Photphát, Inositol và Polyphtalat
Tóm tắt
Tế bào eukaryote đã sử dụng cấu trúc myo-inositol để tạo ra một loạt các phân tử tín hiệu đa dạng. Điều này được thực hiện bằng cách sắp xếp các nhóm photphát xung quanh vòng inositol có sáu carbon. Hầu như không có quá trình sinh học nào mà không tận dụng kiến trúc thay đổi độc đáo của inositol phosphoryl. Trong sinh học inositol, photphát có khả năng hình thành ba liên kết cộng hóa trị khác nhau: liên kết photphát este, liên kết photphát diester và liên kết photphát anhydride, mỗi loại mang lại các tính chất khác nhau. Liên kết photphát este kết nối các nhóm photphát với vòng inositol, cách sắp xếp biến đổi của nó hình thành cơ sở cho khả năng tín hiệu của các inositol photphát. Các nhóm photphát cũng có thể tạo thành cầu cấu trúc giữa myo-inositol và diacylglycerol thông qua liên kết photphát diester. Các inositol photphát liên kết với lipid, hay còn gọi là phosphoinositides, đã mở rộng thêm tiềm năng tín hiệu của gia đình phân tử này. Cuối cùng, inositol cũng đáng chú ý vì khả năng của nó có thể chứa nhiều nhóm photphát hơn số carbon mà nó có. Những phân tử hữu cơ kỳ lạ này thường được gọi là photphát inositol pyrophosphate (PP-IPs), nhờ vào sự hiện diện của các liên kết photphát anhydride năng lượng cao (pyro- hoặc diphospho-). PP-IPs bản thân nó cấu thành một gia đình phân tử đa dạng với một hoặc nhiều nhóm pyrophosphate đặt xung quanh inositol. Xét về mối quan hệ giữa photphát và inositol, không có gì ngạc nhiên khi các thành viên của gia đình inositol photphát cũng điều chỉnh cân bằng photphát trong tế bào. Đáng chú ý, PP-IPs đóng một vai trò cơ bản trong việc kiểm soát chuyển hóa dạng polymer vô cơ cổ đại của photphát, polyphosphate vô cơ (polyP). Ở đây, chúng tôi khám phá những liên kết mật thiết giữa photphát, inositol photphát và polyP, suy diễn về sự tiến hóa của những mối quan hệ này.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Moreno, 2013, Polyphosphate and its diverse functions in host cells and pathogens, PLoS Pathog, 9, e1003230, 10.1371/journal.ppat.1003230
Azevedo, 2014, Functions of inorganic polyphosphates in eukaryotic cells: a coat of many colours, Biochem. Soc. Trans., 42, 98, 10.1042/BST20130111
Thota, 2015, The emerging roles of PP-IPs in eukaryotic cell physiology, J. Biosci., 40, 593, 10.1007/s12038-015-9549-x
Manning, 2002, The protein kinase complement of the human genome, Science, 298, 1912, 10.1126/science.1075762
Elias, 2012, The molecular basis of phosphate discrimination in arsenate-rich environments, Nature, 491, 134, 10.1038/nature11517
Dick, 2014, Inorganic phosphate uptake in unicellular eukaryotes, Biochim. Biophys. Acta, 1840, 2123, 10.1016/j.bbagen.2014.03.014
Kornberg, 1999, Inorganic polyphosphate: a molecule of many functions, Annu. Rev. Biochem., 68, 89, 10.1146/annurev.biochem.68.1.89
Hothorn, 2009, Catalytic core of a membrane-associated eukaryotic polyphosphate polymerase, Science, 324, 513, 10.1126/science.1168120
Zhang, 2007, Polyphosphate kinase 1, a conserved bacterial enzyme, in a eukaryote, Dictyostelium discoideum, with a role in cytokinesis, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 104, 16486, 10.1073/pnas.0706847104
Wurst, 1995, The gene for a major exopolyphosphatase of Saccharomyces cerevisiae, J. Bacteriol., 177, 898, 10.1128/jb.177.4.898-906.1995
