Церамид-активированная протеинфосфатаза - Ceramide-activated protein phosphatase

Активированные церамидами протеинфосфатазы (CAPP) представляют собой группу ферментов, которые активируются церамидом, вторичным посыльным липидом. Известные CAPP включают членов семейств протеинфосфатазы 1 (PP1) и протеинфосфатазы 2A (PP2A). CAPP представляют собой субпопуляцию внутриклеточных серин / треониновых фосфатаз. Каждый CAPP состоит из каталитической субъединицы, которая придает активность фосфатазы, и регуляторной субъединицы, которая придает субстратную специфичность. Участие CAPP вовлечено в метаболизм гликогена, пути апоптоза, связанные с раком, и другие клеточные пути, связанные с болезнью Альцгеймера.

Структура

PP2A, активированный керамидами

Как член семейства PP2A, CAPPs могут состоять из одной-трех субъединиц PP2A (Janssens & Goris, 2001). Основной фермент состоит из консервативной каталитической субъединицы 34 килодальтон (кДа), C, и консервативной каркасной субъединицы 65 кДа, A, прочно связанных друг с другом (Janssens & Goris, 2001). Субъединица каркаса содержит 15 тандемных повторов HEAT, которые организуются с образованием подковообразной структуры, которая придает замечательную конформационную гибкость (Groves, Hanlon, Turowski, Hemmings & Barford, 1999). Каждый повтор содержит пару высококонсервативных антипараллельных α-спиралей, которые образуют непрерывный гребень (Groves et al., 1999). Каталитическая субъединица узнает и связывается с субъединицей каркаса через этот гребень (Groves et al., 1999). Два других семейства регуляторных субъединиц, семейство 55 кДа B и семейство 61 кДа B ', оба могут связывать основной фермент взаимоисключающим образом (Janssens & Goris, 2001). Субъединица B 'сходна по структуре с субъединицей каркаса и осуществляет обширные взаимодействия с субъединицей каркаса через выпуклую поверхность с восемью повторами HEAT и каталитическую субъединицу (Janssens & Goris, 2001). Вогнутая, кислая область субъединицы B 'наклонена к активному центру каталитической субъединицы в холоферменте (Janssens & Goris, 2001). Субъединица B содержит семь повторов WD40, β-шпильку и другие вторичные структуры, которые формируют β-пропеллер (Janssens & Goris, 2001). Β-пропеллер и β-шпилька взаимодействуют с HEAT повторами от трех до семи и от одного до двух на субъединице каркаса, соответственно (Janssens & Goris, 2001). Субъединица B слабо взаимодействует с каталитической субъединицей, но также содержит кислотный сайт связывания субстрата, расположенный рядом с активным центром каталитической субъединицы (Janssens & Goris, 2001). Субъединицы B не имеют идентичности последовательности с субъединицами B '(Janssens & Goris, 2001). CAPP могут присутствовать в виде димерного ядра фермента AC или тримерного голофермента ABC или AB’C (Janssens & Goris, 2001). Также было показано, что церамид активирует только субъединицу C (Janssens & Goris, 2001). Существует две изоформы, α и β, субъединиц C и A (Janssens & Goris, 2001). Существует четыре изоформы, α, β, γ и δ, субъединицы B и пять изоформ α, β, γ, δ и ɛ субъединицы B '(Janssens & Goris, 2001). Комбинации этих изоформ позволяют получить 40 различных CAPP.

Церамид-активированный PP1

Было также показано, что длинноцепочечные церамиды активируют членов семейства PP1 (Chalfant et al., 1999). CAPPs в этом семействе состоят из каталитической субъединицы, которая может ассоциироваться с одной из более чем дюжины регуляторных субъединиц (Egloff et al., 1997). Регуляторные субъединицы взаимодействуют с каталитической субъединицей через консервативный мотив RVXF (Egloff et al., 1997). Когда этот сайт связывания удаляется из регуляторных белков, они теряют способность связываться с каталитической субъединицей (Egloff et al., 1997). На каталитической субъединице имеется только один сайт узнавания, что делает ассоциацию регуляторной субъединицы взаимоисключающей (Egloff et al., 1997). Каталитическая субъединица PP1, активированного церамидом, представляет собой однодоменный белок, состоящий из центрального β-сэндвича, двух смешанных β-слоев, с семью α-спиралями, окружающими сэндвич с одной стороны, и субдоменом, состоящим из трех α- спирали и β-лист на противоположной стороне (Egloff et al., 1997). Три петли, которые соединяют β-листы с α-спиралями в верхней β-сэндвич-цепи, образуют мотив β-α-β-α-β, который взаимодействует с петлями, формируя противоположный β-сэндвич-лист, чтобы обеспечить каталитические остатки (Egloff et al. ., 1997).

