Fosfolipase D

fosfolipase D
Identificadores
Número EC	3.1.4.4
Número CAS	9001-87-0
Bases de datos
IntEnz	vista de IntEnz
BRENDA	entrada de BRENDA
ExPASy	vista de NiceZyme
KEGG	entrada de KEGG
MetaCyc	vía metabólica
PRIAM	perfil
Estruturas PDB	RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum
Gene Ontology	AmiGO / EGO
Procura PMC artigos PubMed artigos NCBI Protein procura

A fosfolipase D ou PLD (EC 3.1.4.4, lipofosfodiesterase II, lecitinase D, colina fosfatase) é un encima da superfamilia das fosfolipases, que hidroliza o enlace das cabezas polares de certos fosfolípidos. As fosfolipases son encimas amplamente distribuídos, que se poden encontrar nunha ampla gama de organismos, incluíndo bacterias, lévedos, plantas e animais, e tamén en virus.^[1][2] O principal substrato sobre o que actúan as fosfolipases D é o fosfolípido fosfatidilcolina, á cal hidroliza para producir a molécula de sinalización celular ácido fosfatídico (PA), e colina soluble, polo que separa a cabeza polar (colina) do fosfolípido. As plantas conteñen numerosos xenes que codifican varios isoencimas PLD, que teñen pesos moleculares entre 90 e 125 kDa.^[3] As células de mamíferos codifican dúas isoformas da fosfolipase D: PLD1 e PLD2.^[4] A fosfolipase D é un importante actor en moitos procesos fisiolóxicos, como o tráfico de membranas, reorganización do citoesqueleto, endocitose mediada por receptor, exocitose, e migración celular.^[5] Por medio destes procesos, pode estar ademais implicado na fisiopatoloxía de múltiples doenzas, en especial na progresión das enfermidades de Parkinson e de Alzheimer, e en varios tipos de cancro.^[3][5]

Descubrimento

Os primeiros informes da actividade encimática de tipo PLD datan de 1947, publicados por Donald J. Hanahan e I. L. Chaikoff.^[1] Porén, ata 1975 non se dilucidou o mecanismo hidrolítico de acción en células de mamíferos. As isoformas de plantas da PLD purificáronse primeiramente en col e rícino; e posteriormente a PLDα foi clonada e caracterizada de varias plantas, como o arroz, millo, e tomate.^[1] As PLDs de plantas foron clonadas en tres isoformas: PLDα, PLDβ, e PLDγ.^[6] Despois de máis de medio século de estudos bioquímicos sábese que a fosfolipase D e a actividade do fosfatidato (PA) están implicadas en moitos procesos fisiolóxicos e doenzas, como a inflamación, diabetes, fagocitose, sinalización neuronal e cardíaca, e na oncoxénese.^[7]

Función

Falando estritamente, a fosfolipase D é unha transfosfatidilase, xa que media no intercambio de grupos de cabeza polar unidos covalentemente a lípidos de membrana. Utilizando auga como nucleófilo, este encima cataliza a clivaxe do enlace fosfodiéster en fosfolípidos estruturais como a fosfatidilcolina e a fosfatidiletanolamina.^[3] Os produtos desta hidrólise son o lípido unido a membranas ácido fosfatídico e colina, a cal difunde no citosol. Como a colina ten pouca actividade como segundo mensaxeiro, a actividade da PLD é transducida maiormente pola produción de ácido fosfatídico.^[5][8] O ácido fosfatídico está fortemente implicado na transdución de sinais intracelular.^[9] Ademais, algúns membros da superfamilia da PLD poden empregar alcohois primarios como o etanol ou 1-butanol na clivaxe do fosfolípido, catalizando o intercambio de cabeza polar.^[3][10] Outros membros desta familia poden hidrolizar outros substratos fosfolípidos, como as cardiolipinas, ou mesmo os enlaces fosfodiéster que forman o esqueleto da molécula de ADN.^[4]

Ácido fosfatídico

Artigo principal: Ácido fosfatídico.

