ArticlePDF AvailableLiterature Review

Abstract and Figures

For a long time glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) was considered a classical glycolytic protein of little interest. It was also used as a model protein for analysis of protein structure and enzyme mechanisms. However, recent evidence demonstrates that GAPDH from mammalian cells displays a number of diverse activities unrelated to its glycolytic function. This enzyme is an example of moonlighting protein. Dehydrogenase participates in membrane fusion, microtubule assembly, vesicular transport, and the maintenance of DNA integrity. New and novel studies indicate that enzyme is directly involved in transcriptional, posttranscriptional gene regulation, and the maintenance of chromatin structure. Furthermore, other studies also indicate a role of GAPDH in apoptosis, and age-related neurodegenerative disease e.g. Alzheimer's, Huntington's and Parkinson's diseases. This work describes the structure and localization of GAPDH in cells as well as the latest discoveries on the multifunctional properties of the enzyme.
No caption available
… 
Content may be subject to copyright.
Streszczenie
Dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego (GAPDH) przez wiele lat uważana była za mało
interesujące, klasyczne białko szlaku glikolitycznego. Wykorzystywano ją głównie jako modelowe
białko do badania struktury oraz mechanizmów enzymatycznych. Ostatnie badania dowodzą,
że wkomórkach ssaków GAPDH pełni wiele różnorodnych funkcji niezwiązanych zfunkcją
glikolityczną. Enzym ten jest szczególnym przykładem białka wielozadaniowego (moonlighting
protein). Dehydrogenaza uczestniczy wfuzji błon komórkowych, powstawaniu cytoszkieletu,
transporcie pęcherzykowym, utrzymaniu integralności DNA. Najnowsze badania wskazują na
bezpośrednie zaangażowanie enzymu wtranskrypcję, potranskrypcyjną regulację ekspresji genów,
utrzymaniu struktury chromatyny. Ponadto inne badania wskazują na udział GAPDH wapopto-
zie oraz wchorobach neurodegeneracyjnych związanych zwiekiem np. wchorobie Alzheimera,
Parkinsona iHuntingtona. Wpracy omówiono strukturę iumiejscowienie GAPDH wkomórce,
atakże najnowsze doniesienia dotyczące wielofunkcyjnych właściwości enzymu.
GAPDH • dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego • białko wielofunkcyjne • regulacja ekspresji
genów • stres oksydacyjny • apoptoza • choroby neurodegeneracyjne
Summary
For along time glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) was considered aclassi-
cal glycolytic protein of little interest. It was also used as amodel protein for analysis of protein
structure and enzyme mechanisms. However, recent evidence demonstrates that GAPDH from
mammalian cells displays anumber of diverse activities unrelated to its glycolytic function. is
enzyme is an example of moonlighting protein. Dehydrogenase participates in membrane fusion,
microtubule assembly, vesicular transport, and the maintenance of DNA integrity. New and novel
studies indicate that enzyme is directly involved in transcriptional, posttranscriptional gene regu-
lation, and the maintenance of chromatin structure. Furthermore, other studies also indicate arole
of GAPDH in apoptosis, and age-related neurodegenerative disease e.g. Alzheimers, Huntingtons
and Parkinsons diseases. is work describes the structure and localization of GAPDH in cells
as well as the latest discoveries on the multifunctional properties of the enzyme.
GAPDH • glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase • multifunctional protein • regulation of gene
expression • oxidative stress • apoptosis • neurodegenerative disease
Słowa kluczowe:
Keywords:
Received: 2012.09.17
Accepted: 2013.01.23
Published: 2013.08.06
Właściwości iróżnorodność funkcjonalna
dehydrogenazy aldehydu 3-fosfoglicerynowego*
Properties and functional diversity of glyceraldehyde-
-3-phosphate dehydrogenase
Aleksandra Rodacka
Zakład Radiobiologii, Katedra Biozyki Molekularnej, Wydział Biologii iOchrony Środowiska, Uniwersytet Łódzki
Postepy Hig Med Dosw (online), 2013; 67
www.phmd.pl
Review
775
Postepy Hig Med Dosw (online), 2013; 67: 775-789
e-ISSN 1732-2693
*Praca powstała w ramach projektu nansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki nr 2012/05/B/
NZ1/00701.
776
Postepy Hig Med Dosw (online), 2013; tom 67: 775-789
Wstęp
Dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego (GAPDH,
EC 1.2.1.12) jest enzymem zklasy oksydoreduktaz. Wko-
mórkach eukariotycznych iprokariotycznych GAPDH
występuje wbardzo dużych ilościach, tj. 10-20% całkowitej
zawartości białek komórkowych [43,74]. Wnajwiększych
ilościach enzym obecny jest wcytoplazmie. Niewielka ilość
enzymu może się znajdować także wmitochondriach oraz
wjądrze komórkowym [9]. Werytrocytach GAPDH
wkompleksie zinnymi białkami glikolitycznymi (np. al-
dolazą, fosfofruktokinazą idehydrogenazą mleczanową)
wdużej mierze związana jest zwewnętrzną monowarstwą
błony erytrocytów [10].
Główną funkcję dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglice-
rynowego pełni wszlaku glikolitycznym; przekształca
aldehyd 3-fosfoglicerynowy (G3P) w1,3-bisfosfogli-
cerynian (1,3-BPG). Wciągu ostatnich dwóch dekad
okazało się, że GAPDH uczestniczy nie tylko wglikoli-
zie, ale jest klasycznym enzymem wielofunkcyjnym (mo-
onlighting protein) [37]. Wkomórkach ssaków GAPDH
bierze udział wwielu procesach pozornie niepowiąza-
nych ze sobą, takich jak: tworzenie cytoszkieletu komór-
ki [31, 40,92-94], wpęcherzykowym transporcie bło-
nowym [8,80-87], wregulacji ekspresji genów [6,14,66,
96,97], przenoszeniu grupy fosforanowej na inne białka
[87]. Jedną zbardziej interesujących funkcji GAPDH
jest udział wapoptozie izwiązane ztym przemiesz-
czanie się iakumulacja enzymu wjądrze komórkowym
[12,27,28,33,34,72]. Stwierdzono także, że enzym od-
grywa istotną rolę wpatozjologii chorób neurodegene-
racyjnych, takich jak: choroba Parkinsona, Alzheimera,
Huntingtona [3,9,12,23,44,45,57,89].
Mimo tak wielu różnych funkcji iróżnego umiejscowienia,
ludzka dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego ma
tylko jeden funkcjonalny gen zlokalizowany na chromoso-
mie 12 (Gen ID: 2597) [9].
struktura enzymu
Wkomórkach ssaków dehydrogenaza aldehydu 3-fosfogli-
cerynowego występuje wpostaci tetrameru, rzadziej mono-
meru idimeru. Tetrameryczna postać enzymu (~143 kDa),
umiejscowiona głównie wcytoplazmie, zbudowana jest
zczterech identycznych podjednostek (ryc. 1A). Monome-
ryczna postać dehydrogenazy jest umiejscowiona najczę-
ściej wjądrze, natomiast dimeryczna wmitochondriach [9].