Активаторы и ингибиторы

В общем, экспрессия CAPP контролируется механизмом ауторегуляции трансляции и онтогенетической регуляцией субъединиц CAPP (Janssens & Goris, 2001). Керамид является определяющим активатором CAPP, в то время как другие активаторы включают теофиллин и селенат натрия. Механизмы их активации неизвестны, и необходимы дополнительные исследования для изучения и идентификации новых активаторов CAPP. я1PP2A и я2PP2A ингибируют все возможные формы CAPP, связываясь с каталитической субъединицей, используя их C-концевые домены (Li, Makkinje, & Damuni, 1996). Оба ингибитора являются мощными и неконкурентоспособными (Li et al., 1996). Также предполагается, что оба ингибитора законсервированы у мышей и людей и что оба они также имеют примерно одинаковую массу (Janssens & Goris, 2001). Окадаиновая кислота обычно используется для создания клеточных моделей без активности CAPP (Hannun, 1996).

я2PP2A

я2PP2A не подавляет CAPP in vitro но было доказано, что он ингибирует CAPP in vivo (Янссенс и Горис, 2001). я2PP2A в основном действует как ингибитор, связываясь с каталитической субъединицей, вызывая конформационные изменения и делая ее нефункциональной (Janssens & Goris, 2001). В присутствии физиологического Mn2+ концентрации, I2PP2A может ассоциироваться и стимулировать активность PP1, но Mn2+ не влияет на ингибирование PP2A через I2PP2A, in vitro (Янссенс и Горис, 2001).

я2PP2A также был идентифицирован как усеченный белок SET (Janssens & Goris, 2001). SET белки, такие как I2PP2A было показано, что они связываются с нуклеопоринами с образованием слитых белков, которые могут ингибировать активность активированного церамидами PP2A и вносить вклад в патогенез лейкемии (Janssens & Goris, 2001). Исследования также показывают, что лейкозные слитые белки могут связываться с SET и коиммунопрециптировать с CAPP, что позволяет предположить, что ингибирующая роль I2PP2A может участвовать в регуляции роста клеток при лейкемии (Zhu et al., 2006).

я1PP2A

я1PP2A является ингибитором CAPP одновременно in vitro и in vivo и был идентифицирован как белок PHAP-1 (Li et al., 1996). я1PP2A имеет очень кислый C-конец, а N-конец богат лейцином / изолейцином (Li et al., 1996). При наличии физиологических условий Mn2+, Я1PP2A также может ассоциироваться и стимулировать активность PP1, но Mn2+ также не влияет на ингибирование PP2A через I1PP2A, in vitro (Янссенс и Горис, 2001).

Когда я1PP2A сверхэкспрессируется у мышей, исследователи наблюдают уменьшение длины нейритов, указывая на то, что CAPP может участвовать в поддержке роста нейритов (Mutz et al., 2006). Повышенный уровень I1PP2A связаны с регуляцией тау-белков, предполагая, что CAPP может играть роль в болезни Альцгеймера (Wang et al., 2015).

Окадаиновая кислота

Окадаиновая кислота представляет собой сложный полиэфир жирных кислот и мощный ингибитор CAPP (Hannun, 1996). Окадаиновая кислота в основном используется в качестве инструмента исследования для характеристики серин / треониновых фосфатаз, таких как CAPP, посредством ингибирования (Hannun, 1996).

