腺苷酸环化酶

腺苷3':5'-单磷酸(cAMP)能够修饰所有真核细胞的细胞功能,主要通过激活cAMP依赖性蛋白激酶(PKA),也可以通过cAMP门控离子通道和cAMP直接激活的鸟嘌呤核苷酸交换因子进行调控。cAMP的细胞水平反映了腺苷酸环化酶(ATP:焦磷酸裂解酶,环化;EC 4.6.1.1)和cAMP磷酸二酯酶之间的活性平衡,其中腺苷酸环化酶可催化从5'-ATP形成cAMP,cAMP磷酸二酯酶可催化cAMP转化为5'-AMP。

腺苷酸环化酶在整个动物界都存在,并在细胞调节中发挥不同的作用。在细菌中,如百日咳博德特氏菌、炭疽芽孢杆菌、铜绿假单胞菌或鼠疫杆菌的腺苷酸环化酶,可以响应于营养物而受到调节,或者它可以构成哺乳动物中的毒性因子。

在哺乳动物中,腺苷酸环化酶家族是最重要的信号转导途径之一中的核心成分,并且包括至少十种同工酶。其可溶形式(X型)受HCO3-调节,而其他形式是与膜相结合的,并且通过异三聚体(αβγ)形式的刺激(Gαs)和抑制性(Gαi)鸟嘌呤核苷酸依赖性调节蛋白(G蛋白)连接的细胞表面受体在生理上受到调节。大多数同工酶被Gαs激活,但它们的调节因Gαi的作用和Gβγ的影响而不同。这些腺苷酸环化酶具有一个推定的拓扑结构,其包括6个跨膜区和~40kDa胞质区的两个串联重复序列。两个胞质结构域(C1和C2)共享一个大的保守区域,其相互作用形成一个裂缝形式的催化活性位点。N-末端结构域是可变的并且起调节作用。Gαs通过与C2结构域的相互作用而活化,从而产生活性酶:GTP•αs •C。 G蛋白的抑制通过Gαi与C1结构域的直接作用或通过βγ与Gαs的重组而发生。

许多生理学和生物化学的试剂改变了腺苷酸环化酶活性。这些包括通过对激素受体的作用间接作用于Gαs(例如霍乱毒素)或Gαi(例如百日咳毒素)的药剂,以及以同功酶选择性方式直接作用于酶的药剂。所有腺苷酸环化酶都能被氧化剂抑制并受到硫醇的保护。大多数同工酶受毛喉素刺激。但只有部分的同工酶能被Ca2+ - 钙调蛋白激活或被Ca2+离子调节。其他一些同工酶会受到一氧化氮(I型和VI型)或与myc相关的蛋白质的抑制,其中几种还受蛋白激酶A和C的调节。

由腺苷酸环化酶C1•C2结构域形成的裂缝能够结合底物和毛喉素。该活性位点与鸟苷酸环化酶有相同的拓扑结构和反应机制,其与寡核苷酸聚合酶具有相当大的同源性。其能够催化对NTPα-磷酸上的 3'-OH进行阳离子依赖性攻击,其中产生PPi作为离去基团。腺苷酸环化酶表现出可逆的双反应性顺序机制,其中游离二价阳离子和阳离子-5'-ATP为底物,cAMP、金属- PPi和游离二价阳离子为产物。

尽管能够间接激活或抑制腺苷酸环化酶的药剂通常用于治疗疾病,例如,β-肾上腺素能受体阻滞剂,但能够直接作用于酶的药物最近才开始被探究。其主要类别为毛喉素或腺嘌呤核苷的衍生物。底物类似物能够竞争性地抑制腺苷酰基环化酶,其中最有效的是β-L-2',3'-dd-5’-ATP(IC50~24 nM),以及未曾料到的MANT-5’-GTPγS。同时,其大多数还能够被腺嘌呤核苷3'-多磷酸盐抑制,其中最有效的是2',5'-dd-3’-ATP(IC50~40 nM)和2’,5’-dd-3’-A4P(IC50~7 nM)。后面提到的这些化合物属于历史上被称为P(嘌呤)-位点配体的一类抑制剂,它们通过非竞争性的、终端的、后过渡态的机制来实现抑制。除了细菌和精子之外,这些配体的抑制作用在所有同工酶中具有不同的灵敏度,并且它们提供了抑制该信号转导途径的精确方法。

