Informatie

Hoe een PDB-structuur van een protease te vinden met een peptide-achtige remmer?


Ik vraag me af hoe ik, om slechts enkele concepten zoals substraatuitlijning in de actieve plaats van de katalytische triade te illustreren, snel en efficiënt een proteasestructuur kan vinden (niet relevant voor welk organisme precies) met een peptide-achtige remmer in de PDB-database.

Tips gewaardeerd.


Hier is er een: http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=2IPH. Het werd gekristalliseerd met de remmer gebonden aan het eiwit.


ga naar http://www.uniprot.org en voer het protease-toegangsnummer in waarin u geïnteresseerd bent en kijk naar de sectie 3D-structuurdatabases om te zien of het PDB-bestand is ontcijferd of niet. Ik kwam deze database tegen (http://www.cf.ac.uk/biosi/staffinfo/ehrmann/tools/proteases/allproteases.html) door gewoon in google "protease PDB databases" te typen


Bèta-secretase

Omdat bèta-secretase zo belangrijk is voor de ontwikkeling van de ziekte van Alzheimer, hebben veel laboratoria hard gewerkt om remmers te vinden om de ziekte te blokkeren. Het eerste succes wordt hier bovenaan getoond uit VOB-invoer 1fkn, en een verbeterde verbinding die veel steviger bindt, wordt onderaan getoond uit VOB-invoer 1m4h. Structuren van veel andere kandidaat-geneesmiddelen zijn te vinden in het VOB. Helaas worden deze verbindingen niet efficiënt van het bloed naar de hersenen getransporteerd, dus zijn ze niet bijzonder nuttig geweest als medicijnen om de ziekte van Alzheimer te bestrijden. Maar de zoektocht gaat door in de strijd tegen deze slopende ziekte.

Onderwerpen voor verdere discussie

  1. Verschillende proteasen gebruiken een paar aspartaataminozuren om eiwitketens te splitsen. Kunt u andere voorbeelden vinden in het VOB?
  2. Veel structuren van remmers gebonden aan bèta-secretase zijn beschikbaar in het VOB. Kun je voorbeelden vinden van peptide-achtige remmers die erg lijken op de eiwitketens die worden gesplitst door beta-secretase, en andere remmers die significant verschillen van peptiden? Wat zijn de voor- en nadelen van elk?

Gerelateerde bronnen voor PDB-101

Referenties

  1. C.E. Hunt en A.J. Turner (2009) Celbiologie, regulatie en remming van bèta-secretase (BACE1). FEBS Journaal 276, 1845-1859.
  2. J.H. Stockley en C. O'Neill (2008) BACE1 begrijpen: essentiële protease voor de productie van amyloïde-bèta bij de ziekte van Alzheimer. Cellulaire en moleculaire levenswetenschappen 65, 3265-3289.

Over PDB-101

PDB-101 helpt docenten, studenten en het grote publiek de 3D-wereld van eiwitten en nucleïnezuren te verkennen. Leren over hun diverse vormen en functies helpt om alle aspecten van biogeneeskunde en landbouw te begrijpen, van eiwitsynthese tot gezondheid en ziekte tot biologische energie.

Waarom PDB-101? Onderzoekers over de hele wereld stellen deze 3D-structuren gratis beschikbaar in het archief van de Protein Data Bank (PDB). PDB-101 bouwt inleidend materiaal om beginners te helpen aan de slag te gaan in het onderwerp ("101", zoals in een cursus op instapniveau), evenals bronnen voor uitgebreid leren.


Dipeptidyl Peptidase 4

In 2006 keurde de Federal Drug Administration de eerste van deze DPP4-remmers goed, sitagliptine (VOB-invoer 1x70), die snel werd gevolgd door vele andere antidiabetica die gezamenlijk bekend staan ​​als 'gliptins'. Al deze medicijnen bootsen het einde van de incretinehormonen na en blokkeren de actieve plaats van DPP4 zodat het de hormonen niet kan inactiveren. Om zes verschillende gliptins en een analoog van een van de DPP4-substraten te verkennen, klikt u op de afbeelding voor een interactieve JSmol.

Onderwerpen voor verdere discussie

  1. Structuren voor verschillende andere hormonen die worden gesplitst door DPP4 zijn beschikbaar in de PDB, waaronder peptide YY (2dez) en chemokine RANTES (1rtn). Bekijk deze en vind het dipeptide dat wordt gesplitst door DPP4.
  2. U kunt de Protein Feature View van DPP4 gebruiken om de delen van het enzym te zien die niet in de structuur zijn opgenomen.

