Кальпаин - Calpain

Кальпаин
Кристаллическая структура пептидазного ядра Кальпаина II.
Идентификаторы
Условное обозначение	Кальпаин
Pfam	PF00648
Клан пфам	CL0125
ИнтерПро	IPR001300
УМНЫЙ	CysPc
ПРОФИЛЬ	PDOC50203
МЕРОПЫ	C2
SCOP2	1mdw / SCOPe / SUPFAM
Доступные белковые структуры: Pfam   структуры / ECOD   PDB RCSB PDB ; PDBe ; PDBj PDBsum краткое изложение структуры PDB 1т19 А: 55-354; 1kxr B: 55-354; 1тло А: 55-354; 2ary B: 55-354; 1zcm A: 55-353; 1mdw B: 45-344; 1u5i A: 45-344; 1kfx L: 45-344; 1кфу Л: 45-344; 1зив А: 42-337

Калпаин ( / к æ л р eɪ п / ; EC 3.4.22.52 , EC 3.4.22.53 ) представляет собой белок , относящийся к семейству кальция -зависимой, не-лизосомальных цистеиновых протеиназ ( протеолитических ферментов ) , выраженные Повсеместно у млекопитающих и многие другие организмы. Кальпаины составляют семейство C2 протеазного клана CA в базе данных MEROPS . Протеолитическая система кальпаина включает протеазы кальпаина , небольшую регуляторную субъединицу CAPNS1 , также известную как CAPN4, и эндогенный кальпаин-специфический ингибитор, кальпастатин .

Открытие

История открытия кальпаина берет свое начало в 1964 году, когда кальций-зависимая протеолитическая активность, вызванная «кальций-активируемой нейтральной протеазой» (CANP), была обнаружена в головном мозге , хрусталике глаза и других тканях . В конце 1960-х ферменты были изолированы и независимо охарактеризованы как в мозге крысы, так и в скелетных мышцах . Эти активности были вызваны внутриклеточной цистеиновой протеазой, не связанной с лизосомой и имеющей оптимальную активность при нейтральном pH , что явно отличало ее от семейства протеаз катепсина . Зависимая от кальция активность, внутриклеточная локализация и ограниченный специфический протеолиз на его субстратах подчеркивают роль кальпаина как регулирующей, а не пищеварительной протеазы. Когда стала известна последовательность этого фермента, ему дали название «кальпаин», чтобы распознать его общие свойства с двумя хорошо известными в то время белками, сигнальным белком, регулируемым кальцием, кальмодулином и цистеиновой протеазой папайи , папаином. . Вскоре после этого было обнаружено, что эта активность связана с двумя основными изоформами, названными μ («мю») - кальпаином и м-кальпаином (или кальпаином I и II), которые различались в основном потребностями в кальции in vitro . Их названия отражают тот факт, что они активируются микро- и почти миллимолярными концентрациями Ca ²⁺ в клетке соответственно.

На сегодняшний день эти две изоформы остаются наиболее охарактеризованными членами семейства кальпаинов. Структурно эти две гетеродимерные изоформы имеют идентичную малую (28 кДа) субъединицу ( CAPNS1 (ранее CAPN4)), но имеют отдельные большие (80 кДа) субъединицы, известные как кальпаин 1 и кальпаин 2 (каждая из которых кодируется генами CAPN1 и CAPN2 , соответственно).

Специфичность расщепления

Кальпаины не распознают специфическую аминокислотную последовательность. Среди белковых субстратов элементы третичной структуры, а не первичные аминокислотные последовательности , вероятно, ответственны за направление расщепления на конкретный субстрат. Среди пептидных и низкомолекулярных субстратов наиболее часто сообщается о специфичности для небольших гидрофобных аминокислот (например, лейцина , валина и изолейцина ) в положении P2 и больших гидрофобных аминокислот (например, фенилаланина и тирозина ) в положении P1. Возможно, наилучшим доступным в настоящее время флуорогенным субстратом кальпаина является ( EDANS ) -Glu-Pro-Leu-Phe = Ala-Glu-Arg-Lys- ( DABCYL ) с расщеплением, происходящим по связи Phe = Ala.

Большая семья

Проект «Геном человека» показал, что существует более десятка других изоформ кальпаина, некоторые из которых имеют несколько вариантов сплайсинга . Как первый кальпаин, трехмерная структура которого была определена, m-кальпаин является типовой протеазой для семейства C2 (кальпаин) в базе данных MEROPS .

