Glutamát-cysteinová ligáza - Glutamate–cysteine ligase

glutamát – cystein ligáza
Identifikátory
EC číslo6.3.2.2
Číslo CAS9023-64-7
Databáze
IntEnzIntEnz pohled
BRENDAVstup BRENDA
EXPASYPohled NiceZyme
KEGGVstup KEGG
MetaCycmetabolická cesta
PRIAMprofil
PDB strukturRCSB PDB PDBe PDBsum
Genová ontologieAmiGO / QuickGO

Glutamát cysteinová ligáza (GCL) (ES 6.3.2.2 ), dříve známý jako gama-glutamylcysteinsyntetáza (GCS), je prvním enzymem buněčné glutathion (GSH) biosyntetické dráhy katalyzuje the chemická reakce:

L-glutamát + L-cystein + ATP gama-glutamyl cystein + ADP + Pi

GSH a v širším smyslu GCL je rozhodující pro přežití buněk. Téměř každá eukaryotická buňka, od rostlin přes kvasinky až po člověka, exprimuje formu proteinu GCL za účelem syntézy GSH. K dalšímu zdůraznění kritické povahy tohoto enzymu vede genetické odbourávání GCL k embryonální letalitě.[1] Dále je známo, že dysregulace enzymatické funkce a aktivity GCL je zapojena do velké většiny lidských onemocnění, jako je cukrovka, Parkinsonova choroba, Alzheimerova choroba, CHOPN, HIV / AIDS a rakovina.[2][3] To obvykle zahrnuje zhoršenou funkci vedoucí ke snížené biosyntéze GSH, snížené buněčné antioxidační kapacitě a indukci oxidačního stresu. U rakoviny je však zvýšena exprese a aktivita GCL, což slouží jak k podpoře vysoké úrovně buněčné proliferace, tak k zajištění rezistence vůči mnoha chemoterapeutickým látkám.[4]

Funkce

Glutamát cysteinová ligáza (GCL) katalyzuje první a rychlost omezující krok ve výrobě buněčného antioxidantu glutathion (GSH), zahrnující kondenzaci ATP závislou na cystein a glutamát za vzniku dipeptidu gama-glutamylcystein (γ-GC).[5] Tato peptidová vazba je jedinečná v tom, že se vyskytuje mezi aminoskupinou cysteinu a terminální karboxylovou kyselinou glutamátového postranního řetězce (odtud název gama-glutamyl cystein).[6] Tato peptidová vazba je odolná vůči štěpení buněčnými peptidázami a vyžaduje speciální enzym, gama-glutamyl transpeptidáza (γGT), metabolizovat γ-GC a GSH na jeho základní aminokyseliny.[7]

Enzymatická aktivita GCL obecně určuje hladiny GSH v buňkách a biosyntetickou kapacitu GSH. Enzymatická aktivita GCL je ovlivněna řadou faktorů, včetně buněčné exprese proteinů GCL podjednotky, přístupu k substrátům (cystein je typicky omezující v produkci y-GC), stupně inhibice negativní zpětné vazby GSH a funkčně relevantní posttranslační úpravy konkrétních stránek v podjednotkách GCL.[8][9][10] Vzhledem k jeho statusu jako enzymu omezujícího rychlost v biosyntéze GSH se změny v aktivitě GCL přímo rovnají změnám v buněčné biosyntetické kapacitě GSH.[11] Proto se terapeutické strategie ke změně produkce GSH zaměřily na tento enzym.[12]

Nařízení

V souladu se svým zásadním významem pro udržení života podléhá GCL víceúrovňové regulaci svého projevu, funkce a aktivity. Exprese GCL je regulována na transkripční (transkripce GCLC a GCLM DNA za vzniku mRNA), posttranskripční (stabilita mRNA v čase), translační (zpracování mRNA na protein) a posttranslační úrovni (zahrnující úpravy stávajících bílkoviny).[13][14][15][16] Ačkoli je pro udržení životaschopnosti buněk vyžadována základní konstitutivní exprese, je exprese podjednotek GCL také indukovatelná v reakci oxidační stres Vyčerpání GSH a vystavení toxickým chemikáliím s Nrf2, AP-1, a NF-kB transkripční faktory regulující indukovatelnou a konstitutivní expresi obou podjednotek[17][18]

