Furin

The Ubiquitous Convertases Furin, PC7 and SKI-1/S1P

Furin, una proteina di membrana ubiquitaria, è inizialmente prodotta come precursore ∼104-kDa ed è rapidamente convertita in una forma attiva ∼98-kDa. Questa scissione autocatalitica, che avviene nell’ER, è un prerequisito per l’uscita delle molecole mature di furina dall’ER al TGN e alla superficie cellulare. Furina e PC5/6 sembrano esibire una parziale ridondanza della loro selettività di scissione in vitro di un certo numero di substrati e la sensibilità a certi inibitori modificati della serpina, come α1-PDX o i loro prosegmenti (Fig. 6). I vari tipi di proteine costitutivamente secrete processate dalle furin-like convertasi sono esemplificati nella tabella 1. Nel sistema nervoso centrale, la furina è responsabile dell’elaborazione di una serie di fattori di crescita, tra cui le neurotrofine pro-nerve growth factor (NGF) e brain derived neurotrophic factor (BDNF), così come le proteine di adesione e cueing delle cellule neurali come L1-CAM e le metaforine.

L’inattivazione del gene della furina (Fur) nei topi è letale con la morte che si verifica al giorno embrionale 10.5-11 (E10.5-E11) a causa di insufficienza emodinamica e difetti di chiusura ventrale cardiaca. Gli embrioni mutanti non sono riusciti a sviluppare grandi vasi nonostante la presenza di precursori delle cellule endoteliali. Il fattore di crescita trasformante β1 ha dimostrato di essere efficacemente elaborato dalla furina, e l’inattivazione del suo gene produce un fenotipo simile a quello degli embrioni nulli di furina. Un knockout condizionale nel fegato, con delezione dell’esone 2 dipendente dall’espressione Cre dal transgene Mx1-cre, ha prodotto topi Furflox/flox Tg(Mx1-cre) vitali con fenotipo quasi nullo. Questo ha mostrato una certa ridondanza con altre PC poiché alcuni substrati tipici della furina sono stati scissi in misura minore.

Diversamente dagli altri topi PC null, studi multipli sugli embrioni di topi PC7 null non hanno rivelato alcun fenotipo anomalo apparente in condizioni di riposo. Questo può essere spiegato dal fatto che l’espressione della PC7 si sovrappone ampiamente a quella della furina. Molti rapporti mostrano che PC7 e furina elaborano gli stessi substrati, come PDGF-AA, PDGF-BB, fattore di crescita endoteliale vascolare C e proteina morfogenica ossea. In alternativa, la convertasi più conservata PC7 può essere coinvolta nell’elaborazione di un pannello di substrati non essenziali. Tuttavia, un’attenta analisi della PC7 KO nei topi ha rivelato anomalie comportamentali legate all’eccesso di dopamina e alla perdita parziale dell’attivazione del proBDNF a BDNF nell’amigdala e nell’ippocampo. Questi includevano la perdita di ansia e memoria emotiva, sostenendo un ruolo in vivo per PC7 nella regolazione di alcuni tipi di prestazioni cognitive, in parte attraverso l’elaborazione pro-BDNF. GWAS umano e studi biochimici hanno rivelato che PC7 è un sheddase del recettore della transferrina legato alla membrana in una forma circolante solubile, sottolineando il ruolo di PC7 nel metabolismo del ferro.

