Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1038510.32607/20758251-2017-9-2-17-33ReviewsОбзорыResearch ArticleGlutamyl Endopeptidases: The Puzzle of Substrate SpecificityГлутамилэндопептидазы: загадка субстратной специфичностиDemidyukI. V.ДемидюкИ. В.
Russian Federation
duk@img.ras.ruChukhontsevaK. N.ЧухонцеваK. Н.
Russian Federation
duk@img.ras.ruKostrovS. V.КостровС. В.
Russian Federation
duk@img.ras.ruInstitute of Molecular Genetics, Russian Academy of SciencesИнститут молекулярной генетики РАН1506201792VOL 9, NO2 (2017)ТОМ 9, №2 (2017)173317012020Copyright ©; 2017, Demidyuk I.V., Chukhontseva K.N., Kostrov S.V.Copyright ©; 2017, Демидюк И.В., Чухонцева K.Н., Костров С.В.2017Demidyuk I.V., Chukhontseva K.N., Kostrov S.V.Демидюк И.В., Чухонцева K.Н., Костров С.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/10385

Glutamyl endopeptidases (GEPases) are chymotrypsin-like enzymes that preferentially cleave the peptide bonds of the α-carboxyl groups of glutamic acid. Despite the many years of research, the structural determinants underlying the strong substrate specificity of GEPases still remain unclear. In this review, data concerning the molecular mechanisms that determine the substrate preference of GEPases is generalized. In addition, the biological functions of and modern trends in the research into these enzymes are outlined.

Глутамилэндопептидазы (ГЭПазы) - ферменты, относящиеся к структурной группе химотрипсина и предпочтительно гидролизующие связи α-карбоксильных групп глутаминовой кислоты. Несмотря на многолетнюю историю исследований, структурные детерминанты, определяющие строгую субстратную специфичность ГЭПаз, остаются невыясненными. В обзоре обобщены данные о молекулярных механизмах, лежащих в основе субстратных предпочтений ГЭПаз, а также кратко рассмотрены современные направления изучения этих ферментов.

3C-like serine proteasechymotrypsin-like proteaseepidermolytic toxinglutamyl endopeptidasesubstrate specificityV8 proteaseглутамилэндопептидазапротеаза V8субстратная специфичностьхимотрипсиноподобная протеаза3C-подобная сериновая протеазаэпидермолитический токсинThis work was supported by the Russian Science Foundation (grant No. 14-14-00526).Работа поддержана Российским научным фондом (грант № 14-14-00526).[1] Demidiuk I.V., Kostrov S.V. // Mol Biol (Mosk). 1999, V.33, №1, P.100-105[2] Mil’gotina E.I., Voiushina T.L., Chestukhina G.G. // Bioorg Khim. 2003, V.29, №6, P.563-576[3] Dancer S.J., Garratt R., Saldanha J., Jhoti H., Evans R. // FEBS Lett. 1990, V.268, №1, P.129-132[4] Hanakawa Y., Schechter N.M., Lin C., Nishifuji K., Amagai M., Stanley J.R. // J. Biol. Chem. 2004, V.279, №7, P.5268-5277[5] Dubin G., Chmiel D., Mak P., Rakwalska M., Rzychon M., Dubin A. // Biol. Chem. 2001, V.382, №11, P.1575-1582[6] Moon J.L., Banbula A., Oleksy A., Mayo J.A., Travis J. // Biol. Chem. 2001, V.382, №7, P.1095-1099[7] Ohara-Nemoto Y., Ikeda Y., Kobayashi M., Sasaki M., Tajika S., Kimura S. // Microb. Pathog. 