Mannose 6 -phosphatreceptor - Mannose 6-phosphate receptor

De mannose 6-phosphat-receptorer ( MPR ) er transmembrane glycoproteiner , at target enzymer til lysosomer i hvirveldyr .

Mannose 6-phosphatreceptorer binder nysyntetiserede lysosomale hydrolaser i trans-Golgi-netværket (TGN) og leverer dem til præ-lysosomale rum. Der er to forskellige MPR'er, en på ~ 300kDa og en mindre, dimer receptor på ~ 46kDa. Den større receptor er kendt som den kationuafhængige mannose 6-phosphatreceptor ( CI-MPR ), mens den mindre receptor ( CD-MPR ) kræver toværdige kationer for effektivt at genkende lysosomale hydrolaser. Selv om divalente kationer ikke er afgørende for ligandbinding af den humane CD-MPR, er nomenklaturen bibeholdt.

Begge disse receptorer binder terminal mannose 6-phosphat med lignende affinitet (CI-MPR = 7 μM, CD-MPR = 8 μM) og har lignende signaler i deres cytoplasmatiske domæner for intracellulær handel.

Historie

Elizabeth Neufeld studerede patienter, der havde flere inklusionslegemer til stede i deres celler . På grund af den store mængde inklusionslegemer navngav hun denne tilstand I-cellesygdom . Disse inklusionslegemer repræsenterede lysosomer, der var fyldt med ufordøjeligt materiale. Først troede Neufeld, at disse patienter må have mangel på lysosomale enzymer . . Yderligere undersøgelser viste, at alle de lysosomale enzymer blev fremstillet, men de blev rettet forkert . I stedet for at blive sendt til lysosomet , blev de udskilt. Desuden viste det sig, at disse fejlmålrettede enzymer ikke blev phosphoryleret . Derfor foreslog Neufeld, at I-cellesygdom var forårsaget af en mangel på de enzymer, der tilføjer et specifikt mannose 6-phosphat-mærke til lysosomale enzymer, så de kan målrettes til lysosomet .

Undersøgelser af I-cellesygdom førte til opdagelsen af ​​de receptorer, der binder til dette specifikke mærke. For det første blev CI-MPR opdaget og isoleret ved anvendelse af affinitetskromatografi . Forskere opdagede imidlertid, at nogle af de lysosomale enzymer stadig nåede lysosomet i fravær af CI-MPR. Dette førte til identifikationen af en anden mannose-6-phosphat-bindende receptor , CD-MPR, som binder sin ligand i nærvær af en divalent kation såsom Mn ²⁺ .

De gener for hver receptor er blevet klonet og karakteriseret. Det menes, at de har udviklet sig fra det samme forfædre gen, da der er bevarelse i nogle af deres intron / exon grænser, og der er en homologi i deres bindende domæner .

Fungere

MPR'ernes hovedfunktion er at målrette lysosomale enzymer til lysosomet .

Målretningsmekanisme

Lysosomale enzymer syntetiseres i det ru endoplasmatiske retikulum sammen med en række andre sekretoriske proteiner . Et specifikt genkendelsesmærke har udviklet sig for at forhindre, at disse skadelige lysosomale enzymer udskilles og for at sikre, at de er målrettet lysosomet. Dette mærke er en mannose-6-phosphatrest.

Når det lysosomale enzym er blevet translokeret til det ru endoplasmatiske retikulum, overføres et oligosaccharid bestående af Glc ₃ Man ₉ GlcNAc ₂ en blok til proteinet. Den oligosaccharid til stede på lysosomale enzymer forarbejdes på samme måde som andre sekretoriske proteiner, mens det translokeres fra endoplasmatiske reticulum til cis -Golgi .

Et billede, der viser den overordnede struktur for CI-MPR og CD-MPR. Dette billede er blevet tilpasset fra en 'Introduktion til glykobiologi'

I Trans -Golgi tilføjer en GlcNAc phosphotransferase ( EC 2.7.8.17 ) en GlcNAc -1 -phosphatrest til 6 -hydroxylgruppen af ​​en specifik mannoserest i oligosaccharidet . Dette danner en phosphodiester : Man-phosphat-GlcNAc. Når phosphodiesteren er blevet dannet, vil det lysosomale enzym blive translokeret gennem Golgi -apparatet til trans -Golgi . I trans- Golgi vil en phosphodiesterase ( EC 3.1.4.45 ) fjerne GlcNAc- resten, der udsætter mannose-6-phosphat-mærket, hvilket gør det muligt for de lysosomale enzymer at binde til CI-MPR og CD-MPR. MPR-lysosomalt enzymkompleks translokeres til et præ-lysosomalt rum, kendt som et endosom , i en COPII-belagt vesikel . Denne målretning væk fra sekretorisk vej opnås ved tilstedeværelsen af ​​et specifikt sorteringssignal, et surt klynge/dileucin -motiv, i de cytoplasmatiske haler af MPR'erne. Begge MPR'er binder deres ligander mest effektivt ved pH 6-7; hvilket gør det muligt for receptorerne at binde sig til de lysosomale enzymer i trans -Golgi og frigive dem i det forsurede miljø i endosomet . Når enzymet har dissocieret sig fra mannose 6-phosphatreceptoren, translokeres det fra endosomet til lysosomet, hvor phosphatmærket fjernes fra enzymet .