Monomer dehydrogenazy aldehydu 3-fosfoglicerynowego
złożony jest z335 reszt aminokwasowych ołącznej ma-
sie cząsteczkowej około 36 kDa. Wkażdym znich moż-
na wyodrębnić dwie domeny funkcjonalne: N-terminalną
GAPDH dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego; pGAPDH ufosforylowana cząsteczka
dehydrogenazy aldehydu 3-fosfoglicerynowego; G3P aldehyd 3-fosfoglicerynowy; 1,3-BPG
1,3-bisfosfoglicerynian; VTC tubularno-pęcherzykowa struktura pośrednia; aPK atypowa
kinaza białkowa Ί; COP-I– kompleks białkowy opłaszczający pęcherzyki uczestniczące wtranspor-
cie wstecznym (retrograde transport); COP-II kompleks białkowy opłaszczający pęcherzyki uczest-
niczące wtransporcie zretikulum do aparatu Golgiego (anterograde transport); NRK komórki
prawidłowe pochodzące znerek szczura; Rab2 – mała GTP-aza inicjująca tworzenie kompleksu
białkowego biorącego udział wpowstawaniu pęcherzyka transportującego; Src rodzina nierecep-
torowych kinaz tyrozynowych; Siah-1 ligazą ubikwityny E3; UNG glikozylaza uracylowa; APE-
1 endonukleaza apurynowa/apirymidynowa; H2B – histon 2B; Oct-1 czynnik transkrypcyjny
wiążący oktamer; OCA-S – aktywator białka Oct-1; ET-1 – endotelina 1; M-CSF/CFS-1 czynnik
stymulujący wzrost kolonii makrofagowych; AT1R receptor typu 1 dla angiotensyny II; AraC
arabinozyd cytozyny; N-CoR – supresorowe białka jądrowe; GOSPEL – cytosolowe białko wiążące
się zGAPDH wkompetycji zbiałkiem Siah-1; p300/CBP białko koaktywatorowe oaktywności
acetylotransferazy histonowej; NLS – sygnał lokalizacji jądrowej; siRNA – małe interferujące RNA;
p53 czynnik transkrypcyjny owłasnościach supresora nowotworowego; PUMA regulowany
przez p53 modulator apoptozy; Bax białko proapoptotyczne zgrupy białek Bcl; p21 inhibitor
kinaz zależnych od cyklin.
Wykaz skrótów:
Adres autorki:
Full-text PDF:
Word count:
Tables:
Figures:
References:
http://www.phmd.pl/fulltxt.php?ICID=1061630
3960
10
97
dr Aleksandra Rodacka, Zakład Radiobiologii, Katedra Biozyki Molekularnej, Wydział Biologii
iOchrony Środowiska, Uniwersytet Łódzki, ul. Pomorska 141/143, 90-236 Łódź; e-mail: olakow@
biol.uni.lodz.pl
777
Aleksandra Rodacka – Właściwości iróżnorodność funkcjonalna dehydrogenazy...
domenę wiążącą koenzym NAD
+
(reszty aminokwasowe
1-151 oraz 315-335) i C-terminalną domenę katalityczną
(reszty aminokwasowe 152-314) [13,36,38].
Znaczenie funkcjonalne domen wynika ztego, że biorą
one udział nie tylko wprocesie glikolizy, ale takżewwie-
lu innych procesach np. domena wiążąca koenzym NAD
+
,
adokładnie obszar pofałdowania Rossmana bierze udział
wwiązaniu końców 3’UTR i5’UTR mRNA [51,69], jest
także miejscem wiązania tubuliny [58]. Domena katalitycz-
na wiążąca substrat G3P reguluje także wiązanie GAPDH
do błony oraz odpowiada za wewnątrzkomórkową lokali-
zację enzymu [74].
Sekwencja ibudowa domeny wiążącej koenzym NAD
+
jest podobna do domen występujących winnych dehydro-
genazach np. mleczanowej, alkoholowej [74]. Wdomenie
tej występuje tzw. pofałdowanie Rossmana, zbudowane
zcentralnie skręconych równoległych odcinków ostruk-
turze β-kartek otoczonych zobu stron α-helisami. Ob-
szar ten odpowiada za przyłączanie cząsteczki NAD
+
(ryc.
1B). Na podstawie krystalogracznych struktur GAPDH
stwierdzono, że przyłączanie cząsteczki NAD
+
pociąga za
sobą zmianę konformacji cząsteczki z„otwartej na „za-
mkniętą”. Jest to związane ze zmniejszeniem dystansu mię-
dzy aminokwasami występującymi wcentrum aktywnym,
bezpośrednio zaangażowanymi wreakcję katalityczną, tj.
między grupą tiolową Cys 152, aatomem azotu N
e
reszty
His 179 [13].
Domena katalityczna obejmuje reszty aminokwasowe 152-
314. Obszar ten jest odpowiedzialny za przebieg reak-
cji chemicznej oraz swoistość substratową. Złożony jest
zośmiu równolegle skręconych fragmentów ostrukturze
β-kartek, połączonych zjednej strony krótkimi odcinkami
α-helisy, zdrugiej strony struktury β rozlegle oddziałują
ztymi samymi obszarami domeny katalitycznej sąsiedniej
podjednostki [36,38].
Centrum aktywne enzymu ulokowane jest wdużej szcze-
linie między domeną katalityczną adomeną wiążącą ko-
enzym. Obszar ten stanowi duże wgłębienie, zdolne po-
mieścić aldehyd 3-fosfoglicerynowy zjonem fosforanowym
oraz koenzym NAD
+
.
udział GapdH WGlikolizie
Podstawową funkcją dehydrogenazy aldehydu 3-fosfogli-
cerynowego jest udział wszlaku glikolitycznym; enzym
ten katalizuje oksydacyjną fosforylację aldehydu 3-fos-
foglicerynowego do 1,3-bifosfoglicerynianiu zudziałem
koenzymu NAD
+
(ryc. 2).
Wpierwszym etapie katalizy, substrat, aldehyd 3-fosfo-
glicerynowy reaguje ze zjonizowaną grupą hydrosuldową
reszty cysteinowej znajdującej się wcentrum aktywnym
enzymu (Cys 152) tworząc hemitioacetal. Występująca
wcentrum aktywnym His 179 wzmaga aktywność gru-
py tiolowej oraz ułatwia tworzenie hemitioacetalu (ryc.
3) [50,75,76].
Przejściowy związek, hemitioacetal, stabilizowany jest
przez wiązanie wodorowe między grupą hydroksylową
aazotem N
e
pierścienia imidazolowego His 179. Następ-
nie zudziałem His 179 dochodzi do przeniesienia jonu wo-
dorkowego zhemitioacetalu na atom węgla C4 cząsteczki
NAD
+
. Produktami tej reakcji jest zredukowany koenzym
NADH iwysokoenergetyczny tioester. NADH dysocju-
je zkompleksu pod wpływem kolejnej cząsteczki NAD
+
,
natomiast tioester wreakcji zortofosforanem (P
i
) tworzy
Ryc. 1. Struktura GAPDH. A – Struktura homotetrameru GAPDH z wbudowanym koenzymem NAD
+
. Każda z czterech podjednostek wybarwiona innym kolorem: żółtym,
zielonym, czerwonym i niebieskim. B – Struktura monomeru z wbudowanym koenzymem i z zaznaczonymi aminokwasami występującymi w centrum katalitycznym
bezpośrednio zaangażowanymi w reakcje przekształcania aldehydu 3-fosfoglicerynowego do 1,3-bisfosfoglicerynianu: Cys-152 (C152), His-179 (H179) oraz Arg-234
(R234). Dodatkowo, kolorem zielonym zaznaczono pofałdowanie Rossmanna. Graka wykonana została z wykorzystaniem systemu wizualizacji Chimera VSCF [62] na
podstawie krystalogracznej struktury ludzkiej GAPDH; PDB ID 1znq (wg [36], zmodykowano)
a B
778
Postepy Hig Med Dosw (online), 2013; tom 67: 775-789
1,3-bifosfoglicerynian. Uwalnianie produktu (1,3-bifos-
foglicerynianu) wspomagane jest przez His 179 [75,78].
