regulacja aktywności katepsyny cysteiny przez glikozaminoglikany

Abstract

katepsyny cysteiny są grupą enzymów zwykle występujących w endolizosomach, gdzie biorą głównie udział w wewnątrzkomórkowym obrocie białek, ale odgrywają również kluczową rolę w przetwarzaniu i prezentacji antygenu za pośrednictwem MHC II. Jednak w wielu patologiach stwierdzono, że cysteina katepsyny są silnie regulowane i wydzielane do środowiska pozakomórkowego, gdzie stwierdzono degradację wielu zewnątrzkomórkowych białek. Główną rolę w modulowaniu aktywności katepsyny odgrywają glikozaminoglikany, które okazały się nie tylko ułatwiać ich aktywację autokatalityczną, w tym przy neutralnym pH, ale także krytycznie modulować ich działania, takie jak w przypadku aktywności kolagenolitycznej katepsyny K. interakcja między katepsynami a glikozaminoglikanami zostanie omówiona bardziej szczegółowo.

1. Wprowadzenie

katepsyny cysteiny są członkami rodziny peptydazy cysteiny podobnej do papainy . Pomimo faktu, że jedenaście katepsyn cysteinowych występujących u człowieka stanowi tylko niewielki ułamek ludzkiego repertuaru proteolitycznego, enzymy te przyciągają wiele uwagi ze względu na ich zróżnicowaną rolę w procesach fizjologicznych i patologicznych, które wahają się od niespecyficznego obrotu białka w ramach szlaku endolizosomalnego do wysoce wyspecjalizowanych funkcji w homeostazie tkankowej. Niedawno opublikowano szereg doskonałych recenzji, podsumowujących strukturalne i funkcjonalne cechy katepsyn cysteiny w zdrowiu i chorobie .

wszystkie katepsyny dzielą to samo rusztowanie strukturalne, zwane również fałdą papainową. Struktura składa się z dwóch poddomen, które zostały nazwane domenami L i R, odnosząc się do ich położenia, gdy cząsteczka jest pokazana w standardowej orientacji (rycina 1). Rozszczep miejsca aktywnego znajduje się w górnej części cząsteczki pomiędzy domeną L i R i zawiera zachowany katalityczny dyad Cys-His (oznaczony żółtymi i niebieskimi kulkami na fig.). Ogólnie rzecz biorąc, peptydazy podobne do papainy mogą działać jako endo-lub egzopeptydazy. W typowej endopeptydazie głównym wyznacznikiem swoistości jest miejsce S2 i dobrze określone miejsca na enzymie oddziałują z resztami P3 poprzez P2 ’ substratu . Pięć z jedenastu ludzkich członków rodziny (katepsyny F, K, L, S I V) są wyłącznie endopeptydazami, katepsyna B jest również dipeptydazą peptydylową, katepsyna X jest karboksypeptydazą, katepsyna H jest aminopeptydazą, a katepsyna C jest dipeptydylopeptydazą. Aktywność proteolityczna pozostałych dwóch członków, katepsyn O i W, pozostaje do ustalenia . Większość katepsyn cysteinowych jest wszechobecnie wyrażana w ludzkim ciele, podczas gdy niektóre (katepsyny K, S, V i W) są wyrażane w bardziej ograniczonych wzorach . Katepsyna K jest obficie wyrażana w osteoklastach i fibroblastach maziowych, ale znajduje się również w innych komórkach linii krwiotwórczych, nabłonkowych i fibroblastów . Najwyższe poziomy ekspresji katepsyny S występują w komórkach prezentujących antygen, katepsyna V jest wyrażana głównie w grasicy i jądrach, a ekspresja katepsyny W jest ograniczona do limfocytów CD8+ i komórek naturalnego zabójcy .

