Катепсин отбасы: құрылымы, функциялары және аурулардағы ролі
Cathepsin
Катепсиндер – ақуызды ыдырату ферменттері. Жануарларда кездесетін, лизосомаларда белсенді болатын 12-ге жуық мүшеден тұрады. Сүйек сіңіруде де маңызды.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Протеазалар отбасы
Family of proteases
Катепсиндер (көне грекше kata – "төмен", hepsein – "қайнату"; қысқартылған CTS) – барлық жануарларда және басқа да организмдерде кездесетін протеазалар (белоктарды ыдырататын ферменттер). Бұл отбасының шамамен он екі мүшесі бар, олар құрылымымен, каталитикалық механизмімен және қай белоктарды кесіп тастайтынымен ерекшеленеді. Көптеген мүшелері лизосомалардағы төмен pH-та белсендіріледі. Осылайша, бұл отбасының активтілігі негізінен осы органеллалардың ішінде шоғырланған. Дегенмен, остеокластармен секрецияланғаннан кейін сүйек тінінің жұтылуы кезінде клеткадан тыс жұмыс істейтін катепсин K сияқты ерекшеліктер де бар. Катепсиндер сүтқоректілердің жасушалық айналымында маңызды рөл атқарады.
Cathepsins (Ancient Greek kata "down" and hepsein "boil"; abbreviated CTS) are proteases (enzymes that degrade proteins) found in all animals as well as other organisms. There are approximately a dozen members of this family, which are distinguished by their structure, catalytic mechanism, and which proteins they cleave. Most of the members become activated at the low pH found in lysosomes. Thus, the activity of this family lies almost entirely within those organelles. There are, however, exceptions such as cathepsin K, which works extracellularly after secretion by osteoclasts in bone resorption. Cathepsins have a vital role in mammalian cellular turnover.
Катепсин А
Бұл белоктың жетіспеушілігі галактозиалидоздың түрлі формаларымен байланысты. Қатерлі меланоманың метастаздық зақымдануларының лизаттарындағы катепсин А активтілігі, бастапқы ошақ лизаттарына қарағанда айтарлықтай жоғары. Катепсин А бұлшық ет дистрофиясы және денервациялық ауруларға шалдыққан, орташа дәрежеде зақымдалған бұлшық еттерде артқан.
Deficiencies in this protein are linked to multiple forms of galactosialidosis. The cathepsin A activity in lysates of metastatic lesions of malignant melanoma is significantly higher than in primary focus lysates. Cathepsin A increased in muscles moderately affected by muscular dystrophy and denervating diseases.
Катепсин В
Катепсин B бета-секретаза 1 ретінде қызмет ете алады, амилоид прекурсор ақуызын тікелей кесіп, амилоид-бетаның түзілуіне себеп болады. Пептидаза C1 отбасының мүшесі болып табылатын кодталған белоктың жоғары экспрессиясы, ішек безінің аденокарциномы және басқа да ісіктермен байланысты. Катепсин B сонымен қатар, адам ісіктерінің прогрессиясына қатысты. Ісік жасушаларындағы осы ферменттің жоғары деңгейі, қатерлі өсуге байланысты сияқты.
Cathepsin B may function as a beta secretase 1, cleaving amyloid precursor protein to produce amyloid beta. Overexpression of the encoded protein, which is a member of the peptidase C1 family, has been associated with esophageal adenocarcinoma and other tumors. Cathepsin B has also been implicated in the progression of various human tumors High levels of this enzyme in tumor cells seems to be associated with greater invasiveness.
Катепсин К
Катепсин К – сүтқоректілердің ең қуатты коллагеназасы. Катепсин К остеопорозға қатысады, бұл ауруда сүйек тығыздығының төмендеуі салдарынан сүйек сыну қаупі артады. Остеокластар – организмнің сүйекті қайта сіңіретін жасушалары, және олар сүйектің минералды емес белокты матрицасының негізгі құрауышы – коллагенді ыдырату үшін катепсин К-ні бөліп шығарады. Катепсин К, басқа катепсиндермен бірге, клеткадан тыс матрицаны ыдырату арқылы қатерлі ісік метастаздарының дамуына ықпал етеді. Атеросклерозбен ауыратын егеуқұйрықтардағы S және K катепсиндерінің генетикалық жойылуы атеросклеротикалық зақымданулардың көлемін азайтатыны көрсетілді. Мәдени өршіл жасушаларда катепсин К экспрессиясы серпімдік кернеумен реттеледі. Катепсин К артритте де маңызды рөл атқаратыны анықталды.
