Calpain - Calpain

Calpain
PDB 1mdw EBI.jpg
Krystalová struktura peptidázového jádra Calpain II.
Identifikátory
SymbolCalpain
PfamPF00648
Pfam klanCL0125
InterProIPR001300
CHYTRÝCysPc
STRÁNKAPDOC50203
MEROPSC2
SCOP21 mdw / Rozsah / SUPFAM
calpain-1
Identifikátory
EC číslo3.4.22.52
Číslo CAS689772-75-6
Databáze
IntEnzIntEnz pohled
BRENDAVstup BRENDA
EXPASYPohled NiceZyme
KEGGVstup KEGG
MetaCycmetabolická cesta
PRIAMprofil
PDB strukturRCSB PDB PDBe PDBsum
calpain-2
Identifikátory
EC číslo3.4.22.53
Číslo CAS702693-80-9
Databáze
IntEnzIntEnz pohled
BRENDAVstup BRENDA
EXPASYPohled NiceZyme
KEGGVstup KEGG
MetaCycmetabolická cesta
PRIAMprofil
PDB strukturRCSB PDB PDBe PDBsum

A calpain (/ˈk…lpeɪn/;[1] ES 3.4.22.52, ES 3.4.22.53 ) je protein patřící do rodiny vápník -závislý, nelysozomální cysteinové proteázy (proteolytické enzymy ) exprimovaný všudypřítomně u savců a mnoha dalších organismů. Calpainy tvoří rodinu C2 proteázového klanu CA v USA MEROPS databáze. Proteolytický systém calpainu zahrnuje proteiny calpainu, malou regulační podjednotku CAPNS1, také známý jako CAPN4, a endogenní calpain-specifický inhibitor, kalpastatin.

Objev

Historie objevu calpainu začíná v roce 1964, kdy byly v proteinu detekovány proteolytické aktivity závislé na vápníku způsobené „neutrální proteázou aktivovanou vápníkem“ (CANP) mozek, oční čočka a další papírové kapesníky. Na konci 60. let byly enzymy izolovány a nezávisle charakterizovány jak v mozku krysy, tak v mozku kosterní sval. Tyto aktivity byly způsobeny intracelulární cysteinovou proteázou, která nebyla spojena s lysozom a s optimální aktivitou při neutrálu pH, což ji jasně odlišovalo od katepsin rodina proteáz. Aktivita závislá na vápníku, intracelulární lokalizace a omezená, specifická proteolýza na jeho substrátech zdůraznila roli calpainu jako regulační, nikoli zažívací, proteázy. Když byla známá sekvence tohoto enzymu,[2] dostal název „calpain“, aby rozpoznal jeho společné vlastnosti se dvěma v té době dobře známými proteiny, signálním proteinem regulovaným vápníkem, klimodulin a cysteinová proteáza z papája, papain. Krátce poté bylo zjištěno, že aktivitu lze připsat dvěma hlavním izoformám, nazývaným μ („mu“) - calpainu a m-calpainu (nebo calpainu I a II), které se lišily primárně potřebami vápníku in vitro. Jejich názvy odrážejí skutečnost, že jsou aktivovány mikro- a téměř milimolární koncentrace Ca2+ v buňce.[3]

K dnešnímu dni zůstávají tyto dvě izoformy nejlépe charakterizovanými členy rodiny calpainů. Strukturálně, tito dva heterodimerní izoformy sdílejí stejnou malou podjednotku (28 kDa) (CAPNS1 (dříve CAPN4)), ale mají odlišné velké podjednotky (80 kDa), známé jako calpain 1 a calpain 2 (každý kódovaný CAPN1 a CAPN2 geny).

Specifičnost štěpení

Žádné konkrétní aminokyselina sekvence je jednoznačně rozpoznána calpainy. Mezi proteinovými substráty terciární struktura prvky spíše než primární aminokyselinové sekvence jsou pravděpodobně zodpovědné za směrování štěpení na konkrétní substrát. Mezi peptid a substráty s malou molekulou, nejvíce důsledně uváděná specificita je pro malé, hydrofobní aminokyseliny (např. leucin, valin a isoleucin ) v poloze P2 a velké hydrofobní aminokyseliny (např. fenylalanin a tyrosin ) v poloze P1.[4] Pravděpodobně nejlepší aktuálně dostupné fluorogenní calpainový substrát je (EDANS ) -Glu-Pro-Leu-Phe = Ala-Glu-Arg-Lys- (DABCYL ), přičemž ke štěpení dochází na vazbě Phe = Ala.

