Fosfolipas D - Phospholipase D

Fosfolipas D
Identifierare
Symbol PLDc
Pfam PF03009
InterPro IPR001736
SMART SM00155
PROSIT PDOC50035
SCOP2 1byr / SCOPe / SUPFAM
OPM superfamilj 118
OPM -protein 3rlh
CDD cd00138
Membranome 306
fosfolipas D
Identifierare
EG -nr. 3.1.4.4
CAS -nr. 9001-87-0
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

Fosfolipas D ( EC 3.1.4.4 , lipophosphodiesterase II , lecitinas D , kolin fosfatas ) ( PLD ) är ett enzym av fosfolipas -superfamiljen . Fosfolipaser förekommer i stor utsträckning och kan hittas i ett brett spektrum av organismer, inklusive bakterier, jäst, växter, djur och virus. Fosfolipas D: s huvudsakliga substrat är fosfatidylkolin , vilket det hydrolyseras för att producera signalmolekylen fosfatidsyra (PA), och lösligt kolin i en beroende process kolesterol kallas substrat presentation . Växter innehåller många gener som kodar för olika PLD -isoenzymer , med molekylvikter från 90 till 125 kDa . Däggdjursceller kodar för två isoformer av fosfolipas D: PLD1 och PLD2 . Fosfolipas D är en viktig aktör i många fysiologiska processer, inklusive membranhandel , cytoskeletal omorganisation, receptormedierad endocytos , exocytos och cellmigration . Genom dessa processer har det varit ytterligare inblandat i patofysiologin för flera sjukdomar : särskilt utvecklingen av Parkinsons och Alzheimers , liksom olika cancerformer . PLD kan också hjälpa till att ställa in tröskeln för känslighet för anestesi och mekanisk kraft.

Upptäckt

PLD- aktivitet rapporterades första gången 1947 av Donald J. Hanahan och IL Chaikoff. Det var dock först 1975 som den hydrolytiska verkningsmekanismen klargjordes i däggdjursceller . Växt isoformer av PLD först renas från kål och ricin ; PLDa klonades slutligen och karakteriserades från en mängd olika växter, inklusive ris, majs och tomat. Växt -PLD: er har klonats i tre isoformer: PLDα , PLDβ och PLDγ . Mer än ett halvt sekel av biokemiska studier har implicerats fosfolipas D och PA -aktivitet i ett brett spektrum av fysiologiska processer och sjukdomar , inklusive inflammation , diabetes , fagocytos , neuronal & hjärt signalering, och onkogenes .

Fungera

Strängt taget är fosfolipas D ett transfosfatidylas : det förmedlar utbytet av polära huvudgrupper kovalent bundna till membranbundna lipider . Genom att använda vatten som en nukleofil katalyserar detta enzym klyvningen av fosfodiesterbindningen i strukturella fosfolipider såsom fosfatidylkolin och fosfatidyletanolamin . Produkterna från denna hydrolys är den membranbundna lipiden fosfatidsyra (PA) och kolin , som diffunderar in i cytosolen . Eftersom kolin har liten andra budbäraraktivitet , transduceras PLD -aktivitet mestadels av produktion av PA. PA är starkt involverat i intracellulär signaltransduktion . Dessutom kan vissa medlemmar av PLD- superfamiljen använda primära alkoholer såsom etanol eller 1-butanol vid klyvningen av fosfolipiden , vilket effektivt katalyserar utbytet av den polära lipidhuvudgruppen . Andra medlemmar i denna familj kan hydrolysera andra fosfolipidsubstrat, såsom kardiolipin , eller till och med fosfodiesterbindningen som utgör ryggraden i DNA .

Fosfatidsyra

Många av fosfolipas D: s cellulära funktioner förmedlas av dess huvudprodukt, fosfatidsyra (PA). PA är en negativt laddad fosfolipid , vars lilla huvudgrupp främjar membrankrökning . Det är sålunda tänkt att underlätta membran - vesikelfusion och fission på ett sätt som är analogt med clathrin-förmedlad endocytos . PA kan också rekrytera proteiner som innehåller dess motsvarande bindningsdomän , en region som kännetecknas av basiska aminosyrarika regioner. Dessutom kan PA omvandlas till ett antal andra lipider , såsom lysofosfatidsyra (lyso-PA) eller diacylglycerol , signalmolekyler som har en mängd effekter på nedströms cellulära vägar . PA och dess lipid- derivat är inblandade i otaliga processer som inkluderar intracellulär vesikel trafficking , endocytos , exocytos , aktin cytoskelettsystemen dynamik , cellproliferation differentiering och migration .