Moitas das funcións celulares das fosfolipases D son mediadas polo seu produto principal, o ácido fosfatídico (PA). O ácido fosfatídico é un fosfolípido cargado negativamente, cuxa pequena cabeza polar favorece a curvatura da membrana.^[4] Crese que facilita a fusión vesícula-membrana e a súa fisión de maneira análoga á da endocitose mediada por clatrina.^[4] O ácido fosfatídico pode tamén recrutar proteínas que conteñen un dominio de unión correspondente, que é unha rexión de unión caracterizada por ter rexións ricas en aminoácidos básicos. Adicionalmente, o ácido fosfatídico pode converterse noutros lípidos, como o ácido lisofosfatídico (liso-PA) ou o diacilglicerol, que son moléculas sinalizadoras que teñen multitude de efectos sobre as vías metabólicas celulares de augas abaixo.^[10] O ácido fosfatídico e os lípidos derivados del están implicados en gran número de procesos entre os que están o tráfico de vesículas intracelular, a endocitose, exocitose, dinámica do citoesqueleto de actina, proliferación diferenciación, e migración celulares.^[4]

Figura 1. Un modelo da activación dependente de ARF da fosfolipase D, e un esquema proposto para a endocitose de vesículas. Nese modelo, o ARF activa a fosfolipase D (PLD), recrutándoa na membrana plasmática. A hidrólise da fosfatidilcolina (PC) pola PDL activada por ARF produce ácido fosfatídico (PA). O ácido fosfatídico recruta despois moléculas que dan forma á capa interna da bicapa lipídica, facilitando a formación de vesículas. O enriquecemento local de fosfolípidos ácidos axuda a recrutar proteínas adaptadoras (AP) e proteínas de cuberta (CP) na membrana, iniciando a evaxinación de vesículas. A fisión de vesículas está mediada pola dinamina, á cal é un efector augas abaixo do ácido fosfatídico.

A PLD de mamíferos interacciona directamente con quinases como a PKC, ERK, TYK e controla a sinalización, o que indica que a PLD é activada por estas quinases.^[11] Como a colina é moi abondosa na célula, a actividade da PLD non afecta significativamente aos niveis de colina, e é improbable que a colina interveña na sinalización.

O ácido fosfatídico é unha molécula sinalizadora e actúa recrutando o encima SK1 nas membranas. O ácido fosfatídico ten unha vida extremadamente curta e é hidrolizado rapidamente polo encima fosfatidato fosfatase para formar diacilglicerol (DAG). O DAG pode tamén ser convertido en ácido fosfatídico pola DAG quinase. Aínda que o ácido fosfatídico e o diacilglicerol son interconvertibles, non actúan nas mesmas vías metabólicas. Os estímulos que activam a PLD non activan encimas situados augas abaixo do DAG e viceversa.

É posible que aínda que o PA e o DAG sexan interconvertibles, se poidan manter conxuntos separados de lípidos sinalizadores e non sinalizadores. Algúns estudos indican que a sinalización do DAG está mediada por DAG poliinsaturado mentres que o ácido fosfatídico derivado da PLD é monoinsaturado ou saturado. Así, o ácido fosfatídico saturado/monoinsaturado funcional pode ser degradado ao hidrolizalo para formar DAG saturado/monoinsaturado non funcional, mentres que o DAG poliinsaturado funcional pode ser degradado ao convertelo en ácido fosfatídico poliinsaturado non funcional.^[12][13][14]

Identificouse recentemente que unha lisofosfolipase D chamada autotaxina ten un importante papel na proliferación celular por medio do ácido lisofosfatídico (LPA).

Estrutura

Fosfolipase D
Identificadores
Símbolo	PLDc
Pfam	PF00614
InterPro	IPR001736
SMART	SM00155
PROSITE	PDOC50035
SCOPe	1byr / SUPFAM
CDD	cd00138
Estruturas proteicas dispoñibles: Pfam   estruturas / ECOD   PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBsum resumo de estruturas PDB 1byr 1bys 1f0i 1v0r 1v0s 1v0t 1v0u 1v0v 1v0w 1v0y

