Альфа-тубулин N-ацетилтрансфераза

В энзимологии альфа -тубулин-N-ацетилтрансфераза ( EC 2.3.1.108) — это фермент , кодируемый геном ATAT1.

Этот фермент принадлежит к семейству трансфераз , в частности, ацилтрансфераз , переносящих группы, отличные от аминоацильных групп. Систематическое название этого класса ферментов — ацетил-КоА:[альфа-тубулин]-L-лизин N6-ацетилтрансфераза . Другие общеупотребительные названия включают альфа-тубулин ацетилазу , αTAT , ATAT1, TAT, альфа-ТАТ, альфа-тубулин ацетилтрансферазу , тубулин N-ацетилтрансферазу , ацетил-КоА:альфа-тубулин-L-лизин N-ацетилтрансферазу и ацетил-КоА:[альфа-тубулин]-L-лизин 6-N-ацетилтрансферазу .

Этот белок состоит из 421 аминокислоты, среди которых следует выделить глутамин номер 58 (Gln или Q), который имеет решающее значение для каталитической активности.

ATAT1 имеет 8 α-спиралей , 10 β-тяжей и один поворот. Однако только половина белка имеет определенную вторичную конформацию. Остальная часть этого белка внутренне неупорядочена.

ATAT1 не является модульным белком, поскольку имеет только один домен, локализованный от первой аминокислоты до сто девяностой.

Необходимо выделить два важных региона ATAT1 (124-137 и 160-269), поскольку именно здесь находятся точки соединения с ацетил-КоА . ^[1]

Недавно исследования, описывающие кристаллическую структуру ATAT1, предполагают, что остатки 196–236 человеческого ATAT1 (где расположены ацетилированные лизины K210 и K221) неупорядочены и не вносят существенного вклада в каталитическую активность. Напротив, ацетилированные остатки K56 и K146 находятся внутри каталитического домена (спирали α1 и α3 соответственно) и близко к сайту связывания ацетил-КоА, что предполагает, что эти остатки могут выступать в качестве промежуточного звена для переноса ацетильной группы . Однако для полного понимания этого механизма и проверки возможности конформационных изменений, вызванных автоацетилированием ATAT1, необходимы дополнительные структурные данные с мутантами автоацетилирования. ^[2]

ATAT1 содержит консервативный поверхностный карман рядом с активным сайтом, состоящий в основном из гидрофобных и основных остатков, которые, вероятно, дополняют кислотную петлю, содержащую α-тубулин K40. Активный сайт белка содержит несколько консервативных остатков, которые потенциально могут функционировать как общие основания в реакции: глутамин 58 (Q58), цистеин (C120) и аспарагиновая кислота 157 (D157). ^[3]

ATAT1 представляет семь различных изоформ из-за альтернативного сплайсинга, процесса, который заключается в объединении экзонов в конце процесса транскрипции. Следовательно, из одного гена может быть произведено более одной информационной РНК. ^{[4] [5]}

Различные изоформы:

• Изоформа 1

  

Изоформа 1 известна как каноническая последовательность. Это означает, что изменения в других изоформах будут связаны с этой конкретной последовательностью аминокислот.

• Изоформа 2

Изоформа 2 отличается от изоформы 1, так как последовательность аминокислот 1-12 отсутствует, а последовательность с 13-й по 36-ю аминокислоту заряжена следующим образом: MWLTWPFCFLTITLREEGVCHLES

• Изоформа 3

Очень похожа на каноническую последовательность, единственное отличие состоит в том, что последовательность аминокислот в 195-218-й позиции (RPPAPSLRATRHSRAAAVDPTPAA) заменена на пролин (P).

• Изоформа 4

Изоформа 4 отличается от канонической последовательности, поскольку последовательность аминокислот 323-333 из канонической цепи (RGTPGLVAQS) была заменена другой последовательностью (SSLPRSEESRY). Кроме того, последовательность аминокислот 334-421 отсутствует.

• Изоформа 5

В этом случае изоформа 5 отличается от канонической последовательности, поскольку последовательность аминокислот 324-421 была удалена.