Rozšířená rodina

Projekt lidského genomu odhalil více než tucet dalších calpainů izoformy existují, některé s více varianty spoje.[5][6][7] Jako první calpain, jehož trojrozměrná struktura byla stanovena, je m-calpain typovou proteázou pro rodinu C2 (calpain) v MEROPS databáze.

GenProteinAliasyTkáňový výrazVazba nemoci
CAPN1Calpain 1Calpain-1 velká podjednotka, typ Calpain muvšudypřítomný
CAPN2Calpain 2Calpain-2 velká podjednotka, typ Calpain mvšudypřítomný
CAPN3Calpain 3sítnice kosterního svalstva a specifické čočkySvalová dystrofie končetinového pletence 2A
CAPN5Calpain 5všudypřítomný (s vysokým obsahem tlustého střeva, tenkého střeva a varlat)může souviset s nekrózou,
protože se jedná o ortolog C. elegans gen nekrózy tra-3
CAPN6Calpain 6CAPNX, kalpamodulin
CAPN7Calpain 7palBHvšudypřítomný
CAPN8Calpain 8výlučně na sliznici žaludku a GI traktmůže souviset s tvorbou polypů tlustého střeva
CAPN9Calpain 9výlučně na sliznici žaludku a GI traktmůže souviset s tvorbou polypů tlustého střeva
CAPN10Calpain 10gen citlivosti na diabetes typu II
CAPN11Calpain 11varle
CAPN12Calpain 12všudypřítomný, ale s vysokým vlasovým folikulem
CAPN13Calpain 13varle a plíce
CAPN14Calpain 14všudypřítomný
CAPN17Calpain 17Pouze ryby a obojživelníci
SOLHCalpain 15Sol H (homolog drosophila genu sol)
CAPNS1Calpain malá podjednotka 1Calpain 4
CAPNS2Calpain malá podjednotka 2

Funkce

Ačkoli fyziologická role calpainů je stále špatně pochopena, ukázalo se, že jsou aktivními účastníky procesů, jako jsou mobilita buněk a buněčný cyklus progrese, stejně jako specifické funkce buněčného typu, jako je dlouhodobé potenciace v neurony a buněčná fúze v myoblasty. Za těchto fyziologických podmínek přechodný a lokalizovaný příliv vápníku do buňky aktivuje malou místní populaci kalpainů (například těch, které jsou blízko Ca2+ kanály), které poté posouvají cestu přenosu signálu o katalyzující řízená proteolýza jeho cílových proteinů.[8] Dále fosforylace pomocí protein kináza A a defosforylace pomocí alkalická fosfatáza Bylo zjištěno, že pozitivně regulují aktivitu μ-calpainů zvýšením náhodných cívek a snížením β-listů ve své struktuře. Fosforylace zlepšuje proteolytickou aktivitu a stimuluje auto-aktivaci μ-calpainů. Zvýšená koncentrace vápníku však převyšuje účinky fosforylace a defosforylace na aktivitu kalpainu, a proto aktivita kalpainu nakonec závisí na přítomnosti vápníku.[9] Další hlášené role calpainů jsou v buňka funkce, pomáhá regulovat srážení a průměr cévy a hrát roli v Paměť. Calpains byly zapleteny do apoptotická buněčná smrt, a zdá se být podstatnou součástí nekróza. Frakcionace detergentu odhalila cytosolickou lokalizaci calpainu.[8]

Zvýšená aktivita calpainu, regulovaná CAPNS1, významně přispívá k hyperreaktivitě krevních destiček v hypoxickém prostředí.[10]

V mozku, zatímco μ-calpain se nachází hlavně v buněčné tělo a dendrity z neurony a v menší míře v axony a gliové buňky, m-calpain se nachází v gliích a malé množství v axonech.[11] Calpain se také podílí na rozkladu proteinů kosterního svalstva v důsledku cvičení a změněných nutričních stavů.[12]

