Chitinase là gì? Các công bố khoa học về Chitinase

Chitin là một thành phần trên bề mặt của ký sinh trùng và côn trùng, và chitinase được sinh ra ở các dạng sống thấp hơn trong quá trình nhiễm các tác nhân này. Mặc dù bản thân chitin không tồn tại ở người, chitinase lại có trong bộ gene con người. Chúng tôi cho thấy rằng chitinase acid ở động vật có vú (AMCase) được sinh ra thông qua một con đường đặc hiệu của tế bào T hỗ trợ loại 2 (Th2) và sự trung gian của interleukin-13 (IL-13) trong các tế bào biểu mô và đại thực bào trong một mô hình hen suyễn do dị nguyên đường hô hấp, và biểu hiện với số lượng quá mức ở người bị hen suyễn. Sự trung hòa AMCase cải thiện viêm Th2 và tình trạng phản ứng quá mức ở đường hô hấp một phần bằng cách ức chế kích hoạt đường dây IL-13 và sự sinh ra chemokine. Vì vậy, AMCase có thể là một chất trung gian quan trọng trong các phản ứng do IL-13 gây ra trong các rối loạn chi phối bởi Th2 như hen suyễn.

Gia đình gene chitinase thuộc nhóm hydrolase glycosyl 18 là một bộ gene cổ xưa và được biểu hiện rộng rãi từ sinh vật nhân sơ đến sinh vật nhân thực. Ở động vật có vú, mặc dù không có chitin nội sinh, nhưng một số chitinase và các protein giống chitinase (C/CLPs) đã được xác định. Tuy nhiên, vai trò của chúng chỉ mới bắt đầu được làm sáng tỏ gần đây. Chitinase động vật có vú mang tính axit (AMCase) ngăn chặn viêm bẩm sinh do chitin gây ra; tăng cường viêm Th2 do dị ứng không có chitin gây ra; và trung gian các chức năng hiệu ứng của IL-13. Các protein giống chitinase BRP-39/YKL-40 (cũng được gọi là chitinase 3-like 1) ức chế thương tổn phổi do oxy hóa gây ra, tăng cường miễn dịch Th2 thích ứng, điều hòa quá trình chết tế bào, kích thích sự hoạt hóa macrophage thay thế, và đóng góp vào quá trình xơ hóa và chữa lành vết thương. Phù hợp với những phát hiện này, mức YKL-40 trong phổi và huyết thanh tăng lên trong bệnh hen và các rối loạn viêm và tái tạo khác và thường tương quan với mức độ nghiêm trọng của bệnh. Sự hiểu biết của chúng ta về vai trò của C/CLPs trong viêm, tái tạo mô, và tổn thương mô trong điều kiện bình thường và bệnh lý được đánh giá dưới đây.

Chitinase B (ChiB) từ Serratia marcescens là một enzyme exo-chitinase thuộc họ 18 với miền xúc tác có cấu trúc gấp nếp TIM-barrel và vị trí hoạt động dạng hình ống. Chúng tôi đã giải được cấu trúc của ba phức hợp ChiB mà tiết lộ chi tiết khả năng liên kết chất nền, xúc tác hỗ trợ bởi chất nền, và sự giải phóng sản phẩm. Cấu trúc của một đột biến không hoạt động của ChiB (E144Q) kết hợp với chất nền pentamer (liên kết tại các vị trí từ −2 đến +3) cho thấy sự đóng lại của "mái" của ống hoạt động. Nó cũng cho thấy rằng đường ở vị trí −1 bị biến dạng trong dạng thuyền, cung cấp bằng chứng cấu trúc ủng hộ cơ chế xúc tác đã được đề xuất trước đây. Cấu trúc của enzyme hoạt động kết hợp với allosamidin (một dẫn xuất của một trung gian phản ứng được đề xuất) và enzyme hoạt động ngâm trong chất nền pentamer cho thấy các sự kiện sau khi cắt liên kết glycosidic. Cấu trúc sau này cho thấy sự mở lại của mái vị trí hoạt động và sự giải phóng sản phẩm do enzyme hỗ trợ tại các vị trí +1 và +2, cho phép một phân tử nước tiếp cận tâm phản ứng. Quá trình xúc tác đi kèm với các thay đổi cấu trúc liên quan trong lõi của thùng TIM bao gồm các gốc bảo tổn polar mà chức năng trước đây chưa được biết. Những thay đổi này đồng thời đóng góp vào sự ổn định của trung gian phản ứng và sự biến đổi pKa của acid xúc tác trong chu trình xúc tác.