腺苷酸环化酶的细胞可渗透抑制剂包括核苷及其衍生物和最近报道的前体核苷酸。前者在低微摩尔范围内有效,而前体核苷酸可用作前药,其IC50值在纳摩尔范围内。在多种研究中,包括在分离细胞和完整组织中,这些化合物已用于降低细胞cAMP水平并改变相关的功能。

 

激活剂

  • 毛喉素(F6886) -腺苷酸环化酶激活剂
  • NKH 477 (N3290) -腺苷酸环化酶激活剂(水溶性)
  • PACAP-27 (A9808) -激活腺苷酸环化酶的神经肽
  • PACAP-38 (A1439) -激活腺苷酸环化酶的神经肽
  • 来源于百日咳博德特氏菌(A0847)的腺苷酸环化酶毒素 - 将宿主ATP转化为环磷酸腺苷(cAMP)

抑制剂

  • NB001 (SML0060)  - 腺苷酸环化酶1(AC1)抑制剂
  • 9-环戊基腺嘌呤单甲磺酸盐(C4479)  - 稳定,细胞可渗透性,非竞争性腺苷酸环化酶抑制剂
  • SQ 22,536 (S153)  - 细胞透过性腺苷酸环化酶抑制剂
  • MDL-12,330A盐酸盐(M182) - 腺苷酸环化酶抑制剂
  • 2',5'-双脱氧腺苷(D7408) - - 细胞渗透性腺苷酸环化酶抑制剂
  • 2',5'-双脱氧腺苷3'-三磷酸四钠盐(D0939)  - 腺苷酸环化酶的有效抑制剂
  • MANT-GTPγS (M6317)  - 有效且竞争性的腺苷酸环化酶抑制剂
  • 2',3'-双脱氧腺苷(D1285) -  特异性腺苷酸环化酶抑制剂
  • NKY80 (N2165) -选择性腺苷酸环化酶-V抑制剂
  • KH7 (K3394) -可溶性腺苷酸环化酶的选择性抑制剂

其他产品

  • 1,9-双脱氧福斯克林(D3658) - 生物学上无活性的毛喉素类似物,可用作毛喉素的阴性对照

 

同工酶a (来源)

I(牛) II(大鼠) III(大鼠) IV(大鼠) V(大鼠)
结构b
氨基酸:
1134 1090 1144 1064 1262
检索: M25579 M80550 M55075 M80633 M96159
染色体 7p12(人)
11A2(小鼠)
5p15(人)
13C1(小鼠)
2p22-24 (人)
12A-B (小鼠)
14q11.2 (人)
14D3 (小鼠)
3q13.2-q21 (人)
16B5 (小鼠)
组织表达c
肾上腺


