Определение и анализ структур агглютинина из Ricinus communis и вискумина (ML-1) из viscum album-белков, инактивирующих рибосому
Аминокислотные остатки, входящие в каталитический центр А-субъединиц, являются консервативными среди данного семействаво многом сходно и t строение углевод-связывающих центров В-субъединиц. Однако, эффективность цитотоксического действия различных белков этого класса существенно различается. Сравнительный анализ структурных и функциональных свойств родственных рибосом-инактивирующих белков — один… Читать ещё >
Содержание
- СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ
- ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
- 1. 1. Каталитические А-субъединицы белков, инактивирующих рибосому
- 1. 1. 1. Структура и ферментативная активность А-субъединицы рицина
- 1. 1. 2. Моделирование ингибирования каталитической активности А-субъединицы
- 1. 1. 3. Структура и ферментативная активность А-субъединицы абрина
- 1. 1. 4. Структура и ферментативная активность А-субъединицы эбулина
- 1. 1. 5. Рибосом-инактивирующие белки первого типа
- 1. 1. 5. 1. Антивирусный белок лаконоса (РАР)
- 1. 1. 5. 2. Трихосантин
- 1. 1. 5. 3. Бриодин
- 1. 1. 5. 4. Сапорин
- 1. 1. Каталитические А-субъединицы белков, инактивирующих рибосому
- 1. 2. Траспортная В-субъединица рибосом-инактивирующиех белков второго типа
- 1. 2. 1. Структура и углевод-связывающая активность В-субъединицы рицина
- 1. 2. 2. Структура и углевод-связывающая активность В-субъединицы абрина 41 1.2.3 Структура и углевод-связывающая активность В-субьединицы эбулина
- 1. 3. Особенности внутриклеточного транспорта рибосом- инактивирующих белков второго типа. Роль структурных особенностей данных белков при транспорте внутри клетки 43 1.3.1 Интернетизация токсина
- 1. 3. 2. Транспорт в эндосомальном компартменте
- 1. 3. 3. Транспорт в аппарат Гольджи
- 1. 3. 4. Ретроградный транспорт в эндоплазматический ретикулум
- 1. 3. 5. Транслокация токсина
- 2. 1. Выделение и очистка агглютинина
- 2. 2. Кристаллизация агглютинина в комплексе с jS-D-галактозой
- 2. 3. Сбор дифракционных данных с кристаллов агглютинина
- 2. 4. Выделение вискумина из Viscum album
- 2. 5. Кристаллизация вискумина и его комплексов
- 2. 6. Сбор дифракционных данных с кристаллов вискумина и его комплексов
- 3. 1. Решение проблемы фаз для агглютинина
- 3. 2. Определение и уточнение структуры агглютинина
- 3. 3. Укладка полипептидной цепи агглютинина
- 3. 4. Структура А-субъединицы агглютинина 58 3.5 Активный центр А-субъединицы агглютинина 60 3.6. Структура В-субъединицы агглютинина
- 3. 7. Первый галактозо-связывающий центр агглютинина
- 3. 8. Второй галактозо-связывающий центр агглютинина 65 3.9. Межсубъединичные контакты агглютинина
- 3. 10. Решение проблемы фаз для вискумина
- 3. 11. Определение и уточнение структуры вискумина и его комплексов
- 3. 12. Структура А-субъединицы вискумина
- 3. 13. Активный центр А-субъединицы вискумина
- 3. 14. Структура В-субъединицы вискумина
- 3. 15. Первый галактозо — связывающий центр вискумина
- 3. 16. Второй галактозо — связывающий центр вискумина
- 3. 17. Взаимодействие рибосом-инактивирующих белков с сарцин-рициновой петлей рибосомы
- 3. 18. Четвертичная структура агглютинина и вискумина
Определение и анализ структур агглютинина из Ricinus communis и вискумина (ML-1) из viscum album-белков, инактивирующих рибосому (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Одним из наиболее важных направлений развития новых биотехнологий является создание фармакологических препаратов, обладающих высокой специфичностью действия на клетки или молекулы-мишени в организме. В настоящее время именно белки или их конъюгаты привлекают особый интерес исследователей при конструировании высокоселективных лекарств. Активно изучаются с этой точки зрения растительные токсины, которые полностью останавливают синтез белка в клетке, переводя рибосомы в неактивное состояние. Эти токсины носят общее название рибосом-инактивирующих белков (РИБ).