• Изоформа 6

Изоформа 6, вероятно, является изоформой, которая больше всего отличается от канонической последовательности. Последовательность аминокислот 195-218 (RPPAPSLRATRHSRAAAVDPTPAA) заменена на пролин (P), как и в изоформе 3; последовательность 323-333 (RGTPPGLVAQS) заменена на (SSLPRSEESRY), а последовательность аминокислот 334-421 отсутствует, как и в изоформе 4.

• Изоформа 7

Разница между изоформой 7 и канонической последовательностью заключается в том, что последовательность аминокислот в позициях 195–218 (RPPAPSLRATRHSRAAAVDPTPAA) была изменена на пролин (P), а также отсутствует последовательность 334–421. ^[6]

Микротрубочки — это высокодинамичные трубчатые полимеры, собранные из протофиламентов димеров α/β- тубулина , и они необходимы для внутриклеточного транспорта , архитектурной организации, деления клеток , клеточного морфогенеза и производства силы в эукариотических клетках . В клетке происходит постоянная модуляция баланса между динамичными короткоживущими и стабильными долгоживущими субпопуляциями микротрубочек. ^{[7] [8]}

Хотя микротрубочки обычно функционируют как динамические полимеры, для некоторых специфических функций им требуется больше стабильности. Ацетилирование используется клеткой как маркер для этих стабильных микротрубочек.

ATAT1 специфически ацетилирует 'Lys-40' в альфа-тубулине на люменальной стороне микротрубочек. Это единственная известная посттрансляционная модификация в просвете микротрубочки, но до сих пор неизвестно, как фермент получает доступ к просвету. ^[8]

Двумя субстратами этого фермента являются ацетил-КоА и α-тубулин-L-лизин.

Несмотря на сходство с другими ацетилирующими ферментами, он катализирует исключительно реакцию ацетилирования тубулина. ^[9]

Этот катализ происходит, когда молекула ацетил-КоА, присоединенная к ферменту, передает свою ацетильную группу лизину.

Это реакция, катализируемая ATAT1:

Ацетил-КоА + [альфа-тубулин]-L-лизин КоА + [альфа-тубулин]-N ₆ -ацетил-L-лизин${\displaystyle \rightleftharpoons}$

Несколько экспериментов пришли к выводу, что ацетилирование более эффективно в субстратах микротрубочек, чем в свободных димерах α/β-тубулина. Это происходит потому, что как только ATAT1 попадает в просвет микротрубочки, он свободно диффундирует и имеет высокую эффективную концентрацию субстрата. ^{[10] [11]}

ATAT1 играет важную роль в формировании гиппокампа , поскольку было обнаружено, что у мышей, у которых отсутствует ATAT1, наблюдается недостаточное ацетилирование тубулина и выпячивание зубчатой ​​извилины . ^[12]

Было показано, что ацетилирование тубулина ATAT1 повышается при воздействии на клетки УФ-излучения, а также при воздействии на них химических веществ, таких как H ₂ O ₂ или NaCl. ^[13]

Ацетилирование тубулина является одним из сигнальных путей для активности Na ⁺ и K ⁺ -АТФазы. ^[14]

Было отмечено, что посредством экспериментов с микроскопией силы тяги истощение ATAT1 привело к снижению производства силы тяги на субстратах 40 кПа. Напротив, сверхэкспрессия GFP-ATAT1 увеличила энергию и силу тяги, а также спасла эффект, наблюдаемый при нокдауне ATAT1, когда астроциты были высеяны на 40 кПа. ^[15]

Ацетилирование тубулина также участвует в регуляции аутофагии . Оно необходимо для слияния аутофагосом с лизосомами. При нехватке питательных веществ для активации аутофагии требуется вызванное голоданием гиперацетилирование тубулина. Этот путь активируется, когда клетка находится в состоянии стресса. ^{[16] [17]}

α-тубулин является мишенью комплекса Elongator и в регуляции его ацетилирования лежит в основе созревания кортикальных проекционных нейронов. ^[18]

Ацетилирование микротрубочек необходимо для нормальной функции жгутиков сперматозоидов . Подавление ATAT1 у мышей приводит к снижению подвижности сперматозоидов и мужскому бесплодию. ^[19]

