Глутаматкарбоксипептидаза II - Glutamate carboxypeptidase II
| глутаматкарбоксипептидаза II | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Схема реакции деградации NAAG под действием GCPII: GCPII + NAAG → комплекс GCPII-NAAG → глутамат + NAA
| |||||||||
| Идентификаторы | |||||||||
| ЕС нет. | 3.4.17.21 | ||||||||
| № CAS | 111070-04-3 | ||||||||
| Базы данных | |||||||||
| IntEnz | Просмотр IntEnz | ||||||||
| BRENDA | BRENDA запись | ||||||||
| ExPASy | Просмотр NiceZyme | ||||||||
| КЕГГ | Запись в KEGG | ||||||||
| MetaCyc | метаболический путь | ||||||||
| ПРИАМ | профиль | ||||||||
| Структуры PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
| Генная онтология | Amigo / QuickGO | ||||||||
| |||||||||
Глутаматкарбоксипептидаза II ( GCPII ), также известная как N-ацетил-L-аспартил-L-глутаматпептидаза I (NAALADase I), пептидаза NAAG или простатоспецифический мембранный антиген ( PSMA ), представляет собой фермент, который у человека кодируется FOLH1 ( фолиевая кислота гидролаза 1 ) гена . GCPII человека содержит 750 аминокислот и весит приблизительно 84 кДа.
GCPII - это металлофермент цинка, который находится в мембранах. Большая часть фермента находится во внеклеточном пространстве. GCPII - это мембранный гликопротеин класса II . Он катализирует гидролиз N-ацетиласпартилглутамата (NAAG) до глутамата и N-ацетиласпартата (NAA) в соответствии со схемой реакции справа.
Нейробиологи в основном используют термин NAALADase в своих исследованиях, те, кто изучает метаболизм фолиевой кислоты, используют фолатгидролазу, а те, кто изучает рак простаты или онкологию, - PSMA. Все они относятся к одной и той же протеин глутаматкарбоксипептидазе II.
Открытие
GCPII в основном экспрессируется в четырех тканях организма, включая эпителий простаты, проксимальные канальцы почек, щеточную кайму тощей кишки тонкой кишки и ганглии нервной системы.
Действительно, первоначальное клонирование кДНК, кодирующей ген, экспрессирующий PSMA, было выполнено с помощью РНК из линии клеток опухоли простаты, LNCaP. PSMA имеет гомологию с рецептором трансферрина и подвергается эндоцитозу, но лиганд, индуцирующий интернализацию, не идентифицирован. Было обнаружено, что PSMA был тем же самым, что и мембранный белок в тонком кишечнике, ответственный за удаление гамма-связанных глутаматов из полигаммаглутамат фолиевой кислоты. Это позволяет высвобождать фолиевую кислоту, которая затем может транспортироваться в организм для использования в качестве витамина. Это привело к клонированному геномному обозначению PSMA как FOLH1 для фолатгидролазы.
ПСМА (FOLH1) + фолат полигаммаглутамат (n 1-7) ---> PSMA (FOLH1) + фолат (поли) гаммаглутамат (n-1) + глутамат до высвобождения фолиевой кислоты.
Состав
Три домена внеклеточной части GCPII - протеазный, апикальный и С-концевой домены - взаимодействуют в распознавании субстрата. Домен протеазы представляет собой центральный семицепочечный смешанный β-лист. Β-лист окружен 10 α-спиралями. Апикальный домен расположен между первой и второй цепями центрального β-листа протеазного домена. Апикальный домен создает карман, который облегчает связывание субстрата. С-концевой домен представляет собой пучок с четырьмя спиралями вверх-вниз-вверх-вниз.
Центральный карман имеет глубину примерно 2 нанометра и открывается из внеклеточного пространства в активный центр. Этот активный центр содержит два иона цинка. Во время ингибирования каждый действует как лиганд кислорода в 2-PMPA или фосфате. Есть также один ион кальция, координированный в GCPII, далеко от активного центра. Было высказано предположение, что кальций удерживает вместе протеазный и апикальный домены. Кроме того, GCPII человека имеет десять сайтов потенциального гликозилирования , и многие из этих сайтов (включая некоторые, расположенные далеко от каталитического домена) влияют на способность GCPII гидролизовать NAAG.
Ген FOLH1 имеет несколько потенциальных стартовых сайтов и форм сплайсинга, что приводит к различиям в структуре мембранного белка, локализации и активности карбоксипептидазы в зависимости от исходной ткани.