Gerelateerde bronnen voor PDB-101

Referenties

  1. D. Rohrborn, N. Wronkowitz & J. Eckel (2015) DPP4 bij diabetes. Grenzen in de immunologie 6, artikel 386.
  2. 3w2t: M. Nabeno, F. Akahoshi, H. Kishida, I. Miyaguchi, Y. Tanaka, S. Ishii & T. Kadowaki (2013) Een vergelijkend onderzoek naar de bindingswijzen van recent gelanceerde dipeptidylpeptidase IV-remmers in de actieve plaats . Biochemische en biofysische onderzoekscommunicatie 434, 191-196.
  3. H. Zhong, X. Rao & S. Rajagopalan (2013) Een opkomende rol van dipeptidylpeptidase 4 (DPP4) voorbij glucosecontrole: mogelijke implicaties bij hart- en vaatziekten. Atherosclerose 226, 305-314.
  4. 3vjk: T. Yoshida, F. Akahoshi, H. Sakashita, H. Kitajima, M. Nakamura, S. Sonda, M. Takeuchi, Y. Tanaka, N. Ueda, S. Sekiguchi, T. Ishige, K. Shima, M. Nabeno, Y. Abe, J. Anabuki, A. Soejima, K. Yoshida, Y. Takashina, S. Ishii, S. Kiuchi, S. Fukuda, R. Tsutsumiuchi, K. Kosaka, T. Murozono, Y. Nakamaru, H. Utsumi, N. Masutomi, H. Kishida, I. Miyaguchi & Y. Hayashi (2012) Ontdekking en preklinische proeven van teneligliptine (3-[(2S,4S)-4-[4-(3-methyl- 1-fenyl-1H-pyrazol-5-yl)piperazine-1-yl]pyrrolidine-2-ylcarbonyl]thiazolidine): een zeer krachtige, selectieve, langdurige en oraal actieve dipeptidylpeptidase IV-remmer voor de behandeling van type 2-diabetes . Bio-organische en medicinale chemie 20, 5705-5719.
  5. 3g0b: Z. Zhang, MB Wallace, J. Feng, JA Stafford, RJ Skene, L. Shi, B. Lee, K. Aertgeerts, A. Jennings, R. Xu, DB Kassel, SW Kaldor, M. Navre, DR Webb & SL Gwaltney (2011) Ontwerp en synthese van pyrimidinon- en pyrimidinedionremmers van dipeptidylpeptidase IV. Journal of Medicinal Chemistry 54, 510-524.
  6. 3bjm: WJ Metzler, J. Yanchunas, C. Weigelt, K. Kish, HE Klei, D. Zie, Y. Zhang, M. Corbett, JK Tamura, B. He, LG Hamann, MS Kirby & J. Marcinkeviciene (2008 ) Betrokkenheid van DPP-IV katalytische residuen bij de vorming van enzym-saxagliptinecomplex. Eiwitwetenschap 17, 240-250.
  7. 2rgu: M. Eckhardt, E. Langkopf, M. Mark, M. Tadayyon, L. Thomas, H. Nar, W. Pfrengle, B. Guth, R. Lotz, P. Sieger, H. Fuchs & F. Himmelsbach ( 2007) 8-(3-(R)-aminopiperidine-1-yl)-7-but-2-ynyl-3-methyl-1-(4-methyl-chinazoline-2-ylmethyl)-3,7-dihydropurine- 2,6-dion (BI 1356), een zeer krachtige, selectieve, langdurige en oraal biologisch beschikbare DPP-4-remmer voor de behandeling van type 2-diabetes. Journal of Medicinal Chemistry 50, 6450-6453.
  8. 2b4n: I. Alana, J.C. Parker, V.A. Gault, P.R. Flatt, F.P. O'Harte, J.P. Malthouse & C.M. Hewage (2006) NMR- en alanine-scanstudies van glucose-afhankelijke insulinotrope peptide in water. Tijdschrift voor biologische chemie 281, 16370-16376.
  9. 1x70: D. Kim, L. Wang, M. Beconi, GJ Eiermann, MH Fisher, H. He, GJ Hickey, JE Kowalchick, B. Leiting, K. Lyons, F. Marsilio, ME McCann, RA Patel, A. Petrov, G. Scapin, SB Patel, RS Roy, JK Wu, MJ Wyvratt, BB Zhang, L. Zhu, NA Thornberry & AE Weber (2005) (2R)-4-oxo-4-[3-(trifluormethyl)- 5,6-dihydro[1,2,4]triazolo[4,3-a]pyrazine-7(8H)-yl]-1-(2,4,5-trifluorfenyl)butaan-2-amine: een krachtige, oraal actieve dipeptidyl peptidase IV-remmer voor de behandeling van type 2-diabetes. Journal of Medicinal Chemistry 48, 141-151.
  10. 1nu8: R. Thoma, B. Loeffler, M. Stihle, W. Huber, A. Ruf & M. Hennig (2003) Structurele basis van proline-specifieke exopeptidase-activiteit zoals waargenomen in humaan dipeptidylpeptidase-IV. Structuur 11, 947-959.
  11. 1d0r: X. Chang, D. Keller, S. Bjorn & J.J. Led (2001) Structuur en vouwing van glucagon-achtig peptide-1-(7-36)-amide in trifluorethanol bestudeerd met NMR. Magnetische resonantiechemie 39, 477-483.
  12. 1jrj: J.W. Neidigh, R.M. Fesinmeyer, K.S. Prickett & N.H. Andersen (2001) Exendin-4 en glucagon-like-peptide-1: NMR structurele vergelijkingen in de oplossing en micel-geassocieerde toestanden. Biochemie 40, 13188-13200.
  13. 1eot: M. P. Crump, K. Rajarathnam, K. S. Kim, I. Clark-Lewis & B. D. Sykes (1998) Oplossingsstructuur van eotaxine, een chemokine dat selectief eosinofielen rekruteert bij allergische ontsteking. Tijdschrift voor biologische chemie 273, 22471-22479.
  14. 1ron: S.A. Monks, G. Karagianis, G.J. Howlett & R.S. Norton (1996) Oplossingsstructuur van humaan neuropeptide Y. Journal of Biomolecular NMR 8, 379-390.

Oktober 2016, Sutapa Ghosh, David Goodsell

Over PDB-101

PDB-101 helpt docenten, studenten en het grote publiek de 3D-wereld van eiwitten en nucleïnezuren te verkennen. Leren over hun diverse vormen en functies helpt om alle aspecten van biogeneeskunde en landbouw te begrijpen, van eiwitsynthese tot gezondheid en ziekte tot biologische energie.

