Глутатион S -трансфераза -Glutathione S-transferase

Глутатион S -трансфераза
GST-wiki.jpg
Кристаллографическая структура глутатион- S- трансферазы Anopheles cracens .
Идентификаторы
ЕС нет. 2.5.1.18
№ CAS 50812-37-8
Базы данных
IntEnz Просмотр IntEnz
BRENDA BRENDA запись
ExPASy Просмотр NiceZyme
КЕГГ Запись в KEGG
MetaCyc метаболический путь
ПРИАМ профиль
Структуры PDB RCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтология Amigo / QuickGO

Глутатион S -трансферазы ( GST ), ранее известные как лигандины , представляют собой семейство эукариотических и прокариотических метаболических изоферментов фазы II, наиболее известных своей способностью катализировать конъюгацию восстановленной формы глутатиона (GSH) с ксенобиотическими субстратами с целью детоксикации. . Семейство GST состоит из трех суперсемейств: цитозольных , митохондриальных и микросомных - также известных как MAPEG - белков . Члены суперсемейства GST чрезвычайно разнообразны по аминокислотной последовательности , и большая часть последовательностей, депонированных в общедоступных базах данных, имеет неизвестную функцию. Фермент Функция Initiative (EFI) использует GSTS в качестве модели надсемейство , чтобы определить новые функции GST.

GST могут составлять до 10% цитозольного белка в некоторых органах млекопитающих. GST катализируют конъюгацию GSH - через сульфгидрильную группу - с электрофильными центрами на самых разных субстратах, чтобы сделать соединения более растворимыми в воде. Эта активность детоксифицирует эндогенные соединения, такие как перекисные липиды, и способствует расщеплению ксенобиотиков. GST могут также связывать токсины и функционировать как транспортные белки, что дало начало названию GST, лигандину .

Классификация

Глутатион S -трансфераза, С- концевой домен
PDB 2gst EBI.jpg
Структура сайта связывания ксенобиотического субстрата глутатион- S- трансферазы mu 1 крысы, связанного с аддуктом GSH фенантрен- 9,10-оксида.
Идентификаторы
Условное обозначение GST_C
Pfam PF00043
ИнтерПро IPR004046
SCOP2 2gst / SCOPe / SUPFAM
OPM суперсемейство 178
Белок OPM 5i9k
CDD cd00299

Последовательность и структура белка являются важными дополнительными критериями классификации для трех суперсемейств (цитозольных, митохондриальных и MAPEG) GST: в то время как классы из цитозольного суперсемейства GST обладают более чем 40% гомологией последовательностей , классы из других классов могут иметь менее 25%. . Цитозольные GST делятся на 13 классов в зависимости от их структуры: альфа, бета, дельта, эпсилон, дзета, тета, мю, ню, пи, сигма, тау, фи и омега. Митохондриальные GST относятся к классу каппа. Суперсемейство микросомальных GST MAPEG состоит из подгрупп, обозначенных I-IV, между которыми аминокислотные последовательности имеют менее 20% идентичности. Человеческие цитозольные GST принадлежат к классам альфа, дзета, тета, мю, пи, сигма и омега, тогда как известно, что существуют шесть изоферментов, принадлежащих к классам I, II и IV суперсемейства MAPEG.

Номенклатура

Стандартизованная номенклатура GST, впервые предложенная в 1992 г., идентифицирует виды, к которым принадлежит интересующий изофермент, с буквы нижнего регистра (например, «h» для человека), которая предшествует аббревиатуре GST. Класс изоферментов впоследствии идентифицируется заглавной буквой (например, «A» для альфа), за которой следует арабская цифра, представляющая подсемейство (или субъединицу) класса . Поскольку как митохондриальные, так и цитозольные GST существуют в виде димеров , и только гетеродимеры образуются между членами одного и того же класса, второй компонент подсемейства димера фермента обозначается дефисом, за которым следует дополнительная арабская цифра. Следовательно, если человеческая глутатион- S -трансфераза является гомодимером в подсемействе 1 pi-класса, ее имя будет записано как «hGSTP1-1».

