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甲拌磷寡肽酶

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甲拌磷寡肽酶
識別碼
EC編號 3.4.24.15
CAS號 110639-28-6
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甲拌磷寡肽酶（英語：Thimet oligopeptidase，EC編號：EC3.4.24.15），又稱TOP，是一種M3金屬蛋白酶。[1] 這些酶存在於動植物中，具有獨特的功能。在動物和人類中，它們參與肽的降解，如緩激肽、神經降壓素、血管緊張素I和Aβ肽，有助於調節生理過程。[2] 在植物中，它們的作用與靶向肽的降解和通過水楊酸依賴性應激信號傳導對病原體的免疫反應有關。在擬南芥中，TOP1和2已被確定為植物中水楊酸結合的靶標。[3][4] 這些TOP是了解水楊酸介導的信號傳導的關鍵成分，其中存在與不同成分的相互作用並且大多數途徑是未知的。

名字與起源

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在英語中，Thimet是Thiolsensitive metalo的縮寫。這組酶曾有許多名字，包括但不限於可溶性金屬蛋白酶（soluble metalloproteinase）、Pz-肽酶（Pz-peptidase）、膠原酶樣肽酶（collagenase-like peptidase）、硫美特肽酶和內肽酶24.15（endopeptidase 24.15）、金屬內肽酶（Metalloendoprptidase）等。[5][6]在1992 年，國際生物化學與分子生物學聯盟提出了「硫柳肽寡肽酶」作為這組酶的名稱，並保留下來。[5]

TOP於1983年第一次從大鼠腦勻漿中發現並純化。[7]如今，已知TOP主要分佈在人和大鼠的垂體、大腦和睾丸中。[8]在植物中，特別是擬南芥，這些酶最近被發現是20S蛋白酶體和水楊酸結合蛋白的一部分。[3][4][9]

家族

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甲拌磷寡肽酶是屬於MA族、MA亞族（E）、M3族和M3A亞族的金屬肽酶。M3家族由8個其他成員組成，例如神經溶素（EC 3.4.24.16）、糖溶素（EC:3.4.24.37）、寡肽酶MepB、寡肽酶A、寡肽酶F、寡肽酶PepB等。這些酶在原核生物和真核生物中都發揮着重要作用。

擬南芥甲拌磷寡肽酶

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在擬南芥中發現了三種類型的TOP，分別是位於線粒體和葉綠體中的TOP1（也稱為 OOP、細胞器寡肽酶、TOPorg和Thimet Metalloendopeptidase 1），具有AT5G65620基因；位於胞質溶膠中的TOP2(也被稱為Thimet Metalloendopeptidase 2），具有AT5G10540基因，這兩種酶的獨特基因在果蠅、蚊子和水稻中也得以保留；以及位於胞質溶膠的TOPL（TOP-Like），具有AT1G67690基因。[3][10][9]

這些TOP與哺乳動物組織中的相似。擬南芥的TOP1和TOP2與老鼠TOP更相似，氨基酸序列相似度為 28%，而TOPL與小鼠溶血素更相似，氨基酸序列相似度為 34%。[4][9]

生物化學性質

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甲拌磷寡肽酶是在氨基酸序列中具有保守序列His-Glu-X-X-His的M3肽酶。[11]這些酶需要硫醇和鋅的存在才能發揮其功能。在擬南芥中三種公認的甲拌磷寡肽酶中，只有TOP1和TOP2是參與水楊酸免疫系統反應的TOP酶。它們能夠在在6.5至8.5的pH值範圍內廣泛地發揮作用。[12]TOP酶具有結合併形成二聚體的能力，因此它們可以作為單體和二聚體存在。[12]

TOP1和TOP2被認為是在蛋白質序列中具有93%相似性的同源物。它們的結構有兩個域。然而，由於結構域I中螺旋α6、α9和 α20的位置不同，這些結構域在TOP1中比在TOP2中更接近。因此，TOP1具有封閉形式，TOP2則具有開放形式。與TOP1不同，TOP2在其序列中不包含N端富含絲氨酸的區域。根據細胞內的定位，TOP1被認為是一種具有雙重定位的細胞器寡肽酶，而TOP2 被命名為細胞溶質寡肽酶。[4][13]

在植物中的功能與相互作用

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肽降解

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TOP1在蛋白質輸入線粒體和葉綠體期間，將不需要的肽降解。這個功能可以解釋為TOP1結構閉合構象的變化。由結構域I和II生成的球形代表體積約為3000 Å3的催化腔。在肽降解過程中，只有當兩個結構域分開時才能發生底物結合，從而允許游離靶向肽進入並結合到空腔（活性位點）。酶底物複合物由幾種非共價作用力維持：疏水和極性相互作用。該過程受到肽的大小的限制。因此，只有體積大致相同（約3,000 Å3）的肽才能被酶降解。可被切割的肽為8至23個氨基酸殘基。[13]

此外，有人提出TOP1也發生在其他類型肽的降解中。該酶能消除細胞器線粒體和葉綠體中未摺疊或受損的蛋白質。在蛋白質的切割過程中，酶可以分解肽片段，無需任何嚴格的序列要求，僅受肽大小的限制。[13]