Cathepsin K is the most potent mammalian collagenase. Cathepsin K is involved in osteoporosis, a disease in which a decrease in bone density causes an increased risk for fracture. Osteoclasts are the bone resorbing cells of the body, and they secrete cathepsin K in order to break down collagen, the major component of the non mineral protein matrix of the bone. Cathepsin K, among other cathepsins, plays a role in cancer metastasis through the degradation of the extracellular matrix. The genetic knockout for cathepsin S and K in mice with atherosclerosis was shown to reduce the size of atherosclerotic lesions. The expression of cathepsin K in cultured endothelial cells is regulated by shear stress. Cathepsin K has also been shown to play a role in arthritis.
Катепсин V
Тышқандағы L катепсині адамдағы V катепсинімен гомологты. Тышқандарда L катепсинінің май түзілуіне және глюкозаға төзімсіздікке қатысты рөл атқаратыны көрсетілген. Катепсин L фибронектин, инсулин рецепторын (IR) және инсулинге ұқсас өсу факторы 1 рецепторын (IGF 1R) ыдыратады. L катепсині жетіспейтін тышқандарда майлы тіндердің мөлшері, қан сарысуындағы глюкоза мен инсулин деңгейі төмендеген, инсулин рецепторларының суббөлімдері, глюкоза тасымалдаушы (GLUT4) және фибронектин жабайы типтегі бақылау топтарымен салыстырғанда артық екені анықталды.
Mouse cathepsin L is homologous to human cathepsin V. Mouse cathepsin L has been shown to play a role in adipogenesis and glucose intolerance in mice. Cathepsin L degrades fibronectin, insulin receptor (IR), and insulin like growth factor 1 receptor (IGF 1R). Cathepsin L deficient mice were shown to have less adipose tissue, lower serum glucose and insulin levels, more insulin receptor subunits, more glucose transporter (GLUT4) and more fibronectin than wild type controls.
Ингибиторлар
Бес циклдік пептид адамның L, B, H және K катепсиндеріне қатысты тежеуші белсенділік көрсетеді. Бірнеше тежегіштер клиникалық сынақтарға жетті, K және S катепсиндерін остеопороз, остеоартрит және созылмалы ауырсынуды емдеу үшін перспективті терапиялық құралдар ретінде бағыттап, зерттеді. Катепсин K тежегіштері Relacatib, Balicatib және Odanacatib, жағымсыз әсерлерге байланысты I, II және III фазалардағы клиникалық сынақтарды тиісінше тоқтатты. Катепсин S тежегіші SAR114137 созылмалы ауырсынуға қатысты I фазадан өте алмады. 2022 жылы Катепсин L тежегіші STI 1558, COVID-19-ды емдеу үшін I фазалық зерттеулерді бастауға FDA-ның келісімін алды.
Five cyclic peptides show inhibitory activity towards human cathepsins L, B, H, and K. Several inhibitors have reached clinical trials, targeting cathepsins K and S as promising therapeutics for osteoporosis, osteoarthritis, and chronic pain. Cathepsin K inhibitors, Relacatib, Balicatib, and Odanacatib, were terminated during clinical trials at phases I, II, and III, respectively, owing to adverse side effects. SAR114137, a Cathepsin S inhibitor, did not progress past phase I for chronic pain. In 2022, STI 1558, a Cathepsin L inhibitor, received FDA clearance to begin phase I studies to treat COVID 19.
Катепсин цимографиясы
Зимография – фермент белсенділігін анықтау үшін субстрат қосылған полиакриламид гельдік электрофорездің бір түрі. Катепсин зимографиясы әртүрлі катепсиндерді желатин субстраты қосылған полиакриламид гель арқылы орын ауыстыруына сәйкес бөліп шығарады. Электрофорез тотықсыздандырылмаған жағдайда жүргізіледі, ал ферменттердің денатурацияға ұшырауынан сақтау үшін леупептин қолданылады. Белоктың мөлшері анықталғаннан кейін, гельге тең мөлшерде тіндік белок салынады. Содан кейін белок гель арқылы қозғалады. Электрофорезден кейін гель ренатурациялық буферге салынып, катепсиндерді олардың табиғи күйіне қайтару үшін қолданылады. Гель белгілі бір pH деңгейі бар активтеу буферіне салынып, 37°C температурада түгел түнге инкубацияланады. Бұл активтеу кезеңі катепсиндерге желатин субстратын ыдыратуға мүмкіндік береді. Гельді Кумасси көк бояуымен бояғанда, әлі де желатин қалған гельдің бөліктері көк түспен көрінеді. Катепсиндер белсенді болған гельдің бөліктері ақ жолақтар түрінде пайда болады. Бұл катепсин зимографиясының протоколы пісіп жетілген катепсин K-нің фемтомольдық мөлшерін анықтау үшін қолданылған.
