Furin

Wszechobecne konwertazy Furin, PC7 i SKI-1/S1P

Furin, wszechobecne białko błonowe, jest początkowo wytwarzane jako prekursor ∼104-kDa i szybko przekształcane w aktywną formę ∼98-kDa. To autokatalityczne rozszczepienie, zachodz±ce w ER, jest warunkiem wyj¶cia dojrzałych cz±steczek furiny z ER do TGN i na powierzchnię komórki. Wydaje się, że furyna i PC5/6 wykazuj± czę¶ciow± redundancję w zakresie selektywno¶ci rozszczepiania in vitro szeregu substratów oraz wrażliwo¶ci na pewne zmodyfikowane inhibitory serpiny, takie jak α1-PDX lub ich prosegmenty (ryc. 6). Różnorodne rodzaje konstytutywnie wydzielanych białek przetwarzanych przez furinopodobne konwertazy przedstawiono przykładowo w tabeli 1. W ośrodkowym układzie nerwowym furyna jest odpowiedzialna za przetwarzanie szeregu czynników wzrostu, w tym neurotrofin: pro-nerwowego czynnika wzrostu (NGF) i czynnika neurotroficznego pochodzenia mózgowego (BDNF), a także białek adhezji komórek neuronalnych i białek wskazujących, takich jak L1-CAM i semaforyny.

Inaktywacja genu furiny (Fur) u myszy jest letalna ze śmiercią występującą w dniu embrionalnym 10.5-11 (E10.5-E11) z powodu niewydolności hemodynamicznej i wad zamknięcia komory serca. Zmutowane zarodki nie wykształciły dużych naczyń krwionośnych, pomimo obecności prekursorów komórek śródbłonka. Wykazano, że transformujący czynnik wzrostu β1 jest wydajnie przetwarzany przez furynę, a inaktywacja jej genu powoduje fenotyp podobny do tego, jaki obserwuje się u zarodków pozbawionych furyny. Warunkowy nokaut w wątrobie, z delecją eksonu 2 zależną od ekspresji Cre z transgenu Mx1-cre, doprowadził do powstania zdolnych do życia myszy Furflox/flox Tg(Mx1-cre) z prawie zerowym fenotypem. Wykazało to pewną redundancję z innymi PC, ponieważ niektóre typowe substraty furynowe zostały rozszczepione w mniejszym stopniu.

Odmiennie od innych myszy PC null, wielokrotne badania na embrionach myszy PC7 null ujawniły brak widocznego nieprawidłowego fenotypu w warunkach spoczynkowych. Można to wytłumaczyć faktem, że ekspresja PC7 w dużym stopniu pokrywa się z ekspresją furiny. Wiele doniesień wskazuje, że PC7 i furyna przetwarzają te same substraty, takie jak PDGF-AA, PDGF-BB, czynnik wzrostu śródbłonka naczyniowego C i białko morfogeniczne kości. Alternatywnie, najbardziej konserwatywna konwertaza PC7 może być zaangażowana w przetwarzanie szeregu nieistotnych substratów. Jednak dokładna analiza PC7 KO u myszy ujawniła zaburzenia zachowania związane z nadmiarem dopaminy i częściową utratą aktywacji proBDNF do BDNF w amygdali i hipokampie. Obejmowały one utratę lęku i pamięci emocjonalnej, wspierając rolę in vivo dla PC7 w regulacji pewnych typów wydajności poznawczej, częściowo poprzez przetwarzanie pro-BDNF. Ludzkie GWAS i badania biochemiczne ujawniły, że PC7 jest sheddazą receptora transferyny związanego z błoną do rozpuszczalnej formy krążącej, podkreślając rolę PC7 w metabolizmie żelaza.

SKI-1/S1P jest kluczowym enzymem w regulacji metabolizmu lipidów i homeostazy cholesterolu, który rozszczepia czynniki transkrypcyjne sterol regulatory element binding proteins (SREBP-1 i SREBP-2). Te ostatnie są syntetyzowane jako prekursory posiadające dwie domeny transbłonowe rozdzielone krótką pętlą luminalną ER i zawierające N- i C-końcowe domeny cytozolowe. Prekursory te są rozszczepiane w sposób zależny od białka aktywującego rozszczepianie SREBP (SCAP) i genu indukowanego insuliną (Insig). Gdy poziom cholesterolu w komórce jest wysoki, regulowane insuliną białka Insig-1 i/lub Insig-2 wiążą i zatrzymują kompleks SCAP-SREBP w ER. Gdy komórki pozbawione są steroli, Insigs oddzielają się, umożliwiając trans-port kompleksu SREBP-SCAP do aparatu Golgiego. Tam następuje dwuetapowy proces proteolityczny rozpoczynający się od SKI-1/S1P przy sekwencji R-X-V-L↓ (ryc. 2), a następnie proteazy miejsca 2. 2), a następnie proteaza miejsca 2 (S2P) uwalnia cytozolowe N-końcowe segmenty SREBP z błon komórkowych, umożliwiając ich translokację do jądra (nSREBP), gdzie aktywują transkrypcję ponad 35 mRNA kodujących białka/enzymy niezbędne do biosyntezy i wychwytu cholesterolu oraz nienasyconych kwasów tłuszczowych, a także receptor lipoprotein o małej gęstości (LDLR).

