WikiDer > Протеаза ВИЧ-1

HIV-1 protease
Протеаза ВИЧ-1 (ретропепсин)
Аспарагиновая протеаза.png
Протеаза ВИЧ-1 димер в белом и сером цвете, с пептидом субстрат в черном и активный сайт боковые цепи аспартата красного цвета. (PDB: 1KJF​)
Идентификаторы
Номер ЕС3.4.23.16
Количество CAS144114-21-6
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO

Протеаза ВИЧ-1 (PR) это ретровирусная аспартил протеаза (ретропепсин), фермент связан с пептидная связь гидролиз ретровирусов, который необходим для жизненного цикла ВИЧ, то ретровирус что вызывает СПИД.[1][2] Протеаза ВИЧ расщепляет вновь синтезированные полипротеины (а именно, Кляп и кляп-Pol[3]) на девяти сайтах расщепления для создания зрелых белковых компонентов ВИЧ вирион, инфекционная форма вируса вне клетки-хозяина.[4] Без эффективной протеазы ВИЧ вирионы ВИЧ остаются неинфекционными.[5][6]

Структура

Протеаза ВИЧ-1 маркирована в соответствии с ее сходством с английским Бульдог или толстый кот.[7] Синяя и сине-зеленая ленты изображают пептидный остов дикого типа (1D4S) И мутант (1KZK) Структуры соответственно.

Зрелая протеаза ВИЧ существует в виде 22 кДа. гомодимер, каждая субъединица состоит из 99 аминокислот.[1] Один активный сайт находится между идентичными субъединицами и имеет характеристику Жерех-Thr-Gly (Asp25, Thr26 и Gly27) каталитическая триада последовательность, общая для аспарагиновых протеаз.[8] Поскольку PR ВИЧ-1 может функционировать только как димер, зрелая протеаза содержит две аминокислоты Asp25, по одной от каждого мономера, которые действуют вместе друг с другом как каталитические остатки.[9] Кроме того, протеаза ВИЧ имеет два молекулярных «лоскута», которые перемещаются на расстояние до 7 Å когда фермент связывается с субстратом.[10] Это можно визуализировать с помощью анимация открытия и закрытия створок.

Синтез

Область Gag-Pol, содержащая ген протеазы, фланкированный p6pol на N-конце и обратная транскриптаза на C-конце. "Hxb2genome"

Предшественник

Полипротеин Gag-Pol, который содержит преждевременно кодирующие белки, в том числе PR ВИЧ-1.[9] PR расположен между обратной транскриптазой (которая находится на C-конце PR) и p6pol (который находится на N-конце PR) области трансфрейма (TFR).[11]

Для того чтобы этот предшественник стал функциональным белком, каждый мономер должен ассоциироваться с другим PR-мономером ВИЧ-1 с образованием функционального каталитического активного сайта, каждый из которых вносит вклад в Asp25 своих соответствующих каталитических триад.[9]

Механизм синтеза

Когда вирусная РНК ВИЧ попадает в клетку, это сопровождается обратная транскриптаза, интегрироватьи зрелый PR ВИЧ-1. Обратная транскриптаза преобразует вирусную РНК в ДНК, облегчая роль интегразы во включении вирусной генетической информации с ДНК клетки-хозяина.[2] Вирусная ДНК может либо оставаться в спящем состоянии в ядре, либо транскрибироваться в мРНК и транслироваться клеткой-хозяином в полипротеин Gag-Pol, который затем расщепляется на отдельные функциональные белки (включая вновь синтезированный PR ВИЧ-1) зрелыми ВИЧ-1 PR.[9]

Предшественник PR ВИЧ-1 катализирует собственное производство, облегчая его отщепление от полипротеина Gag-Pol с помощью механизма, известного как автообработка. Автообработка PR ВИЧ-1 характеризуется двумя последовательными этапами: (1) внутримолекулярное расщепление N-конца на p6polсайт расщепления протеазой, который служит для завершения процессинга PR и увеличения ферментативной активности с новообразованным промежуточным продуктом PR-обратной транскриптазы, и (2) межмолекулярное расщепление C-конца в сайте расщепления протеазой-обратной транскриптазой, приводящее к сборке двух субъединиц PR в зрелые димеры.[12][13] Димеризация двух субъединиц позволяет сформировать полностью функциональный комбинированный активный центр, характеризующийся двумя каталитическими остатками Asp25 (по одному от каждого мономера).[14]

Димер протеазы ВИЧ-1 (зеленый и голубой) с активный сайт Asp-25 красного цвета.
В комплексе с полипептид субстрат (пурпурный). (PDB: 1KJF​)
В комплексе с ингибитором BEA369 (изображены в виде палочек с углеродом белым, азотом синим, кислородом красным). (PDB: 1EBY​)

