Пероксидаза эозинофилов - Eosinophil peroxidase

EPX
Идентификаторы
ПсевдонимыEPX, EPO, EPP, EPX-PEN, EPXD, пероксидаза эозинофилов
Внешние идентификаторыOMIM: 131399 MGI: 107569 ГомолоГен: 20144 Генные карты: EPX
Расположение гена (человек)
Хромосома 17 (человек)
Chr.Хромосома 17 (человек)[1]
Хромосома 17 (человек)
Геномное расположение EPX
Геномное расположение EPX
Группа17q22Начинать58,192,726 бп[1]
Конец58,205,174 бп[1]
Ортологи
РазновидностьЧеловекМышь
Entrez

8288

13861

Ансамбль

ENSG00000121053

ENSMUSG00000052234

UniProt

P11678

P49290

RefSeq (мРНК)

NM_000502

NM_007946

RefSeq (белок)

NP_000493

NP_031972

Расположение (UCSC)Chr 17: 58.19 - 58.21 МбChr 11: 87,86 - 87,88 Мб
PubMed поиск[3][4]
Викиданные
Просмотр / редактирование человекаПросмотр / редактирование мыши

Пероксидаза эозинофилов является фермент найдено в эозинофил гранулоциты, клетки врожденного иммунитета человека и млекопитающих. Этот оксидоредуктаза белок кодируется геном EPX, экспрессируется в этих миелоидных клетках. ЕПВ имеет много общего с его ортологичный пероксидазы, миелопероксидаза (MPO), лактопероксидаза (LPO), и пероксидаза щитовидной железы (TPO). Белок концентрируется в секреторных гранулы внутри эозинофилов. Пероксидаза эозинофилов гем пероксидаза, его активность, включая окисление галогенид-ионов до бактерицидных активные формы кислорода, катионное разрушение бактериальный клеточные стенки, а посттрансляционная модификация аминокислотных остатков белка.

Основная функция пероксидазы эозинофилов - катализировать формирование гипогалогеновые кислоты из пероксид водорода и галогенид ионы в растворе. Например:

ЧАС2О2 + Br− → HOBr + ЧАС2О

Гипогалогеновые кислоты, образованные из галогенидов или псевдогалогениды являются сильными окислителями.[а] Однако роль эозинофильной пероксидазы, по-видимому, заключается в генерации гифальных кислот в основном из бромида и йодида, а не хлорида, поскольку первые в значительной степени предпочтительнее вторых. Фермент миелопероксидаза отвечает за образование большей части хлорноватистой кислоты в организме, а пероксидаза эозинофилов отвечает за реакции с участием бромида и йодида.

Ген

В открытая рамка чтения пероксидазы эозинофилов человека имеет длину 2106 пар оснований (п.н.). Он включает последовательность из 381 п.о., последовательность из 333 п.о., кодирующую легкую цепь, и последовательность из 1392 п.о., кодирующую тяжелую цепь. В дополнение к ним имеется нетранслируемая область длиной 452 п.н. 3' конец, содержащий AATAAA полиаденилирование сигнал.[5]

В промоторная последовательность пероксидаза эозинофилов человека является необычайно сильным промотором. Все основные регуляторные элементы расположены в пределах 100 п.н. выше гена.[6]

Профиль EPX выражение было охарактеризовано и доступно онлайн через BioGPS. Этот набор данных показывает, что как у людей, так и у мышей EPX экспрессируется только в костном мозге. На этом уровне он более чем в 30 раз превышает средний уровень экспрессии во всех тканях организма.

Протеин

Полипептидная цепь процессируется протеолитически в тяжелую и легкую цепи во время созревания. Однако две цепи по-прежнему тесно связаны не в последнюю очередь ковалентно связанным кофактором гема. Белок продуцируется на рибосомах, встроенных в поверхность эндоплазматического ретикулума, поскольку в конечном итоге он должен быть локализован в гранулах. Белок-предшественник проходит следующие этапы обработки, прежде чем стать активным:

  • Расщепление сигнальной последовательности ER
  • пропептидное расщепление
  • модификация кофактора гема
  • ковалентная связь кофактора гема.[9]

В отличие от MPO, гем в EPO не связан через метионин. Это влияет на каталитические характеристики (см. Активный сайт ).[9]

Вторичная структура

Пероксидаза эозинофилов является преимущественно α-спиральный гемсодержащий фермент. Ядро каталитического домена, окружающего активный центр, состоит из шести α-спиралей, пять от тяжелой полипептидной цепи и одна от легкой.[11] Складка фермента, известная как складка пероксидазы гема, сохраняется среди всех членов этого семейства генов. Однако не все члены обладают пероксидазной активностью.[9]

