH и, как следствие, GCL имеют решающее значение для выживания клеток. Почти каждая эукариотическая клетка, от растений до дрожжей и человека, экспрессирует ту или иную форму белка GCL с целью синтеза GSH. Чтобы еще больше подчеркнуть критическую природу этого фермента, генетический нокдаун GCL приводит к эмбриональной летальности. [1] Кроме того, известно, что нарушение регуляции ферментативной функции и активности GCL участвует в подавляющем большинстве заболеваний человека, таких как диабет, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, ХОБЛ, ВИЧ/СПИД и рак. [2] [3] Обычно это связано с нарушением функции, приводящим к снижению биосинтеза GSH, снижению антиоксидантной способности клеток и индукции окислительного стресса. Однако при раке экспрессия и активность GCL усиливаются, что способствует как поддержанию высокого уровня пролиферации клеток, так и приданию устойчивости ко многим химиотерапевтическим агентам. [4]
Функция
[ редактировать ]Глутаматцистеинлигаза (GCL) катализирует первый и лимитирующий этап производства клеточного антиоксиданта глутатиона (GSH), включающий АТФ-зависимую конденсацию цистеина и глутамата с образованием дипептида гамма-глутамилцистеина (γ-GC). [5] Это пептидное соединение уникально тем, что оно происходит между аминогруппой цистеина и концевой карбоновой кислотой боковой цепи глутамата (отсюда и название гамма-глутамилцистеин). [6] Эта пептидная связь устойчива к расщеплению клеточными пептидазами и требует специального фермента гамма-глутамилтранспептидазы (γGT) для метаболизма γ-GC и GSH до составляющих его аминокислот. [7]
Ферментативная активность GCL обычно определяет клеточные уровни GSH и биосинтетическую способность GSH. На ферментативную активность GCL влияют многочисленные факторы, включая клеточную экспрессию белков субъединицы GCL, доступ к субстратам (цистеин обычно ограничивает выработку γ-GC), степень ингибирования отрицательной обратной связи с помощью GSH и функционально значимую посттрансляционную активность. модификации конкретных сайтов субъединиц GCL. [8] [9] [10] Учитывая его статус фермента, ограничивающего скорость биосинтеза GSH, изменения активности GCL напрямую соответствуют изменениям биосинтетической способности клеток GSH. [11] Следовательно, терапевтические стратегии по изменению выработки GSH сосредоточены на этом ферменте. [12]
Регулирование
[ редактировать ]Учитывая свою решающую важность для поддержания жизни, GCL подлежит многоуровневой регуляции своей экспрессии, функций и активности. Экспрессия GCL регулируется на транскрипционном (транскрипция ДНК GCLC и GCLM с образованием мРНК), посттранскрипционном (стабильность мРНК с течением времени), трансляционном (процессинг мРНК в белок) и посттрансляционном уровнях (включая модификации существующих белки). [13] [14] [15] [16] Хотя базовая конститутивная экспрессия необходима для поддержания жизнеспособности клеток, экспрессия субъединиц GCL также индуцируется в ответ на окислительный стресс , истощение GSH и воздействие токсичных химических веществ, при этом транскрипционные факторы Nrf2 , AP-1 и NF-κB регулируют индуцибельная и конститутивная экспрессия обеих субъединиц [17] [18]
Что касается функциональной регуляции ферментов, GSH сам по себе действует как ингибитор активности GCL по принципу обратной связи. При нормальных физиологических концентрациях субстрата только мономер GCLC может синтезировать гамма-глутамилцистеин; однако нормальные физиологические уровни GSH (около 5 мМ) намного превышают GSH K i для GCLC, [19] предполагая, что только голофермент GCL функционален в исходных условиях. Однако во время окислительного стресса или токсических поражений, которые могут привести к истощению клеточного GSH или его окислению до дисульфида глутатиона (GSSG), функция любого мономерного GCLC в клетке, вероятно, станет весьма важной. В подтверждение этой гипотезы мыши, у которых отсутствует экспрессия субъединицы GCLM из-за генетического нокдауна, демонстрируют низкие уровни тканевого GSH (~ 10–20% от нормального уровня), что примерно соответствует уровню GSH K i для мономерного GCLC. [20] [21]
Структура
[ редактировать ]Животная глутамат-цистеиновая лигаза
[ редактировать ]Глутаматцистеинлигаза животных (GCL) представляет собой гетеродимерный фермент, состоящий из двух белковых субъединиц, которые кодируются независимыми генами, расположенными на отдельных хромосомах:
- Каталитическая субъединица глутаматцистеинлигазы ( GCLC , ~73 кДа) обладает всеми сайтами связывания субстрата и кофактора и отвечает за весь катализ.
