Calpain - Calpain

Calpain
Struttura cristallina del nucleo peptidasi di Calpain II.
Identificatori
Simbolo	Calpain
Pfam	PF00648
Clan Pfam	CL0125
InterPro	IPR001300
ACCORTO	CysPc
PROSITO	PDOC50203
MEROPS	do2
SCOP2	1mdw / SCOPE / SUPFAM
Strutture proteiche disponibili: Pfam   strutture / ECOD   PDB RCSB PDB ; PDBe ; PDBj PDBsum riassunto della struttura PDB 1tl9​ A:55-354; 1kxr​ B:55-354; 1tlo​ A:55-354; 2ary​ B:55-354; 1zcm​ A:55-353; 1mdw B:45-344; 1u5i A:45-344; 1kfx​ L:45-344; 1kfu​ L:45-344; 1ziv​ A:42-337

A calpaina ( / k æ l p eɪ n / ; CE 3.4.22.52 , EC 3.4.22.53 ) è una proteina appartenente alla famiglia di calcio -dipendente, non lisosomiali cisteina proteasi ( enzimi proteolitici ) espressi ubiquitariamente nei mammiferi e molti altri organismi. Le calpaine costituiscono la famiglia C2 del clan delle proteasi CA nel database MEROPS . Il sistema proteolitico della calpaina comprende le proteasi della calpaina, la piccola subunità regolatoria CAPNS1 , nota anche come CAPN4, e l'inibitore endogeno specifico della calpaina, la calpastatina .

Scoperta

La storia della scoperta della calpaina ha origine nel 1964, quando furono rilevate attività proteolitiche calcio-dipendenti causate da una "proteasi neutra attivata dal calcio" (CANP) nel cervello , nel cristallino dell'occhio e in altri tessuti . Alla fine degli anni '60 gli enzimi furono isolati e caratterizzati indipendentemente sia nel cervello di ratto che nel muscolo scheletrico . Queste attività erano causate da una cisteina proteasi intracellulare non associata al lisosoma e dotata di un'attività ottimale a pH neutro , che la distingueva nettamente dalla famiglia delle proteasi delle catepsine . L'attività calcio-dipendente, la localizzazione intracellulare e la limitata e specifica proteolisi sui suoi substrati, hanno evidenziato il ruolo della calpaina come proteasi regolatrice, piuttosto che digestiva. Quando la sequenza di questo enzima divenne nota, gli fu dato il nome di "calpaina", per riconoscere le sue proprietà comuni con due proteine ​​ben note all'epoca, la proteina di segnalazione regolata dal calcio, calmodulina , e la cisteina proteasi di papaia , papaina . Poco dopo, l'attività è risultata attribuibile a due isoforme principali, denominate μ ("mu")-calpaina e m-calpaina (o calpaina I e II), che differivano principalmente per il loro fabbisogno di calcio in vitro . I loro nomi riflettono il fatto che sono attivati ​​rispettivamente da concentrazioni micro e quasi millimolari di Ca ²⁺ all'interno della cellula.

Ad oggi, queste due isoforme rimangono i membri meglio caratterizzati della famiglia delle calpaine. Strutturalmente, queste due isoforme eterodimeriche condividono una subunità identica piccola (28 kDa) ( CAPNS1 (precedentemente CAPN4)), ma hanno subunità distinte grandi (80 kDa), note come calpaina 1 e calpaina 2 (ciascuna codificata dai geni CAPN1 e CAPN2 , rispettivamente).

Specificità della scollatura

Nessuna sequenza amminoacidica specifica è riconosciuta in modo univoco dalle calpaine. Tra i substrati proteici, sono probabilmente gli elementi della struttura terziaria piuttosto che le sequenze di amminoacidi primari a dirigere la scissione verso un substrato specifico. Tra i substrati peptidici e di piccole molecole, la specificità più coerentemente riportata è per piccoli amminoacidi idrofobici (es. leucina , valina e isoleucina ) in posizione P2 e grandi amminoacidi idrofobici (es. fenilalanina e tirosina ) in posizione P1. Probabilmente, il miglior substrato di calpaina fluorogenico attualmente disponibile è ( EDANS )-Glu-Pro-Leu-Phe=Ala-Glu-Arg-Lys-( DABCYL ), con la scissione che si verifica al legame Phe=Ala.

Famiglia estesa

Il Progetto Genoma Umano ha rivelato che esistono più di una dozzina di altre isoforme di calpaina , alcune con più varianti di giunzione . Essendo la prima calpaina di cui è stata determinata la struttura tridimensionale, m-calpaina è la proteasi tipo per la famiglia C2 (calpaina) nel database MEROPS .

Funzione

Sebbene il ruolo fisiologico delle calpaine sia ancora poco compreso, è stato dimostrato che partecipano attivamente a processi come la mobilità cellulare e la progressione del ciclo cellulare , nonché a funzioni specifiche del tipo cellulare come il potenziamento a lungo termine nei neuroni e la fusione cellulare in mioblasti . In queste condizioni fisiologiche, un afflusso transitorio e localizzato di calcio nella cellula attiva una piccola popolazione locale di calpaine (ad esempio quelle vicine ai canali del Ca ²⁺ ), che poi fanno avanzare la via di trasduzione del segnale catalizzando la proteolisi controllata del suo bersaglio proteine. Inoltre, è stato scoperto che la fosforilazione da parte della proteina chinasi A e la defosforilazione da parte della fosfatasi alcalina regolano positivamente l'attività delle μ-calpaine aumentando le bobine casuali e diminuendo i fogli nella sua struttura. La fosforilazione migliora l'attività proteolitica e stimola l'autoattivazione delle μ-calpaine. Tuttavia, l'aumento della concentrazione di calcio supera gli effetti della fosforilazione e della defosforilazione sull'attività della calpaina, e quindi l'attività della calpaina alla fine dipende dalla presenza di calcio. Altri ruoli riportati delle calpaine sono nella funzione cellulare , aiutando a regolare la coagulazione e il diametro dei vasi sanguigni e giocando un ruolo nella memoria . Le calpaine sono state implicate nella morte cellulare per apoptosi e sembrano essere una componente essenziale della necrosi . Il frazionamento del detergente ha rivelato la localizzazione citosolica della calpaina.