Стабильные микротрубочки участвуют в процессах миграции клеток. Эти микротрубочки нуждаются в ацетилировании. Таким образом, фермент ATAT1 важен для миграции клеток. ^[19]

ATAT1 играет важную роль в развитии эмбриона у данио-рерио . Некоторые авторы считают, что он также может иметь решающее значение в развитии эмбриона у млекопитающих. ^[12]

ATAT 1 играет важную роль в формировании ресничек. На самом деле изучается, что цилиогенез может влиять на развитие леворукости у homo sapiens. Более того, альфа-тубулин N-ацетилтрансфераза также необходима для того, чтобы первичная сборка ресничек могла функционировать в состоянии нормальной кинетики. ^[11]

^[11]

В 2010 году было обнаружено существование α-тубулин N-ацетилтрансферазы не только у Tetrahymena и Caenorhabditis elegans , но и у млекопитающих . Кроме того, две исследовательские группы создали мышей с нокаутом ATAT1 , что привело к появлению мышей с отсутствием ацетилирования во многих тканях. Однако ее внутриклеточное распределение все еще оставалось неясным.

Для того чтобы обнаружить внутриклеточное расположение α-тубулин N-ацетилтрансферазы и некоторые из ее функций, был использован метод микроскопии, называемый иммуногистохимией , который позволяет дифференцировать различные молекулы в клетке с помощью антитела и его реакции со специфическим антигеном (в данном случае использовалось антитело, называемое антителом анти-ATAT1).

В этом исследовании ATAT1 был обнаружен во многих тканях, и ученые обнаружили и смогли предположить некоторые из его функций. Это последнее исследование позволило выявить внутриклеточное распределение ATAT1 в реснитчатых клетках некоторых тканей.

Известно, что ATAT1 находится в:

Он в основном расположен в апикальной области эпителиальных клеток , но его функция до сих пор остается загадкой.

Иммунопозитивный сигнал, вызванный антителом против ATAT1, наблюдался в эпителиальных клетках собирательных трубочек мозгового слоя .

α-тубулин N-ацетилтрансфераза в основном локализуется в фоторецепторных клетках . Более того, ATAT1, как полагают, связан не только с соединительными ресничками и аксонемами наружного сегмента (OS), но и со всем внутренним сегментом (IS) и всем наружным сегментом (OS). Поэтому он может играть важную роль в интрацилиарном транспорте сигнальных белков во время светочувствительной сигнализации в фоторецепторных клетках.

В яичках антитело было обнаружено в сперматоцитах и ​​сперматидах, но не в сперматозоидах. В сперматоцитах также было замечено, что ATAT1 был расположен вокруг аппарата Гольджи, что указывает на то, что этот белок может играть важную роль в сперматогенезе.

Хотя функция ATAT1 до сих пор неясна, он также был обнаружен в других тканях, таких как третий желудочек мозга, но его конкретная функция неизвестна. Тем не менее, считается, что он играет важную роль в развитии нейронов.

Альфа-тубулин N-ацетилтрансфераза находится в нескольких частях клетки, таких как цитоскелет, цитоплазма или клатриновая ямка в мембране. Это тесно связано с одной из ее основных функций, которая заключается в катализе ацетилирования микротрубочек. ^[6]

ATAT1 может иметь тенденцию подвергаться процессу, известному как мутагенез, в соответствии с которым, производится генетическая мутация. Это может произойти спонтанно или, с другой стороны, из-за действия мутагенов. Можно классифицировать различные результаты мутагенеза в зависимости от того, какая из 421 аминокислот была изменена.

Если глутамин (Q), занимающий 58-е место в последовательности аминокислот, заменить на аланин (A), произойдет потеря активности ацетилтрансферазы. Следствием мутации, при которой изолейцин (I) на 64-м месте заменен на аланин (A), является сильное снижение активности ацетилтрансферазы.