Rysunek 1
fałd peptydazy papainy przedstawiony na strukturze krystalicznej papainy. Białko jest pokazane w obrazie Kreskówkowym, a pozycja rozszczepu miejsca aktywnego jest oznaczona strzałką. Pozostałości katalityczne Cys i His są pokazane odpowiednio jako żółte i niebieskie kule. Współrzędne uzyskano z banku danych o białkach pod kodem 1ppn. Obraz powstał przy współpracy z firmą pymol (Schrödinger, LLC, Portland, OR, USA).

2. Regulacja aktywności Katepsyn cysteiny

aktywacja Zymogenu jest jednym z głównych środków regulacji aktywności katepsyny. Wszystkie katepsyny są mianowicie syntetyzowane jako nieaktywne zymogeny i aktywowane w kwaśnym środowisku pęcherzyków endolizosomalnych. Molekularny mechanizm ich aktywacji był przez długi czas zastanawiający. Krytyczne informacje pochodziły z połączenia Badań Strukturalnych prokatepsyn B, K i L, które wykazały, że propeptyd przebiega przez miejsce aktywne katepsyn w przeciwnym kierunku niż substrat , wykluczając w ten sposób rozszczepienie propeptydu w cząsteczce bez ogromnych i energetycznie niekorzystnych ruchów strukturalnych propeptydu, eliminując w ten sposób początkowo sugerowany mechanizm unimolekularny oraz szczegółowe badania kinetyczne, które wyraźnie wykazały, że aktywacja katepsyny B jest procesem bimolekularnym . Obecny model, który opiera się głównie na badaniach katepsyny B, sugeruje, że propeptyd w katepsynie zymogen przełącza się między dwoma konformacjami, tak zwanymi „zamkniętymi” i „otwartymi.”W konformacji „zamkniętej”, preferowanej przy obojętnym do lekko kwaśnego pH, propeptyd blokuje miejsce aktywne i zapobiega hydrolizie substratu, podczas gdy w formie „otwartej”, preferowanej przy kwaśnym pH poniżej pH 5,0, propeptyd jest usuwany z aktywnego rozszczepu bocznego, co powoduje niską aktywność katalityczną zymogenu . Aktywność ta jest wystarczająca do aktywacji innego katepsyny zymogenu w jednym lub kilku etapach, rozpoczynając w ten sposób reakcję łańcuchową, w której taka w pełni aktywna Dojrzała katepsyna B przetwarza większość cząsteczek zymogenu .

innymi głównymi regulatorami katepsyn cysteiny są inhibitory makromolekularne, które wiążą się z miejscem aktywnym i w ten sposób zapobiegają powiązaniu peptydazy z jej substratem. Należą one do kilku różnych rodzin, w tym cystatyny, tyropiny i serpiny, które mogą, oprócz proteaz serynowych, również hamować kilka katepsyn .

3. Glikozaminoglikany jako główne Regulatory aktywności katepsyny cysteiny

glikozaminoglikany (Gag) są heteropolisacharydami składającymi się z powtarzających się jednostek disacharydowych o wysokim ładunku ujemnym. Jest to wynikiem obecności wielu grup karboksylowych i podstawień siarczanowych. Większość gagów jest siarczanowanych, w tym siarczany chondroityny (CS), siarczan keratanu (KS), siarczan dermatanu (DS), siarczan heparanu (HS) i heparyna, podczas gdy hialuronan (HA) jest jedynym niesiarczanym GAG. W ostatnich latach Gag stały się ważnymi regulatorami katepsyn cysteinowych o zróżnicowanym wpływie na ich cele. Tradycyjnie katepsyny cysteiny były postrzegane jako proteazy lizosomalne i, podobnie jak inne enzymy lizosomalne, były hamowane przez gag w spoczynkowym lizosomie . Obecnie jednak katepsyny cysteiny są głównymi uczestnikami zewnątrzkomórkowej proteolizy . Ich działanie w środowisku pozakomórkowym bogatym w glikozaminoglikany wzbudziło wątpliwości dotyczące interakcji między katepsynami cysteiny i gagami poza lizosomem. Dwie grupy endogennych katepsyn cysteiny ludzkiej najczęściej związane z proteolizą pozakomórkową to proteazy podobne do katepsyny l (katepsyny K, L, S I V u ludzi) i katepsyna B . Dane zgromadzone w ciągu ostatnich dwóch dekad pokazują, że wzajemne oddziaływanie tych peptydaz i gag przebiega w obie strony; katepsyny cysteiny są zdolne do rozszczepiania białek rdzeniowych proteoglikanów i tym samym uwalniają gag z ich nośnika, podczas gdy gag z kolei wpływają zarówno na aktywność, jak i stabilność katepsyn cysteiny w przestrzeni zewnątrzkomórkowej.