Waarom PDB-101? Onderzoekers over de hele wereld stellen deze 3D-structuren gratis beschikbaar in het archief van de Protein Data Bank (PDB). PDB-101 bouwt inleidend materiaal om beginners te helpen aan de slag te gaan in het onderwerp ("101", zoals in een cursus op instapniveau), evenals bronnen voor uitgebreid leren.


Weergave

Zoals je net zag, kunnen macromoleculaire structuren behoorlijk complex zijn, en soms is een vereenvoudigde weergave van het molecuul nuttiger dan een gedetailleerde atomaire weergave. Een vereenvoudigde manier om eiwitstructuren te presenteren is door hun secundaire structuren. De belangrijkste secundaire structurele elementen in eiwitten zijn: &alfa-helices, &bèta-bladen en lussen. Volg deze stappen om de secundaire structuur van dit eiwit weer te geven:

In de 'Weergave'menu, onder 'Biopolymeer display', selecteer 'Lint/buis '
Selecteer alles door op de gemarkeerde knop te klikken Alle en dan hit Oke
Er verschijnt een ander venster antwoord Oke om het eiwit te kleuren door de secundaire structuur
In de 'Weergave'selecteer'Atomen ongedaan maken. '
Klik op de gemarkeerde knop Onderconstructies, selecteer ROC39, een HIV-proteaseremmer en klik op Oke
Klik Omkeren om alles behalve de remmer te selecteren en druk op Oke

  1. Wat is de overheersende secundaire structuur in dit polypeptide?
  2. Hoe lang (in angström) is het langst &alfa-helix in dit eiwit?
  3. Welke niet-covalente interactie is primair verantwoordelijk voor de stabiliteit van &alfa-helices?

De structuur die u hier ziet, is slechts één van de twee polypeptideketens die het actieve HIV-protease vormen. U gaat nu verder met het in meer detail bestuderen van de actieve plaats van dimere HIV-protease.


Hoe een PDB-structuur van een protease te vinden met een peptide-achtige remmer - Biologie

Momentopname van experimentele gegevens

  • Methode: RÖNTGENDIFFRACTIE
  • Resolutie: 2.14
  • R-waarde vrij: 0.225 
  • R-waarde werk: 0.191 
  • R-waarde waargenomen: 0.197 

wwPDB-validatie   3D-rapport Volledig rapport

Plasticiteit van S2-S4-specificiteitszakken van beul caspase-7 onthuld door structurele en kinetische analyse.

(2007) FEBS J 274: 4752-4765

  • PubMed: 17697120  Zoek op PubMed
  • DOI: 10.1111/j.1742-4658.2007.05994.x
  • Primaire bronvermelding van gerelateerde structuren:  
    2QLB, 2QLJ, 2QLF, 2QL9, 2QL7, 2QL5
  • PubMed Samenvatting: 

Veel eiwitsubstraten van caspases worden gesplitst op niet-canonieke plaatsen in vergelijking met de herkenningsmotieven die zijn gerapporteerd voor de drie caspase-subgroepen. Om inzicht te geven in de specificiteit en hulp bij het ontwerp van geneesmiddelen om celdood te beheersen, werden kristalstructuren van caspase-7 bepaald in complexen met zes peptide-analogen (Ac-DMQD-Cho, Ac-DQMD-Cho, Ac-DNLD-Cho , Ac-IEPD-Cho, Ac-ESMD-Cho, Ac-WEHD-Cho) die de belangrijkste herkenningsmotieven van de drie subgroepen overspannen.

Veel eiwitsubstraten van caspases worden gesplitst op niet-canonieke plaatsen in vergelijking met de herkenningsmotieven die zijn gerapporteerd voor de drie caspase-subgroepen. Om inzicht te geven in de specificiteit en hulp bij het ontwerp van geneesmiddelen om celdood te beheersen, werden kristalstructuren van caspase-7 bepaald in complexen met zes peptide-analogen (Ac-DMQD-Cho, Ac-DQMD-Cho, Ac-DNLD-Cho , Ac-IEPD-Cho, Ac-ESMD-Cho, Ac-WEHD-Cho) die de belangrijkste herkenningsmotieven van de drie subgroepen overspannen. De kristalstructuren laten zien dat de S2-pocket van caspase-7 verschillende residuen kan herbergen. Glu is niet vereist op de P3-positie omdat Ac-DMQD-Cho, Ac-DQMD-Cho en Ac-DNLD-Cho met gevarieerde P3-residuen bijna net zo krachtig zijn als de canonieke Ac-DEVD-Cho. P4 Asp was aanwezig in de betere remmers van caspase-7. De S4-pocket van beul caspase-7 heeft echter alternatieve regio's voor binding van kleine vertakte alifatische of polaire residuen vergelijkbaar met die van initiator caspase-8. De waargenomen plasticiteit van de caspase-subsites komt zeer goed overeen met de gerapporteerde splitsing van veel eiwitten op niet-canonieke locaties. De resultaten impliceren dat andere factoren dan de P4-P1-sequentie, zoals exosites, bijdragen aan de in vivo substraatspecificiteit van caspasen. Er wordt gesuggereerd dat de nieuwe peptidebindingsplaats die op het moleculaire oppervlak van de huidige structuren is geïdentificeerd een exosite van caspase-7 is. Met deze resultaten moet rekening worden gehouden bij het ontwerp van selectieve remmers van kleine moleculen van dit farmacologisch belangrijke protease.

Organisatorische affiliatie

Afdeling Biologie, Moleculaire Basis van Ziekte, Georgia State University, Atlanta, GA 30302, VS.