- Субъединица-модификатор глутаматцистеинлигазы ( GCLM , ~31 кДа) сама по себе не обладает ферментативной активностью, но увеличивает каталитическую эффективность GCLC при образовании комплекса с голоферментом.
В большинстве клеток и тканей экспрессия белка GCLM ниже, чем GCLC, и поэтому GCLM ограничивает образование голоферментного комплекса. Таким образом, сумма активности клеточного ГКЛ равна активности холофермента + активности оставшегося мономерного ГКЛ. Состоит из каталитической и модуляторной субъединиц. Каталитическая субъединица необходима и достаточна для всей ферментативной активности GCL, тогда как модуляторная субъединица увеличивает каталитическую эффективность фермента. Мыши, лишенные каталитической субъединицы (т.е. лишенные всего синтеза GSH de novo ), умирают до рождения. [22] Мыши, лишенные модуляторной субъединицы, не демонстрируют явного фенотипа, но демонстрируют заметное снижение уровня GSH и повышенную чувствительность к токсическим воздействиям. [23] [24] [25]
Растительная глутаматцистеинлигаза
[ редактировать ]Растительная глутаматцистеинлигаза представляет собой окислительно-восстановительно-чувствительный гомодимерный фермент , консервативный в царстве растений. [26] В окислительной среде образуются межмолекулярные дисульфидные мостики и фермент переходит в димерное активное состояние. Потенциал средней точки критической пары цистеина составляет -318 мВ. В дополнение к окислительно-восстановительному контролю, растительный фермент GCL ингибируется по принципу обратной связи глутатионом. [27] GCL локализован исключительно в пластидах , а глутатионсинтетаза (GS) имеет двойное воздействие на пластиды и цитозоль, таким образом, GSH и гамма-глутамилцистеин экспортируются из пластид. [28] Исследования также показали, что ограничение активности GCL цитозолем или биосинтеза глутатиона пластидами достаточно для нормального развития растений и устойчивости к стрессу. [29] Оба фермента биосинтеза глутатиона необходимы растениям; нокауты GCL и GS летальны для эмбриона и проростка соответственно. [30]
По состоянию на конец 2007 года шесть структур для этого класса ферментов было решено PDB с кодами доступа 1V4G , 1VA6 , 2D32 , 2D33 , 2GWC и 2GWD .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Далтон Т.П. и др. (2004). «Генетически измененные мыши для оценки гомеостаза глутатиона в норме и болезнях». Свободный Радик Биол Мед . 37 (10): 1511–26. doi : 10.1016/j.freeradbiomed.2004.06.040 . ПМИД 15477003 .
- ^ Лу СК (2009). «Регуляция синтеза глутатиона» . Мол Аспект Мед . 30 (1–2): 42–59. дои : 10.1016/j.mam.2008.05.005 . ПМК 2704241 . ПМИД 18601945 .
- ^ Франклин CC и др. (2009). «Структура, функции и посттрансляционная регуляция каталитических и модифицирующих субъединиц глутаматцистеинлигазы» . Мол Аспект Мед . 30 (1–2): 86–98. дои : 10.1016/j.mam.2008.08.009 . ПМЦ 2714364 . ПМИД 18812186 .
- ^ Бакос Д.С. и др. (2012). «Роль глутатиона в устойчивости опухолей головного мозга к лекарствам». Биохим Фармакол . 83 (8): 1005–12. дои : 10.1016/j.bcp.2011.11.016 . ПМИД 22138445 .
- ^ Франклин CC и др. (2009). «Структура, функции и посттрансляционная регуляция каталитических и модифицирующих субъединиц глутаматцистеинлигазы» . Мол Аспект Мед . 30 (1–2): 86–98. дои : 10.1016/j.mam.2008.08.009 . ПМЦ 2714364 . ПМИД 18812186 .
- ^ Ньолссон Р., Норгрен С. (2005). «Физиологические и патологические аспекты метаболизма GSH». Акта педиатр . 94 (2): 132–137. дои : 10.1080/08035250410025285 . ПМИД 15981742 .
- ^ Лу СК (2009). «Регуляция синтеза глутатиона» . Мол Аспект Мед . 30 (1–2): 42–59. дои : 10.1016/j.mam.2008.05.005 . ПМК 2704241 . ПМИД 18601945 .
- ^ Бакос Д.С. и др. (2010). «Манипулирование способностью биосинтеза клеточного GSH посредством ТАТ-опосредованной белковой трансдукции дикого типа или доминантно-негативного мутанта глутаматцистеинлигазы изменяет чувствительность клеток к индуцированной оксидантами цитотоксичности» . Токсикол Appl Pharmacol . 243 (1): 35–45. дои : 10.1016/j.taap.2009.11.010 . ПМК 2819613 . ПМИД 19914271 .