MPR findes ikke i lysosomerne ; de cykler hovedsageligt mellem trans -Golgi -netværket og endosomer . CI-MPR er også til stede på celleoverfladen . Omkring 10-20% af CI-MPR findes på cellemembranen. Dets funktion her er at fange alle mannose-6-fosfatmærkede enzymer, der ved et uheld er kommet ind i sekretorisk vej. Når den først binder sig til et lysosomalt enzym, bliver receptoren hurtigt internaliseret. Internalisering medieres af et sorteringssignal i dens cytoplasmatiske hale - et YSKV -motiv. Dette sikrer, at alle skadelige lysosomale enzymer målrettes lysosomet .

Knockout -musundersøgelser

CI-MPR

Mus, der mangler CI-MPR, dør på dag 15 af drægtigheden på grund af hjertehyperplasi . Musene lider af unormal vækst, fordi de ikke er i stand til at regulere niveauerne af frit IGF-II (insulinlignende vækstfaktor type II). Musenes død kan forhindres, hvis IGF-II- allelen også slås ud . Yderligere analyse af embryonerne viste også, at de viser defekter i målretning af lysosomale enzymer, da de har et øget niveau af phosphorylerede lysosomale enzymer i deres fostervand . Ca. 70% af lysosomale enzymer udskilles i fravær af CI-MPR-dette tyder på, at CD-MPR ikke er i stand til at kompensere for sit tab.

CD-MPR

Når CD-MPR er slået ud i mus, virker de sunde bortset fra det faktum, at de har defekter i målretning af flere lysosomale enzymer . Disse mus viser forhøjede niveauer af phosphorylerede lysosomale enzymer i deres blod, og de akkumulerer ufordøjet materiale i deres lysosomer .

Af disse knockout -mus kan det udledes, at begge receptorer er nødvendige for effektiv målretning af lysosomale enzymer . De lysosomale enzymer , der udskilles af de to forskellige knockout -cellelinjer, danner to forskellige sæt. Dette tyder på, at hver MPR fortrinsvis interagerer med en delmængde af lysosomale enzymer .

Struktur

CI-MPR og CD-MPR er strukturelt adskilte receptorer, men de deler en overordnet generel struktur, da de begge er type I integrerede membranproteiner . Begge receptorer har et stort N-terminal ekstracytoplasmatisk domæne, et transmembrandomæne og en kort C-terminal cytoplasmatisk hale. Disse cytoplasmatiske haler indeholder flere sorteringssignaler; hvoraf nogle kan enten phosphoryleres eller palmitoyleres .

De første 3 N-terminale domæner (domæner 1, 2 og 3) i den kationuafhængige mannose 6-phosphatreceptor med dens ligand bundet. Billede genereret fra PDB -fil: = 1SZ0 1SZ0 ved hjælp af PyMol.

CI-MPR : CI-MPR er ~ 300 kDa. Det N-terminale ekstracytoplasmiske domæne indeholder 15 sammenhængende P-type kulhydratgenkendelsesdomæner. De omtales som MRH (mannose 6-phosphatreceptorhomologi) domæner. Domænerne er homologe, fordi de har:

• En lignende størrelse - hver har omkring 150 aminosyrerester rester
• Konserverede aminosyrerester - mellem 14 og 38% sekvensidentitet
• Bevaret placering af 6 specifikke cysteinrester, der er involveret i dannelse af disulfidbindinger

Strukturen af ​​7 ud af de 15 domæner er blevet bestemt ved hjælp af røntgenkrystallografi , og de ser ud til at dele en lignende fold . CI-MPR eksisterer hovedsageligt som en dimer i membranen . Domæner 3, 5 og 9 har vist sig at binde til mannose 6-phosphat. Domæner 3 og 9 kan binde til mannose 6-phosphat med høj affinitet . Domæne 5 binder kun Man-6-phosphat med en svag affinitet . Dog har domæne 5 også vist sig at binde til phosphodiesteren, Man-phosphat-GlcNAc. Dette er en sikkerhedsmekanisme for cellen - det betyder, at den er i stand til at binde sig til lysosomale enzymer, der er undsluppet virkningen af ​​enzymet, der fjerner GlcNAc -resten. Ved at kombinere disse 3 domæner kan CI-MPR bindes til en lang række phosphorylerede glycanstrukturer . Domæne 11 binder til IGF-II .