Tammenkoski, 2008, Human metastasis regulator protein H-prune is a short-chain exopolyphosphatase, Biochemistry, 47, 9707, 10.1021/bi8010847
Lonetti, 2011, Identification of an evolutionarily conserved family of inorganic polyphosphate endopolyphosphatases, J. Biol. Chem., 286, 31966, 10.1074/jbc.M111.266320
McLennan, 2006, The Nudix hydrolase superfamily, Cell Mol. Life Sci., 63, 123, 10.1007/s00018-005-5386-7
Brown, 2008, The long and short of it–polyphosphate, PPK and bacterial survival, Trends Biochem. Sci., 33, 284, 10.1016/j.tibs.2008.04.005
Lander, 2013, Trypanosoma brucei vacuolar transporter chaperone 4 (TbVtc4) is an acidocalcisome polyphosphate kinase required for in vivo infection, J. Biol. Chem., 288, 34205, 10.1074/jbc.M113.518993
Ghosh, 2013, Inositol hexakisphosphate kinase 1 maintains hemostasis in mice by regulating platelet polyphosphate levels, Blood, 122, 1478, 10.1182/blood-2013-01-481549
Michell, 2008, Inositol derivatives: evolution and functions, Nat. Rev. Mol. Cell. Biol., 9, 151, 10.1038/nrm2334
Goncalves, 2012, Evolution of the biosynthesis of di-myo-inositol phosphate, a marker of adaptation to hot marine environments, Environ. Microbiol., 14, 691, 10.1111/j.1462-2920.2011.02621.x
Fisher, 2002, Inositol and higher inositol phosphates in neural tissues: homeostasis, metabolism and functional significance, J. Neurochem., 82, 736, 10.1046/j.1471-4159.2002.01041.x
York, 2006, Regulation of nuclear processes by inositol polyphosphates, Biochim. Biophys. Acta., 1761, 552, 10.1016/j.bbalip.2006.04.014
Balla, 2013, Phosphoinositides: tiny lipids with giant impact on cell regulation, Physiol. Rev., 93, 1019, 10.1152/physrev.00028.2012
Shears, 2009, Diphosphoinositol polyphosphates: metabolic messengers?, Mol. Pharmacol., 76, 236, 10.1124/mol.109.055897
Losito, 2009, PP-IPs and their unique metabolic complexity: analysis by gel electrophoresis, PLoS One, 4, e5580, 10.1371/journal.pone.0005580
Pisani, 2014, Analysis of Dictyostelium discoideum inositol pyrophosphate metabolism by gel electrophoresis, PLoS One, 9, e85533, 10.1371/journal.pone.0085533
Hammond, 2015, Polyphosphoinositide binding domains: key to inositol lipid biology, Biochim. Biophys. Acta, 1851, 746, 10.1016/j.bbalip.2015.02.013
Di Paolo, 2006, Phosphoinositides in cell regulation and membrane dynamics, Nature, 443, 651, 10.1038/nature05185
Posternak, 1919, Sur la synthése de lether hexaphosphorique de l'inosite avec le principe phosphoorganique de réserve des plantes vertes, Compt. Rend. Acad. Sci., 169, 138
Streb, 1983, Release of Ca2+ from a nonmitochondrial intracellular store in pancreatic acinar cells by inositol-1,4,5-trisphosphate, Nature, 306, 67, 10.1038/306067a0
Gillaspy, 2013, The role of phosphoinositides and inositol phosphates in plant cell signaling, Adv. Exp. Med. Biol., 991, 141, 10.1007/978-94-007-6331-9
Schell, 2010, Inositol trisphosphate 3-kinases: focus on immune and neuronal signaling, Cell Mol. Life Sci., 67, 1755, 10.1007/s00018-009-0238-5
Gonzalez, 2010, Inositol 1,3,4,5,6-pentakisphosphate 2-kinase is a distant IPK member with a singular inositide binding site for axial 2-OH recognition, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 107, 9608, 10.1073/pnas.0912979107
Gonzalez, 2004, Structure of a human inositol 1,4,5-trisphosphate 3-kinase: substrate binding reveals why it is not a phosphoinositide 3-kinase, Mol. Cell., 15, 689, 10.1016/j.molcel.2004.08.004