- ^ Бакос Д.С. и др. (2011). «Посттрансляционная модификация и регуляция глутамат-цистеиновой лигазы с помощью α,β-ненасыщенного альдегида 4-гидрокси-2-ноненаля» . Свободный Радик Биол Мед . 50 (1): 14–26. doi : 10.1016/j.freeradbiomed.2010.10.694 . ПМК 3014730 . ПМИД 20970495 .
- ^ Бакос Д.С. и др. (2013). «Гликирование глутаматцистеинлигазы 2-дезокси-d-рибозой и его потенциальное влияние на химиорезистентность при глиобластоме». Нейрохим Рез . 38 (9): 1838–49. дои : 10.1007/s11064-013-1090-4 . ПМИД 23743623 . S2CID 7738579 .
- ^ Франклин CC и др. (2009). «Структура, функции и посттрансляционная регуляция каталитических и модифицирующих субъединиц глутаматцистеинлигазы» . Мол Аспект Мед . 30 (1–2): 86–98. дои : 10.1016/j.mam.2008.08.009 . ПМЦ 2714364 . ПМИД 18812186 .
- ^ Гриффит О.В., Мейстер А. (1979). «Мощное и специфическое ингибирование синтеза глутатиона бутионинсульфоксимином (Sn-бутилгомоцистеинсульфоксимином)» . J Биол Хим . 254 (16): 7558–60. дои : 10.1016/S0021-9258(18)35980-5 . ПМИД 38242 .
- ^ Лу СК (2009). «Регуляция синтеза глутатиона» . Мол Аспект Мед . 30 (1–2): 42–59. дои : 10.1016/j.mam.2008.05.005 . ПМК 2704241 . ПМИД 18601945 .
- ^ Франклин CC и др. (2009). «Структура, функции и посттрансляционная регуляция каталитических и модифицирующих субъединиц глутаматцистеинлигазы» . Мол Аспект Мед . 30 (1–2): 86–98. дои : 10.1016/j.mam.2008.08.009 . ПМЦ 2714364 . ПМИД 18812186 .
- ^ Бакос Д.С. и др. (2011). «Посттрансляционная модификация и регуляция глутамат-цистеиновой лигазы с помощью α,β-ненасыщенного альдегида 4-гидрокси-2-ноненаля» . Свободный Радик Биол Мед . 50 (1): 14–26. doi : 10.1016/j.freeradbiomed.2010.10.694 . ПМК 3014730 . ПМИД 20970495 .
- ^ Бакос Д.С. и др. (2013). «Гликирование глутаматцистеинлигазы 2-дезокси-d-рибозой и его потенциальное влияние на химиорезистентность при глиобластоме». Нейрохим Рез . 38 (9): 1838–49. дои : 10.1007/s11064-013-1090-4 . ПМИД 23743623 . S2CID 7738579 .
- ^ Лу СК (2009). «Регуляция синтеза глутатиона» . Мол Аспект Мед . 30 (1–2): 42–59. дои : 10.1016/j.mam.2008.05.005 . ПМК 2704241 . ПМИД 18601945 .
- ^ Франклин CC и др. (2009). «Структура, функции и посттрансляционная регуляция каталитических и модифицирующих субъединиц глутаматцистеинлигазы» . Мол Аспект Мед . 30 (1–2): 86–98. дои : 10.1016/j.mam.2008.08.009 . ПМЦ 2714364 . ПМИД 18812186 .
- ^ Бакос Д.С. и др. (2013). «Гликирование глутаматцистеинлигазы 2-дезокси-d-рибозой и его потенциальное влияние на химиорезистентность при глиобластоме». Нейрохим Рез . 38 (9): 1838–49. дои : 10.1007/s11064-013-1090-4 . ПМИД 23743623 . S2CID 7738579 .
- ^ МакКонначи Л.А., Мохар I и др. (2007). «Дефицит субъединицы модификатора глутаматцистеинлигазы и пол как детерминанты гепатотоксичности, вызванной ацетаминофеном, у мышей» . Токсикологические науки . 99 (2): 628–636. дои : 10.1093/toxsci/kfm165 . ПМИД 17584759 .
- ^ Бакос Д.С. и др. (2013). «Гликирование глутаматцистеинлигазы 2-дезокси-d-рибозой и его потенциальное влияние на химиорезистентность при глиобластоме». Нейрохим Рез . 38 (9): 1838–49. дои : 10.1007/s11064-013-1090-4 . ПМИД 23743623 . S2CID 7738579 .
- ^ Далтон Т.П., Дитер М.З., Ян Й., Шерцер Х.Г., Неберт Д.В. (декабрь 2000 г.). «Нокаут гена каталитической субъединицы глутаматцистеинлигазы мыши (Gclc): эмбриональная летальность в гомозиготном состоянии и предлагаемая модель умеренного дефицита глутатиона в гетерозиготном состоянии». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 279 (2): 324–9. дои : 10.1006/bbrc.2000.3930 . ПМИД 11118286 .
