TP53-inducerbar glykolys och apoptosregulator

TIGAR
Tillgängliga strukturer PDB Ortologisk sökning: Lista över PDB-id-koder
Identifierare
	, FR2BP, C12orf5, TP53-inducerad glykolysreglerande fosfatas
Externa ID:n
Genplacering ( Human ) Chr. Band Start Slutet
Genplacering ( Mus ) Chr. Band Start Slutet
RNA uttrycksmönster Bgee Mänsklig Mus (ortolog) BioGPS
Genontologi Molekylär funktion Cellkomponent Biologisk process Källor: Amigo / QuickGO
Ortologer Arter Mänsklig Mus Entrez Ensembl UniProt RefSeq (mRNA) RefSeq (protein) Plats (UCSC) PubMed -sökning
Wikidata
Visa/redigera människa Visa/redigera mus

Den TP53-inducerbara glykolys- och apoptosregulatorn (TIGAR) även känd som fruktos-2,6-bisfosfatas TIGAR är ett enzym som hos människor kodas av C12orf5 - genen .

TIGAR är ett nyligen upptäckt enzym som främst fungerar som en regulator av glukosnedbrytning i mänskliga celler . Förutom sin roll i att kontrollera nedbrytning av glukos, kan TIGAR-aktivitet tillåta en cell att utföra DNA- reparation och nedbrytning av sina egna organeller . Slutligen kan TIGAR skydda en cell från döden. Sedan dess upptäckt 2005 av Kuang-Yu Jen och Vivian G. Cheung, har TIGAR blivit av särskilt intresse för det vetenskapliga samfundet tack vare dess aktiva roll i många cancerformer . Normalt aktiveras TIGAR-tillverkning av kroppen av p53- tumörsuppressorproteinet efter att en cell har upplevt en låg nivå av DNA-skada eller stress. I vissa cancerformer har TIGAR fallit under kontroll av andra proteiner. Förhoppningen är att framtida forskning kring TIGAR ska ge inblick i nya sätt att behandla cancer.

Denna gen regleras som en del av p53- tumörsuppressorvägen och kodar för ett protein med sekvenslikhet med bisfosfatdomänen av det glykolytiska enzymet som bryter ned fruktos-2,6-bisfosfat. Proteinet fungerar genom att blockera glykolys och styra vägen in i pentosfosfatshunten . Uttryck av detta protein skyddar också celler från DNA-skadande reaktiva syrearter och ger visst skydd mot DNA-skada-inducerad apoptos . 12p13.32-regionen som inkluderar denna gen är paralog med 11q13.3-regionen.

Gen

Hos människor finns TIGAR- genen , känd som C12orf5 , på kromosom 12p 13-3 och består av 6 exoner . C12orf5 mRNA är 8237 baspar i längd.

Upptäckt

Jen och Cheung upptäckte först c12orf5-genen samtidigt som de använde datorbaserade sökningar för att hitta nya p53-reglerade gener som slogs på som svar på joniserande strålning . De publicerade sin forskning i Cancer Research 2005.

Senare publicerades en studie helt fokuserad på strukturen och funktionen av c12orf5-genen i Cell av Karim Bensaad et al., där c12orf5 fick namnet TIGAR för att hedra dess uppenbara funktion.

Uttryck

TIGAR - transkription aktiveras snabbt av p53- tumörsuppressorproteinet som svar på låga nivåer av cellulär stress, såsom den som orsakas av exponering för låga doser av UV . Men under höga nivåer av cellulär stress minskar TIGAR-uttrycket. P53, en transkriptionsfaktor , kan binda två ställen i den humana TIGAR-genen för att aktivera uttryck. Ett ställe finns inom det första intronet och binder p53 med hög affinitet. Den andra hittas strax före den första exonen, binder p53 med låg affinitet och konserveras mellan möss och människor. TIGAR-uttryck kan regleras av andra icke-p53-mekanismer i tumörcellinjer .

Strukturera

En tecknad serie av TIGARs tertiära struktur.

TIGAR är cirka 30 kDa och har en tertiär struktur som liknar histidinfosfatasvecket . Kärnan i TIGAR består av en α-β-α-sandwich, som består av ett sexsträngat β-ark omgivet av 4 α-helixar . Ytterligare α-helixar och en lång slinga byggs runt kärnan för att ge hela enzymet. TIGAR har ett aktivt ställe som strukturellt liknar det för PhoE (ett bakteriellt fosfatasenzym) och funktionellt liknar det för fruktos-2,6-bisfosfatas .

