Serpin - Serpin

Serpin (serinproteashämmare)
Serpin (stressad) .png
En serpin (vit) med sin "reaktiva centrumslinga" (blå) bunden till ett proteas (grått). När proteaset försöker katalysera kommer det att inhiberas irreversibelt . ( PDB : 1K9O )
Identifierare
Symbol Serpin, Serpin ( rot symbol av familjen)
Pfam PF00079
InterPro IPR000215
PROSIT PDOC00256
SCOP2 1hle / SCOPe / SUPFAM
CDD cd00172

Serpiner är en superfamilj av proteiner med liknande strukturer som först identifierades för deras proteashämmande aktivitet och finns i alla livets riken . Akronymen serpin myntades ursprungligen eftersom de första serpinerna som skulle identifieras verkar på kymotrypsinliknande serinproteaser ( ser ine p rotease i hibitorer). De är känd för sin ovanliga verkningsmekanism, där de hämmar irreversibelt sitt mål proteas genom att genomgå en stor strukturförändring att störa sin aktiva . Detta står i kontrast till den mer vanliga konkurrensmekanismen för proteashämmare som binder till och blockerar åtkomst till det proteasaktiva stället.

Proteashämning av serpiner styr en rad biologiska processer, inklusive koagulation och inflammation , och följaktligen är dessa proteiner målet för medicinsk forskning . Deras unika konformationsförändring gör dem också intressanta för forskningsgemenskaperna för strukturbiologi och proteinvikning . Konformationsförändringsmekanismen ger vissa fördelar, men det har också nackdelar: serpiner är sårbara för mutationer som kan resultera i serpinopatier som proteinfelning och bildandet av inaktiva långkedjiga polymerer . Serpin polymerisation minskar inte bara mängden aktiv inhibitor, men leder också till ackumulering av polymererna, vilket orsakar celldöd och organsvikt .

Även om de flesta serpiner styra proteolytiska kaskader, vissa proteiner med en serpin struktur inte är enzyminhibitorer , men i stället utföra olika funktioner såsom lagring (som i äggvita - ovalbumin ), transport som vid hormon vagn proteiner ( tyroxinbindande globulin , kortisol bindande globulin ) och molekylär chaperoning ( HSP47 ). Termen serpin används också för att beskriva dessa medlemmar, trots deras icke-hämmande funktion, eftersom de är evolutionärt besläktade.

Historia

Proteashämmande aktivitet i blodplasma rapporterades först i slutet av 1800-talet, men det var inte förrän på 1950-talet som serpinerna antitrombin och alfa 1-antitrypsin isolerades. Initial forskning fokuserade på deras roll i mänsklig sjukdom: alfa 1-antitrypsinbrist är en av de vanligaste genetiska störningarna som orsakar emfysem och antitrombinbrist leder till trombos .

På 1980-talet blev det klart att dessa hämmare var en del av superfamiljen av besläktade proteiner som inkluderade både proteashämmare (t.ex. alfa 1-antitrypsin ) och icke-hämmande medlemmar (t.ex. ovalbumin ). Namnet "serpin" myntades baserat på superfamiljens vanligaste aktivitet ( ser ine p rotease i hibitorer). Ungefär samtidigt löstes de första strukturerna för serpinproteiner (först i den avslappnade och senare i den stressade konformationen). Strukturerna indikerade att den inhiberande mekanismen involverade en ovanlig konformationsförändring och föranledde det efterföljande strukturella fokuset på serpinstudier.

Över 1000 serpiner har nu identifierats, inklusive 36 mänskliga proteiner, liksom molekyler i alla livets riken - djur , växter , svampar , bakterier och arke - och några virus . På 2000 -talet infördes en systematisk nomenklatur för att kategorisera medlemmar i serpin -superfamiljen baserat på deras evolutionära relationer. Serpiner är därför den största och mest varierande superfamiljen av proteashämmare.

Aktivitet

Diagram över en serpin och proteas
Ett proteas (grått) bundet till en serpinreaktiv centrumslinga (RCL, blå). När proteasets katalytiska triad (röd) klyver RCL, fastnar den i en inaktiv konformation . ( PDB : 1K9O )

Flesta serpiner är proteas inhibitorer, targeting extracellulära, kymotrypsin -liknande serin-proteaser . Dessa proteaser har en nukleofil serinrest i en katalytisk triad på deras aktiva plats . Exempel inkluderar trombin , trypsin och humant neutrofilt elastas . Serpiner fungerar som irreversibla , självmordshämmare genom att fånga en mellanprodukt av proteasets katalytiska mekanism.