Рибосом-инактивирующие белки разделяются на два типа: РИБ-I, которые состоят только из одной каталитической (active, А), субъединицы и РИБ-П, которые содержат как каталитическую (А), так и связывающую (binding, В) субъединицы [Barbieri et al., 1993]. А-субъединица обеспечивает инактивацию рибосомы, связываясь со специфическим участком (сарцин-рициновой петлей) 28S рРНК рибосомы эукариот и выщепляя аденин. Поскольку модифицированная таким образом рибосома теряет сродство к фактору элонгации транскрипции, это приводит к остановке синтеза белка клеткой и в результате к гибели клетки [Lord et al., 1991]. В-субъединица, являясь лектином, связывается с гликозилированными рецепторами на поверхности клетки и обеспечивает проникновение токсина в клетку. Высокая цитотоксическая активность РИБ-П является основной причиной использования их для создания иммуннотоксинов — лекарств нового поколения, главным образом противоопухолевого действия.
Помимо цитотоксических свойств белки этой группы проявляют в различной степени способность агглютинировать клетки за счет своей лектиновой активности. Кроме того, некоторые из них обладают и иммуномодулирующими свойствами.
Аминокислотные остатки, входящие в каталитический центр А-субъединиц, являются консервативными среди данного семействаво многом сходно и t строение углевод-связывающих центров В-субъединиц. Однако, эффективность цитотоксического действия различных белков этого класса существенно различается. Сравнительный анализ структурных и функциональных свойств родственных рибосом-инактивирующих белков — один из эффективных подходов к выяснению механизмов, определяющих различия в их биологической активности. Понимание структурных особенностей, влияющих на цитотоксическую активность данных белков, необходимо также для получения эффективных препаратов иммунотоксинов на их основе.
Целью данной работы является определение пространственных структур тетрамерных рибосом-инактивирующих белков второго типа — вискумина (ML-I) из Viscum Album и агглютинина из Ricinus communis — и выявление структурных особенностей, влияющих на биологическую активность данных белков.
ВЫВОДЫ.
1. Выделены, очищены и закристаллизованы тетрамерные рибосом-инактивирующие белки второго типа — агглютинин из Ricinus communis и вискумин (MLI) из Viscum album.
2. Определены и уточнены кристаллические структуры агглютинина из Ricinus communis с разрешением 2.63 А в комплексе с галактозой и вискумина из Viscum album с разрешением 2.05 А, в свободной форме и в комплексах с галактозой с разрешением 2.3 А и лактозой с разрешением 2.3 А.
3. Показано, что структура активных центров рицина, агглютинина и вискумина консервативна. Высказано предположение, что значительное различие в связывании этих белков с рибосомой может был" вызвано прилегающими к активному центру неконсервативными аминокислотными остатками.
4. Построены модели комплексов рицина, агглютинина и вискумина с сарцин-рициновой петлей рибосомы. Модели встроены в структуру 50S субчастицы рибосомы из Н. marismortui. Анализ моделей позволил предположить, что значительное различие в связывании белков, инактивирующих рибосому, с большой субчастицей и изолированной 28S РНК может был" вызвано контактом третьего домена каталитических субъединиц с рибосомным белком L6.
5. Показано, что замена аминокислоты Туг248 во втором галакгозо-связывающем кармане рицина на His248 в агглютинине приводит к утрате углевод-связывающей активности этого кармана.
6. Прямым методом впервые показано, что агглютинин и вискумин представляют собой гетеротетрамеры. Установлено, что тетрамер агглютинина образован с использованием ковалентной связи между А-субъединицами двух гетеродимеров, а тетрамер вискумина образуется за счет нековалентных взаимодействий между В-субъединицами гетеродимеров. щ.
Список литературы
- Агапов И.И.// Диссертация «Рибосом-инакгивирующие белки II типа: структура, биологическая активность, внутриклеточный транспорт, использование для синтеза иммунотоксинов» д-ра биологических наук, М: Государственный научный центр РФ ГОСНИИГЕНЕТИКА, 1997
- Моргунова Е.Ю., Михайлов A.M., Некрасов Ю. В. и др.// Докл. АН СССР. 1988. Т. 299. С. 1129.