CD-MPR : CD-MPR er meget mindre end CI-MPR-den er kun ~ 46 kDa. Dets N-terminale ekstracytoplasmiske domæne indeholder kun 1 P-type kulhydratgenkendelsesdomæne. CD-MPR findes hovedsageligt som en dimer i membranen . Imidlertid menes monomere og tetrameriske former også at eksistere. Ligevægten mellem disse forskellige oligomerer påvirkes af pH , temperatur og tilstedeværelse af mannose 6-phosphatrester. Hver monomer danner en 9-strenget ß-tønde, som kan binde til en enkelt mannose 6-phosphatrest.

Den kationafhængige mannose 6-phosphatreceptor med dens ligand bundet. Den lilla kugle repræsenterer kationen, Mn ²⁺ . Billede genereret fra PDB -fil: = 1C39 1C39 ved hjælp af PyMol.

Mannose 6-phosphatbinding

CI-MPR og CD-MPR binder mannose 6-phosphat på en lignende måde. Begge danner et sæt af hydrogenbindinger mellem de vigtigste rester og karakteristiske hydroxylgrupper grupper på mannose rest. Hydrogenbindinger til hydroxylgrupper i position 2, 3 og 4 gør stedet specifikt for mannose alene.

Begge MPR'er deler 4 rester, der er afgørende for ligandbinding . Mutation af en hvilken som helst af disse rester resulterer i tab af mannose 6-phosphatbinding. Disse rester er glutamin , arginin , glutaminsyre og tyrosin og er ansvarlige for dannelsen af hydrogenbindinger, der kommer i kontakt med specifikke hydroxylgrupper i mannoseresten .

En lang række N-glycanstrukturer kan være til stede på lysosomale enzymer. Disse glykaner kan variere i:

• Type - hybrid eller høj mannose strukturer
• Størrelse
• Tilstedeværelse af phosphomonoester (mannose 6-phosphat) eller phosphodiester (Man-phosphat-GlcNAc)
• Antal mannose-6-fosfatmærker
• Placering af mannose 6-phosphat-mærket

CI-MPR og CD-MPR er i stand til at binde til denne brede vifte af N-glycanstrukturer ved at have en anden bindingssted-arkitektur. MPR'erne binder også til phosphatgruppen på en lidt anden måde. Domæne 3 i CI -MPR bruger Ser -386 og et ordnet vandmolekyle til at binde til phosphatdelen . På den anden side anvender CD -MPR resterne Asp -103, Asn -104 og His -105 til at danne gunstige hydrogenbindinger til phosphatgruppen . CD-MPR indeholder også en divalent kation Mn ^2+, som danner gunstige hydrogenbindinger med phosphatdelen .

CI-MPR og kræft

Det er veletableret, at CI-MPR binder mannose-6-phosphat, men der er en voksende mængde beviser, der tyder på, at CI-MPR også binder sig til uglykosyleret IGF-II . Det menes, at når CI-MPR er til stede på celleoverfladen , vil domæne 11 binde til enhver IGF-II fri i den ekstracellulære matrix . Den receptoren herefter hurtigt internaliseres, sammen med IGF-II , gennem et YSKV motiv til stede i CI-MPR s cytoplasmatiske hale. IGF-II vil derefter blive målrettet mod lysosomet, hvor det vil blive nedbrudt. Dette regulerer niveauet af gratis IGF-II i kroppen.

Denne funktion af CI-MPR blev bestemt ved anvendelse af knockout-mus . Det blev observeret, at mus med CI-MPR-mangel havde et øget niveau af frie IGF-II og forstørrede organer (omkring en 30% stigning i størrelse). Disse mus dør på dag 15 af drægtigheden på grund af hjertehyperplasi . Musenes død kunne forhindres, når IGF-II- allelen også blev slået ud. Når CI-MPR og IGF-II- allelen er slået ud, observeres normal musevækst, da der ikke længere er en vækstfaktor til stede, der skal reguleres.

På grund af CI-MPR's evne til at modulere niveauerne af IGF-II er det blevet foreslået, at det kan spille en rolle som en tumorsuppressor . Undersøgelser af flere humane kræftformer har vist, at et tab af CI-MPR-funktion er forbundet med en progression i tumourigenese . Tab af heterozygositet (LOH) på CI-MPR-locus er blevet vist i flere kræftformer , herunder lever og bryst . Dette er imidlertid et relativt nyt koncept, og mange flere undersøgelser skal undersøge forholdet mellem CI-MPR og kræft .

Referencer

Yderligere læsning

eksterne links

• Imperial College Lectins Research Information
• UniProtKB/ Swiss-Prot-post til den humane kationuafhængige mannose 6-phosphatreceptor
• UniProtKB/ Swiss-Prot-post for den humane kationafhængige mannose 6-phosphatreceptor
• PDBe-KB giver et overblik over alle de strukturoplysninger, der er tilgængelige i FBF for Human Cation-uafhængig mannose-6-phosphatreceptor