Нуклеозид-дифосфаткиназа - Nucleoside-diphosphate kinase

Кристаллическая структура НДПК у человека, вид спереди и сбоку соответственно: дифракция рентгеновских лучей, 2,2 Å.
Нуклеозид-дифосфаткиназа
Идентификаторы
Номер ЕС2.7.4.6
Количество CAS9026-51-1
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum

Нуклеозид-дифосфаткиназы (НДПК, также Киназа NDP, (поли)нуклеотидкиназы и нуклеозид дифосфокиназаs) являются ферменты который катализировать обмен терминального фосфата между разными нуклеозиддифосфаты (ПНР) и трифосфаты (NTP) обратимым способом для производства нуклеотидтрифосфаты. Многие NDP служат акцепторами, а NTP - донорами фосфатной группы. Общая реакция по механизму пинг-понга выглядит следующим образом: XDP + YTP ← → XTP + YDP (X и Y представляют собой разные азотистые основания). Активности NDPK поддерживают равновесие между концентрациями различных нуклеозидтрифосфатов, таких как, например, когда гуанозинтрифосфат (GTP) произведено в цикл лимонной кислоты (Кребса) конвертируется в аденозинтрифосфат (АТФ).[1] Другие виды деятельности включают пролиферацию, дифференциацию и развитие клеток, преобразование сигнала, Рецептор, связанный с G-белком, эндоцитоз, и экспрессия гена.

Структура

NDPK представляют собой гомогексамерные белки, состоящие из мономеров длиной примерно 152 аминокислоты с теоретической массой 17,17 кДа.[2] Комплекс находится в митохондрии и в растворимой цитоплазме клеток.

Функция

НДПК обнаружены во всех ячейках, не проявляя особой специфичности по типам нуклеозид базы и способны принимать нуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды в качестве субстратов или доноров.[3] Следовательно, NDPK является источником предшественников РНК и ДНК, кроме АТФ.[4]NDPK использует специфическую кинетику ферментов для реакции с несколькими субстратами, а именно механизм для пинг-понга. Механизм пинг-понга объединяет фосфорилирование из гистидин остаток путем переноса концевой фосфатной группы (γ-фосфат) с АТФ на β-фосфат NDP с целью получения NTP, и NDPK катализирует такие обратимые реакции.[5] NTP фосфорилирует гистидин, который, в свою очередь, фосфорилирует NDP. НДПК участвуют в синтезе нуклеозидтрифосфаты (NTP), например гуанозинтрифосфат (GTP), цитидинтрифосфат (ОСАГО) и уридинтрифосфат (UTP), тимидинтрифосфат (TTP).[6]

Механизм пинг-понга, используемый НДПК

За этой, казалось бы, простой реакцией скрывается многоступенчатый механизм. Ключевые этапы трансфосфорилирования следующие:

  • NDPK связывается с NTP1
  • Фосфорильная группа от NTP1 переносится на His в активном центре NDPK.
  • Образуется промежуточный фосфоэнзим
  • Первоначально связанный NDP1 выпущен из NDPK, в результате чего появился новый NDP2
  • Фосфорильная группа переносится с NDPK-His на NDP2 или dNDP2, создавая связанный NTP2
  • НДПК выпускает новый протокол NTP2

Каждый шаг является частью обратимого процесса, так что многоступенчатое равновесие имеет следующую форму.

НДПК + НТП ↔ НДПК ~ НТП ↔ НДПК-П ~ НДП ↔ НДПК-П + НДП

Роли НДПК в этих НПТ различаются; как правило, киназы вводят NTP для синтеза нуклеиновых кислот. ОСАГО предоставляется на липидный синтез, UTP для полисахарид синтез, в то время как GTP используется для удлинения белка и преобразование сигнала.[3]В течение лагерь -опосредованная передача сигнала, NDPK отвечает за фосфорилирование GDP, высвобождаемого из G белки активируется от связывания с рецептором; как только АТФ отдает фосфатную группу за счет активности NDPK, последовательно связывается GTP.[7] Повышенная активность ассоциированной с мембраной NDPK приводит к синтезу цАМФ. NDPK контролирует K + каналы, G-белки, секрецию клеток, выработку клеточной энергии и синтез UTP.

