Растворимая аденилатциклаза - Soluble adenylyl cyclase

Растворимая аденилатциклаза (sAC) является регуляторным цитозольным ферментом, присутствующим почти в каждой клетке. sAC является источником циклического аденозин-3 ’, 5’ монофосфата (цАМФ) - второго посредника, который опосредует рост и дифференциацию клеток в организмах от бактерий до высших эукариот. sAC отличается от трансмембранная аденилатциклаза (tmACs) - важный источник цАМФ; в этом sAC регулируется анионами бикарбоната и рассредоточен по цитоплазме клетки. Было обнаружено, что sAC выполняет различные функции в физиологических системах, отличные от функции tmAC.

Геномный контекст и резюме

А
Структура гена: Хромосома: 1; NC_000001.10 (167778625..167883453, дополнение)

sAC кодируется одним геном Homo sapiens, идентифицированным как ADCY10 или аденилатциклаза 10 (растворимая). Этот ген упаковал 33 экзона, размер которых превышает 100 kb; хотя, похоже, используется несколько промоутеров,[1][2] и его мРНК подвергается обширному альтернативному сплайсингу.[1][2][3][4]

Структура

Функциональный sAC млекопитающих состоит из двух гетерологичных каталитических доменов (С1 и С2), образующих 50 кДа аминоконце белка.[5][6] Дополнительный C-конец фермента ~ 140 кДа включает аутоингибиторную область,[7] каноническая P-петля, потенциальный гем-связывающий домен,[8] и последовательность, подобная лейциновой молнии,[9] которые являются формой предполагаемых регуляторных доменов.

Укороченная форма фермента включает только домены C1 и C2 и называется минимальным функциональным вариантом sAC.[4][9] Эта укороченная форма sAC имеет активность по формированию цАМФ намного выше, чем ее полноразмерный тип. Эти варианты sAC стимулируются HCO3- и отвечают на все известные селективные ингибиторы sAC.[5] Кристаллические структуры этого варианта sAC, включающего только каталитическое ядро, в апо-форме и в комплексе с различными аналогами субстрата, продуктами и регуляторами, обнаруживают общую архитектуру AC класса III со специфическими для sAC особенностями.[10] Структурно родственные домены C1 и C2 образуют типичный псевдогетеродимер с одним активным центром.[5] Псевдосимметричный сайт вмещает sAC-специфический активатор HCO3-, который активируется путем запуска перестройки Arg176, остатка, соединяющего оба сайта. Анионный ингибитор sAC 4,4'-диизотиоцианатостильбен-2,2'-дисульфоновая кислота (DIDS) действует как блокатор для входа в активный центр и карман связывания бикарбоната.[10]

Активация бикарбонатом (HCO−3) и кальций (Ca2+)

Связывание и циклизация аденозин-5 ’трифосфат (АТФ) к каталитическому активному центру фермента координируется двумя катионами металлов. Каталитическая активность sAC увеличивается за счет присутствия марганца [Mn2+]. sAC магний [Mg2+] активность регулируется кальцием [Ca2+], который увеличивает сродство к АТФ sAC млекопитающих. К тому же, бикарбонат [HCO−3] выпускает ATP-Mg2+ ингибирование субстрата и увеличивает VМаксимум фермента.[11]

Состояние открытой конформации sAC достигается, когда АТФ с Ca2+ связанный со своим γ-фосфатом, связывается со специфическими остатками в каталитическом центре фермента. Когда второй металл - Mg2+ ion - связывается с α-фосфатом АТФ, приводит к конформационному изменению фермента: близкое состояние. Изменение конформации из открытого состояния в закрытое вызывает этерификацию α-фосфата рибозой в аденозине и высвобождение β- и γ-фосфатов, что приводит к циклизации.[6] Гидрокарбонат стимулирует фермент VМаксимум способствуя аллостерическому изменению, которое приводит к закрытию активного центра, рекрутирование каталитического Mg2+ ион, и корректировка фосфатов в связанном АТФ.[12] Бикарбонат активатора связывается с сайтом, псевдосимметричным активному сайту, и запускает конформационные изменения, рекрутируя Arg176 из активного сайта (см. Выше - «структура»).[10] Кальций увеличивает сродство к субстрату, замещая магний в участке иона B, который обеспечивает точку закрепления для бета- и гамма-фосфатов субстрата АТФ.[10][12]

Источники бикарбоната (HCO−3) и кальций (Ca2+)

Физиологические эффекты

Мозг и нервная система

Астроциты экспрессируют несколько вариантов сплайсинга sAC,[13] которые участвуют в метаболическом взаимодействии нейронов и астроциты. Увеличение калия [K+] во внеклеточном пространстве, вызванное активностью нейронов, деполяризует клеточную мембрану ближайших астроцитов и облегчает проникновение гидрокарбоната через Na+/ HCO−3- транспортеры.[6] Увеличение цитозольного гидрокарбоната активирует sAC; результатом этой активации является высвобождение лактат для использования в качестве источника энергии нейроны.