Ad PLDs de plantas e animais teñen unha estrutura molecular similar, caracterizada por sitios activos rodeados secuencias reguladoras.^[3] O sitio activo das PLDs consta de catro secuencias de aminoacidos moi conservadas (I-IV), das cales os motivos II e IV están particularmente conservados. Estes dominios estruturais conteñen a secuencia catalítica distintiva HxxxxxxxKxD (HKD), na que H, K, e D son os aminoácidos histidina (H), lisina (K), e ácido aspártico (D), e x representa aminoácidos non conservados.^[3][4] Estes dous motivos estruturais confírenlle á PLD actividade de hidrolase, e son esenciais para a súa actividade encimática in vitro e in vivo.^[4][7] A hidrólise do enlace fosfodiéster ocorre cando estas secuencias HKD están na proximidade e orientación correctas.

As proteínas humanas que conteñen este motivo son:

• PGS1, PLD1, PLD2, PLD3, PLD4, PLD5

A PLD que hidroliza fosfatidilcolina (PC) é un homólogo da cardiolipina sintase,^[15][16] a fosfatidilserina sintase, as PLDs bacterianas, e de certas proteínas virais. Cada unha delas parece posuír un duplicación do dominio que orixina dous motivos estruturais HKD que conteñen os residuos ben conservados histidina, lisina, e asparaxina, que poden contribuír ao ácido aspártico do sitio activo. Unha endonuclease de Escherichia coli (nuc) e proteínas similares parecen ser tamén homólogas da PLD pero posúen só un destes motivos.^{[17][18][19][20]}

Os xenes PLD codifican ademais dominios reguladores conservados: a secuencia consenso pbox (PX), o dominio de homoloxía de pleckstrina (PH), e un sitio de unión para o fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato (PIP₂).^[2]

Mecanismo de acción

Propúxose que a hidrólise catalizada pola PLD ocorre en dúas fases por medio dun mecanismo "ping-pong". Nese esquema, os residuos de histidina de cada motivo HKD atacan sucesivamente ao substrato fosfolípido. Os residuos imidazol das histidinas funcionan como nucleófilos e forman enlaces covalentes transitorios co fosfolípido, producindo un intermediario de vida curta que pode ser doadamente hidrolizado pola auga nunha reacción posterior.^[3][9]

Isoformas

Identificáronse dúas isoformas da fosfolipase D en células de mamíferos: PLD1 e PLD2 (53% de homoloxía),^[21] cada unha codificada por distintos xenes.^[4] A actividade de PLD parece estar presente na maioría dos tipos celulares, coa posible excepción dos linfocitos periféricos e outros linfocitos.^[7] Ambas as isoformas requiren PIP₂ como cofactor para a catálise.^[4] A PLD1 e a PLD2 teñen diferentes localizacións subcelulares que cmbian dinamicamente no decurso da transdución de sinais. A actividade de PLD foi observada na membrana plasmática, citosol, retículo endoplasmático, e complexo de Golgi.^[7]

PLD1

A PLD1 é unha proteína de 120 kDa que está localizada principalmente nas membranas internas da célula. Está principalmente presente no complexo de Golgi, endosomas, lisosomas, e gránulos secretores.^[4] Despois da unión á célula dun ligando ou estímulo extracelular, a PLD1 é transportada á membrana plasmática. Porén, a actividade basal de PLD1 é baixa, e para transducir o sinal extracelular debe primeiro ser activada por proteínas como o ARF, Rho, Rac, e a proteína quinase C.^[4][5][8]

fosfolipase D1, específica de fosfatidilcolina Identificadores Símbolo PLD1 Entrez 5337 HUGO 9067 OMIM 602382 RefSeq NM_002662 UniProt Q13393 Outros datos Número EC 3.1.4.4 Locus Cr. 3 q26 PLD2 A diferenza da anterior, a PLD2 é unha proteína de 106 kDa que se localiza principalmente na membrana plasmática, onde se sitúa en balsas lipídicas.[3][5] Ten unha alta actividade catalítica intrínseca, e é a única que é debilmente activada polas moléculas mencionadas antes.[3]

fosfolipase D2 Identificadores Símbolo PLD2 Entrez 5338 HUGO 9068 OMIM 602384 RefSeq NM_002663 UniProt O14939 Outros datos Número EC 3.1.4.4 Locus Cr. 17 p13.3