Vissa serpiner inhiberar andra proteasklasser, typiskt cysteinproteaser , och kallas "cross-class inhibitors". Dessa enzymer skiljer sig från serinproteaser genom att de använder en nukleofil cysteinrest , snarare än en serin , i sitt aktiva ställe. Ändå är den enzymatiska kemin liknande, och mekanismen för inhibering av serpiner är densamma för båda klasserna av proteas. Exempel på tvär klass inhiberande serpiner inkluderar serpin B4 en skivepitelcancer antigen 1 (SCCA-1) och den avian serpin myeloida och erytroida kärntermine skede specifikt protein (MENT), som båda inhiberingssignal papain -liknande cystein proteaser .

Biologisk funktion och lokalisering

Proteashämning

Ungefär två tredjedelar av mänskliga serpiner utför extracellulära roller och hämmar proteaser i blodomloppet för att modulera deras aktiviteter. Exempelvis reglerar extracellulära serpiner de proteolytiska kaskaderna som är centrala för blodkoagulering (antitrombin), de inflammatoriska och immunresponserna (antitrypsin, antikymotrypsin och C1-hämmare ) och vävnadsrenovering (PAI-1) . Genom att hämma signalerande kaskadproteaser kan de också påverka utvecklingen . Tabellen över mänskliga serpiner (nedan) ger exempel på funktioner som utförs av human serpin, liksom några av de sjukdomar som orsakas av serpinbrist.

Proteasmålen för intracellulära hämmande serpiner har varit svåra att identifiera, eftersom många av dessa molekyler verkar utföra överlappande roller. Vidare saknar många mänskliga serpiner exakta funktionella ekvivalenter i modellorganismer som musen. Ändå kan en viktig funktion för intracellulära serpiner vara att skydda mot olämplig aktivitet av proteaser inuti cellen. Till exempel, är en av de bäst karakteriserade humana intracellulära serpiner Serpin B9 , som hämmar cytotoxiska granulen proteaset granzym B . Genom att göra detta kan Serpin B9 skydda mot oavsiktlig frisättning av granzym B och för tidig eller oönskad aktivering av celldödsvägar .

Vissa virus använder serpiner för att störa proteasfunktioner i deras värd. Den kokoppor virala serpin CrmA (cytokin svarsmodifierare A) används för att undvika inflammatoriska och apoptotiska svaren av infekterade värdceller. CrmA ökar smittsamheten genom att undertrycka värdens inflammatoriska svar genom hämning av IL-1 och IL-18- bearbetning av cysteinproteaset caspas -1. I eukaryoter hämmar en växtserpin både metakaspaser och ett papainliknande cysteinproteas.

Icke-hämmande roller

Icke-hämmande extracellulära serpiner utför också ett stort antal viktiga roller. Tyroxinbindande globulin och transkortin transporterar hormonerna tyroxin respektive kortisol . Det icke-hämmande serpin ovalbuminet är det mest förekommande proteinet i äggvita . Dess exakta funktion är okänd, men det anses vara ett lagringsprotein för det utvecklande fostret . Värmechock serpin 47 är en chaperone , avgörande för korrekt vikning av kollagen . Det verkar genom att stabilisera kollagens trippelhelix medan det bearbetas i det endoplasmatiska retikulumet .

Vissa serpiner är både proteashämmare och har ytterligare roller. Till exempel fungerar den nukleära cysteinproteashämmaren MENT hos fåglar också som en kromatin -ombyggande molekyl i en fågels röda blodkroppar .

Strukturera

Diagram över serpintillstånd
Serpins ursprungliga tillstånd är en jämvikt mellan ett fullt stressat tillstånd (vänster) och ett delvis avslappnat tillstånd (höger). Det femsträngade A-arket (ljusblått) innehåller två funktionellt viktiga områden för serpins mekanism, brottet och slutaren. Den reaktiva mittslingan (RCL, blå) existerar i en dynamisk jämvikt mellan den fullständigt exponerade konformationen (vänster) och en konformation där den delvis sätts in i brottet på A-arket (höger). ( PDB : 1QLP , 1YXA )