Регулирование

Подавление AMPK

NDPK обычно потребляет АТФ, самый распространенный клеточный нуклеотид, и хранит нуклеотиды. Однако потребление АТФ определенно повлияет на энергетический баланс клетки, что влияет на регуляцию АМФ-активируемой протеинкиназы (AMPK ).[8] AMPK действует как датчик энергии и регулирует пути АТФ, поворачивая или нет генерирующие пути. Из-за такой активности AMPK может напрямую ингибировать NDPK через фосфорилирование. Чтобы быть более конкретным, NDPK поддерживает производство нуклеотидов в клеточных состояниях с высокой энергией и низким уровнем стресса. Однако это может произойти только тогда, когда AMPK инактивирован, потому что низкострессовые клеточные состояния АТФ запускают активацию AMPK, что в конечном итоге снижает активность NDPK за счет фосфорилирования остатков серина.

Прокариотические системы

У большинства прокариот фермент NDPK является тетрамерный. Сообщалось о наличии ряда патогенов. Функция НДПК исследована в кишечная палочка, Bacillus subtilis, Сальмонелла тифимуриум, Microccocus luteus и Myxococcus xanthus.[9] Прокариотическая НДПК образует функциональную гомотетрамер. Активность нуклеозиддифосфаткиназы включает перенос γ-фосфата нуклеозидтрифосфата (NTP) в нуклеозиддифосфат (NDP), где N1 и N2 могут быть рибо- или дезоксирибонуклеозидами. Это осуществляется через промежуточный фосфогистидин с высокой энергией. Помимо участия в синтезе пиримидин нуклеотидов, прокариотическая NDPK также участвует в нескольких циклах метаболизма. Также было обнаружено, что НДПК действует как протеин гистидинкиназа, который включает обратимое фосфорилирование гистидина как хорошо известный регуляторный сигнал.[10] Однако в большинстве прокариоты, Уровни экспрессии NDPK участвуют в росте, развитии и дифференцировке клеток организма, особенно бактерии.

NDPK - это фермент, запускающий дефосфорилирование GTP в GDP в цикле ppGpp.

(p) метаболизм ppGpp

В цикле биосинтеза (p) ppGpp NDPK играет важную роль. При отсутствии заряженного тРНК на сайте А рибосома, рибосома остановится и запустит синтез гуанозин пентафосфат ((p) ppGpp) молекула. (p) Биосинтез ppGpp является частью пути метаболизма пуринов и координирует ряд клеточных действий в ответ на изобилие пищи.[11] Синтез (p) ppGpp запускается углеродным голоданием или недостатком углерода в окружающей среде клетки и вызывает активацию белка SpoT. SpoT работает вместе с NDPK, и оба они служат важными ферментами в цикле биосинтеза (p) ppGpp. NDPK синтезирует образование GDP из GTP посредством дефосфорилирования.[12]

Функция гена Nm23

Хотя биомолекулярный механизм, с помощью которого ген Nm23 работает в клетках, в настоящее время неизвестен, как и у большинства прокариот, уровни экспрессии нуклеозиддифосфаткиназы (NDPK) определяют рост и дифференцировку клеток.[3] Обычно ген Nm23 (NME) участвует в метастаз подавление у человека. У прокариот ген Nm23 участвует в нормальном развитии и дифференцировке клеток. Сильно консервированный гомологи гена Nm23 были обнаружены у прокариот, в частности, Myxococcus xanthus, а грамм отрицательный почвенные бактерии. Гомологи Nm23 в М. xanthus были закрыты и охарактеризованы как нуклеозиддифосфаткиназа (ген ndk) и, по-видимому, необходимы для М. xanthus рост. В течение М. xanthus При развитии, активность нуклеозиддифосфаткиназы также резко снижается.[13]