- Barbieri L., Battelli M.G., Stirpe F. //Ribosome-inactivating proteins from plants// Biochim. Biophys. Acta., v. l 154, pp. 237−282.1993
- Bilge A., Howell-Clark J., Ramakrishman S., et al // Degradation of ricin A- chain by endosomal and lysosomal enzymes: the protective role of ricin B- chain// Ther. Immunol, V. 1, PP. 197−204,1994
- Brodsky J. L, McCracken A.A.//Er-associated and proteasome-mediated protein degradation: how two topologically restricted events came together. //Trends Cell Biol, V. 7, PP 151−156,1997
- Byers VS, Levin AS, Waites LA, Starrett BA, Mayer RA, Clegg JA, Price MR, Robins RA, Delaney M, Baldwin RW. // A phase I/П study of trichosanthin treatment of HTV disease.//AIDS.-4(12): 1189−96, Dec 1990
- Chaddock JA, Monzingo AF, Robertus JD, Lord JM, Roberts LM //Major structural differences between pokeweed antiviral protein and ricin A-chain do not account for their differing ribosome specificity//. Eur J Biochem. Jan 15- 235(1−2): 159−66,1996
- Chen, Y.-L, Chow, L.-P, Tsugita, A. & Lin, J.-Y.// The complete primary structure of abrin-a В chain//. FEBS Letters, 309,115−118. 1992t
- Collaboratiove Computational Project, Number 4., Acta Cryst., D50, 760−763 (1994)
- Crowter, RA. & Blow, D.M. //A method of positioning a known molecule in an unknown crystal structure. Acta Cryst., 23, 544−548.1967
- D’Cruz OJ, Waurzyniakt B, Uckun FM. A 13-week subchronic intravaginal toxicity study of pokeweed antiviral protein in mice. Phytomedicine.- 11(4):342−51. 2004
- Van Deurs В., Sandvig K., Petersen O.W. et all // Estimation the amount of internalizated ricin that reaches the trans-Golgi network// J. Cell Biol., V. 106, PP. 253−267,1988
- Van Deurs В., Sandvig K., Petersen O.W. et all //The ways of endocytosis III, Int. Rev. Cytol, V. 117, PP. 131−177,1989
- Drickamer, К // Making a fitting choice: common aspects of sugar-binding sites in plant and animal lectins.// Structure. 15- 5(4): 465−8. Review. Apr 1997
- Eiklid K., Olsnes S., Phil AJ/Entry of lethal doses of abrin, ricin and modeccin into the cytosol of HeLa cells// Exp. Cell Res., V. 126, PP. 321- 326,1980
- Ehrlich, P., Experimentelle Untersuchungen и’Ъег Immunita’t I. Ueber Ricin. Dtsch. Med. Wochenschr. 17, 976−979,1891
- Endo Y., Mitsui K., Motizuki M., et al //The mechanism of action of Ricin and related toxic lectins on eukaryotic ribosomes. // J. Biol. Chem., V. 262, PP. 59 085 912,1987
- Endo Y., Tsurugi K., Franz H. //The site of action of the A-chain of mistletoe lectin I on eukaryotiic ribosomes. The RNA N-glycosidase L activity of the protein. // FEBS Letters., V.231, PP. 378−380, 1988
- Forrester, J. A., Mcintosh, D. P., Cumber, A. J., Parnell, G. D. & Ross, W. C. // Delivery of ricin and abrin A-chains to human carcinoma cells in culture following covalent linkage to monoclonal antibody.// Cancer Drug Delivery, 4,283−292,1984
- Frankel A, Welsh P, Richardson J, Robertus JD. //The role of arginine 180 and glutamic acid 177 of ricin toxin A chain in the enzymatic inactivation of ribosomes.// Mol Cell Biol- 10:6257−6263. 1990