Кость

В остеокластах и ​​остеобластах присутствуют многочисленные варианты сплайсинга sAC,[2] а мутация в гене sAC человека связана с низкой плотностью спинного мозга.[14] Кальцификация остеобластами неразрывно связана с бикарбонатом и кальцием. Плотность костной ткани эксперименты на черепе мыши [15] культурный указывает, что HCO−3-чувствительный sAC является подходящим физиологическим регулятором образования и / или реабсорбции кости.

Сперма

активация sAC бикарбонат необходим для моторики и других аспектов емкость в сперматозоиды млекопитающих.[16][17]

использованная литература

  1. ^ а б Уильямс, Саймон; Фаррелл, Жанна; Рамос, Лавуазье; и другие. (2008). «Соматические« растворимые »изоформы аденилатциклазы не подвержены действию у мышей« нокаут »Sacytm1Lex / Sacytm1Lex». PLoS ONE. 3 (9): e3251. Дои:10.1371 / journal.pone.0003251. ЧВК  2532759. PMID  18806876.
  2. ^ а б c Гэн, Вт; Ван, З; Чжан, Дж (2005). «Клонирование и характеристика растворимой аденилатциклазы человека». Am J Physiol Cell Physiol. 288 (6): C1305 – C1316. Дои:10.1152 / ajpcell.00584.2004. PMID  15659711.
  3. ^ Шмид, А; Сутто, Z; Нленд, MC (2007). «Растворимая аденилилциклаза локализована в ресничках и способствует регуляции частоты биений ресничек за счет производства цАМФ». J Gen Physiol. 130 (1): 99–109. Дои:10.1085 / jgp.200709784. ЧВК  2154360. PMID  17591988.
  4. ^ а б Jaiswal, BS; Конти, М. (2001). «Идентификация и функциональный анализ вариантов сплайсинга аденилатциклазы, растворимой в зародышевых клетках». J Biol Chem. 276 (34): 31698–31708. Дои:10.1074 / jbc.m011698200. PMID  11423534.
  5. ^ а б c Стигборн, К. (декабрь 2014 г.). «Структура, механизм и регуляция растворимых аденилилциклаз - сходства и различия с трансмембранными аденилилциклазами». Biochim Biophys Acta. 1842 (12, часть B): 2535–47. Дои:10.1016 / j.bbadis.2014.08.012. PMID  25193033.
  6. ^ а б c Tresguerres, M; Левин, Л.Р .; Бак, Дж (2011). «Внутриклеточная передача сигналов цАМФ с помощью растворимой аденилатциклазы». Почка Int. 79 (12): 1277–88. Дои:10.1038 / ки.2011.95. ЧВК  3105178. PMID  21490586.
  7. ^ Chaloupka, JA; Баллок, С.А.; Юргенко, В (2006). «Автоингибиторная регуляция растворимой аденилилциклазы». Мол Репрод Дев. 73 (3): 361–368. Дои:10.1002 / мрд.20409. ЧВК  3644951. PMID  16250004.
  8. ^ Middelhaufe, S; Лейпельт, М; Левин, Л.Р .; Бак, Дж; Стигборн, К. (октябрь 2012 г.). «Идентификация домена гема в растворимой аденилатциклазе человека». Biosci. Представитель. 32 (5): 491–9. Дои:10.1042 / BSR20120051. ЧВК  3475452. PMID  22775536.
  9. ^ а б Бак, Дж; Синклер, ML; Шапал, Л. (1999). «Цитозольная аденилилциклаза определяет уникальную сигнальную молекулу у млекопитающих». Proc Natl Acad Sci USA. 96 (1): 79–84. Дои:10.1073 / пнас.96.1.79. ЧВК  15096. PMID  9874775.
  10. ^ а б c d Kleinboelting, S; Диаз, А; Монио, S; ван ден Хеувель, Дж; Weyand, M; Левин, Л.Р .; Бак, Дж; Стигборн, К. (март 2014 г.). «Кристаллические структуры растворимой аденилатциклазы человека раскрывают механизмы катализа и его активации через бикарбонат». Proc. Natl. Акад. Sci. Соединенные Штаты Америки. 111 (10): 3727–32. Дои:10.1073 / pnas.1322778111. ЧВК  3956179. PMID  24567411.