Po raz pierwszy opisano regulację papainopodobnych peptydaz cysteinowych przez GAGs dla katepsyny L. W tych wczesnych pracach stwierdzono, że gag i różne ujemnie naładowane powierzchnie znacznie przyspieszają aktywację katepsyny L zymogenu do postaci dojrzałej, w tym przy pH bliskim obojętnemu, jak również w środowisku zewnątrzkomórkowym w różnych warunkach chorobowych. Zostało to potwierdzone dla kilku innych katepsyn, z których najważniejsza to katepsyny B I S, a nawet dla T. congolense parasite homologue congopain, sugerując, że GAGs i inne ujemnie naładowane powierzchnie mogą odgrywać główną rolę w zewnątrzkomórkowej aktywacji katepsyny w chorobie. Jednak ostatnie odkrycia dotyczące katepsyny S przy wysokim stężeniu GAG sugerują, że enzym ten może zachowywać się nieco inaczej w takich warunkach z siarczanem chondroityny (C4S), nawet wykazując efekt spowolnienia . Niemniej jednak ułatwianie autokatalitycznej aktywacji katepsyn przez Ujemnie naładowany polisacharyd siarczan dekstranu również stało się rutynową metodą wytwarzania rekombinowanych katepsyn .

większość informacji na temat molekularnego mechanizmu aktywacji katepsyny wspomaganej GAG pochodzi z badania przeprowadzonego przez Cagliča i wsp. wykorzystanie ludzkiej katepsyny B jako modelu . Jak pokazano, Gagi wydają się przyczyniać do przetwarzania na dwa sposoby. Po pierwsze, po związaniu wydają się przekształcać zymogen katepsyny w lepszy substrat. Po drugie, Wiązanie gagów najwyraźniej sprzyja otwartej konformacji zymogenu, promując w ten sposób aktywację nie tylko przy kwaśnym pH, ale także przy wartościach pH bliższych neutralnemu. Wydaje się, że tak jest w przypadku większości gagów i nie zależy krytycznie od gęstości ładunku gagów, ponieważ również HA był w stanie przyspieszyć aktywację, chociaż w mniejszym stopniu, co jest niezwykłe w przypadku interakcji białko-GAG. Co więcej, już tetrasacharyd był wystarczający do znacznego przyspieszenia autoaktywacji katepsyny B, która jest znacznie mniejsza niż w przypadku wielu innych reakcji za pośrednictwem GAG . Interakcja odbywa się za pośrednictwem interakcji jonowych; wydaje się jednak, że na zymogenach nie ma zachowanej powierzchni wiążącej GAG, ponieważ stwierdzono, że całkowicie niepowiązane reszty w prokatepsynach L I B, które w dużej mierze znajdowały się na prodomenach, regulują interakcję .

