Furin

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

Furin, een ubiquitair membraaneiwit, wordt aanvankelijk geproduceerd als een ∼104-kDa precursor en wordt snel omgezet in een actieve ∼98-kDa vorm. Deze autokatalytische splitsing, die in het ER plaatsvindt, is een voorwaarde voor de uitstroom van rijpe furinemoleculen uit het ER naar de TGN en het celoppervlak. Furine en PC5/6 lijken een gedeeltelijke redundantie te vertonen van hun in vitro splitsingsselectiviteit van een aantal substraten en gevoeligheid voor bepaalde gemodificeerde serpinremmers, zoals α1-PDX of hun prosegementen (Fig. 6). De verschillende soorten constitutief gesecreteerde eiwitten die door de furineachtige convertasen worden verwerkt, staan vermeld in tabel 1. In het centrale zenuwstelsel is furine verantwoordelijk voor de verwerking van een aantal groeifactoren, waaronder de neurotrofines pro-nerve growth factor (NGF) en brain derived neurotrophic factor (BDNF), alsmede neurale celadhesie- en cueing-eiwitten zoals L1-CAM en semaforines.

Inactivatie van het furin-gen (Fur) in muizen is dodelijk, waarbij de dood optreedt op embryonale dag 10,5-11 (E10,5-E11) als gevolg van hemodynamische insufficiëntie en ventrale sluiting van het hart defecten. Mutant embryo’s ontwikkelen geen grote vaten ondanks de aanwezigheid van endotheelcel precursors. Aangetoond is dat transformerende groeifactor β1 efficiënt door furine wordt verwerkt en inactivering van zijn gen leidt tot een fenotype dat vergelijkbaar is met dat van embryo’s zonder furine. Een conditionele knock-out in de lever, waarbij de deletie van exon 2 afhankelijk is van de Cre expressie van het Mx1-cre transgen, resulteerde in levensvatbare Furflox/flox Tg(Mx1-cre) muizen met bijna geen fenotype. Dit toonde enige redundantie met andere PC’s omdat sommige typische furinesubstraten in mindere mate werden gekliefd.

In tegenstelling tot de andere PC-nul muizen toonden meervoudige studies op PC7-nul muizenembryo’s geen duidelijk abnormaal fenotype onder rustende omstandigheden. Dit kan worden verklaard door het feit dat de expressie van PC7 sterk overlapt met die van furin. Uit vele rapporten blijkt dat PC7 en furine dezelfde substraten verwerken, zoals PDGF-AA, PDGF-BB, vasculaire endotheliale groeifactor C, en been morfogeen eiwit. Een andere mogelijkheid is dat het meest geconserveerde convertase PC7 betrokken is bij de verwerking van een panel van niet-essentiële substraten. Zorgvuldige analyse van PC7 KO in muizen onthulde echter gedragsafwijkingen gerelateerd aan een teveel aan dopamine en gedeeltelijk verlies van proBDNF activering tot BDNF in de amygdala en hippocampus. Dit omvatte verlies van angst en emotioneel geheugen, wat een in vivo rol voor PC7 in de regulatie van bepaalde types van cognitieve prestaties ondersteunt, gedeeltelijk via pro-BDNF verwerking. Menselijke GWAS en biochemische studies toonden aan dat PC7 de membraangebonden transferrine receptor omzet in een oplosbare circulerende vorm, wat de rol van PC7 in het ijzermetabolisme benadrukt.

SKI-1/S1P is een sleutelenzym in de regulatie van het lipidemetabolisme en de cholesterolhomeostase dat de transcriptiefactoren sterol regulatory element binding proteins (SREBP-1 en SREBP-2) splitst. Deze laatste worden gesynthetiseerd als precursors met twee trans-membraandomeinen, gescheiden door een korte lus in het ER-lumen en met N- en C-terminale cytosolische domeinen. Deze precursors worden gesplitst op een SREBP cleavage-activating protein (SCAP) en insuline-geïnduceerd gen (Insig) -afhankelijke wijze. Wanneer het cholesterolgehalte in de cel hoog is, binden de door insuline gereguleerde eiwitten Insig-1 en/of Insig-2 het SCAP-SREBP-complex in de ER en houden dit vast. Wanneer cellen verstoken zijn van sterolen, scheiden de Insigs zich af, waardoor het SREBP-SCAP complex naar het Golgi-apparaat kan worden getransporteerd. Daar vindt een proteolytisch proces in twee stappen plaats, beginnend met SKI-1/S1P op de sequentie R-X-V-L↓ (Fig. 2) en vervolgens site 2 protease (S2P) de cytosolische N-terminale segmenten van SREBP’s vrij van celmembranen, waardoor hun translocatie naar de kern (nSREBP) mogelijk wordt, waar zij de transcriptie activeren van meer dan 35 mRNA’s die coderen voor de proteïnen/enzymen die nodig zijn voor de biosynthese en opname van cholesterol en onverzadigde vetzuren, alsmede voor de lagedichtheid-lipoproteïnereceptor (LDLR).

