Glutamate–cystéine ligase - Glutamate–cysteine ligase

glutamate–cystéine ligase
Identifiants
CE n° 6.3.2.2
N ° CAS. 9023-64-7
Bases de données
IntEnz Vue IntEnz
BRENDA Entrée BRENDA
ExPASy Vue NiceZyme
KEGG Entrée KEGG
MétaCycle voie métabolique
PRIAM profil
Structures de l' APB RCSB PDB PDBe PDBsum
Ontologie des gènes AmiGO / QuickGO

La glutamate cystéine ligase (GCL) ( EC 6.3.2.2 ), anciennement connue sous le nom de gamma-glutamylcystéine synthétase (GCS), est la première enzyme de la voie de biosynthèse du glutathion cellulaire (GSH) qui catalyse la réaction chimique :

L -glutamate + L -cystéine + ATP gamma-glutamyl cystéine + ADP + P i

Le GSH, et par extension le GCL, est essentiel à la survie cellulaire. Presque toutes les cellules eucaryotes, des plantes à la levure en passant par l'homme, expriment une forme de la protéine GCL dans le but de synthétiser le GSH. Pour souligner davantage la nature critique de cette enzyme, le knockdown génétique de la GCL entraîne une létalité embryonnaire. De plus, le dérèglement de la fonction et de l'activité enzymatiques du GCL est connu pour être impliqué dans la grande majorité des maladies humaines, telles que le diabète, la maladie de Parkinson, la maladie d'Alzheimer, la MPOC, le VIH/SIDA et le cancer. Cela implique généralement une altération de la fonction entraînant une diminution de la biosynthèse du GSH, une capacité antioxydante cellulaire réduite et l'induction d'un stress oxydatif. Cependant, dans le cancer, l'expression et l'activité de la GCL sont améliorées, ce qui sert à la fois à soutenir le niveau élevé de prolifération cellulaire et à conférer une résistance à de nombreux agents chimiothérapeutiques.

Une fonction

La glutamate cystéine ligase (GCL) catalyse la première étape limitante de la production du glutathion antioxydant cellulaire (GSH), impliquant la condensation dépendante de l'ATP de la cystéine et du glutamate pour former le dipeptide gamma-glutamylcystéine (γ-GC). Ce couplage peptidique est unique en ce qu'il se produit entre la fraction amino de la cystéine et l'acide carboxylique terminal de la chaîne latérale du glutamate (d'où le nom de gamma-glutamyl cystéine). Cette liaison peptidique est résistante au clivage par les peptidases cellulaires et nécessite une enzyme spécialisée, la gamma-glutamyl transpeptidase (γGT), pour métaboliser la γ-GC et le GSH en ses acides aminés constitutifs.

L'activité enzymatique du GCL dicte généralement les niveaux de GSH cellulaire et la capacité de biosynthèse du GSH. L'activité enzymatique de la GCL est influencée par de nombreux facteurs, y compris l'expression cellulaire des protéines de la sous-unité GCL, l'accès aux substrats (la cystéine est généralement limitante dans la production de -GC), le degré de rétro-inhibition par le GSH et les effets post-traductionnels pertinents sur le plan fonctionnel. modifications de sites spécifiques sur les sous-unités GCL. Compte tenu de son statut d'enzyme limitant la vitesse de la biosynthèse du GSH, les modifications de l'activité de la GCL correspondent directement à des modifications de la capacité de biosynthèse cellulaire du GSH. Par conséquent, les stratégies thérapeutiques visant à modifier la production de GSH se sont concentrées sur cette enzyme.