inna ważna rola gagów w regulacji aktywności katepsyny pochodzi z badań nad papainą, archetypowym przedstawicielem rodziny . Ten tryb regulacji szybko zyskał większą uwagę dzięki odkryciu, że siarczan chondroityny z chrząstki wyraźnie zwiększył aktywność kolagenolityczną katepsyny K. Ta konkretna peptydaza została odkryta kilka lat wcześniej jako jedyna proteaza odpowiedzialna za degradację kolagenu w przebudowie kości i natychmiast rozpoznana jako potencjalny kandydat na lek w leczeniu metabolicznych chorób kości, takich jak osteoporoza . Interakcja katepsyny K z siarczanem chondroityny i innymi glikozaminoglikanami została później szczegółowo zbadana zarówno z perspektywy strukturalnej , jak i funkcjonalnej, a glikozaminoglikany zostały uznane za pierwsze znane allosteryczne regulatory cysteinowej peptydazy katepsyny, jak opisano szczegółowo w poniższych sekcjach. Równolegle udokumentowano również istotne funkcjonalnie interakcje z glikozaminoglikanami u innych członków rodziny katepsyny cysteiny. Łącznie stwierdzono, że glikozaminoglikany wpływają zarówno na aktywność, jak i stabilność katepsyn cysteiny. Profile kinetyczne są zwykle zgodne z mechanizmami hiperbolicznymi, co wskazuje na interakcje z enzymami poza miejscem aktywnym, być może za pośrednictwem mechanizmów allosterycznych. Efekt stabilizujący jest ważny zwłaszcza ze względu na względną niestabilność katepsyn cysteiny przy neutralnym pH występującym w macierzy zewnątrzkomórkowej.

4. Regulacja aktywności i stabilności katepsyny k

spośród wszystkich peptydaz podobnych do papainy, katepsyna K została uznana za katepsynę najbardziej ściśle związaną z glikozaminoglikanami. Pierwotnie zidentyfikowano ją jako proteazę wyrażoną głównie w osteoklastach, a jej upośledzona aktywność powodowała ciężkie zaburzenia kostne . Katepsyna K jest kolagenazą o wyjątkowej aktywności wśród peptydaz ssaków, która jest specyficznie modulowana przez glikozaminoglikany za pośrednictwem mechanizmów allosterycznych . Ze względu na swoją centralną rolę w obrocie kostnym, katepsyna K jest obecnie uważana za jeden z najbardziej obiecujących celów leczenia osteoporozy . Oprócz przebudowy kości, katepsyna K bierze udział w różnorodnych procesach fizjologicznych i patologicznych (ostatni przegląd patrz ). Może rozszczepiać wiele zewnątrzkomórkowych substratów, w tym proteoglikany, uwalniając aktywne glikozaminoglikany , które z kolei modulują jego aktywność. W chrząstce cathepsin K degraduje kolageny typu I i typu II, a tym samym przyczynia się do rozwoju różnych zapalnych chorób stawów . Co więcej, katepsyna K jest związana z chorobami układu krążenia, otyłością, schizofrenią i rakiem .

interakcje katepsyny K z różnymi glikozaminoglikanami były przedmiotem dogłębnych badań. Chociaż kilka aspektów tych interakcji pozostaje nieuchwytnych, zgromadzone dane sugerują, że interakcje są niejednorodne i zróżnicowane i prawdopodobnie obejmują wiele miejsc wiązania enzymu. Siarczan chondroityny-4 (C4S) początkowo zidentyfikowano jako GAG o najbardziej dramatycznym wpływie na katepsynę K, podczas gdy działanie siarczanu chondroityny-6 (C6S), siarczanu dermatanu (DS) i hialuronanu (HA) było słabsze. Wszystkie badane Gag zwiększały stabilność katepsyny K w szerokim zakresie pH. C4S miał największy wpływ na degradację kolagenów typu I I II przez katepsynę K, podczas gdy jego wpływ na hydrolizę syntetycznego substratu był praktycznie identyczny z wpływem C6S i DS i spowodował dwukrotne zwiększenie wartości stałej swoistości . W późniejszym badaniu stwierdzono, że siarczan keratanu (KS) i C6S mają stymulujący wpływ na katepsynę K Podobny do działania C4S, podczas gdy heparyna i HS miały ograniczony wpływ na aktywność kolagenolityczną katepsyny k. Wczesne eksperymenty sugerują również, że złożone tworzenie z CS jest konieczne do kolagenolitycznej aktywności katepsyny K; jednak ostatnie odkrycia wykazały, że kolagen typu I może być również skutecznie rozkładany przy braku glikozaminoglikanów . Wykazano jednak, że Gag obecne w kościach nasilają kolagenolityczną aktywność katepsyny K, A endogenne stężenia GAG w kościach były wystarczające do maksymalnego wpływu na aktywność katepsyny k.