骨骼肌
嗅觉器官

肾上腺
脂肪组织
胰腺
普遍 心脏
生理功能g 神经传递
突触可塑性
记忆
昼夜节律
不详 对嗅觉剂的嗅觉反应 不详 心脏功能
疾病关联性 腺苷酸环化酶介导所有组织中的信号转导,并且细胞cAMP水平的变化发生在疾病状态中,或者可以在疾病的治疗中被诱导。一些细菌毒素会提高cAMP水平。V型酶在心肌病或VI型酶在减轻糖尿病方面可能发挥十分重要的作用。腺苷酸环化酶的抑制可能是治疗某些癌症,以及酵母和其他广泛的真菌感染的一种有效联合治疗策略。
G-αs
G-αi d
G-βh 未变化
毛喉素衍生物 激活效力排序:
7-脱乙酰基-毛喉素(D3533) ≈ 6-[3-(二甲基氨基)丙酰基] 毛喉i ≈ 6- [N-(2-异硫氰酸根合乙基)氨基羰基]毛喉素i ≈ 5,6-脱羟基-7-脱乙酰基-7-烟酰基福斯科利尼> 6-乙酰基-7-脱乙酰基-毛喉素> 7-脱乙酰-7-O-半琥珀酸酯-毛喉素 >> 1,9-双脱氧-毛喉素(D3658)i
Ca2+ /钙调蛋白 无变化 (↑↓) 无变化 ↓ (无CaM)
PKC/PKA ↑ (PKC) ↑+++ (PKC) ↑ (PKC) ↓ (PKC) ↑ (PKC) ↓ (PKA)
竞争性抑制剂j 抑制效力排序:
β-L-2',3'-dd-5'-ATP ≈ MANT-5’-GTPγS > MANT-5’-ITPγS > β-D-2',3'-dd-5'-ATP ≈ MANT-5’-ATP >> β-L-5'-ATP > 5'-AP(CH2)PPk
非竞争性抑制剂
(P-位点配体)k,l
抑制效力排序: 2',5'-dd-3'-A4P > 2'-d-3'-A4P > 2',5'-dd-3'-ATP (D0939) > 2',5'-dd-3'-ADP (D0814) ≥ 2'-d-3'-ATP (D6500) > 2',5'-dd-3'-AMP (D0689) ≥ 2'-d-3'-ADP (D6000) ≥ 2’,5’-dd-2F-Ado > 2',5'-dd-Ado (D7408) > 2'-d-2F-Ado ≥ 9-Xyl-Ade > 2'‑d-3'-AMP > 3'-ADP > 3'-AMP > 2'-d-Ado (D7400) = 3'-d-Ado (C3394) > 5'-d-Ado (D1771) > 9-Ara-Ade (A5762) = 9‑THF-Ade (SQ 22,536) (S153) ≥ 9-CP-Adem (C4479) > Ado (A9251)
前体核苷酸抑制剂n 2’,5’-dd-3’-AMP-bis(Me-SATE) > 2’,5’-dd-3’-AMP-bis(t-Bu-SATE) > 2’,5’-dd-3’-AMP bis(Ph-SATE)
其他抑制剂 抑制效力排序: PMEApp = PMEAp(NH)p > 聚腺苷酸 > 2',3'-dd-Ado(D1285)= 2-Cl-2',3'-dd-Ado > PMEA > 2氨基-7-(2-呋喃基)- 7,8-二氢-5(6H)-喹唑啉酮(NKY80)(N2165)> MDL-12,330A(M182)k


 

 

同工酶a (来源) VI(大鼠) VII(小鼠) VIII e(大鼠) IX(小鼠) Xf(人)(可溶)
结构b 氨基酸: 1180 1099 1248(A), 1218(B),
1182(C)
1353 1610
检索: M96160 U12919 L26986 U30602 AF176813
染色体 12q12-13 (人)
15F(小鼠)
16q12-13 (人) 8q24(人) 16p13.3 (人)
16 (小鼠)
1q24(人)
组织表达c 心脏 肾脏 脑 肝脏 视网膜 脑 血小板 脑 肺 骨骼肌 心脏 脑 睾丸
生理功能g 激素调节糖异生 细胞增殖 乙醇依赖性 神经传递 突触可塑性 记忆 不详 HCO3感受器
疾病相关性 腺苷酸环化酶介导所有组织中的信号转导,并且细胞cAMP水平的变化发生在疾病状态中,或者可以在疾病的治疗中被诱导。一些细菌毒素会提高cAMP水平。V型酶在心肌病或VI型酶在减轻糖尿病方面可能发挥十分重要的作用。腺苷酸环化酶的抑制可能是治疗某些癌症,以及酵母和其他广泛的真菌感染的一种有效联合治疗策略。
G-αs 无变化
G-αi 不详 ↓   无变化
G-βh 不详 不详 无变化
毛喉素衍生物 激活效力排序: 7-脱乙酰基-毛喉素(D3533)≈ 6-[3-(二甲基氨基)丙酰基] 毛喉i≈ 6-[N-(2-异硫氰酸根合乙基)氨基羰基]毛喉素i≈ 5,6-脱羟基-7-脱乙酰基-7-烟酰基福斯科利尼> 6-乙酰基-7-脱乙酰基-毛喉素> 7-脱乙酰-7-O-半琥珀酸酯-毛喉素 >> 1,9-双脱氧-毛喉素(D3658)i 无变化 无变化
Ca2+ /钙调蛋白 ↓ (无CaM) 无变化 无变化 不详
PKC/PKA ↑(PKC) ↓(PKA) ↑(PKC) 不详 不详 不详
竞争性抑制剂j 抑制效力排序:
β-L-2',3'-dd-5'-ATP ≈ MANT-5’-GTPγS > MANT-5’-ITPγS > β-D-2',3'-dd-5'-ATP ≈ MANT-5’-ATP >> β-L-5'-ATP > 5'-AP(CH2)PPk