Кинетика ферментов
Гидролиз NAAG с помощью GCPII подчиняется кинетике Михаэлиса-Ментен, рассчитанная для константы связывания ( K m ) для NAAG как приблизительно 130 нМ, а константа оборота ( k cat ) как приблизительно 4 с -1 . Кажущаяся константа скорости второго порядка составляет приблизительно 3 × 10 7 (М · с) -1 .
Роль в раке
Человеческий PSMA сильно экспрессируется в простате, примерно в сто раз больше, чем в большинстве других тканей. При некоторых формах рака предстательной железы PSMA является вторым по активности генным продуктом с повышением в 8–12 раз по сравнению с уровнями в доброкачественных клетках простаты. Из-за этой высокой экспрессии PSMA разрабатывается как потенциальный биомаркер для терапии и визуализации некоторых видов рака. При раке простаты человека опухоли с более высокой степенью экспрессии связаны с более быстрым прогрессированием и большим процентом пациентов, страдающих рецидивом. Исследования in vitro с использованием клеточных линий рака простаты и молочной железы со сниженными уровнями PSMA показали значительное снижение пролиферации, миграции, инвазии, адгезии и выживаемости клеток.
Визуализация
PSMA является целью нескольких агентов ядерной медицины для визуализации рака простаты. Экспрессия PSMA может быть отображена с помощью PSMA галлия-68 или PSMA фтора-18 для позитронно-эмиссионной томографии . При этом используется небольшая молекула с радиоактивной меткой, которая с высоким сродством связывается с внеклеточным доменом рецептора PSMA. Ранее использовали антитело, нацеленное на внутриклеточный домен ( капромабпентид индия-111 , продаваемый как простасцинт), хотя скорость обнаружения была низкой.
В 2020 году были опубликованы результаты рандомизированного исследования фазы 3 («исследование ProPSMA»), в котором сравнивали ПЭТ / КТ с ПСМА галлия-68 со стандартной визуализацией (КТ и сканирование костей). Это исследование на 300 пациентов, проведенное в 10 исследовательских центрах, продемонстрировало превосходную точность ПЭТ / КТ ПСМА (92% против 65%), более высокие значимые изменения в лечении (28% против 15%), менее двусмысленные / неопределенные результаты визуализации (7% против 23%). ) и более низкое радиационное облучение (10 мЗв против 19 мЗв). В исследовании сделан вывод о том, что ПЭТ / КТ с ПСМА является подходящей заменой традиционной визуализации, обеспечивая превосходную точность комбинированных результатов компьютерной томографии и сканирования костей. Эта новая технология была одобрена FDA 1 декабря 2020 года. Двухмодальная малая молекула, излучающая позитроны ( 18 F) и флуоресцентная, нацелена на PSMA и была протестирована на людях. Молекула обнаружила местоположение первичного и метастатического рака простаты с помощью ПЭТ , удаления рака под контролем флуоресценции и обнаружила единичные раковые клетки на краях тканей.
Генетическая, излучающая позитрон и флуоресцентная репортерная система человеческого происхождения (HD-GPF) использует человеческий белок, PSMA и неиммуногенный, и небольшую молекулу, излучающую позитроны ( 18 F) и флуоресцентную для двойного модального ПЭТ и флуоресцентная визуализация модифицированных геномных клеток, например раковых , CRISPR / Cas9 или CAR T -клеток, у всей мыши.
Терапия
PSMA также может быть использован экспериментально в качестве мишени для лечения в радиотерапии с открытым источником . Лютеций-177 - это бета-излучатель, который можно комбинировать с молекулами, нацеленными на PSMA, для лечения опухолей простаты. Проспективное исследование фазы II продемонстрировало ответ (определяемый снижением уровня ПСА на 50% и более) у 64% мужчин. Общие побочные эффекты включают сухость во рту, сухую усталость, тошноту, сухость глаз и тромбоцитопению (снижение тромбоцитов). Результаты рандомизированного испытания VISION3 испытание были положительными: снижение смертности на 40% и увеличение выживаемости на 5 месяцев. III фаза исследования VISION.
Деградация нейротрансмиттера
Для тех, кто изучает заболевания нервной системы, NAAG является одним из трех наиболее распространенных нейротрансмиттеров, обнаруженных в центральной нервной системе, и когда он катализирует реакцию с образованием глутамата, он также производит другой нейромедиатор. Глутамат является распространенным возбуждающим нейротрансмиттером в центральной нервной системе; однако, если происходит слишком большая передача глутамата, это может убить или, по крайней мере, повредить нейроны и было причастно ко многим неврологическим заболеваниям и расстройствам, поэтому баланс, в который вносит вклад пептидаза NAAG, очень важен.