Alla serpiner delar en gemensam struktur (eller vikning), trots deras varierade funktioner. Alla har typiskt tre β-ark (namngivna A, B och C) och åtta eller nio α-helixer (benämnda hA – hI). De mest signifikanta regionerna för serpinfunktionen är A-arket och den reaktiva centrumslingan (RCL). A-arket innehåller två β-strängar som är i parallell orientering med ett område mellan dem som kallas "slutaren" och det övre området kallas "brytningen". RCL bildar den initiala interaktionen med målproteaset i inhiberande molekyler. Strukturer har lösts som visar att RCL antingen är helt exponerat eller delvis infogat i A-bladet, och serpiner tros vara i dynamisk jämvikt mellan dessa två tillstånd. RCL gör också endast tillfälliga interaktioner med resten av strukturen och är därför mycket flexibel och exponerad för lösningsmedlet.

Serpinstrukturerna som har bestämts täcker flera olika konformationer, vilket har varit nödvändigt för förståelsen av deras flerstegshandlingsmekanism. Strukturell biologi har därför spelat en central roll i förståelsen av serpinfunktion och biologi.

Konformationsförändring och hämmande mekanism

Inhiberande serpiner hämmar inte sina målproteaser genom den typiska konkurrenskraftiga ( lock-and-key ) mekanismen som används av de flesta små proteashämmare (t.ex. inhibitorer av Kunitz-typ ). I stället använder serpiner en ovanlig konformationsförändring , som stör strukturen hos proteaset och hindrar det från att slutföra katalys. Konformationsförändringen innebär att RCL rör sig till den motsatta änden av proteinet och införs i p-blad A och bildar en extra antiparallell p-sträng. Detta omvandlar serpinen från ett stressat tillstånd till ett avslappnat tillstånd med lägre energi (S till R-övergång).

Serin- och cysteinproteaser katalyserar klyvningen av peptidbindningar genom en tvåstegsprocess. Ursprungligen utför den katalytiska återstoden av triaden med aktiv plats en nukleofil attack på substratets peptidbindning. Detta frigör den nya N -terminalen och bildar en kovalent ester -bindning mellan enzymet och substratet. Detta kovalenta komplex mellan enzym och substrat kallas en acyl-enzymmellanprodukt . För standardsubstrat , är esterbindningen hydrolyseras och den nya C-terminalen frigörs till fullständig katalys. Men när en serpin klyvs av ett proteas, genomgår den snabbt S till R-övergången innan acyl-enzymmellanprodukten hydrolyseras. Hämningens effektivitet beror på att den relativa kinetiska hastigheten för konformationsförändringen är flera storleksordningar snabbare än hydrolys av proteaset.

Eftersom RCL fortfarande är kovalent fäst till proteaset via esterbindningen, drar S till R -övergången proteaset från toppen till botten av serpinen och förvränger den katalytiska triaden. Det förvrängda proteaset kan endast hydrolysera acylenzymmellanprodukten extremt långsamt och så förblir proteaset kovalent fäst i dagar till veckor. Serpiner klassas som irreversibla hämmare och som självmordshämmare eftersom varje serpinprotein permanent inaktiverar ett enda proteas och bara kan fungera en gång.

Konformationsförändringsdiagram
Den hämmande mekanismen för serpiner involverar en stor konformationsförändring (S till R -övergång). Serpinen (vit) binder först ett proteas (grått) med den exponerade reaktiva mittslingan (blå). När denna slinga klyvs av proteaset, infogas den snabbt i A-arket (ljusblå), deformerar och inhiberar proteaset. ( PDB : 1K9O , 1EZX )
Serpin mekanism diagram
Serin- och cysteinproteaser fungerar med en katalytisk mekanism i två steg. Först attackeras substratet (blått) av cystein eller serin i den katalytiska triaden (röd) för att bilda en acyl-enzymmellanprodukt . För typiska substrat löses mellanprodukten genom hydrolys med vatten. Men när en serpins reaktiva centrumslinga (RCL) attackeras, drar konformationsändringen (blå pil) den katalytiska triaden ur läge och förhindrar att den slutför katalys. (Baserat på PDB : 1K9O , 1EZX )

Allosterisk aktivering

Diagram över serpinaktivering med heparin
Vissa serpiner aktiveras av kofaktorer. Serpin antitrombin har en RCL (blå) där P1 arginin (blå pinnar) pekar inåt, förebygga proteas bindning. Bindning av heparin (gröna pinnar) får P1 -argininresten att vända till en exponerad position. Målproteaset (grått) binder sedan till både det exponerade Pl -argininet såväl som heparinet. Serpinen aktiveras sedan och heparin frigörs. ( PDB : 2ANT , 1TB6 , 1EZX )