Функция

ВИЧ-1 PR служит двойной цели. PR-предшественник ВИЧ-1 отвечает за катализирование собственного производства в зрелые ферменты PR посредством автообработки PR.[15] Зрелая протеаза способна гидролизовать пептидные связи на полипротеинах Gag-Pol в девяти конкретных сайтах, превращая полученные субъединицы в зрелые, полностью функциональные белки. Эти расщепленные белки, включая обратную транскриптазу, интегразу и РНКазу H, кодируются компонентами кодирующей области, необходимыми для репликации вируса.[4]

Механизм

Как аспарагиновая протеаза, димеризованный PR ВИЧ-1 функционирует через комплекс аспартильной группы для осуществления гидролиза. Из двух остатков Asp25 на объединенном каталитически активном сайте PR ВИЧ-1 один депротонирован, а другой протонирован из-за отличий pKa от микросреды.[16]

В общем механизме аспарагиновой протеазы, как только субстрат должным образом связывается с активным сайтом фермента, депротонированная каталитическая аминокислота Asp25 подвергается основному катализу, делая входящую молекулу воды лучшим нуклеофилом, депротонируя ее. Образующийся гидроксильный ион атакует карбонильный углерод пептидной связи, образуя промежуточный продукт с временным оксианионом, который стабилизируется первоначально протонированным Asp25. Оксианион повторно образует двойную связь, что приводит к разрыву пептидной связи между двумя аминокислотами, в то время как первоначально депротонированный Asp25 подвергается кислотному катализу, чтобы отдать свой протон аминогруппе, что делает аминогруппу лучшей уходящей группой для полного разрыв пептидной связи и возвращение в исходное депротонированное состояние.[2][17]

Хотя PR ВИЧ-1 обладает многими из тех же характеристик, что и невирусная аспарагиновая протеаза, некоторые данные показали, что PR ВИЧ-1 согласованным образом катализирует гидролиз; другими словами, нуклеофильная молекула воды и протонированный Asp25 одновременно атакуют ножницы пептидная связь при катализе.[17][18]

Каталитический механизм общей аспартил протеазы, содержащей два характерных остатка Asp25 в депротонированной и протонированной формах. "Aspartyl proteae Mechanism.png"

Как мишень для наркотиков

Протеаза ВИЧ-1 имеет классический AspThrGly из аспартил-протеаз. Эти аминокислоты расположены в положениях 25, 26 и 27 и отвечают за каталитическую активность.

Протеаза ВИЧ, играющая неотъемлемую роль в репликации ВИЧ, является основной мишенью для лекарственной терапии. Ингибиторы протеазы ВИЧ работают за счет специфического связывания с активным сайтом, имитируя тетраэдрический промежуточный продукт его субстрата и по существу «застревая», выводя из строя фермент. После сборки и почкования вирусные частицы, лишенные активной протеазы, не могут созреть в инфекционные вирионы. Несколько ингибиторы протеазы имеют лицензию на терапию ВИЧ.[19]

Существует десять ингибиторов PR ВИЧ-1, которые в настоящее время одобрены Управление по контролю за продуктами и лекарствами. К ним относятся индинавир, саквинавир, ритонавир, нелфинавир, лопинавир, ампренавир, фосампреневир, атазанавир, типранавир, и дарунавир. Многие из ингибиторов имеют разные молекулярные компоненты и, следовательно, разные механические действия, такие как блокирование активного центра. Их функциональная роль также распространяется на влияние на концентрации других ингибиторов (ритонавир) в циркуляции и используется только в определенных обстоятельствах, когда вирус проявляет толерантность к другим ингибиторам (типранавир).[4][20]

Эволюция и сопротивление

Из-за высокого частота мутаций ретровирусов, особенно из-за мутационно-чувствительных областей (особенно области, содержащей последовательность каталитической триады), и учитывая, что изменения нескольких аминокислот в протеазе ВИЧ могут сделать ее гораздо менее видимой для ингибитора, активный центр этого фермента может измениться быстро, когда под селективным давлением препаратов, ингибирующих репликацию.[21][22]

Два типа мутаций обычно связаны с увеличением лекарственной устойчивости: «основные» мутации и «вторичные» мутации. Основные мутации включают мутацию в активном сайте PR ВИЧ-1, предотвращающую его связывание селективными ингибиторами. Вторичные мутации относятся к молекулярным изменениям на периферии фермента из-за длительного воздействия подобных химических веществ, потенциально влияющих на специфичность ингибитора PR ВИЧ-1.[3]