Сайт связывания ионов кальция имеет типичный пятиугольная бипирамидальная геометрия. Он связан с петлей из восьми остатков тяжелой цепи. Лиганды представлены гидроксилом серина и треонина; основной карбонил; и группы карбоновых кислот, одна из которых происходит из легкой полипептидной цепи. Сайт кальция служит не только каркасом для сворачивания белка, но также для правильной ассоциации двух цепей. Фактически, когда ион кальция удаляется, белок осаждает из решения.[11]

Третичная структура

Белок содержит только один модульный домен. В этом отношении это прежде всего метаболический фермент или конечный эффектор; он играет небольшую роль в клеточных сигнальных путях. Общая структура четырех пероксидаз гема млекопитающих (MPO, LPO, EPO и TPO) практически идентична.[9] Однако МПО уникален тем, что существует как каталитический димер, соединенный дисульфидной связью.[10] Одним из первых известных аспектов пероксидазы эозинофилов было то, что она была высококатионной, о чем свидетельствует ее высокая изоэлектрическая точка (см. Белок). Пероксидаза эозинофилов не характеризуется Рентгеновская кристаллография. Однако прямая переписка между спектры поглощения EPO, TPO и LPO, а также высокое сходство последовательностей позволяет нам сравнивать свойства трех. Характеристики миелопероксидазы несколько отличаются из-за ее состояния мультимеризации, а также из-за ее альтернативной гемовой связи. Кроме того, для EPO была создана модель гомологии на основе структуры дифракции рентгеновских лучей.[10]

Складка очень консервативна и, по-видимому, оптимизирована для каталитической функции. Однако существуют различия, которые неудивительно объясняют различия в субстратной специфичности пероксидаз. Это расщепление является обычным явлением при изучении эволюции белков. Структурные особенности, которые крайне необходимы для функционирования, подвергаются сильному давлению консервации, в то время как области, удаленные от активного центра, подвергаются генетическому дрейфу. Это может привести к специализации или дифференциации функции, возникающей в результате модификации фрагмента ферментного ядра. Например, близкородственная тироидная пероксидаза катализирует специфическую реакцию окисления при биосинтезе гормона, в то время как другие пероксидазы гема выполняют роль в иммунной защите и передаче редокс-сигналов.

Четвертичная структура

Известно, что ЭПО человека существует как растворимый мономер.[9]

Активный сайт

Слева: протопорфирин IX; Справа: модификация для эфирной связи.
Оставили: протопорфирин IX. Справа: модифицированная форма кофактора гема, высвобождаемая из пероксидазы при расщеплении протеазой в невосстанавливающих условиях.[9]

Активный центр пероксидазы эозинофилов содержит единственный атом железа в тетрадентатный комплексообразование с протопорфирин IX кофактор. Примечательно, что это протезная группа ковалентно связан с полипептидом через сложный эфир облигации. Asp232 и Glu380 EPO ковалентно связаны через свои концевые атомы кислорода с модифицированными боковыми цепями протопорфирина.[9] Для сравнения, в миелопероксидазе есть третья точка присоединения, Met243, образующий мостик иона сульфония с боковой винильной группой на геме. Эта особенность отсутствует в EPO, и соответствующий остаток треонин.

Пятый лиганд железа - консервативный гистидин остаток, водородная связь непосредственно с аспарагин остаток.[9] Эти два критических остатка гарантируют, что железо имеет соответствующий Fe (III) / Fe (II) потенциал сокращения для катализа. Говорят, что шестые лиганды железа расположены на дистальный сторона гемовой группы. К ним относятся короткая водная сеть, состоящая из пяти молекул; стабилизируется водородными связями с остатками гистидина, глутамина и аргинина.[9] Дистальная поверхность используется для связывания субстрата и катализа.

Кристаллические структуры MPO решены как в нативном состоянии, так и со связанными ингибиторами и депонированы в Банк данных белков под инвентарными номерами 1CXP, 1D5L, 1Д2В, и 1D7W.