Эукариотические системы

У человека существует как минимум четыре ферментативно активных изоформы NDPK: NDPK-A, NDPK-B, NDPK-C и NDPK-D. Все четыре изоформы имеют очень похожие структуры и могут объединяться в любой форме, чтобы стать функциональными гексамерами NDPK. Предполагается, что NDPK участвует в трансмембранной передаче сигналов в эукариотических клетках.[14]

В людях

В эукариотических системах роль NDK заключается в синтезе нуклеозидтрифосфатов, отличных от АТФ. Гамма-фосфат АТФ передается бета-фосфату NDP по механизму пинг-понга с использованием фосфорилированного промежуточного соединения активного центра и синтезирует такие продукты, как UTP. NDK обладает нуклеозид-дифосфаткиназой, серин / треонин-специфической протеинкиназой, геранил- и фарнезилпирофосфаткиназой, гистидин-протеинкиназой и 3'-5'-экзонуклеазной активностью. Его процессы связаны с пролиферацией, дифференцировкой и развитием клеток, а также с экспрессией генов в клетках человека. Это также часть процесса нервного развития, который включает формирование нервного паттерна и определение судьбы клеток. Более того, NDPK участвует в процессах передачи сигнала и эндоцитозе рецепторов, связанных с G-белками, поскольку переносит фосфатную группу на G-субъединицы и превращает GDP в GTP. Это увеличение концентрации GTP около α-субъединиц G-белка вызывает активацию α-субъединиц G-белка для передачи сигналов G-белка.[15] Помимо передачи сигналов, NDPK участвует в контроле K + каналов, секреции клеток и выработке клеточной энергии.

В растениях

Биохимические реакции, катализируемые киназой NDP в растениях, аналогичны активности, описанной у людей, поскольку активность аутофосфорилирования происходит от АТФ и ГТФ. Кроме того, у растений есть четыре типа изоформ NDPK. Цитозольный тип I NDPK участвует в метаболизме, росте и стрессовых реакциях растений.[16] NDPK типа II сконцентрирован в хлоропласте, и считается, что он участвует в процессе фотосинтеза и управлении окислительным стрессом, но его функция еще точно не известна.[16] NDPK типа III нацелен как на митохондрии, так и на хлоропласты, и в основном участвует в энергетическом обмене.[16] Локализация и точная функция НДПК типа IV пока не известны и требуют дальнейших исследований.[16] Кроме того, NDPK связан с H2O2-опосредованной передачей сигналов митоген-активируемой протеинкиназы у растений.[17]

Заболевания, связанные с НДПК

Десять паралогичные гены кодируют белки NDPK, которые разделены на две группы. Первая группа кодирует белки с функциями NDPK. Гены другой группы кодируют другие различные белки, которые проявляют низкую активность NDPK или не проявляют ее. В первой группе один из генов, названный NM23, был идентифицирован как первый белок-супрессор метастазов, и его ген Nm23 был менее активирован в метастатических клетках. В другом эксперименте человеческий Nm23 культивировали с раковыми клетками и продемонстрировали ингибирование метастазирования. Уровень белка NM23 был обратно пропорционален метастатическому потенциалу солидных опухолей человека. Однако другие типы опухолей, такие как рак яичников, нейробластома и гематологические злокачественные новообразования показали повышенные уровни NM23 в образцах пациентов. Следовательно, понимание биологической основы семейства генов Nm23 необходимо для твердого знания его разнообразных результатов.

Сердечно-сосудистые заболевания

Nme2, один из генов NDPK, был связан с сердечно-сосудистый функции. Ген Nme2, как известно, образует комплекс с бета-субъединицей гетеротриметрического G-белка в клетках сердца и регулирует сократительную способность сердца. Есть две функции Nme2, которые позволяют такое регулирование; один - это гистидинкиназная активность, которая представляет собой фосфорилирование каналов, регулирующих то, что проходит, а другой - функция каркаса образования кавеол. Истощение взаимодействия Nme2 / кавеолин показало снижение скорости сердечной сократимости.[18] Кроме того, больше исследований с рыбками-зебрами показали, что истощение NDPK пагубно влияет на работу сердца.[19]