Figur 1. En modell för ARF -beroende aktivering av fosfolipas D, och ett föreslaget schema för vesikelendocytos . I denna modell aktiverar ARF fosfolipas D ( PLD ) och rekryterar det till plasmamembranet . Hydrolys av fosfatidylkolin ( PC ) med ARF-aktiverad PLD producerar fosfatidsyra ( PA ). PA rekryterar därefter molekyler som formar den inre ytan av lipiddubbelskiktet , vilket underlättar bildning av vesiklar . Lokal anrikning av sura fosfolipider hjälp rekrytera adaptorproteiner ( AP ) och höljeproteiner ( CP ) till membranet , som initierar knoppning av vesikeln . Vesikelklyvning medieras slutligen av dynamin , som i sig är en nedströms effektor av PA.

Däggdjurs PLD interagerar direkt med kinaser som PKC , ERK , TYK och styr signalen som indikerar att PLD aktiveras av dessa kinaser. Eftersom kolin är mycket rikligt i cellen påverkar PLD -aktivitet inte signifikant kolinnivåer, och det är osannolikt att kolin spelar någon roll vid signalering.

Fosfatidsyra är en signalmolekyl och verkar för att rekrytera SK1 till membran . PA är extremt kortlivad och hydrolyseras snabbt av enzymet fosfatidatfosfatas för att bilda diacylglycerol (DAG). DAG kan också omvandlas till PA med DAG -kinas . Även om PA och DAG är interkonvertibla, agerar de inte i samma banor . Stimuli som aktiverar PLD aktiverar inte enzymer nedströms DAG och vice versa.

Det är möjligt att även om PA och DAG är interkonverterbara kan separata pooler av signalering och icke-signalerande lipider bibehållas. Studier har föreslagit att DAG -signalering medieras av fleromättad DAG medan PLD -härledd PA är enkelomättad eller mättad . Således kan funktionellt mättat/enkelomättat PA nedbrytas genom att hydrolysera det för att bilda icke-funktionellt mättat/enkelomättat DAG medan funktionellt fleromättat DAG kan brytas ned genom att omvandla det till icke-funktionellt fleromättat PA.

Ett lysofosfolipas D som kallas autotaxin identifierades nyligen för att ha en viktig roll i cellproliferation genom sin produkt, lysofosfatidsyra (LPA).

Strukturera

Växt- och djur -PLD har en konsekvent molekylstruktur , kännetecknad av katalysställen omgiven av ett sortiment av regulatoriska sekvenser . Den aktiva platsen av PLDs består av fyra mycket konserverade aminosyrasekvenser (I-IV), av vilka motiv II och IV är särskilt konserverade. Dessa strukturella domäner innehåller den utmärkta katalytiska sekvensen HxKxxxxD (HKD), där H , K och D är aminosyrorna histidin (H), lysin (K), asparaginsyra (D), medan x representerar icke -konservativa aminosyror . Dessa två HKD -motiv ger PLD hydrolytisk aktivitet och är kritiska för dess enzymatiska aktivitet både in vitro och in vivo . Hydrolys av fosfodiesterbindningen sker när dessa HKD -sekvenser är i rätt närhet .

Mänskliga proteiner som innehåller detta motiv inkluderar:

PC -hydrolyserande PLD är en homolog av kardiolipinsyntas , fosfatidylserinsyntas , bakteriella PLD och virala proteiner . Var och en av dessa visas att ha en domän duplicering vilket framgår av förekomsten av två HKD -motiv som innehåller väl- konserverade histidin , lysin , och asparagin -rester som kan bidra till den aktiva platsen asparaginsyra . Ett Escherichia coli endonukleas (nuc) och liknande proteiner tycks vara PLD -homologer men har bara ett av dessa motiv.

PLD- gener dessutom koda mycket konserverade regulatoriska domäner : den phox konsensussekvensen (PX) , den pleckstrinhomologidomän (PH), och ett bindningsställe för fosfatidylinositol-4,5-bisfosfat (PIP 2 ).

Katalysmekanism

PLD- katalyserad hydrolys har föreslagits att ske i två steg via en " pingis " -mekanism. I detta schema, de histidin rester av varje HKD-motiv successivt attackera den fosfolipid substratet . Fungerar som nukleofiler , de konstituerande imidazol delarna hos de histidiner bildar transienta kovalenta bindningar med fosfolipid , producera en kortlivad intermediär som lätt kan hydrolyseras av vatten i ett efterföljande steg .

Substratpresentation ; PLD (blå oval) avskiljs i kolesterolberoende lipiddomäner (gröna lipider) genom palmitoylering . PLD binder också PIP2 (röd hexagon) domäner (grå skuggning) belägen i cellens störda område med fosfatidylkolin (PC). När PIP2 ökar i cellen translokerar PLD till PIP2 där den utsätts för och hydroliserar PC till fosfatidsyra (röd sfärisk lipid).