Hoe een PDB-structuur van een protease te vinden met een peptide-achtige remmer - Biologie

Momentopname van experimentele gegevens

  • Methode: RÖNTGENDIFFRACTIE
  • Resolutie: 2.30 uur
  • R-waarde vrij: 0.230 
  • R-waarde werk: 0.208 
  • R-waarde waargenomen: 0.209 

wwPDB-validatie   3D-rapport Volledig rapport

Structurele basis voor katalyse en substraatspecificiteit van een 3C-achtig cysteïneprotease van een mug-mesonivirus.

(2019) Virologie 533: 21-33

  • PubMed: 31078932  Zoeken op PubMedSearch op PubMed Central
  • DOI: 10.1016/j.virol.2019.05.001
  • Primaire bronvermelding van gerelateerde structuren:  
    5LAC, 5LAK
  • PubMed Samenvatting: 

Cavally-virus (CavV) is een door muggen overgedragen plus-streng RNA-virus in de familie Mesoniviridae (orde Nidovirales). We presenteren röntgenstructuren voor de CavV 3C-achtige protease (3CL pro), als een vrij enzym en in complex met een peptide-aldehyderemmer die de P4-naar-P1-residuen van een natuurlijk substraat nabootst.

Cavally-virus (CavV) is een door muggen overgedragen plus-streng RNA-virus in de familie Mesoniviridae (orde Nidovirales). We presenteren röntgenstructuren voor het CavV 3C-achtige protease (3CL pro), als een vrij enzym en in complex met een peptide-aldehyderemmer die de P4-naar-P1-residuen van een natuurlijk substraat nabootst. De 3CL pro-structuur (verfijnd tot 1,94 ) laat zien dat het eiwit dimeren vormt. De monomeren bestaan ​​uit N-terminale domeinen I en II, die een chymotrypsine-achtige vouw aannemen, en een C-terminaal a-helixdomein III. De katalytische Cys-His-dyade wordt bijgestaan ​​door een complex netwerk van interacties waarbij een watermolecuul betrokken is dat polaire contacten bemiddelt tussen het katalytische His en een geconserveerde Asp die zich in de domein II-III-junctie bevindt en die geschikt is gepositioneerd om de zich ontwikkelende positieve lading van de katalytisch His in de overgangstoestand tijdens katalyse. De studie onthult ook de structurele basis voor de duidelijke P2 Asn-specifieke substraatbindende pocket van mesonivirus 3CL pro's.


Abstract

Proteasesubstraatprofilering is tegenwoordig bijna een routinetaak geworden voor experimentatoren, en de kennis over proteasepeptidesubstraten is gemakkelijk toegankelijk via de MEROPS-database. We presenteren een op vorm gebaseerde virtuele screeningworkflow met behulp van vROCS die de informatie over de specificiteit van de proteasen toepast om nieuwe remmers van kleine moleculen te vinden. Peptidesubstraatsequenties voor drie tot vier substraatposities van elk substraat uit de MEROPS-database werden gebruikt om de trainingsset te bouwen. Tweedimensionale substraatsequenties werden omgezet in driedimensionale conformaties door mutatie van een matrijspeptidesubstraat. De vROCS-query is opgebouwd uit enkele aminozuurquery's voor elke substraatpositie, rekening houdend met de relatieve frequenties van de aminozuren. De op peptidesubstraat gebaseerde, op vorm gebaseerde virtuele screeningbenadering geeft goede prestaties voor de vier proteasen trombine, factor Xa, factor VIIa en caspase-3 met de DUD-E-gegevensset. De resultaten laten zien dat de methode werkt voor proteasedoelen met verschillende specificiteitsprofielen en voor doelen met verschillende actieve-sitemechanismen. Omdat er geen structuur van het doelwit en geen informatie over remmers van kleine moleculen nodig zijn om onze aanpak te gebruiken, heeft de methode aanzienlijke voordelen in vergelijking met conventionele op structuur en ligand gebaseerde methoden.


Inhoud

Rijpe HIV-protease bestaat als een homodimeer van 22 kDa, waarbij elke subeenheid uit 99 aminozuren bestaat. [1] Een enkele actieve plaats ligt tussen de identieke subeenheden en heeft de karakteristieke Asp-Thr-Gly (Asp25, Thr26 en Gly27) katalytische triadesequentie die gemeenschappelijk is voor asparagineproteasen. [8] Aangezien HIV-1 PR alleen als een dimeer kan functioneren, bevat het rijpe protease twee Asp25-aminozuren, één van elk monomeer, die in samenhang met elkaar werken als de katalytische resten. [9] Bovendien heeft HIV-protease twee moleculaire "flappen" die een afstand van maximaal 7 verplaatsen wanneer het enzym wordt geassocieerd met een substraat. [10] Dit kan worden gevisualiseerd met animaties van het openen en sluiten van de kleppen.

Voorloper Bewerken

Het Gag-Pol-polyproteïne, dat voortijdige coderende eiwitten bevat, waaronder HIV-1 PR. [9] PR bevindt zich tussen de reverse transcriptase (die zich aan de C-terminus van PR bevindt) en de p6 pol (die zich aan de N-terminus van PR bevindt) van het transframe-gebied (TFR). [11]

Om ervoor te zorgen dat deze voorloper een functioneel eiwit wordt, moet elk monomeer associëren met een ander HIV-1 PR-monomeer om een ​​functionele katalytische actieve plaats te vormen door elk de Asp25 van hun respectieve katalytische triaden bij te dragen. [9]

Synthesemechanisme Bewerken

Wanneer viraal HIV-RNA de cel binnenkomt, gaat het vergezeld van een reverse transcriptase, een integrase en een volwassen HIV-1 PR. De reverse transcriptase zet viraal RNA om in DNA, waardoor de rol van de integrase bij het opnemen van virale genetische informatie in het DNA van de gastheercel wordt vergemakkelijkt. [2] Het virale DNA kan ofwel slapend in de kern blijven of in mRNA worden getranscribeerd en door de gastheercel worden vertaald in het Gag-Pol-polyproteïne, dat vervolgens wordt gesplitst in individuele functionele eiwitten (inclusief een nieuw gesynthetiseerd HIV-1 PR) door de volwassen HIV-1 PR. [9]