不详
非竞争性抑制剂 (P-位点配体)k,l 抑制效力排序:
',5'-dd-3'-A4P > 2'-d-3'-A4P > 2',5'-dd-3'-ATP (D0939) > 2',5'-dd-3'-ADP (D0814) ≥ 2'-d-3'-ATP (D6500) > 2',5'-dd-3'-AMP (D0689) ≥ 2'-d-3'-ADP (D6000) ≥ 2’,5’-dd-2F-Ado > 2',5'-dd-Ado (D7408) > 2'-d-2F-Ado ≥ 9-Xyl-Ade > 2'‑d-3'-AMP > 3'-ADP > 3'-AMP > 2'-d-Ado (D7400) = 3'-d-Ado (C3394) > 5'-d-Ado (D1771) > 9-Ara-Ade (A5762) = 9‑THF-Ade (SQ 22,536) (S153) ≥ 9-CP-Adem (C4479) > Ado (A9251)
不详
前体核苷酸抑制剂n 2’,5’-dd-3’-AMP-bis(Me-SATE) > 2’,5’-dd-3’-AMP-bis(t-Bu-SATE) > 2’,5’-dd-3’-AMP bis(Ph-SATE) 不详
其他抑制剂 抑制效力排序: PMEApp = PMEAp(NH)p > 聚腺苷酸 > 2',3'-dd-Ado(D1285)= 2-Cl-2',3'-dd-Ado > PMEA > 2氨基-7-(2-呋喃基)- 7,8-二氢-5(6H)-喹唑啉酮(NKY80)(N2165)> MDL-12,330A(M182)k 不详

 

脚注

a) 同工酶来源用于结构信息。

b) 结构可在http://www.ncbi.nlm.nih.gov获得

c) 组织表达是蛋白质表达的佐证; 该清单不是一个完整的清单。

d) 空单元格表示没有相关信息。

e) VIII型有三种剪接变体(A,B,C)。

f) HCO3能够激活X型腺苷酸环化酶。

g) 所有腺苷酸环化酶同工酶都保留有X型通过激素改变cAMP的形成速率,从而介导对细胞功能的跨膜调节的功能。因此,其功能性后果依赖于组织特异性受体和cAMP起作用的下游效应物。

h)G-βγ对Gαs刺激的酶的影响。

i) 6- [3-(二甲基氨基)丙酰基] -毛喉素(NHK477)对V型腺苷酸环化酶表现出增强的选择性; 6- [N-(2-异硫氰酸根合乙基)氨基羰基]毛喉素对II型腺苷酸环化酶表现出增强的选择性; 5,6-脱氧-7-脱乙酰基-7-烟酰基福斯克林对III型腺苷酸环化酶表现出增强的选择性; 1,9-双脱氧-毛喉素无激活效果。

j) 竞争性抑制剂与酶的过渡态之前的构型相互作用。同工酶的选择性还仍未确定;相关比较性实验均基于表面活性剂提取的大鼠脑组织实验完成。

k) 抑制性P位点配体是特征性的腺嘌呤核苷或核苷磷酸酯,其通过非竞争性或非竞争性终端(后过渡态)机制对腺苷酸环化酶进行抑制。该比较性实验是基于表面活性剂提取的大鼠脑组织实验完成的。这些配体可能能够抑制所有同工酶,但效力可能会有所不同(仅对 IIIVI、 VII和 VIII型进行了比较)。