2002, V.33, №1, P.33-41[8] Yokoi K., Kakikawa M., Kimoto H., Watanabe K., Yasukawa H., Yamakawa A., Taketo A., Kodaira K.I. // Gene. 2001, V.281, №1-2, P.115-122[9] Ono T., Ohara-Nemoto Y., Shimoyama Y., Okawara H., Kobayakawa T., Baba T.T., Kimura S., Nemoto T.K. // Biol. Chem. 2010, V.391, №10, P.1221-1232[10] Fudaba Y., Nishifuji K., Andresen L.O., Yamaguchi T., Komatsuzawa H., Amagai M., Sugai M. // Microb. Pathog. 2005, V.39, №5-6, P.171-176[11] Nishifuji K., Fudaba Y., Yamaguchi T., Iwasaki T., Sugai M., Amagai M. // Vet. Dermatol. 2005, V.16, №5, P.315-323[12] Yoshida N., Tsuruyama S., Nagata K., Hirayama K., Noda K., Makisumi S. // J. Biochem. 1988, V.104, №3, P.451-456[13] Kitadokoro K., Nakamura E., Tamaki M., Horii T., Okamoto H., Shin M., Sato T., Fujiwara T., Tsuzuki H., Yoshida N. // Biochim. Biophys. Acta. 1993, V.1163, №2, P.149-157[14] Khaidarova N.V., Rudenskaya G.N., Revina L.P., Stepanov V.M., Egorov N.S. // Biokhimiia. 1989, V.54, №1, P.46-53[15] Svendsen I., Breddam K. // Eur. J. Biochem. 1992, V.204, №1, P.165-171[16] Rufo G.A. Jr., Sullivan B.J., Sloma A., Pero J. // Journal of Bacteriology 1990, V.172, №2, P.1019-1023[17] Leshchinskaya I.B., Shakirov E.V., Itskovitch E.L., Balaban N.P., Mardanova A.M., Sharipova M.R., Viryasov M.B., Rudenskaya G.N., Stepanov V.M. // FEBS Lett. 1997, V.404, №2-3, P.241-244[18] Rebrikov D.V., Akimkina T.V., Shevelev A.B., Demidyuk I.V., Bushueva A.M., Kostrov S.V., Chestukhina G.G., Stepanov V.M. // J. Protein Chem. 1999, V.18, №1, P.21-27[19] Mosolova J.V., Rudenskaya G.N., Stepanov V.M., Khodova O.M., Tsaplina I.A. // Biokhimiia. 1987, V.52, №3, P.414-422[20] Demidyuk I.V., Nosovskaya E.A., Tsaplina I.A., Karavaiko G.I., Kostrov S.V. // Biochemistry (Mosc). 1997, V.62, №2, P.171-175[21] Liu F., Zhao Z.S., Ren Y., Cheng G., Tang X.F., Tang B. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2016, V.100, №24, P.10429-10441[22] Kawalec M., Potempa J., Moon J.L., Travis J., Murray B.E. // Journal of Bacteriology 2005, V.187, №1, P.266-275[23] Ziebuhr J., Snijder E.J., Gorbalenya A.E. // J. Gen. Virol. 2000, V.81, №4, P.853-879[24] Speroni S., Rohayem J., Nenci S., Bonivento D., Robel I., Barthel J., Luzhkov V.B., Coutard B., Canard B., Mattevi A. // J. Mol. Biol. 2009, V.387, №5, P.1137-1152[25] Somera M., Sarmiento C., Truve E. // Viruses. 2015, V.7, №6, P.3076-3115[26] Schechter I., Berger A. