Glutamatkarboxipeptidas II - Glutamate carboxypeptidase II
| glutamatkarboxipeptidas II | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Reaktionsschema för NAAG Nedbrytning med GCPII: GCPII + NAAG → GCPII-NAAG-komplex → Glutamat + NAA
| |||||||||
| Identifierare | |||||||||
| EG -nr. | 3.4.17.21 | ||||||||
| CAS -nr. | 111070-04-3 | ||||||||
| Databaser | |||||||||
| IntEnz | IntEnz -vy | ||||||||
| BRENDA | BRENDA -inträde | ||||||||
| ExPASy | NiceZyme -vy | ||||||||
| KEGG | KEGG -post | ||||||||
| MetaCyc | Metabolisk väg | ||||||||
| PRIAM | profil | ||||||||
| PDB -strukturer | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
| Genontologi | AmiGO / QuickGO | ||||||||
| |||||||||
Glutamatkarboxipeptidas II ( GCPII ), även känt som N-acetyl-L-aspartyl-L-glutamatpeptidas I (NAALADas I), NAAG-peptidas eller prostataspecifikt membranantigen ( PSMA ) är ett enzym som hos människor kodas av FOLH1 ( folathydrolas 1 ) -gen . Humant GCPII innehåller 750 aminosyror och väger cirka 84 kDa.
GCPII är en zink metalloenzym som finns i membran. Det mesta av enzymet finns i det extracellulära utrymmet. GCPII är en klass II-membran glykoprotein . Det katalyserar hydrolysen av N-acetylaspartylglutamat (NAAG) till glutamat och N-acetylaspartat (NAA) enligt reaktionsschemat till höger.
Neurovetare använder främst termen NAALADase i sina studier, medan de som studerar folatmetabolism använder folathydrolas och de som studerar prostatacancer eller onkologi, PSMA. Alla avser samma proteinglutamatkarboxipeptidas II.
Upptäckt
GCPII uttrycks huvudsakligen i fyra vävnader i kroppen, inklusive prostataepitel, proximala tubuli i njurarna, jejunal borstgräns i tunntarmen och ganglier i nervsystemet.
Den initiala kloningen av cDNA som kodar för genen som uttrycker PSMA åstadkoms faktiskt med RNA från en prostatatumörcellinje, LNCaP. PSMA delar homologi med transferrinreceptorn och genomgår endocytos men liganden för att framkalla internalisering har inte identifierats. Det visade sig att PSMA var detsamma som membranproteinet i tunntarmen som ansvarar för avlägsnande av gammalänkade glutamater från polygammaglutamatfolat. Detta möjliggör frigöring av folsyra, som sedan kan transporteras in i kroppen för användning som vitamin. Detta resulterade i den klonade genomiska beteckningen av PSMA som FOLH1 för folathydrolas.
PSMA (FOLH1) + folatpolygammaglutamat (n 1-7) ---> PSMA (FOLH1) + folat (poly) gammaglutamat (n-1) + glutamat fortsätter tills folat frigörs.
Strukturera
De tre domänerna i den extracellulära delen av GCPII-proteas, apikala och C-terminala domäner-samarbetar i substratigenkänning. Proteasdomänen är ett centralt sju-strängat blandat p-ark. P-arket flankeras av 10 a-helixer. Den apikala domänen är belägen mellan den första och den andra strängen av det centrala p-arket i proteasdomänen. Den apikala domänen skapar en ficka som underlättar substratbindning. C-terminal-domänen är en upp-ned-upp-ned-ned-helix-bunt.
Den centrala fickan är cirka 2 nanometer djup och öppnar från det extracellulära utrymmet till den aktiva platsen. Denna aktiva plats innehåller två zinkjoner. Under inhibering fungerar var och en som en ligand till ett syre i 2-PMPA eller fosfat. Det finns också en kalciumjon koordinerad i GCPII, långt från den aktiva platsen. Det har föreslagits att kalcium håller ihop proteas- och apikala domäner. Dessutom har humant GCPII tio platser för potentiell glykosylering , och många av dessa platser (inklusive några långt från den katalytiska domänen) påverkar GCPII: s förmåga att hydrolysera NAAG.
FOLH1 -genen har flera potentiella startplatser och skarvformer, vilket ger upphov till skillnader i membranproteinstruktur, lokalisering och karboxipeptidasaktivitet baserat på modervävnaden.