De HIV-1 PR-precursor katalyseert zijn eigen productie door zijn splitsing van het Gag-Pol-polyproteïne te vergemakkelijken in een mechanisme dat bekend staat als auto-processing. Auto-processing van HIV-1 PR wordt gekenmerkt door twee opeenvolgende stappen: (1) de intramoleculaire splitsing van de N-terminus op de p6-pol-protease-splitsingsplaats, die dient om de PR-verwerking af te ronden en de enzymatische activiteit te verhogen met de nieuw gevormde PR -reverse transcriptase intermediair, en (2) de intermoleculaire splitsing van de C-terminus op de protease-reverse transcriptase splitsingsplaats, wat leidt tot de assemblage van twee PR-subeenheden tot rijpe dimeren. [12] [13] Dimerisatie van de twee subeenheden zorgt voor de vorming van een volledig functionele, gecombineerde actieve plaats, gekenmerkt door twee katalytische Asp25-residuen (één van elk monomeer). [14]

HIV-1 PR heeft een tweeledig doel. Precursor HIV-1 PR is verantwoordelijk voor het katalyseren van zijn eigen productie tot volwassen PR-enzymen via PR-autoverwerking. [15] Rijpe protease kan peptidebindingen op de Gag-Pol-polyproteïnen op negen specifieke plaatsen hydrolyseren, waarbij de resulterende subeenheden worden verwerkt tot rijpe, volledig functionele eiwitten. Deze gesplitste eiwitten, waaronder reverse transcriptase, integrase en RNaseH, worden gecodeerd door de componenten van het coderende gebied die nodig zijn voor virale replicatie. [4]

Als een asparagineprotease functioneert het gedimeriseerde HIV-1 PR via het aspartylgroepcomplex om hydrolyse uit te voeren. Van de twee Asp25-residuen op de gecombineerde katalytische actieve plaats van HIV-1 PR, is de ene gedeprotoneerd terwijl de andere is geprotoneerd, vanwege pKa-verschillen met de micro-omgeving. [16]

In een algemeen asparagineproteasemechanisme ondergaat het gedeprotoneerde Asp25-katalytische aminozuur, zodra het substraat op de juiste manier aan de actieve plaats van het enzym is gebonden, basenkatalyse, waardoor het binnenkomende watermolecuul een betere nucleofiel wordt door het te deprotoneren. Het resulterende hydroxylionen valt de carbonylkoolstof van de peptidebinding aan en vormt een tussenproduct met een tijdelijk oxyanion, dat wordt gestabiliseerd door het aanvankelijk geprotoneerde Asp25. Het oxyanion vormt opnieuw een dubbele binding, wat leidt tot de splitsing van de peptidebinding tussen de twee aminozuren, terwijl het aanvankelijk gedeprotoneerde Asp25 zure katalyse ondergaat om zijn proton aan de aminogroep te doneren, waardoor de aminogroep een betere vertrekkende groep wordt voor volledige peptidebinding splitsing en terugkeren naar zijn oorspronkelijke gedeprotoneerde toestand. [2] [17]

Hoewel HIV-1 PR veel van dezelfde kenmerken heeft als een niet-virale asparagineprotease, heeft enig bewijs aangetoond dat HIV-1 PR hydrolyse op een gecoördineerde manier katalyseert, met andere woorden, het nucleofiele watermolecuul en het geprotoneerde Asp25 vallen tegelijkertijd de splitsbare peptidebinding tijdens katalyse. [17] [18]

Met zijn integrale rol in HIV-replicatie, is HIV-protease een belangrijk doelwit geweest voor medicamenteuze therapie. HIV-proteaseremmers werken door zich specifiek te binden aan de actieve plaats door het tetraëdrische tussenproduct van het substraat na te bootsen en in wezen "vast te zitten", waardoor het enzym wordt uitgeschakeld. Na assemblage en ontluiking kunnen virale deeltjes zonder actieve protease niet uitgroeien tot infectieuze virions. Verschillende proteaseremmers zijn goedgekeurd voor HIV-therapie. [19]

Er zijn tien HIV-1 PR-remmers die momenteel zijn goedgekeurd door de Food and Drug Administration: indinavir, saquinavir, ritonavir, nelfinavir, lopinavir, amprenavir, fosamprenevir, atazanavir, tipranavir en darunavir. Veel van de remmers hebben verschillende moleculaire componenten en dus verschillende mechanistische acties, zoals het blokkeren van de actieve plaats. Hun functionele rol strekt zich ook uit tot het beïnvloeden van concentraties van andere remmers in de bloedsomloop (ritonavir) en wordt alleen gebruikt voor bepaalde omstandigheden waarin het virus tolerantie vertoont voor andere remmers (tipranavir). [4] [20]

Evolutie en weerstand

Vanwege de hoge mutatiesnelheden van retrovirussen, vooral vanwege mutatiegevoelige regio's (met name de regio die de katalytische triadesequentie bevat), en gezien het feit dat veranderingen in een paar aminozuren binnen HIV-protease het veel minder zichtbaar kunnen maken voor een remmer, is de actieve plaats van dit enzym kan snel veranderen onder de selectieve druk van replicatieremmende geneesmiddelen. [21] [22]