Régulation

En accord avec son importance critique dans le maintien de la vie, GCL est soumis à une régulation à plusieurs niveaux de son expression, sa fonction et son activité. L'expression de la GCL est régulée aux niveaux transcriptionnel (transcription de l'ADN GCLC et GCLM pour produire de l'ARNm), post-transcriptionnel (la stabilité de l'ARNm dans le temps), traductionnel (transformation de l'ARNm en protéine) et post-traductionnel (impliquant des modifications à l'existant protéines). Bien que l'expression constitutive de base soit nécessaire pour maintenir la viabilité cellulaire, l'expression des sous-unités GCL est également inductible en réponse au stress oxydatif , à l'épuisement du GSH et à l'exposition à des produits chimiques toxiques, les facteurs de transcription Nrf2 , AP-1 et NF-κB régulant la expression inductible et constitutive des deux sous-unités

En termes de régulation fonctionnelle enzymatique, le GSH lui-même agit comme un inhibiteur rétroactif de l'activité GCL. Sous des concentrations physiologiques normales de substrat, le monomère GCLC seul peut synthétiser la gamma-glutamylcystéine ; cependant, les niveaux physiologiques normaux de GSH (estimés à environ 5 mM) dépassent de loin le GSH K i pour GCLC, suggérant que seule l'holoenzyme GCL est fonctionnelle dans les conditions de base. Cependant, lors d'un stress oxydatif ou d'agressions toxiques pouvant entraîner l'épuisement du GSH cellulaire ou son oxydation en disulfure de glutathion (GSSG), la fonction de tout GCLC monomère dans la cellule est susceptible de devenir assez importante. À l'appui de cette hypothèse, les souris dépourvues d'expression de la sous-unité GCLM en raison d'un knockdown génétique présentent de faibles niveaux de GSH tissulaire (~ 10-20% du niveau normal), ce qui correspond à peu près au niveau du GSH K i pour le GCLC monomère.

Structure

Glutamate–cystéine ligase animale

La glutamate cystéine ligase (GCL) animale est une enzyme hétérodimère composée de deux sous-unités protéiques codées par des gènes indépendants situés sur des chromosomes distincts :

  • La sous-unité catalytique de la glutamate cystéine ligase ( GCLC , ~73 kDa) possède tous les sites de liaison au substrat et au cofacteur et est responsable de toute la catalyse.
  • La sous-unité de modification de la glutamate cystéine ligase ( GCLM , ~31 kDa) n'a pas d'activité enzymatique en elle-même mais augmente l'efficacité catalytique de la GCLC lorsqu'elle est complexée dans l'holoenzyme.

Dans la majorité des cellules et des tissus, l'expression de la protéine GCLM est inférieure à celle de la GCLC et la GCLM est donc limitante dans la formation du complexe holoenzymatique. Ainsi, la somme totale de l'activité GCL cellulaire est égale à l'activité de l'holoenzyme + l'activité du GCLC monomère restant. composé d'une sous-unité catalytique et d'une sous-unité modulatrice. La sous-unité catalytique est nécessaire et suffisante pour toute activité enzymatique GCL, tandis que la sous-unité modulatrice augmente l'efficacité catalytique de l'enzyme. Les souris dépourvues de la sous-unité catalytique (c'est-à-dire dépourvues de toute synthèse de novo de GSH) meurent avant la naissance. Les souris dépourvues de la sous-unité modulatrice ne présentent aucun phénotype évident, mais présentent une diminution marquée du GSH et une sensibilité accrue aux agressions toxiques.


Glutamate cystéine ligase végétale

La glutamate cystéine ligase végétale est une enzyme homodimère sensible à l'oxydoréduction , conservée dans le règne végétal. Dans un environnement oxydant, des ponts disulfures intermoléculaires se forment et l'enzyme passe à l'état actif dimère. Le potentiel médian de la paire critique de cystéine est de -318 mV. En plus du contrôle redox-dépendant, l'enzyme GCL végétale est rétro-inhibée par le glutathion. La GCL est exclusivement localisée dans les plastes et la glutathion synthétase (GS) est doublement ciblée sur les plastes et le cytosol, ainsi le GSH et la gamma-glutamylcystéine sont exportés des plastes. Les deux enzymes de biosynthèse du glutathion sont essentielles dans les plantes ; les knock-outs de GCL et de GS sont mortels pour l'embryon et la plantule.

À la fin de 2007, 6 structures ont été résolues pour cette classe d'enzymes, avec les codes d'accession PDB 1V4G , 1VA6 , 2D32 , 2D33 , 2GWC et 2GWD .

Les références