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 1967, V.27, №2, P.157-162[27] Stroud R.M. // Sci. Am. 1974, V.231, №1, P.74-88[28] Rudenskaia G.N. // Bioorg Khim. 2003, V.29, №2, P.117-128[29] Zamolodchikova T.S., Sokolova E.A., Alexandrov S.L., Mikhaleva I.I., Prudchenko I.A., Morozov I.A., Kononenko N.V., Mirgorodskaya O.A., Da U., Larionova N.I. // Eur. J. Biochem. 1997, V.249, №2, P.612-621[30] Polanowska J., Krokoszynska I., Czapinska H., Watorek W., Dadlez M., Otlewski J. // Biochim. Biophys. Acta. 1998, V.1386, №1, P.189-198[31] Poe M., Blake J.T., Boulton D.A., Gammon M., Sigal N.H., Wu J.K., Zweerink H.J. // J. Biol. Chem. 1991, V.266, №1, P.98-103[32] Perona J.J., Craik C.S. // Protein Sci. 1995, V.4, №3, P.337-360[33] Hedstrom L. // Chem. Rev. 2002, V.102, №12, P.4501-4524[34] Krieger M., Kay L.M., Stroud R.M. // J. Mol. Biol. 1974, V.83, №2, P.209-230[35] Waugh S.M., Harris J.L., Fletterick R., Craik C.S. // Nat. Struct. Biol. 2000, V.7, №9, P.762-765[36] Hof P., Mayr I., Huber R., Korzus E., Potempa J., Travis J., Powers J.C., Bode W. // EMBO J. 1996, V.15, №20, P.5481-5491[37] Tsu C.A., Perona J.J., Fletterick R.J., Craik C.S. // Biochemistry. 1997, V.36, №18, P.5393-5401[38] Pletnev V.Z., Zamolodchikova T.S., Pangborn W.A., Duax W.L. // Proteins. 2000, V.41, №1, P.8-16[39] Graf L., Jancso A., Szilagyi L., Hegyi G., Pinter K., Naray-Szabo G., Hepp J., Medzihradszky K., Rutter W.J. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1988, V.85, №14, P.4961-4965[40] Hedstrm L., Szilagyi L., Rutter W.J. // Science. 1992, V.255, №5049, P.1249-1253[41] Hedstrom L., Perona J.J., Rutter W.J. // Biochemistry. 1994, V.33, №29, P.8757-8763[42] Hedstrom L., Farr-Jones S., Kettner C.A., Rutter W.J. // Biochemistry. 1994, V.33, №29, P.8764-8769[43] Perona J.J., Hedstrom L., Rutter W.J., Fletterick R.J. // Biochemistry. 1995, V.34, №5, P.1489-1499[44] Nienaber V.L., Breddam K., Birktoft J.J. // Biochemistry. 1993, V.32, №43, P.11469-11475[45] Cortes A., Emery D.C., Halsall D.J., Jackson R.M., Clarke A.R., Holbrook J.J. // Protein Sci. 1992, V.1, №7, P.892-901[46] Barbosa J.A., Saldanha J.W., Garratt R.C. // Protein Eng. 1996, V.9, №7, P.591-601[47] Stennicke H.R., Birktoft J.J., Breddam K. // Protein Sci. 1996, V.5, №11, P.2266-2275[48] Dougherty W.G., Semler B.L. // Microbiol. Rev. 1993, V.57, №4, P.781-822[49] Gorbalenya A., Snijder E. // Perspectives Drug Discov. Design. 1996, V.6, №1, P.64-86[50] Spall V.E., Shanks M., Lomonossoff G.P. // Semin. Virol. 