Pokud jde o funkční regulaci enzymu, samotný GSH působí jako inhibitor zpětné vazby aktivity GCL. Za normálních fyziologických koncentrací substrátu může samotný monomer GCLC syntetizovat gama-glutamylcystein; normální fyziologické hladiny GSH (odhadované na přibližně 5 mM) však daleko přesahují GSH K.i pro GCLC,[19] což naznačuje, že za výchozích podmínek je funkční pouze holoenzym GCL. Během oxidačního stresu nebo toxických urážek, které mohou mít za následek vyčerpání buněčného GSH nebo jeho oxidaci na glutathion disulfid (GSSG), funkce jakéhokoli monomerního GCLC v buňce se pravděpodobně stane docela důležitou. Na podporu této hypotézy vykazují myši, kterým chybí exprese podjednotky GCLM v důsledku genetického knockdownu, nízké hladiny tkáňového GSH (~ 10-20% normální hladiny), což je zhruba úroveň GSH Ki pro monomerní GCLC.[20][21]

Struktura

Živočišná glutamát – cysteinová ligáza

Zvíře glutamát cysteinová ligáza (GCL) je a heterodimerní enzym složený ze dvou protein podjednotky, které jsou kódovány nezávislými geny umístěnými na samostatných chromozomech:

  • Katalytická podjednotka glutamát cysteinové ligázy (GCLC ~ 73 kDa) obsahuje všechna vazebná místa pro substrát a kofaktor a je odpovědná za veškerou katalýzu.
  • Podjednotka modifikátoru glutamát cysteinové ligázy (GCLM, ~ 31 kDa) sám o sobě nemá žádnou enzymatickou aktivitu, ale zvyšuje katalytickou účinnost GCLC, pokud je v komplexu s holoenzymem.

Ve většině buněk a tkání je exprese proteinu GCLM nižší než GCLC a GCLM je proto omezující při tvorbě komplexu holoenzymu. Součet celkové aktivity buněk GCL se tedy rovná aktivitě holoenzymu + aktivitě zbývajícího monomerního GCLC. složený z katalytické a modulační podjednotky. Katalytická podjednotka je nezbytná a dostatečná pro veškerou enzymatickou aktivitu GCL, zatímco modulační podjednotka zvyšuje katalytickou účinnost enzymu. Myši postrádající katalytickou podjednotku (tj. Postrádající všechny de novo Syntéza GSH) umírají před narozením.[22] Myši postrádající modulační podjednotku nevykazují žádný zjevný fenotyp, ale vykazují výrazné snížení GSH a zvýšenou citlivost na toxické urážky.[23][24][25]


Rostlina glutamát cysteinová ligáza

Rostlinná glutamát cysteinová ligáza je citlivá na redox homodimerní enzym, konzervované v rostlinné říši.[26] V oxidačním prostředí se tvoří intermolekulární disulfidové můstky a enzym se přepne do aktivního dimerního stavu. Potenciál středního bodu kritického páru cysteinů je -318 mV. Kromě redox-závislé kontroly je rostlinný GCL enzym zpětnou vazbou inhibován glutathionem.[27] GCL se nachází výhradně v plastidy, a glutathion syntetáza (GS) je dvojí cílení na plastidy a cytosol, tedy GSH a gama-glutamylcystein jsou vyváženy z plastidů.[28] Oba enzymy biosyntézy glutathionu jsou v rostlinách nezbytné; knock-outy GCL a GS jsou smrtelné pro embryo a sazenici.[29]

Ke konci roku 2007, 6 struktur byly pro tuto třídu enzymů vyřešeny pomocí PDB přístupové kódy 1V4G, 1VA6, 2D32, 2D33, 2GWC, a 2 GWD.