mechanizm kinetyczny wpływu CS, DS i heparyny (HP) na katepsynę K został również szczegółowo zbadany przy fizjologicznym pH osocza wynoszącym 7,4. W tych warunkach CS i DS scharakteryzowano jako nieistotne aktywatory o dominującym wpływie na powinowactwo do substratu . DS był bardziej skuteczny niż CS, co przypisywano większej elastyczności dzięki mniejszej liczbie wewnątrzcząsteczkowych wiązań wodorowych . Wewnętrzna fluorescencja wykazała, że Wiązanie GAGs wpływa na konformację katepsyny K. w przeciwieństwie do eksperymentów przeprowadzonych przy pH 5,5, CS i DS działały jako inhibitory degradacji kolagenu przy fizjologicznym pH osocza. w przeciwieństwie do tego, mechanizm kinetyczny heparyny był dwufazowy, co wskazuje na interakcję z dwoma odrębnymi miejscami enzymu. W sumie heparyna była silnym aktywatorem katepsyny K przy fizjologicznym pH osocza, zwiększając zarówno jej aktywność kolagenolityczną, jak i elastynolityczną. Ponadto heparyna miała silny wpływ stabilizujący na katepsynę K w tych warunkach, co skutkowało ponad pięciokrotnym wydłużeniem okresu półtrwania enzymu .

5. Strukturalne podstawy interakcji między Katepsyną K i GAGs

struktura krystaliczna katepsyny K i C4S ujawniła strukturalne podstawy interakcji . Miejsce wiązania znajduje się z tyłu katepsyny K i współdziała z trzema jednostkami disacharydów CS w strukturze krystalicznej (fig.2(A)). Jak zwykle, interakcja glikozaminoglikan/białko odbywa się głównie za pośrednictwem oddziaływań elektrostatycznych między ujemnie naładowanym łańcuchem GAG a dodatnio naładowanymi resztami na enzymie. Wiązanie siarczanu chondroityny nie powoduje istotnych zmian konformacyjnych w katepsynie K w porównaniu do katepsyny K wolnej od CS.odwrotnie, łańcuch CS jest wygięty po związaniu z katepsyną K (fig. 2(b)). Większość zmian konformacyjnych można przypisać oddziaływaniu z krótkim obszarem spiralnym Arg8-Lys9-Lys10, który oddziałuje z czterema ujemnie naładowanymi grupami na CS (fig. 2 (c)). Inne bliskie kontakty to Asp6, Ile171, Gln172, Asn190, Lys191 i Leu195 oraz kilka dodatkowych kontaktów mediowanych wodą .

(a)
(a)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)

(a)
(a)(b)
(b)(c)
(c)(d)
(d)

Figure 2
Interactions between human cathepsin K and GAGs. (a) Crystal structure of the cathepsin K/chondroitin-4-sulfate (C4S) complex. Białko jest pokazane w postaci kreskówek, a C4S jest pokazane jako pałeczki. B) zmiany konformacyjne w C4S po związaniu z katepsyną K. c) szczegółowe przedstawienie interakcji w panelu a). C4S jest pokazany jako kije. Szkielet katepsyny K jest pokazany jako wstążki, a pozostałości oddziałujące z C4S są pokazane jako pałeczki. D) położenie przewidywanego drugiego miejsca wiązania heparyny w katepsynie K. dodatnio naładowane pozostałości proponowane do interakcji z heparyną są pokazane jako niebieskie pałeczki. Dla orientacji, C4S związany w pierwszym miejscu wiązania jest pokazany jako pałeczki. Pozycja aktywnego rozszczepienia miejsca jest oznaczona strzałką. Współrzędne kompleksu katepsyny K / C4S Pobrano z banku danych o białkach pod kodem 3c9e. strukturę roztworu C4S modelowano na podstawie danych z . Wszystkie obrazy zostały stworzone za pomocą PyMOL.