TOP2是發生在胞質溶膠中的蛋白水解活性的一部分。在擬南芥中，該酶通過分解5到17個氨基酸殘基之間的肽，在對氧化應激的反應和氧化蛋白質的降解中發揮作用。[9]

壓力信號和免疫反應

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水楊酸，被認為是一種酚類化合物，參與植物內的不同生物過程。這種化合物與其他激素一起有助於生長和發育調節。此外，它們也可以維持植物免疫反應。[14]為了對抗病原體攻擊和壓力，水楊酸信號激活模式觸發免疫（PTI）[15]、效應觸發免疫 (ETI）[15]和細胞程序性死亡（PCD）。TOP1和TOP2已顯示出與水楊酸相互作用並介導系統中水楊酸活性的能力。[12]體外實驗表明，當這些酶缺失或有缺陷時，對於病原體感染的脆弱性更高。[3][4]

TOP蛋白水解活性受其單體/二聚體關係的影響。氧化環境會增加二聚體形式並導致蛋白水解活性抑制，同時減少環境，刺激單體積累，然後有利於TOP酶活性。在壓力條件下，活性氧類（ROS）的產生增加，對光合作用和PCD造成損害。[4]TOP酶可以調解這種不利條件的反應。TOP1可以調節抗氧化酶向葉綠體的輸入。這些抗氧化酶可降低細胞器內的ROS水平。也有人提出看法指TOP1可以輸入能夠催化水楊酸合成的酶。另一方面，TOP2能控制胞質溶膠中對PCD很重要的信號肽的數量。[12]氧化損傷，例如鎘 （Cd2+）壓力將會會產生氧化蛋白質，必須將其去除以防止細胞進一步受損。而TOP2有助於降解這些受損蛋白質。該酶通過針對在壓力期間暴露的氨基酸殘基來降解肽。[9]

外源性水楊酸與甲拌磷寡肽酶之間的相互作用

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在植物中，內源性水楊酸的激活可以通過外源性水楊酸進行。低於10 μM的低水平外源性水楊酸有助於減少非生物壓力造成的損害並增加光合作用。相反，高水平的外源性水楊酸會降低光合作用並導致細胞死亡。這種大量的外源性水楊酸與TOP酶相互作用並導致它們的酶活性降低。在5 mN外源性水楊酸的存在下，TOP1和TOP2活性降低了大約60%。這種酚類化合物通過非競爭機制抑制TOP酶，其中水楊酸結合在與活性位點不同的位點。反應的類型的特徵在於最大速度 (Vmax) 降低，而米氏常數 (Km) 保持不變。[3][4]

參考文獻

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  1. ^ Rawlings, Neil D.; Barrett, Alan J. [13] Evolutionary families of metallopeptidases. Methods in Enzymology. Proteolytic Enzymes: Aspartic and Metallo Peptidases 248. Academic Press. 1995-01-01: 183–228 （英語）. 
  2. ^ Ray, Kallol; Hines, Christina S.; Coll-Rodriguez, Jerry; Rodgers, David W. Crystal Structure of Human Thimet Oligopeptidase Provides Insight into Substrate Recognition, Regulation, and Localization *. Journal of Biological Chemistry. 2004-05-07, 279 (19). ISSN 0021-9258. PMID 14998993. doi:10.1074/jbc.M400795200 （English）. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 Moreau, Magali; Westlake, Timothy; Zampogna, Giulio; Popescu, George; Tian, Miaoying; Noutsos, Christos; Popescu, Sorina. The Arabidopsis oligopeptidases TOP1 and TOP2 are salicylic acid targets that modulate SA-mediated signaling and the immune response. The Plant Journal. 2013-11, 76 (4) [2022-09-12]. doi:10.1111/tpj.12320. （原始內容存檔於2022-09-12） （英語）. 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 Zampogna, Giulio. Arabidopsis Salicylic Acid-Binding Metalloendopeptidases TOP1 and TOP2 Regulate H2O2 Accumulation and Programmed Cell Death during the Immune Response against the Bacterial Pathogen Pseudomonas syringae. 2013-06-18 [2022-09-12]. （原始內容存檔於2022-09-12） （美國英語）. 
  5. ^ 5.0 5.1 Barrett AJ, Rawlings ND, Woessner JF. Handbook of Proteolytic Enzymes. Academic Press. 2012-10-30 [2022-09-12]. ISBN 9780123822208. （原始內容存檔於2022-09-12） （英語）. 
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  9. ^ 9.0 9.1 9.2 9.3 9.4 Polge, Cécile; Jaquinod, Michel; Holzer, Frances; Bourguignon, Jacques; Walling, Linda; Brouquisse, Renaud. Evidence for the Existence in Arabidopsis thaliana of the Proteasome Proteolytic Pathway. The Journal of Biological Chemistry. 2009-12-18, 284 (51) [2022-09-12]. ISSN 0021-9258. PMC 2790970 可免費查閱. PMID 19822524. doi:10.1074/jbc.M109.035394. （原始內容存檔於2022-09-12）. 
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