Активный центр пероксидазы эозинофилов.
Активный центр пероксидазы эозинофилов в состоянии покоя (восстановлении). На фото: проксимальное взаимодействие гистидина и аспарагина (внизу); дистальный гистидин и связанная вода (вверху). В окисленной форме оксиферрильный радикал занимает место связанной молекулы растворителя, а галогенидный субстрат связывается вместе с ней. Без изображения: другие связанные молекулы воды растворителя. См. Кристаллические структуры PDB или ссылки[11] и.[9]

Механизм

Основной механизм пероксидаз гема заключается в использовании перекиси водорода для получения активированной формы кофактора гема, в которой утюг принимает степень окисления +4. Затем активированный кислород может быть перенесен на субстрат, чтобы преобразовать его в химически активные формы кислорода.[9]ЭПО может пройти три различных цикла. Первый - это цикл галогенирования:

[Fe (III) ... Por] + H2О2 → [Fe (IV) = O ... Por•+] + H2О

где Por обозначает кофактор гема, а • обозначает химический радикал. Это активированное состояние гема называется соединение I. В этом состоянии кислород можно описать как оксиферил разновидность. Считается, что порфириновый радикал пи-катиона проявляет реактивность в метиновых мостиках, соединяющих четыре кольца. Восстановление соединения I в присутствии галогенидов Икс− происходит следующим образом:

[Fe (IV) = O ... Por•+] + X− → [Fe (III) ... Por] + HOX

Таким образом, соединение I восстанавливается обратно до состояния покоя фермента, и ионы галогенидов, связанные в дистальной полости, окисляются до сильных окислителей.

Однако существует второй цикл, в котором соединение I может действовать. через две стадии одноэлектронного восстановления для окисления произвольных субстратов до их радикальных форм. Этот процесс работает на большинстве негалогенидных подложек. Первый шаг идентичен, за ним следует:

[Fe (IV) = O ... Por•+] + RH → [Fe (IV) = O ... Por] + R• + H+
[Fe (IV) = O ... Por] + RH → [Fe (IV) = O ... Por] + R• + H2О

Важны физиологические последствия этого второго механизма. Было продемонстрировано, что пероксидаза эозинофилов окисляет остатки тирозина на белках, что также участвует в каскадах передачи сигналов реактивного кислорода.[12]

Третий и менее важный механизм - каталазная активность пероксидаз. Этот механизм, по-видимому, работает только в отсутствие одноэлектронных доноров.[9]

[Fe (IV) = O ... Por•+] + H2О2 → [Fe (III) ... Por] + O2 + H2О

Субстраты

Пероксидаза эозинофилов катализирует галопероксидаза реакция. EPO может принимать хлорид, бромид и йодид в качестве субстратов, а также псевдогалогенид. тиоцианат (SCN−).[13][14][15] Однако фермент предпочитает бромид хлориду, йодид бромиду и тиоцианат йодиду в отношении скорости реакции. Фактически только миелопероксидаза может окислять хлорид с любой значительной скоростью. Для сравнения, скорость йодидного катализа на пять порядков больше, чем скорость хлоридного катализа.[9] Мутант MPO, в котором гем-связанный Met243 был неконсервативно мутирован, показал отсутствие способности к хлорированию, что указывало на этот остаток или его специфическую функциональную группу в субстратной специфичности.[9]

Ингибиторы

Цианид очень прочно связывается с гемпероксидазами млекопитающих. Тесное связывание непосредственно с гемовым железом превращает белок в низкоскоростной разновидность.[9] Связывание цианида требует депротонированной формы группы с pKа 4.0-4.3. По-видимому, это дистальный остаток гистидина. Структура тройного комплекса МПО, цианида и бромида считается хорошей моделью для комплекса I-галогенид из-за его сходной геометрии (см. 1D7W ). нитрит ion также прочно связывается, образуя низкоспиновый гем.[9]

Мутанты

Один из первых хорошо охарактеризованных мутантов EPX был переход G → A, приводящий к неконсервативной мутации на уровне белка.[16]

Цитология

Крупные многоклеточные организмы задействуют несколько систем в качестве защитных усилий от заражения бактериями или вторжением паразитов. Одна стратегия, которая относится к сфере клеточный иммунитет, зависит от действия ферментов, катализирующих пероксидазную реакцию. Эозинофильная пероксидаза может быть обнаружена в первичных (азурофильных) гранулах лейкоцитов человека и млекопитающих. Локализация пероксидазы в лейкоцитах изучалась на протяжении 20 века с помощью окрашивающих агентов, таких как бензидин гидрохлорид.[17] До введения специфического иммунореактивного окрашивания такие химические индикаторы ферментативной активности были обычным явлением. электронный микроскоп, то ультраструктура многих типов клеток активно исследовались. Впоследствии было обнаружено, что пероксидаза эозинофилов локализована в первичных и вторичных гранулах эозинофила.[18]

Эозинофилы входят в состав миелоцитарная линия, один из двух основных классов Костный мозг -производные типы клеток (наряду с лимфоциты ), которые циркулируют в крови и лимфа и играть важную роль в иммунные ответы. Эозинофильная пероксидаза секретируется эозинофильными клетками в ткань в месте инфицирования. Активация клеток перед лицом инфекции приводит к высвобождению содержимого гранул и экстернализации белков и химических агентов из клетки.