kinetyczne zachowanie DS było analogiczne do zachowania CS: dlatego zaproponowano, że oddziałuje z katepsyną K w taki sam sposób jak CS . Z drugiej strony zaproponowano, aby heparyna wiązała się z dwoma miejscami na katepsynie K zgodnie z jej profilem kinetycznym. Podczas gdy pierwsze miejsce wiązania zostało zaproponowane jako identyczne z tym dla CS / DS, drugie miejsce wiązania było przewidywane na spodzie cząsteczki przez chemiczne eksperymenty sieciujące i modelowanie obliczeniowe . Z perspektywy strukturalnej przewidywane miejsce wiązania jest kontynuacją miejsca wiązania CD/DS i składa się z kilku zasadowych reszt (Lys10, Lys40, Lys41, Arg108, Arg111, Arg127 i Lys214) zorganizowanych w strukturę w kształcie pierścienia (fig.2(D)). Eksperymenty kinetyczne potwierdziły, że heparyna może być związana z obydwoma miejscami w tym samym czasie . Pozostaje jednak ustalić, czy wymaga to jednego łańcucha HP, który współdziała z obiema lokalizacjami w tym samym czasie, czy dwóch oddzielnych łańcuchów HP. Nie jest to jednoznaczne z interakcją innych gag z drugim miejscem wiązania HP.

6. Interakcje gag z Katepsynami S I B

oprócz katepsyny K, wykazano, że dwie inne peptydazy podobne do papainy ludzkiej, katepsyny S I B, są regulowane przez glikozaminoglikany w ich dojrzałych formach . Katepsyna S, najbliższa krewna katepsyny K, jest niezwykła wśród katepsyn cysteinowych ze względu na stabilność przy neutralnym pH . Katepsyna s pełni ważną rolę fizjologiczną w komórkach prezentujących antygen jako najważniejsza proteaza w przetwarzaniu antygenu i ostatnio stwierdzono, że jest regulowana przez C4S . W przeciwieństwie do efektu aktywacji obserwowanego w przypadku katepsyny K, C4S działał jako inhibitor degradacji kolagenu typu IV przez katepsynę S. hamowanie obserwowano również w przypadku HS, podczas gdy HP, DS, C6S i HA nieznacznie zwiększały aktywność proteolityczną katepsyny s przy użyciu kolagenu typu IV jako substratu. C4S, C6S i HS hamowały również hydrolizę Z-Phe-Arg-AMC poprzez częściowy, mieszany mechanizm. Podobnie jak katepsyna K, subtelne zmiany konformacyjne w katepsynie s obserwowano po wiązaniu C4S przez wewnętrzną spektroskopię fluorescencyjną. Na katepsynie s przewidywano trzy miejsca wiązania C4S przez dokowanie molekularne(Fig. 3 (A)). Jednym z proponowanych miejsc jest miejsce aktywne, które jednak nie jest zgodne z obserwowanym mieszanym profilem hamowania C4S; drugi znajduje się w prawym dolnym rogu cząsteczki i odpowiada niedawno zidentyfikowanemu allosterycznemu miejscu w katepsynie k , podczas gdy trzeci znajduje się na dole cząsteczki i mniej więcej odpowiada drugorzędowemu miejscu wiązania heparyny zidentyfikowanemu w katepsynie k.