Reference

  1. ^ Dalton TP a kol. (2004). "Geneticky pozměněné myši pro hodnocení homeostázy glutathionu ve zdraví a nemoci". Zdarma Radic Biol Med. 37 (10): 1511–26. doi:10.1016 / j.freeradbiomed.2004.06.040. PMID  15477003.
  2. ^ Lu SC (2009). "Regulace syntézy glutathionu". Mol Aspects Med. 30 (1–2): 42–59. doi:10.1016 / j.mam.2008.05.005. PMC  2704241. PMID  18601945.
  3. ^ Franklin CC a kol. (2009). "Struktura, funkce a posttranslační regulace katalytických a modifikačních podjednotek glutamát cysteinové ligázy". Mol Aspects Med. 30 (1–2): 86–98. doi:10.1016 / j.mam.2008.08.009. PMC  2714364. PMID  18812186.
  4. ^ Backos DS a kol. (2012). "Role glutathionu v rezistenci vůči lékům na mozkový nádor". Biochem Pharmacol. 83 (8): 1005–12. doi:10.1016 / j.bcp.2011.11.016. PMID  22138445.
  5. ^ Franklin CC a kol. (2009). „Struktura, funkce a posttranslační regulace katalytických a modifikačních podjednotek glutamát cysteinové ligázy“. Mol Aspects Med. 30 (1–2): 86–98. doi:10.1016 / j.mam.2008.08.009. PMC  2714364. PMID  18812186.
  6. ^ Njålsson R, Norgren S (2005). "Fyziologické a patologické aspekty metabolismu GSH". Acta Paediatr. 94 (2): 132–137. doi:10.1080/08035250410025285. PMID  15981742.
  7. ^ Lu SC (2009). "Regulace syntézy glutathionu". Mol Aspects Med. 30 (1–2): 42–59. doi:10.1016 / j.mam.2008.05.005. PMC  2704241. PMID  18601945.
  8. ^ Backos DS a kol. (2010). „Manipulace s buněčnou biosyntetickou kapacitou GSH prostřednictvím TAT zprostředkované proteinové transdukce divokého typu nebo dominantně negativního mutantu glutamát cysteinové ligázy mění citlivost buněk na cytotoxicitu vyvolanou oxidanty“. Toxicol Appl Pharmacol. 243 (1): 35–45. doi:10.1016 / j.taap.2009.11.010. PMC  2819613. PMID  19914271.
  9. ^ Backos DS a kol. (2011). „Posttranslační modifikace a regulace glutamát-cysteinové ligázy pomocí α, β-nenasyceného aldehydu 4-hydroxy-2-nonenalu“. Zdarma Radic Biol Med. 50 (1): 14–26. doi:10.1016 / j.freeradbiomed.2010.10.694. PMC  3014730. PMID  20970495.
  10. ^ Backos DS a kol. (2013). „Glykace glutamát cysteinové ligázy pomocí 2-deoxy-d-ribózy a její potenciální dopad na chemorezistenci v glioblastomu“. Neurochem Res. 38 (9): 1838–49. doi:10.1007 / s11064-013-1090-4. PMID  23743623. S2CID  7738579.
  11. ^ Franklin CC a kol. (2009). „Struktura, funkce a posttranslační regulace katalytických a modifikačních podjednotek glutamát cysteinové ligázy“. Mol Aspects Med. 30 (1–2): 86–98. doi:10.1016 / j.mam.2008.08.009. PMC  2714364. PMID  18812186.
  12. ^ Griffith OW, Meister A (1979). "Silná a specifická inhibice syntézy glutathionu buthioninsulfoximinem (S-n-butyl homocystein sulfoximin)". J Biol Chem. 254 (16): 7558–60. PMID  38242.
  13. ^ Lu SC (2009). "Regulace syntézy glutathionu". Mol Aspects Med. 30 (1–2): 42–59. doi:10.1016 / j.mam.2008.05.005. PMC  2704241. PMID  18601945.
  14. ^ Franklin CC a kol. (2009). "Struktura, funkce a posttranslační regulace katalytických a modifikačních podjednotek glutamát cysteinové ligázy". Mol Aspects Med. 30 (1–2): 86–98. doi:10.1016 / j.mam.2008.08.009. PMC  2714364. PMID  18812186.
  15. ^ Backos DS a kol. (2011). „Posttranslační modifikace a regulace glutamát-cysteinové ligázy pomocí α, β-nenasyceného aldehydu 4-hydroxy-2-nonenalu“. Zdarma Radic Biol Med. 50 (1): 14–26. doi:10.1016 / j.freeradbiomed.2010.10.694. PMC  3014730. PMID  20970495.
  16. ^ Backos DS a kol. (2013). „Glykace glutamát cysteinové ligázy pomocí 2-deoxy-d-ribózy a její potenciální dopad na chemorezistenci v glioblastomu“. Neurochem Res. 38 (9): 1838–49. doi:10.1007 / s11064-013-1090-4. PMID  23743623. S2CID  7738579.
  17. ^ Lu SC (2009). "Regulace syntézy glutathionu". Mol Aspects Med. 30 (1–2): 42–59. doi:10.1016 / j.mam.2008.05.005. PMC  2704241. PMID  18601945.
  18. ^ Franklin CC a kol. (2009). "Struktura, funkce a posttranslační regulace katalytických a modifikačních podjednotek glutamát cysteinové ligázy". Mol Aspects Med. 30 (1–2): 86–98. doi:10.1016 / j.mam.2008.08.009. PMC  2714364. PMID  18812186.