Twee soorten mutaties worden over het algemeen geassocieerd met toenemende resistentie tegen geneesmiddelen: "grote" mutaties en "secundaire" mutaties. Grote mutaties hebben betrekking op een mutatie op de actieve plaats van HIV-1 PR, waardoor wordt voorkomen dat de selectieve remmers eraan binden. Secundaire mutaties verwijzen naar moleculaire veranderingen aan de periferie van het enzym als gevolg van langdurige blootstelling aan vergelijkbare chemicaliën, die mogelijk de remmerspecificiteit voor HIV-1 PR beïnvloeden. [3]

Een benadering om de ontwikkeling van resistentie tegen geneesmiddelen bij HIV te minimaliseren, is het toedienen van een combinatie van geneesmiddelen die verschillende belangrijke aspecten van de HIV-replicatiecyclus tegelijkertijd remmen, in plaats van één geneesmiddel tegelijk. Andere doelwitten voor geneesmiddeltherapie omvatten reverse transcriptase, virusaanhechting, membraanfusie, cDNA-integratie en virionassemblage. [23] [24]


Coronavirus-proteasen

Onderzoekers gebruiken deze structuren actief om te zoeken naar verbindingen die de werking van de proteasen blokkeren, voor gebruik als antivirale geneesmiddelen. De diversiteit van coronavirussen vormt een grote uitdaging bij deze inspanning: coronavirussen zijn ingedeeld in vier afzonderlijke geslachten, en sequentie- en structurele studies hebben aangetoond dat de proteasen van deze virussen heel verschillend kunnen zijn, dus medicijnen die zijn ontworpen om er één te bestrijden, zijn mogelijk niet effectief tegen anderen. Een mogelijke manier om deze uitdaging aan te gaan, is door te proberen een breedspectrumremmer te ontwerpen die is gericht tegen het voorlopervleermuis-coronavirus, zoals degene die hier wordt getoond uit PDB-invoer 4yoi, die dan een voorsprong kan bieden bij het ontdekken van remmers tegen nieuw opkomende virussen . De actieve site cysteïne en histidine worden weergegeven in de afbeelding, met een remmer in turkoois. Om deze structuur in meer detail te verkennen, klikt u op de afbeelding voor een interactieve JSmol.

Onderwerpen voor verdere discussie

  1. Een ongebruikelijke octamere vorm van het hoofdprotease kan betrokken zijn bij de rijping ervan. U kunt het zien in VOB-item 3iwm.
  2. U kunt de plooien van de belangrijkste proteasen van het coronavirus en de serineproteasen vergelijken met behulp van de tool "Structure Align". Probeer trypsinogeen te gebruiken (VOB-invoer 1tgs), zodat het hele enzym één keten is voor de uitlijning.

Gerelateerde bronnen voor PDB-101

Referenties

  1. Cui, J., Li, F., Shi, ZL. (2019) Oorsprong en evolutie van pathogene coronavirussen. nat. Rev. Microbiol. 17, 181-192.
  2. 4yoi: St John, SE, Tomar, S., Stauffer, SR, Mesecar, AD (2015) Bestrijding van zoönotische virussen: op structuur gebaseerde remming van het 3C-achtige protease van vleermuiscoronavirus HKU4-De waarschijnlijke reservoirgastheer voor het menselijke coronavirus dat veroorzaakt het Midden-Oosten Respiratoir Syndroom (MERS). Bioorg.Med.Chem. 23: 6036-6048
  3. 4ow0: Baez-Santos, YM, Barraza, SJ, Wilson, MW, Agius, MP, Mielech, AM, Davis, NM, Baker, SC, Larsen, SD, Mesecar, AD (2014) X-ray structurele en biologische evaluatie van een reeks krachtige en zeer selectieve remmers van menselijke coronavirus-papaïne-achtige proteasen. J. Med. Chem. 57: 2393-2412
  4. Hilgenfeld, R. (2014) Van SARS tot MERS: kristallografische onderzoeken naar coronavirale proteasen maken het ontwerpen van antivirale geneesmiddelen mogelijk. FEBS J. 281,4085-4096
  5. 1q2w: Pollack, A. (2003) Bedrijf zegt dat het een deel van het SARS-virus in kaart heeft gebracht. New York Times, 30 juli, sectie C, pagina 2.

Februari 2020, David Goodsell

Over PDB-101

PDB-101 helpt docenten, studenten en het grote publiek de 3D-wereld van eiwitten en nucleïnezuren te verkennen. Leren over hun diverse vormen en functies helpt om alle aspecten van biogeneeskunde en landbouw te begrijpen, van eiwitsynthese tot gezondheid en ziekte tot biologische energie.

Waarom PDB-101? Onderzoekers over de hele wereld stellen deze 3D-structuren gratis beschikbaar in het archief van de Protein Data Bank (PDB). PDB-101 bouwt inleidend materiaal om beginners te helpen aan de slag te gaan in het onderwerp ("101", zoals in een cursus op instapniveau), evenals bronnen voor uitgebreid leren.


Inhoud

Het MEROPS-proteaseclassificatiesysteem telt 16 superfamilies (vanaf 2013) die elk veel families bevatten. Elke superfamilie gebruikt de katalytische triade of dyade in een andere eiwitvouw en vertegenwoordigen zo convergente evolutie van het katalytische mechanisme. De meerderheid behoort tot de S1-familie van de PA-clan (superfamilie) van proteasen.

Voor superfamilies, P = superfamilie, die een mengsel van nucleofiele klassenfamilies bevat, S = puur serineproteasen. superfamilie. Binnen elke superfamilie worden families aangeduid met hun katalytische nucleofiel (S = serineproteasen).

