Кальпаины: кальций-зависимые цистеинпротеазы и их роль в регуляции клеточных процессов.
Calpain
Кальпаины: ферменты, зависимые от кальция, участвующие в протеолизе у млекопитающих и других организмов. История открытия, функции и система кальпаина.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Энзим протеазы, присутствующий у млекопитающих и других организмов.
Protease enzyme present in mammals and other organisms
Кальпаин (/kælpɛɪn/; ) – это белок, принадлежащий к семейству кальций-зависимых, нелизосомных цистеиновых протеаз (протеолитических ферментов), широко экспрессируемых у млекопитающих и многих других организмов. Кальпаины составляют семейство C2 клана протеаз CA в базе данных MEROPS. Протеолитическая система кальпаина включает в себя кальпаиновые протеазы, малую регуляторную субъединицу CAPNS1, также известную как CAPN4, и эндогенный специфический ингибитор кальпаина – кальпастатин.
A calpain ('/k//æ//l//p//eɪ//n/; , ) is a protein belonging to the family of calcium dependent, non lysosomal cysteine proteases (proteolytic enzymes) expressed ubiquitously in mammals and many other organisms. Calpains constitute the C2 family of protease clan CA in the MEROPS database. The calpain proteolytic system includes the calpain proteases, the small regulatory subunit CAPNS1, also known as CAPN4, and the endogenous calpain specific inhibitor, calpastatin.
Открытие
История открытия кальпаина начинается в 1964 году, когда в мозге, хрусталике глаза и других тканях были обнаружены протеолитические активности, зависящие от кальция, вызванные «кальций-активированной нейтральной протеазой» (CANP). В конце 1960-х годов ферменты были выделены и охарактеризованы независимо друг от друга в мозге крысы и скелетных мышцах. Эти активности были обусловлены внутриклеточной цистеиновой протеазой, не связанной с лизосомой и проявляющей оптимальную активность при нейтральном pH, что отчетливо отличало ее от семейства протеаз катепсинов. Кальций-зависимая активность, внутриклеточная локализация и ограниченный, специфический протеолиз субстратов подчеркнули роль кальпаина как регуляторной, а не пищеварительной протеазы. Когда последовательность этого фермента стала известна, ему было присвоено название «калпаин», чтобы отметить его общие свойства с двумя хорошо известными на тот момент белками: кальций-регулируемым сигнальным белком кальмодулином и цистеиновой протеазой папайи, папаином. Вскоре после этого было установлено, что активность связана с двумя основными изоформами, названными μ («мю») кальпаином и m-калпаином (или кальпаином I и II), которые различались главным образом по требованиям к кальцию in vitro. Их названия отражают тот факт, что они активируются микро- и почти миллимолярными концентрациями Ca2+ внутри клетки, соответственно. На сегодняшний день эти две изоформы остаются наиболее хорошо изученными представителями семейства кальпаинов. Структурно эти две гетеродимерные изоформы имеют одинаковую малую (28 кДа) субъединицу (CAPNS1 (ранее CAPN4)), но обладают различными большими (80 кДа) субъединицами, известными как кальпаин 1 и кальпаин 2 (каждая кодируется генами CAPN1 и CAPN2 соответственно).
The history of calpain's discovery originates in 1964, when calcium dependent proteolytic activities caused by a "calcium activated neutral protease" (CANP) were detected in brain, lens of the eye and other tissues. In the late 1960s the enzymes were isolated and characterised independently in both rat brain and skeletal muscle. These activities were caused by an intracellular cysteine protease not associated with the lysosome and having an optimum activity at neutral pH, which clearly distinguished it from the cathepsin family of proteases. The calcium dependent activity, intracellular localization, and the limited, specific proteolysis on its substrates, highlighted calpain’s role as a regulatory, rather than a digestive, protease. When the sequence of this enzyme became known, it was given the name "calpain", to recognize its common properties with two well known proteins at the time, the calcium regulated signalling protein, calmodulin, and the cysteine protease of papaya, papain. Shortly thereafter, the activity was found to be attributable to two main isoforms, dubbed μ ("mu") calpain and m calpain (or calpain I and II), that differed primarily in their calcium requirements in vitro. Their names reflect the fact that they are activated by micro and nearly millimolar concentrations of Ca2+ within the cell, respectively. To date, these two isoforms remain the best characterised members of the calpain family. Structurally, these two heterodimeric isoforms share an identical small (28 kDa) subunit (CAPNS1 (formerly CAPN4)), but have distinct large (80 kDa) subunits, known as calpain 1 and calpain 2 (each encoded by the CAPN1 and CAPN2 genes, respectively).