  11. ^ Литвин, Т.Н.; Каменецкий, М; Зарифян, А (2003). «Кинетические свойства« растворимой »аденилатциклазы. Синергизм между кальцием и бикарбонатом». J Biol Chem. 278 (18): 15922–15926. Дои:10.1074 / jbc.m212475200. PMID  12609998.
  12. ^ а б Стигборн, К; Литвин, Т.Н.; Левин, Л.Р. (2005). «Активация бикарбоната аденилатциклазы посредством промотирования каталитического закрытия активного центра и привлечения металлов». Нат Структ Мол Биол. 12 (1): 32–37. Дои:10.1038 / nsmb880. ЧВК  3644947. PMID  15619637.
  13. ^ Чхве, Хён Б.; Гордон, Грант Р.Дж .; Чжоу, Нин; Тай, Чао; Rungta, Ravi L .; Мартинес, Дженнифер; Милнер, Тереза ​​А .; Ryu, Jae K .; Макларнон, Джеймс Дж .; Тресгеррес, Мартин; Левин, Лонни Р .; Бак, Йохен; Маквикар, Брайан А. (2012). «Метаболическая связь между астроцитами и нейронами через бикарбонат-чувствительную растворимую аденилилциклазу». Нейрон. 75 (6): 1094–1104. Дои:10.1016 / j.neuron.2012.08.032. ISSN  0896-6273. ЧВК  3630998. PMID  22998876.
  14. ^ Рид, BY; Gitomer, WL; Хеллер, HJ (2002). «Идентификация и характеристика гена с заменами оснований, связанных с фенотипом абсорбтивной гиперкальциурии и низкой плотностью костной ткани позвоночника». J Clin Endocrinol Metab. 87 (4): 1476–1485. Дои:10.1210 / jc.87.4.1476. PMID  11932268.
  15. ^ Гэн, Вт; Хилл, К; Zerwekh, JE (2009). «Ингибирование образования и функции остеокластов бикарбонатом: роль растворимой аденилатциклазы». J Cell Physiol. 220 (2): 332–340. Дои:10.1002 / jcp.21767. ЧВК  3044925. PMID  19360717.
  16. ^ Се, Фанг; Гарсия, Мануэль А .; Карлсон, Энн Э .; Щух, Соня М .; Бэбкок, Доннер Ф .; Jaiswal, Bijay S .; Gossen, Jan A .; Эспозито, Глория; Дуин, Марсель ван (2006). «Растворимая аденилатциклаза (sAC) незаменима для функции сперматозоидов и оплодотворения». Биология развития. 296 (2): 353–362. Дои:10.1016 / j.ydbio.2006.05.038. PMID  16842770.
  17. ^ Веннемут, Гюнтер; Карлсон, Энн Э .; Харпер, Эндрю Дж .; Бэбкок, Доннер Ф. (апрель 2003 г.). «Действие бикарбоната на реакции жгутиков и Са2 + -каналов: начальные события активации сперматозоидов». Развитие. 130 (7): 1317–1326. Дои:10.1242 / dev.00353. ISSN  0950-1991. PMID  12588848.

внешние ссылки

  1. Tresguerres, M; Левин, Л.Р .; Бак, Дж (2011). «Внутриклеточная передача сигналов цАМФ с помощью растворимой аденилатциклазы». Почка Int. 79 (12): 1277–88. Дои:10.1038 / ки.2011.95. ЧВК  3105178. PMID  21490586.
  2. Чен, Y; Канн, MJ; Литвин, Т.Н.; и другие. (Июль 2000 г.). «Растворимая аденилилциклаза как эволюционно законсервированный датчик бикарбоната». Наука. 289 (5479): 625–8. Дои:10.1126 / science.289.5479.625. PMID  10915626.
  3. Стигборн, К. (декабрь 2014 г.). «Структура, механизм и регуляция растворимых аденилилциклаз - сходства и различия с трансмембранными аденилилциклазами». Biochim Biophys Acta. 1842 (12): 2535–47. Дои:10.1016 / j.bbadis.2014.08.012. PMID  25193033.