Wbadaniach zyciem zmutowanych białek GAPDH
pochodzących zBacillus stearothermophilus wykazano, że
podstawienie Cys 149 (odpowiednik Cys 152 wGAPDH
człowieka) resztą seryny znacząco redukuje aktywność en-
zymu, natomiast podstawienie Cys 149 resztą alaniny cał-
kowicie inaktywuje enzym. Inaktywację dehydrogenazy
obserwowano także gdy resztę His 176 (odpowiednik His
179 wGAPDH człowieka) podstawiono resztą asparagi-
nową [75,78].
Oprócz Cys 152 iHis 179 wreakcję katalityczną bez-
pośrednio zaangażowana jest także Arg 234 (ryc. 1B).
Łańcuch boczny tej reszty odgrywa ważną rolę wprocesie
wiązania substratu (aldehydu 3-fosfoglicerynowego) oraz
uwalniania produktu (1,3-bisfosfoglicerynianu). Chemicz-
na modykacja Arg 234 redukuje aktywność GAPDH
w95 % [18,50,76].
udział GapdH WtWorzeniu cytoszkieletu komórki
Cytoszkielet nadaje komórce kształt, umożliwia jej od-
kształcanie się, uczestniczy wtransporcie wewnątrzko-
mórkowym oraz bierze udział wpodziale komórki. Jednym
zpodstawowych białek cytoszkieletu jest tubulina, która
wwyniku polimeryzacji tworzy mikrotubule. Powstawa-
nie mikrotubul iich rozpad są procesami niezbędnymi do
funkcjonowania komórki.
Wroku 1983 Kumagai iSakai po raz pierwszy zaobser-
wowali oddziaływanie dehydrogenazy aldehydu 3-fosfo-
licerynowego zmikrotubulami. Proces ten był całkowicie
hamowany przez 1mM ATP [40]. Dalsze badania potwier-
dziły powstawanie wiązek mikrotubul in vitro wobecności
tubuliny iGAPDH [31]. Dehydrogenaza pełni funkcję
katalizatora procesu polimeryzacji tubuliny.
Wiązanie GAPDH zposzczególnymi podjednostkami
tubuliny zależy od fosforylacji cząsteczki enzymu: ufos-
forylowana cząsteczka GAPDH (pGAPDH) łączy się
zβ-tubuliną, natomiast nieufosforylowana postać enzymu
łączy się swoiście zC-terminalnym obszarem α-tubuliny
(reszty aminokwasowe 409-451) [83,93,94].
Zdolność przyłączania się do mikrotubul ma postać dime-
ryczną itetrameryczną GAPDH, ale katalizowanie procesu
polimeryzacji tubuliny możliwe jest jedynie wobecności
tetramerycznej postaci dehydrogenazy [94].
Dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego umożliwia
także przyłączenie do mikrotubul innych białek, takich jak
np. białko p22, które reguluje oddziaływanie mikrotubul
zbłonami komórkowymi [1].
udział GapdH Wfuzji on komórkoWycH
Zjawisko łączenia warstw lipidowych dwóch błon ko-
mórkowych (fuzja) zachodzi między błonami struktur
HO
HO
2-
O
3
PO
2-
O
3
PO
2-
O
3
PO
H
NAD
+
+P
i
NADH+H
+
GAPDH
H
H
O
O
Aldehyd 3-fosfoglicerynowy
1,3-bifosfoglicerynian
Ryc. 3. Mechanizm reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę aldehydu
3-fosfoglicerynowego (wg [78], zmodykowano)
Ryc. 2. Schemat reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę aldehydu
3-fosfoglicerynowego
779
Aleksandra Rodacka – Właściwości iróżnorodność funkcjonalna dehydrogenazy...
cytoplazmatycznych oraz między błonami struktur cyto-
plazmatycznych, abłoną komórkową. Proces ten obser-
wowany jest m.in. podczas zapłodnienia, gdy dochodzi
do połączenia komórki jajowej iplemnika, podczas od-
powiedzi immunologicznej, atakże wczasie transportu
pęcherzykowego waparacie Golgiego. Białka, które wy-
kazują fuzogenną aktywność, tj. białka mające zdolność do
scalania dwuwarstw fosfolipidowych, odgrywają ogromną
rolę wprawidłowym funkcjonowaniu komórek. Jednym
ztakich białek jest dehydrogenaza aldehydu 3-fosfogli-
cerynowego.
Udział GAPDH wprocesie fuzji błon komórkowych po
raz pierwszy opisali Morero iwsp. [49]. Spośród bada-
nych przez autorów białek (m.in. BSA, lizozym, LDH,
GAPDH) GAPDH najefektywniej katalizowała proces
łączenia się syntetycznych fosfolipidów złożonych zfosfa-
tydylocholiny ikwasu fosfatydowego. Pęcherzyki lipidowe
inkubowane wobecności dehydrogenazy wstężeniu 0,15
μg/ml, pH7,5 uległy fuzji już wciągu 120 s. Dla porów-
nania, pęcherzyki lipidowe wukładzie kontrolnym (bez
dehydrogenazy) nie ulegały fuzji nawet po 60 godz. inku-
bacji [49]. Stwierdzono także, że fuzja błon wobecności
GAPDH zachodzi najskuteczniej wpH 4,5-5,0. Aktyw-
ność dehydrogenazy wzrasta wraz ze wzrostem temperatu-
ry izależy od ładunku pęcherzyków lipidowych – ujemnie
naładowane pęcherzyki łączą się wydajniej [41]. Inhibito-
rem właściwości fuzogennych GAPDH jest aldehyd 3-fos-
foglicerynowy oraz tubulina [21,22].
Wwyżej przedstawionych badaniach wykorzystano pę-
cherzyki, wktórych składzie lipidowym dominowała fos-
fatydylocholina. Fosfatydylocholina in vivo stanowi tylko
niewielki procent lipidów większości błon komórkowych
ssaków. Wyjątkiem są błony retikulum endoplazmatyczne-
go iaparatu Golgiego, gdzie fosfatydylocholina stanowi od-
powiednio 54 i45% wszystkich lipidów [20]. Wkolejnych
badaniach wykorzystano pęcherzyki oskładzie lipidowym
zbliżonym do składu otoczki mielinowej komórek nerwo-
wych ssaków (tj. fosfatydylocholina – 27%, fosfatydyloeta-
noloamina – 27%, fosfatydyloseryna 6%, cholesterol – 40%
[20]). Zaobserwowano, że spośród cytosolowych białek
wyizolowanych zmózgu szczura jedynie GAPDH katali-
zowała łączenie pęcherzyków lipidowych [21].