Ранняя номенклатура GST называла их белками «Y», имея в виду их разделение на фракцию «Y» (в отличие от фракций «X и Z») с использованием хроматографии на сефадексе G75. Поскольку субъединицы GST были идентифицированы, они были обозначены как Ya, Yp и т. Д. С, если необходимо, номером, идентифицирующим изоформу мономера (например, Yb1). Литвак и др. Предложили термин «лигандин» для обозначения белков, ранее известных как белки «Y».

В клинической химии и токсикологии чаще всего используются термины альфа-GST, мю-GST и пи-GST.

Состав

Идентификаторы
Условное обозначение GST_N
Pfam PF02798
Клан пфам CL0172
ИнтерПро IPR004045
ПРОФИЛЬ PS50404
SCOP2 1g7o / SCOPe / SUPFAM

Сайт связывания глутатиона или «G-сайт» расположен в тиоредоксин- подобном домене как цитозольных, так и митохондриальных GST. Область, содержащая наибольшую вариабельность между отобранными классами, - это область спирали α2 , где один из трех различных аминокислотных остатков взаимодействует с остатком глицина глутатиона. Две подгруппы цитозольных GST были охарактеризованы на основе их взаимодействия с глутатионом: группа Y-GST, которая использует остаток тирозина для активации глутатиона, и S / C-GST, которая вместо этого использует остатки серина или цистеина .

«Белки GST представляют собой глобулярные белки с N- концевым смешанным спиральным и бета-спиральным доменом и полностью спиральным С- концевым доменом».

Свиньи пи-класс ферменты pGTSP1-1 были первым GST , чтобы его структура определена, и она является представителем других членов цитозольного GST суперсемейства, которые содержат тиоредоксин-как N - терминальный домен, а также C - терминальный домен состоящий из альфа-спиралей .

Цитозольные GST млекопитающих являются димерными , причем обе субъединицы принадлежат к одному классу GST, хотя и не обязательно идентичны. Размер мономеров составляет примерно 25 кДа. Они активны на широком спектре субстратов со значительным перекрытием. В следующей таблице перечислены все ферменты GST каждого класса, которые, как известно, существуют у Homo sapiens , согласно базе данных UniProtKB / Swiss-Prot .

Класс GST Члены класса GST (22) человека ( Homo sapiens )
Альфа GSTA1 , GSTA2 , GSTA3 , GSTA4 , GSTA5
Дельта
Каппа GSTK1
Му GSTM1 , GSTM1L (RNAi) , GSTM2 , GSTM3 , GSTM4 , GSTM5
Омега ГСТО1 , ГСТО2
Пи GSTP1
Тета GSTT1 , GSTT2 , GSTT4
Зета GSTZ1 (также известный как MAAI-малейлацетоацетат изомераза)
Микросомальный МГСТ1 , МГСТ2 , МГСТ3

Эволюция

Экологический вызов естественными токсинами помог подготовить дрозофил к вызову ДДТ , определив эволюцию GST дрозофилы, который метаболизирует и то, и другое.

Функция

Активность GST зависит от постоянного поступления GSH из синтетических ферментов гамма-глутамилцистеинсинтетазы и глутатионсинтетазы , а также от действия специфических переносчиков по удалению конъюгатов GSH из клетки. Основная роль GST заключается в детоксикации ксенобиотиков путем катализирования нуклеофильной атаки GSH на электрофильные атомы углерода, серы или азота указанных неполярных ксенобиотических субстратов, тем самым предотвращая их взаимодействие с важнейшими клеточными белками и нуклеиновыми кислотами. В частности, функция GST в этой роли является двоякой: связывать как субстрат на гидрофобном H- сайте фермента, так и GSH в соседнем гидрофильном G-сайте, которые вместе образуют активный сайт фермента; и впоследствии активировать тиольную группу GSH, делая возможным нуклеофильную атаку на субстрат. Молекула глутатиона связывается в щели между N- и C- концевыми доменами - предполагается, что каталитически важные остатки находятся в N- концевом домене. Обе субъединицы димера GST, гетеро- или гомодимерные по природе, содержат один сайт связывания без субстрата, а также сайт связывания GSH. Однако в гетеродимерных комплексах GST, таких как комплексы, образованные цитозольными мю- и альфа-классами, зазор между двумя субъединицами является домом для дополнительного высокоаффинного несубстратного сайта связывания ксенобиотиков, который может объяснять способность ферментов образовывать гетеродимеры.