Отойдя от миелопероксидазы и лактопероксидазы, эти три фермента теперь выполняют разные, но не перекрывающиеся роли; лактопероксидаза помогает поддерживать стерильность молока млекопитающих; миелопероксидаза и пероксидаза эозинофилов обитают в гранулах и играют роль в защите хозяина - пример того, как концепция единственной химической функции может быть использована в природе множеством способов.

Дефицит и болезнь

Специфический дефицит пероксидазы эозинофилов без сопутствующего дефицита миелопероксидазы встречается редко.[19] В клинических условиях дефицит ферментов лейкоцитов удобно изучать с помощью оптического проточной цитометрии.[19] Специфические недостатки миелопероксидазы были известны с 1970-х годов. Дефицит миелопероксидазы привел к отсутствию окрашивания пероксидазой нейтрофилов, но не эозинофилов.[20] Ранние исследования дефицита миелопероксидазы показали, что наиболее распространенными вариантами заболевания были миссенс-мутации, в том числе гема-связанный остаток метионина.[21] Этот недостаток часто наследуется не как простой аутосомно-рецессивный признак, а скорее как сложная гетерозиготная мутация.[22] Считается, что пациенты, страдающие дефицитом миелопероксидазы, имеют повышенную заболеваемость злокачественными опухолями. Однако у них не наблюдается значительного увеличения частоты инфицирования из-за избыточности иммунных механизмов, опосредованных пероксидазой.[23]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Натриевая соль хлорноватистой кислоты обычно используется в качестве отбеливателя для бассейнов.