Один подход к минимизации развития устойчивость к лекарству в ВИЧ - это введение комбинация препаратов которые подавляют несколько ключевых аспектов цикла репликации ВИЧ одновременно, а не одно лекарство за раз. Другие мишени лекарственной терапии включают: обратная транскриптаза, прикрепление вируса, слияние мембран, интеграция кДНК и сборка вириона.[23][24]

Смотрите также

внешняя ссылка

Рекомендации

  1. ^ а б Дэвис Д.Р. (1990). «Структура и функция аспарагиновых протеиназ». Ежегодный обзор биофизики и биофизической химии. 19 (1): 189–215. Дои:10.1146 / annurev.bb.19.060190.001201. PMID 2194475.
  2. ^ а б c Брик А., Вонг СН (январь 2003 г.). «Протеаза ВИЧ-1: механизм и открытие лекарств». Органическая и биомолекулярная химия. 1 (1): 5–14. Дои:10.1039 / b208248a. PMID 12929379.
  3. ^ а б Хуанг X, Бритто MD, Кир-Скотт JL, Boone CD, Rocca JR, Simmerling C, Mckenna R, Bieri M, Gooley PR, Dunn BM, Fanucci GE (июнь 2014 г.). «Роль выбранных полиморфизмов подтипа в отборе конформационных образцов и динамике протеазы ВИЧ-1». Журнал биологической химии. 289 (24): 17203–14. Дои:10.1074 / jbc.M114.571836. ЧВК 4059161. PMID 24742668.
  4. ^ а б c Lv Z, Chu Y, Wang Y (апрель 2015). «Ингибиторы протеазы ВИЧ: обзор молекулярной селективности и токсичности». ВИЧ / СПИД: исследования и паллиативная помощь. 7: 95–104. Дои:10.2147 / hiv.s79956. ЧВК 4396582. PMID 25897264.
  5. ^ Kräusslich HG, Ingraham RH, Skoog MT, Wimmer E, Pallai PV, Carter CA (февраль 1989 г.). «Активность очищенной биосинтетической протеиназы вируса иммунодефицита человека на природных субстратах и ​​синтетических пептидах». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 86 (3): 807–11. Bibcode:1989ПНАС ... 86..807К. Дои:10.1073 / pnas.86.3.807. ЧВК 286566. PMID 2644644.
  6. ^ Коль NE, Emini EA, Schleif WA, Davis LJ, Heimbach JC, Dixon RA, Scolnick EM, Sigal IS (июль 1988 г.). «Активная протеаза вируса иммунодефицита человека необходима для вирусной инфекционности». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 85 (13): 4686–90. Bibcode:1988PNAS ... 85.4686K. Дои:10.1073 / pnas.85.13.4686. ЧВК 280500. PMID 3290901.
  7. ^ Перриман А.Л., Лин Дж. Х., Маккаммон Дж. А. (апрель 2004 г.). «Молекулярная динамика протеазы ВИЧ-1 дикого типа и мутанта V82F / I84V: возможный вклад в устойчивость к лекарствам и потенциальный новый сайт-мишень для лекарств» (PDF). Белковая наука. 13 (4): 1108–23. Дои:10.1110 / пс. 03468904. ЧВК 2280056. PMID 15044738. Архивировано из оригинал (PDF) на 2008-12-16.
  8. ^ Чаттерджи А., Мридула П., Мишра Р.К., Миттал Р., Хосур Р.В. (март 2005 г.). «Фолдинг регулирует автообработку предшественника протеазы ВИЧ-1». Журнал биологической химии. 280 (12): 11369–78. Дои:10.1074 / jbc.M412603200. PMID 15632156.
  9. ^ а б c d Петтит С.К., Эверитт Л.Е., Чоудхури С., Данн Б.М., Каплан А.Х. (август 2004 г.). «Первоначальное расщепление предшественника вируса иммунодефицита человека типа 1 GagPol его активированной протеазой происходит по внутримолекулярному механизму». Журнал вирусологии. 78 (16): 8477–85. Дои:10.1128 / JVI.78.16.8477-8485.2004. ЧВК 479095. PMID 15280456.
  10. ^ Миллер М., Шнайдер Дж., Сатьянараяна Б.К., Тот М.В., Маршалл Г.Р., Клоусон Л., Селк Л., Кент С.Б., Влодавер А. (декабрь 1989 г.). «Структура комплекса синтетической протеазы ВИЧ-1 с ингибитором на основе субстрата при разрешении 2,3 A». Наука. 246 (4934): 1149–52. Дои:10.1126 / science.2686029. PMID 2686029.