Den konformations mobilitet av serpiner ger en viktig fördel över statiska lås-och-nyckel proteashämmare. I synnerhet kan funktionen av inhiberande serpiner regleras av allosteriska interaktioner med specifika kofaktorer . De röntgenkristallstrukturer av antitrombin , heparin kofaktor II , MENT och murin antikymotrypsin avslöjar att dessa serpiner anta en konformation i vilken de två första aminosyrorna av RCL är införda i den övre delen av A β-sheet . Den delvis införda konformationen är viktig eftersom ko-faktorer kan konformationellt byta vissa delvis insatta serpiner till en helt utvisad form. Denna konformationella omorganisation gör serpinen till en mer effektiv hämmare.

Det arketypiska exemplet på denna situation är antitrombin, som cirkulerar i plasma i ett delvis insatt relativt inaktivt tillstånd. Den primära specificiteten som bestämmer rest (P1 -argininet) pekar mot serpinens kropp och är inte tillgänglig för proteaset. Vid bindning av en högaffinitetspentasackaridsekvens inom långkedjigt heparin genomgår antitrombin en konformationsförändring, RCL-utvisning och exponering av Pl-argininet. Den heparinpentasackaridbundna formen av antitrombin är således en mer effektiv hämmare av trombin och faktor Xa . Vidare innehåller båda dessa koagulationsproteaser också bindningsställen (kallade exositer ) för heparin. Heparin fungerar därför också som en mall för bindning av både proteas och serpin, vilket ytterligare dramatiskt accelererar interaktionen mellan de två parterna. Efter den inledande interaktionen bildas det slutliga serpinkomplexet och heparindelen frigörs. Denna interaktion är fysiologiskt viktig. Till exempel, efter skada på blodkärlens vägg, exponeras heparin och antitrombin aktiveras för att kontrollera koagulationssvaret. Att förstå den molekylära grunden för denna interaktion möjliggjorde utvecklingen av Fondaparinux , en syntetisk form av Heparin pentasackarid som används som ett antikoagulationsläkemedel .

Latent konformation

Serpin latent state diagram
Vissa serpiner kan spontant konvertera till ett inaktivt latent tillstånd. Serpinen PAI-1 förblir i den aktiva konformationen när den är bunden till vitronektin (grön). Men i avsaknad av vitronektin kan PAI-1 ändras till inaktivt latent tillstånd. Den oklövade RCL (blå; oregelbundna områden som streckade linjer) infogas i A-arket och drar en β-sträng från C-arket (gul). ( PDB : 1OC0 , 1DVM , 1LJ5 )

Vissa serpiner genomgår spontant S till R -övergången utan att ha klyvts av ett proteas, för att bilda en konformation som kallas latent tillstånd. Latenta serpiner kan inte interagera med proteaser och det är inte längre proteashämmare. Konformationsändringen till latens är inte exakt densamma som S till R -övergången för en klyvad serpin. Eftersom RCL fortfarande är intakt måste den första strängen av C-arket skala av för att tillåta fullständig RCL-insättning.

Reglering av latensövergången kan fungera som en kontrollmekanism i vissa serpiner, såsom PAI-1 . Även om PAI-1 produceras i den hämmande S-konformationen "inaktiveras" den automatiskt genom att byta till latent tillstånd om den inte är bunden till kofaktorn vitronektin . På samma sätt kan antitrombin också spontant omvandlas till latent tillstånd, som en ytterligare moduleringsmekanism till dess allosteriska aktivering med heparin. Slutligen krävs N-terminalen för tengpin, en serpin från Thermoanaerobacter tengcongensis , för att låsa molekylen i det nativa inhiberande tillståndet. Avbrott i interaktioner som görs av den N-terminala regionen resulterar i spontan konformationell förändring av denna serpin till den latenta konformationen.

Konformationsförändring i icke-hämmande funktioner

Vissa icke-hämmande serpiner använder också serpinkonformationsförändringen som en del av deras funktion. Till exempel har den nativa (S) formen av tyroxinbindande globulin hög affinitet för tyroxin, medan den klyvda (R) formen har låg affinitet. På samma sätt har transkortin högre affinitet för kortisol i sitt nativa (S) tillstånd än dess klyvda (R) tillstånd. Således har RCL -klyvning och S till R -övergången i dessa serpiner kommanderats för att möjliggöra ligandfrisättning, snarare än proteashämning.

