Пренилирование белков: механизмы и биологическое значение.

Введение

Добавление гидрофобных фрагментов к белкам или другим биомолекулам

Пренилирование (также известное как изопренилирование или липидирование) – это присоединение гидрофобных молекул к белку или биомолекуле. Обычно считается, что пренильные группы (3-метилбута-2-ен-1-ил) облегчают прикрепление к клеточным мембранам, подобно липидным якорям, таким как GPI-якорь, хотя прямых доказательств этого не получено. Пренильные группы (также называемые изопренильными группами, содержащими на один атом водорода больше, чем изопрен) показали свою важность для взаимодействия белок-белок посредством специализированных доменов связывания пренильных групп.

Пренилление белков

Пренилирование белка включает в себя перенос фарнезильной или геранилгеранилльной группы к C-концевому цистеину (цистеинам) целевого белка. В клетке пренилирование осуществляют три фермента: фарнезил-трансфераза, протеаза Caax и геранилгеранил-трансфераза I.

Фарнезилирование – это тип пренилирования, посттрансляционная модификация белков, при которой изопренильная группа присоединяется к остатку цистеина. Это важный процесс, обеспечивающий белок-белковые и белок-мембранные взаимодействия.

Места преенилирования

Существует по крайней мере 3 типа участков, которые распознаются пренилирующими ферментами. Мотив CaaX находится на COOH-конце белков, таких как ламины или Ras. Мотив состоит из цистеина (C), двух алифатических аминокислот ("aa") и некоторой другой терминальной аминокислоты ("X"). Если в X-позиции находится серин, аланин или метионин, белок фарнезилируется. Например, в родопсинкиназе последовательность CVLS. Если X – лейцин, белок геранилгеранилируется. Вторым мотивом для пренилирования является CXC, который в белке Rab3A, связанном с Ras, приводит к геранилгеранилированию обоих остатков цистеина и метилэстерификации. В соответствии с этим, было показано, что фарнезол и геранилгераниол способны нейтрализовать эффекты, вызванные статинами или азотсодержащими бисфосфонатами, что дополнительно подтверждает, что спирты могут участвовать в пренилировании, вероятно, посредством фосфорилирования соответствующего изопреноидного пирофосфата. Белки, подвергающиеся пренилированию, включают Ras, который играет центральную роль в развитии рака. Это позволяет предположить, что ингибиторы пренилирующих ферментов (например, фарнезил-трансферазы) могут влиять на рост опухоли. В случае K- и N-Ras форм Ras, при обработке клеток ингибиторами фарнезилтрансферазы (FTI), эти формы Ras могут подвергаться альтернативному пренилированию в виде геранилгеранилирования. Недавние исследования показали, что ингибиторы фарнезилтрансферазы (ФТИ) также ингибируют геранилгеранилтрансферазу Rab, и что успех этих ингибиторов в клинических испытаниях может быть обусловлен как влиянием на пренилирование Rab, так и на пренилирование Ras. Ингибиторы ферментов пренилтрансферазы проявляют различную специфичность к пренилтрансферазам в зависимости от используемого конкретного соединения. Помимо GTPаз, протеинкиназа GRK1, также известная как родопсинкиназа (RK), подвергается фарнезилированию и карбоксиметилированию, направляемым карбоксильным терминальным участком CVLS CaaX белка. Функциональные последствия этих посттрансляционных модификаций играют роль в регуляции светозависимой фосфорилирования родопсина – механизма, участвующего в адаптации к свету.

There are at least 3 types of sites that are recognized by prenylation enzymes. The CaaX motif is found at the COOH terminus of proteins, such as lamins or Ras. The motif consists of a cysteine (C), two aliphatic amino acids ("aa") and some other terminal amino acid ("X"). If the X position is serine, alanine, or methionine, the protein is farnesylated. For instance, in rhodopsin kinase the sequence is CVLS. If X is leucine, the protein is geranylgeranylated. The second motif for prenylation is CXC, which, in the Ras related protein Rab3A, leads to geranylgeranylation on both cysteine residues and methyl esterification. In accordance with this, farnesol and geranylgeraniol have been shown to be able to rescue effects caused by statins or nitrogenous bisphosphonates, further supporting that alcohols can be involved in prenylation, likely via phosphorylation to the corresponding isoprenoid pyrophosphate. Proteins that undergo prenylation include Ras, which plays a central role in the development of cancer. This suggests that inhibitors of prenylation enzymes (e. g., farnesyltransferase) may influence tumor growth. In the case of the K and N Ras forms of Ras, when cells are treated with FTIs, these forms of Ras can undergo alternate prenylation in the form of geranylgeranylation. Recent work has shown that farnesyltransferase inhibitors (FTIs) also inhibit Rab geranylgeranyltransferase and that the success of such inhibitors in clinical trials may be as much due to effects on Rab prenylation as on Ras prenylation. Inhibitors of prenyltransferase enzymes display different specificity for the prenyltransferases, dependent upon the specific compound being utilized. In addition to GTPases, the protein kinase GRK1 also known as rhodopsin kinase (RK) has been shown to undergo farnesylation and carboxyl methylation directed by the carboxyl terminal CVLS CaaX box sequence of the protein. The functional consequence of these post translational modifications have been shown to play a role in regulating the light dependent phosphorylation of rhodopsin, a mechanism involved in light adaptation.

Ингибиторы

ИПП также могут использоваться для ингибирования фарнезиляции у паразитов, таких как Trypanosoma brucei и малярия. Паразиты, по-видимому, более чувствительны к ингибированию фарнезилтрансферазы, чем люди. В некоторых случаях это может быть связано с отсутствием у них геранилгеранилтрансферазы I. Таким образом, разработка антипаразитарных препаратов может опираться на разработки ИПП для исследований рака. Кроме того, ИПП показали некоторую эффективность в лечении мышиной модели прогерии, и в мае 2007 года было начато клиническое испытание II фазы с использованием ИПП лонафарниба для детей с прогерией. В сигнальной трансдукции через G-белки пальмитоилирование α-субъединицы, пренилирование γ-субъединицы и миристоилирование участвуют в закреплении G-белка на внутренней поверхности плазматической мембраны, что позволяет G-белку взаимодействовать со своим рецептором.

Преенилирование малых молекул

Малые молекулы также могут подвергаться пренилированию, как, например, в случае пренилфлавоноидов и других меротерпеноидов. Недавно было описано пренилирование производного витамина B2 (мононуклеотида флавина).

Долговечность и сердечные эффекты

Исследование 2012 года показало, что лечение статинами увеличивает продолжительность жизни и улучшает здоровье сердца у дрозофилы, снижая специфическую пренилляцию белков. В исследовании было заключено: «Эти данные являются наиболее прямым доказательством на сегодняшний день того, что снижение пренилляции белков может улучшить здоровье сердца и увеличить продолжительность жизни у любого вида метазоанов и, возможно, объясняет плейотропные (не связанные с холестерином) эффекты статинов на здоровье». Клиническое испытание 2012 года исследовало подход к ингибированию пренилляции белков с определенной степенью успеха в лечении синдрома Хатчинсона-Гилфорда (прогерии), мультисистемного заболевания, вызывающего нарушение роста и развития, а также ускоренный атеросклероз, приводящий к ранней смерти.