Специфика расщепления
Никакая конкретная последовательность аминокислот не распознаётся кальпаинами уникальным образом. Среди белковых субстратов, скорее третичная структура, чем первичная аминокислотная последовательность, определяет специфичность расщепления. Для пептидных и низкомолекулярных субстратов наиболее часто сообщается о специфичности к небольшим гидрофобным аминокислотам (например, лейцину, валину и изолейцину) в позиции P2 и к крупным гидрофобным аминокислотам (например, фенилаланину и тирозину) в позиции P1. Вероятно, наиболее эффективным флуорогенным субстратом кальпаина, доступным на данный момент, является (EDANS) Glu Pro Leu Phe=Ala Glu Arg Lys (DABCYL), при этом расщепление происходит по связи Phe=Ala.
No specific amino acid sequence is uniquely recognized by calpains. Amongst protein substrates, tertiary structure elements rather than primary amino acid sequences are likely responsible for directing cleavage to a specific substrate. Amongst peptide and small molecule substrates, the most consistently reported specificity is for small, hydrophobic amino acids (e. g. leucine, valine and isoleucine) at the P2 position, and large hydrophobic amino acids (e. g. phenylalanine and tyrosine) at the P1 position. Arguably, the best currently available fluorogenic calpain substrate is (EDANS) Glu Pro Leu Phe=Ala Glu Arg Lys (DABCYL), with cleavage occurring at the Phe=Ala bond.
Расширенная семья
Проект "Геном человека" выявил, что существует более дюжины других изоформ кальпаина, некоторые из которых имеют множественные варианты сплайсинга. Как первый кальпаин, чья трехмерная структура была определена, m-кальпаин является типовой протеазой для семейства C2 (кальпаин) в базе данных MEROPS.
The Human Genome Project has revealed that more than a dozen other calpain isoforms exist, some with multiple splice variants. As the first calpain whose three dimensional structure was determined, m calpain is the type protease for the C2 (calpain) family in the MEROPS database. Gene Protein Aliases Tissue expression Disease linkage CAPN1 Calpain 1 Calpain 1 large subunit, Calpain mu type ubiquitous CAPN2 Calpain 2 Calpain 2 large subunit, Calpain m type ubiquitous CAPN3 Calpain 3 skeletal muscle retina and lens specific Limb Girdle muscular dystrophy 2A CAPN5 Calpain 5 ubiquitous (high in colon, small intestine and testis) might be linked to necrosis,as it is an ortholog of the C. elegans necrosis gene tra 3 CAPN6 Calpain 6 CAPNX, Calpamodulin CAPN7 Calpain 7 palBH ubiquitous CAPN8 Calpain 8 exclusive to stomach mucosa and the GI tract might be linked to colon polyp formation CAPN9 Calpain 9 exclusive to stomach mucosa and the GI tract might be linked to colon polyp formation CAPN10 Calpain 10 susceptibility gene for type II diabetes CAPN11 Calpain 11 testis CAPN12 Calpain 12 ubiquitous but high in hair follicle CAPN13 Calpain 13 testis and lung CAPN14 Calpain 14 ubiquitous CAPN17 Calpain 17 Fish and amphibian only SOLH Calpain 15 Sol H (homolog of the drosophila gene sol) CAPNS1 Calpain small subunit 1 Calpain 4 CAPNS2 Calpain small subunit 2
Ген | Белок | Синонимы | Экспрессия в тканях | Связь с заболеваниями
---|---|---|---|---
CAPN1 | Кальпаин 1 | Большая подгруппа кальпаина 1, Кальпаин μ-типа | Повсеместно |
CAPN2 | Кальпаин 2 | Большая подгруппа кальпаина 2, Кальпаин m-типа | Повсеместно |
CAPN3 | Кальпаин 3 | Скелетная мышца, сетчатка и хрусталик | Специфично | Мышечная дистрофия пояса конечностей 2A
CAPN5 | Кальпаин 5 | Повсеместно (высокий уровень в толстой кишке, тонкой кишке и яичках) | Возможно, связан с некрозом, поскольку является ортологом гена некроза *C. elegans* tra-3 |
CAPN6 | Кальпаин 6 | CAPNX, Калпамодулин | |
CAPN7 | Кальпаин 7 | palBH | Повсеместно |
CAPN8 | Кальпаин 8 | Исключительно в слизистой оболочке желудка и ЖКТ | Возможно, связан с образованием полипов толстой кишки |
CAPN9 | Кальпаин 9 | Исключительно в слизистой оболочке желудка и ЖКТ | Возможно, связан с образованием полипов толстой кишки |
CAPN10 | Кальпаин 10 | | | Фактор предрасположенности к диабету 2 типа
CAPN11 | Кальпаин 11 | | Яички |
CAPN12 | Кальпаин 12 | | Повсеместно, но высокий уровень в волосяных фолликулах |
CAPN13 | Кальпаин 13 | | Яички и легкие |