Zymography is a type of gel electrophoresis that uses a polyacrylamide gel co polymerized with a substrate in order to detect enzyme activity. Cathepsin zymography separates different cathepsins based on their migration through a polyacrylamide gel co polymerized with a gelatin substrate. The electrophoresis takes place in non reducing conditions, and the enzymes are protected from denaturation using leupeptin. After protein concentration is determined, equal amounts of tissue protein are loaded into a gel. The protein is then allowed to migrate through the gel. After electrophoresis, the gel is put into a renaturing buffer in order to return the cathepsins to their native conformation. The gel is then put into an activation buffer of a specific pH and left to incubate overnight at 37 °C. This activation step allows the cathepsins to degrade the gelatin substrate. When the gel is stained using a Coomassie blue stain, areas of the gel still containing gelatin appear blue. The areas of the gel where cathepsins were active appear as white bands. This cathepsin zymography protocol has been used to detect femtomole quantities of mature cathepsin K.
Тарих
Катепсин термині 1929 жылы Ричард Вильштеттер мен Юген Баманн лейкоциттердің және тіндердің аздап қышқылдық рН-дегі протеолиздік активтілігін сипаттау үшін қолданылған (Вилштеттер мен Баманн (1929) Hoppe Seylers Z. Physiol. Chemie 180, 127–143). MEDLINE дерекқорынан (мысалы, PubMed арқылы) табылған «катепсин» сөзінің ең ерте жазбасы 1949 жылғы Journal of Biological Chemistry журналында кездеседі. Дегенмен, осы мақаладағы сілтемелер катепсиндердің алғаш рет 20 ғасырдың басында анықталып, аталғанын көрсетеді. Бұл жұмыстың көп бөлігі Макс Бергманның зертханасында жүргізілді, ол ғасырдың алғашқы онжылдықтарын осы протеазаларды анықтауға арнады. Айта кететін жайт, 1930 жылдарда жарияланған зерттеулер (көбінесе Бергманның еңбектері) «катептік ферменттер» терминін папаин, бромелин және катепсиннен тұратын протеазалардың кең отбасына сілтеме жасау үшін пайдаланған. Гемоглобин қолданып протеазаларды тазарту және сипаттау жұмыстары «катепсин» сөзі бір ғана ферментті білдірген кезде жасалды; сол кезде бірнеше түрлі катепсин отбасы мүшелерінің (мысалы, B, H, L) бар екені түсініксіз болды. Алайда, 1937 жылы Бергман және оның әріптестері катепсиндерді адам организміндегі олардың бастапқы көзіне қарай ажырата бастады (мысалы, бауыр катепсині, көкбауыр катепсині).
The term cathepsin was coined in 1929 by Richard Willstätter and Eugen Bamann to describe a proteolytic activity of leukocytes and tissues at slightly acidic pH (Willstätter & Bamann (1929) Hoppe Seylers Z. Physiol. Chemie 180, 127 143). The earliest record of "cathepsin" found in the MEDLINE database (e. g., via PubMed) is from the Journal of Biological Chemistry in 1949. However, references within this article indicate that cathepsins were first identified and named around the turn of the 20th century. Much of this earlier work was done in the laboratory of Max Bergmann, who spent the first several decades of the century defining these proteases. It is notable that research published in the 1930s (primarily by Bergmann) used the term "catheptic enzymes" to refer to a broad family of proteases that included papain, bromelin, and cathepsin itself. Initial efforts to purify and characterize proteases using hemoglobin transpired at a time when the word "cathepsin" indicated a single enzyme; the existence of multiple, distinct cathepsin family members (e. g. B, H, L) did not appear to be understood at the time. However, by 1937 Bergmann and colleagues began to differentiate cathepsins on the basis of their source in the human body (e. g. liver cathepsin, spleen cathepsin).