(a)
(a)
(b)
(b)
(c)
(c)

(a)
(a)(b)
(b)(c)
(c)

Figure 3
Predicted GAG-binding sites in papain-like peptidases. (a) Three predicted CS-binding sites in cathepsin S. (b) Two predicted HS/HP-binding sites in cathepsin B. (c) The conserved GAG-binding motif in papain. Przewidywane miejsca są pokazane w kręgach i dodatnio naładowane pozostałości w każdym miejscu są pokazane jako niebieskie pałeczki i oznaczone. Pozycja aktywnego rozszczepienia miejsca jest oznaczona strzałką. Wszystkie współrzędne uzyskano z banku danych o białkach (kody akcesyjne: 1nqc dla katepsyny S, 3ai8 dla katepsyny B i 1ppn dla papainy, resp.). Wszystkie obrazy zostały stworzone za pomocą PyMOL.

Katepsyna B jest unikalna wśród katepsyn cysteinowych ze względu na to, że jest zarówno endopeptydazą, jak i dipeptydazą peptydylową, w zależności od konformacji pętli zamykającej, strukturą specyficzną dla katepsyny B, która zapewnia specyficzne dla pH przełączanie między obiema aktywnościami . W lizosomie niskie pH ogranicza proteazę do zamkniętej konformacji egzopeptydazy, podczas gdy prawie neutralne pH środowiska zewnątrzkomórkowego sprzyja aktywności endopeptydazy katepsyny B. Zewnątrzkomórkowa katepsyna B jest najczęściej związana z rakiem i różnymi typami zapalenia stawów . Proteaza umiejscowiona na powierzchni komórki w kilku badaniach i stwierdzono, że bierze udział w migracji komórek zarówno w warunkach fizjologicznych, jak i patologicznych . Na poziomie molekularnym wykazano, że rozszczepia wiele zewnątrzkomórkowych substratów, w tym lamininę, kolagen typu IV i fibronektynę . Ostatnio sugerowano również, że katepsyna B jest β-sekretazą, która wytwarza peptydy β amyloidu w pęcherzykach wydzielniczych neuronalnych komórek chromafin . Jednakże wykazano również, że rozkłada złogi amyloidu w modelu zwierzęcym i sugerowano, że ogólny wynik należy określić na podstawie równowagi między katepsyną B i jej endogennym inhibitorem cystatyną C.

Wiązanie HP lub HS zwiększa stabilność niestabilnego enzymu przy zasadowym pH (8, 0), jednocześnie nieznacznie zmniejszając aktywność enzymu wzdłuż całego profilu pH enzymu . Symulacje obliczeniowe przewidywały, że heparyna stabilizuje konformację cząsteczki w tych warunkach i przewidywały dwa przypuszczalne miejsca wiązania GAG (Fig .3(b)), po jednym po każdej stronie enzymu. Przypuszczalne miejsce wiązania w domenie L składa się z pięciu zasadowych reszt (Arg85, Lys86, Lys130, Lys141 i Lys144), podczas gdy jedna w domenie R zawiera tylko dwie (Lys158 i Arg235). Autorzy zasugerowali, że miejsce wiązania w domenie R ma większe powinowactwo do krótszych fragmentów GAG, takich jak disacharyd heparyny stosowany w symulacjach dokowania, podczas gdy miejsce wiązania w domenie L jest prawdopodobnie bardziej istotne dla wiązania dłuższych fragmentów GAG .

7. Interakcje gagów z innymi Peptydazami podobnymi do papainy

Co ciekawe, wykazano również, że papaina wchodzi w interakcje z gagami. Pomimo braku znaczenia fizjologicznego, interakcje te wskazują na ewolucyjnie zachowane mechanizmy regulacji w rodzinie. HP hamował papainę przez hiperboliczny mechanizm mieszany i wpływał na jej konformację . Klasyczną sekwencję konsensusu wiążącą heparynę zidentyfikowano w papainie w postaci sekwencji 187-Ile-Arg-Ile-Lys-Arg-Gly-192. Strukturalnie, sekwencja ta znajduje się po prawej stronie cząsteczki (Fig.3(c)) w regionie leżącym pomiędzy obydwoma allosterycznymi miejscami znanymi w katepsynie K.

