Mannose-6-Phosphat-Rezeptor - Mannose 6-phosphate receptor

Die Mannose-6-Phosphat-Rezeptoren ( MPRs ) sind Transmembran- Glykoproteine , die Enzyme zu Lysosomen in Wirbeltieren lenken .

Mannose-6-Phosphat-Rezeptoren binden neu synthetisierte lysosomale Hydrolasen im trans-Golgi-Netzwerk (TGN) und geben sie an prä-lysosomale Kompartimente ab. Es gibt zwei verschiedene MPRs, einen von ~300kDa und einen kleineren, dimeren Rezeptor von ~46kDa. Der größere Rezeptor ist als kationenunabhängiger Mannose-6-Phosphat-Rezeptor ( CI-MPR ) bekannt, während der kleinere Rezeptor ( CD-MPR ) zweiwertige Kationen benötigt, um lysosomale Hydrolasen effizient zu erkennen. Während zweiwertige Kationen für die Ligandenbindung durch die humane CD-MPR nicht essentiell sind, wurde die Nomenklatur beibehalten.

Beide Rezeptoren binden terminales Mannose-6-Phosphat mit ähnlicher Affinität (CI-MPR = 7 µM, CD-MPR = 8 µM) und haben ähnliche Signale in ihren zytoplasmatischen Domänen für den intrazellulären Transport.

Geschichte

Elizabeth Neufeld untersuchte Patienten, deren Zellen mehrere Einschlusskörperchen aufwiesen . Aufgrund der großen Menge an Einschlusskörperchen nannte sie diesen Zustand I-Zell-Krankheit . Diese Einschlusskörper stellten Lysosomen dar, die mit unverdaulichem Material gefüllt waren. Zunächst dachte Neufeld, dass diese Patienten einen Mangel an lysosomalen Enzymen haben müssten . . Weitere Studien zeigten , dass alle lysosomalen Enzyme zwar hergestellt wurden , jedoch falsch auf sie abzielten . Anstatt zum Lysosom geschickt zu werden , wurden sie abgesondert. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass diese fehlgesteuerten Enzyme nicht phosphoryliert sind . Daher schlug Neufeld vor, dass die I-Zell-Krankheit durch einen Mangel an Enzymen verursacht wurde, die lysosomalen Enzymen ein spezifisches Mannose-6-Phosphat-Tag hinzufügen, damit sie auf das Lysosom gerichtet werden können .

Studien zur I-Zell-Krankheit führten zur Entdeckung der Rezeptoren , die an diesen spezifischen Tag binden. Zunächst wurde das CI-MPR durch Affinitätschromatographie entdeckt und isoliert . Wissenschaftler entdeckten jedoch, dass einige der lysosomalen Enzyme auch ohne CI-MPR das Lysosom erreichten . Dies führte zur Identifizierung eines anderen Mannose-6-phosphat-bindenden Rezeptors , des CD-MPR, der seinen Liganden in Gegenwart eines zweiwertigen Kations wie Mn ²⁺ bindet .

Die Gene für jeden Rezeptor wurden kloniert und charakterisiert. Es wird angenommen, dass sie sich aus dem gleichen Vorfahren-Gen entwickelt haben, da einige ihrer Intron / Exon- Grenzen konserviert sind und eine Homologie in ihren Bindungsdomänen besteht .

Funktion

Die Hauptfunktion der MPRs besteht darin, lysosomale Enzyme auf das Lysosom zu lenken .

Mechanismus des Targetings

Lysosomale Enzyme werden zusammen mit einer Reihe anderer sekretorischer Proteine im rauen endoplasmatischen Retikulum synthetisiert . Es wurde ein spezifisches Erkennungs-Tag entwickelt, um zu verhindern, dass diese schädlichen lysosomalen Enzyme sezerniert werden und um sicherzustellen, dass sie auf das Lysosom gerichtet sind. Dieses Tag ist ein Mannose-6-Phosphat-Rest.

Sobald das lysosomale Enzym wurde transloziert in den rauen endoplasmatischen Retikulum ein Oligosaccharid , bestehend aus Glc ₃ Man ₉ GlcNAc ₂ übertragen wird en bloc an das Protein. Das auf lysosomalen Enzymen vorhandene Oligosaccharid wird auf die gleiche Weise wie andere sekretorische Proteine ​​prozessiert, während es vom endoplasmatischen Retikulum zum cis- Golgi transloziert wird .