Klinický význam

Patologie

Strukturální a funkční rozmanitost calpainů v buňce se odráží v jejich zapojení do patogeneze široké škály poruch. Nejméně dvě dobře známé genetické poruchy a jedna forma rakoviny byly spojeny s tkáňově specifickými kalpainy. Když je vadný, je savčí calpain 3 (také známý jako p94) genovým produktem odpovědným za svalovou dystrofii končetinového pletence typu 2A,[13][14] calpain 10 byl identifikován jako gen citlivosti na diabetes mellitus typu II a calpain 9 byl identifikován jako tumor supresor pro rakovinu žaludku. Hyperaktivace calpainů je navíc zapletena do řady patologických stavů spojených se změněnou homeostázou vápníku, jako je Alzheimerova choroba,[15] a šedý zákal formace, jakož i sekundární degenerace vyplývající z akutního buněčného stresu po ischemii myokardu, mozkové (neuronální) ischemii, traumatickém poranění mozku a poranění míchy. Nadměrné množství calpainu může být aktivováno kvůli Ca.2+ příliv po cévní mozková příhoda (Během ischemická kaskáda ) nebo některé typy traumatické zranění mozku jako difúzní axonální poranění. Zvýšení koncentrace vápníku v buňce vede k aktivaci kalpainu, což vede k neregulované proteolýze cílových i necílových proteinů a následnému nevratnému poškození tkáně. Nadměrně aktivní calpain štěpí molekuly v cytoskelet jako spektrin, mikrotubul podjednotky, proteiny spojené s mikrotubuly, a neurofilamenty.[16][17] Může se také poškodit iontové kanály, další enzymy, molekuly buněčné adheze, a buněčné povrchové receptory.[11] To může vést k degradaci cytoskeletu a plazmatická membrána. Může se také rozpadnout Calpain sodíkové kanály které byly poškozeny v důsledku poranění axonálního roztažení,[18] vedoucí k přílivu sodík do cely. To zase vede k neuronů depolarizace a příliv více Ca2+. Významným důsledkem aktivace calpainu je vývoj srdeční kontraktilní dysfunkce který následuje po ischemické urážce srdce. Při reperfuzi ischemického myokardu dochází k rozvoji přetížení nebo nadbytku vápníku v srdeční buňce (kardiomyocyty). Toto zvýšení vápníku vede k aktivaci calpainu.[19][irelevantní citace ]Nedávno se calpain podílel na podpoře žilní trombózy vyvolané vysokou nadmořskou výš zprostředkováním hyperaktivace krevních destiček.[10]

Terapeutické inhibitory

Exogenní regulace aktivity calpainu je proto zajímavá pro vývoj terapeutik v široké škále patologických stavů. Jako několik z mnoha příkladů podporujících terapeutický potenciál inhibice kalpainu při ischemii, inhibitor kalpainu AK275 chráněn před fokálním ischemickým poškozením mozku u potkanů ​​při podání po ischemii a MDL28170 významně snížila velikost poškozené tkáně infarktu na modelu fokální ischemie krysy. Je také známo, že inhibitory calpainu mají neuroprotektivní účinky: PD150606,[20] SJA6017,[21] ABT-705253,[22][23] a SNJ-1945.[24]

Calpain se může uvolňovat v mozku po dobu až jednoho měsíce po poranění hlavy a může být zodpovědný za zmenšení mozku, které se někdy po takovýchto úrazech objeví.[25] Calpain však může být také zapojen do procesu „reskulpování“, který pomáhá opravit poškození po zranění.[25]