Возможные терапевтические применения
Функция в головном мозге
Было показано, что GCPII как косвенно, так и прямо увеличивает концентрацию глутамата во внеклеточном пространстве. GCPII напрямую расщепляет NAAG на NAA и глутамат. Было показано, что NAAG в высоких концентрациях косвенно ингибирует высвобождение нейротрансмиттеров, таких как ГАМК и глутамат. Это происходит за счет взаимодействия с пресинаптическими mGluR группы II и их активации. Таким образом, в присутствии пептидазы NAAG, концентрация NAAG контролируется, а глутамат и ГАМК, среди других нейротрансмиттеров, не ингибируются.
Исследователи смогли показать, что эффективные и селективные ингибиторы GCPII способны снижать уровень глутамата в мозге и даже обеспечивать защиту от апоптоза или деградации нейронов мозга во многих моделях инсульта, бокового амиотрофического склероза и нейропатической боли на животных. Считается, что это ингибирование этих пептидаз NAAG, иногда называемых NP, обеспечивает эту защиту от апоптоза или деградации нейронов мозга за счет повышения концентрации NAAG в синапсах нейронов. Затем NAAG снижает высвобождение глутамата, одновременно стимулируя высвобождение некоторых трофических факторов из глиальных клеток центральной нервной системы, что приводит к защите нейронов мозга от апоптоза или деградации. Однако важно отметить, что эти ингибиторы NP, по-видимому, не влияют на нормальную функцию глутамата. Ингибирование NP может улучшить естественную регуляцию вместо активации или ингибирования рецепторов, которые нарушили бы этот процесс. Исследования также показали, что низкомолекулярные ингибиторы NP полезны на животных моделях, имеющих отношение к нейродегенеративным заболеваниям. Некоторые конкретные применения этого исследования включают невропатическую и воспалительную боль, черепно-мозговую травму, ишемический инсульт, шизофрению, диабетическую невропатию, боковой амиотрофический склероз, а также наркоманию. Предыдущие исследования показали, что препараты, снижающие передачу глутамата, могут облегчить невропатическую боль, хотя возникающие в результате побочные эффекты ограничивают большую часть их клинического применения. Следовательно, похоже, что, поскольку GCPII задействуется исключительно с целью обеспечения источника глутамата при гиперглутаматергических и эксайтотоксических состояниях, это может быть альтернативой предотвращению этих побочных эффектов. Другие результаты исследований показали, что гидролиз NAAG нарушается при шизофрении, и они показали, что определенные анатомические области мозга могут даже демонстрировать дискретные отклонения в синтезе GCP II, поэтому НП также могут быть терапевтическими для пациентов, страдающих шизофренией. Одним из основных препятствий при использовании многих мощных ингибиторов GCPII, которые были приготовлены на сегодняшний день, являются, как правило, высокополярные соединения, что вызывает проблемы, поскольку они затем не проникают легко через гематоэнцефалический барьер.
Возможное использование ингибиторов пептидазы NAAG
Глутамат - это «первичный возбуждающий нейромедиатор в нервной системе человека», участвующий во множестве функций мозга. Известно, что чрезмерная стимуляция и активация глутаматных рецепторов, а также «нарушения клеточных механизмов, защищающих от неблагоприятных последствий физиологической активации глутаматных рецепторов» вызывают повреждение и смерть нейронов, которые были связаны с множеством неврологических заболеваний.
Из-за диапазона функций и присутствия глутамата было трудно создать глутаматергические препараты, которые не влияли бы отрицательно на другие необходимые функции и не вызывали бы нежелательных побочных эффектов. Ингибирование пептидазы NAAG открыло возможность для нацеливания на конкретное лекарство.
Специфические ингибиторы
Ингибиторы пептидазы NAAG широко создавались и изучались, поскольку они были перспективны для лечения возможных неврологических заболеваний и нацеливания на конкретные лекарственные препараты. Вот несколько примеров малых молекул:
- 2-ПМПА и аналоги
- Производные тиола и индола тиола
- Производные гидроксамата
- Конформационно сжатые дипептидные миметики
- Ингибиторы на основе PBDA и мочевины.