Fuzogenną aktywność GAPDH potwierdzono także
wbadaniach, wktórych wykorzystano naturalnie wystę-
pujące błony komórkowe ibłony struktur subkomórko-
wych. Udowodniono, że GAPDH wyizolowana zmózgu
szczura katalizuje łączenie się błony komórkowej komó-
rek β trzustki szczura zpęcherzykami (ziarnistościami)
wydzielniczymi zaangażowanymi wwydzielanie insuliny
[26]. Winnych badaniach, wktórych wykorzystano eks-
trakt zlizowanych oocytów żabich (Xenopus egg extract),
zaobserwowano udział GAPDH wprocesie odbudo-
wy otoczki jądrowej wpóźnej anafazie. Dehydrogenaza
wtym procesie uczestniczyła prawdopodobnie wjednym
zetapów łączenia prekursorowych pęcherzyków związa-
nych zchromatyną (nuclear membrane vesicles on chro-
matin) [52].
Udział GaPdH wtransPorcie
PęcHerzykowym
Oprócz właściwości fuzogennych, dehydrogenaza aldehydu
3-fosfoglicerynowego bierze udział wtransporcie pęche-
rzykowym wewnątrz komórki [80-87] (ryc. 4). GAPDH
uczestniczy wtransporcie wstecznym (retrograde trans-
port) między polimorficzną, tubularno-pęcherzykową
strukturą pośrednią (vesicular tubular cluster – VTC) are-
tikulum endoplazmatycznym (ER). Transport ten odbywa
się zudziałem pęcherzyków opłaszczonych kompleksem
białkowym typu COP-Iisłuży głównie transportowaniu
białek dostarczonych do VTC przez pomyłkę lub białek
będących składową pęcherzyków COP-II, które wyma-
gają transportu zwrotnego do ponownego recyklingu [8].
Rola GAPDH wtransporcie pęcherzykowym związana
jest ztworzeniem kompleksu białkowego na powierzchni
struktur pośrednich (VTC) [80]. Enzym wpływa także na
zmianę struktury cytoszkieletu ułatwiając wewnątrzkomór-
kowe przemieszczanie się ładunku (cargo) [85] oraz pełni
główną funkcję regulującą przebieg procesu [82-85,87]
(ryc. 5).
Jedne z pierwszych badań potwierdzających udział
GAPDH wtransporcie pęcherzykowym między retikulum
endoplazmatycznym aVTC przeprowadzili Tisdale iwsp.
[80]. Wbadaniach tych wykorzystano przeciwciała poli-
klonalne przeciwko GAPDH oraz komórki prawidłowe
pochodzące znerek szczura (normal rat kidney – NRK) za-
infekowane wirusem ts-405. Wirus ten syntetyzuje białka,
które wtemp. 39,5°C akumulowane są wER, jeśli jednak
temperatura obniży się do 32°C białka te transportowane
są do aparatu Golgiego (AG) za pośrednictwem pęcherzy-
ków zawierających białka Rab-2. Stwierdzono, że inkuba-
cja komórek NRK zprzeciwciałami przeciwko GAPDH
hamuje wsposób zależny od stężenia przeciwciał transport
białek wirusowych. Badania wykazały, że więcej niż 60%
białek wirusowych transportowanych było wkomórkach
NRK zależnie od GAPDH [80].
Kompleks białkowy zaangażowany wpowstawanie pę-
cherzyka transportującego inicjowany jest przez białko
Rab2 [86]. Tak więc pierwszym białkiem przyłączanym
przez Rab2 jest prawdopodobnie dehydrogenaza alde-
hydu 3-fosfoglicerynowego (ryc. 4). Następnie do kom-
pleksu zostaje przyłączona kinaza tyrozynowa Src, która
bezpośrednio oddziałuje zGAPDH ikatalizuje fosforyla-
cję dehydrogenazy wpozycji Tyr-41 [84]. Ufosforylowa-
na GAPDH (pGAPDH) jest prawdopodobnie czynni-
kiem determinującym wzajemne oddziaływanie GAPDH
zatypową kinazą białkową λ (aPKCλ) oraz działa jako
białkowy łącznik stabilizujący wiązanie aPKCλ zN-
-terminalnym odcinkiem białka Rab-2 [83, 84]. Kinaza
aPKCλ po przyłączeniu do kompleksu białkowego ulega
fosforylacji wreakcji zkinazą Src. Ufosforylowana aPKCλ
katalizuje kolejną fosforylację cząsteczki GAPDH. Po-
wstały kompleks Rab2-Src-aPKCλ-GAPDH determi-
nuje ireguluje miejsce pączkowania pęcherzyka zawie-
rającego ładunek.
780
Postepy Hig Med Dosw (online), 2013; tom 67: 775-789
Jak opisano wcześniej, GAPDH oddziałuje ztubuliną po-
wodując jej polimeryzację ipowstawanie mikrotubul [31].
Dynamiczna struktura mikrotubul zapewnia przestrzenną
organizację wkomórce umożliwiając wten sposób trans-
port pęcherzyków istruktur tabularnych między różnymi
obszarami komórki. Ufosforylowana cząsteczka dehydro-
genazy (pGAPDH), występująca wkompleksie białkowym
Rab2-aPKCλ-COP-I, jest łącznikiem między mikrotu-
bulami abłoną pęcherzykową. Wykazano, że przeciwciała
GAPDH hamują przemieszczanie się tubuliny wobrębie
komórki oraz udaremniają zawiązywanie się mikrotubul.
Nie dochodzi również do asocjacji motorycznego białka –
dyneiny zbłoną pęcherzykową. Badania te świadczą otym,
że GAPDH zapewnia przemieszczanie się pęcherzyków
miedzy VTC aretikulum endoplazmatycznym [85].
udział GapdH WprocesacH zacHodzącycH Wjądrze
Dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego jest
białkiem występującym przede wszystkim wcytosolu,
jednak niewielka pula enzymu może ulec przemiesz-
czeniu do jądra komórkowego [15,27, 35,59,60,68,91].
Dotychczas nie opisano dokładnie szlaków transloka-
cji dehydrogenazy zcytoplazmy do jądra. Wiadomo,
że GAPDH nie ma sekwencji sygnalizacyjnej dla tego
procesu (nuclear localization signal – NLS) inie może
HO-Ser
GAPDH
Tyr41-OH
Rab2,
Src
HO-Ser
GAPDH
Tyr41-P
P-Ser
GAPDH
Tyr41-P
aPKCι/λ,
COP-I
tubulina,
mikrotubule,
dyneina
Transport pęcherzyków
wzdłuż mikrotubularnych szlaków
Ryc. 5. Rola potranslacyjnych modykacji GAPDH w regulacji procesu powstawania
pęcherzyków transportujących oraz ich przemieszczania się wzdłuż szlaków
mikrotubularnych (wg [73] - zmodykowano)
Ryc. 4. Udział GAPDH w tworzeniu cytoszkieletu i w transporcie pęcherzykowym. GAPDH oddziałując z tubuliną i aktyną ułatwia tworzenie mikrotubul i polimeryzację
aktyny. GAPDH uczestniczy w transporcie pęcherzykowym między ER a aparatem Golgiego. Na powierzchni tubularno-pęcherzykowej struktury pośredniej (VTC)
białko Rab2 inicjuje powstawanie kompleksu białkowego, w skład którego wchodzi GAPDH, atypowa kinaza białkowa (aPKC) i kinaza tyrozynowa (Src) (wg [88] za
zgodą wydawnictwa)
781
Aleksandra Rodacka – Właściwości iróżnorodność funkcjonalna dehydrogenazy...
się sama przemieszczać. Transport bierny ze względu
na duży rozmiar cząsteczki (tetramer) jest niemożli-
wy. Jedynym, dobrze udokumentowanym wliteraturze,
sposobem przemieszczania się GAPDH jest tworzenie
kompleksu zbiałkiem Siah-1 (ligazą ubikwityny E3)
na skutek S-nitrozylacji reszty Cys-152 występującej w
centrum aktywnym dehydrogenazy [27,28,72]. Istnie-
je prawdopodobnie także inny mechanizm transportu,
gdyż obecność monomerycznej postaci enzymu zaob-
serwowano wjądrach komórek niepoddanych działa-
niu czynników wywołujących stres oksydacyjny. Jedne
znajnowszych doniesień literaturowych sugerują, że za
translokcję enzymu może być odpowiedzialna mody-
kacja treoniny 227 polegającą na przyłączeniu N-acylo-
glukozaminy wiązaniem O-glikozydowym do treoniny
(O-GlcNAcylacja) [60].