- Fryxell DK, Gawlak SL, Dodge RW, Siegall CB //Identification of a specific tyrosine residue in Bryodin 1 distinct from the active site but required for full catalytic and cytotoxic activity//. Protein Sci. Feb-7(2):318−24. 1998
- Garred O, van Deurs B, Sandvig K. //Furin-induced cleavage and activation of Shiga toxin.//J Biol Chem. 1995 May 5−270(18): 10 817−21,1995a
- Girbe’s T, Citores L, Iglesias R, Ferreras JM, МшГ oz R, Rojo MA, Arias FJ, Garci’a JR, Me’ndez E, Calonge M. //Ebulin 1, a non-toxic novel type 2 ribosome-inactivating protein from Sambucus ebulus L. leaves//. J Biol Chem-268:18 195−18 199. 1993
- Gluck A, Endo Y, Wool IG. //Ribosomal RNA identity elements for ricin A-chain recognition and catalysis—analysis with tetraloop mutants//. J Biol Chem- 226: 411−424. 1992
- Gluck A., Endo Y., Wool I. //The ribosomal RNA identity elements for Ricin and for alpha-sarcin: mutations in the putative CG pair that close a GAGA tetraloop. //Nucleic Acids Res., v. 22, pp. 321−324.1994
- Gu Y.-J. and Zong-Xiang Xia //Crystal Structures of the Complexes of Trichosanthin With Four Substrate Analogs and Catalytic Mechanism of RNA N-Glycosidase// PROTEINS: Structure, Function, and Genetics 39:37−46,2000
- Hatakeyama T, Yamasaki N, Funatsu G. //Identification of the tryptophan residue located at the low-affinity saccharide binding site of ricin D.// J Biochem- 100:781 788,1986
- Hazes В., Read RJ. //Accumulating evidence suggests that several AB- toxins subvert the endoplasmic reticulum-associated protein degradation pathway to enter target cells//Biochem., V. 36, PP 11 051−11 054,1997
- Huang Q, Liu S, Tang Y, Jin S, Wang Y. //Studies on crystal structures, active-center geometry and depurinating mechanism of two ribosome-inactivating proteins//. Biochem J-309 :285−298,1995
- Hudav, K., Dinman, J.D. and Turner, N.E. J. Biol. Chem. 274,3859−3864. 1999
- Husain J, Tickle IJ, Wood SP. //Crystal structure of momordin, a type I ribosome inactivating protein from the seeds of Momordica charantia.// FEBS Lett. Apr 4- 342(2): 154−8. 1994
- Ippoliti, R., Lendaro, E., Bellelli, A. and Brunori, M. FEBS Lett. 342, 154−158. 1992
- Johannes L., Tenza D., Antony C. // Retrograde transport of KDEL-bearing B-fragment of Shiga-toxin//J.Biol.Chem., V. 272, PP 19 554−10 561,1997
- Jones, T.A., Zou.J.Y., Cowan, S.W., Kjeldgaard, M. //Improved methods for building protein models in electron density maps and the location of errors in these models//. Acta Ciyst., A47,110−119,1991
- Kabsch, W. //Integration, scaling, space-group assignment and post refinement. XDS. In International Tables for Crystallography//, eds. Rossmann M.G. & Arnold E.F. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers- 2001
- Koradi, R, Billeter, M., Wu’thrich, K., //MOLMOL: a programfor display and analysis of macromolecular structures//. J. Mol. Graphics 14, 51−55,1996
- Katzin BJ, Collins EJ, Robertus JD //Structure of ricin A-chain at 2.5 A.// Proteins- 10(3):251−9,1991
- Kirn Y., Robertas J.D., //Analysis of several key active site residues of Ricin A-chain by mutagenesis and X-ray crystallography. // Protein Eng., v.5, pp.775−779, 1992.