Viz také

Reference

  1. ^ „definice calpainu“. Dictionary.com. Citováno 23. dubna 2018.
  2. ^ Ohno S, Emori Y, Imajoh S, Kawasaki H, Kisaragi M, Suzuki K (1984). „Evoluční původ proteázy závislé na vápníku fúzí genů pro thiolproteázu a protein vázající vápník?“. Příroda. 312 (5994): 566–70. Bibcode:1984 Natur.312..566O. doi:10.1038 / 312566a0. PMID  6095110. S2CID  4359635.
  3. ^ Glass JD, Culver DG, Levey AI, Nash NR (duben 2002). "Velmi časná aktivace m-kalpainu v periferním nervu během Wallerianské degenerace". J. Neurol. Sci. 196 (1–2): 9–20. doi:10.1016 / S0022-510X (02) 00013-8. PMID  11959150. S2CID  22674283.
  4. ^ Cuerrier D, Moldoveanu T, Davies PL (prosinec 2005). „Stanovení specificity peptidového substrátu pro mu-kalpain pomocí přístupu založeného na peptidové knihovně: význam aktivovaných vedlejších interakcí“. J. Biol. Chem. 280 (49): 40632–41. doi:10,1074 / jbc.M506870200. PMID  16216885.
  5. ^ Thompson V (2002-02-12). „Nomenklatura Calpain“. Vysoká škola zemědělství a biologických věd na University of Arizona. Citováno 2010-08-06.
  6. ^ Huang Y, Wang KK (srpen 2001). „Rodina calpainů a lidská nemoc“. Trends Mol Med. 7 (8): 355–62. doi:10.1016 / S1471-4914 (01) 02049-4. PMID  11516996.
  7. ^ Suzuki K, Hata S, Kawabata Y, Sorimachi H (únor 2004). "Struktura, aktivace a biologie calpainu". Cukrovka. 53. Suppl 1: S12–8. doi:10.2337 / diabetes.53.2007.s12. PMID  14749260.
  8. ^ A b Jaguva Vasudevan, AA; Perkovic, M; Bulliard, Y; Cichutek, K; Trono, D; Häussinger, D; Münk, C (srpen 2013). „Prototyp pěnového viru Bet zhoršuje dimerizaci a cytosolickou rozpustnost lidského APOBEC3G“. Journal of Virology. 87 (16): 9030–40. doi:10.1128 / JVI.03385-12. PMC  3754047. PMID  23760237.
  9. ^ Du, Manting; Li, Xin; Li, Zheng; Shen, Qingwu; Wang, Ying; Li, Guixia; Zhang, Dequan (2018-06-30). „Fosforylace regulovaná proteinkinázou A a alkalickou fosfatázou hraje pozitivní roli v aktivitě μ-kalpainu“. Chemie potravin. 252: 33–39. doi:10.1016 / j.foodchem.2018.01.103. ISSN  0308-8146. PMID  29478550.
  10. ^ A b Tyagi, T .; Ahmad, S .; Gupta, N .; Sahu, A .; Ahmad, Y .; Nair, V .; Chatterjee, T .; Bajaj, N .; Sengupta, S .; Ganju, L .; Singh, S. B .; Ashraf, M. Z. (únor 2014). „Změněná exprese proteinů trombocytů a aktivita calpainu zprostředkovávají protrombotický fenotyp indukovaný hypoxií“. Krev. 123 (8): 1250–60. doi:10.1182 / krev-2013-05-501924. PMID  24297866.
  11. ^ A b Lenzlinger PM, Saatman KE, Raghupathi R, Mcintosh TK (2000). „Kapitola 1: Přehled základních mechanismů neuropatologických důsledků traumatu hlavy“. In Newcomb JK, Miller LS, Hayes RL (eds.). Trauma hlavy: základní, předklinické a klinické pokyny. New York: Wiley-Liss. ISBN  978-0-471-36015-5.
  12. ^ Belcastro AN, Albisser TA, Littlejohn B (říjen 1996). "Úloha vápníkem aktivované neutrální proteázy (kalpain) s dietou a cvičením". Může J Appl Physiol. 21 (5): 328–46. doi:10.1139 / h96-029. PMID  8905185.
  13. ^ Richard I., Broux O, Allamand V a kol. (Duben 1995). „Mutace v proteolytickém enzymu calpain 3 způsobují svalovou dystrofii končetinového pletence typu 2A“. Buňka. 81 (1): 27–40. doi:10.1016/0092-8674(95)90368-2. PMID  7720071. S2CID  17565219.
  14. ^ Ono Y, Shimada H, Sorimachi H a kol. (Červenec 1998). „Funkční vady kalpainu specifického pro sval, p94, způsobené mutacemi spojenými se svalovou dystrofií končetinového pletence typu 2A“. J. Biol. Chem. 273 (27): 17073–8. doi:10.1074 / jbc.273.27.17073. PMID  9642272.
