Цитруллинирование
Биологический процесс
Химическое превращение аргинина в цитруллин, известное как цитруллинирование или деиминирование.

Цитруллинирование или деиминирование — это превращение аминокислоты аргинина в белке в аминокислоту цитруллин . Цитруллин не входит в число 20 стандартных аминокислот, кодируемых ДНК в генетическом коде . Вместо этого он является результатом посттрансляционной модификации . Цитруллинирование отличается от образования свободной аминокислоты цитруллина как части цикла мочевины или как побочного продукта ферментов семейства синтазы оксида азота .

Ферменты, называемые аргининдеиминазами (ADI), катализируют деиминирование свободного аргинина, в то время как протеинаргининдеиминазы или пептидиларгининдеиминазы (PAD) заменяют первичную кетиминовую группу (>C=NH) на кетонную группу (>C=O). Аргинин положительно заряжен при нейтральном pH, тогда как цитруллин не имеет чистого заряда. Это увеличивает гидрофобность белка, что может привести к изменениям в сворачивании белка , влияя на структуру и функцию.

Иммунная система может атаковать цитруллинированные белки, что приводит к аутоиммунным заболеваниям, таким как ревматоидный артрит (РА) и рассеянный склероз (РС). Фибрин и фибриноген могут быть благоприятными участками для деиминирования аргинина в ревматоидных суставах. Тест на наличие антител к антицитруллинированному белку (ACP) является высокоспецифичным (88–96%) для ревматоидного артрита, примерно таким же чувствительным, как ревматоидный фактор (70–78%) для диагностики РА, и может быть обнаружен еще до начала клинического заболевания. [1]

Цитруллинированный виментин может быть аутоантигеном при РА и других аутоиммунных заболеваниях и используется для изучения РА. Более того, антитела против мутировавшего цитруллинированного виментина (MCV) могут быть полезны для мониторинга эффектов терапии РА. [2] Система ELISA использует генетически модифицированный цитруллинированный виментин (MCV), природную изоформу виментина, для улучшения производительности теста. [3]

В реакции аргинина с цитруллином один из конечных атомов азота боковой цепи аргинина заменяется кислородом . Таким образом, положительный заряд аргинина (при физиологическом pH) удаляется, изменяя третичную структуру белка . Реакция использует одну молекулу воды и дает аммиак в качестве побочного продукта:

Подтипы ЗПА

PAD обнаружены у хордовых, но не у низших животных. У млекопитающих обнаружено пять изотипов PAD – PAD1 , PAD2 , PAD3 , PAD4 и PAD6. [4] PAD5 считался уникальным изотипом у людей, однако было показано, что он гомологичен PAD4. [4] Эти изотипы различаются по распределению в тканях и клетках.

Экспрессия PAD1 была обнаружена в эпидермисе и матке, и она участвует в цитруллинировании кератина и филаггрина , ключевых компонентов кератиноцитов . [4]

PAD2 экспрессируется на высоком уровне в центральной нервной системе (ЦНС), включая глаза и мозг, а также скелетные мышцы и селезенку. Транскрипты PAD были обнаружены в глазах мышей C57BL6/J уже на 14,5 день эмбрионального развития. [5] Также было показано, что PAD2 взаимодействует с виментином в скелетных мышцах и макрофагах, вызывая разборку нитей, что предполагает роль в апоптозе . [4]

Одним из целевых субстратов PAD2 является основной белок миелина (MBP). В нормальной сетчатке деиминирование обнаружено почти во всех слоях сетчатки, включая фоторецепторы . Деиминирование также было отмечено в нейрональных клетках, таких как астроциты , микроглия и олигодендроциты , шванновские клетки и нейроны . [6] Метилирование и фосфорилирование MBP активны в процессе миелиногенеза . На раннем этапе развития ЦНС эмбриона деиминирование MBP играет важную роль в сборке миелина. У взрослых деиминирование MBP обнаружено при заболеваниях демиелинизации, таких как рассеянный склероз. MBP может поражать различные типы клеток в каждом случае. [7]

Экспрессия PAD3 связана с модификацией овечьей шерсти. Цитруллинирование трихогиалина позволяет ему связывать и сшивать кератиновые нити, направляя рост шерстяного волокна. [4]