Protein thoái hóa vú chuột 39 (BRP-39; Chi3l1) và protein đồng dạng ở người YKL-40 là các protein giống chitinase nhưng thiếu hoạt tính chitinase. Mặc dù YKL-40 được biểu hiện với số lượng lớn và có sự tương quan với hoạt động bệnh ở hen suyễn và nhiều rối loạn khác, tính chất sinh học của BRP-39/YKL-40 chỉ mới được xác định một cách sơ sài. Chúng tôi mô tả việc tạo ra và đặc tính của chuột BRP-39−/−, chuột chuyển gen YKL-40 và chuột thiếu BRP-39 nhưng chỉ sản xuất YKL-40 trong biểu mô phổi. Các nghiên cứu trên các chuột này cho thấy các động vật BRP-39−/− có đáp ứng Th2 do kháng nguyên gây ra suy giảm rõ rệt và YKL-40 biểu mô cứu vãn các đáp ứng Th2 ở các động vật này. Khả năng của interleukin-13 gây viêm và xơ hóa mô cũng bị suy giảm rõ rệt khi thiếu BRP-39. Các nghiên cứu cơ chế cho thấy BRP-39 và YKL-40 đóng vai trò thiết yếu trong cảm ứng kháng nguyên và kích thích miễn dịch globulin E, kích thích sự tích lũy và hoạt hóa tế bào đuôi gai, cũng như kích hoạt đại thực bào thay thế. Các protein này cũng ức chế apoptosis/chết tế bào của các tế bào viêm trong khi ức chế biểu hiện Fas, kích hoạt protein kinase B/AKT và cảm ứng Faim 3. Các nghiên cứu này thiết lập vai trò điều tiết mới cho BRP-39/YKL-40 trong giai đoạn khởi đầu và hiệu ứng của Th2 viêm và tái cấu trúc, và cho thấy các protein này là các mục tiêu điều trị trong các rối loạn do Th2 và đại thực bào gây ra.

Ở các loài động vật có vú khác nhau, các thành viên có hoạt tính và không hoạt tính về enzyme của họ 18 hydrolase glycosyl, chứa chitinase, đã được xác định. Ở người, chitotriosidase là enzyme chitinolytic hoạt động, trong khi glycoprotein sụn người đồng dạng 39‐kDa (HC gp‐39) không có hoạt tính chitinase và chức năng của nó chưa được biết. Nghiên cứu này xác lập rằng HC gp‐39 là một lectin đặc hiệu chitin. Nó được chứng minh bằng thí nghiệm rằng thay thế một axit amin đơn lẻ trong trung tâm xúc tác của isoform 39‐kDa của chitotriosidase, tạo ra một chuỗi tương tự như trong HC gp‐39, dẫn đến mất đi hoạt tính thủy phân và tạo ra khả năng liên kết với chitin. Khả năng liên quan của phát hiện này đối với protein thủy phân chitin và liên kết chitin được sản xuất ở lượng lớn bởi các đại thực bào được kích hoạt được thảo luận.