Families van serineproteasen

Superfamilie Gezinnen Voorbeelden
SB S8, S53 Subtilisine (Bacillus licheniformis)
SC S9, S10, S15, S28, S33, S37 Prolyl oligopeptidase (Sus scrofa)
SE S11, S12, S13 D-Ala-D-Ala peptidase C (Escherichia coli)
SF S24, S26 Signaalpeptidase I (Escherichia coli)
NS S21, S73, S77, S78, S80 Cytomegalovirus-assemblage (humaan herpesvirus 5)
SJ S16, S50, S69 Lon-A-peptidase (Escherichia coli)
SK S14, S41, S49 Clp-protease (Escherichia coli)
DUS S74 Faag K1F endosialidase CIMCD zelfsplitsend eiwit (Enterobacteria faag K1F)
SP S59 Nucleoporine 145 (Homo sapiens)
SR S60 Lactoferrine (Homo sapiens)
SS S66 Mureïne tetrapeptidase LD-carboxypeptidase (Pseudomonas aeruginosa)
NS S54 Rhomboid-1 (Drosophila melanogaster)
VADER S1, S3, S6, S7, S29, S30, S31, S32, S39, S46, S55, S64, S65, S75 Chymotrypsine A (Bos Stier)
PB S45, S63 Penicilline G acylase-precursor (Escherichia coli)
pc S51 Dipeptidase E (Escherichia coli)
PE P1 DmpA-aminopeptidase (Ochrobactrum antropi)
niet toegewezen S48, S62, S68, S71, S72, S79, S81

Serineproteasen worden gekenmerkt door een onderscheidende structuur, bestaande uit twee bèta-barrel-domeinen die samenkomen op de katalytische actieve plaats. Deze enzymen kunnen verder worden gecategoriseerd op basis van hun substraatspecificiteit als trypsine-achtig, chymotrypsine-achtig of elastase-achtig. [3]

Trypsine-achtige Edit

Trypsine-achtige proteasen splitsen peptidebindingen na een positief geladen aminozuur (lysine of arginine). [4] Deze specificiteit wordt aangedreven door het residu dat aan de basis van de S1-pocket van het enzym ligt (meestal een negatief geladen asparaginezuur of glutaminezuur).

Chymotrypsine-achtige Edit

De S1-pocket van chymotrypsine-achtige enzymen is meer hydrofoob dan in trypsine-achtige proteasen. Dit resulteert in een specificiteit voor middelgrote tot grote hydrofobe residuen, zoals tyrosine, fenylalanine en tryptofaan.

Trombine-achtige bewerking

Deze omvatten trombine, weefselactiverend plasminogeen en plasmine. Er is gevonden dat ze een rol spelen bij de coagulatie en de spijsvertering, evenals bij de pathofysiologie van neurodegeneratieve aandoeningen zoals door Alzheimer en Parkinson geïnduceerde dementie.

Elastase-achtige bewerking

Elastase-achtige proteasen hebben een veel kleinere S1-spleet dan trypsine- of chymotrypsine-achtige proteasen. Dientengevolge hebben residuen zoals alanine, glycine en valine de neiging de voorkeur te geven.

Subtilisine-achtige Edit

Subtilisine is een serineprotease in prokaryoten. Subtilisine is evolutionair niet verwant aan de chymotrypsine-clan, maar deelt hetzelfde katalytische mechanisme met behulp van een katalytische triade, om een ​​nucleofiele serine te creëren. Dit is het klassieke voorbeeld dat wordt gebruikt om convergente evolutie te illustreren, aangezien hetzelfde mechanisme tijdens de evolutie twee keer onafhankelijk is geëvolueerd.

De belangrijkste speler in het katalytische mechanisme in de serineproteasen is de katalytische triade. De triade bevindt zich op de actieve plaats van het enzym, waar katalyse plaatsvindt, en wordt bewaard in alle superfamilies van serineprotease-enzymen. De triade is een gecoördineerde structuur die bestaat uit drie aminozuren: His 57, Ser 195 (vandaar de naam "serineprotease") en Asp 102. Deze drie sleutelaminozuren spelen elk een essentiële rol in het splitsingsvermogen van de proteasen. Hoewel de aminozuurleden van de triade ver van elkaar zijn gelokaliseerd in de volgorde van het eiwit, zullen ze door vouwing zeer dicht bij elkaar in het hart van het enzym zijn. De specifieke geometrie van de triadeleden is zeer kenmerkend voor hun specifieke functie: er werd aangetoond dat de positie van slechts vier punten van de triade de functie van het bevattende enzym kenmerkt. [5]

Bij katalyse treedt een geordend mechanisme op waarbij meerdere tussenproducten worden gegenereerd. De katalyse van de peptidesplitsing kan worden gezien als een pingpong-katalyse, waarbij een substraat bindt (in dit geval het polypeptide dat wordt gesplitst), een product vrijkomt (de N-terminus "helft" van het peptide), een andere substraat bindt (in dit geval water) en een ander product komt vrij (de C-terminus "helft" van het peptide).

Elk aminozuur in de triade vervult een specifieke taak in dit proces:

  • De serine heeft een -OH-groep die kan werken als een nucleofiel en de carbonylkoolstof van de deelbare peptidebinding van het substraat aanvalt.
  • Een paar elektronen op de histidinestikstof heeft het vermogen om de waterstof van de serine-OH-groep te accepteren, waardoor de aanval van de peptidebinding wordt gecoördineerd.
  • De carboxylgroep op het asparaginezuur bindt op zijn beurt waterstof met het histidine, waardoor het bovengenoemde stikstofatoom veel elektronegatiever wordt.