1997, V.8, №1, P.15-23[51] Gorbalenya A.E., Koonin E.V. // Sov. Sci. Rev. Sect. D Physicochem. Biol. 1993, V.11, №3, P.1-84[52] Blanck S., Stinn A., Tsiklauri L., Zirkel F., Junglen S., Ziebuhr J. // Virology Journal 2014, V.88, №23, P.13747-13758[53] Meyers G., Wirblich C., Thiel H.J., Thumfart J.O. // Virology 2000, V.276, №2, P.349-363[54] Belliot G., Sosnovtsev S.V., Mitra T., Hammer C., Garfield M., Green K.Y. // Virology Journal 2003, V.77, №20, P.10957-10974[55] Sosnovtsev S.V., Belliot G., Chang K.O., Prikhodko V.G., Thackray L.B., Wobus C.E., Karst S.M., Virgin H.W., Green K.Y. // Virology Journal 2006, V.80, №16, P.7816-7831[56] Robel I., Gebhardt J., Mesters J.R., Gorbalenya A., Coutard B., Canard B., Hilgenfeld R., Rohayem J. // Virology Journal 2008, V.82, №16, P.8085-8093[57] Wei C., Meller J., Jiang X. // Virology 2013, V.436, №1, P.24-32[58] Snijder E.J., Wassenaar A.L., van Dinten L.C., Spaan W.J., Gorbalenya A.E. // J. Biol. Chem. 1996, V.271, №9, P.4864-4871[59] Tian X., Lu G., Gao F., Peng H., Feng Y., Ma G., Bartlam M., Tian K., Yan J., Hilgenfeld R. // J. Mol. Biol. 2009, V.392, №4, P.977-993[60] Barrette-Ng I.H., Ng K.K., Mark B.L., van Aken D., Cherney M.M., Garen C., Kolodenko Y., Gorbalenya A.E., Snijder E.J., James M.N. // J. Biol. Chem. 2002, V.277, №42, P.39960-39966[61] Gayathri P., Satheshkumar P.S., Prasad K., Nair S., Savithri H.S., Murthy M.R. // Virology 2006, V.346, №2, P.440-451[62] Satheshkumar P.S., Lokesh G.L., Savithri H.S. // Virology 2004, V.318, №1, P.429-438[63] Bosch A., Pinto R.M., Guix S. // Clin. Microbiol. Rev. 2014, V.27, №4, P.1048-1074[64] Matthews D.A., Smith W.W., Ferre R.A., Condon B., Budahazi G., Sisson W., Villafranca J.E., Janson C.A., McElroy H.E., Gribskov C.L. // Cell. 1994, V.77, №5, P.761-771[65] Mosimann S.C., Cherney M.M., Sia S., Plotch S., James M.N. // J. Mol. Biol. 1997, V.273, №5, P.1032-1047[66] Bergmann E.M., Mosimann S.C., Chernaia M.M., Malcolm B.A., James M.N. // Virology Journal 1997, V.71, №3, P.2436-2448[67] Matthews D.A., Dragovich P.S., Webber S.E., Fuhrman S.A., Patick A.K., Zalman L.S., Hendrickson T.F., Love R.A., Prins T.J., Marakovits J.T. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1999, V.96, №20, P.11000-11007[68] Anand K., Palm G.J., Mesters J.R., Siddell S.G., Ziebuhr J., Hilgenfeld R. // EMBO J. 2002, V.21, №13, P.3213-3224[69] Anand K., Ziebuhr J., Wadhwani P., Mesters J.R., Hilgenfeld R. // Science. 2003, V.300, №5626, P.1763-1767[70] Yang H., Yang M., Ding Y., Liu Y., Lou Z., Zhou Z., Sun L., Mo L., Ye S., Pang H. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003, V.100, №23, P.13190-13195[71] Birtley J.R., Knox S.R., Jaulent A.M., Brick P., Leatherbarrow R.J., Curry S. // J. Biol. Chem. 2005, V.280, №12, P.11520-11527[72] Nakamura K., Someya Y., Kumasaka T., Ueno G., Yamamoto M., Sato T., Takeda N., Miyamura T., Tanaka N. // Virology Journal 2005, V.79, №21, P.13685-13693[73] Zeitler C.E., Estes M.K., Venkataram Prasad B.V. // Virology Journal 2006, V.80, №10, P.5050-5058[74] Leen E.N., Baeza G., Curry S. // PLoS One. 