Miller, 2005, Specificity determinants in inositol polyphosphate synthesis: crystal structure of inositol 1,3,4-trisphosphate 5/6-kinase, Mol. Cell, 18, 201, 10.1016/j.molcel.2005.03.016
Wang, 2014, IP6K structure and the molecular determinants of catalytic specificity in an inositol phosphate kinase family, Nat. Commun., 5, 4178, 10.1038/ncomms5178
Mulugu, 2007, A conserved family of enzymes that phosphorylate inositol hexakisphosphate, Science, 316, 106, 10.1126/science.1139099
Saiardi, 1999, Synthesis of diphosphoinositol pentakisphosphate by a newly identified family of higher inositol polyphosphate kinases, Curr. Biol., 9, 1323, 10.1016/S0960-9822(00)80055-X
Bennett, 2006, PP-IPs: metabolism and signaling, Cell Mol. Life Sci., 63, 552, 10.1007/s00018-005-5446-z
Seeds, 2005, Molecular definition of a novel inositol polyphosphate metabolic pathway initiated by inositol 1,4,5-trisphosphate 3-kinase activity in Saccharomyces cerevisiae, J. Biol. Chem., 280, 27654, 10.1074/jbc.M505089200
Saiardi, 2002, PP-IPs regulate endocytic trafficking, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 99, 14206, 10.1073/pnas.212527899
Burton, 2013, PP-IPs regulate JMJD2C-dependent histone demethylation, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 110, 18970, 10.1073/pnas.1309699110
Worley, 2013, PP-IPs regulate cell growth and the environmental stress response by activating the HDAC Rpd3L, Cell Rep., 3, 1476, 10.1016/j.celrep.2013.03.043
Chakraborty, 2010, PP-IPs inhibit Akt signaling, thereby regulating insulin sensitivity and weight gain, Cell, 143, 897, 10.1016/j.cell.2010.11.032
Morrison, 2009, Gene deletion of inositol hexakisphosphate kinase 2 predisposes to aerodigestive tract carcinoma, Oncogene, 28, 2383, 10.1038/onc.2009.113
Fu, 2015, Inositol hexakisphosphate kinase-3 regulates the morphology and synapse formation of cerebellar Purkinje cells via spectrin/adducin, J. Neurosci., 35, 11056, 10.1523/JNEUROSCI.1069-15.2015
Szijgyarto, 2011, Influence of PP-IPs on cellular energy dynamics, Science, 334, 802, 10.1126/science.1211908
Norbis, 1997, Identification of a cDNA/protein leading to an increased Pi-uptake in Xenopus laevis oocytes, J. Membr. Biol., 156, 19, 10.1007/s002329900183
Schell, 1999, PiUS (Pi uptake stimulator) is an inositol hexakisphosphate kinase, FEBS Lett., 461, 169, 10.1016/S0014-5793(99)01462-3
de Boer, 2009, Serum phosphorus concentrations in the third National Health and Nutrition Examination Survey (NHANES III), Am. J. Kidney Dis., 53, 399, 10.1053/j.ajkd.2008.07.036
Saiardi, 2012, How PP-IPs control cellular phosphate homeostasis?, Adv. Biol. Regul., 52, 351, 10.1016/j.jbior.2012.03.002
Case, 2007, Evolution of calcium homeostasis: from birth of the first cell to an omnipresent signalling system, Cell Calcium, 42, 345, 10.1016/j.ceca.2007.05.001
Williams, 2006, The evolution of calcium biochemistry, Biochim. Biophys. Acta, 1763, 1139, 10.1016/j.bbamcr.2006.08.042
Kazmierczak, 2013, Calcium in the early evolution of living systems: a biohistorical approach, Curr. Organic Chem., 17, 1738, 10.2174/13852728113179990081
Irvine, 2003, 20 years of Ins(1,4,5)P3, and 40 years before, Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 4, 586, 10.1038/nrm1152