Аспарагинсинтетаза - Asparagine synthetase

аспарагинсинтетаза
PDB 11as EBI.jpg
Идентификаторы
СимволASNS
Альт. символы11ас, АснС
Ген NCBI440
HGNC753
OMIM108370
RefSeqNM_001673
UniProtP08243
Прочие данные
Номер ЕС6.3.5.4
LocusChr. 7 q21-q31

Аспарагинсинтетаза (или же аспартат-аммиачная лигаза) является главным образом цитоплазматическим ферментом, который производит аспарагин из аспартат.[1] Эта реакция амидирования аналогична той, которой способствует глютамин синтетаза. Этот фермент повсеместно распространен в органах млекопитающих, но базальная экспрессия относительно низка в тканях, отличных от экзокринной поджелудочной железы.[2]

Выше среднего присутствие аспарагинсинтетазы в некоторых лейкемия Было установлено, что штаммы являются значительным фактором устойчивости к химиотерапии, особенно к химиотерапевтическим препаратам, L-аспарагиназа.[3]

Структура

кишечная палочка производная аспарагинсинтетазы представляет собой димерный белок каждая субъединица сворачивается в два отдельных домена.[4] N-концевой участок состоит из двух слоев шестицепочечных антипараллельных β-листы между которыми находится активный центр, ответственный за гидролиз глутамин.[4] С-концевой домен состоит из пятицепочечной параллельной β-простыня, окаймленная с обеих сторон α-медицины. Этот домен отвечает за связывание как Mg2+АТФ и аспартат.[4] Эти два активных центра соединены туннелем, выстланным в основном атомами основной цепи и гидрофобными неполярными аминокислотными остатками.[4]

Структурная характеристика аспарагинсинтетазы из источников млекопитающих была затруднена из-за низкой распространенности и нестабильности фермента во время процедур очистки.[5]

Механизм

Используя информацию из кишечная палочка производное аспарагинсинтетазы, некоторые основные механизмы этого фермента были поняты.[5] N-концевой активный центр катализирует гидролиз глутамина с образованием глутамат и аммиак.[5] С-концевой активный центр катализирует активацию карбоксилата боковой цепи аспартата с образованием электрофильного промежуточного соединения, β-аспартил-AMP (βAspAMP) 1 и неорганического пирофосфат (PPi ).[5] Туннель, который связывает два активных центра, позволяет прохождению молекулы аммиака действовать как общий промежуточный продукт для связывания двух половинных реакций, проводимых в независимых активных центрах фермента.[5] Таким образом, после высвобождения в сайт глутаминазы и передачи из него молекула аммиака атакует связанный βAspAMP 1, давая аспарагин и AMP через тетраэдрическое промежуточное соединение.[5]

Функция

В растениях неорганическое азот извлекается из окружающей среды в форме нитрат или же аммоний.[6] Ассимиляция этого азота в аспарагин для использования в рециркуляции, транспортировке и хранении азота является важным процессом для развития растений, что делает аспарагинсинтетазу жизненно важной для поддержания этих запасов аспарагина.[6] Конкретными событиями в развитии, которые зависят от аспарагинсинтетазы, являются мобилизация азота в прорастающих семенах, рециркуляция и поток азота в вегетативных клетках в ответ на биотические и абиотические стрессы, а также ремобилизация азота из источника в органы-поглотители.[6]

Было обнаружено, что у млекопитающих экспрессия аспарагинсинтетазы связана с ростом клеток, и его мРНК содержание связано с изменениями в клеточном цикле.[5] Хомяк BHK TS11 клетки продуцируют неактивный фермент аспарагинсинтетазы, и эта потеря активности аспарагинсинтетазы напрямую привела к клеточный цикл задержка в клетках как следствие истощения клеточного аспарагина.[5] В этих клетках хомяка также наблюдалась повышающая регуляция мРНК аспарагинсинтетазы.[5] Другие эксперименты показали, что неподвижный проникновение клеток щитовидной железы крысы Фаза S в результате лечения тиреотропным гормоном сопровождалось одновременным увеличением содержания мРНК аспарагинсинтетазы.[5]

Классы

Кажется, есть две основные группы аспарагинсинтетазы:[7][6]

  • Большинство прокариотических изолированных ферментов (asnA) использовать аммиак в качестве единственного источника азота.[7][6]
  • Изолированные эукариотические и некоторые прокариотические изолированные ферменты (asnB) используют глутамин в качестве предпочтительного источника азота, хотя эти ферменты также могут использовать аммиак в качестве альтернативного субстрата.[7][6] Глутамин-зависимый AS человека кодируется одним геном, расположенным в области q21.3 на хромосоме 7.[8] Отсутствие аммиак-зависимой аспарагинсинтетазы у эукариот, вероятно, связано с необходимостью поддерживать клеточные концентрации аммиака на очень низком уровне.[7]