SKI-1/S1P è un enzima chiave nella regolazione del metabolismo lipidico e omeostasi del colesterolo che scinde i fattori di trascrizione sterol regulatory element binding proteins (SREBP-1 e SREBP-2). Queste ultime sono sintetizzate come precursori che ospitano due domini trans-membrana separati da un breve ciclo ER luminale e comprendono domini citosolici N e C-terminali. Questi precursori sono scissi in un modo dipendente dalla proteina SREBP cleavage-activating (SCAP) e dal gene indotto dall’insulina (Insig). Quando i livelli di colesterolo cellulare sono alti, le proteine Insig-1 e/o Insig-2 regolate dall’insulina si legano e trattengono il complesso SCAP-SREBP nell’ER. Quando le cellule sono private di steroli, Insigs si separa, permettendo il trasporto del complesso SREBP-SCAP all’apparato di Golgi. Lì, un processo proteolitico in due fasi che inizia con SKI-1/S1P alla sequenza R-X-V-L↓ (Fig. 2) e poi sito 2 proteasi (S2P) rilascia i segmenti citosolici N-terminali delle SREBP dalle membrane cellulari, permettendo la loro traslocazione nel nucleo (nSREBP), dove attivano la trascrizione di più di 35 mRNA che codificano per le proteine/enzimi necessari per la biosintesi e l’assorbimento del colesterolo e acidi grassi insaturi, così come il recettore delle lipoproteine a bassa densità (LDLR).

Similmente alle SREBP, il fattore di trascrizione ATF6, ancorato all’ER e legato alla membrana, gioca un ruolo importante nella risposta alle proteine non condizionate. In condizioni normali, è tenuto nell’ER dal chaperone BIP, con il suo dominio N-terminale di legame al DNA rivolto verso il citosol e il suo terminale COOH nel lume dell’ER. L’accumulo di proteine non correttamente ripiegate nell’ER, che può essere indotto dalla deplezione del calcio (tapsigargina) o dall’inibizione della N-glicosilazione (tunicamicina), porta a una risposta di stress dell’ER con conseguente dissociazione di BIP da proATF6. Quest’ultimo viene poi traslocato in modo indipendente da SCAP verso il Golgi, dove viene prima scisso da SKI-1 e poi da S2P. Questo rilascia il dominio citosolico N-terminale, che raggiunge il nucleo (nATF6) per attivare i geni target dello stress ER.

Altri substrati di tipo II legati alla membrana includono almeno sei fattori di trascrizione CREB-like basic leucine zipper. SKI-1/S1P SKI-1/S1P svolgono anche una funzione critica nella biogenesi dei lisosomi, attraverso la sua capacità di attivare la subunità α/β precursore della GlcNAc-1-fosfotransferasi, un complesso critico per lo smistamento di molte idrolasi nei lisosomi. BDNF è un substrato solubile e lo studio della sua elaborazione ha portato alla clonazione iniziale di SKI-1. Abbiamo anche dimostrato che la pro-somatostatina solubile viene scissa da SKI-1 per rilasciare il peptide N-terminale antrin.

I ruoli essenziali svolti da SKI-1/S1P sono evidenti dal fatto che la delezione del suo gene provoca la morte embrionale nelle prime fasi della divisione cellulare (cioè, dallo stadio di una a due cellule), impedendo così la formazione di blastocisti. Usando topi knockout specifici del tessuto nel fegato, il livello di colesterolo totale circolante è stato diminuito del 50%, sottolineando il suo controllo critico della sintesi e dell’assorbimento del colesterolo. Il silenziamento dell’espressione di SKI-1/S1P, specificamente nei condrociti (3.6 Col1-Cre), ha provocato una grave paralisi degli arti inferiori, una coda accorciata e vertebre lombari in più. Al contrario, un cross-talk tra osso e muscolo è stato svelato quando SKI-1/S1P è stato messo a tacere negli osteociti, poiché questo ha portato alla stimolazione della rigenerazione del muscolo soleo e all’aumento delle dimensioni e della forza muscolare contrattile con l’età. L’importanza critica di questo enzima nel sistema nervoso centrale è diventata evidente da uno studio dell’elaborazione della molecola di guida repulsiva (RGMa) da parte di SKI-1/S1P e furina, rivelando il loro coinvolgimento nella crescita assonale, e che la scissione di RGMa è essenziale per l’inibizione della crescita mediata da neogenina. Il gene SKI-1/S1P (MBTPS1) non è stato trovato polimorfo e finora non è stata identificata alcuna variazione polimorfica a singolo nucleotide che possa essere geneticamente associata a una patologia nota, sottolineando probabilmente la necessità di eliminare più dell’80% della sua attività prima di vedere qualsiasi fenotipo, e la letalità associata alla sua completa perdita di funzione.