I vissa serpiner kan S till R -övergången aktivera cellsignalhändelser . I dessa fall känner en serpin som har bildat ett komplex med sitt målproteas igen av en receptor. Bindningshändelsen leder sedan till nedströms signalering av receptorn. S till R -övergången används därför för att varna celler för närvaro av proteasaktivitet. Detta skiljer sig från den vanliga mekanismen där serpiner påverkar signaleringen helt enkelt genom att hämma proteaser som är involverade i en signalkaskad.

Degradering

När en serpin hämmar ett målproteas bildar det ett permanent komplex som måste kasseras. För extracellulära serpiner rensas de sista serpin-enzymkomplexen snabbt från cirkulation. En mekanism genom vilken detta sker hos däggdjur är via lågdensitetslipoproteinreceptorrelaterat protein ( LRP ), som binder till hämmande komplex gjorda av antitrombin, PA1-1 och neuroserpin, vilket orsakar cellulärt upptag . På samma sätt bryts Drosophila serpin, nekrotisk, ned i lysosomen efter att ha transporterats in i cellen av Lipophorin Receptor-1 (homolog med däggdjurs LDL-receptorfamiljen ).

Sjukdom och serpinopatier

Serpiner är inblandade i en mängd olika fysiologiska funktioner, så mutationer i gener som kodar dem kan orsaka en rad sjukdomar. Mutationer som ändrar serpins aktivitet, specificitet eller aggregeringsegenskaper påverkar alla hur de fungerar. Majoriteten av serpinrelaterade sjukdomar är resultatet av serpinpolymerisation i aggregat, även om flera andra typer av sjukdomskopplade mutationer också förekommer. Sjukdomen alfa-1 antitrypsinbrist är en av de vanligaste ärftliga sjukdomarna .

Inaktivitet eller frånvaro

Serpin delta-konformationsdiagram
Den inaktiva δ-konformationen av den sjukdomsbundna antikymotrypsinmutanten (L55P). Fyra rester av RCL (blå; oregelbunden region som streckad linje) sätts in i toppen av A-arket. En del av F α-helixen (gul) har rullats upp och fyller den nedre halvan av A-arket. ( PDB : 1QMN )

Eftersom den stressade serpinviken är hög energi kan mutationer orsaka att de felaktigt byter till sina lägre energikonformationer (t.ex. avslappnad eller latent) innan de har utfört sin hämmande roll korrekt.

Mutationer som påverkar hastigheten eller omfattningen av RCL-insättning i A-bladet kan få serpinen att genomgå en S till R-konformationsförändring innan den har aktiverat ett proteas. Eftersom en serpin bara kan göra denna konformationsändring en gång, är den resulterande felaktiga serpinen inaktiv och kan inte korrekt kontrollera sitt målproteas. På samma sätt orsakar mutationer som främjar olämplig övergång till det monomera latenta tillståndet sjukdom genom att minska mängden aktiv hämmande serpin. Till exempel, varianter sjukdomen bunden antitrombin Wibble och wobble , både befrämja bildning av latent tillstånd .

Strukturen hos den sjukdomsbundna mutanten av antikymotrypsin (L55P) avslöjade en annan, inaktiv "δ-konformation". I δ-konformationen sätts fyra rester av RCL in i toppen av β-blad A. Den nedre halvan av arket fylls som ett resultat av att en av α-helixerna (F-helixen) delvis byter till en β-strängskonformation, som fullbordar ß-ark vätebindning. Det är oklart om andra serpiner kan anta denna konformator, och om denna konformation har en funktionell roll, men det spekuleras i att δ-konformationen kan antas av Thyroxine-bindande globulin under frigivning av tyroxin. De icke-hämmande proteinerna relaterade till serpiner kan också orsaka sjukdomar när de muteras. Till exempel orsakar mutationer i SERPINF1 osteogenesis imperfecta typ VI hos människor.

I avsaknad av en nödvändig serpin är proteaset som det normalt skulle reglera överaktivt, vilket leder till patologier. Följaktligen kan enkel brist på en serpin (t.ex. en nullmutation ) resultera i sjukdom. Gen -knockouts , särskilt hos möss , används experimentellt för att bestämma de normala funktionerna hos serpiner genom effekten av deras frånvaro.