  19. ^ Backos DS a kol. (2013). „Glykace glutamát cysteinové ligázy pomocí 2-deoxy-d-ribózy a její potenciální dopad na chemorezistenci v glioblastomu“. Neurochem Res. 38 (9): 1838–49. doi:10.1007 / s11064-013-1090-4. PMID  23743623. S2CID  7738579.
  20. ^ McConnachie LA, Mohar I a kol. (2007). „Nedostatek podjednotky modifikátoru glutamát cysteinové ligázy a pohlaví jako determinanty hepatotoxicity vyvolané acetaminofenem u myší“. Toxikologické vědy. 99 (2): 628–636. doi:10.1093 / toxsci / kfm165. PMID  17584759.
  21. ^ Backos DS a kol. (2013). „Glykace glutamát cysteinové ligázy pomocí 2-deoxy-d-ribózy a její potenciální dopad na chemorezistenci v glioblastomu“. Neurochem Res. 38 (9): 1838–49. doi:10.1007 / s11064-013-1090-4. PMID  23743623. S2CID  7738579.
  22. ^ Dalton TP, Dieter MZ, Yang Y, Shertzer HG, Nebert DW (prosinec 2000). „Vyřazení genu pro myší katalytickou podjednotku glutamát cysteinové ligázy (Gclc): embryonální smrtící, pokud je homozygotní, a navrhovaný model pro mírný nedostatek glutathionu, pokud je heterozygotní“. Sdělení o biochemickém a biofyzikálním výzkumu. 279 (2): 324–9. doi:10,1006 / bbrc.2000.3930. PMID  11118286.
  23. ^ Yang Y, Dieter MZ, Chen Y, Shertzer HG, Nebert DW, Dalton TP (prosinec 2002). „Počáteční charakterizace podjednotky Gclm (- / -) knockout myší podjednotky glutamát-cysteinové ligázy. Nový modelový systém pro silně narušenou reakci na oxidační stres.“. The Journal of Biological Chemistry. 277 (51): 49446–52. doi:10,1074 / jbc.M209372200. PMID  12384496.
  24. ^ Giordano G, Afsharinejad Z, Guizzetti M, Vitalone A, Kavanagh TJ, Costa LG (březen 2007). „Organofosforové insekticidy chlorpyrifos a diazinon a oxidační stres v neuronových buňkách v genetickém modelu nedostatku glutathionu“. Toxikologie a aplikovaná farmakologie. 219 (2–3): 181–9. doi:10.1016 / j.taap.2006.09.016. PMID  17084875.
  25. ^ McConnachie LA, Mohar I, Hudson FN, Ware CB, Ladiges WC, Fernandez C, Chatterton-Kirchmeier S, White CC, Pierce RH, Kavanagh TJ (říjen 2007). „Nedostatek podjednotky modifikátoru glutamát cysteinové ligázy a pohlaví jako determinanty hepatotoxicity vyvolané acetaminofenem u myší“. Toxikologické vědy. 99 (2): 628–36. doi:10.1093 / toxsci / kfm165. PMID  17584759.
  26. ^ Hothorn M, Wachter A, Gromes R, Stuwe T, Rausch T, Scheffzek K (září 2006). "Strukturální základ pro redoxní regulaci rostlinné glutamát cysteinové ligázy". The Journal of Biological Chemistry. 281 (37): 27557–65. doi:10,1074 / jbc.M602770200. PMID  16766527.
  27. ^ Hicks LM, Cahoon RE, Bonner ER, Rivard RS, Sheffield J, Jez JM (srpen 2007). „Regulace redoxaktivní glutamát-cysteinové ligázy z Arabidopsis thaliana na bázi thiolu“. Rostlinná buňka. 19 (8): 2653–61. doi:10.1105 / tpc.107.052597. PMC  2002632. PMID  17766407.
  28. ^ Wachter A, Wolf S, Steininger H, Bogs J, Rausch T (leden 2005). „Diferenciálního cílení GSH1 a GSH2 je dosaženo vícenásobnou iniciaci transkripce: důsledky pro kompartmentaci biosyntézy glutathionu v Brassicaceae.“ The Plant Journal. 41 (1): 15–30. doi:10.1111 / j.1365-313X.2004.02269.x. PMID  15610346.
  29. ^ Pasternak M, Lim B, Wirtz M, Hell R, Cobbett CS, Meyer AJ (březen 2008). „Omezení biosyntézy glutathionu na cytosol je dostatečné pro normální vývoj rostlin“. The Plant Journal. 53 (6): 999–1012. doi:10.1111 / j.1365-313X.2007.03389.x. PMID  18088327.
  • MacKinnon, Charlotte M .; Carter, Philip E .; Smyth, S. Jane; Dunbar, Bryan; Fothergill, John E. (1987). "Molekulární klonování cDNA pro lidskou složku C1 komplementu. Kompletní aminokyselinová sekvence". European Journal of Biochemistry. 169 (3): 547–553. doi:10.1111 / j.1432-1033.1987.tb13644.x. PMID  3500856.
  • Snoke, JE; Yanari, S; Bloch, K (1953). "Syntéza glutathionu z gama-glutamylcysteinu". The Journal of Biological Chemistry. 201 (2): 573–586. PMID  13061393.
  • Mandeles, S; Block, K (1955). "Enzymatická syntéza gama-glutamylcysteinu". The Journal of Biological Chemistry. 214 (2): 639–646. PMID  14381401.