Nme1 и Nme2 как супрессоры метастазов

Было много споров о том, отвечает ли ген NM23 за подавление или активацию метастазов. Две противоположные стороны по этому поводу оставались неоднозначными и неопределенными на протяжении всего исследования НДПК. Однако недавние эксперименты начали показывать доказательства того, что NM23 является супрессором метастазов. Nme2 был помечен как ген антиметастазирования с использованием технологии тканевого чипа и иммуногистохимия. Когда продукты гена Nme2 были чрезмерно продуцированы в клетках рака желудка, наблюдалось уменьшение пролиферации, миграции и инвазии таких раковых клеток. Культуры клеток показали, что Nme2 влияет на клетки рака желудка, но все еще остается вопрос, что регулирует активность Nme2 среди различных типов рака.[20] Nme1 был обнаружен в большом количестве в слабометастатических подвидах меланома клетки. Кроме того, трансфекция Nme1 в линию высокометастатической меланомы значительно снизила метастазирование. Эта теория также была проверена на мышах; у мышей с дефицитом Nme1 образовывались более крупные метастазы в легких, чем у мышей дикого типа, что показывает, что этот ген обладает подавляющей активностью. Инвазия рака происходит из-за изменений клеточной адгезии и вызвана изменениями экспрессии генов в эпителиально-мезенхимальный переход (ЕМТ). Удивительно, но молекул адгезии много, факторы подвижности, сигнальные пути, протеолитический события, отличительные признаки EMT и другие программы транскрипции, которые были связаны с белками Nme1. Эти белки прерывают метастазирование, связывая белки, способствующие метастазированию. Белки Nme1 связываются с вирусными белками, онкогены и другие факторы, способствующие метастазированию. Связывание может быть непрямым с использованием сигнального комплекса.[20]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). Биохимия - 5 место. WH Freeman and Company. стр.476. ISBN  978-0-7167-4684-3.
  2. ^ "Обзор структуры PDB 1jxv‹ Банк данных белков в Европе (PDBe) ‹EMBL-EBI". www.ebi.ac.uk. Получено 2 ноября 2015.
  3. ^ а б c «Нуклеозиддифосфаткиназа (IPR001564)». ИнтерПро. Получено 15 октября 2015.
  4. ^ Дюма С., Ласку И., Морера С., Глейзер П., Фурме Р., Кошелек В., Лакомб М.Л., Верон М., Джанин Дж. (Сентябрь 1992 г.). «Рентгеноструктура нуклеозиддифосфаткиназы». Журнал EMBO. 11 (9): 3203–8. Дои:10.1002 / j.1460-2075.1992.tb05397.x. ЧВК  556853. PMID  1324167.
  5. ^ «NME1 - нуклеозиддифосфаткиназа A - Homo sapiens (человек) - ген и белок NME1». www.uniprot.org. Получено 17 ноября 2015.
  6. ^ Салуэй, Дж. Г. (2017). Краткий обзор метаболизма, 4-е издание. Великобритания: Уайли Блэквелл. п. 110. ISBN  9781119277781.
  7. ^ Лутц С., Мура Р., Балтус Д., Мовсесян М., Кюблер В., Нируманд Ф. (январь 2001 г.). «Повышенная активность ассоциированной с мембраной нуклеозиддифосфаткиназы и ингибирование синтеза цАМФ в поврежденном миокарде человека». Сердечно-сосудистые исследования. 49 (1): 48–55. Дои:10.1016 / S0008-6363 (00) 00222-4. PMID  11121795.
  8. ^ Onyenwoke RU, Forsberg LJ, Liu L, Williams T., Alzate O, Brenman JE (январь 2012 г.). «AMPK напрямую ингибирует NDPK через переключатель фосфосерина для поддержания клеточного гомеостаза». Молекулярная биология клетки. 23 (2): 381–9. Дои:10.1091 / mbc.E11-08-0699. ЧВК  3258181. PMID  22114351.