Specificitetsförändring

I vissa sällsynta fall ändrar en enda aminosyraförändring i en serpins RCL dess specificitet för att rikta fel proteas. Till exempel orsakar Antitrypsin-Pittsburgh-mutationen (M358R) att a1-antitrypsinserpinet inhiberar trombin, vilket orsakar en blödningsstörning .

Polymerisering och aggregering

Serpinpolymerisation genom domänbyte
Diagram över en domänbytt serpindimer
En domänbytt serpindimer. ( PDB : 2ZNH )
Diagram över en domänbytt serpintrimer
En domänbytt serpintrimer. Varje monomers RCL införs i sin egen struktur (visas i rött av den gröna monomeren). ( PDB : 3T1P )

Majoriteten av serpinsjukdomar beror på proteinaggregation och kallas "serpinopatier". Serpiner är sårbara för sjukdomsframkallande mutationer som främjar bildandet av felveckade polymerer på grund av deras i sig instabila strukturer. Väl-karakteriserade serpinopathies inkluderar α1-antitrypsinbrist (alfa-1), som kan orsaka familjär emfysem , och ibland levercirros , vissa familjära former av trombos relaterade till antitrombin-brist , typerna 1 och 2 ärftligt angioödem (HAE) relaterad till brist på C1 -hämmare och familjär encefalopati med neuroserpin -inklusionskroppar (FENIB; en sällsynt typ av demens orsakad av neuroserpinpolymerisation).

Varje monomer av serpinaggregatet existerar i den inaktiva, avslappnade konformationen (med RCL infogad i A-arket). Polymererna är därför överstabila mot temperatur och kan inte hämma proteaser. Serpinopatier orsakar därför patologier på samma sätt som andra proteopatier (t.ex. prionsjukdomar ) via två huvudmekanismer. För det första resulterar bristen på aktiv serpin i okontrollerad proteasaktivitet och vävnadsförstöring. För det andra täpper de hyperstabila polymererna själva till det endoplasmatiska nätet av celler som syntetiserar serpiner, vilket så småningom resulterar i celldöd och vävnadsskada. Vid antitrypsinbrist orsakar antitrypsinpolymerer levercells död , vilket ibland leder till leverskador och cirros . Inuti cellen avlägsnas serpinpolymerer långsamt genom nedbrytning i det endoplasmatiska retikulumet. Detaljerna om hur serpinpolymerer orsakar celldöd återstår dock att förstås fullt ut.

Fysiologiska serpinpolymerer antas bildas via domänbytehändelser , där ett segment av ett serpinprotein infogas i ett annat. Domänbyten uppstår när mutationer eller miljöfaktorer stör de sista stadierna av serpinvikning till det ursprungliga tillståndet, vilket gör att högenergimellanprodukter faller fel. Både dimer och trimer domänbytesstrukturer har lösts. I dimeren (av antitrombin) införlivas RCL och en del av A-arket i A-arket av en annan serpinmolekyl. Den domänbytade trimeren (av antitrypsin) bildas via utbyte av ett helt annat område av strukturen, B-arket (med varje molekyls RCL infogat i sitt eget A-ark). Det har också föreslagits att serpiner kan bilda domänbyten genom att sätta in RCL för ett protein i A-arket i ett annat (A-arkpolymerisation). Dessa domänbytta dimer- och trimerstrukturer tros vara byggstenarna i de sjukdomsframkallande polymeraggregaten, men den exakta mekanismen är fortfarande oklar.

Terapeutiska strategier

Flera terapeutiska metoder används eller undersöks för att behandla den vanligaste serpinopati: antitrypsinbrist. Antitrypsinförstoringsterapi är godkänd för allvarligt antitrypsinbristrelaterat emfysem. I denna terapi renas antitrypsin från blodgivarnas plasma och administreras intravenöst (marknadsförs först som Prolastin ). För att behandla svår antitrypsinbristrelaterad sjukdom har lung- och levertransplantation visat sig vara effektiv. I djurmodeller har geninriktning i inducerade pluripotenta stamceller framgångsrikt använts för att korrigera en antitrypsinpolymeriseringsdefekt och för att återställa däggdjursleverns förmåga att utsöndra aktivt antitrypsin. Små molekyler har också utvecklats som blockerar antitrypsinpolymerisation in vitro .

