Введение
Глюкозо-6-фосфатная изомераза (GPI), также известная как фосфоглюкозоизомераза/фосфоглюкозизомераза (PGI) или фосфогексозоизомераза (PHI), – это фермент, кодируемый у человека геном GPI на 19-й хромосоме. Этот ген кодирует белок, принадлежащий к семейству глюкозофосфатных изомераз. Кодируемый белок был идентифицирован как мультифункциональный белок, благодаря способности выполнять механистически различные функции. В цитоплазме продукт гена функционирует как гликолитический фермент (глюкозо-6-фосфатная изомераза), который взаимопреобразует глюкозо-6-фосфат (G6P) и фруктозо-6-фосфат (F6P). Вне клетки кодируемый белок (также называемый нейролейкином) функционирует как нейротрофический фактор, способствующий выживанию скелетных моторных нейронов и сенсорных нейронов, а также как лимфокин, индуцирующий секрецию иммуноглобулинов. Кодируемый белок также известен как фактор аутокринной подвижности (AMF) в связи с дополнительной функцией в качестве опухолевого секретируемого цитокина и ангиогенного фактора. Дефекты этого гена являются причиной негемолитической анемии, а выраженный дефицит фермента может быть связан с гидропсом плода, немедленной неонатальной смертью и неврологическими нарушениями. Альтернативный сплайсинг приводит к образованию множества вариантов транскриптов. [предоставлено RefSeq, январь 2014]
Glucose 6 phosphate isomerase (GPI), alternatively known as phosphoglucose isomerase/phosphoglucoisomerase (PGI) or phosphohexose isomerase (PHI), is an enzyme ( ) that in humans is encoded by the GPI gene on chromosome 19. This gene encodes a member of the glucose phosphate isomerase protein family. The encoded protein has been identified as a moonlighting protein based on its ability to perform mechanistically distinct functions. In the cytoplasm, the gene product functions as a glycolytic enzyme (glucose 6 phosphate isomerase) that interconverts glucose 6 phosphate (G6P) and fructose 6 phosphate (F6P). Extracellularly, the encoded protein (also referred to as neuroleukin) functions as a neurotrophic factor that promotes survival of skeletal motor neurons and sensory neurons, and as a lymphokine that induces immunoglobulin secretion. The encoded protein is also referred to as autocrine motility factor (AMF) based on an additional function as a tumor secreted cytokine and angiogenic factor. Defects in this gene are the cause of nonspherocytic hemolytic anemia, and a severe enzyme deficiency can be associated with hydrops fetalis, immediate neonatal death and neurological impairment. Alternative splicing results in multiple transcript variants. [provided by RefSeq, Jan 2014]
Структура
Функциональный GPI представляет собой димер массой 64 кДа, состоящий из двух идентичных мономеров. Два мономера взаимодействуют друг с другом, в частности, посредством двух выступов, образующих подобие объятий. Активный центр каждого мономера формируется щелью между двумя доменами и областью димеризации. Оба домена имеют структуру αβα-сэндвича, при этом малый домен содержит пятинитевый β-лист, окруженный α-спиралями, а большой домен – шестинитевый β-лист. Большой домен, расположенный на N-конце, и C-конец каждого мономера также содержат выступы, напоминающие руки. Несколько аминокислотных остатков в малом домене служат для связывания фосфата, в то время как другие остатки, особенно His388, из большого и C-концевого доменов критически важны для стадии раскрытия сахарного кольца, катализируемой этим ферментом. Поскольку активность изомеризации происходит в области димеризации, димерная структура этого фермента имеет решающее значение для его каталитической функции.
Изомеризация глюкозы
Глюкоза-6-фосфат связывается с GPI в форме пиранозы. Кольцо раскрывается посредством механизма "толкания-тяги" с участием His388, который протонирует кислород C5, и Lys518, который депротонирует гидроксильную группу C1. Это приводит к образованию альдозы с открытой цепью. Затем субстрат вращается вокруг связи C3-C4 для позиционирования, необходимого для изомеризации. В этот момент Glu357 депротонирует C2, образуя цис-энедиолатный интермедиат, стабилизированный Arg272. Для завершения изомеризации Glu357 передает протон C1, гидроксильная группа C2 теряет протон и формируется открытая цепь кетозы – фруктоза-6-фосфат. Наконец, кольцо замыкается повторным вращением субстрата вокруг связи C3-C4 и депротонированием гидроксильной группы C5 с помощью Lys518. При переходе от фруктозы-6-фосфата к глюкозе-6-фосфату может образоваться манноза-6-фосфат, если углерод C2 приобретет неверную хиральность, однако фермент не допускает такого результата, за исключением очень низкой, нефизиологической скорости реакции. Поскольку реакция обратима, ее направление определяется концентрациями G6P и F6P, и стимулирует метастазирование. Внеклеточный GPI также известен как фактор созревания. Нейролейкин является нейротрофическим фактором для спинномозговых и сенсорных нейронов. Он содержится в больших количествах в мышцах, мозге, сердце и почках. Нейролейкин также выступает в роли лимфокина, секретируемого Т-клетками, стимулированными лектином. Он индуцирует секрецию иммуноглобулина в В-клетках как часть ответа, активирующего клетки, секретирующие антитела.
Фактор автокриновой подвижности
Клонирование также показало, что GPI идентичен белку, известному как фактор аутокриновой подвижности (AMF). AMF продуцируется и секретируется раковыми клетками и стимулирует рост и подвижность клеток, действуя как фактор роста. Предполагается, что AMF играет ключевую роль в метастазировании рака, активируя пути MAPK/ERK или PI3K/AKT. В пути PI3K/AKT AMF взаимодействует с gp78/AMFR для регуляции высвобождения кальция из ЭР и, таким образом, защищает от апоптоза в ответ на стресс ЭР.
Прокариотическая бифункциональная глюкоза-6-фосфат изомераза
В некоторых археях и бактериях активность глюкозо-6-фосфатной изомеразы осуществляется посредством бифункционального фермента, который также обладает активностью фосфоманнозо-изомеразы (PMI). Несмотря на то, что он не имеет тесной родственной связи с эукариотическими ГФИ, бифункциональный фермент достаточно похож, что его последовательность включает в себя группу треонинов и серинов, формирующих сайт связывания сахарфосфата в классических ГФИ. Предполагается, что фермент использует одни и те же каталитические механизмы как для раскрытия цикла глюкозы, так и для изомеризации при взаимопревращении Г6Ф в Ф6Ф.
Клиническое значение
Дефицит GPI является причиной 4% гемолитических анемий, обусловленных дефицитом гликолитических ферментов. В последнее время выявлено несколько случаев дефицита GPI. Повышенные уровни GPI в сыворотке крови используются в качестве прогностического биомаркера при колоректальном раке, раке молочной железы, легких, почек, желудочно-кишечном тракте и других онкологических заболеваниях. GPI также участвует в петле положительной обратной связи с HER2 – важной терапевтической мишенью при раке молочной железы, поскольку GPI усиливает экспрессию HER2, а гиперэкспрессия HER2, в свою очередь, усиливает экспрессию GPI, и так далее. В результате, активность GPI, вероятно, обуславливает устойчивость клеток рака молочной железы к терапии, основанной на HER2, с применением Herceptin/Trastuzumab, и должна рассматриваться как дополнительная мишень при лечении пациентов.