Керамид

Церамид - это вторичный липидный мессенджер, связанный с аспектами клеточной реакции на стресс (Janssens & Goris, 2001). Продукты метаболизма сфингомиелина, активируемые стрессом, по-видимому, реагируют со сфинголипидами с высвобождением церамида (Dobrowsky, R.T. 1992). Церамид из этого цикла может активировать CAPP, который затем участвует в различных путях (Dobrowsky, R.T. 1992).

Селенат натрия

Как селенат натрия специфически активирует PP2A, активированный церамидами, изучен недостаточно. Селенат натрия увеличивает активность PP2A, что снижает гиперфосфорилирование тау, что указывает на то, что CAPP могут влиять на функцию мозга (Tan et al., 2016). Кроме того, увеличение PP2A, вызванное селенатом натрия, также ингибирует путь PI3K / AKT, подразумевая, что селенат натрия может вызывать изменения морфологии и подвижности клеток (Tsukamoto, Hama, Kogure, & Tsuchiya, 2013). Ингибирование AKT, вызванное селенатом натрия, кажется физиологически эффективным при низких концентрациях (Tsukamoto et al., 2013).

Теофиллин

На данный момент только одно исследование идентифицировало теофиллин как активатор PP2A, активированного церамидами. Исследование указывает на активацию PP2A теофиллином как метод контроля респираторного воспаления в гладкомышечных клетках дыхательных путей человека. in vitro (Patel et al., 2016).

Пути клеточной реакции

Путь PP1

Стимуляция клеток млекопитающих с помощью TNFα увеличивает внутриклеточную продукцию церамида C6, что затем увеличивает активность PP1 (Ghosh et al., 2007). Ранее считалось, что инсулин является основным стимулятором пути PP1 (Ghosh et al., 2007). В настоящее время показано, что TNFα-опосредованная продукция церамидов увеличивает активность серин / треонинфосфатазы PP1, в то время как инсулин нет, что указывает на церамид-специфический ответ (Ghosh et al., 2007). Ингибиторы de novo синтез церамидов, по-видимому, предотвращает активацию PP1 (Ghosh et al., 2007). Эффекты церамида на стимулированное инсулином фосфорилирование киназы 3β гликогенсинтазы отменялись ингибиторами PP1, что также означает, что TNFα опосредует его эффекты через активированный церамидом PP1, который блокирует каскады фосфорилирования инсулина, участвующие в метаболизме гликогена (Ghosh et al., 2007).

Путь PP2A

Образование церамида может вызывать подавление гена c-myc, что может запускать клеточный каскад, приводящий к гибели клеток через механизмы апоптоза (Wolff et al., 1994). В линиях лейкозных клеток CAPP активно доставляется в клетки для последующей регуляции гена c-myc посредством контроля, индуцированного церамидами (Wolff et al., 1994). Частичная очистка активированного церамидом PP2A показала присущую ему способность дефосфорилировать антиапоптотический белок c-jun in vitro, предполагая, что он может быть прямым субстратом для активируемого церамидами PP2A (Ruvolo et al., 1999).

Керамид специфически активирует митохондриальный PP2A, что приводит к быстрому дефосфорилированию и инактивации Bcl2 (Ruvolo et al., 1999). Bcl2 представляет собой антиапоптотический белок, который при инактивации может вызывать апоптоз клетки (Ruvolo et al., 1999). Регуляция Bcl2 зависит от статуса фосфорилирования Ser70 (Янссенс и Горис, 2001). Этот фосфорилированный остаток непосредственно отвечает за механизм апоптоза белка, и дефосфорилирование этого сайта с помощью CAPP будет ингибировать его активность (Janssens and Goris, 2001).

Индукция апоптоза в клетках Jurkat увеличивает активность PP2A из-за активации каспазы-3 и последующего расщепления субъединицы каркаса, которая обеспечивает стабильность фермента (Janssens & Goris, 2001). Эту повышенную активность можно наблюдать при сниженном фосфорилировании субстратов пути MAPK (Janssens & Goris, 2001).

E4orf4, белок аденовируса, который, как было показано, индуцирует апоптоз в трансформированных клетках, взаимодействует с активированным церамидом PP2A, оказывая этот эффект (Janssens & Goris, 2001). Взаимодействие может иметь место как на Bα, так и на B 'регуляторной субъединице, но только взаимодействия с Bα субъединицей достаточно для индукции апоптоза в клетках, трансформированных аденовирусом (Janssens & Goris, 2001).