Podobnie jak SREBPs, zakotwiczony w ER błonowy czynnik transkrypcyjny typu II ATF6 odgrywa główną rolę w odpowiedzi na rozpad białek. W normalnych warunkach jest on utrzymywany w ER przez chaperon BIP, z jego N-końcową domeną wiążącą DNA skierowaną w stronę cytozolu i jego terminusem COOH w świetle ER. Nagromadzenie nieprawidłowo sfałdowanych białek w ER, które może być wywołane przez niedobór wapnia (tapsigargina) lub zahamowanie N-glikozylacji (tunicamycyna), prowadzi do reakcji stresowej ER, w wyniku której BIP odłącza się od proATF6. Ta ostatnia jest następnie translokowana w sposób niezależny od SCAP do Golgiego, gdzie jest najpierw rozszczepiana przez SKI-1, a następnie przez S2P. To uwalnia cytozolową N-końcową domenę, która dociera do jądra (nATF6), aby aktywować geny docelowe stresu ER.

Inne substraty typu II związane z błoną obejmują co najmniej sześć podstawowych leucynowych czynników transkrypcyjnych CREB-like. SKI-1/S1P SKI-1/S1P odgrywają również krytyczną funkcję w biogenezie lizosomów, poprzez zdolność do aktywacji podjednostki α/β prekursora fosfotransferazy GlcNAc-1, kompleksu krytycznego dla sortowania wielu hydrolaz do lizosomów. BDNF jest rozpuszczalnym substratem, a badania nad jego przetwarzaniem doprowadziły do sklonowania SKI-1. Wykazaliśmy również, że rozpuszczalna pro-somatostatyna jest rozszczepiana przez SKI-1 w celu uwolnienia N-końcowego peptydu antryny.

Niezbędne role odgrywane przez SKI-1/S1P są oczywiste z faktu, że delecja jego genu powoduje śmierć zarodka na najwcześniejszych etapach podziału komórkowego (tj. od stadium jednej do dwóch komórek), uniemożliwiając w ten sposób tworzenie blastocysty. Stosuj±c u myszy tkankowo-specyficzny nokaut w w±trobie, obniżono poziom kr±ż±cego cholesterolu całkowitego o 50%, co podkre¶la jego krytyczn± kontrolę nad syntez± i wychwytem cholesterolu. Wyciszenie ekspresji SKI-1/S1P, specyficznie w chondrocytach (3.6 Col1-Cre), skutkowało ciężkim paraliżem kończyn dolnych, kędzierzawym skróceniem ogona i dodatkowymi kręgami lędźwiowymi. Z kolei, gdy SKI-1/S1P został wyciszony w osteocytach, ujawnił się krzyżowy szlak między kośćmi i mięśniami, ponieważ spowodowało to stymulację regeneracji mięśnia podeszwowego oraz zwiększenie jego rozmiarów i siły skurczu wraz z wiekiem. Krytyczne znaczenie tego enzymu w centralnym układzie nerwowym stało się oczywiste po zbadaniu przetwarzania odpychaj±cej cz±steczki naprowadzaj±cej (RGMa) przez SKI-1/S1P i furynę, ujawniaj±c ich udział we wzro¶cie aksonalnym oraz to, że rozszczepienie RGMa jest niezbędne do hamowania wzrostu aksonów przez neogeninę. Nie stwierdzono polimorfizmu genu SKI-1/S1P (MBTPS1) i jak dotąd nie zidentyfikowano wariantu polimorficznego pojedynczego nukleotydu, który mógłby być genetycznie związany ze znaną patologią, co prawdopodobnie podkreśla konieczność wyeliminowania ponad 80% jego aktywności zanim pojawi się jakikolwiek fenotyp oraz letalność związaną z całkowitą utratą jego funkcji.

.