Соединения, на которые воздействуют таким образом GST, охватывают широкий спектр экологических или иных экзогенных токсинов, включая химиотерапевтические агенты и другие лекарственные средства, пестициды, гербициды, канцерогены и эпоксиды различного происхождения; на самом деле, GSTs ответственны за конъюгации β 1 -8,9-эпоксида, реакционноспособного промежуточного продукта, полученного из афлатоксина B 1 , который является одним из важнейших средств защиты от токсина у грызунов. Реакции детоксикации включают первые четыре стадии синтеза меркаптуровой кислоты , при этом конъюгация с GSH делает субстраты более растворимыми и позволяет им удаляться из клетки с помощью транспортеров, таких как белок 1, связанный с множественной лекарственной устойчивостью ( MRP1 ). После экспорта продукты конъюгации превращаются в меркаптуровую кислоту и выводятся с мочой или желчью .

Большинство изоферментов млекопитающих имеют сродство к субстрату 1-хлор-2,4-динитробензол , и спектрофотометрические анализы с использованием этого субстрата обычно используются для определения активности GST. Однако некоторые эндогенные соединения, например билирубин, могут подавлять активность GST. У млекопитающих изоформы GST имеют клеточно-специфическое распределение (например, α-GST в гепатоцитах и ​​π-GST в желчных путях печени человека).

GST играют роль в процессе биоактивации пролекарства клопидогрела .

Роль в передаче сигналов клетки

Упрощенный обзор путей MAPK у млекопитающих, организованных в три основных сигнальных модуля (ERK1 / 2, JNK / p38 и ERK5).

Хотя GST наиболее известны своей способностью конъюгировать ксенобиотики с GSH и тем самым детоксифицировать клеточную среду, они также способны связывать не субстратные лиганды , что имеет важное значение для передачи сигналов в клетке . Было показано, что несколько изоферментов GST из различных классов ингибируют функцию киназы, участвующей в пути MAPK, который регулирует пролиферацию и гибель клеток , не позволяя киназе выполнять свою роль в облегчении сигнального каскада.

Цитозольный GSTP1-1, хорошо охарактеризованный изофермент семейства GST млекопитающих, экспрессируется главным образом в тканях сердца, легких и мозга; Фактически, это наиболее распространенный GST, экспрессируемый за пределами печени. На основании его сверхэкспрессии в большинстве линий опухолевых клеток человека и преобладания в опухолях, устойчивых к химиотерапии, считается, что GSTP1-1 играет роль в развитии рака и его потенциальной устойчивости к лекарственному лечению. Дальнейшие доказательства этого исходят из знания, что GSTP может избирательно ингибировать фосфорилирование C -Jun с помощью JNK , предотвращая апоптоз. Во время низкого клеточного стресса комплекс образуется за счет прямых межбелковых взаимодействий между GSTP и C- концом JNK, эффективно предотвращая действие JNK и, следовательно, его индукцию пути JNK. Клеточный окислительный стресс вызывает диссоциацию комплекса, олигомеризации ВСТПА и индукцию JNK пути, что приводит к апоптозу . Связь между ингибированием GSTP проапоптотического пути JNK и сверхэкспрессией изофермента в устойчивых к лекарствам опухолевых клетках может сама объяснять способность опухолевых клеток избегать апоптоза, опосредованного лекарствами, которые не являются субстратами GSTP.

Подобно GSTP, GSTM1 участвует в регуляции апоптотических путей посредством прямых межбелковых взаимодействий, хотя он действует на ASK1 , который находится выше JNK. Механизм и результат аналогичны GSTP и JNK в том, что GSTM1 изолирует ASK1 посредством образования комплекса и предотвращает его индукцию проапоптотических частей p38 и JNK сигнального каскада MAPK. Подобно GSTP, GSTM1 взаимодействует со своим партнером в отсутствие окислительного стресса, хотя ASK1 также участвует в реакции теплового шока , что также предотвращается во время секвестрации ASK1. Тот факт, что высокие уровни GST связаны с устойчивостью к апоптозу, индуцированному рядом веществ, включая химиотерапевтические агенты, подтверждает его предполагаемую роль в предотвращении передачи сигналов MAPK.