- ^ Ян Ю, Дитер М.З., Чен Ю, Шерцер Х.Г., Неберт Д.В., Далтон Т.П. (декабрь 2002 г.). «Первоначальная характеристика нокаутной субъединицы модификатора глутамат-цистеиновой лигазы Gclm (-/-) мыши. Новая модельная система для серьезно нарушенной реакции на окислительный стресс» . Журнал биологической химии . 277 (51): 49446–52. дои : 10.1074/jbc.M209372200 . ПМИД 12384496 .
- ^ Джордано Дж., Афшаринежад З., Гиззетти М., Виталоне А., Кавана Т.Дж., Коста Л.Г. (март 2007 г.). «Фосфорорганические инсектициды хлорпирифос и диазинон и окислительный стресс в нейрональных клетках в генетической модели дефицита глутатиона». Токсикология и прикладная фармакология . 219 (2–3): 181–9. дои : 10.1016/j.taap.2006.09.016 . ПМИД 17084875 .
- ^ МакКонначи Л.А., Мохар I, Хадсон Ф.Н., Уэр CB, Ladiges WC, Фернандес К., Чаттертон-Кирхмайер С., Уайт CC, Пирс Р.Х., Кавана Т.Дж. (октябрь 2007 г.). «Дефицит субъединицы модификатора глутаматцистеинлигазы и пол как детерминанты гепатотоксичности, вызванной ацетаминофеном, у мышей» . Токсикологические науки . 99 (2): 628–36. дои : 10.1093/toxsci/kfm165 . ПМИД 17584759 .
- ^ Хоторн М., Вахтер А., Громс Р., Стюве Т., Рауш Т., Шеффзек К. (сентябрь 2006 г.). «Структурные основы окислительно-восстановительного контроля растительной глутаматцистеинлигазы» . Журнал биологической химии . 281 (37): 27557–65. дои : 10.1074/jbc.M602770200 . ПМИД 16766527 .
- ^ Хикс Л.М., Кахун Р.Э., Боннер Э.Р., Ривард Р.С., Шеффилд Дж., Джез Дж.М. (август 2007 г.). «Тиоловая регуляция редокс-активной глутамат-цистеиновой лигазы Arabidopsis thaliana» . Растительная клетка . 19 (8): 2653–61. дои : 10.1105/tpc.107.052597 . ПМК 2002632 . ПМИД 17766407 .
- ^ Вахтер А., Вольф С., Штайнингер Х., Богс Дж., Рауш Т. (январь 2005 г.). «Дифференциальное нацеливание на GSH1 и GSH2 достигается за счет множественной инициации транскрипции: значение для разделения биосинтеза глутатиона у Brassicaceae» . Заводской журнал . 41 (1): 15–30. дои : 10.1111/j.1365-313X.2004.02269.x . ПМИД 15610346 .
- ^ Лим Б., Пастернак М., Мейер А.Дж., Коббетт К.С. (март 2013 г.). «Ограничение активности глутамилцистеинсинтетазы цитозолем или биосинтеза глутатиона пластидой достаточно для нормального развития растений и устойчивости к стрессу». Биология растений . 16 (1): 58–67. дои : 10.1111/plb.12033 . ПМИД 23691990 .
- ^ Пастернак М., Лим Б., Вирц М., Хелл Р., Коббетт К.С., Мейер А.Дж. (март 2008 г.). «Ограничение биосинтеза глутатиона цитозолем достаточно для нормального развития растений» . Заводской журнал . 53 (6): 999–1012. дои : 10.1111/j.1365-313X.2007.03389.x . ПМИД 18088327 .
- Маккиннон, Шарлотта М.; Картер, Филип Э.; Смит, С. Джейн; Данбар, Брайан; Фотергилл, Джон Э. (1987). «Молекулярное клонирование кДНК компонента C1s человеческого комплемента. Полная аминокислотная последовательность» . Европейский журнал биохимии . 169 (3): 547–553. дои : 10.1111/j.1432-1033.1987.tb13644.x . ПМИД 3500856 .
- Сноук, Дж. Э.; Янари, С; Блох, К. (1953). «Синтез глутатиона из гамма-глутамилцистеина» . Журнал биологической химии . 201 (2): 573–586. дои : 10.1016/S0021-9258(18)66212-X . ПМИД 13061393 .
- Манделес, С; Блок, К. (1955). «Ферментативный синтез гамма-глутамилцистеина» . Журнал биологической химии . 214 (2): 639–646. дои : 10.1016/S0021-9258(18)70912-5 . ПМИД 14381401 .