Ein Bild, das die Gesamtstruktur des CI-MPR und des CD-MPR anzeigt. Dieses Bild wurde aus einer "Einführung in die Glykobiologie" angepasst.

Im Trans -Golgi eine GlcNAc - Phosphotransferase ( EC 2.7.8.17 ) fügt einen GlcNAc -1- Phosphatrest an die 6-Hydroxylgruppe von einem spezifischen Mannose - Rest innerhalb der Oligosaccharid . Dies bildet einen Phosphodiester : Man-Phosphat-GlcNAc. Sobald der Phosphodiester gebildet wurde, wird das lysosomale Enzym durch den Golgi-Apparat zum trans- Golgi transloziert . Im trans- Golgi entfernt eine Phosphodiesterase ( EC 3.1.4.45 ) den GlcNAc- Rest, wodurch der Mannose-6-Phosphat-Tag freigelegt wird , wodurch es den lysosomalen Enzymen ermöglicht wird, an CI-MPR und CD-MPR zu binden. Der MPR-lysosomale Enzymkomplex wird in einem COPII-beschichteten Vesikel in ein prä-lysosomales Kompartiment, das als Endosom bekannt ist, transloziert . Dieses Targeting weg vom sekretorischen Weg wird durch das Vorhandensein eines spezifischen Sortiersignals, eines sauren Cluster/Dileucin-Motivs, in den zytoplasmatischen Schwänzen der MPRs erreicht. Beide MPRs binden ihre Liganden am effektivsten bei pH 6 – 7; Dadurch können die Rezeptoren an die lysosomalen Enzyme im trans- Golgi binden und in die angesäuerte Umgebung des Endosoms freisetzen . Sobald das Enzym vom Mannose-6-Phosphat-Rezeptor dissoziiert ist, wird es vom Endosom zum Lysosom transloziert, wo der Phosphat- Tag vom Enzym entfernt wird .

MPRs werden in den Lysosomen nicht gefunden ; sie zirkulieren hauptsächlich zwischen dem trans- Golgi-Netzwerk und den Endosomen . Das CI-MPR ist auch auf der Zelloberfläche vorhanden . Etwa 10-20% des CI-MPR finden sich an der Zellmembran. Seine Funktion besteht hier darin, alle mit Mannose-6-Phosphat markierten Enzyme einzufangen , die versehentlich in den sekretorischen Weg eingetreten sind. Sobald es an ein lysosomales Enzym bindet, wird der Rezeptor schnell internalisiert. Die Internalisierung wird durch ein Sortiersignal in seinem zytoplasmatischen Schwanz vermittelt – ein YSKV-Motiv. Dadurch wird sichergestellt, dass alle schädlichen lysosomalen Enzyme auf das Lysosom gerichtet werden .

Studien mit Knockout-Mäusen

CI-MPR

Mäuse, denen das CI-MPR fehlt, sterben am Tag 15 der Trächtigkeit aufgrund einer Herzhyperplasie . Die Mäuse leiden an Wachstumsstörungen, da sie den Spiegel an freiem IGF-II (insulinähnlicher Wachstumsfaktor Typ II) nicht regulieren können . Der Tod der Mäuse kann verhindert werden, wenn auch das IGF-II- Allel ausgeschaltet wird . Weitere Analysen der Embryonen zeigten auch , dass sie Defekte im Targeting von lysosomalen Enzymen aufweisen , da sie einen erhöhten Gehalt an phosphorylierten lysosomalen Enzymen in ihrem Fruchtwasser aufweisen . Ungefähr 70 % der lysosomalen Enzyme werden in Abwesenheit des CI-MPR sezerniert – dies deutet darauf hin, dass das CD-MPR seinen Verlust nicht kompensieren kann.

CD-MPR

Wenn die CD-MPR bei Mäusen ausgeschaltet wird, erscheinen sie gesund, abgesehen von der Tatsache, dass sie Defekte im Targeting mehrerer lysosomaler Enzyme aufweisen . Diese Mäuse weisen erhöhte Konzentrationen von phosphorylierten lysosomalen Enzymen in ihrem Blut auf und sie sammeln unverdautes Material in ihren Lysosomen an .

Aus diesen Knockout-Mäusen lässt sich ableiten, dass beide Rezeptoren für das effiziente Targeting lysosomaler Enzyme benötigt werden . Die lysosomalen Enzyme , die von den zwei verschiedenen Knockout- Zelllinien sezerniert werden , bilden zwei verschiedene Sätze. Dies legt nahe , dass jeder MPR bevorzugt mit einer Untergruppe lysosomaler Enzyme interagiert .