Regulación

A actividade da fosfolipase D está moi regulada por hormonas, neurotransmisores, lípidos, pequenas GTPases monoméricas, e outras pequenas moléculas que se unen aos seus correspondentes dominios de unión nos encimas.^[3] Na maioría dos casos, a transdución de sinais é mediada pola produción de ácido fosfatídico, que funciona como un segundo mensaxeiro.^[3]

En células de plantas e animais fosfolípidos específicos son reguladores da actividade de PLD.^[1][3] A maioría das PLDs require como cofactor o fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato (PIP₂).^[2][3] O PIP₂ e outros fosfoinosítidos son modificadores importantes da dinámica do citoesqueleto e do transporte de membranas. As PLDs reguladas por estes fosfolípidos están xeralmente implicadas na transdución de sinais intracelular.^[3] A súa actividade depende da unión destes fosfoinosítidos preto do sitio activo.^[3] En plantas e animsais, este sitio de unión caracterízase pola presenza dunha secuencia conservada de aminoácidos básicos e aromáticos.^[3][9] En plantas como Arabidopsis thaliana, esta secuencia está constituída por un motivo RxxxxxKxR xunto coa súa repetición invertida, onde R é arxinina e K é lisina. A súa proximidade ao sitio activo asegura un alto nivel de actividade de PLD1 e PLD2, e promove a translocación de PLD1 a membranas diana en resposta a sinais extracelulares.^[3]

Dominio C2

O calcio actúa como un cofactor en isoformas de PLD que conteñen o dominio C2. A unión de Ca²⁺ ao dominio C2 orixina un cambio conformacional no encima que reforza a unión encima-substrato, mentres se debilita a asociación con fosfoinosítidos. Nalgúns isocimas de plantas, como a PLDβ, o calcio pode unirse directamente ao sitio activo, incrementando indirectamente a súa afinidade polo substrato ao fortalecer a unión do activador PIP₂.^[3]

Dominio PX

A secuencia consenso pbox (dominio PX) crese que media a unión de fosfatidilinositol fosfatos adicionais (en particular de fosfatidilinositol 5-fosfato ou PtdIns5P, un lípido que se cre que cómpre para a endocitose) e pode axudar a facilitar a reinternalización da PLD1 desde a membrana plasmática.^[1]

Dominio PH

O altamente conservado dominio de homoloxía de pleckstrina (dominio PH) é un dominio estrutural de aproximadamente 120 aminoácidos. Únese a fosfoinosítidos como o fosfatidilinositol (3,4,5)-trisfosfato (PIP₃) e o fosfatidilinositol (4,5)-bisfosfato (PIP₂). Pode unirse tamén a proteínas G heterotriméricas por medio das súas subunidades βγ. Crese que a unión a este dominio tamén facilita a reinternalización da proteína ao incrementar a súa afinidade a balsas lipídicas endocíticas.^[1]

Interaccións con GTPases pequenas

En células animais, certos factores proteicos pequenos son reguladores adicionais importantes da actividade da PLD. Estas son pequenas GTPases monoméricas que son membros das familias de Rho e de ARF da superfamilia Ras. Algunhas destas proteínas, como Rac1, Cdc42, e RhoA, activan alostericamente a PLD1 de mamíferos, incrementando directamente a súa actividade. En especial, a translocación do ARF citosólico á membrana plasmática é esencial para a activación da PLD.^[1][3]

Funcións fisiolóxicas e fisiopatolóxicas

No cancro

A fosfolipase D é un regulador de varios procesos celulares fundamentais, como o transporte de vesículas, endocitose, exocitose, migración celular, e mitose.^[5] A mala regulación destes procesos biolóxicos é algo común na carcinoxénese,^[5] e á súa vez, en anormalidades na expresión da PLD, e foi implicada na progresión de varios tipos de cancro.^[2][4] En varios cancros de mama observouse a presenza dunha mutación que causa unha elevada actividade de PLD2.^[4] A expresión elevada de PLD foi tamén correlacionada co tamaño do tumor en carcinomas colorrectais, gástricos, e renais.^[4][5] "/> Porén, as rutas moleculares polas que a PLD pode levar á progresión do cancro non están claras.^[4] Unha hipótese dálle un papel crítico á fosfolipase D na activación de mTOR, un supresor da apoptose da célula cancerosa.^[4] A capacidade da PLD de suprimir a apoptose en células con elevada actividade de tirosina quinase faino un oncoxene candidato en cancros onde esa expresión é típica.^[5]