Wjądrze komórkowym dehydrogenaza aldehydu 3-fos-
foglicerynowego uczestniczy wlicznych procesach, m.in.
utrzymujących integralność DNA, regulujących ekspresję
genów, ale także wprocesach prowadzących do dysfunkcji
iśmierci komórki (ryc. 6).
Rola GAPDH wutrzymaniu integralności DNA
Zdolność komórki do naprawy DNA jest istotna dla
integralności zycznej całego genomu oraz integralności
informacji genetycznej. Jednym zenzymów naprawczych
DNA jest glikozylaza uracylowa (UNG), która wycina
cząsteczki uracylu lub jego pochodne powstałe wwyniku
oksydacyjnych modykacji. Stwierdzono, że aktywność po-
dobną do UDG ma występująca wjądrze, monomeryczna
postać GAPDH [17,42,67].
Innym enzymem usuwającym uszkodzone elementy ma-
teriału genetycznego jest endonukleaza apurynowa/api-
rymidynowa (APE-1). Enzym ten usuwa niepołączone
zzasadami DNA reszty cukrowe oraz reguluje proces
transkrypcji. APE-1 wkomórce występuje wpostaci ak-
tywnej – postać zredukowana APE-1
r
oraz nieaktywnej –
postać utleniona APE-1
o
(ryc. 7). Tworzenie się APE-1
o
na zjologicznie znaczącym poziomie zagraża integralno-
ści DNA iwpływa na procesy regulujące transkrypcję ge-
nów. Jądrowa frakcja GAPDH jest niezmiernie istotna do
utrzymania endonukleazy APE-1 wpostaci katalitycznie
Ryc. 6. Udział GAPDH w procesach zachodzących w jądrze komórkowym. Rysunek przedstawia modykacje GAPDH (S-nitrozylację i O-GlcNAcylację) umożliwiające
przemieszczania się dehydrogenazy z cytoplazmy do jądra. W jądrze zaznaczono białka, z którymi oddziałuje GAPDH - szczegółowo opisane w poszczególnych
rozdziałach (wg [88] za zgodą wydawnictwa)
782
Postepy Hig Med Dosw (online), 2013; tom 67: 775-789
merowy DNA przed skracaniem indukowanym chemio-
terapeutykami [16].
Udział GAPDH wregulacji ekspresji genów
Występująca wjądrze komórkowym dehydrogenaza al-
dehydu 3-fosfoglicerynowego oprócz udziału wszlakach
istotnych do zachowania integralności materiału gene-
tycznego (opisanych wyżej) uczestniczy także wregulacji
ekspresji niektórych genów.
GAPDH jako czynnik transkrypcyjny
Transkrypcja genu histonu 2B (H2B) zależy m.in. od białka
Oct-1 (Octamer-binding factor 1) oraz od aktywatora dla
Oct-1, wielobiałkowego kompleksu OCA-S (Oct-1 Co-
-activator in S-phase) omasie cząsteczkowej ~300 kDa.
Wskład kompleksu OCA-S wchodzi m.in. GAPDH, za
pośrednictwem której OCA-S wiąże się zOct-1 wfazie S
cyklu komórkowego. Wczasie transkrypcji kompleks Oct-
-1:OCA-S jest selektywnie przyłączany do promotorowego
odcinka genu histonu 2B.
Usunięcie GAPDH metodą immunoprecypitacji lub ob-
niżenie ekspresji GAPDH za pomocą siRNA znacznie re-
dukuje poziom transkrypcji genu H2B. Stwierdzono także,
że właściwy stosunek NAD
+
/NADH zapewnia optymal-
ną ekspresję histonu: NAD
+
wbudowując się wGAPDH
stymuluje proces transkrypcji, natomiast NADH blokuje
go [14, 46, 96].
Udział GAPDH wregulacji potranskrypcyjnej
ekspresji genów
Regulacja ekspresji genów na poziomie potranskrypcyj-
nym zależy m.in. od białek przyłączanych do sekwencji
nieulegających translacji, bogatych wzasady adeninowe
iurydynowe (AU rich element lub ARE) występujących
na końcu 3’ (3’ UTR) oraz 5’ (5’ UTR) mRNA. Jednym
zbiałek regulujących potranskrypcyjną ekspresję genów
jest GAPDH. Badania in vitro wykazały swoiste wiąza-
nie GAPDH do końców 3’UTR i5’UTR mRNA [69].
Wspólną kolokalizację GAPDH:mRNA potwierdzono
także in vivo [51]. Ostatnie badania wykazują, że dehy-
drogenaza reguluje stabilność mRNA, takich białek jak:
endotelina 1 (ET-1), czynnik stymulujący wzrost kolonii
makrofagowych (M-CSF) oraz receptora typu 1 dla an-
giotensyny II (AT1R) (ryc. 8) [6,66,97].
Udział GAPDH wregulacji ekspresji endoteliny 1
Endotelina 1 (ET-1) jest polipeptydem złożonym z21
reszt aminokwasowych, wytwarzanym przede wszystkim
przez komórki śródbłonka naczyniowego. Jest jednym
znajsilniejszych czynników powodujących kurczenie
naczyń. Badania doświadczalne ikliniczne wskazują na
istotną rolę ET-1 wpatogenezie chorób sercowo-na-
czyniowych, takich jak przewlekła niewydolność krąże-
nia oraz nadciśnienie płucne. Właściwości prozapalne
iimmunomodulujące endoteliny sugerują jej ważną rolę
APE-I
r
APE-I
o
(aktywna) (nieaktywna)
GAPDH
GAPDH
Uszkodzone
DNA
Uszkodzone
DNA
Zachowanie
integralności DNA
Uszkodzone
DNA
Przemieszczenie do jądra
Ryc. 7. Udział GAPDH w przywracaniu aktywności katalitycznej endonukleazy APE-1
aktywnej poprzez udział wkonwersji APE-1
o
do APE-
-1
r
. Udowodniono, że GAPDH przywracała aktywność
APE-1 wcześniej zinaktywowanej (utlenionej) wreakcji
znadtlenkiem wodoru [2].