Aktiveringsmekanism

Substratpresentation För däggdjurs PLD2 är den molekylära grunden för aktivering substratpresentation. Enzymet är inaktivt i lipidmikrodomäner som är rika på sfingomyelin och utarmade av PC-substrat. Ökad PIP2 eller minskning av kolesterol gör att enzymet translokerar till PIP2 -mikrodomäner nära dess substrat -PC. Därför aktiveras PLD -burken främst genom lokalisering inom plasmamembranet snarare än en proteinkonformationsförändring. Störning av lipiddomäner genom anestetika. eller mekanisk kraft. Proteinet kan också genomgå en konformationsförändring vid PIP2 -bindning, men detta har inte visats experimentellt och skulle utgöra en mekanism för aktivering som skiljer sig från substratpresentation.


Isoformer

Två stora isoformer av fosfolipas D har identifierats i däggdjursceller : PLD1 och PLD2 (53% sekvenshomologi ), var och en kodad av distinkta gener . PLD -aktivitet tycks vara närvarande i de flesta celltyper , med de möjliga undantagen för perifera leukocyter och andra lymfocyter . Båda PLD -isoformerna kräver PIP 2 som kofaktor för aktivitet . PLD1 och PLD2 uppvisar olika subcellulära lokaliseringar som dynamiskt förändras under signaltransduktion . PLD -aktivitet har observerats inom plasmamembranet , cytosol , ER och Golgi -komplexet .

PLD1

PLD1 är ett 120 kDa protein som huvudsakligen finns på cellens inre membran . Det finns främst i Golgi -komplexet , endosomer , lysosomer och sekretoriska granuler . På bindningen av en extracellulär stimulus, PLD1 är transporteras till plasmamembranet . Basal PLD1 aktiviteten är låg dock, och för att transducera den extracellulära signalen, måste den först aktiveras av proteiner såsom Arf , Rho , Rac , och proteinkinas C .

fosfolipas D1, fosfatidylkolinspecifik
Identifierare
Symbol PLD1
NCBI -gen 5337
HGNC 9067
OMIM 602382
RefSeq NM_002662
UniProt Q13393
Annan data
EG -nummer 3.1.4.4
Ställe Chr. 3 q26

PLD2

I motsats, är PLD2 ett 106 kDa protein som huvudsakligen lokaliseras till plasmamembranet , bosatt i lätta membran lipidaggregat . Den har hög inneboende katalytisk aktivitet och aktiveras endast svagt av molekylerna ovan.

fosfolipas D2
Identifierare
Symbol PLD2
NCBI -gen 5338
HGNC 9068
OMIM 602384
RefSeq NM_002663
UniProt O14939
Annan data
EG -nummer 3.1.4.4
Ställe Chr. 17 s13.3

Förordning

Fosfolipas D: s aktivitet regleras i stor utsträckning av hormoner , neurotransmittorer , lipider , små monomera GTPaser och andra små molekyler som binder till motsvarande domäner på enzymet. I de flesta fall medieras signaltransduktion genom produktion av fosfatidsyra , som fungerar som en sekundär budbärare .

Specifika fosfolipider är regulatorer av PLD -aktivitet i växt- och djurceller. De flesta PLD kräver fosfatidylinositol 4,5-bisfosfat (PIP 2 ), som kofaktorer för aktivitet. PIP 2 och andra fosfoinositider är viktiga modifierare av cytoskeletal dynamik och membrantransport och kan trafikera PLD till dess substrat -PC. PLD reglerade av dessa fosfolipider är vanligtvis involverade i intracellulär signaltransduktion . Deras aktivitet är beroende av bindningen av dessa fosfoinositider nära den aktiva platsen . Hos växter och djur kännetecknas denna bindningsplats av närvaron av en bevarad sekvens av basiska och aromatiska aminosyror . I växter som Arabidopsis thaliana utgörs denna sekvens av ett RxxxxxKxR -motiv tillsammans med dess inverterade upprepning , där R är arginin och K är lysin . Dess närhet till det aktiva stället säkerställer hög nivå av PLD1 och PLD2 aktivitet och främjar sloka av PLD1 till mål- membran som svar på extracellulära signaler.

C2 -domän

Kalcium fungerar som en kofaktor i PLD -isoformer som innehåller C2 -domänen . Bindning av Ca 2+ till C2-domänen leder till konformationsförändringar i enzymet som stärker enzym-substratbindning , samtidigt som kopplingen till fosfoinositider försvagas . I vissa växt isoenzymer , såsom PLDβ , Ca 2+ kan binda direkt till den aktiva platsen , indirekt öka dess affinitet för substratet genom att stärka bindningen av aktivatorn PIP 2 .

PX -domän

Den PBOX konsensussekvens (PX) tros mediera bindningen av ytterligare fosfatidylinositol fosfater, i synnerhet, fosfatidylinositol 5-fosfat (PtdIns5P), tänkte en lipid som skall krävas för endocytos , kan bidra lätta reinternalization av PLD1 från plasmamembranet .