Gelijk aan SREBP’s speelt de ER-verankerde membraangebonden type II transcriptiefactor ATF6 een belangrijke rol in de respons op ongevouwen eiwitten. Onder normale omstandigheden wordt ATF6 in het ER vastgehouden door het chaperon BIP, met zijn N-terminale DNA-bindende domein naar het cytosol gericht en zijn COOH terminus in het ER lumen. Ophoping van verkeerd gevouwen eiwitten in het ER, die kan worden geïnduceerd door calciumdepletie (thapsigargin) of remming van N-glycosylering (tunicamycine), leidt tot een ER-stressrespons die resulteert in dissociatie van BIP en proATF6. Dit laatste wordt vervolgens op een SCAP-onafhankelijke manier getranslokeerd naar de Golgi, waar het eerst wordt gesplitst door SKI-1 en vervolgens door S2P. Hierdoor komt het cytosolische N-terminale domein vrij, dat de celkern bereikt (nATF6) om ER-stress doelgenen te activeren.

Andere membraangebonden substraten van type II omvatten ten minste zes CREB-achtige basale leucine-rits transcriptiefactoren. SKI-1/S1P SKI-1/S1P spelen ook een cruciale functie bij de biogenese van lysosomen, via zijn vermogen om de α/β-subeenheid precursor van het GlcNAc-1-fosfotransferase te activeren, een complex dat van cruciaal belang is voor het sorteren van veel hydrolasen naar lysosomen. BDNF is een oplosbaar substraat en de studie van de verwerking ervan leidde tot de eerste klonering van SKI-1. We toonden ook aan dat het oplosbare pro-somatostatine wordt gesplitst door SKI-1 om het N-terminale peptide antrin vrij te maken.

De essentiële rol van SKI-1/S1P blijkt uit het feit dat deletie van zijn gen resulteert in embryonale dood in de vroegste stadia van celdeling (d.w.z. van het één- tot tweecellig stadium), waardoor blastocyst-vorming wordt voorkomen. Met behulp van weefselspecifieke knock-out-muizen in de lever werd het niveau van het circulerende totale cholesterol met 50% verlaagd, wat de kritische controle van de cholesterolsynthese en -opname benadrukt. Het uitschakelen van SKI-1/S1P expressie, specifiek in chondrocyten (3.6 Col1-Cre), resulteerde in ernstige verlamming van de onderste ledematen, een gekrulde verkorte staart en extra lumbale wervels. Daarentegen werd een cross-talk tussen bot en spier ontrafeld wanneer SKI-1/S1P werd uitgeschakeld in osteocyten, aangezien dit resulteerde in de stimulatie van regeneratie van de soleusspier en een toename van de grootte en de contractiele spierkracht met de leeftijd. Het cruciale belang van dit enzym in het centrale zenuwstelsel werd duidelijk uit een studie van de verwerking van de afstotende geleidingsmolecule (RGMa) door SKI-1/S1P en furine, waarbij hun betrokkenheid bij axonale groei werd onthuld, en dat RGMa splitsing essentieel is voor neogenine-gemedieerde uitgroeiremming. Het SKI-1/S1P-gen (MBTPS1) is niet polymorf gebleken en tot nu toe is er geen enkele nucleotide polymorfe variatie geïdentificeerd die genetisch geassocieerd zou kunnen worden met een bekende pathologie, wat waarschijnlijk de noodzaak benadrukt om meer dan 80% van de activiteit te elimineren voordat een fenotype wordt waargenomen, en letaliteit geassocieerd met het volledig verlies van de functie.