  11. ^ Луи Дж. М., Клора Г. М., Гроненборн А. М. (сентябрь 1999 г.). «Автопроцессинг протеазы ВИЧ-1 тесно связан с укладкой белка». Структурная биология природы. 6 (9): 868–75. Дои:10.1038/12327. PMID 10467100. S2CID 6375519.
  12. ^ Луи Дж. М., Нашед Н. Т., Пэррис К. Д., Киммел А. Р., Джерина Д. М. (август 1994 г.). «Кинетика и механизм автопроцессинга протеазы вируса иммунодефицита человека 1 типа из аналога полипротеина Gag-Pol». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 91 (17): 7970–4. Bibcode:1994PNAS ... 91.7970L. Дои:10.1073 / пнас.91.17.7970. ЧВК 44526. PMID 8058744.
  13. ^ Wondrak EM, Nashed NT, Haber MT, Jerina DM, Louis JM (февраль 1996 г.). «Временный предшественник протеазы ВИЧ-1. Выделение, характеристика и кинетика созревания». Журнал биологической химии. 271 (8): 4477–81. Дои:10.1074 / jbc.271.8.4477. PMID 8626801.
  14. ^ Чжан С., Каплан А.Х., Тропша А. (ноябрь 2008 г.). «Исследование функции и структуры протеазы ВИЧ-1 с помощью метода упаковки симплициального соседства». Белки. 73 (3): 742–53. Дои:10.1002 / prot.22094. ЧВК 2765824. PMID 18498108.
  15. ^ Хуан Л., Чен С. (июль 2013 г.). «Понимание автоматической обработки протеазы ВИЧ-1 для разработки новых терапевтических средств». Медицинская химия будущего. 5 (11): 1215–29. Дои:10.4155 / fmc.13.89. ЧВК 3826259. PMID 23859204.
  16. ^ Смит Р., Бреретон И. М., Чай Р. Ю., Кент С. Б. (ноябрь 1996 г.). «Состояния ионизации каталитических остатков в протеазе ВИЧ-1». Структурная биология природы. 3 (11): 946–50. Дои:10.1038 / nsb1196-946. PMID 8901873. S2CID 1076528.
  17. ^ а б Лю Х., Мюллер-Плате Ф., ван Гунстерен В.Ф. (август 1996 г.). «Комбинированное квантовое / классическое молекулярно-динамическое исследование каталитического механизма протеазы ВИЧ». Журнал молекулярной биологии. 261 (3): 454–69. Дои:10.1006 / jmbi.1996.0476. PMID 8780786.
  18. ^ Яскольски М., Томасселли А.Г., Сойер Т.К., Стейплз Д.Г., Хейнриксон Р.Л., Шнайдер Дж., Кент С.Б., Влодавер А. (февраль 1991 г.). «Структура с разрешением 2,5-A химически синтезированной протеазы вируса иммунодефицита человека типа 1 в комплексе с ингибитором на основе гидроксиэтилена». Биохимия. 30 (6): 1600–9. Дои:10.1021 / bi00220a023. PMID 1993177.
  19. ^ Позвонил в HP (2007). Фармакология Рэнга и Дейла (6-е изд.). Филадельфия, Пенсильвания, США: Черчилль Ливингстон / Эльзевир. ISBN 9780808923541.
  20. ^ Гриффин Л., Аннаерт П., Брауэр К.Л. (сентябрь 2011 г.). «Влияние белков транспорта лекарств на фармакокинетику и лекарственные взаимодействия ингибиторов протеазы ВИЧ». Журнал фармацевтических наук. 100 (9): 3636–54. Дои:10.1002 / jps.22655. ЧВК 3750718. PMID 21698598.
  21. ^ Уоткинс Т., Реш В., Ирлбек Д., Суонстрем Р. (февраль 2003 г.). «Выбор высокого уровня устойчивости к ингибиторам протеазы вируса иммунодефицита человека 1 типа». Противомикробные препараты и химиотерапия. 47 (2): 759–69. Дои:10.1128 / AAC.47.2.759-769.2003. ЧВК 151730. PMID 12543689.
  22. ^ Лоеб Д.Д., Суонстрем Р., Эверитт Л., Манчестер М., Стампер С.Е., Хатчисон, Калифорния (август 1989 г.). «Полный мутагенез протеазы ВИЧ-1». Природа. 340 (6232): 397–400. Bibcode:1989Натура.340..397л. Дои:10.1038 / 340397a0. PMID 2666861. S2CID 4351388.
  23. ^ Мур Дж. П., Стивенсон М. (октябрь 2000 г.). «Новые мишени для ингибиторов репликации ВИЧ-1». Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология. 1 (1): 40–9. Дои:10.1038/35036060. PMID 11413488. S2CID 10811618.
  24. ^ Де Клерк Э (декабрь 2007 г.). «Дизайн препаратов от ВИЧ и ВГС». Обзоры природы. Открытие наркотиков. 6 (12): 1001–18. Дои:10.1038 / nrd2424. PMID 18049474. S2CID 37859193.