L'attività potenziata della calpaina, regolata da CAPNS1, contribuisce in modo significativo all'iperreattività piastrinica in ambiente ipossico.

Nel cervello, mentre la μ-calpaina si trova principalmente nel corpo cellulare e nei dendriti dei neuroni e in misura minore negli assoni e nelle cellule gliali , la m-calpaina si trova nella glia e un piccolo numero negli assoni. La calpaina è anche coinvolta nella degradazione delle proteine ​​del muscolo scheletrico a causa dell'esercizio e degli stati nutrizionali alterati.

Significato clinico

Patologia

La diversità strutturale e funzionale delle calpaine nella cellula si riflette nel loro coinvolgimento nella patogenesi di un'ampia gamma di disturbi. Almeno due malattie genetiche ben note e una forma di cancro sono state collegate a calpaine tessuto-specifiche. Quando difettoso, il mammifero calpaina 3 (noto anche come p94) è il prodotto genico responsabile della distrofia muscolare dei cingoli di tipo 2A, la calpaina 10 è stata identificata come un gene di suscettibilità per il diabete mellito di tipo II e la calpaina 9 è stata identificata come un soppressore del tumore per il cancro gastrico. Inoltre, l'iperattivazione delle calpaine è implicata in una serie di patologie associate all'alterazione dell'omeostasi del calcio come il morbo di Alzheimer e la formazione di cataratta , nonché la degenerazione secondaria derivante da stress cellulare acuto a seguito di ischemia miocardica, ischemia cerebrale (neuronale), trauma cranico e lesione del midollo spinale. Quantità eccessive di calpaina possono essere attivate a causa dell'afflusso di Ca ²⁺ dopo un incidente cerebrovascolare (durante la cascata ischemica ) o alcuni tipi di lesioni cerebrali traumatiche come la lesione assonale diffusa . L'aumento della concentrazione di calcio nella cellula determina l'attivazione della calpaina, che porta alla proteolisi non regolata delle proteine ​​bersaglio e non bersaglio e al conseguente danno tissutale irreversibile. La calpaina eccessivamente attiva scompone le molecole nel citoscheletro come la spectrina , le subunità dei microtubuli, le proteine ​​associate ai microtubuli e i neurofilamenti . Può anche danneggiare i canali ionici , altri enzimi, molecole di adesione cellulare e recettori sulla superficie cellulare . Ciò può portare alla degradazione del citoscheletro e della membrana plasmatica . La calpaina può anche abbattere i canali del sodio che sono stati danneggiati a causa di una lesione da stiramento assonale, portando a un afflusso di sodio nella cellula. Questo, a sua volta, porta alla depolarizzazione del neurone e all'afflusso di più Ca ²⁺ . Una conseguenza significativa dell'attivazione della calpaina è lo sviluppo di disfunzione contrattile cardiaca che segue l'insulto ischemico al cuore. Alla riperfusione del miocardio ischemico, si sviluppa un sovraccarico di calcio o un eccesso nella cellula cardiaca (cardiomiociti). Questo aumento di calcio porta all'attivazione della calpaina. Recentemente la calpaina è stata implicata nel promuovere la trombosi venosa indotta da alta quota mediando l'iperattivazione piastrinica.

Inibitori terapeutici

La regolazione esogena dell'attività della calpaina è quindi di interesse per lo sviluppo di terapie in un'ampia gamma di stati patologici. Come alcuni dei molti esempi che supportano il potenziale terapeutico dell'inibizione della calpaina nell'ischemia, l'inibitore della calpaina AK275 ha protetto contro il danno cerebrale ischemico focale nei ratti quando somministrato dopo l'ischemia e MDL28170 ha ridotto significativamente la dimensione del tessuto infartuale danneggiato in un modello di ischemia focale di ratto. Inoltre, è noto che gli inibitori della calpaina hanno effetti neuroprotettivi: PD150606, SJA6017, ABT-705253 e SNJ-1945.

La calpaina può essere rilasciata nel cervello fino a un mese dopo un trauma cranico e può essere responsabile di un restringimento del cervello a volte riscontrato dopo tali lesioni. Tuttavia, la calpaina può anche essere coinvolta in un processo di "riscultura" che aiuta a riparare i danni dopo l'infortunio.

Guarda anche

• La mappa della proteolisi

Riferimenti

Ulteriori letture

link esterno

• Calpain presso la National Library of Medicine degli Stati Uniti Medical Subject Headings (MeSH)
• CaMPDB, Calpain per il database di proteolisi modulatoria
• La famiglia Calpain delle proteasi. (2001). Università dell'Arizona.
• Informazioni su Calpain con collegamenti nel gateway di migrazione cellulare
• Alzheimer e calpaina proteasi , PMAP La mappa della proteolisi -animazione.