PAD4 регулирует экспрессию генов посредством модификаций гистонов . ДНК оборачивается вокруг гистонов, и гистоновые белки могут контролировать экспрессию ДНК, когда химические группы добавляются и удаляются. Этот процесс известен как посттрансляционная обработка или посттрансляционная модификация, потому что он происходит на белке после трансляции ДНК. Роль посттрансляционной обработки в регуляции генов является предметом растущей области исследований, эпигенетики . Одним из механизмов модификации является метилирование . Метильная группа (CH 3 ) связывается с аргинином на гистоновом белке, изменяя связывание ДНК с гистоном и позволяя транскрипции происходить. Когда PAD превращает аргинин в цитруллин на гистоне, он блокирует дальнейшее метилирование гистона, ингибируя транскрипцию. [8] [9] Основным изотипом для этого является PAD4, который деиминирует аргинины и/или монометилированные аргинины на гистонах 3 и 4, отключая эффекты метилирования аргинина. [10]

Аутоиммунные заболевания

При ревматоидном артрите и других аутоиммунных заболеваниях, таких как псориатический артрит , системная красная волчанка и синдром Шегрена , аутоантитела часто атакуют цитруллинированные белки. Наличие антител к антицитруллинированным белкам является стандартным тестом на ревматоидный артрит, и оно связано с более тяжелым заболеванием. Цитруллинированные белки также обнаруживаются в клеточном детрите, сопровождающем разрушение клеток при болезни Альцгеймера и после курения сигарет. Таким образом, цитруллинирование, по-видимому, является частью механизма, который стимулирует иммунную систему при аутоиммунном заболевании. Однако цитруллинированные белки также можно обнаружить в здоровой слизистой оболочке толстой кишки . [11] [12] [13] [14] [15] [16]

Первый всеобъемлющий учебник по деиминации был опубликован в 2014 году. [17]

Обнаружение цитруллинированных пептидов и белков

Цитруллинированные пептиды и белки могут быть обнаружены с помощью антител, нацеленных на цитруллинированные остатки, или обнаружены с помощью протеомных технологий на основе масс-спектрометрии . Цитруллинирование аргинина приводит к моноизотопному увеличению массы +0,984016 Да, что можно измерить с помощью масс-спектрометрии . Сдвиг массы близок к разнице масс между различными изотопами пептида +1,008665, что можно ошибочно принять за цитруллинированный пептид, особенно на приборах с низким разрешением. Однако это не такая уж большая проблема с современными масс-спектрометрами с высоким разрешением/высокой точностью. Более того , сдвиг массы идентичен сдвигу массы, вызванному дезамидированием боковой цепи аминокислоты аспарагина или глутамина , которые являются распространенными модификациями.

Остатки цитруллина могут быть химически модифицированы бутандионом или биотинилированием перед анализом, что приводит к другому сдвигу массы, и эта стратегия успешно использовалась для облегчения идентификации с помощью масс-спектрометрии . [18] [19]

Другой подход заключается в использовании нейтральной потери изоциановой кислоты (HNCO) из остатков цитруллина при низкоэнергетической диссоциационной фрагментации, вызванной столкновением, в масс-спектрометрах. Потеря вызывает сдвиг массы на −43,0058 Да, который может быть использован масс-спектрометрами для преимущественного выбора цитруллинированных пептидов для фрагментации (секвенирования). [20] [21]

Наконец, можно использовать потерю положительного заряда при физиологическом pH, вызванную цитруллинированием. Перед протеомным анализом снизу вверх белки ферментативно расщепляются на пептиды. Обычно используется протеаза трипсин , которая расщепляет после положительно заряженных остатков аргинина и лизина . Однако трипсин не может расщеплять после остатка цитруллина, который нейтрален. Пропущенное расщепление после остатка цитруллина вместе с правильным смещением массы можно использовать в качестве специфического и чувствительного маркера цитруллинирования, и эта стратегия совместима со стандартными рабочими процессами протеомики снизу вверх .