Основные патологические последствия

Болезнь Альцгеймера

Когда тау-белки становятся гиперфосфорилированными, они отделяются от микротрубочек, которым они обеспечивают стабильность, и, как считается, полимеризуются в нейрофибриллярные клубки в головном мозге и способствуют возникновению болезни Альцгеймера (Janssens & Goris, 2001). Субъединица B CAPP придает способность дефосфорилировать гиперфосфорилированные тау-белки (Janssens & Goris, 2001). Гиперфосфорилированный тау может взаимодействовать с кислой стороной B-субъединицы и позволять каталитической субъединице дефосфорилировать белок (Janssens & Goris, 2001). Было показано, что обработка нервных клеток окадаиновой кислотой вызывает тау-нейрофибриллярные клубки, что указывает на то, что нарушение взаимодействия между CAPP, тау-белком и микротрубочками может привести к возникновению болезни Альцгеймера (Janssens & Goris, 2001).

Рак

CAPP впервые был связан с канцерогенезом, когда было замечено, что окадаиновая кислота действует как промотор опухоли, и было высказано предположение, что ее ингибирование CAPP может передавать это свойство (Janssens & Goris, 2001). Изоформы α и β каркасной субъединицы CAPP были идентифицированы как гены-супрессоры опухолей в линиях клеток кожи, легких, молочной железы и толстой кишки (Janssens & Goris, 2001). Регуляторная субъединица B 'CAPP также, по-видимому, сверхэкспрессируется при злокачественной меланоме по сравнению с обычными эпидермальными клетками (Janssens & Goris, 2001).

Субъединица B ', по-видимому, специфически взаимодействует с паксиллином и дефосфорилирует их в очаговых адгезиях раковых клеток (Janssens & Goris, 2001). Когда усеченные субъединицы B 'γ экспрессировались в клетках меланомы, наблюдалась повышенная скорость метастазирования (Janssens & Goris, 2001). Повышенная миграция клеток, по-видимому, связана с повышенным фосфорилированием паксиллина при экспрессии дисфункциональных субъединиц B 'γ (Janssens & Goris, 2001).

При большинстве первичных злокачественных новообразований у человека уровень теломеразы повышен, что позволяет предположить, что теломераза необходима для непрерывного деления клеток (Janssens & Goris, 2001). Было показано, что лечение церамидами может значительно снизить продукцию теломеразы в карциномах легких человека, что указывает на то, что CAPP могут участвовать в противодействии неконтролируемому росту клеток (Ogretmen et al., 2001).

Рекомендации

Чалфант, К., Кишикава, К., Мамби, М., Камибаяси, К., Белавска, А., и Ханнун, Ю. (1999). Длинноцепочечные церамиды активируют протеинфосфатазу-1 и протеинфосфатазу-2А. Активация стереоспецифична и регулируется фосфатидной кислотой. Журнал биологической химии, 274(29), 20313-7.

Добровски, Р. Т., и Ханнун, Ю. А. (1992). Керамид стимулирует цитозольную протеинфосфатазу. Журнал биологической химии, 267(8), 5048-5051.

Эглофф, Мари-Пьер, Джонсон, Дебора Ф., Мурхед, Грег, Коэн, Патрисия Т. У., Коэн, Филип, и Барфорд, Дэвид. (1997). Структурная основа распознавания регуляторных субъединиц каталитической субъединицей протеинфосфатазы 1. EMBO Journal, 16(8), 1876-1887.

Гош, Н., Патель, Н., Цзян, К., Уотсон, Дж., Ченг, Дж., Чалфант, К., и Купер, Д. (2007). Участие активированной церамидом протеинфосфатазы в инсулинорезистентности через Akt, богатый серином / аргинином протеин 40 и сплайсинг рибонуклеиновой кислоты в клетках скелетных мышц L6. Эндокринология, 148(3), 1359-66.