Другие потенциальные терапевтические применения
Невропатическая и воспалительная боль
Боль, вызванная повреждением ЦНС или ПНС, была связана с увеличением концентрации глутамата. Ингибирование NAAG снижает присутствие глутамата и, таким образом, может уменьшить боль. (Neale JH et al., 2005). Nagel et al. использовали ингибитор 2-PMPA, чтобы показать анальгетический эффект ингибирования пептидазы NAAG. За этим исследованием последовало исследование Чена и др., Которое показало аналогичные результаты.
Травма головы
Тяжелая травма головы (SHI) и черепно-мозговая травма (TBI) широко распространены и оказывают огромное влияние. «Они являются основной причиной смерти детей и молодых людей (<25 лет) и составляют четверть всех смертей в возрастной группе от 5 до 15 лет». После первоначального воздействия уровни глутамата повышаются и вызывают эксайтотоксическое повреждение в процессе, который хорошо охарактеризован. Обладая способностью снижать уровень глутамата, ингибирование NAAG показало себя многообещающим в предотвращении неврологических повреждений, связанных с SHI и TBI.
Инсульт
По данным Национальной ассоциации инсульта , инсульт является третьей по значимости причиной смерти и основной причиной инвалидности взрослых. Считается, что уровни глутамата вызывают основное ишемическое повреждение во время инсульта, и, таким образом, ингибирование NAAG может уменьшить это повреждение.
Шизофрения
Шизофрения - это психическое расстройство, которым страдает 1% людей во всем мире. Его можно смоделировать с помощью PCP на лабораторных животных, и было показано, что агонисты mGluR снижают эффекты препарата. Таким образом, NAAG является агонистом mGluR. Таким образом, ингибирование фермента, который снижает концентрацию NAAG, пептидазы NAAG, может обеспечить практическое лечение для уменьшения симптомов шизофрении.
Диабетическая невропатия
Диабет может привести к повреждению нервов, потере чувствительности, боли или, если вегетативные нервы связаны, к повреждению кровеносной, репродуктивной или пищеварительной систем, среди прочего. Сообщается, что более 60% пациентов с диабетом страдают той или иной формой невропатии, однако степень ее тяжести значительно варьируется. Невропатия не только напрямую причиняет вред и ущерб, но также может косвенно привести к таким проблемам, как диабетические язвы, которые, в свою очередь, могут привести к ампутации. Фактически, более половины всех ампутаций нижних конечностей в Соединенных Штатах приходится на пациентов с диабетом.
Посредством использования ингибитора пептидазы NAAG 2-PMPA, расщепление NAAG было ингибировано, и с его помощью запрограммирована гибель нейронных клеток DRG в присутствии высоких уровней глюкозы. Исследователи предположили, что причиной этого является агонистическая активность NAAG в отношении mGluR3. Кроме того, NAAG также «предотвращал индуцированное глюкозой ингибирование роста нейритов» (Berent-Spillson, et al. 2004). В целом, это делает ингибирование GCPIII четкой модельной мишенью для борьбы с диабетической невропатией.
Наркотическая зависимость
Шизофрения, как описано ранее, обычно моделируется в лаборатории с помощью животной модели PCP. Поскольку было показано, что ингибирование GCPIII, возможно, ограничивает шизофреническое поведение в этой модели, это предполагает, что ингибирование GCPIII, таким образом, снижает эффект PCP. Кроме того, было доказано, что вознаграждающее действие многих лекарств (кокаина, PCP, алкоголя, никотина и т. Д.) Связано с уровнями глутамата, на которые NAAG и GCPIII могут оказывать регулирующее воздействие.
Таким образом, результаты нескольких исследований лекарственных средств позволяют сделать вывод, что:
- Система NAAG / NP может быть задействована в нейронных механизмах, регулирующих индуцированную сигналом тягу к кокаину, развитие киндлинга кокаиновых припадков и управление опиоидной зависимостью и потреблением алкоголя. Следовательно, ингибиторы NP могут обеспечить новую терапию для таких состояний.
Другие болезни и расстройства
Ингибирование NAAG также изучалось как средство лечения рака простаты, БАС и других нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Паркинсона и болезнь Хантингтона.
использованная литература
внешние ссылки
- Merops онлайновой базы данных для пептидазы и их ингибиторов: M20.001
- Банк данных белков : Банк данных белков
- Глутамат + карбоксипептидаза + II в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
- Обзор всей структурной информации, доступной в PDB для UniProt : Q04609 (глутаматкарбоксипептидаза 2) в PDBe-KB .