- Kurinov IV, Rajamohan F, Venkatachalam TK, Uckun FM //X-ray crystallographic analysis of the structural basis for the interaction of pokeweed antiviral protein with guanine residues of ribosomal RNA// Protein Sci. Nov-8(l 1): 2399−405,1999b
- Kurinov I. V, Fatih M. Uckun // High resolution X-ray structure of potent anti-HTV pokeweed antiviral protein-III// Biochemical Pharmacology Volume 65, Issue 10, 15, Pages 1709−1717, May 2003
- Li HG, Xu SZ, Wu S, Yan L, Li JH, Wong RN, Shi QL, Dong YC //Role of Argl63 in the N-glycosidase activity of neo-trichosanthin// Protein Eng. Nov- 12(11):999−1004. 1999
- London E. //How bactreial protein toxins enter cells: the role of partial infolding in membrane translocation// Mol. Microbiol., V.6, PP. 3277−3282,1992
- Lord J.M., Hartley M.R. and Roberts L.M.// Ribosome-inactivating proteins of plants. // Sem. Cell. Biol., V. 2, PP. 15−22,1991
- Lord J.M., Roberts L.M. //Retrograde transport: going against the flow// Curr. Biol., V. 8, PPR56-R58,1998
- Ma QJ, Li JH, Li HG, Wu S, Dong YC.// Crystal structure of beta-luffin, a ribosome-inactivating protein, at 2.0 A resolution.// Acta Crystallogr D Biol Crystallogr. Aug-59(Pt 8):1366−70,2003
- Matthews B.W. //Solvent content of protein crystals//. J. Mol. Biol., V.33, P. 491 -497, 1968
- McGrath MS, Hwang KM, Caldwell SE, Gaston I, Luk КС, Wu P, Ng VL, Crowe S, Daniels J, Marsh J, //GLQ223: an inhibitor of human immunodeficiency virus4
- Miller DJ, Ravikumar K, Shen H, Suh JK, Kerwin SM, Robertus JD. //Structure-based design and characterization of novel platforms for ricin and shiga toxin inhibition.// J. Med Chem 3−45(l):90−8 Jan 2002
- Montfort, W., Villafranca, J. E., Monzingo, A. F., Ernst, S. R., Katzin, В., Rutenber, E., Xoung, N. H., Hamlin, R. & Robertus, J. D // The three-dimensional structure of ricin at 2.8 A.//J Biol Chem. Apr 15−262(11):5398−403. 1987
- Monzingo A.F. and Robertus J.D.// X-ray analysis of substrate analogs in the ricin A-chain active site // J.Mol.biol., v.227, pp. 1136−1145,1992
- Monzingo AF, Collins EJ, Ernst SR, Irvin JD, Robertus JD. //The 2.5 A structure of pokeweed antiviral protein.//J Mol Biol. Oct 20−233(4):705−15,1993
- Navaza J.// AmoRe: an automated package for molecular replacement //Acta cryst, v.50, pp 157−163,1994
- Navaza J. (1987), Acta Cryst., A43, 645
- Navaza J. (1993), Acta Cryst., D49, 588
- Navaza J. & Saludjian P. //AMoRe: An Automated Molecular Replacement Program Package//, in Methods in Enzymology, 276, 581−594, Academic Press, 1997
- Parikh В A, Turner NE. //Antiviral activity of ribosome inactivating proteins in medicine// Mini Rev Med Chem. Jun-4(5):523−43. 2004
- Rajamohan F, Venkatachalam TK, Irvin JD, Uckun FM. //Pokeweed antiviral protein isoforms PAP-I, PAP-II, and PAP-III depurinate RNA of human immunodeficiency virus (HIV)-1//. Biochem Biophys Res Commun-260:453−8, 1999
- Rajamohan F, Matthew J. Pugmire, Igor V. Kurinov, and Fatih M. Uckun //Modeling and Alanine Scanning Mutagenesis Studies of Recombinant Pokeweed Antiviral Protein// J Biol Chem, Vol. 275, Issue 5, 3382−3390, February 4, 2000
- Ramachandran, G. N, Ramakrishnan. C, Sasisekharan, V. J.Mol. Biol, 7, 95−99, 1963
- Rapak A, Falnes P, Olsnes S. //Retrograde transport of mutant ricin to the endoplasmic reticulum with subsequent translocation to cytosol.//Proc.Natl.Acad.Sci.USA, V. 94, PP. 3783−3788,1997
- Ren J, Wang Y, Dong Y, Stuart D. //The N-glycosidase mechanism of ribosome-inactivating proteins implied by crystal structure of a-momorcharin//. Structure-2:7— 16. 1994
- Ready MP, Kim Y, Robertus JD. //Site-directed mutagenesis of ricinA chain and implications for the mechanism of action//. Proteins- 10:270−278, 199 171. Riezman H. // The ins and out of protein translocation// Science, v. 278, PP. 1728−1729, 1997
- Rini, J. M. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 24,551−577.1995
- Robertus, J. D. & Ready, M. P // Ricin В chain and discoidin I share a common primitive protein fold//J Biol Chem. 25- 259(22): 13 953−6. Nov 1984
- Rutenber and Robertas // Structure of ricin B-chain at 2,5 A resolution // Proteins, v. 10, pp.260−269,1991
- Schlossman, D., Withers, D., Welsh, P., Alexander, A., Robertus, J., & Frankel, A.