Det bis-fosfatasliknande aktiva stället i TIGAR är positivt laddat och katalyserar avlägsnandet av fosfatgrupper från andra molekyler. I motsats till fruktos-2,6-bisfosfatas är TIGARs aktiva plats öppen och tillgänglig som PhoE. Platsen innehåller 3 avgörande aminosyror (2 histidiner och 1 glutaminsyra ) som är involverade i fosfatasreaktionen . Dessa 3 rester är kända kollektivt som en katalytisk triad och finns i alla enzymer som tillhör fosfoglyceromutasgrenen av histidin-fosfatas-superfamiljen. En av histidinresterna är elektrostatiskt bunden till ett negativt laddat fosfat. Ett andra fosfat är bundet någon annanstans i det aktiva stället.

Fungera

TIGAR-aktivitet kan ha flera cellulära effekter. TIGAR fungerar som en direkt regulator av fruktos-2,6-bisfosfatnivåer och hexokinas 2- aktivitet, och detta kan indirekt leda till många förändringar inom cellen i en kedja av biokemiska händelser. TIGAR är ett fruktosbisfosfatas som aktiverar p53, vilket resulterar i att hämma uttrycket av glukostransportör och även reglera uttrycket av hexokinas och fosfoglyceratmutas. TIGAR hämmar också fosfofruktokinas (PFK) genom att sänka nivån av fruktos-2,6,bisfosfat, därför hämmas glykolysen och pentosfosfatvägen främjas.

Fruktos-2,6-bisfosfatreglering

TIGAR minskar cellulära fruktos-2,6-bisfosfatnivåer. Det katalyserar avlägsnandet av en fosfatgrupp från fruktos-2,6-bisfosfat (F-2,6-BP): Fruktos-2,6-bisfosfat-> Fruktos-6-fosfat (F-6-P) + fosfat

F-2,6-BP är en allosterisk regulator av cellulära glukosmetabolismvägar . Vanligtvis binder F-2,6-BP till och ökar aktiviteten av fosfofruktokinas 1 . Fosfofruktokinas-1 katalyserar tillsatsen av ett fosfat till F-6-P för att bilda fruktos-1,6-bisfosfat (F-1,6-BP). Detta är ett viktigt steg i glykolysvägen , som utgör den första delen av aerob andning hos däggdjur . F-2,6-BP binder också till och minskar aktiviteten av fruktos-1,6-bisfosfatas. Fruktos-1,6-bisfosfatas katalyserar avlägsnandet av fosfat från F-1,6-BP för att bilda F-6-P. Denna reaktion är en del av glukoneogenesvägen , som syntetiserar glukos , och är motsatsen till glykolys. När TIGAR minskar F-2,6-BP-nivåerna blir fosfofruktokinas mindre aktivt medan fruktos-1,6-bisfosfatasaktiviteten ökar. Fruktos-6-fosfatnivåer byggs upp, vilket har flera effekter inuti cellen:

• Glykolyshastigheten minskar
• Hastigheten för glukoneogenes ökar
• Överskott av fruktos-6-fosfat omvandlas till glukos-6-fosfat i en isomeriseringsreaktion
• Överskott av glukos-6-fosfat kommer in i pentosfosfatvägen . Detta leder i slutändan till avlägsnande av reaktiva syreämnen (ROS) i cellen
• Avlägsnandet av ROS hjälper till att förebygga apoptos (cellsjälvmord), och kan också minska uppbyggnaden av DNA-skador över tiden.

DNA-skadesvar och cellcykelstopp

TIGAR kan verka för att förhindra att en cell fortskrider genom stadierna av dess tillväxt- och delningscykel genom att minska cellulära ATP -nivåer. Detta är känt som cellcykelstopp . Denna funktion av TIGAR utgör en del av det p53-medierade DNA- skadesvaret där p53 under låga nivåer av cellulär stress initierar cellcykelstopp för att ge cellen tid för reparation. Under höga nivåer av cellulär stress initierar p53 istället apoptos.

I icke-vilande celler består cellcykeln av G0 -> G1 -> S -> G2 -> M-faser, och är hårt reglerad vid kontrollpunkter mellan faserna. Om cellen har genomgått stress, uttrycks vissa proteiner som kommer att förhindra den specifika sekvensen av makromolekylära interaktioner vid den kontrollpunkt som krävs för att gå vidare till nästa fas.