Fizjologiczne znaczenie „opiekuńczej roli” GAPDH
wstosunku do APE-1 potwierdziły także badania na ko-
mórkach raka okrężnicy (linie HCT116 iDLD1). Ko-
mórki te potraktowano metanosulfonianem metylu oraz
bleomycyną, uszkadzającymi DNA poprzez usuwanie za-
sad azotowych. Dodatkowo za pomocą siRNA wyciszo-
no wnich ekspresję GAPDH. WDNA wyizolowanym
zobydwu linii komórkowych zaobserwowano znacznie
większą liczbę miejsc apurynowych/apirymidynowych
wporównaniu zkomórkami, wktórych nie wyciszano
ekspresji GAPDH. Niski poziom GAPDH przyczynia
się do znacznego obniżenia aktywności APE-1, co wkon-
sekwencji powoduje akumulację uszkodzeń wmateriale
genetycznym [2].
Telomery, końcowe fragmenty chromosomów, ulegają
skracaniu podczas każdego kolejnego podziału komórki.
Najnowsze badania wskazują, że występująca wjądrze de-
hydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego wiąże się zte-
lomerowym DNA chroniąc go przed skracaniem podczas
replikacji. Wykazano, że GAPDH chroni także telome-
ry przed szybką degradacją indukowaną lekami przeciw-
nowotworowymi – gemcitabiną idoksorubicyną [16,77].
Wtworzenie kompleksu GAPDH ztelomerowym DNA
zaangażowane są zasady nukleotydowe T1, G5 iG6 powta-
rzalnej sekwencji TTAGGG telomeru oraz miejsce wiąza-
nia NAD
+
wGAPDH [16].
Rolę jądrowego GAPDH wochronie telomerowego DNA
potwierdzono wbadaniach na komórkach, wktórych czę-
ściowo zahamowano ekspresję dehydrogenazy lub spowo-
dowano jej nadekspresję. Wpierwszym przypadku zaob-
serwowano gwałtowne skracanie telomerów, wdrugim
natomiast wysoki poziom dehydrogenazy chronił telo-
783
Aleksandra Rodacka – Właściwości iróżnorodność funkcjonalna dehydrogenazy...
wpatozjologii miażdżycy oraz wniektórych nowo-
tworach [7,19].
Najnowsze badania wykazały, że GAPDH przez przyłą-
czanie się do niekodującej sekwencji 3’UTR mRNA dla
ET-1 obniża ekspresję białka ET-1 [66] (ryc. 8). Anali-
za strukturalna mRNA dla ET-1 wskazała, że wwyniku
wiązania dehydrogenazy do matrycowego RNA dochodzi
do rozwijania struktury kwasu istaje się on podatny na
działanie cytosolowych rybonukleaz [66]. Destabilizujący
wpływ GAPDH na strukturę mRNA potwierdzają także
inne badania przeprowadzone przez Schultza iwsp. [69].
Metodą dichroizmu kołowego wykazali oni zmiany helikal-
nej struktury sekwencji 5’ UTR wirusa zapalenia wątroby
typu Apo związaniu zGAPDH.
Zarówno NAD
+
jak iG3P hamują wiązanie dehydroge-
nazy do mRNA. Tak więc za wiązanie dehydrogenazy do
kwasu rybonukleinowego odpowiedzialne jest zarówno
miejsce katalityczne, jak imiejsce wiążące koenzym. Oksy-
dacyjne modykacje reszty cysteinowej 152 (S-nitrozylacja,
S-glutationylacja iS-nitrozoglutationylacja), występują-
cej wcentrum aktywnym GAPDH, ograniczają wiązania
dehydrogenazy zniekodującą sekwencją 3’UTR mRNA
ET-1. Skutkiem tego zwiększa się ekspresja białka ET-1.
Fizjologicznie konsekwencją zwiększonego poziomu en-
doteliny jest gwałtowny skurcz naczyń krwionośnych [66].
Udział GAPDH wregulacji ekspresji M-CSF
Czynnik stymulujący tworzenie kolonii makrofagowych
M-CSF (macrophage-colony stimulating factor) jest cyto-
kiną niezbędną do dojrzewania iróżnicowania osteoklastów
oraz stymulującą proliferację makrofagów. Działanie tej cy-
tokiny powoduje miejscową osteolizę, co może ułatwiać
osiedlanie się komórek nowotworowych wtkance kostnej
oraz wszpiku. Podwyższone stężenie M-CSF wsurowicy
stwierdzono upacjentów zrakiem jajnika, okrężnicy, nie-
drobnokomórkowym rakiem płuca oraz zmięsakami kości
itkanek miękkich [25]. Nadekspresja M-CSF wkomór-
kach nabłonkowych raka jajników zwiększa inwazyjność
iryzyko przerzutów nowotworu [11].
Podobnie jak wprzypadku ET-1, dehydrogenaza aldehydu
3-fosfoglicerynowego pełni rolę regulatora ekspresji białka
M-CSF. GAPDH przyłącza się do końcowego fragmentu
sekwencji 3’UTR obejmującego 144 nt przez co stabilizuje
mRNA ichroni go przed rozpadem [6]. Wkonsekwencji
dochodzi do niekorzystnej dla komórek wzmożonej syn-
tezy białka M-CSF. Wyciszenie ekspresji GAPDH za po-
mocą interferencyjnego RNA (siRNA) redukuje poziom
zarówno mRNA M-CSF jak ibiałka M-CSF [97].
Udział GAPDH wregulacji ekspresji białka M-CSF może
wprzyszłości być wykorzystane wnowoczesnym, ukierun-
kowanym leczeniu chorych zrakiem jajników.
Udział GAPDH wregulacji ekspresji AT1R
Receptor typu 1 dla angiotensyny II (AT1R) wiąże iregu-
luje działanie angiotensyny II. Poziom ekspresji receptora
AT1 ma ogromne znaczenie wpatozjologii nadciśnienia
tętniczego, miażdżycy iniewydolności serca. Jednym zre-
gulatorów ekspresji AT1R jest GAPDH. Dehydrogena-
za wiążąc się do mRNA hamuje bezpośrednio translację
białka AT1R. Obniżenie ekspresji GAPDH lub jej oksy-
dacyjna modykacja przez H
2
O
2
zwiększa znacznie eks-
presję AT1R [5].
Ryc. 8. Udział GAPDH w potranskrypcyjnej regulacji ekspresji genów (wg [73] - zmodykowano)
784
Postepy Hig Med Dosw (online), 2013; tom 67: 775-789
Podsumowując, GAPDH wpływa na potranskrypcyjną
regulację ekspresji genów wwyniku trzech różnych me-
chanizmów:
dehydrogenaza wwyniku wiązania się zmRNA zwiększa
stabilność mRNA CSF-1;
oddziałując zmRNA ET-1 wpływa na rozluźnienie
drugorzędowej struktury kwasu przez co ułatwia jego
degradację;
bezpośrednio hamuje translację AT1R (ryc. 8).
Wkażdym przypadku GAPDH wiąże się zkońcowym
odcinkiem 3’-UTR. Na podstawie analizy oddziaływań
strukturalnych można wnioskować, że wiązanie GAPDH
zkażdym wyżej opisanych mRNA odbywa się wtym sa-
mym obszarze. Oefekcie końcowym tego oddziaływa-
nia decyduje prawdopodobnie nie tylko miejsce wiązania
enzymu z3’-UTR, ale także budowa pozostałej części
mRNA. Niewykluczony jest udział innych niż GAPDH
czynników wpływających na mechanizmy regulacyjne.