2012, V.7, №6, e38723[75] Muhaxhiri Z., Deng L., Shanker S., Sankaran B., Estes M.K., Palzkill T., Song Y., Prasad B.V. // Virology Journal 2013, V.87, №8, P.4281-4292[76] Damalanka V.C., Kim Y., Alliston K.R., Weerawarna P.M., Galasiti Kankanamalage A.C., Lushington G.H., Mehzabeen N., Battaile K.P., Lovell S., Chang K.O. // J. Med. Chem. 2016, V.59, №5, P.1899-1913[77] Ziebuhr J., Heusipp G., Siddell S.G. // Virology Journal 1997, V.71, №5, P.3992-3997[78] Hegyi A., Friebe A., Gorbalenya A.E., Ziebuhr J. // J. Gen. Virol. 2002, V.83, №3, P.581-593[79] Someya Y., Takeda N., Miyamura T. // Virology Journal 2002, V.76, №12, P.5949-5958[80] Nishifuji K., Sugai M., Amagai M. // J. Dermatol. Sci. 2008, V.49, №1, P.21-31[81] Bukowski M., Wladyka B., Dubin G. // Toxins (Basel). 2010, V.2, №5, P.1148-1165[82] Bailey C.J., Redpath M.B. // Biochem. J. 1992, V.284, №1, P.177-180[83] Vath G.M., Earhart C.A., Rago J.V., Kim M.H., Bohach G.A., Schlievert P.M., Ohlendorf D.H. // Biochemistry. 1997, V.36, №7, P.1559-1566[84] Cavarelli J., Prevost G., Bourguet W., Moulinier L., Chevrier B., Delagoutte B., Bilwes A., Mourey L., Rifai S., Piemont Y. // Structure. 1997, V.5, №6, P.813-824[85] Vath G.M., Earhart C.A., Monie D.D., Iandolo J.J., Schlievert P.M., Ohlendorf D.H. // Biochemistry. 1999, V.38, №32, P.10239-10246[86] Yamaguchi T., Nishifuji K., Sasaki M., Fudaba Y., Aepfelbacher M., Takata T., Ohara M., Komatsuzawa H., Amagai M., Sugai M. // Infect. Immun. 2002, V.70, №10, P.5835-5845[87] Ahrens P., Andresen L.O. // Journal of Bacteriology 2004, V.186, №6, P.1833-1837[88] Rago J.V., Vath G.M., Bohach G.A., Ohlendorf D.H., Schlievert P.M. // J. Immunol. 2000, V.164, №4, P.2207-2213[89] Meijers R., Blagova E.V., Levdikov V.M., Rudenskaya G.N., Chestukhina G.G., Akimkina T.V., Kostrov S.V., Lamzin V.S., Kuranova I.P. // Biochemistry. 2004, V.43, №10, P.2784-2791[90] Prasad L., Leduc Y., Hayakawa K., Delbaere L.T. // Acta Crystallogr. D Biol. Crystallogr. 2004, V.60, №2, P.256-259[91] Chen C., Krishnan V., Macon K., Manne K., Narayana S.V., Schneewind O. // J. Biol. Chem. 2013, V.288, №41, P.29440-29452[92] Bode W. // J. Mol. Biol. 1979, V.127, №4, P.357-374[93] Bode W., Schwager P., Huber R. // J. Mol. Biol. 1978, V.118, №1, P.99-112[94] Wang D., Bode W., Huber R. // J. Mol. Biol. 1985, V.185, №3, P.595-624[95] Wroblowski B., Diaz J.F., Schlitter J., Engelborghs Y. // Protein Eng. 1997, V.10, №10, P.1163-1174[96] Gomis-Ruth F.X., Bayes A., Sotiropoulou G., Pampalakis G., Tsetsenis T., Villegas V., Aviles F.X., Coll M. // J. Biol. Chem. 2002, V.277, №30, P.27273-27281[97] Demidyuk I.V., Romanova D.V., Nosovskaya E.A., Chestukhina G.G., Kuranova I.P., Kostrov S.V. // Protein Eng. Des. Sel. 2004, V.17, №5, P.411-416[98] Breddam K., Meldal M. // Eur. J. Biochem. 