Функция

Хотя физиологическая роль кальпаинов все еще плохо изучена, было показано, что они являются активными участниками таких процессов, как подвижность клеток и прогрессирование клеточного цикла , а также специфические функции клеточного типа, такие как долгосрочное потенцирование в нейронах и слияние клеток в миобласты . В этих физиологических условиях кратковременный и локализованный приток кальция в клетку активирует небольшую локальную популяцию кальпаинов (например, близких к каналам Ca ²⁺ ), которые затем продвигают путь передачи сигнала, катализируя контролируемый протеолиз своей мишени. белки. Кроме того, было обнаружено , что фосфорилирование протеинкиназой А и дефосфорилирование щелочной фосфатазой положительно регулируют активность μ-кальпаинов за счет увеличения случайных спиралей и уменьшения β-слоев в его структуре. Фосфорилирование улучшает протеолитическую активность и стимулирует аутоактивацию μ-кальпаинов. Однако повышенная концентрация кальция превосходит эффекты фосфорилирования и дефосфорилирования на активность кальпаина, и, таким образом, активность кальпаина в конечном итоге зависит от присутствия кальция. Другая известная роль кальпаинов связана с функцией клеток , помогает регулировать свертывание и диаметр кровеносных сосудов , а также играет роль в памяти . Кальпаины участвуют в апоптотической гибели клеток и, по-видимому, являются важным компонентом некроза . Фракционирование детергента выявило цитозольную локализацию кальпаина.

Повышенная активность кальпаина, регулируемая CAPNS1, в значительной степени способствует гиперреактивности тромбоцитов в гипоксической среде.

В головном мозге, в то время как μ-калпаин в основном расположены в теле клетки и дендритов из нейронов и в меньшей степени в аксонов и глиальных клеток , м-калпаин находится в глии и небольшом количестве в аксонов. Кальпаин также участвует в расщеплении белков скелетных мышц из-за физических упражнений и изменения состояния питания.

Клиническое значение

Патология

Структурное и функциональное разнообразие кальпаинов в клетке отражается в их участии в патогенезе широкого спектра заболеваний. По крайней мере, два хорошо известных генетических заболевания и одна форма рака связаны с тканеспецифическими кальпаинами. В случае дефекта кальпаин 3 млекопитающих (также известный как p94) является продуктом гена, отвечающим за мышечную дистрофию конечностей-пояса типа 2A, кальпаин 10 был идентифицирован как ген восприимчивости к сахарному диабету типа II, а кальпаин 9 был идентифицирован как ген восприимчивости к сахарному диабету II типа. супрессор опухолей при раке желудка. Более того, гиперактивация кальпаинов связана с рядом патологий, связанных с измененным гомеостазом кальция, таких как болезнь Альцгеймера и образование катаракты , а также вторичная дегенерация в результате острого клеточного стресса после ишемии миокарда, церебральной (нейрональной) ишемии, черепно-мозговой травмы. и травмы спинного мозга. Избыточное количество кальпаина может быть активировано из-за притока Са ²⁺ после цереброваскулярного нарушения (во время ишемического каскада ) или некоторых типов черепно-мозговых травм, таких как диффузное повреждение аксонов . Увеличение концентрации кальция в клетке приводит к активации кальпаина, что приводит к нерегулируемому протеолизу как целевых, так и нецелевых белков и, как следствие, необратимому повреждению тканей. Чрезмерно активные разрывы калпаины вниз молекулы в цитоскелете , такие как спектрина , микротрубочки субъединиц, ассоциированные с микротрубочками белков , и нейрофиламенты . Он также может повредить ионные каналы , другие ферменты, молекулы клеточной адгезии и рецепторы клеточной поверхности . Это может привести к деградации цитоскелета и плазматической мембраны . Кальпаин также может разрушать натриевые каналы , поврежденные из-за растяжения аксонов, что приводит к притоку натрия в клетку. Это, в свою очередь, приводит к деполяризации нейрона и притоку большего количества Ca ²⁺ . Существенным следствием активации кальпаина является развитие сердечной сократительной дисфункции, которое следует за ишемическим поражением сердца. При реперфузии ишемизированного миокарда наблюдается перегрузка или избыток кальция в сердечных клетках (кардиомиоцитах). Это увеличение кальция приводит к активации кальпаина. Недавно кальпаин был вовлечен в развитие венозного тромбоза, вызванного высокогорью, опосредуя гиперактивацию тромбоцитов.

Терапевтические ингибиторы

Таким образом, экзогенная регуляция активности кальпаина представляет интерес для разработки терапевтических средств при широком спектре патологических состояний. В качестве нескольких из многих примеров, подтверждающих терапевтический потенциал ингибирования кальпаина при ишемии, ингибитор кальпаина AK275 защищал от очагового ишемического повреждения мозга у крыс при введении после ишемии, а MDL28170 значительно уменьшал размер поврежденной ткани инфаркта на модели фокальной ишемии у крыс. Также известно, что ингибиторы кальпаина обладают нейропротективным действием: PD150606, SJA6017, ABT-705253 и SNJ-1945.

Кальпаин может выделяться в головном мозге на срок до месяца после травмы головы и может быть ответственным за сокращение мозга, которое иногда наблюдается после таких травм. Однако кальпаин также может участвовать в процессе «восстановления», который помогает восстановить повреждение после травмы.

Смотрите также

• Карта протеолиза

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки

• Calpain в Национальной медицинской библиотеке США по предметным заголовкам по медицинским предметам (MeSH)
• CaMPDB, Кальпаин для базы данных модулирующего протеолиза
• Семейство протеаз Кальпаина. (2001). Университет Аризоны.
• Информация о Calpain со ссылками в шлюзе миграции ячеек
• Альцгеймеры и протеаза кальпаина , PMAP Карта протеолиза - анимация.