Клиническое значение

Рак

Лейкемия

Раковые клетки демонстрируют быстрый рост и деление клеток и, следовательно, имеют повышенную потребность в питании.[5] Особенно низкий уровень экспрессии аспарагинсинтетазы в первичных острый лимфобластный лейкоз (ВСЕ ) и многочисленных линий ALL, по сравнению с нормальными клетками, делает истощение аспарагина эффективным методом лечения из-за необычной зависимости клеток от циркулирующего в сыворотке аспарагина как необходимого питания для роста.[2][5] Как результат, L-аспарагиназа является обычным химиотерапевтическим препаратом, используемым при лечении ОЛЛ, и может применяться при других формах рака, отрицательных по аспарагинсинтетазе, таких как лимфомы, из-за его активности аспаригиназы по истощению сывороточного аспарагина.[9] Это истощение сывороточного аспарагина приводит к последующему быстрому оттоку клеточного аспарагина, который немедленно подвергается действию и разрушается также L-аспарагиназой.[5] Из-за временной реакции этих восприимчивых раковых образований в ответ на истощение запасов аспарагина, рост опухоли значительно подавляется из-за дефицита питательных веществ.[5][3]

Большинство соматических клеток экспрессируют достаточное базальное количество аспарагинсинтетазы, чтобы противодействовать этому аспарагиновому голоданию и выжить после воздействия L-аспарагиназы.[2][3][5] Кроме того, эти нормальные клетки способны повышать свою экспрессию аспарагинсинтетазы в ответ на истощение запасов аспарагина, дополнительно противодействуя некоторым токсическим эффектам лекарства на нормальную активность клеток, что является желательной чертой для химиотерапевтических препаратов.[2][3][5]

Однако противоположный эффект виден в случаях рака, устойчивого к аспарагиназе.[3] При этих устойчивых формах рака эффект истощения запасов аспарагина в крови за счет L-аспарагиназы вместо этого приводит к значительной избыточной экспрессии аспарагинсинтетазы для компенсации, эффективно сводя на нет эффект химиотерапевтического препарата.[3] Например, в моделях мышей через 24 часа после воздействия L-аспарагиназы опухоли, устойчивые к истощению, реагировали 5-19-кратным увеличением экспрессии аспарагинсинтетазы.[10] Эти устойчивые опухоли также по своей природе экспрессируют более высокие уровни активности аспарагинсинтетазы, даже без применения L-аспарагиназы для дальнейшей экспрессии.[11] Подобные тенденции часто наблюдаются и в исследованиях на людях: высокие уровни активности аспарагинсинтетазы выявляются в случаях лечения, устойчивых к аспарагиназе, по сравнению с незначительной активностью в восприимчивых случаях.[12] Как показано на in vitro исследования устойчивых клеточных линий лейкемии человека, даже через шесть недель после удаления факторов, истощающих аспарагин, повышенный уровень экспрессии аспарагинсинтетазы не смог вернуться к исходному состоянию, вместо этого оставаясь повышенным и сохраняя постоянную устойчивость к лекарствам.[13]

В то время как механизмы, лежащие в основе устойчивой сверхэкспрессии ASNS, не были описаны в этих исследованиях, профилирование транскриптома двух пациентов с T-ALL, у которых возник рецидив после лечения L-аспарагиназой, выявило повторяющуюся замену промотора с KMT2E, приводящую к сверхэкспрессии ASNS и L -устойчивость к аспарагиназе.[14] Кроме того, на мышиных модельных системах было продемонстрировано, что повторное субкультивирование чувствительных к L-аспарагиназе опухолевых клеток в сублетальных концентрациях L-аспарагиназы может в конечном итоге сделать их устойчивыми, что является потенциальным опасением для лечения химиотерапией более низкими дозами, эффективно стимулируя развитие устойчивых клеток.[15]

Возможный биомаркер рака яичников

Наблюдалась корреляция между эффективностью L-аспарагиназы и уровнями белка аспарагинсинтетазы в ряде линий клеток яичников человека.[16] Как упоминалось выше, этот результат подтвердил аналогичные наблюдения на клеточных линиях лейкемии человека.[16] Следовательно, аспарагинсинтетаза может использоваться в качестве биомаркера при скрининге рака яичников и потенциальном лечении.[16]