l) 在所有细胞透过性9-取代腺嘌呤衍生物中,9-CP-Ade是在化学和代谢方面表现最稳定的。

m) 未受保护的核苷酸没有细胞透过性,而核苷、核苷类似物和受保护的(前体)核苷酸具有细胞透过性。2',5'-dd-Ado的3'-双(酰基-2'-硫代乙基)磷酸酯衍生物需要完整的细胞来抑制cAMP形成,并且在完整的巨噬细胞或脂肪细胞中显示IC50值,且该值与相应核苷-3'-三磷酸与分离自这些细胞腺苷酸环化酶的IC50相近。抑制效力排序取决于细胞内摄取、去保护和后续加工的相对速率。对于该系列,脱保护率按所给定的顺序排列。

n) 未受保护的核苷酸没有细胞透过性,而核苷、核苷类似物和受保护的(前体)核苷酸具有细胞透过性。2',5'-dd-Ado的3'-双(酰基-2'-硫代乙基)磷酸酯衍生物需要完整的细胞来抑制cAMP形成,并且在完整的巨噬细胞或脂肪细胞中显示IC50值,且该值与相应核苷-3'-三磷酸与分离自这些细胞腺苷酸环化酶的IC50相近。抑制效力排序取决于细胞内摄取、去保护和后续加工的相对速率。对于该系列,脱保护率按所给定的顺序排列。

 

缩写

Ado: 腺苷
2'-d-Ado:2'-脱氧腺苷
3'-d-Ado:3'-脱氧腺苷(虫草素)
5'-d-Ado:5'-脱氧腺苷
2',5'-dd-Ado:2',5'-双脱氧腺苷
2',3'-dd-Ado:2',3'-双脱氧腺苷
9-CP-Ade:9-(环戊基)-腺嘌呤
9-THF-Ade:9-(四氢呋喃基)-腺嘌呤(SQ22,536)
9-Ara-Ade:9-(阿拉伯呋喃糖基)-腺嘌呤
9-Xyl-Ade:9-(木呋喃糖基)-腺嘌呤
2'-d-3'-AMP:2'-脱氧腺苷3'-一磷酸
2'-d-3'-ADP:2'-脱氧腺苷3'-二磷酸
2'-d-3'-ATP:2'-脱氧腺苷3'-三磷酸
2',5'-dd-3'-AMP:2',5'-双脱氧腺苷3'-单磷酸
2',5'-dd-3'-ADP:2',5'-二脱氧腺苷-3'-二磷酸
2',5'-dd-3'-ATP:2',5'-双脱氧腺苷3'-三磷酸
2',5'-dd-3'-A4P:2',5'-双脱氧腺苷3'-四磷酸; 5'-APP(CH2)P,腺苷5' -(βγ -亚甲基)-三磷酸
βL-5'-ATP:β-L-腺苷5'-三磷酸; β-L-2',3'-dd-5'-ATP,β-L-2',3'-双脱氧腺苷5'-三磷酸
PMEA:9-(2-膦酰基甲氧基乙基)-腺嘌呤; PMEApp,9-(2-二磷酸基膦酰基甲氧基乙基)-腺嘌呤
MDL-12,330A :(顺式-N-(2-苯基环戊基)氮杂环内酯-1-烯-2-胺·盐酸; NKY80,2-氨基-7-(2-呋喃基)-7,8-二氢-5(6H)喹唑啉酮
2',5'-dd-3'-AMP-bis(Me-SATE):2',5'-dd-Ado-3' -(乙酰基-2-硫代乙基)- 磷酸酯; 2',5'-dd-3'-AMP-bis(t-Bu-SATE),2',5'-dd-Ado-3' -(新戊酰基-2-硫代乙基)-磷酸酯
2',5'-dd-3'-AMP-bis(Ph-SATE):2',5'-dd-Ado-3' -(苯基-2-硫代乙基)-磷酸酯; MANT-5'-GTPγS,3' -(2')- O-N-甲基氨基甲酰基 -鸟苷-5'[γ-硫代]三磷酸
MANT-5'-ITPγS:3' -(2')- O-N-甲基氨基甲酰基-肌苷-5'[γ-硫代]三磷酸酯; MANT-5'ATP,3' -(2')- O-N-甲基氨基甲酰基-5'-ATP

 

参考文献