  9. ^ Штадтман Э.Р., Чок ПБ (28.06.2014). От метаболита к метаболизму и метаболизму: актуальные темы клеточной регуляции. Эльзевир. ISBN  9781483217321.
  10. ^ Аттвуд П.В., Виланд Т. (февраль 2015 г.). «Нуклеозиддифосфаткиназа как протеин-гистидинкиназа». Архив фармакологии Наунин-Шмидеберг. 388 (2): 153–60. Дои:10.1007 / s00210-014-1003-3. PMID  24961462.
  11. ^ «spoT - Бифункциональная (p) ppGpp-синтаза / гидролаза SpoT - Escherichia coli (штамм K12) - ген и белок spoT». www.uniprot.org. Получено 17 ноября 2015.
  12. ^ Ленгелер Дж., Дрюс Дж., Шлегель Х. (10 июля 2009 г.). Биология прокариот. Джон Вили и сыновья. ISBN  9781444313307.
  13. ^ де ла Роса А., Уильямс Р.Л., Стиг П.С. (январь 1995 г.). «Nm23 / нуклеозиддифосфаткиназа: к структурному и биохимическому пониманию его биологических функций». BioEssays. 17 (1): 53–62. Дои:10.1002 / bies.950170111. PMID  7702594.
  14. ^ Otero AS (июнь 2000 г.). «NM23 / нуклеозиддифосфаткиназа и сигнальная трансдукция». Журнал биоэнергетики и биомембран. 32 (3): 269–75. Дои:10.1023 / А: 1005589029959. PMID  11768310.
  15. ^ Энгельгардт С., Роша Ф. (апрель 2007 г.). "G-белки: больше, чем преобразователи сигналов, генерируемых рецепторами?". Циркуляционные исследования. 100 (8): 1109–11. Дои:10.1161 / 01.RES.0000266971.15127.e8. PMID  17463326.
  16. ^ а б c d Дорион С., Ривоал Дж. (Февраль 2015 г.). «Ключ к разгадке функций изоформ растений НДПК». Архив фармакологии Наунин-Шмидеберг. 388 (2): 119–32. Дои:10.1007 / s00210-014-1009-x. PMID  24964975.
  17. ^ Moon H, Lee B, Choi G, Shin D, Prasad DT, Lee O, Kwak SS, Kim DH, Nam J, Bahk J, Hong JC, Lee SY, Cho MJ, Lim CO, Yun DJ (январь 2003 г.). «Киназа 2 NDP взаимодействует с двумя MAPK, активированными окислительным стрессом, чтобы регулировать окислительно-восстановительное состояние клеток и повышает устойчивость трансгенных растений к множественному стрессу» (PDF). Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 100 (1): 358–63. Дои:10.1073 / pnas.252641899. ЧВК  140977. PMID  12506203.
  18. ^ Сюй Т., Стиг П.С., Золло М., Виланд Т. (февраль 2015 г.). «Прогресс в отношении функций, связанных с семейством гена NDP (киназа NDP / Nm23 / Awd), полученных из модельных систем на животных: примеры исследований развития, сердечно-сосудистых заболеваний и метастазов рака». Архив фармакологии Наунин-Шмидеберг. 388 (2): 109–17. Дои:10.1007 / s00210-014-1079-9. PMID  25585611.
  19. ^ Mehta A, Orchard S (сентябрь 2009 г.). «Нуклеозиддифосфаткиназа (NDPK, NM23, AWD): последние достижения в области регулирования эндоцитоза, метастазов, псориаза, высвобождения инсулина, эритроидного происхождения плода и сердечной недостаточности; примеры трансляционной медицины». Молекулярная и клеточная биохимия. 329 (1–2): 3–15. Дои:10.1007 / s11010-009-0114-5. ЧВК  2721137. PMID  19415463.
  20. ^ а б Лю Ю.Ф., Ян А., Лю В., Ван С, Ван М., Чжан Л., Ван Д., Дун Дж. Ф., Ли М (01.01.2015). «NME2 снижает пролиферацию, миграцию и инвазию клеток рака желудка, чтобы ограничить метастазирование». PLOS One. 10 (2): e0115968. Дои:10.1371 / journal.pone.0115968. ЧВК  4336288. PMID  25700270.

внешняя ссылка