1992, V.206, №1, P.103-107[99] Nemoto T.K., Ohara-Nemoto Y., Ono T., Kobayakawa T., Shimoyama Y., Kimura S., Takagi T. // FEBS J. 2008, V.275, №3, P.573-587[100] Rouf S.M., Ohara-Nemoto Y., Shimoyama Y., Kimura S., Ono T., Nemoto T.K. // Indian J. Biochem. Biophys. 2012, V.49, №6, P.421-427[101] Drapeau G.R. // Journal of Bacteriology 1978, V.136, №2, P.607-613[102] Park C.H., Lee S.J., Lee S.G., Lee W.S., Byun S.M. // Journal of Bacteriology 2004, V.186, №19, P.6457-6464[103] Velishaeva N.S., Gasanov E.V., Gromova T.Iu., Demidiuk I.V. // Bioorg Khim. 2008, V.34, №6, P.786-791[104] Demidyuk I.V., Gasanov E.V., Safina D.R., Kostrov S.V. // Protein J. 2008, V.27, №6, P.343-354[105] Geigenmuller U., Chew T., Ginzton N., Matsui S.M. // Virology Journal 2002, V.76, №4, P.2003-2008[106] Kiang D., Matsui S.M. // J. Gen. Virol. 2002, V.83, №1, P.25-34[107] Truhlar S.M., Cunningham E.L., Agard D.A. // Protein Sci. 2004, V.13, №2, P.381-390[108] Baardsnes J., Sidhu S., MacLeod A., Elliott J., Morden D., Watson J., Borgford T. // Journal of Bacteriology 1998, V.180, №12, P.3241-3244[109] Gasanov E.V., Demidyuk I.V., Shubin A.V., Kozlovskiy V.I., Leonova O.G., Kostrov S.V. // Protein Eng. Des. Sel. 2008, V.21, №11, P.653-658[110] Rice K., Peralta R., Bast D., de Azavedo J., McGavin M.J. // Infect. Immunol. 2001, V.69, №1, P.159-169[111] Massimi I., Park E., Rice K., Muller-Esterl W., Sauder D., McGavin M.J. // J. Biol. Chem. 2002, V.277, №44, P.41770-41777[112] Shaw L., Golonka E., Potempa J., Foster S.J. // Microbiology. 2004, V.150, №1, P.217-228[113] Nickerson N.N., Prasad L., Jacob L., Delbaere L.T., McGavin M.J. // J. Biol. Chem. 2007, V.282, №47, P.34129-34138[114] Trachuk L.A., Shcheglov A.S., Milgotina E.I., Chestukhina G.G. // Biochimie. 2005, V.87, №6, P.529-537[115] Demidyuk I.V., Shubin A.V., Gasanov E.V., Kostrov S.V. // BioMolecular Concepts. 2010, V.1, №3-4, P.305-322[116] Iwase T., Uehara Y., Shinji H., Tajima A., Seo H., Takada K., Agata T., Mizunoe Y. // Nature 2010, V.465, №7296, P.346-349[117] Kim Y., Lovell S., Tiew K.C., Mandadapu S.R., Alliston K.R., Battaile K.P., Groutas W.C., Chang K.O. // Virology Journal 2012, V.86, №21, P.11754-11762[118] Nair S., Savithri H.S. // Virology 2010, V.396, №1, P.106-117[119] Calandria C., Irurzun A., Barco A., Carrasco L. // Virus Res. 2004, V.104, №1, P.39-49[120] Chau D.H., Yuan J., Zhang H., Cheung P., Lim T., Liu Z., Sall A., Yang D. // Apoptosis. 2007, V.12, №3, P.513-524[121] Ma Z., Wang Y., Zhao H., Xu A.T., Wang Y., Tang J., Feng W.H. // PLoS One. 2013, V.8, №7, e69387[122] Shubin A.V., Demidyuk I.V., Lunina N.A., Komissarov A.A., Roschina M.P., Leonova O.G., Kostrov S.V. // BMC Cell Biol. 2015, V.16, №1, P.4