En doenzas neurodexenerativas

A fosfolipase D pode tamén xogar un importante papel fisiopatolóxico na progresión de doenzas neurodexenerativas, principalmente por medio da súa capacidade como transdutor de sinais en procesos celulares indispensables como a reorganización do citoesqueleto e o tráfico de vesículas.^[21] A mala regulación da PLD pola proteína α-sinucleína causa a perda específica de neuronas dopaminérxicas en mamíferos. A α-sinucleína é o principal compoñente estrutural dos corpos de Lewy, que son agregados de proteínas que son indicativos da enfermidade de Parkinson.^[4] A disinhibición da PLD pola α-sinucleína pode contribuír ao fenotipo deletéreo do Parkinson.^[4]

A actividade anormal da PLD tamén se sospeita que está implicada na enfermidade de Alzheimer, onde se observou a interacción coa presenilina 1 (PS-1), o compoñente principal do complexo γ-secretase responsable da clivaxe encimática da proteína precursora amiloide (APP). As placas extracelulares do produto β-amiloide son unha característica definitoria do cerebro con enfermidade de Alzheimer.^[4] A acción da PLD1 sobre a PS-1 afecta ao tráfico intracelular da proteína precursora amiloide a este complexo.^[4][21] A fosfolipase D3 (PLD3), que é un membro non clásico e pouco caracterizado da superfamilia da PLD, tamén foi asociada coa patoxénese desta doenza.^[22]

Galería

• 
  Fosfatidilcolina
• 
  Fosfatidato
• 
  Colina
• 
  Sitios de clivaxe das fosfolipases.