Возможная роль в метастазировании солидной опухоли

Переход от эпителия к мезенхиме имитировали в метастатических клетках путем адаптации клеток рака предстательной железы PC-3 от прикрепленных к суспензионной культуре, а затем исследовали, чтобы исследовать изменения в экспрессии генов одновременно с этой адаптацией к суспензии.[17] Было обнаружено, что экспрессия аспарагинсинтетазы была в шесть раз выше в суспензионных клетках, чем в прикрепленных клетках.[17] В ксенотрансплантатах из линии клеток рака молочной железы человека в установленной модели метастатических мышей[2][18] уровень аспарагинсинтетазы был повышен в циркулирующих опухолевых клетках, выделенных из крови мышей, по сравнению с родительской линией клеток.[2][18] Когда эти циркулирующие опухолевые клетки были возвращены в in vitro культуры и подвергнутые гипоксии, они показали более высокую базальную экспрессию и большую индукцию аспарагинсинтетазы, чем их родительская клеточная линия.[2][18] Было также обнаружено, что эти циркулирующие опухолевые клетки обладают повышенной способностью к образованию колоний в анализах на мягком агаре в условиях гипоксии и росли быстрее при повторной имплантации в виде ксенотрансплантатов.[2][18] Повышенная распространенность синтетазы аспарагиназы в метастатических клетках предполагает, что ее активность может быть полезной для выживания циркулирующих опухолевых клеток.[2][18]

Мелочи

Морские свинки имеют одни из самых высоких уровней естественной экспрессии аспарагинсинтетазы из-за того, что их сыворотка по своей природе содержит определяемые уровни L-аспарагиназы.[10]