Более того, существует ряд мутаций, которые вызывают снижение активности белка. Это:

1. Замена фенилаланина (F) на аланин (A) в 105-й позиции.
2. Замена валина (v) на аланин (A) в 106-й позиции.
3. Лейцин (L) по аланину (A) в 107-й позиции.
4. Аспарагиновая кислота (D) замещена аланином (A) в 108-й позиции.
5. Глутаминовая кислота (Е) аланином (А) в 115-м и 117-м положении.

В некоторых случаях это снижение активности еще сильнее, как, например, при следующих мутациях:

1. Аспарагин (N) по аланину (A) в 182-й позиции.
2. Фенилаланин (F) на аланин (A) в 183-й позиции.

Существуют некоторые мутации, которые приводят к повышению активности, такие как:

1. Аспарагиновая кислота (D) аланином (A) в 109-й позиции
2. Аспарагиновая кислота (D) аргинином (R) в 109-й позиции. Важно отметить, что это увеличение активности, как правило, является маргинальным событием.
3. Глутаминовая кислота (Е) аланином (А) в 111-й позиции. В этом случае увеличение активности составляет около 2-х раз.

Есть некоторые случаи, в которых мутация гена может вызвать снижение ацетилирования микротрубочек. Например:

1. Цистеин (С) по аланину (А) в 120-й позиции.
2. Аспарагиновая кислота (D) на глутаминовую кислоту (E) в 157-й позиции.

Тем не менее, не всегда мутация, вызванная заменой одной аминокислоты на другую, оказывает особое влияние на активность белка. Есть некоторые примеры, в которых мутация не приводит к существенному изменению каталитического эффекта белка. Это:

1. Серин (S) по аланину (A) в 61-й позиции.
2. Глутаминовая кислота (E) аргинином (R) в 111-й позиции. ^[20]

ATAT1 претерпевает посттрансляционные модификации, которые представляют собой изменения в белке после его трансляции рибосомами. ^[21] Аминокислоты, которые обычно затрагиваются этими модификациями, находятся в позициях 46, 146, 233, 244, 272, 276, 315. Основным эффектом этих модификаций является увеличение ацетилирования тубулина. ^[22]

Исследования нокаутов мышиных ферментов показали новые возможные биологические функции. Следовательно, они также показали некоторые сопутствующие заболевания.

Например, аномальные уровни ацетилирования тесно связаны с неврологическими расстройствами , раком , болезнями сердца и другими заболеваниями.

Для некоторых из этих заболеваний возможным решением является увеличение фермента ATAT1. Для других необходим ингибитор этого фермента для достижения правильного уровня ацетилирования.

С патологической точки зрения ацетилирование тубулина может быть связано с несколькими неврологическими расстройствами ^[18] , такими как:

• Болезнь Шарко-Мари-Тута или дистальная наследственная моторная невропатия
• Синдром Жубера , поражающий мозжечок
• Хотя считается, что он играет важную роль в болезни Паркинсона ^[23]
• Боковой амиотрофический склероз или болезнь Лу Герида
• Более того, ацетилирование ATAT1 также может быть связано с болезнью Альцгеймера.
• Эпилепсия ^[24]
• Повреждение аксона

Однако все еще ведутся исследования, являются ли эти нарушения непосредственной причиной аномального уровня ацетилирования, осуществляемого ATAT1.

Тем не менее, по-видимому, единственное сопутствующее заболевание, которое можно назвать вызванным снижением ацетилирования, вызванным ATAT1, — это повреждение аксона.

Увеличение ацетилирования тубулина, осуществляемое ATAT1, может играть важную роль в:

• Плоскоклеточный рак головы и шеи
• Рак молочной железы . ATAT1 вместе с другими ферментами с противоположными функциями, такими как гистондеацетилаза 6, осуществляют процессы ацетилирования и деацетилирования, и баланс этих двух процессов способствует установлению регуляции инвазивных свойств опухолевых клеток, в частности клеток молочной железы. ^[25]
• Рак поджелудочной железы
• Нейрофиброматоз 2 типа

Также было продемонстрировано, что усиление ацетилирования, осуществляемое α-тубулин-N-ацетилтрансферазой, может облегчить проникновение вируса в клетку.

• Тубулин
• Ацетилирование
• Изоформа белка
• Посттрансляционная модификация
• Микротрубочки
• Клатрин