Tóm tắt—Xơ vữa động mạch được khởi phát bằng sự xâm nhập của bạch cầu đơn nhân vào không gian dưới mô nội mạc của thành động mạch và sự tích tụ lipid của đại thực bào đã được kích hoạt. Các cơ chế phân tử liên quan đến hành vi bất thường của đại thực bào trong tiến triển bệnh xơ vữa chỉ được công bố một phần. Chitotriosidase và protein sụn gp-39 ở người (HC gp-39) là thành viên của họ protein chitinase và được biểu hiện trong đại thực bào chất đầy lipid tích tụ ở nhiều cơ quan trong bệnh Gaucher. Ngoài ra, như đã chỉ ra trong nghiên cứu này, chitotriosidase và HC gp-39 có thể được cảm ứng với động học khác nhau ở các đại thực bào nuôi cấy. Chúng tôi đã khảo sát sự biểu hiện của những gen giống chitinase này trong thành mạch xơ vữa ở người bằng cách lai tại chỗ trên các mẫu xơ vữa lấy từ động mạch đùi (4 mẫu), động mạch chủ (4 mẫu), động mạch chi dưới (3 mẫu), động mạch cảnh (4 mẫu), và động mạch vành (1 mẫu), cũng như 5 mẫu lấy từ mô mạch dường như bình thường. Chúng tôi lần đầu tiên chỉ ra rằng sự biểu hiện của chitotriosidase và HC gp-39 được gia tăng mạnh mẽ trong các nhóm đại thực bào khác biệt trong mảng xơ vữa. Mẫu biểu hiện của chitotriosidase và HC gp-39 được so sánh và chứng tỏ khác biệt so với các mẫu quan sát của protein nền ngoại bào osteopontin và dấu hiệu đại thực bào phosphatase acid kháng tartrate. Dữ liệu của chúng tôi nhấn mạnh sự biến đổi kiểu hình đáng kể giữa các đại thực bào có trong tổn thương xơ vữa. Hơn nữa, hoạt động enzym chitotriosidase được chứng tỏ là tăng lên đến 55 lần trong các chiết xuất từ mô xơ vữa. Mặc dù chức năng của chitotriosidase và HC gp-39 chưa được xác định, chúng tôi đưa ra giả thuyết về vai trò trong di cư tế bào và tái tạo mô trong quá trình phát triển xơ vữa.

Họ 18 của glycosyl hydrolases bao gồm các chitinase và các chi-lectin được gọi là thiếu hoạt tính enzym do sự thay đổi axit amin ở vị trí hoạt động của chúng. Cả hai loại protein này đều xuất hiện rộng rãi ở động vật có vú dù các sinh vật này không có chitin nội sinh. Chức năng sinh lý của chúng cũng như các mối quan hệ tiến hóa vẫn chưa được hiểu rõ. Bài báo này trình bày tổng quan về tất cả các thành viên của họ này và mô tả các mối quan hệ của chúng. Phân tích phát sinh loài phân tử cho thấy rằng cả chitinases hoạt động (chitotriosidase và AMCase) xuất phát từ một sự kiện nhân đôi gen sớm. Các sự kiện nhân đôi tiếp theo, sau đó là các đột biến dẫn đến mất hoạt động chitinase, tạo điều kiện cho sự tiến hóa của chi-lectin. Các gen tương đồng mã hóa protein chitinase(-like) nằm tập trung trong hai loci riêng biệt thể hiện mức độ tương đồng cao trong các loài động vật có vú. Mặc dù có vị trí nhiễm sắc thể chung và mức độ tương đồng cao, các gen riêng lẻ đã tiến hóa độc lập. Các ortholog gần nhau hơn paralogs, và tỷ lệ thay thế được tính toán chỉ ra rằng các chuỗi mã hóa protein đã trải qua sự chọn lọc làm sạch. Sự chuyên biệt hoá gen đáng kể đã diễn ra theo thời gian, cho phép biểu hiện đặc hiệu cho mô của các chitinase và chi-lectin tối ưu hóa pH. Cuối cùng, một số protein giống chitinase của họ 18 chỉ tồn tại ở một số dòng động vật có vú nhất định, minh chứng cho các sự kiện tiến hóa gần đây trong họ protein chitinase.