Последствия для развития рака

Растет количество доказательств, подтверждающих роль GST, особенно GSTP, в развитии рака и устойчивости к химиотерапии. Связь между GSTP и раком наиболее очевидна в сверхэкспрессии GSTP при многих формах рака, но это также подтверждается тем фактом, что трансформированный фенотип опухолевых клеток связан с аберрантно регулируемыми путями передачи сигналов киназ и клеточной зависимостью от сверхэкспрессируемых белков. То, что большинство противораковых препаратов являются плохими субстратами для GSTP, указывает на то, что роль повышенного GSTP во многих линиях опухолевых клеток заключается не в детоксикации соединений, а в другой цели; Эта гипотеза также подтверждается общим обнаружением сверхэкспрессии GSTP в линиях опухолевых клеток, которые не устойчивы к лекарствам.

Клиническое значение

Помимо своей роли в развитии рака и устойчивости к химиотерапевтическим препаратам, GST участвуют в различных заболеваниях в силу своего участия в GSH. Хотя доказательства минимальны для влияния полиморфизмов GST классов альфа, мю, пи и тета на предрасположенность к различным типам рака, многочисленные исследования выявили такие генотипические вариации при астме , атеросклерозе , аллергии и других воспалительных заболеваниях.

Поскольку диабет - это заболевание, которое связано с окислительным повреждением, а метаболизм GSH нарушен у пациентов с диабетом, GST могут представлять собой потенциальную мишень для лекарственного лечения диабета. Кроме того, известно , что введение инсулина приводит к увеличению экспрессии гена GST через путь PI3K / AKT / mTOR и снижению внутриклеточного окислительного стресса, в то время как глюкагон снижает экспрессию такого гена.

Гены GST класса омега (GSTO), в частности, связаны с неврологическими заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера , болезнь Паркинсона и боковой амиотрофический склероз ; опять же, виновником является окислительный стресс, снижающий экспрессию гена GSTO, что приводит к снижению возраста начала заболевания.

Выпуск GST как признак повреждения органа

Высокие внутриклеточные концентрации GST в сочетании с их клеточно-специфическим клеточным распределением позволяют им функционировать как биомаркеры для локализации и мониторинга повреждений определенных типов клеток. Например, гепатоциты содержат высокие уровни альфа-GST, и было обнаружено, что сывороточный альфа-GST является индикатором повреждения гепатоцитов при трансплантации , токсичности и вирусных инфекций.

Точно так же у людей клетки проксимальных канальцев почек содержат высокие концентрации альфа-GST, тогда как клетки дистальных канальцев содержат pi-GST. Это конкретное распределение позволяет использовать измерение GST в моче для количественной оценки и локализации повреждения почечных канальцев при трансплантации , нефротоксичности и ишемического повреждения.

В доклинических исследованиях на грызунах было показано, что альфа-GST в моче и сыворотке являются чувствительными и специфическими индикаторами некроза проксимальных канальцев почек и некроза гепатоцитов соответственно.

GST-метки и анализ GST pull-down

GST может быть добавлен к интересующему белку, чтобы очистить его от раствора в процессе, известном как анализ с пониженным содержанием белка . Это достигается путем вставки кодирующей последовательности ДНК GST рядом с последовательностью, которая кодирует интересующий белок. Таким образом, после транскрипции и трансляции белок GST и интересующий белок будут экспрессироваться вместе как слитый белок . Поскольку белок GST имеет сильную аффинность связывания с GSH, к смеси белков можно добавлять шарики, покрытые этим соединением; в результате интересующий белок, присоединенный к GST, будет прилипать к гранулам, изолируя белок от остальных белков в растворе. Гранулы извлекают и промывают свободным GSH, чтобы отделить интересующий белок от гранул, в результате чего получают очищенный белок. Этот метод может быть использован для выяснения прямых межбелковых взаимодействий. Недостатком этого анализа является то, что интересующий белок присоединяется к GST, изменяя его нативное состояние.

GST-тег часто используется для разделения и очистки белков, содержащих слитый с GST белок. Размер метки составляет 220 аминокислот (примерно 26 кДа), что по сравнению с такими метками, как Myc-tag или FLAG-tag , довольно велико. Он может быть слит либо с N- концом, либо с С- концом белка. Однако многие коммерчески доступные источники плазмид с GST-меткой включают сайт расщепления тромбином для расщепления GST-метки во время очистки белка.

Смотрите также

использованная литература

Low et al 2007

внешние ссылки