Ссылки

  1. ^ Coenen D, Verschueren P, Westhovens R, Bossuyt X (март 2007 г.). «Технические и диагностические характеристики 6 анализов для измерения антител к цитруллинированному белку/пептиду при диагностике ревматоидного артрита». Клиническая химия . 53 (3): 498–504. doi : 10.1373 /clinchem.2006.078063 . PMID  17259232.
  2. ^ Nicaise Roland P, Grootenboer Mignot S, Bruns A и др. (2008). «Антитела к мутированному цитруллинированному виментину для диагностики ревматоидного артрита у пациентов с отрицательной реакцией на анти-CCP и для мониторинга терапии инфликсимабом». Arthritis Research & Therapy . 10 (6): R142. doi : 10.1186/ar2570 . PMC 2656247. PMID  19077182 . 
  3. ^ Soós L, Szekanecz Z, Szabó Z, et al. (август 2007 г.). «Клиническая оценка антимутированного цитруллинированного виментина методом ИФА при ревматоидном артрите». Журнал ревматологии . 34 (8): 1658–63 . PMID  17611988. Архивировано из оригинала 20-02-2008 . Получено 07-10-2009 .
  4. ^ abcde Воссенаар, Эрик Р.; Альберт Дж. Зендман; Вальтер Дж. ван Венрой; Гер Дж. М. Прюйн (ноябрь 2003 г.). «PAD, растущее семейство цитруллинирующих ферментов: гены, особенности и участие в заболеваниях». Биоэссе . 25 (11): 1106–1118 . doi :10.1002/bies.10357. ПМИД  14579251.
  5. ^ Visel, Axel; Thaller, Eichele (январь 2004 г.). "GenePaint.org: атлас паттернов экспрессии генов в эмбрионе мыши". Nucleic Acids Research . 32 (выпуск базы данных): D552–6. doi :10.1093/nar/gkh029. PMC 308763. PMID  14681479 . 
  6. ^ Бхаттачарья, Санджой (май 2009 г.). «Деиминация сетчатки при старении и заболеваниях». IUBMB Life . 61 (5): 504–509 . doi : 10.1002/iub.184 . PMID  19391158.
  7. ^ Harauz, G; Mussee (февраль 2007 г.). «Рассказ о двух цитруллинах — структурные и функциональные аспекты деиминации основного белка миелина в норме и патологии». Neurochemical Research . 32 (2): 137– 158. doi :10.1007/s11064-006-9108-9. PMID  16900293.
  8. ^ Катберт, Грэм; Дауджат, Сноуден; Эрджумент-Бромадж, Хагивара; Ямада, Шнайдер; Грегори, Темпст; Баннистер, Кузаридес (2 сентября 2004 г.). «Деиминирование гистонов противодействует метилированию аргинина». Cell . 118 (5): 545– 553. doi : 10.1016/j.cell.2004.08.020 . PMID  15339660.
  9. ^ Сэмс, К. Л.; Мукай, К.; Маркс, БА; Миттал, К.; Деметер, EA; Нелиссен, С.; Гренье, Дж. К.; Тейт, А. Е.; Ахмед, Ф.; Кунрод, СА (октябрь 2022 г.). «Задержка полового созревания, аномалии гонадотропина и субфертильность у самцов мышей с двойным нокаутом Padi2/Padi4». Reprod Biol Endocrinol . 20 (1): 150. doi : 10.1186/s12958-022-01018-w . PMC 9555066. PMID  36224627 . 
  10. ^ Kouzarides, T (ноябрь 2007 г.). «SnapShot: Histone-modifying genetics» (Моментальный снимок: ферменты, модифицирующие гистоны). Cell . 131 (4): 822–822.e1. doi : 10.1016/j.cell.2007.11.005 . PMID  18022374.
  11. ^ Активирующие фермент антитела оказались маркером наиболее тяжелой формы ревматоидного артрита, Science Daily, 22 мая 2013 г.
  12. ^ Ачарья, NK; Нагеле, EP; Хан, M.; Нагеле, RG (2013). «Аутоантитела: двойные агенты в заболеваниях человека». Science Translational Medicine . 5 (186): 186fs19. doi :10.1126/scitranslmed.3006288. PMID  23698377.