CAPN14 | Кальпаин 14 | | Повсеместно |
CAPN17 | Кальпаин 17 | | Только у рыб и амфибий |
SOLH | Кальпаин 15 | Sol H (гомолог гена *Drosophila* sol) | |
CAPNS1 | Малая подгруппа кальпаина 1 | Кальпаин 4 | |
CAPNS2 | Малая подгруппа кальпаина 2 | | |
The Human Genome Project has revealed that more than a dozen other calpain isoforms exist, some with multiple splice variants. As the first calpain whose three dimensional structure was determined, m calpain is the type protease for the C2 (calpain) family in the MEROPS database. Gene Protein Aliases Tissue expression Disease linkage CAPN1 Calpain 1 Calpain 1 large subunit, Calpain mu type ubiquitous CAPN2 Calpain 2 Calpain 2 large subunit, Calpain m type ubiquitous CAPN3 Calpain 3 skeletal muscle retina and lens specific Limb Girdle muscular dystrophy 2A CAPN5 Calpain 5 ubiquitous (high in colon, small intestine and testis) might be linked to necrosis,as it is an ortholog of the C. elegans necrosis gene tra 3 CAPN6 Calpain 6 CAPNX, Calpamodulin CAPN7 Calpain 7 palBH ubiquitous CAPN8 Calpain 8 exclusive to stomach mucosa and the GI tract might be linked to colon polyp formation CAPN9 Calpain 9 exclusive to stomach mucosa and the GI tract might be linked to colon polyp formation CAPN10 Calpain 10 susceptibility gene for type II diabetes CAPN11 Calpain 11 testis CAPN12 Calpain 12 ubiquitous but high in hair follicle CAPN13 Calpain 13 testis and lung CAPN14 Calpain 14 ubiquitous CAPN17 Calpain 17 Fish and amphibian only SOLH Calpain 15 Sol H (homolog of the drosophila gene sol) CAPNS1 Calpain small subunit 1 Calpain 4 CAPNS2 Calpain small subunit 2
Функция
Хотя физиологическая роль кальпаинов до сих пор недостаточно изучена, было показано, что они активно участвуют в таких процессах, как подвижность клеток и прогрессирование клеточного цикла, а также в клеточно-специфических функциях, таких как долговременная потенциация в нейронах и слияние клеток в миобластах. В этих физиологических условиях кратковременный и локализованный приток кальция в клетку активирует небольшую локальную популяцию кальпаинов (например, расположенные вблизи Ca2+ каналов), которые затем продвигают путь передачи сигнала, катализируя контролируемый протеолиз своих целевых белков. Также сообщается о роли кальпаинов в функционировании клеток, помогая регулировать свертываемость крови и диаметр кровеносных сосудов, а также играя роль в формировании памяти. Кальпаины были вовлечены в апоптотическую гибель клеток и, по-видимому, являются важным компонентом некроза. Фракционирование с использованием детергентов выявило цитозольную локализацию кальпаина. Усиленная активность кальпаина, регулируемая CAPNS1, значительно способствует гиперреактивности тромбоцитов в гипоксической среде. В головном мозге μ-кальпаин в основном локализуется в теле клетки и дендритах нейронов, в меньшей степени – в аксонах и глиальных клетках, в то время как m-кальпаин обнаруживается в глиальных клетках и в небольшом количестве в аксонах.
Although the physiological role of calpains is still poorly understood, they have been shown to be active participants in processes such as cell mobility and cell cycle progression, as well as cell type specific functions such as long term potentiation in neurons and cell fusion in myoblasts. Under these physiological conditions, a transient and localized influx of calcium into the cell activates a small local population of calpains (for example, those close to Ca2+ channels), which then advance the signal transduction pathway by catalyzing the controlled proteolysis of its target proteins. Other reported roles of calpains are in cell function, helping to regulate clotting and the diameter of blood vessels, and playing a role in memory. Calpains have been implicated in apoptotic cell death, and appear to be an essential component of necrosis. Detergent fractionation revealed the cytosolic localization of calpain. Enhanced calpain activity, regulated by CAPNS1, significantly contributes to platelet hyperreactivity under hypoxic environment. In the brain, while μ calpain is mainly located in the cell body and dendrites of neurons and to a lesser extent in axons and glial cells, m calpain is found in glia and a small number in axons.