Struktur

CI-MPR und CD-MPR sind strukturell unterschiedliche Rezeptoren, sie teilen jedoch eine allgemeine allgemeine Struktur, da sie beide integrale Membranproteine ​​vom Typ I sind . Beide Rezeptoren haben eine große N-terminale extrazytoplasmatische Domäne, eine Transmembrandomäne und einen kurzen C-terminalen zytoplasmatischen Schwanz. Diese zytoplasmatischen Schwänze enthalten mehrere Sortiersignale; einige davon können entweder phosphoryliert oder palmitoyliert sein .

Die ersten 3 N-terminalen Domänen (Domänen 1, 2 und 3) des kationenunabhängigen Mannose-6-Phosphat-Rezeptors mit seinem gebundenen Liganden. Bild generiert aus PDB-Datei: = 1SZ0 1SZ0 mit PyMol.

CI-MPR : Der CI-MPR beträgt ~300 kDa. Die N-terminale extrazytoplasmatische Domäne enthält 15 zusammenhängende Kohlenhydrat-Erkennungsdomänen vom P-Typ. Sie werden als MRH-Domänen (Mannose-6-Phosphat-Rezeptorhomologie) bezeichnet. Die Domänen sind homolog, weil sie haben:

• Ein ähnlicher Größe - jede hat etwa 150 Aminosäurereste
• Konservierte Aminosäurereste – zwischen 14 und 38% Sequenzidentität
• Konservierte Positionierung von 6 spezifischen Cysteinresten , die an der Bildung von Disulfidbindungen beteiligt sind

Die Struktur von 7 der 15 Bereiche bestimmt worden ist , unter Verwendung von Röntgenkristallographie , und sie scheinen eine ähnliche zu teilen fold . Das CI-MPR liegt hauptsächlich als Dimer in der Membran vor . Es wurde gefunden, dass die Domänen 3, 5 und 9 an Mannose-6-Phosphat binden. Die Domänen 3 und 9 können mit hoher Affinität an Mannose-6-Phosphat binden . Domäne 5 bindet Man-6-Phosphat nur mit schwacher Affinität . Es wurde jedoch auch gezeigt, dass Domäne 5 an den Phosphodiester, Man-Phosphat-GlcNAc, bindet. Dies ist ein Sicherheitsmechanismus für die Zelle – es bedeutet, dass sie an lysosomale Enzyme binden kann , die der Wirkung des Enzyms entgangen sind, das den GlcNAc- Rest entfernt. Die Kombination dieser 3 Domänen ermöglicht es dem CI-MPR, an eine breite Palette von phosphorylierten Glykanstrukturen zu binden . Domäne 11 bindet an IGF-II .

CD-MPR : Der CD-MPR ist viel kleiner als der CI-MPR – er beträgt nur ~46 kDa. Seine N-terminale extrazytoplasmatische Domäne enthält nur 1 Kohlenhydrat-Erkennungsdomäne vom P-Typ. Das CD-MPR existiert hauptsächlich als Dimer in der Membran . Es wird jedoch angenommen, dass auch monomere und tetramere Formen existieren. Das Gleichgewicht zwischen diesen verschiedenen Oligomeren wird durch pH , Temperatur und Anwesenheit von Mannose-6-Phosphat-Resten beeinflusst. Jedes Monomer bildet ein 9-strängiges ß-Fass, das an einen einzelnen Mannose-6-Phosphat-Rest binden kann.

Der kationenabhängige Mannose-6-Phosphat-Rezeptor mit seinem gebundenen Liganden. Die violette Kugel repräsentiert das Kation Mn ²⁺ . Bild generiert aus PDB-Datei: = 1C39 1C39 mit PyMol.

Mannose-6-Phosphat-Bindung

CI-MPR und CD-MPR binden Mannose-6-Phosphat auf ähnliche Weise. Sowohl einen Satz bilden Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Schlüsselresten und charakteristischen Hydroxyl - Gruppen auf dem Mannose - Rest ist . Wasserstoffbrückenbindungen zu Hydroxylgruppen an den Positionen 2, 3 und 4 machen die Stelle allein für Mannose spezifisch .