De hele reactie kan als volgt worden samengevat:

  • Het polypeptidesubstraat bindt aan het oppervlak van het serineprotease-enzym zodat de deelbare binding wordt ingevoegd in de actieve plaats van het enzym, waarbij de carbonylkoolstof van deze binding nabij de nucleofiele-serine wordt geplaatst.
  • De serine -OH valt de carbonylkoolstof aan en de stikstof van de histidine accepteert de waterstof van de -OH van de [serine] en een paar elektronen van de dubbele binding van de carbonylzuurstof gaat naar de zuurstof. Als resultaat wordt een tetraëdrisch tussenproduct gegenereerd.
  • The bond joining the nitrogen and the carbon in the peptide bond is now broken. The covalent electrons creating this bond move to attack the hydrogen of the histidine, breaking the connection. The electrons that previously moved from the carbonyl oxygen double bond move back from the negative oxygen to recreate the bond, generating an acyl-enzyme intermediate.
  • Now, water comes into the reaction. Water replaces the N-terminus of the cleaved peptide, and attacks the carbonyl carbon. Once again, the electrons from the double bond move to the oxygen making it negative, as the bond between the oxygen of the water and the carbon is formed. This is coordinated by the nitrogen of the histidine, which accepts a proton from the water. Overall, this generates another tetrahedral intermediate.
  • In a final reaction, the bond formed in the first step between the serine and the carbonyl carbon moves to attack the hydrogen that the histidine just acquired. The now electron-deficient carbonyl carbon re-forms the double bond with the oxygen. As a result, the C-terminus of the peptide is now ejected.

Additional stabilizing effects Edit

It was discovered that additional amino acids of the protease, Gly 193 en Ser 195, are involved in creating what is called an oxyanion hole. Beide Gly 193 en Ser 195 can donate backbone hydrogens for hydrogen bonding. When the tetrahedral intermediate of step 1 and step 3 are generated, the negative oxygen ion, having accepted the electrons from the carbonyl double bond, fits perfectly into the oxyanion hole. In effect, serine proteases preferentially bind the transition state and the overall structure is favored, lowering the activation energy of the reaction. This "preferential binding" is responsible for much of the catalytic efficiency of the enzyme.

Host organisms must ensure that the activity of serine proteases is adequately regulated. This is achieved by a requirement for initial protease activation, and the secretion of inhibitors.

Zymogen activation Edit

Zymogens are the usually inactive precursors of an enzyme. If the digestive enzymes were active when synthesized, they would immediately start chewing up the synthesizing organs and tissues. Acute pancreatitis is such a condition, in which there is premature activation of the digestive enzymes in the pancreas, resulting in self-digestion (autolysis). It also complicates postmortem investigations, as the pancreas often digests itself before it can be assessed visually.

Zymogens are large, inactive structures, which have the ability to break apart or change into the smaller activated enzymes. The difference between zymogens and the activated enzymes lies in the fact that the active site for catalysis of the zymogens is distorted. As a result, the substrate polypeptide cannot bind effectively, and proteolysis does not occur. Only after activation, during which the conformation and structure of the zymogen change and the active site is opened, can proteolysis occur.

Zymogen Enzyme Opmerkingen:
Trypsinogen trypsin When trypsinogen enters the small intestine from the pancreas, enteropeptidase secretions from the duodenal mucosa cleave the lysine 15 - isoleucine 16 peptide bond of the zymogen. As a result, the zymogen trypsinogen breaks down into trypsin. Recall that trypsin is also responsible for cleaving lysine peptide bonds, and thus, once a small amount of trypsin is generated, it participates in cleavage of its own zymogen, generating even more trypsin. The process of trypsin activation can thus be called autocatalytic.
Chymotrypsinogen chymotrypsine After the Arg 15 - Ile 16 bond in the chymotrypsinogen zymogen is cleaved by trypsin, the newly generated structure called a pi-chymotrypsin undergoes autolysis (self digestion), yielding active chymotrypsin.
Proelastase elastase It is activated by cleavage through trypsin.

As can be seen, trypsinogen activation to trypsin is essential, because it activates its own reaction, as well as the reaction of both chymotrypsine en elastase. Therefore, it is essential that this activation does not occur prematurely. There are several protective measures taken by the organism to prevent self-digestion:

  • The activation of trypsinogen by trypsin is relatively slow
  • The zymogens are stored in zymogen granules, capsules that have walls that are thought to be resistant to proteolysis.

Inhibition Edit

There are certain inhibitors that resemble the tetrahedral intermediate, and thus fill up the active site, preventing the enzyme from working properly. Trypsin, a powerful digestive enzyme, is generated in the pancreas. Inhibitors prevent self-digestion of the pancreas itself.

Serine proteases are paired with serine protease inhibitors, which turn off their activity when they are no longer needed. [6]

Serine proteases are inhibited by a diverse group of inhibitors, including synthetic chemical inhibitors for research or therapeutic purposes, and also natural proteinaceous inhibitors. One family of natural inhibitors called "serpins" (abbreviated from serine protease inhibitors) can form a covalent bond with the serine protease, inhibiting its function. The best-studied serpins are antithrombin and alpha 1-antitrypsin, studied for their role in coagulation/thrombosis and emphysema/A1AT, respectively. Artificial irreversible small molecule inhibitors include AEBSF and PMSF.

A family of arthropod serine peptidase inhibitors, called pacifastin, has been identified in locusts and crayfish, and may function in the arthropod immune system. [7]

Mutations may lead to decreased or increased activity of enzymes. This may have different consequences, depending on the normal function of the serine protease. For example, mutations in protein C can lead to protein C deficiency and predisposing to thrombosis. Also, some proteases play a vital role in host cell-virus fusion activation by priming virus's Spike protein to show the protein named "fusion protein" (TMPRSS2 activate SARS-CoV-2 fusion).

Determination of serine protease levels may be useful in the context of particular diseases.