Enzymkinetik
Hydrolysen av NAAG med GCPII lyder Michaelis – Menten -kinetiken beräknade bindningskonstanten ( K m ) för NAAG till cirka 130 nM och omsättningskonstanten ( k cat ) som cirka 4 s −1 . Den uppenbara andra ordningens hastighetskonstant är ungefär 3 × 107 (M · s) −1 .
Roll i cancer
Human PSMA uttrycks starkt i prostata, ungefär hundra gånger större än i de flesta andra vävnader. I vissa prostatacancer är PSMA den näst mest uppreglerade genprodukten, med en 8- till 12-faldig ökning över nivåerna i icke-cancerösa prostataceller. På grund av detta höga uttryck utvecklas PSMA som en potentiell biomarkör för behandling och avbildning av vissa cancerformer. Vid human prostatacancer är de högre uttryckande tumörerna associerade med snabbare tid till progression och en större andel patienter som lider av återfall. In vitro -studier med prostata- och bröstcancercellinjer med minskade PSMA -nivåer visade en signifikant minskning av cellernas spridning, migration, invasion, vidhäftning och överlevnad.
Imaging
PSMA är målet för flera kärnmedicinska avbildningsmedel för prostatacancer. PSMA-uttryck kan avbildas med gallium-68 PSMA eller fluor-18 PSMA för positronemissionstomografi . Detta använder en radiomärkt liten molekyl som binder med hög affinitet till PSMA-receptorns extracellulära domän. Tidigare användes en antikropp som riktade sig mot den intracellulära domänen ( indium-111 kapromabpentid, marknadsförd som Prostascint), även om detektionshastigheten var låg.
År 2020 publicerades resultaten av en randomiserad fas 3-studie ("ProPSMA-studie") där Gallium-68 PSMA PET/CT jämfördes med standardavbildning (CT och benskanning). Denna 300 patientstudie utförd på 10 studieplatser visade överlägsen noggrannhet av PSMA PET/CT (92% vs 65%), högre signifikant förändring i hanteringen (28% vs 15%), mindre otvetydiga/osäkra bildfynd (7% mot 23% ) och lägre strålningsexponering (10 mSv mot 19 mSv). Studien drar slutsatsen att PSMA PET/CT är en lämplig ersättare för konventionell avbildning, vilket ger överlägsen noggrannhet, till de kombinerade resultaten av CT och skanning. Denna nya teknik godkändes av FDA den 1 december 2020. En liten molekyl med två modaliteter som är positronemitterande ( 18 F) och fluorescerande mål PSMA och testades på människor. Molekylen hittade platsen för primär och metastatisk prostatacancer med PET , fluorescensstyrt avlägsnande av cancer och detekterar enstaka cancerceller i vävnadsmarginaler.
Ett mänskligt härledt, genetiskt, positronemitterande och fluorescerande (HD-GPF) reportersystem använder ett humant protein, PSMA och icke-immunogent, och en liten molekyl som är positronemitterande ( 18 F) och fluorescerande för dubbel modalitet PET och fluorescensavbildning av genommodifierade celler, t.ex. cancer , CRISPR/Cas9 eller CAR T -celler, i en hel mus.
Terapi
PSMA kan också användas experimentellt som mål för behandling vid obehandlad strålbehandling . Lutetium-177 är en beta-emitter som kan kombineras med PSMA-riktade molekyler för att leverera behandling till prostatatumörer. En prospektiv fas II -studie visade ett svar (enligt definitionen av minskning av PSA med 50% eller mer) hos 64% av männen. Vanliga biverkningar inkluderar muntorrhet, torr trötthet, illamående, torra ögon och trombocytopeni (minskning av trombocyter). Resultaten av den randomiserade studien VISION3 -studien var positiva med 40% minskad dödlighet och 5 månaders ökning av överlevnaden. fas III VISION -prövning.
Nedbrytning av signalsubstans
För dem som studerar neurala sjukdomar är NAAG en av de tre vanligaste neurotransmittorerna som finns i centrala nervsystemet och när det katalyserar reaktionen för att producera glutamat producerar den också en annan signalsubstans. Glutamat är en vanlig och riklig excitatorisk neurotransmittor i centrala nervsystemet; men om det finns för mycket glutamatöverföring kan detta döda eller åtminstone skada neuroner och har varit inblandat i många neurologiska sjukdomar och störningar, därför är balansen som NAAG -peptidas bidrar till ganska viktig.