PH -domän

Den mycket bevarade Pleckstrin -homologidomänen (PH) är en strukturell domän med en längd av cirka 120 aminosyror . Det binder fosfatidylinositider såsom fosfatidylinositol (3,4,5) -trisfosfat (PIP 3 ) och fosfatidylinositol (4,5) -bisfosfat (PIP 2 ). Det kan också binda heterotrimära G-proteiner via deras βγ-subenhet . Bindning till denna domän anses också underlätta re-internalisering av proteinet genom att öka dess affinitet till endocytotiska lipidflottor .

Interaktioner med små GTPaser

I djurceller, små proteinfaktorer är viktiga ytterligare regulatorer av PLD-aktivitet. Dessa små monomera GTPaser är medlemmar i Rho- och ARF -familjerna i Ras -superfamiljen . Några av dessa proteiner, såsom Rac1 , Cdc42 och RhoA , aktiverar allosteriskt däggdjurs PLD1 , vilket direkt ökar dess aktivitet. I synnerhet är translokation av cytosolisk ADP-ribosyleringsfaktor (ARF) till plasmamembranet avgörande för PLD-aktivering.

Fysiologiska och patofysiologiska roller

Alkoholintoxikation

Fosfolipas D metaboliserar etanol till fosfatidyletanol (PEtOH) i en process som kallas transfosfatidylering. Med hjälp av fluggenetik visade det sig att PEtOH förmedlar alkoholens hyperaktiva svar i fruktflugor. Och etanoltransfosfatidylering visade sig vara uppreglerad hos alkoholister och familjemedlemmar till alkoholister. S Denna etanoltransfosfatidyleringsmekanism framkom nyligen som en alternativ teori för alkoholens effekt på jonkanaler. Många jonkanaler regleras av anjoniska lipider. och konkurrensen mellan PEtOH och endogena signallipider tros i vissa fall förmedla effekten av etanol på jonkanaler och inte direkt bindning av den fria etanolen till kanalen.

Mekanosensation

PLD2 är en mekanosensor och direkt känslig för mekanisk störning av grupperade GM1 -lipider. Mekanisk störning (vätskeklippning) signalerar sedan för cellen att differentieras. PLD2 aktiverar också TREK-1-kanaler, en kaliumkanal i den smärtstillande vägen.

Vid cancer

Fosfolipas D är en regulator för flera kritiska cellulära processer, inklusive vesikeltransport , endocytos , exocytos , cellmigration och mitos . Dysreglering av dessa processer är vanligt vid cancerframkallande , och i sin tur har abnormiteter i PLD -uttryck varit inblandade i utvecklingen av flera typer av cancer . En förare mutation som ger förhöjd PLD2 aktivitet har observerats i flera maligna bröstcancrar . Förhöjt PLD -uttryck har också korrelerats med tumörstorlek vid kolorektalt karcinom , magkarcinom och njurcancer . De molekylära vägar genom vilka PLD driver cancerframsteg är dock fortfarande oklara. En potentiell hypotes kastar en avgörande roll för fosfolipas D i aktivering av mTOR , en suppressor av cancercell apoptos . Förmågan hos PLD att undertrycka apoptos i celler med förhöjd tyrosinkinasaktivitet aktivitet gör den till en kandidat onkogen i cancerformer där sådan uttryck är typiskt.

Vid neurodegenerativa sjukdomar

Fosfolipas D kan också spela en viktig patofysiologisk roll i utvecklingen av neurodegenerativa sjukdomar , främst genom dess kapacitet som signaltransducer i oumbärliga cellulära processer som cytoskeletal omorganisation och vesikelhandel . Dysreglering av PLD med proteinet a-synuklein har visat sig leda till den specifika förlusten av dopaminerga neuroner hos däggdjur . α-synuklein är den primära strukturella komponenten i Lewy-kroppar , proteinaggregat som är kännetecknen för Parkinsons sjukdom . Inhibering av PLD med a-synuklein kan bidra till Parkinsons skadliga fenotyp .

Onormal PLD-aktivitet har också misstänkts vid Alzheimers sjukdom , där det har observerats interagera med presenilin 1 (PS-1), huvudkomponenten i y-sekretaskomplexet som är ansvarigt för den enzymatiska klyvningen av amyloidprekursorprotein (APP). Extracellulära plack av produkten β-amyloid är en avgörande egenskap hos Alzheimers sjuka hjärnor. Verkan av PLD1 på PS-1 har visat sig påverka intracellulär handel med amyloidprekursorn till detta komplex . Fosfolipas D3 (PLD3), en icke-klassisk och dåligt karakteriserad medlem av PLD- överfamiljen , har också associerats med patogenesen av denna sjukdom.

Galleri

Referenser

externa länkar

Denna artikel innehåller text från det offentliga Pfam och InterPro : IPR001734