TIGAR-aktivitet kan förhindra att celler går in i S-fasen genom en kontrollpunkt som hos människor kallas restriktionspunkten . I början av G1-fasen existerar ett protein som kallas retinoblastom (Rb) i ett ofosforylerat tillstånd. I detta tillstånd binder Rb till en proteintranskriptionsfaktor E2F och förhindrar E2F från att aktivera transkription av proteiner som är väsentliga för S-fas . Under en normal cellcykel, när G1 fortskrider, kommer Rb att fosforyleras i en specifik uppsättning sekventiella steg av proteiner som kallas cyklinberoende kinaser (cdks) bundna till cyklinproteiner . De specifika komplex som fosforylerar Rb är cyklin D - cdk4 och cyklin E - cdk2 .

När Rb har fosforylerats många gånger, dissocierar den från E2F. E2F är fri att aktivera uttryck av gener i S-fas. TIGAR kan indirekt förhindra att en cell passerar genom restriktionspunkten genom att hålla Rb oposforylerad.

När det uttrycks, minskar TIGAR cellulära ATP-nivåer genom sin fosfatasaktivitet. Mindre ATP är tillgängligt för Rb-fosforylering, så Rb förblir ofosforylerat och bundet till E2F, vilket inte kan aktivera S-fasgener. Uttrycket av cyklin D, ckd4, cyklin E och cdk2 minskar när TIGAR är aktivt, på grund av brist på ATP som är avgörande för deras transkription och translation . Denna TIGAR-aktivitet tjänar till att stoppa celler i G1.

Aktivitet av hexokinas 2

Under låga syreförhållanden, känd som hypoxi , reser en liten mängd TIGAR till mitokondrierna och ökar aktiviteten av Hexokinase 2 (HK2) genom att binda till det

Under hypoxi aktiveras ett protein som kallas Hif1α och får TIGAR att återlokaliseras från cytoplasman till det yttre mitokondriella membranet . Här är HK2 bundet till en anjonkanal i det yttre mitokondriella membranet som kallas VDAC. TIGAR binder hexokinas 2 och ökar dess aktivitet med en ännu okänd mekanism.

Hexokinas 2 (HK2) utför följande reaktion:

Glukos + ATP -> Glukos-6-fosfat + ADP

HK2 tros bibehålla den mitokondriella membranpotentialen genom att hålla ADP-nivåerna höga. Det förhindrar också apoptos på flera sätt: det minskar mitokondriella ROS-nivåer, och det förhindrar apoptos-orsakande protein Bax från att skapa en kanal med VDAC. Detta stoppar cytokrom C- protein att passera ut genom VDAC in i cytoplasman där det utlöser apoptos via en kaspasproteinkaskad .

TIGAR återlokaliserar sig inte till mitokondrierna och binder HK2 under normala cellulära förhållanden, eller om cellen svälts på glukos. Omlokalisering till mitokondrierna kräver inte TIGARs fosfatasdomän. Istället är 4 aminosyror i den C-terminala änden av TIGAR väsentliga.

Skydd mot apoptos

Ökat uttryck av TIGAR skyddar celler från oxidativ stress-inducerad apoptos genom att minska nivåerna av ROS. TIGAR kan indirekt minska ROS på två distinkta sätt. Den intracellulära miljön i cellen kommer att avgöra vilket av dessa två sätt för TIGAR-verkan som är vanligare i cellen vid en viss tidpunkt.

Fruktos-2,6-bisfosfatasaktiviteten hos TIGAR minskar ROS genom att öka aktiviteten hos Pentose Phosphate Pathway (PPP). Glukos-6-fosfat byggs upp på grund av defosforylering av F-2,6-BP av TIGAR och går in i PPP. Detta gör att PPP genererar mer nikotinamidadenindinukleotid ( NADPH ). NADPH är en bärare av elektroner som används av cellen som ett reduktionsmedel i många anabola reaktioner . NADPH som produceras av PPP skickar elektroner till en oxiderad glutationmolekyl (GSSG) för att bilda reducerad glutation (GSH).

GSH blir reduktionsmedlet och skickar elektroner vidare till ROS- väteperoxiden för att bilda ofarligt vatten i reaktionen:

GSH + _H2O2 - _{> H2O} + GSSG

Minskningen av H ₂ O ₂ som ett resultat av TIGAR-aktivitet skyddar mot apoptos.

TIGAR minskar också ROS genom att öka aktiviteten hos HK2. HK2 minskar ROS-nivåerna indirekt genom att hålla ADP -nivåerna vid det yttre mitokondriella membranet höga. Om ADP-nivåerna faller minskar andningshastigheten och gör att elektrontransportkedjan blir överreducerad med överskott av elektroner. Dessa överskottselektroner passerar till syre och bildar ROS.

