Введение

Энзим метаболического пути гликолиза.

Глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (сокращенно GAPDH) – это фермент массой около 37 кДа, который катализирует шестой этап гликолиза и, таким образом, способствует расщеплению глюкозы для получения энергии и углеродных молекул. Помимо этой давно известной метаболической функции, GAPDH в последнее время оказался вовлечен в ряд неметаболических процессов, включая активацию транскрипции, инициирование апоптоза, транспорт везикул из ЭР в аппарат Гольджи и быстрый аксональный или аксоплазматический транспорт. В сперматозоидах экспрессируется специфичный для яичек изоэнзим GAPDHS.

Структура

В нормальных клеточных условиях цитоплазматический GAPDH существует преимущественно в виде тетрамера. Эта форма состоит из четырех идентичных субъединиц массой 37 кДа, каждая из которых содержит одну каталитическую тиольную группу, необходимую для каталитической функции фермента. Ядерный GAPDH имеет повышенную изоэлектрическую точку (pI) в диапазоне pH 8,3–8,7.

Метаболический

Как следует из названия, глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (GAPDH) катализирует превращение глицеральдегид-3-фосфата в D-глицерат-1,3-бисфосфат. Это шестой этап гликолитического расщепления глюкозы – важного пути обеспечения энергией и углеродными молекулами, который происходит в цитозоле эукариотических клеток. Превращение осуществляется в два связанных этапа. Первый этап энергетически выгоден и обеспечивает протекание второго, энергетически невыгодного этапа.

Привязка

Одной из лунных функций GAPDH является его роль в адгезии и связывании с другими партнерами. Бактериальная GAPDH из Mycoplasma и Streptococcus, а также грибковая GAPDH из Paracoccidioides brasiliensis, известны своей способностью связываться с компонентами внеклеточного матрикса человека и участвовать в адгезии. GAPDH обнаруживается связанным с поверхностью клеток, что способствует адгезии и конкурентному исключению вредных патогенов. GAPDH из Candida albicans ассоциирован с клеточной стенкой и связывается с фибронектином и ламинином. GAPDH из видов пробиотиков связывается с человеческим колоновым муцином и внеклеточным матриксом, что приводит к усиленной колонизации пробиотиков в кишечнике человека. Патель Д. и др. показали, что GAPDH из Lactobacillus acidophilus связывается с муцином, обеспечивая адгезию.

Транскрипция и апоптоз

GAPDH сам по себе может активировать транскрипцию. Транскрипционный коактиваторный комплекс OCA S содержит GAPDH и лактатдегидрогеназу, два белка, которые ранее считались вовлеченными исключительно в метаболизм. GAPDH перемещается между цитозолем и ядром и таким образом может связывать метаболическое состояние с транскрипцией генов. В 2005 году Хара и соавторы показали, что GAPDH инициирует апоптоз. Это не третья функция, а может рассматриваться как активность, опосредованная связыванием GAPDH с ДНК, подобно активации транскрипции, описанной выше. Исследование продемонстрировало, что GAPDH S-нитрозилируется NO в ответ на клеточный стресс, что приводит к его связыванию с белком SIAH1, убиквитинлигазой. Комплекс перемещается в ядро, где Siah1 нацеливает ядерные белки на деградацию, тем самым инициируя контролируемую гибель клетки. В последующем исследовании группа продемонстрировала, что депренил, который клинически используется для лечения болезни Паркинсона, значительно снижает апоптотическое действие GAPDH, предотвращая его S-нитрозилирование, и, следовательно, может быть использован в качестве лекарственного препарата.

Метаболический переключатель

GAPDH действует как обратимый метаболический переключатель при окислительном стрессе. Когда клетки подвергаются воздействию окислителей, им требуется избыточное количество антиоксидантного кофактора NADPH. В цитозоле NADPH восстанавливается из NADP+ несколькими ферментами, три из которых катализируют первые стадии пентозофосфатного пути. Воздействие окислителей вызывает инактивацию GAPDH. Эта инактивация временно перенаправляет метаболический поток с гликолиза на пентозофосфатный путь, позволяя клетке производить больше NADPH. В условиях стресса NADPH необходим некоторым антиоксидантным системам, включая глутаредоксин и тиоредоксин, а также важен для регенерации глутатиона.

Транспорт из ЭР в Голги

GAPDH также, по-видимому, участвует в транспорте везикул из эндоплазматического ретикулума (ER) к аппарату Гольджи, который является частью пути доставки секретируемых белков. Было обнаружено, что GAPDH рекрутируется rab2 к везикулярно-трубчатым кластерам ER, где он способствует формированию везикул COP I. GAPDH активируется посредством тирозинового фосфорилирования Src.

Дополнительные функции

GAPDH, как и многие другие ферменты, выполняет несколько функций. Помимо катализа 6-й стадии гликолиза, недавние данные свидетельствуют о вовлечении GAPDH в другие клеточные процессы. Показано, что GAPDH проявляет многофункциональность более высокого порядка в контексте поддержания клеточного гомеостаза железа, в частности, выступая в качестве белка-шаперона для лабильного гема внутри клеток. Это стало неожиданностью для исследователей, однако с эволюционной точки зрения более целесообразно повторно использовать и адаптировать существующие белки, чем создавать новый белок с нуля.

Использование в качестве управления нагрузкой

Поскольку ген GAPDH часто стабильно и конститутивно экспрессируется на высоких уровнях в большинстве тканей и клеток, он считается геном поддержания. По этой причине GAPDH обычно используется исследователями-биологами в качестве контроля загрузки при вестерн-блоттинге и в качестве контроля при ПЦР в реальном времени. Однако исследователи сообщают о различной регуляции GAPDH в определенных условиях. Например, было показано, что фактор транскрипции MZF 1 регулирует экспрессию гена GAPDH. Гипоксия также значительно повышает уровень экспрессии GAPDH. Поэтому использование GAPDH в качестве контроля загрузки следует рассматривать с осторожностью.

Клеточное распределение

Все этапы гликолиза происходят в цитозоле, и реакция, катализируемая GAPDH, также. В эритроцитах GAPDH и несколько других гликолитических ферментов образуют комплексы на внутренней стороне клеточной мембраны. Этот процесс, по-видимому, регулируется фосфорилированием и оксигенацией. Предполагается, что сближение нескольких гликолитических ферментов значительно увеличивает общую скорость расщепления глюкозы. Недавние исследования также показали, что GAPDH экспрессируется железозависимым образом на внешней стороне клеточной мембраны, где он участвует в поддержании клеточного гомеостаза железа.

Рак

GAPDH сверхэкспрессируется во многих человеческих раках, таких как кожная меланома, и его экспрессия положительно коррелирует с прогрессированием опухоли. Его гликолитические и антиапоптотические функции способствуют пролиферации и защите опухолевых клеток, поддерживая развитие опухолей. Примечательно, что GAPDH защищает от укорочения теломер, вызванного химиотерапевтическими препаратами, стимулирующими образование сфинголипида керамида. В то же время, такие состояния, как окислительный стресс, ухудшают функцию GAPDH, приводя к клеточному старению и гибели клеток.

Нейродегенерация

GAPDH был вовлечен в развитие нескольких нейродегенеративных заболеваний и расстройств, главным образом посредством взаимодействия с другими белками, характерными для конкретного заболевания или расстройства. Эти взаимодействия могут влиять не только на энергетический метаболизм, но и на другие функции GAPDH. Полиморфизм rs3741916 в 5'-UTR гена GAPDH может быть ассоциирован с болезнью Альцгеймера с поздним началом.