WyW stresu oksydacyjneGo na funkcje
ilokalizację GapdH
Dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego jest wy-
jątkowo wrażliwa na modykację iuszkodzenia wywołane
stresem oksydacyjnym [9,24,27,28,32,63,64,70]. Wielu
badaczy uważa, że wkomórce jest jedną zgłównych tarcz
dla reaktywnych form tlenu iazotu [32,54].
Jednym zpowszechnie wykorzystywanych wbadaniach
czynników stresogennych jest promieniowanie jonizu-
jące. Generuje ono reaktywne formy tlenu (˙OH, H
2
O
2
,
O
2
˙
-
), które także powstają worganizmie wstanach pra-
widłowych ipatologicznych. Spośród RFT najwyższą
skuteczność wradiacyjnej inaktywacji GAPDH wyka-
zuje rodnik hydroksylowy. Ponad dwukrotnie mniejszy
wpływ na właściwości funkcjonalne dehydrogenazy ma
anionorodnik ponadtlenkowy inadtlenek wodoru [64,65].
GAPDH jest również podatna na inaktywację wywołaną
działaniem wtórnych rodników białkowych iwodoronad-
tlenków białek [39,47].
Najbardziej wrażliwą na oksydacyjne modykacje jest resz-
ta cysteinowa 152, występująca wcentrum aktywnym enzy-
mu. Fizjologicznie najważniejszymi modykacjami tej resz-
ty jest S-tiolacja oraz S-nitrozylacja [24,27,28,48,63,70].
Stres oksydacyjny indukuje także tworzenie nierozpusz-
czalnych agregatów GAPDH (insoluble amyloid-like
GAPDH aggregates) głównie wwyniku międzycząstecz-
kowych wiązań disiarczkowych zudziałem m.in. Cys-152
(ryc. 9) [53-55].
Inhibicja GAPDH na skutek S-tiolacji jest procesem
odwracalnym, chroniącym grupy –SH przed nieodwra-
calnymi modykacjami, często kosztem chwilowej utraty
aktywności biologicznej [24,70]. Modykacja ta umoż-
liwia enzymowi „przełączenie się” zfunkcji metabolicz-
nych na funkcję pozwalającą utrzymać równowagę oksy-
dacyjno-redukującą. Inhibicja enzymów glikolitycznych,
wtym GAPDH umożliwia przekierowanie węglowoda-
nów ze szlaku glikolitycznego na cykl pentozowy. Wcyklu
pentozowym wytwarzany jest NADPH, który stanowi
ogromny potencjał redukujący, chroniący komórki przed
nadmiernym iprzedłużającym się stresem oksydacyjnym
(ryc. 9) [63].
Wodpowiedzi na stres komórkowy GAPDH uczestniczy
także wregulacji szlaków sygnalizacji komórkowej np. sy-
gnalizacji wapniowej. Stwierdzono, że GAPDH łączy się
zreceptorem trifosforanu inozytolu (IP
3
R). Wpływa to na
lokalne generowanie NADH, który reguluje uwalnianie
wapnia zretikulum endoplazmatycznego do cytosolu [61].
Udział GAPDH wapoptozie
Badania ostatnich kilku lat wskazują na istotną rolę
GAPDH w inicjowaniu procesów apoptotycznych
[68,33-35,28,29,72,79,89]. Pierwsze dowody potwier-
dzające proapoptotyczną funkcję dehydrogenazy dostar-
czyły badania, wktórych zaobserwowano, że wwyni-
ku starzenia się komórek neuronalnych pochodzących
zmóżdżku lub ich ekspozycja na arabinozyd cytozyny
(AraC), wzrasta poziom GAPDH wcytoplazmie oraz
zwiększa się przemieszczanie enzymu do jądra. Wre-
zultacie obserwowano indukcję apoptozy. Zastosowanie
antysensownych oligonukleotydów hamujących ekspresję
GAPDH, hamowało także apoptozę [33-35]. Obserwacje
komórek neuronalnych potwierdzono także wodniesie-
niu do innych komórek m.in. hepatocytów, broblastów,
komórek HeLa [4,5,54].
Pod wpływem stresu oksydacyjnego wywołanego tlenkiem
azotu, GAPDH może działać jako przekaźnik sygnału
między różnymi organellami wkomórce. S-nitrozylacja
Cys-152 umożliwia wiązanie dehydrogenazy zniestabilną
ligazą Siah-1 (seven in absentia homolog 1) [28,29]. Kom-
pleks SNO-GAPDH:Siah-1 przemieszcza się do jądra
komórkowego. Wjądrze GAPDH stabilizuje iwzmaga
aktywność Siah-1, co prowadzi do ubikwitynacji idegra-
dacji supresorowych białek jądrowych N-CoR (nuclear
co-repressor) [27,28,72].
Przemieszczaniu się dehydrogenazy do jądra zapobiega
białko GOSPEL (GADPH’s competitor of siah pro-
tein enhances life) [71,56]. Wiąże się ono zGAPDH
wkompetycji zbiałkiem Siah-1 (ryc. 9). Białko GO-
SPEL ma wysoki poziom ekspresji wtkankach odużym
zapotrzebowaniu energetycznym, wktórych jednocześnie
obserwuje się znacznie podwyższoną ekspresję GAPDH,
np. mięśnie, serce mózg. Nadekspresja GOSPEL hamuje
przemieszczanie się GAPDH do jądra przeciwdziałając
tym samym inicjowaniu apoptozy.
Wjądrze GAPDH ulega acetylacji wpozycji Lys 160
wreakcji zacetylotransferazą p300/CBP [72] (ryc. 10).
Proces ten stymuluje katalityczną aktywność kompleksu
p300/CBP. Wkolejnych etapach dochodzi do acetylacji
785
Aleksandra Rodacka – Właściwości iróżnorodność funkcjonalna dehydrogenazy...
białek jądrowych, takich jak np. p53, PUMA, p21 iBax.
Wkonsekwencji dochodzi do indukcji apoptozy.
Coraz więcej wiadomości dotyczących lokowania się
GAPDH wjądrze komórkowym oraz oudziale dehy-
drogenazy wapoptozie iwwielu innych procesach za-
chodzących wjądrze otwiera nowe możliwości wlecze-
niu chorób neurodegeneracyjnych. Wtym przypadku
naukowcy duże nadzieje wiążą zwykorzystaniem nisko-
cząsteczkowych leków antyapoptotycznych (np. deprenyl
ijego pochodne), które przez wiązanie się zGAPDH
zapobiegają przemieszczaniu się enzymu do jądra, przez
co nie dochodzi do indukcji apoptozy [73,88,90]. Na
podstawie dotychczasowych badań trudno natomiast
jednoznacznie określić możliwości udziału GAPDH
wterapii nowotworowej. Zagadnienie to jest bardzo
złożone iwymaga wielu dalszych badań wbardzo sze-
rokim zakresie.
Udział GAPDH wchorobach
neurodegeneracyjnych
Wiele danych literaturowych wskazuje na udział
GAPDH w chorobach neurodegeneracyjnych [9,12,
23,29,30,44,45,90]. Dehydrogenaza jest jednym zgłów-
nych komponentów płytek amyloidowych isplotów neu-
Ryc. 9. Wpływ stresu oksydacyjnego na lokalizacje i funkcję GAPDH. Oddziaływanie oksydacyjnie zmodykowanej GAPDH z białkami związanymi z patogenezą chorób
neurodegeneracyjnych (wg [88] zmodykowano)
786
Postepy Hig Med Dosw (online), 2013; tom 67: 775-789
robrylarnych (NFT) oraz ciałek Lewiego wtkankach
mózgu pobranych pośmiertnie od pacjentów ze zdiagno-
zowaną chorobą Alzheimera iParkinsona [79,95].
