Furin

De allestedsnærværende konverteringer Furin, PC7 og SKI-1/S1P

Furin, et allestedsnærværende membranprotein, produceres oprindeligt som en ∼104-kDa-prækursor og omdannes hurtigt til en aktiv ∼98-kDa-form. Denne autokatalytiske spaltning, der finder sted i ER, er en forudsætning for, at modne furinmolekyler kan forlade ER’et til TGN og celleoverfladen. Furin og PC5/6 synes at udvise delvis redundans i deres in vitro-spaltningsselektivitet for en række substrater og følsomhed over for visse modificerede serpininhibitorer, såsom α1-PDX eller deres prosegmenter (fig. 6). De forskellige typer af konstitutivt sekretionerede proteiner, der behandles af furin-lignende convertaser, er illustreret i tabel 1. I centralnervesystemet er furin ansvarlig for behandlingen af en række vækstfaktorer, herunder neurotrofinerne pro-nervevækstfaktor (NGF) og hjerneafledt neurotrofisk faktor (BDNF) samt neurale celleadhæsions- og cueingproteiner såsom L1-CAM og semaphoriner.

Inaktivering af furin-genet (Fur) hos mus er dødelig med død på embryonaldag 10,5-11 (E10,5-E11) på grund af hæmodynamisk insufficiens og defekter i hjertets ventrale lukning. Mutantembryoer udviklede ikke store kar på trods af tilstedeværelsen af endothelcelleforstadier. Transforming growth factor β1 har vist sig at blive effektivt behandlet af furin, og inaktivering af dets gen giver en fænotype, der ligner den, som furin-nul embryoner har. En betinget knockout i lever, med deletion af exon 2 afhængig af Cre-ekspression fra Mx1-cre-transgenet, resulterede i levedygtige Furflox/flox Tg(Mx1-cre)-mus med næsten ingen fænotype. Dette viste en vis redundans i forhold til andre PC’er, da nogle typiske furin-substrater blev spaltet i mindre grad.

Afvigende fra de andre PC-nullemus viste flere undersøgelser af PC7-nullemusembryoner ingen tilsyneladende unormal fænotype under hvileforhold. Dette kan forklares ved, at PC7-ekspressionen i vid udstrækning overlapper med furin-ekspressionen. Mange rapporter viser, at PC7 og furin behandler de samme substrater, såsom PDGF-AA, PDGF-BB, vaskulær endothelial vækstfaktor C og knoglemorfogent protein. Alternativt kan den mest bevarede convertase PC7 være involveret i behandlingen af et panel af ikke-essentielle substrater. En omhyggelig analyse af PC7 KO i mus afslørede imidlertid adfærdsmæssige abnormiteter relateret til overskud af dopamin og et delvist tab af proBDNF-aktivering til BDNF i amygdala og hippocampus. Disse omfattede tab af angst og følelsesmæssig hukommelse, hvilket understøtter en in vivo rolle for PC7 i reguleringen af visse typer kognitiv præstation, delvist via pro-BDNF-behandling. Human GWAS og biokemiske undersøgelser viste, at PC7 er en sheddase af den membranbundne transferrinreceptor til en opløselig cirkulerende form, hvilket understreger PC7’s rolle i jernmetabolismen.

SKI-1/S1P er et nøgleenzym i reguleringen af lipidmetabolisme og kolesterolhomeostase, der spalter transkriptionsfaktorerne sterolregulerende elementbindingsproteiner (SREBP-1 og SREBP-2). Sidstnævnte syntetiseres som forløbere, der indeholder to trans-membran-domæner, der er adskilt af en kort lominal loop i ER, og som omfatter N- og C-terminale cytosoliske domæner. Disse forstadier spaltes på en SREBP-spaltningsaktiverende protein (SCAP) og insulininduceret gen (Insig)-afhængig måde. Når det cellulære kolesterolniveau er højt, binder de insulinregulerede proteiner Insig-1 og/eller Insig-2 SCAP-SREBP-komplekset og fastholder det i ER’et. Når cellerne fratages steroler, adskilles Insig’erne og tillader trans-port af SREBP-SCAP-komplekset til Golgi-apparatet. Her starter en proteolytisk proces i to trin med SKI-1/S1P ved sekvensen R-X-V-L↓ (Fig. 2) og derefter site 2 protease (S2P) frigør de cytosoliske N-terminale segmenter af SREBP’er fra cellemembraner, hvilket muliggør deres translokation til kernen (nSREBP), hvor de aktiverer transkription af mere end 35 mRNA’er, der koder for de proteiner/enzymer, der er nødvendige for biosyntesen og optagelsen af kolesterol og umættede fedtsyrer, samt low-density lipoproteinreceptoren (LDLR).