- Tahirov Т., Lu Т., Liaw Y., Chen Y., Lin J. //Crystal structure of abrin-a at 2.14 A. // J.Mol.Biol., v. 250, pp. 354−367,1995.
- Valter, C.A., Bartle, L.M., Leszyk, J.D., Lambert, .M. and Goldmacher J. Biol. Chem. 270,12 933−12 940,19951
- Watanabe K, Honjo E, Tsukamoto T, Funatsu G. //Fluorescence studies on the interaction of adenine with ricin A-chain.// FEBS Lett. Jun 15−304(2−3):249−51.1992
- Wesche J., Rapak A., Olsnes S. //Dependence of ricin toxicity on translocation of the toxin A chain from the endoplasmic reticulum to the cytosol. // J.Biol. Chem., v, 274, pp. 34 443−34 449,1999.
- Weston S., Tucker A., Thatcher D., Derbishire D., Pauptit R.// X-ray structure of recombinant ricin A-chain at 1,8A resolution // J.Mol.Biol., v.244, pp. 410−422,1994
- Wu S, Lu X, Zhu Y, Yang J, Dong Y.// N-glycosidase mechanism of trichosanthin//. Science China- 41:174−180. 1998
- Yamasaki N, Hatakeyama T, Funatsu G. Ricin D-saccharide interaction as studied by ultraviolet difference spectroscopy. J Biochem (Tokyo). 98(6): 1555−60., Dec 1985
- Yan L, Wu S, Li HG, Li JH, Wong RN, Shi QL, Dong YC. //Role of TYR70 in the N-glycosidase activity of neo-trichosanthin//. Toxicon. Jul-37(7):961−72,1999
- Xinjian Yan, Thomas Hollis, Maria Svinth, Philip Day Arthur F. Monzingo, George W. A. Milne and Jon D. Robertus //Structure-based Identification of a Ricin Inhibitor// J. Mol. Biol. 266,1043±1049,1997
- Yuan Y-R, He Y-N, Xiong J-P, Xia Z-X. //Three-dimensional structure of b-momorcharin at 2.55 A resolution//. Acta Crystallogr- D55:1144−1151.1999
- Xiong JP, Xia ZX, Zhang L, Ye GJ, Jin SW, Wang Y. // Crystallization and preliminary crystallographic study of beta-momorcharin.// J Mol Biol. Apr 29−238(2):284−5.1994
- Zentz C, Frenoy JP, Bourrillon R //Binding of galactose and lactose to ricin. Equilibrium studies.// Biochim Biophys Acta. 26- 536(1): 18−26., Sep 1978
- Zhan J., Stayton P., Press O. //Modificatication of ricin A chain, by addition of endoplasmic reticulum (KDEL) or Golgi (YQRL) retention sequences enhances its cytotoxicity and traslocation // Cancer Immunol., Immunother., V. 46, PP 55−60,1998
- Zhu G., Huang Q., Qian M., Tang Y. // Crystal structure of K-momorcharin in acetonitrile water mixture// Biochimica et Biophysica Acta 1548 152−158,20 011. БЛАГОДАРНОСТИ
- Автор приносит глубокую благодарность:
- С.В. Никонову и A.M. Михайлову за руководство работой, поддержку и помощь в анализе полученных результатов-
- А.Д. Никулину, Н. А. Невской О.С. Никонову, за помощь и ценные советы- Всему коллективу группы структурных исследований рибосомных белков Института белка (РАН) за прекрасную атмосферу, способствовавшую выполнению данной работы-
- Российскому Фонду Фундаментальных Исследований и Фонду Биомедицинских Исследований Ховарда Хьюза за финансовую поддержку данной работы.