  15. ^ Yamashima T (2013). „Přehodnotit Alzheimerovu chorobu„ hypotézou calpain-katepsinu “- perspektivní přehled“. Pokrok v neurologii. 105: 1–23. doi:10.1016 / j.pneurobio.2013.02.004. PMID  23499711. S2CID  39292302.
  16. ^ Liu J, Liu MC, Wang KK (duben 2008). "Calpain v CNS: od synaptické funkce k neurotoxicitě". Sci. Signál. 1 (14): znovu 1. doi:10.1126 / stke.114re1. PMID  18398107. S2CID  21992464.
  17. ^ Castillo MR, Babson JR (říjen 1998). „Ca2+-závislé mechanismy poškození buněk v kultivovaných kortikálních neuronech “. Neurovědy. 86 (4): 1133–44. doi:10.1016 / S0306-4522 (98) 00070-0. PMID  9697120. S2CID  54228571.
  18. ^ Iwata A, Stys PK, Wolf JA a kol. (Květen 2004). „Traumatické axonální poškození indukuje proteolytické štěpení napěťově řízených sodíkových kanálů modulovaných tetrodotoxinem a inhibitory proteázy“. J. Neurosci. 24 (19): 4605–13. doi:10.1523 / JNEUROSCI.0515-03.2004. PMC  6729402. PMID  15140932.
  19. ^ Wang KK, Larner SF, Robinson G, Hayes RL (prosinec 2006). „Neuroprotekční cíle po traumatickém poranění mozku“. Curr. Opin. Neurol. 19 (6): 514–9. doi:10.1097 / WCO.0b013e3280102b10. PMID  17102687. S2CID  28119069.
  20. ^ Wang KK, Nath R, Posner A, Raser KJ, Buroker-Kilgore M, Hajimohammadreza I, Probert AW, Marcoux FW, Ye Q, Takano E, Hatanaka M, Maki M, Caner H, Collins JL, Fergus A, Lee KS, Lunney EA, Hays SJ, Yuen P (červen 1996). „Derivát alfa-merkaptoakrylové kyseliny je selektivní nepeptidový buněčně propustný inhibitor calpainu a je neuroprotektivní.“. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 93 (13): 6687–92. Bibcode:1996PNAS ... 93,6687W. doi:10.1073 / pnas.93.13.6687. PMC  39087. PMID  8692879.
  21. ^ Kupina NC, Nath R, Bernath EE, Inoue J, Mitsuyoshi A, Yuen PW, Wang KK, Hall ED (listopad 2001). „Nový inhibitor calpainu SJA6017 zlepšuje funkční výsledek po opožděném podání u myšího modelu difuzního poranění mozku“ (PDF). J. Neurotrauma. 18 (11): 1229–40. doi:10.1089/089771501317095269. hdl:2027.42/63231. PMID  11721741.
  22. ^ Lubisch W, Beckenbach E, Bopp S, Hofmann HP, Kartal A, Kästel C, Lindner T, Metz-Garrecht M, Reeb J, Regner F, Vierling M, Möller A (červen 2003). „Ketoamidy odvozené od benzoylalaninu nesoucí vinylbenzyl amino zbytky: objev silných ve vodě rozpustných inhibitorů calpainu s orální biologickou dostupností“. J. Med. Chem. 46 (12): 2404–12. doi:10.1021 / jm0210717. PMID  12773044.
  23. ^ Nimmrich V, Reymann KG, Strassburger M, Schöder UH, Gross G, Hahn A, Schoemaker H, Wicke K, Möller A (duben 2010). „Inhibice calpainu brání buněčné smrti indukované NMDA a synaptické dysfunkci indukované beta-amyloidy v kulturách hipokampálních řezů“. Br. J. Pharmacol. 159 (7): 1523–31. doi:10.1111 / j.1476-5381.2010.00652.x. PMC  2850408. PMID  20233208.
  24. ^ Koumura A, Nonaka Y, Hyakkoku K, Oka T, Shimazawa M, Hozumi I, Inuzuka T, Hara H (listopad 2008). „Nový inhibitor calpainu, (5-methoxy- (((1S) -1 ((((1S) -1-benzyl-3-cyklopropylamino-2,3-di-oxopropyl) amino) karbonyl) -3-methylbutyl) karbamová kyselina) 3-oxapentylester, chrání neuronální buňky před poškozením myší vyvolaným mozkovou ischemií ". Neurovědy. 157 (2): 309–18. doi:10.1016 / j.neuroscience.2008.09.007. PMID  18835333. S2CID  29425598.
  25. ^ A b White V (1999-10-21). „-„ Biochemická bouře “po traumatu mozku je důležitým faktorem při léčbě, uvádí výzkumný pracovník University of Florida“. University of Florida News. Archivovány od originál dne 23.06.2011. Citováno 2010-08-07.

Další čtení

externí odkazy