I lighed med SREBPs spiller den ER-forankrede type II-membranbundne transkriptionsfaktor ATF6 en vigtig rolle i den ufoldede proteinrespons. Under normale forhold holdes den i ER af chaperonen BIP, idet dens N-terminale DNA-bindingsdomæne vender ud mod cytosolen og dens COOH-terminus i ER-lumenet. Ophobning af ukorrekt foldede proteiner i ER, som kan induceres af calciumdepletering (thapsigargin) eller hæmning af N-glykosylering (tunicamycin), fører til et ER-stressrespons, der resulterer i dissociation af BIP fra proATF6. Sidstnævnte translokaliseres derefter på en SCAP-uafhængig måde til Golgi, hvor det først spaltes af SKI-1 og derefter af S2P. Dette frigør det cytosoliske N-terminale domæne, som når frem til kernen (nATF6) for at aktivere ER-stress-målgener.

Andre type II-membranbundne substrater omfatter mindst seks CREB-lignende basale leucin-zipper-transskriptionsfaktorer af typen CREB. SKI-1/S1P SKI-1/S1P spiller også en kritisk funktion i lysosomernes biogenese via sin evne til at aktivere α/β-underenhedsforløberen af GlcNAc-1-fosfototransferase, et kompleks, der er kritisk for sortering af mange hydrolaser til lysosomer. BDNF er et opløseligt substrat, og undersøgelsen af dets behandling førte til den første kloning af SKI-1. Vi viste også, at det opløselige pro-somatostatin spaltes af SKI-1 for at frigive det N-terminale peptid antrin.

De væsentlige roller, som SKI-1/S1P spiller, fremgår af det faktum, at deletion af dets gen resulterer i embryonal død på de tidligste stadier af celledelingen (dvs. fra en- til tocellestadiet), hvilket forhindrer blastocystdannelse. Ved hjælp af vævsspecifikke knockout-mus i leveren blev niveauet af cirkulerende totalkolesterol nedsat med 50 %, hvilket understreger den kritiske kontrol med kolesterolsyntese og -optagelse. Udsættelse af SKI-1/S1P-ekspression, specifikt i chondrocytter (3.6 Col1-Cre), resulterede i alvorlig lammelse af underbenene, en krøllet forkortet hale og ekstra lændehvirvler. I modsætning hertil blev et cross-talk mellem knogle og muskel opklaret, da SKI-1/S1P blev sløret i osteocytter, da dette resulterede i stimulering af regeneration af soleus-musklen og øget størrelse og kontraktile muskelkraft med alderen. Den kritiske betydning af dette enzym i centralnervesystemet blev tydelig ved en undersøgelse af SKI-1/S1P’s og furins behandling af det repulsive styringsmolekyle (RGMa), der afslørede deres involvering i axonal vækst, og at RGMa-spaltning er afgørende for neogenin-medieret udvæksthæmning. SKI-1/S1P-genet (MBTPS1) har ikke vist sig at være polymorft, og indtil videre er der ikke blevet identificeret nogen enkelt nukleotid-polymorfe variation, som kunne være genetisk forbundet med en kendt patologi, hvilket sandsynligvis understreger behovet for at eliminere mere end 80 % af dets aktivitet, før der ses nogen fænotype, og den letalitet, der er forbundet med dets fuldstændige tab af funktion.