Evolution

Serpins är den mest spridda och största superfamiljen av proteashämmare. De trodde ursprungligen att de var begränsade till eukaryota organismer, men har sedan dess hittats i bakterier , archaea och vissa virus . Det är fortfarande oklart om prokaryote gener är ättlingar till en förfäder prokaryot serpin eller produkten av horisontell genöverföring från eukaryoter. De flesta intracellulära serpiner tillhör en enda fylogenetisk klade, oavsett om de kommer från växter eller djur, vilket indikerar att de intracellulära och extracellulära serpinerna kan ha avvikit före växterna och djuren. Undantag inkluderar den intracellulära värmechock-serpinen HSP47, som är en chaperon som är avgörande för korrekt vikning av kollagen , och cyklar mellan cis-Golgi och det endoplasmatiska retikulumet .

Proteashämning antas vara förfädernas funktion, med icke-hämmande medlemmar resultatet av evolutionär neofunktionalisering av strukturen. S till R -konformationsförändringen har också anpassats av några bindande serpiner för att reglera affinitet för deras mål.

Distribution

Djur

Mänsklig

Det mänskliga genomet kodar för 16 serpinklader, benämnda serpinA genom serpinP, inklusive 29 hämmande och 7 icke-hämmande serpinproteiner. Systemet för namngivning av mänskliga serpiner är baserat på en fylogenetisk analys av cirka 500 serpiner från 2001, med proteiner som heter serpinXY, där X är proteinets klad och Y är antalet proteiner inom den kladen. Funktionerna hos humana serpiner har bestämts av en kombination av biokemiska studier, genetiska störningar hos människor och knockout -musmodeller .

Specialiserade serpiner från däggdjur

Många däggdjursserpiner har identifierats som inte har någon uppenbar ortologi med en mänsklig serpin -motsvarighet. Exempel innefattar många gnagare serpiner (särskilt några av de murina intracellulära serpiner) samt livmoder serpiner . Termen uterin serpin avser medlemmar av serpin A -kladen som kodas av SERPINA14 -genen. Uterin serpiner produceras av endometrium hos en begränsad grupp däggdjur i Laurasiatheria -kladen under påverkan av progesteron eller östrogen . De är förmodligen inte funktionella proteinashämmare och kan fungera under graviditeten för att hämma moderns immunsvar mot konceptet eller att delta i transplacental transport.

Insekt

Den Drosophila melanogaster -genomet innehåller 29 serpin kodande gener. Aminosyrasekvensanalys har placerat 14 av dessa serpiner i serpinklade Q och tre i serpinklade K med de återstående tolv klassificerade som föräldralösa serpiner som inte tillhör någon klade. Clade -klassificeringssystemet är svårt att använda för Drosophila -serpiner och istället har ett nomenklatursystem antagits som är baserat på serpingenens position på Drosophila -kromosomerna . Tretton av Drosophila- serpinerna förekommer som isolerade gener i genomet (inklusive Serpin-27A, se nedan), med de återstående 16 organiserade i fem genkluster som förekommer vid kromosompositioner 28D (2 serpiner), 42D (5 serpiner), 43A ( 4 serpins), 77B (3 serpins) och 88E (2 serpins).

Studier av Drosophila serpins avslöjar att Serpin-27A hämmar påskproteaset (det sista proteaset i Nudel, Gastrulation Defective, Snake och Easter proteolytic cascade) och därmed kontrollerar dorsoventral mönster . Påsken fungerar för att klyva Spätzle (en ligand av kemokintyp), vilket resulterar i avgiftsförmedlad signalering. Förutom dess centrala roll i embryonalt mönster är avgiftssignalering också viktig för det medfödda immunsvaret hos insekter. Följaktligen fungerar serpin-27A också för att kontrollera insektsimmunsvaret. I Tenebrio molitor (en stor skalbagge) fungerar ett protein (SPN93) som består av två diskreta tandemserpindomäner för att reglera den proteolytiska kaskaden.

Nematod

Genomet hos nematod snäck C. elegans innehåller 9 serpiner, som alla saknar signalsekvenser och så sannolikt intracellulärt. Men bara 5 av dessa serpiner verkar fungera som proteashämmare. En, SRP-6, utför en skyddande funktion och skyddar mot stressinducerad calpain- associerad lysosomal störning. Vidare hämmar SRP-6 lysosomala cysteinproteaser som frisätts efter lysosomal ruptur. Följaktligen är maskar som saknar SRP-6 känsliga för stress. Framför allt dör SRP-6 knockout-maskar när de placeras i vatten (den hypo-osmotiska stressen dödliga fenotypen eller Osl). Det har därför föreslagits att lysosomer spelar en allmän och kontrollerbar roll för att bestämma cellöden.