Potentiella terapeutiska tillämpningar
Funktion i hjärnan
GCPII har visat sig öka både indirekt och direkt koncentrationen av glutamat i det extracellulära utrymmet. GCPII klyver NAAG direkt i NAA och glutamat. NAAG har visat sig i hög koncentration indirekt hämma frisättningen av signalsubstanser, såsom GABA och glutamat. Det gör detta genom interaktion med och aktivering av presynaptiska grupp II -mGluR. I närvaro av NAAG -peptidas hålls således koncentrationen av NAAG i schack och glutamat och GABA, bland andra neurotransmittorer, hämmas inte.
Forskare har kunnat visa att effektiva och selektiva GCPII -hämmare kan minska hjärnans nivåer av glutamat och till och med ge skydd mot apoptos eller nedbrytning av hjärnneuroner i många djurmodeller av stroke, amyotrofisk lateral skleros och neuropatisk smärta. Denna hämning av dessa NAAG -peptidaser, som ibland kallas NP, anses ge detta skydd mot apoptos eller nedbrytning av hjärnneuroner genom att höja koncentrationerna av NAAG inom synapsen av neuroner. NAAG reducerar sedan frisättningen av glutamat samtidigt som det stimulerar frisättningen av vissa trofiska faktorer från gliacellerna i centrala nervsystemet, vilket resulterar i skydd mot apoptos eller nedbrytning av hjärnneuroner. Det är dock viktigt att notera att dessa NP -hämmare inte verkar ha någon effekt på normal glutamatfunktion. NP -hämningen kan förbättra den naturligt förekommande regleringen istället för att aktivera eller hämma receptorer som skulle störa denna process. Forskning har också visat att småmolekylbaserade NP-hämmare är fördelaktiga i djurmodeller som är relevanta för neurodegenerativa sjukdomar. Några specifika tillämpningar av denna forskning inkluderar neuropatisk och inflammatorisk smärta, traumatisk hjärnskada, ischemisk stroke, schizofreni, diabetisk neuropati, amyotrofisk lateral skleros samt läkemedelsberoende. Tidigare forskning har funnit att läkemedel som kan minska glutamatöverföring kan lindra den neuropatiska smärtan, även om de resulterande biverkningarna har begränsat en stor del av deras kliniska tillämpningar. Därför verkar det som att eftersom GCPII uteslutande rekryteras i syfte att tillhandahålla en glutamatkälla vid hyperglutamatergiska och excitotoxiska tillstånd kan detta vara ett alternativ för att avvärja dessa biverkningar. Fler forskningsresultat har visat att hydrolysen av NAAG störs vid schizofreni, och de har visat att specifika anatomiska områden i hjärnan till och med kan visa diskreta abnormiteter i GCP II -syntesen, så NP kan också vara terapeutiskt för patienter som lider av schizofreni. Ett stort hinder med att använda många av de potenta GCPII -hämmare som hittills har förberetts är vanligtvis mycket polära föreningar, vilket orsakar problem eftersom de inte lätt tränger igenom blod -hjärnbarriären.
Potentiella användningsområden för NAAG -peptidashämmare
Glutamat är den "primära excitatoriska neurotransmittorn i det mänskliga nervsystemet", som deltar i en mängd hjärnfunktioner. Överstimulering och -aktivering av glutamatreceptorer samt "störningar i cellulära mekanismer som skyddar mot de negativa konsekvenserna av fysiologisk glutamatreceptoraktivering" har varit kända för att orsaka neuronskador och död, som har associerats med flera neurologiska sjukdomar.
På grund av utbudet av glutamatfunktion och närvaro har det varit svårt att skapa glutamatergiska läkemedel som inte påverkar andra nödvändiga funktioner negativt och orsakar oönskade biverkningar. NAAG -peptidashämning har erbjudit möjligheten för specifik läkemedelsinriktning.
Specifika hämmare
Sedan löftet om möjlig neurologisk sjukdomsterapi och specifik läkemedelsinriktning har NAAG -peptidashämmare skapats och studerats i stor utsträckning. Några exempel på små molekyler är de som följer:
- 2-PMPA och analoger
- Tiol- och indoltiolderivat
- Hydroxamatderivat
- Konformationellt sammandragna dipeptidmimetika
- PBDA- och ureabaserade hämmare.