Патология
Структурное и функциональное разнообразие кальпанов в клетке отражается в их участии в патогенезе широкого спектра заболеваний. По крайней мере, два известных генетических заболевания и одна форма рака связаны с тканеспецифическими кальпанами. При дефекте, млекопитающий кальпаин 3 (также известный как p94) является продуктом гена, ответственным за миодистрофию пояса конечностей 2A типа, кальпаин 10 был идентифицирован как ген восприимчивости к сахарному диабету II типа, а кальпаин 9 – как ген-супрессор опухолей при раке желудка. Кроме того, гиперактивация кальпанов вовлечена в ряд патологий, связанных с нарушением гомеостаза кальция, таких как болезнь Альцгеймера и образование катаракты, а также вторичная дегенерация, возникающая в результате острого клеточного стресса после ишемии миокарда, церебральной (нейронной) ишемии, травматического повреждения головного мозга и повреждения спинного мозга. Избыточное количество кальпаина может активироваться вследствие притока Ca2+ после инсульта (в ходе ишемического каскада) или некоторых видов травматического повреждения головного мозга, например, диффузного аксонального повреждения. Повышение концентрации кальция в клетке приводит к активации кальпаина, что вызывает нерегулируемый протеолиз как целевых, так и нецелевых белков и, как следствие, необратимое повреждение тканей. Чрезмерно активный кальпаин расщепляет молекулы цитоскелета, такие как спектрин, субъединицы микротрубочек, белки, связанные с микротрубочками, и нейрофиламенты. Он также может повреждать ионные каналы, другие ферменты, молекулы клеточной адгезии и клеточные поверхностные рецепторы. Это может привести к деградации цитоскелета и плазматической мембраны. Кальпаин также может расщеплять натриевые каналы, поврежденные в результате растяжения аксона, что приводит к притоку натрия в клетку. Это, в свою очередь, вызывает деполяризацию нейрона и приток большего количества Ca2+. Значительным последствием активации кальпаина является развитие сердечной сократительной дисфункции после ишемического повреждения сердца. При реперфузии ишемического миокарда развивается перегрузка кальцием или его избыток в клетках сердца (кардиомиоцитах). Это увеличение содержания кальция приводит к активации кальпаина. Недавно было показано, что кальпаин способствует развитию высокогорного венозного тромбоза, опосредуя гиперактивацию тромбоцитов. SJA6017, ABT 705253 и SNJ 1945. Кальпаин может высвобождаться в мозге в течение месяца после травмы головы и может быть причиной уменьшения объема мозга, иногда наблюдаемого после таких травм. Однако кальпаин также может участвовать в процессе "ремоделирования", который способствует восстановлению повреждений после травмы.
The structural and functional diversity of calpains in the cell is reflected in their involvement in the pathogenesis of a wide range of disorders. At least two well known genetic disorders and one form of cancer have been linked to tissue specific calpains. When defective, the mammalian calpain 3 (also known as p94) is the gene product responsible for limb girdle muscular dystrophy type 2A, calpain 10 has been identified as a susceptibility gene for type II diabetes mellitus, and calpain 9 has been identified as a tumour suppressor for gastric cancer. Moreover, the hyperactivation of calpains is implicated in a number of pathologies associated with altered calcium homeostasis such as Alzheimer's disease, and cataract formation, as well as secondary degeneration resulting from acute cellular stress following myocardial ischemia, cerebral (neuronal) ischemia, traumatic brain injury and spinal cord injury. Excessive amounts of calpain can be activated due to Ca2+ influx after cerebrovascular accident (during the ischemic cascade) or some types of traumatic brain injury such as diffuse axonal injury. Increase in concentration of calcium in the cell results in calpain activation, which leads to unregulated proteolysis of both target and non target proteins and consequent irreversible tissue damage. Excessively active calpain breaks down molecules in the cytoskeleton such as spectrin, microtubule subunits, microtubule associated proteins, and neurofilaments. It may also damage ion channels, other enzymes, cell adhesion molecules, and cell surface receptors. This can lead to degradation of the cytoskeleton and plasma membrane. Calpain may also break down sodium channels that have been damaged due to axonal stretch injury, leading to an influx of sodium into the cell. This, in turn, leads to the neuron's depolarization and the influx of more Ca2+. A significant consequence of calpain activation is the development of cardiac contractile dysfunction that follows ischemic insult to the heart. Upon reperfusion of the ischemic myocardium, there is development of calcium overload or excess in the heart cell (cardiomyocytes). This increase in calcium leads to activation of calpain. Recently calpain has been implicated in promoting high altitude induced venous thrombosis by mediating platelet hyperactivation. SJA6017, ABT 705253, and SNJ 1945. Calpain may be released in the brain for up to a month after a head injury, and may be responsible for a shrinkage of the brain sometimes found after such injuries. However, calpain may also be involved in a "resculpting" process that helps repair damage after injury.