  13. ^ Дарра, Э.; Джайлс, Дж. Т.; Олс, М. Л.; Булл, Х. Г.; Андраде, Ф.; Розен, А. (2013). «Эрозивный ревматоидный артрит связан с антителами, которые активируют PAD4 путем повышения чувствительности к кальцию». Science Translational Medicine . 5 (186): 186ra65. doi :10.1126/scitranslmed.3005370. PMC 3740946 . PMID  23698378. 
  14. ^ Вандер Круйссен, Б.; Пене, И.; Кантаерт, Т.; Хоффман, ИЭА; Де Райкке, Л.; Вейс, Э.М.; Де Кейзер, Ф. (2005). «Антитела к цитруллинированному белку/пептиду (ACPA) при ревматоидном артрите: специфичность и связь с ревматоидным фактором». Обзоры аутоиммунитета . 4 (7): 468– 474. doi :10.1016/j.autrev.2005.04.018. PMID  16137613.
  15. ^ Может ли курение вызывать аутоиммунитет при РА? Архивировано 22.05.2014 в Wayback Machine Ученые пытаются связать точки между курением и ревматоидным артритом, Дебра Дрегер
  16. ^ Беннике, Туэ Бьерг; Эллингсен, Торкел; Глеруп, Хеннинг; Бондеруп, Оле Кристиан; Карлсен, Томас Гелсинг; Мейер, Майкл Крузе; Богстед, Мартин; Кристиансен, Гунна; Биркелунд, Свенд; Андерсен, Вибеке; Стенсбалль, Аллан (2017). «Протеомный анализ слизистой оболочки кишечника при ревматоидном артрите». Журнал исследований протеома . 16 (1): 346–354 . doi :10.1021/acs.jproteome.6b00598. ПМИД  27627584.
  17. ^ Николас, А.П.; Бхаттачарья, С.К. (2014). Деиминация белков в здоровье и болезнях человека . Нью-Йорк: Springer. ISBN 978-1-4614-8317-5.
  18. ^ Де Селенир, Марлис; Де Вит, Ванесса; Ван Стендам, Кэтлин; Ван Ньювербург, Филип; Тиллеман, Келли; Дефорс, Дитер (15 июня 2011 г.). «Модификация остатков цитруллина 2,3-бутандионом облегчает их обнаружение методом жидкостной хроматографии/масс-спектрометрии». Быстрая связь в масс-спектрометрии . 25 (11): 1536–1542 . Бибкод : 2011RCMS...25.1536D. дои : 10.1002/rcm.5015. ISSN  1097-0231. ПМИД  21594927.
  19. ^ Туттурен, Астрид Э.В.; Холм, Андерс; Флекенштейн, Буркхард (2013-11-01). «Специфическое биотинилирование и чувствительное обогащение цитруллинированных пептидов». Аналитическая и биоаналитическая химия . 405 (29): 9321– 9331. doi :10.1007/s00216-013-7376-1. ISSN  1618-2642. PMID  24081567.
  20. ^ Creese, Andrew J.; Grant, Melissa M.; Chapple, Iain LC; Cooper, Helen J. (2011-02-01). "Онлайн-жидкостная хроматография с нейтральной потерей-триггерным переносом электронов и диссоциацией-масс-спектрометрией для целевого анализа цитруллинированных пептидов". Anal. Methods . 3 (2): 259– 266. doi : 10.1039/c0ay00414f . ISSN  1759-9679. PMID  32938022.
  21. ^ Хао, Ганг; Ван, Данчен; Гу, Джейн; Шэнь, Цюйин; Гросс, Стивен С.; Ван, Яньмин (2009-04-01). "Нейтральная потеря изоциановой кислоты в спектрах CID пептидов: новый диагностический маркер для масс-спектрометрической идентификации цитруллинирования белков". Журнал Американского общества масс-спектрометрии . 20 (4): 723– 727. Bibcode : 2009JASMS..20..723H. doi : 10.1016/j.jasms.2008.12.012. ISSN  1044-0305. PMC 2786913. PMID 19200748  . 
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Цитруллинация&oldid=1253642258"