Andra potentiella terapeutiska tillämpningar
Neuropatisk och inflammatorisk smärta
Smärta orsakad av skada på CNS eller PNS har associerats med ökad glutamatkoncentration. NAAG -hämning minskade närvaron av glutamat och kan därmed minska smärta. (Neale JH et al., 2005). Nagel et al. använde hämmaren 2-PMPA för att visa den analgetiska effekten av NAAG-peptidashämningar. Denna studie följde en av Chen et al., Som visade liknande resultat.
Huvudskada
Allvarlig huvudskada (SHI) och traumatisk hjärnskada (TBI) är utbredd och har en enorm inverkan. "De är den vanligaste dödsorsaken hos barn och unga vuxna (<25 år) och står för en fjärdedel av alla dödsfall i åldersgruppen fem till 15 år". Efter initial påverkan stiger glutamatnivåerna och orsakar excitotoxisk skada i en process som har karakteriserats väl. Med sin förmåga att minska glutamatnivåer har NAAG -hämning visat lovande för att förebygga neurologisk skada i samband med SHI och TBI.
Stroke
Enligt National Stroke Association är stroke den tredje ledande dödsorsaken och den främsta orsaken till vuxens funktionshinder. Man tror att glutamatnivåer orsakar underliggande ischemisk skada under en stroke, och därför kan NAAG -hämning minska denna skada.
Schizofreni
Schizofreni är en psykisk störning som drabbar 1% av människor över hela världen. Det kan modelleras av PCP hos försöksdjur, och det har visats att mGluR -agonister har minskat läkemedlets effekter. NAAG är en sådan mGluR -agonist. Således kan hämning av enzymet som minskar NAAG -koncentrationen, NAAG -peptidas, ge en praktisk behandling för minskning av schizofrena symptom.
Diabetisk neuropati
Diabetes kan leda till skadade nerver, orsaka förlust av känsla, smärta, eller, om autonoma nerver är associerade, skador på bland annat cirkulations-, reproduktions- eller matsmältningssystemet. Över 60% av diabetespatienter sägs ha någon form av neuropati, men svårighetsgraden varierar dramatiskt. Neuropati orsakar inte bara direkt skada och skada utan kan också indirekt leda till sådana problem som diabetiska sår, vilket i sin tur kan leda till amputationer. Faktum är att över hälften av alla nedre extremiteter amputationer i USA är av patienter med diabetes.
Genom användning av NAAG-peptidashämmaren 2-PMPA inhiberades NAAG-klyvningen och med den programmerades DRG-neuronal celldöd i närvaro av höga glukosnivåer. Forskarna har föreslagit att orsaken till detta är NAAGs agonistiska aktivitet vid mGluR3. Dessutom förhindrade NAAG också ”glukosinducerad hämning av neurittillväxt” (Berent-Spillson, et al. 2004). Sammantaget gör detta GCPIII -hämning till ett tydligt modellmål för att bekämpa diabetisk neuropati.
Drogmissbruk
Schizofreni, som tidigare beskrivits, modelleras normalt i laboratoriet genom en PCP -djurmodell. Eftersom GCPIII -inhibering visade sig kunna begränsa schizofren beteende i denna modell, tyder detta på att GCPIII -hämning således minskar effekten av PCP. Dessutom har belöningseffekten för många droger (kokain, PCP, alkohol, nikotin, etc.) visat sig med ökande bevis för att vara relaterade till glutamatnivåer, på vilka NAAG och GCPIII kan ha viss regleringseffekt.
Sammanfattningsvis kan resultaten från flera läkemedelsstudier dra slutsatsen att:
- NAAG/NP-systemet kan vara inblandat i neuronala mekanismer som reglerar cue-inducerat kokainsug, utvecklingen av tändning av kokainbeslag och hantering av opioidberoende och alkoholkonsumtionsbeteende. Därför kan NP -hämmare tillhandahålla en ny terapi för sådana tillstånd.
Andra sjukdomar och störningar
NAAG -hämning har också studerats som behandling mot prostatacancer, ALS och andra neurodegenerativa sjukdomar som Parkinsons sjukdom och Huntingtons sjukdom.
Referenser
externa länkar
- Den Merops online-databas för peptidaser och deras hämmare: M20.001
- Proteindatabank: Proteindatabank
- Glutamat+karboxipeptidas+II vid US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
- Översikt över all strukturinformation som finns tillgänglig i PDB för UniProt : Q04609 (Glutamatkarboxipeptidas 2) på PDBe-KB .