Växt

Växt serpiner var bland de första medlemmarna i superfamiljen som identifierades. Serpin kornprotein Z är mycket rikligt i korn, och en av de viktigaste proteinkomponenterna i öl. Modellväxtens genom, Arabidopsis thaliana, innehåller 18 serpinliknande gener, även om endast 8 av dessa är serpinsekvenser i full längd.

Växtserpiner är potenta hämmare av däggdjurs chymotrypsinliknande serinproteaser in vitro , det bäst studerade exemplet är kornserpin Zx (BSZx), som kan hämma trypsin och kymotrypsin samt flera blodkoagulationsfaktorer. Nära släktingar till kymotrypsinliknande serinproteaser saknas dock i växter. RCL för flera serpiner från vetekorn och råg innehåller poly-Q-repeteringssekvenser liknande de som finns i endospermens prolaminlagringsproteiner . Det har därför föreslagits att växtserpiner kan fungera för att hämma proteaser från insekter eller mikrober som annars skulle smälta spannmålslagringsproteiner. Till stöd för denna hypotes har specifika växtserpiner identifierats i flödessaften av pumpa (CmPS-1) och gurkväxter. Även om en omvänd korrelation mellan uppreglering av CmPS-1-uttryck och bladlusöverlevnad observerades, avslöjade in vitro- matningsförsök att rekombinant CmPS-1 inte verkade påverka insektsöverlevnad.

Alternativa roller och proteasmål för växtserpiner har föreslagits. Den Arabidopsis serpin, AtSerpin1 (At1g47710; 3LE2 ), medierar börvärde kontroll över programmerad celldöd genom att rikta den 'gensvar på Uttorkning-21' (RD21) papain-liknande cysteinproteas. AtSerpin1 hämmar också metacaspasliknande proteaser in vitro . Två andra Arabidopsis -serpiner, AtSRP2 (At2g14540) och AtSRP3 (At1g64030) verkar vara inblandade i svar på DNA -skador.

Svamp

En enda svamp serpin har präglats hittills: celpin från piromyces spp. stam E2. Piromyces är ett släkte av anaeroba svampar som finns i tarmarna hos idisslare och är viktigt för att smälta växtmaterial. Celpin förutses vara hämmande och innehåller två N-terminala dockerindomäner utöver dess serpindomän. Dockerins är vanligt förekommande i proteiner som lokaliserar till den svamp cellulosome , en stor extracellulär multiproteinkomplex som bryter ner cellulosa. Det föreslås därför att celpin kan skydda cellulosomen mot växtproteaser. Vissa bakteriella serpiner lokaliseras på samma sätt som cellulosomen.

Prokaryot

Förutspådda serpingener distribueras sporadiskt i prokaryoter . In vitro -studier på några av dessa molekyler har avslöjat att de kan hämma proteaser, och det föreslås att de fungerar som hämmare in vivo . Flera prokaryote serpiner finns hos extremofiler . Följaktligen, och i motsats till däggdjursserpiner, har dessa molekyler förhöjt motstånd mot värmedenaturering. Den exakta rollen för de flesta bakteriella serpiner förblir oklar, även om Clostridium thermocellum serpin lokaliseras till cellulosomen . Det föreslås att cellulosomassocierade serpins roll kan vara att förhindra oönskad proteasaktivitet mot cellulosomen.

Viral

Serpiner uttrycks också av virus som ett sätt att undvika värdens immunförsvar. I synnerhet serpiner som uttrycks av poxvirus , inklusive ko -pox (vaccinia) och kaninpox (myxom), är av intresse på grund av deras potentiella användning som nya terapier för immun- och inflammatoriska störningar samt transplantationsterapi. Serp1 undertrycker det TLR-medierade medfödda immunsvaret och möjliggör obestämd överlevnad av allog transplantat hos råttor. Crma och Serp2 är båda tvärklasshämmare och riktar sig både mot serin (granzyme B; om än svagt) och cysteinproteaser (caspas 1 och caspas 8). Jämfört med deras däggdjursmotsatser innehåller virala serpiner betydande raderingar av element i den sekundära strukturen. Specifikt saknar crmA D-helixen samt betydande delar av A- och E-helixerna.

Se även

Referenser

externa länkar