Notas

1. Jenkins GM, Frohman MA (outubro de 2005). "Phospholipase D: a lipid centric review.". Cell Mol Life Sci. 62 (19-20): 2305–16. PMID 16143829. doi:10.1007/s00018-005-5195-z. 
2. Exton JH (2002). "Phospholipase D-structure, regulation and function.". Rev Physiol Biochem Pharmacol. 144: 1–94. PMID 11987824. doi:10.1007/BFb0116585. 
3. Kolesnikov YS, Nokhrina KP, Kretynin SV, Volotovski ID, Martinec J, Romanov GA, Kravets VS. (xaneiro de 2012). "Molecular structure of phospholipase D and regulatory mechanisms of its activity in plant and animal cells.". Biochemistry (Mosc). 77 (1): 1–14. PMID 22339628. doi:10.1134/S0006297912010014. 
4. Peng X., M. A. Frohman (febreiro de 2012). "Mammalian Phospholipase D Physiological and Pathological Roles.". Acta Physiologica 204 (2): 219–226. PMC 3137737. PMID 21447092. doi:10.1111/j.1748-1716.2011.02298.x. 
5. Foster DA (setembro de 2003). "Phospholipase D in cell proliferation and cancer.". Mol Cancer Res. 1 (11): 789–800. PMID 14517341. doi:10.2174/157436206778226941. 
6. Banno, Y. (2002). "Regulation and Possible Role of Mammalian Phospholipase D in Cellular Functions". Journal of Biochemistry 131 (3): 301–306. ISSN 0021-924X. doi:10.1093/oxfordjournals.jbchem.a003103. 
7. McDermott M, Wakelam MJ, Morris AJ. (febreiro de 2004). "Phospholipase D.". Biochem Cell Biol. 82 (1): 225–53. PMID 15052340. doi:10.1139/o03-079. 
8. Balboa MA, Firestein BL, Godson C, Bell KS, Insel PA. (April 1994). "Protein kinase C alpha mediates phospholipase D activation by nucleotides and phorbol ester in Madin-Darby canine kidney cells. Stimulation of phospholipase D is independent of activation of polyphosphoinositide-specific phospholipase C and phospholipase A2.". J Biol Chem. 269 (14): 10511–6. PMID 8144636. 
9. Leiros I, Secundo F, Zambonelli C, Servi S, Hough E. (2002). "The first crystal structure of a phospholipase D.". Rev Physiol Biochem Pharmacol. 1 (144): 1–94. PMID 10873862. doi:10.1016/S0969-2126(00)00150-7. 
10. Banno Y (2000). "Regulation and Possible Role of Mammalian Phospholipase D in Cellular Functions.". Structure. 8 (6): 655–67. doi:10.1093/oxfordjournals.jbchem.a003103. 
11. Paruch S, El-Benna J, Djerdjouri B, Marullo S, Périanin A (xaneiro de 2006). "A role of p44/42 mitogen-activated protein kinases in formyl-peptide receptor-mediated phospholipase D activity and oxidant production". FASEB J. 20 (1): 142–4. PMID 16253958. doi:10.1096/fj.05-3881fje. 
12. Bocckino S, Blackmore P, Wilson P, Exton J (1987). "Phosphatidate accumulation in hormone-treated hepatocytes via a phospholipase D mechanism". J Biol Chem 262 (31): 15309–15. PMID 3117799. 
13. Bocckino S, Wilson P, Exton J (1987). "Ca2+-mobilizing hormones elicit phosphatidylethanol accumulation via phospholipase D activation". FEBS Lett 225 (1-2): 201–4. PMID 3319693. doi:10.1016/0014-5793(87)81157-2. 
14. Hodgkin M, Pettitt T, Martin A, Michell R, Pemberton A, Wakelam M (1998). "Diacylglycerols and phosphatidates: which molecular species are intracellular messengers?". Trends Biochem Sci 23 (6): 200–4. PMID 9644971. doi:10.1016/S0968-0004(98)01200-6. 
15. M. Nowicki and M. Frentzen (2005). "Cardiolipin synthase of Arabidopsis thaliana". FEBS Letters 579 (10): 2161–2165. PMID 15811335. doi:10.1016/j.febslet.2005.03.007. 
16. M. Nowicki (2006). "Characterization of the Cardiolipin Synthase from Arabidopsis thaliana". Ph.D. thesis, RWTH-Aachen University. Arquivado dende o orixinal o 05 de outubro de 2011. Consultado o 02 de xaneiro de 2016. 
17. Ponting CP, Kerr ID (1996). "A novel family of phospholipase D homologues that includes phospholipid synthases and putative endonucleases: identification of duplicated repeats and potential active site residues". Protein Sci. 5 (5): 914–922. PMC 2143407. PMID 8732763. doi:10.1002/pro.5560050513. 
18. Koonin EV (1996). "A duplicated catalytic motif in a new superfamily of phosphohydrolases and phospholipid synthases that includes poxvirus envelope proteins". Trends Biochem. Sci. 21 (7): 242–243. PMID 8755242. doi:10.1016/0968-0004(96)30024-8. 
19. Wang X, Xu L, Zheng L (1994). "Cloning and expression of phosphatidylcholine-hydrolyzing phospholipase D from Ricinus communis L". J. Biol. Chem. 269 (32): 20312–20317. PMID 8051126. 
20. Singer WD, Brown HA, Sternweis PC (1997). "Regulation of eukaryotic phosphatidylinositol-specific phospholipase C and phospholipase D". Annu. Rev. Biochem. 66: 475–509. PMID 9242915. doi:10.1146/annurev.biochem.66.1.475. 
21. Lindsley CW, Brown HA. (xaneiro de 2012). "Phospholipase D as a therapeutic target in brain disorders.". Neuropsychopharmacology 37 (1): 301–2. PMC 3238067. PMID 22157867. doi:10.1038/npp.2011.178. 
22. Cruchaga; et al. (2013). "Rare coding variants in the phospholipase D3 gene confer risk for Alzheimer's disease". Nature 505: 550–554. doi:10.1038/nature12825. 

Véxase tamén

Ligazóns externas

• Phospholipase D Medical Subject Headings (MeSH) na Biblioteca Nacional de Medicina dos EUA.