Рекомендации

  1. ^ Hutson RG, Kitoh T., Moraga Amador DA, Cosic S, Schuster SM, Kilberg MS (май 1997 г.). «Аминокислотный контроль аспарагинсинтетазы: отношение к устойчивости к аспарагиназе в клетках лейкемии человека». Американский журнал физиологии. 272 (5, часть 1): C1691-9. Дои:10.1152 / ajpcell.1997.272.5.C1691. PMID  9176161.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я Баласубраманиан М.Н., Баттерворт Э.А., Килберг М.С. (апрель 2013 г.). «Аспарагинсинтетаза: регуляция клеточного стресса и участие в биологии опухолей». Американский журнал физиологии. Эндокринология и метаболизм. 304 (8): E789-99. Дои:10.1152 / ajpendo.00015.2013. ЧВК  3625782. PMID  23403946.
  3. ^ а б c d е ж Прагер М.Д., Бачинский Н. (апрель 1968 г.). «Аспарагинсинтетаза в резистентных к аспарагиназе и чувствительных лимфомах мышей». Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях. 31 (1): 43–7. Дои:10.1016 / 0006-291x (68) 90028-4. PMID  4869945.
  4. ^ а б c d Larsen TM, Boehlein SK, Schuster SM, Richards NG, Thoden JB, Holden HM, Rayment I (декабрь 1999 г.). «Трехмерная структура аспарагинсинтетазы B Escherichia coli: короткий путь от субстрата к продукту». Биохимия. 38 (49): 16146–57. Дои:10.1021 / bi9915768. PMID  10587437.
  5. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п Ричардс Н.Г., Килберг М.С. (июль 2006 г.). «Химиотерапия аспарагинсинтетазой». Ежегодный обзор биохимии. 75: 629–54. Дои:10.1146 / annurev.biochem.75.103004.142520. ЧВК  3587692. PMID  16756505.
  6. ^ а б c d е ж Gaufichon L, Reisdorf-Cren M, Rothstein SJ, Chardon F, Suzuki A (сентябрь 2010 г.). «Биологические функции аспарагинсинтетазы в растениях». Растениеводство. 179 (3): 141–153. Дои:10.1016 / j.plantsci.2010.04.010.
  7. ^ а б c d Ричардс Н.Г., Шустер С.М. (ноябрь 1998 г.). «Механистические вопросы в катализе аспарагин синтетазы». Достижения в энзимологии и смежных областях молекулярной биологии. Достижения в энзимологии и смежных областях молекулярной биологии. 72. С. 145–98. Дои:10.1002 / 9780470123188.ch5. ISBN  9780470123188. PMID  9559053.
  8. ^ Хенг Х.Х., Ши Х.М., Шерер С.В., Андрулис ИЛ, Цуй Л.К. (1994). «Уточненная локализация гена аспарагинсинтетазы (ASNS) на хромосоме 7, регион q21.3, и характеристика гибридной линии соматических клеток 4AF / 106 / KO15». Цитогенетика и клеточная генетика. 66 (2): 135–8. Дои:10.1159/000133685. HDL:10722/42532. PMID  7904551.
  9. ^ Чан В.К., Лоренци П.Л., Анишкин А., Пурваха П., Роджерс Д.М., Сухарев С.Б., Ремпе С.Б., Вайнштейн Дж.Н. (июнь 2014 г.). «Глутаминазная активность L-аспарагиназы не требуется для противораковой активности против ASNS-отрицательных клеток». Кровь. 123 (23): 3596–606. Дои:10.1182 / кровь-2013-10-535112. ЧВК  4047499. PMID  24659632.
  10. ^ а б Прагер М.Д., Бачинский Н. (сентябрь 1968 г.). «Аспарагинсинтетаза в нормальных и злокачественных тканях: корреляция с чувствительностью опухоли к аспарагиназе». Архивы биохимии и биофизики. 127 (1): 645–54. Дои:10.1016/0003-9861(68)90273-7. PMID  4880551.
  11. ^ Горовиц Б., Мадрас Б.К., Мейстер А., Старый Л.Дж., Бойс Е.А., Стокерт Е. (май 1968 г.). «Аспарагинсинтетазная активность лейкозов мышей». Наука. 160 (3827): 533–5. Bibcode:1968Sci ... 160..533H. Дои:10.1126 / science.160.3827.533. PMID  5689413. S2CID  39734239.
  12. ^ Хаскелл К.М., Канеллос Г.П. (октябрь 1969 г.). «Устойчивость к l-аспарагиназе при лейкемии человека - аспарагинсинтетаза». Биохимическая фармакология. 18 (10): 2578–80. Дои:10.1016 / 0006-2952 (69) 90375-х. PMID  4935103.
  13. ^ Асланян А.М., Флетчер Б.С., Килберг М.С. (июль 2001 г.). «Экспрессия одной аспарагинсинтетазы достаточна для индукции устойчивости к l-аспарагиназе в клетках лейкемии человека MOLT-4». Биохимический журнал. 357 (Pt 1): 321–8. Дои:10.1042 / bj3570321. ЧВК  1221958. PMID  11415466.
  14. ^ Khater F, Lajoie M, Langlois S, Healy J, Cellot S, Richer C, Beaulieu P, St-Onge P, Sailloir V, Minden M, Marzouki M, Krajinovic M, Bittencourt H, Sinnett D (2017). «KMT2E-ASNS: новый специфичный для рецидивов гибридный ген при остром лимфобластном лейкозе на ранней стадии Т-лимфоцитов». Кровь. 129 (12): 1729–1732. Дои:10.1182 / кровь-2016-10-744219. ЧВК  5374844. PMID  28069604.
  15. ^ Андрулис И.Л., Чен Дж., Рэй П.Н. (июль 1987 г.). «Выделение кДНК человека для аспарагинсинтетазы и экспрессия в клетках саркомы крысы Jensen». Молекулярная и клеточная биология. 7 (7): 2435–43. Дои:10.1128 / MCB.7.7.2435. ЧВК  365375. PMID  2886907.
  16. ^ а б c Лоренци П.Л., Вайнштейн Дж. Н. (январь 2009 г.). «Аспарагинсинтетаза: новый потенциальный биомаркер рака яичников». Новости и перспективы наркотиков. 22 (1): 61–4. Дои:10.1358 / dnp.2009.22.1.1303820 (неактивно 12.10.2020). ЧВК  4096155. PMID  19209300.CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на октябрь 2020 г. (связь)
  17. ^ а б Патрикайнен Л., Порвари К., Куркела Р., Хирвикоски П., Сойни Ю., Вихко П. (февраль 2007 г.). «Профилирование экспрессии вариантов линии клеток PC-3 и сравнение уровней транскрипта MIC-1 в доброкачественной и злокачественной простате». Европейский журнал клинических исследований. 37 (2): 126–33. Дои:10.1111 / j.1365-2362.2007.01763.x. PMID  17217378. S2CID  29946047.
  18. ^ а б c d е Амери К., Луонг Р., Чжан Х., Пауэлл А.А., Монтгомери К.Д., Эспиноза И., Були Д.М., Харрис А.Л., Джеффри С.С. (февраль 2010 г.). «Циркулирующие опухолевые клетки демонстрируют измененный ответ на гипоксию и агрессивный фенотип». Британский журнал рака. 102 (3): 561–9. Дои:10.1038 / sj.bjc.6605491. ЧВК  2805847. PMID  20051957.

внешняя ссылка