Beide MPRs teilen sich 4 Reste, die für die Ligandenbindung essentiell sind. Die Mutation eines dieser Reste führt zum Verlust der Mannose-6-Phosphat-Bindung. Diese Reste sind Glutamin , Arginin , Glutaminsäure und Tyrosin und sind für die Bildung der Wasserstoffbrücken verantwortlich , die mit spezifischen Hydroxylgruppen im Mannoserest in Kontakt treten .

Auf lysosomalen Enzymen kann ein breites Spektrum an N-Glykan- Strukturen vorhanden sein. Diese Glykane können variieren in:

• Typ – hybride oder mannosereiche Strukturen
• Größe
• Vorhandensein des Phosphomonoesters (Mannose-6-Phosphat) oder Phosphodiester (Man-Phosphat-GlcNAc)
• Anzahl Mannose-6-Phosphat-Tags
• Lage des Mannose-6-Phosphat-Tags

CI-MPR und CD-MPR sind in der Lage, an diesen breiten Bereich von N-Glycan- Strukturen zu binden, indem sie eine unterschiedliche Bindungsstellenarchitektur aufweisen. Die MPRs binden auch auf etwas andere Weise an die Phosphatgruppe . Domäne 3 des CI-MPR verwendet Ser- 386 und ein geordnetes Wassermolekül, um an die Phosphateinheit zu binden . Andererseits verwendet die CD-MPR die Reste Asp- 103, Asn- 104 und His- 105, um günstige Wasserstoffbrückenbindungen an die Phosphatgruppe zu bilden. Der CD-MPR enthält auch ein zweiwertiges Kation Mn ^{2+ ,} das mit der Phosphateinheit günstige Wasserstoffbrückenbindungen bildet .

CI-MPR und Krebs

Es ist gut bekannt, dass CI-MPR Mannose-6-Phosphat bindet, aber es gibt eine wachsende Zahl von Beweisen, die nahelegen, dass CI-MPR auch an unglykosyliertes IGF-II bindet . Es wird angenommen, dass, wenn das CI-MPR auf der Zelloberfläche vorhanden ist , die Domäne 11 an jegliches IGF-II bindet, das frei in der extrazellulären Matrix ist . Der Rezeptor wird dann zusammen mit IGF-II durch ein YSKV-Motiv, das im zytoplasmatischen Schwanz des CI-MPR vorhanden ist, schnell internalisiert . IGF-II wird dann auf das Lysosom gerichtet, wo es abgebaut wird. Dies reguliert den Spiegel an freiem IGF-II im Körper.

Diese Funktion des CI-MPR wurde durch die Verwendung von Knockout-Mäusen bestimmt . Es wurde beobachtet, dass CI-MPR-defiziente Mäuse einen erhöhten Spiegel an freiem IGF-II und vergrößerte Organe aufwiesen (etwa 30 % Größenzunahme). Diese Mäuse sterben am Tag 15 der Trächtigkeit aufgrund einer Herzhyperplasie . Der Tod der Mäuse konnte verhindert werden, wenn auch das IGF-II- Allel ausgeschaltet wurde. Wenn das CI-MPR und das IGF-II- Allel ausgeschaltet sind, wird normales Mauswachstum beobachtet, da kein Wachstumsfaktor mehr vorhanden ist, der reguliert werden muss.

Aufgrund der Fähigkeit von CI-MPR, die IGF-II- Spiegel zu modulieren, wurde vorgeschlagen, dass es eine Rolle als Tumorsuppressor spielen könnte . Studien zu multiplen Krebserkrankungen beim Menschen haben gezeigt, dass ein Verlust der CI-MPR-Funktion mit einer Progression der Tumorgenese einhergeht . Der Verlust der Heterozygotie (LOH) am CI-MPR-Locus wurde bei mehreren Krebsarten einschließlich Leber und Brust gezeigt . Dies ist jedoch ein relativ neues Konzept, und es müssen noch viele weitere Studien den Zusammenhang zwischen CI-MPR und Krebs untersuchen .

Verweise

Weiterlesen

Externe Links

• Forschungsinformationen zu Lektinen des Imperial College
• UniProtKB/ Swiss-Prot-Eintrag für den humanen kationenunabhängigen Mannose-6-Phosphat-Rezeptor
• UniProtKB/ Swiss-Prot-Eintrag für den humanen kationenabhängigen Mannose-6-Phosphat-Rezeptor
• PDBe-KB bietet einen Überblick über alle in der PDB verfügbaren Strukturinformationen für den humanen Kationen-unabhängigen Mannose-6-Phosphat-Rezeptor