Verkan av TIGAR/HK2-komplexet skyddar endast celler från apoptos under låga syreförhållanden. Under normala eller glukossvälta förhållanden kommer TIGAR-medierat skydd mot apoptos från dess bis-fosfatasaktivitet enbart.

TIGAR kan inte förhindra apoptos via dödsvägar som är oberoende av ROS och p53. I vissa celler kan TIGAR-uttryck driva celler längre mot apoptos.

Interleukin 3 (IL-3) är en tillväxtfaktor som kan binda till receptorer på en cells yta och säger åt cellen att överleva och växa. När IL-3-beroende cellinjer berövas IL-3 dör de på grund av minskat upptag och metabolism av glukos. När TIGAR överuttrycks i IL-3-berövade celler minskar glykolyshastigheten ytterligare vilket ökar apoptoshastigheten.

Autofagi

Autofagi är när en cell smälter några av sina egna organeller genom lysosomal nedbrytning. Autofagi används för att ta bort skadade organeller, eller under svältförhållanden för att ge ytterligare näringsämnen. Normalt uppstår autofagi av TSC-Mtor-vägen, men kan induceras av ROS. TIGAR, även vid mycket låga nivåer, hämmar autofagi genom att minska ROS-nivåerna. Mekanismen genom vilken TIGAR gör detta är oberoende av Mtor-vägen, men de exakta detaljerna är okända.

Möjliga roller i cancer

TIGAR kan främja utveckling eller hämning av flera cancerformer beroende på det cellulära sammanhanget. TIGAR kan ha viss effekt på tre egenskaper hos cancer; förmågan att undvika apoptos, okontrollerad celldelning och förändrad metabolism. Många cancerceller har förändrat ämnesomsättningen där hastigheten för glykolys och anaerob andning är mycket hög medan oxidativ andning är låg, vilket kallas Warburg-effekten (eller aerob glykolys ). Detta gör att cancerceller kan överleva under låga syreförhållanden och använda molekyler från andningsvägar för att syntetisera aminosyror och nukleinsyror för att upprätthålla snabb tillväxt.

I Gliom , en typ av hjärncancer, kan TIGAR överuttryckas där det har onkogena effekter. I det här fallet verkar TIGAR för att upprätthålla energinivåer för ökad tillväxt genom att öka andningen (som ger förändrad metabolism), och skyddar även gliomceller mot hypoxiinducerad apoptos genom att minska ROS (som ger undvikande av apoptos). TIGAR är också överuttryckt i vissa bröstcancerformer.

I multipelt myelom är TIGAR-uttryck kopplat till aktiviteten av MUC-1. MUC-1 är ett onkoprotein som överuttrycks i multipelt myelom och skyddar dessa celler från ROS-inducerad apoptos genom att bibehålla TIGAR-aktivitet. När MUC-1-aktivitet tas bort, sjunker nivåerna av TIGAR och celler genomgår ROS-inducerad apoptos.

I en typ av huvud- och halscancer känd som nasofaryngeal cancer, upprätthåller onkoproteinkinaset c-Met TIGAR-uttrycket. TIGAR ökar glykolytisk hastighet och NADPH-nivåer vilket gör att cancercellerna kan bibehålla snabba tillväxthastigheter.

Emellertid kan TIGAR också ha en hämmande effekt på cancerutveckling genom att förhindra cellulär proliferation genom dess roll i p53-medierad cellcykelstopp.

Vidare läsning

•   Green DR, Chipuk JE (juli 2006). "p53 och metabolism: Inuti TIGAREN" . Cell . 126 (1): 30–2. doi : 10.1016/j.cell.2006.06.032 . PMID 16839873 .
•    White, Kenneth E.; Evans, Wayne E.; O'Riordan, Jeffery LH; Speer, Marcy C.; Econs, Michael J.; Lorenz-Depiereux, Bettina; Grabowski, Monika; Meitinger, Thomas; Ström, Tim M. (november 2000). "Autosomal dominant hypofosfatemisk rakitis är associerad med mutationer i FGF23". Nat. Genet . 26 (3): 345–8. doi : 10.1038/81664 . PMID 11062477 . S2CID 38870810 .
•    Hartley JL, Temple GF, Brasch MA (november 2000). "DNA-kloning med användning av platsspecifik rekombination in vitro" . Genome Res . 10 (11): 1788–95. doi : 10.1101/gr.143000 . PMC 310948 . PMID 11076863 .
•   Katoh Y, Katoh M (augusti 2005). "Jämförande genomik på däggdjurs Fgf6-Fgf23-lokus". Int. J. Mol. Med . 16 (2): 355–8. doi : 10.3892/ijmm.16.2.355 . PMID 16012775 .