ponadto opisano kilka przykładów proteaz z pasożytów pierwotniaków, które oddziałują z gagami, co sugeruje możliwość ich wpływu na interakcje gospodarz-pasożyt. Stwierdzono, że homolog cathepsin l brucipain, kluczowy czynnik zjadliwości pierwotniaka Trypanosoma brucei, jest allosterycznie modulowany przez HS. Działanie HS w tym badaniu było subtelne i miało zdolność do odwracania hamowania substratu przez mały substrat dipeptydowy (z-Phe-Arg-AMC) . Silniejszy wpływ HS zaobserwowano dla cruzipain od pokrewnego pasożyta Trypanosoma cruzi. W tym przypadku HS był aktywatorem peptydazy, który powodował znaczący (do 6-krotnego) wzrost aktywności peptydazy mierzonej z syntetycznym substratem. Ponadto HS zwiększał uwalnianie kininy z kininogenu o dużej masie cząsteczkowej przez cruzipainę in vitro, jak również przez żywe trypomastigoty i zmniejszał właściwości hamujące kininogenu w kierunku cruzipainy . Podobnie wykazano ostatnio, że HP moduluje aktywność peptydazy l-podobnej do katepsyny rcpb2 .8 z Leishmania mexicana. W tym przypadku HP i HS, ale nie CS lub DS, hamowały hydrolizę Z-Phe-Arg-AMC przez hiperboliczny mechanizm mieszany i wpływały na konformację białka . Ogólnie te przykłady pokazują, że interakcje z gag nie są ograniczone do endogennych katepsyn cysteiny, ale mogą również odgrywać różne role w interakcjach gospodarz-patogen i mogą działać jako część obrony organizmu przed inwazyjnymi patogenami lub jako czynniki przyczyniające się do inwazyjnych mechanizmów patogenu.

8. Celowanie farmakologiczne

Katepsyna K jest obecnie najbardziej atrakcyjnym celem leków wśród katepsyn, chociaż katepsyna S jest również odpowiednim celem w chorobach związanych z podwyższoną odpowiedzią immunologiczną, takich jak astma oskrzelowa i łuszczyca . Obecnie opracowuje się kilka inhibitorów katepsyny K, które są ukierunkowane na aktywne miejsce enzymu (zgromadzonego w). Obecnie najbardziej obiecującym inhibitorem jest odanakatyb (Merck & co., Inc., Whitehouse Station, NJ, USA), inhibitor zawierający głowicę nitrylową, wysoce selektywny dla katepsyny K. Badania kliniczne III fazy dotyczące odanakatybu zostały pomyślnie zakończone i oczekuje się, że wnioski o dopuszczenie do obrotu zostaną wkrótce złożone. Jeśli zostanie zatwierdzony, lek będzie pozycjonować się na rynku w stosunku do innych leków nowej generacji, takich jak przeciwciała anty-RANK-ligand denosumab (Amgen, Inc., Thousand Oaks, CA, USA) i teryparatyd, rekombinowana postać parathormonu (Eli Lilly and Company, Indianapolis, w USA), a także dobrze ugruntowane bisfosfoniany . Ukierunkowanie na interakcję katepsyny K / chondroityny z siarczanem stanowiłoby alternatywę dla tych metod leczenia. Endogenny siarczan chondroityny jest wystarczający do wykazania maksymalnego działania aktywacyjnego na katepsynę K, a jej trawienie zmniejsza aktywność katepsyny K o 40% . Zmniejszenie obrotu kostnego o tej wielkości prawdopodobnie wystarczyłoby do leczenia pacjentów z mniej poważną redukcją gęstości kości. Dodatkową korzyścią byłoby to, że aktywność katepsyny K per se, jak również żywotność i liczba komórek osteoklastów i osteoblastów pozostaną niezakłócone.

konflikt interesów

autorzy oświadczają, że nie ma konfliktu interesów w związku z publikacją niniejszego artykułu.

prace zostały wsparte grantami Słoweńskiej agencji badawczej (P1-0140 i J1-3602) na rzecz Borisa Turka.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.