Рекомендации

  1. ^ а б c ГРЧ38: Ансамбль выпуск 89: ENSG00000121053 - Ансамбль, Май 2017
  2. ^ а б c GRCm38: выпуск Ensembl 89: ENSMUSG00000052234 - Ансамбль, Май 2017
  3. ^ "Справочник человека по PubMed:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США.
  4. ^ "Ссылка на Mouse PubMed:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США.
  5. ^ а б c Тен Р.М., Пиз Л.Р., Маккин Д.Д., Белл М.П., ​​Глейх Г.Дж. (май 1989 г.). «Молекулярное клонирование пероксидазы эозинофилов человека. Доказательства существования мультигенного семейства пероксидаз». Журнал экспериментальной медицины. 169 (5): 1757–69. Дои:10.1084 / jem.169.5.1757. ЧВК  2189302. PMID  2541222.
  6. ^ Yamaguchi Y, Zhang DE, Sun Z, Albee EA, Nagata S, Tenen DG, Ackerman SJ (июль 1994 г.). «Функциональная характеристика промотора гена, кодирующего пероксидазу эозинофилов человека». Журнал биологической химии. 269 (30): 19410–9. PMID  8034708.
  7. ^ Карлсон М.Г., Петерсон К.Г., Венге П. (март 1985 г.). «Пероксидаза эозинофилов человека: очистка и характеристика». Журнал иммунологии. 134 (3): 1875–9. PMID  3918110.
  8. ^ Штрауб С., Паздрак К., Янг Т.В., Стаффорд С.Дж., Ву З., Викторович Дж.Э., Хааг А.М., Английский Р.Д., Соман К.В., Курский А. (2009). «К протеому эозинофила периферической крови человека». Протеомика. Клинические применения. 3 (10): 1151–1173. Дои:10.1002 / prca.200900043. ЧВК  2967046. PMID  21048890.
  9. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q Zederbauer M, Furtmüller PG, Brogioni S, Jakopitsch C, Smulevich G, Obinger C (июнь 2007 г.). «Связи гема с белками в пероксидазах млекопитающих: влияние на спектроскопические, окислительно-восстановительные и каталитические свойства». Отчеты о натуральных продуктах. 24 (3): 571–84. Дои:10.1039 / b604178g. PMID  17534531.
  10. ^ а б c Gioia, De; Ghibaudi, Elena M .; Лауренти, Энцо; Салмона, Марио; Феррари, Р. П. (14 октября 1996 г.). «Теоретическая трехмерная модель лактопероксидазы и пероксидазы эозинофилов, построенная на основе рентгеновской структуры миелопероксидазы». Журнал биологической неорганической химии. 1 (5): 476–485. Дои:10.1007 / s007750050081. S2CID  24903600.
  11. ^ а б c Фуртмюллер П.Г., Зедербауэр М., Янчко В., Хельм Дж., Богнер М., Якопич С., Обингер С. (январь 2006 г.). «Структура активного центра и каталитические механизмы пероксидаз человека». Архивы биохимии и биофизики. 445 (2): 199–213. Дои:10.1016 / j.abb.2005.09.017. PMID  16288970.
  12. ^ Ulrich M, Petre A, Youhnovski N, Prömm F, Schirle M, Schumm M, Pero RS, Doyle A, Checkel J, Kita H, Thiyagarajan N, Acharya KR, Schmid-Grendelmeier P, Simon HU, Schwarz H, Tsutsui M, Симокава Х., Беллон Дж., Ли Дж. Дж., Пшибыльски М., Деринг Дж. (Октябрь 2008 г.). «Посттрансляционное нитрование тирозином токсинов эозинофильных гранул, опосредованное пероксидазой эозинофилов». Журнал биологической химии. 283 (42): 28629–40. Дои:10.1074 / jbc.m801196200. ЧВК  2661412. PMID  18694936.
  13. ^ ван Дален CJ, Чайник AJ (август 2001 г.). «Субстраты и продукты пероксидазы эозинофилов». Биохимический журнал. 358 (Пт 1): 233–9. Дои:10.1042 / bj3580233. ЧВК  1222052. PMID  11485572.
  14. ^ Майено А.Н., Курран А.Дж., Робертс Р.Л., Фут С.С. (апрель 1989 г.). «Эозинофилы предпочтительно используют бромид для создания галогенирующих агентов». Журнал биологической химии. 264 (10): 5660–8. PMID  2538427.
  15. ^ Слунгард А., Махони-младший (март 1991 г.). «Тиоцианат является основным субстратом для пероксидазы эозинофилов в физиологических жидкостях. Влияние на цитотоксичность». Журнал биологической химии. 266 (8): 4903–10. PMID  2002037.
  16. ^ Романо М., Патриарка П., Мело С., Баалле Ф. Э., Дри П. (декабрь 1994 г.). «Наследственный дефицит пероксидазы эозинофилов: иммунохимические и спектроскопические исследования и доказательства сложной гетерозиготности дефекта». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 91 (26): 12496–500. Bibcode:1994PNAS ... 9112496R. Дои:10.1073 / пнас.91.26.12496. ЧВК  45465. PMID  7809065.
  17. ^ Каплов Л.С. (август 1965 г.). «Краткий отчет: Упрощенное окрашивание миелопероксидазой с использованием бензидин дигидрохлорида». Кровь. 26 (2): 215–9. Дои:10.1182 / blood.v26.2.215.215. PMID  14332483.
  18. ^ Данн В.Б., Хардин Дж. Х., Спайсер СС (декабрь 1968 г.). «Ультраструктурная локализация миелопероксидазы в нейтрофилах человека и кроличьих гетерофильных и эозинофильных лейкоцитах». Кровь. 32 (6): 935–44. Дои:10.1182 / blood.v32.6.935.935. PMID  5749754.
  19. ^ а б Вальдес, Массачусетс, Калеро (1987). «Дефицит пероксидазы эозинофилов, обнаруженный автоматизированной цитохимией». Acta Haematologica. 78 (4): 265. Дои:10.1159/000205890. PMID  3122494.
  20. ^ Бретон-Гориус Дж, Coquin Y, Гишар Дж (январь 1978 г.). «Цитохимическое различие между азурофилами и гранулами, содержащими каталазу, в лейкоцитах. I. Исследования развития нейтрофилов и моноцитов у пациентов с дефицитом миелопероксидазы: сравнение с гетерофилами цыплят с дефицитом пероксидазы». Лабораторные исследования; Журнал технических методов и патологии. 38 (1): 21–31. PMID  202802.
  21. ^ Petrides PE (сентябрь 1998 г.). «Молекулярная генетика дефицита пероксидазы». Журнал молекулярной медицины. 76 (10): 688–98. Дои:10.1007 / s001090050269. PMID  9766847. S2CID  7789099.
  22. ^ Nauseef WM, Cogley M, Bock S, Petrides PE (февраль 1998 г.). «Структура наследования наследственной недостаточности миелопероксидазы, связанной с миссенс-мутацией R569W». Журнал биологии лейкоцитов. 63 (2): 264–9. Дои:10.1002 / jlb.63.2.264. PMID  9468285. S2CID  598367.
  23. ^ Lanza F (сентябрь 1998 г.). «Клинические проявления недостаточности миелопероксидазы». Журнал молекулярной медицины. 76 (10): 676–81. Дои:10.1007 / s001090050267. PMID  9766845. S2CID  8847256.

внешняя ссылка