Гроувс, Хэнлон, Туровски, Хеммингс и Барфорд. (1999). Структура субъединицы PR65 / A протеинфосфатазы 2A выявляет конформацию ее 15 тандемно повторяющихся мотивов HEAT. Ячейка, 96(1), 99-110.

Ханнун, Ю. (1996). Функции церамида в координации клеточных реакций на стресс. Наука, 274(5294), 1855-1859.

Янссенс В. и Горис Дж. (2001). Протеиновая фосфатаза 2A: строго регулируемое семейство серин / треониновых фосфатаз, участвующих в росте клеток и передаче сигналов. Биохимический журнал, 353(3), 417-439.

Ковачеч, Б., Концекова, Э., Зилка, Н., Новак, П., Скрабана, Р., Филипчик, П.,. . . Новак, М. (2007). Новое моноклональное антитело DC63 показывает, что ингибитор 1 протеинфосфатазы 2A преимущественно находится в ядре человеческого мозга. Письма FEBS, 581(4), 617-622.

Ли М., Маккинье А. и Дамуни З. (1996). Молекулярная идентификация I1PP2A, нового мощного термостабильного белка-ингибитора протеинфосфатазы 2A. Биохимия, 35(22), 6998-7002.

Мутц, Д., Вайсе, К., Мечай, Н., Хофманн, В., Хорсткорте, Р., Брюнинг, Г., и Данкер, К. (2006). Интегрин α3β1 взаимодействует с I1PP2A / lanp и фосфатазой PP1. Журнал исследований нейробиологии, 84(8), 1759-1770.

Огретмен Б., Кравека Дж., Шади Д., Уста Дж., Ханнун Ю. и Обейд Л. (2001). Молекулярные механизмы опосредованного церамидами ингибирования теломеразы в клеточной линии аденокарциномы легкого человека A549. Журнал биологической химии, 276(35), 32506-14.

Патель, Б.С., Рахман, М.М., Румжум, Н.Н., Оливер, Б.Г., Веррилс, Н.М., и Аммит, А.Дж. (2016). Теофиллин подавляет секрецию IL-8 гладкомышечными клетками дыхательных путей независимо от новой роли ингибирования фосфодиэстеразы как активатора протеинфосфатазы 2A. Американский журнал респираторной клетки и молекулярной биологии, 54(6), 792-801.

Руволо П., Дэн Х., Ито Т., Карр Б. и Мэй У. (1999). Церамид вызывает дефосфорилирование Bcl2 через механизм, включающий митохондриальный PP2A. Журнал биологической химии, 274(29), 20296-300.

Тан, Х., Райт, Д., Лю, С., Ховенс, К., О'Брайен, Т., и Шульц, С. (2016). Селенат натрия, активатор протеинфосфатазы 2А, смягчает гиперфосфорилированный тау-белок и улучшает результаты повторяющихся легких черепно-мозговых травм. Нейрофармакология, 108(1), 382-393.

Цукамото, Т., Хама, С., Когуре, К., и Цучия, Х. (2013). Селенат индуцирует эпителиально-мезенхимальный переход в клеточной линии колоректальной карциномы путем активации AKT. Экспериментальные исследования клеток, 319(13), 1913-1921.

Ван, Х., Бланшар, Дж., Тунг, Ю., Грундке Икбал, И., и Икбал, К. (2015). Ингибирование протеинфосфатазы-2A (PP2A) с помощью I1PP2A приводит к гиперфосфорилированию тау-белка, нейродегенерации и когнитивным нарушениям у крыс. Журнал болезни Альцгеймера, 45(2), 423-435.

Вольф, Р., Добровски, Р., Белавска, А., Обейд, Л., и Ханнун, Ю. (1994). Роль протеинфосфатазы, активируемой церамидами, в передаче сигналов, опосредованной церамидами. Журнал биологической химии, 269(30), 19605-9.

Чжу, Ю., Донг, А., Мейер, Д., Пичон, О., Рену, Дж., Цао, К., и Шен, В. (2006). NRP1 и NRP2 Arabidopsis кодируют гистоновые шапероны и необходимы для поддержания постэмбрионального роста корней. Растительная клетка, 18(11), 2879-2892.