Najnowsze badania sugerują, że akumulacja GAPDH
wytkach amyloidowych isplotach neurobrylarnych
jest wynikiem utlenienia idegradacji dehydrogenazy wna-
stępstwie stresu oksydacyjnego [9,57].
Wchorobach neurodegeneracyjnych obserwuje się nadeks-
presję GAPDH zjednoczesnym obniżeniem glikoli-
tycznej aktywności enzymu [9]. Prawdopodobnie jest to
wynik oddziaływania zbiałkami uczestniczącymi wpa-
togenezie chorób neurodegeneracyjnych, takimi jak np.
β-amyloid, prekursor β-amyloidu, białkiem tau (choroba
Alzheimera), α-synukleina (choroba Parkinsona), hun-
tingtyną (choroba Huntingtona). Przyczyną obniżonej
aktywności dehydrogenazy jest oksydacyjna modykacja
reszty cysteinowej występującej wcentrum aktywnym
(Cys-152) i/lubtworzenie agregatów za pomocą most-
ków disiarczkowych [53-55].
podsumoWanie
Dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego jest biał-
kiem pełniącym wiele różnych funkcji, niezwiązanych
zpierwotnie opisanym udziałem wszlaku glikolitycznym.
Udział wlicznych procesach związany jest zpotranslacyj-
nymi modykacjami (m.in. S-nitrozylacją, S-tiolacją, fos-
forylacją) oraz przemieszczaniem się enzymu wobrębie
komórki. Mimo licznych badań brak nadal wyczerpującej
wiedzy na ten temat. Niektóre funkcje GAPDH opisane
już wliteraturze wymagają doświadczalnego potwierdze-
nia.
Podziękowanie: Serdecznie dziękuję dr. Eligiuszowi Se-
ranowi za przygotowanie gracznych struktur GAPDH.
HS-Cys150
GAPDH
Lys160-NH
SNO-Cys150
GAPDH
Lys160-NH
SNO,
Siah1
SNO-Cys150
GAPDH
Lys160-N-AC
P300/CBP
Acetylacja - P300,
P53, PUMA, P21 ,
Aktywacja Bax
APOPTOZA
Cytoplazma
Jądro komórkowe
Ryc. 10. Rola GAPDH w indukcji apoptozy (wg [73] - zmodykowano)
[1] Andrade J., Pearce S.T., Zhao H., Barroso M.: Interactions among
p22, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase and microtubules.
Biochem. J., 2004; 384: 327-336
[2] Azam S., Jouvet N., Jilani A., Vongsamphanh R., Yang X., Yang
S., Ramotar D.: Human glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase
plays adirect role in reactivating oxidized forms of the DNA repair
enzyme APE1. J. Biol. Chem., 2008; 283: 30632–30641
[3] Bae B.I., Hara M.R., Cascio M.B., Wellington C.L., Hayden
M.R., Ross C.A., Ha H.C., Li X.J., Snyder S.H., Sawa A.: Mu-
tant huntingtin: nuclear translocation and cytotoxicity mediated by
GAPDH. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2006; 103: 3405-3409
[4] Barbini L., Rodríguez J., Dominguez F., Vega F.: Glyceraldehy-
de-3-phosphate dehydrogenase exerts dierent biologic activities in
apoptotic and proliferating hepatocytes according to its subcellular
localization. Mol. Cell. Biochem., 2007; 300: 19-28
[5] Backlund M., Paukku K., Daviet L., De Boer R.A., Valo E., Hau-
taniemi S., Kalkkinen N., Ehsan A., Kontula K.K., Lehtonen J.Y.:
Posttranscriptional regulation of angiotensin II type 1 receptor expres-
sion by glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase. Nucleic Acids
Res., 2009; 37: 2346-2358
[6] Bonafe N., Gilmore-Hebert M., Folk N.L., Azodi M., Zhou Y.,
Chambers S.K.: Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase binds
to the AU-rich 3untranslated region of colony-stimulating factor-1
(CSF-1) messenger RNA in human ovarian cancer cells: possible
role of CSF-1 posttranscriptional regulation and tumor phenotype.
Cancer Res., 2005; 65: 3762–3771
[7] Boratyńska M., Kamińska D., Mazanowska O.: Patozjologia
uszkodzenia niedokrwienno-reperfuzyjnego wprzeszczepianiu nerek.
Postepy Hig. Med. Dosw., 2004; 58: 1-8
piśmiennictWo
[8] Bryksin A.V., Laktionov P.P.: Role of glyceraldehyde-3-phosphate
dehydrogenase in vesicular transport from golgi apparatus to endo-
plasmic reticulum. Biochemistry, 2008; 73: 619-625
[9] Buttereld D.A., Hardas S.S., Lange M.L.: Oxidatively modied
glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) and Alzhe-
imer’s disease: many pathways to neurodegeneration. J. Alzheimers
Dis., 2010; 20: 369-393
[10] Campanella M.E., Chu H., Low P.S.: Assembly and regulation
of aglycolytic enzyme complex on the human erythrocyte membrane.
Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 2005; 102: 2402–2407
[11] Chambers S.K.: Role of CSF-1 in progression of epithelial ova-
rian cancer. Future Oncol., 2009; 5: 1429-1440
[12] Chuang D.M., Hough C., Senatorov V.V.: Glyceraldehyde-
-3-phosphate dehydrogenase, apoptosis, and neurodegenerative di-
seases. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol., 2005; 45: 269–290
[13] Cowan-Jacob S.W., Kaufmann M., Anselmo A.N., Stark W.,
Grütter M.G.: Structure of rabbit-muscle glyceraldehyde-3-pho-
sphate dehydrogenase. Acta Crystallogr. D Biol. Crystallogr., 2003;
59: 2218-2227
[14] Dai R.P., Yu F.X., Goh S.R., Chng H.W., Tan Y.L., Fu J.L.,
Zheng L., Luo Y.: Histone 2B (H2B) expression is conned to apro-
per NAD+/NADH redox status. J. Biol. Chem., 2008; 283: 26894-
26901
[15] Dastoor Z., Dreyer J.L.: Potential role of nuclear translocation
of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase in apoptosis and oxi-
dative stress. J. Cell Sci., 2001; 114: 1643-1653
[16] Demarse N.A., Ponnusamy S., Spicer E.K., Apohan E., Baatz J.E.,
Ogretman B., Davies C.: Direct binding of glyceraldehyde-3-phosphate
787
Aleksandra Rodacka – Właściwości iróżnorodność funkcjonalna dehydrogenazy...
dehydrogenase to telomeric DNA protects telomeres against chemo-
therapy-induced rapid degradation, J. Mol. Biol., 2009; 394: 789–803
[17] Demple B., Harrison L.: Repair of oxidative damage to DNA:
enzymology and biology. Annu. Rev. Biochem., 1994; 63: 915–940
[18] Didierjean C., Corbier C., Fatih M., Favier F., Boschi-Muller
S., Branlant G., Aubry A.: Crystal structure of two ternary comple-
xes of phosphorylating glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase
from Bacillus stearothermophilus with NAD and D-glyceraldehyde
3-phosphate. J. Biol. Chem., 2003; 278: 12968-12976
[19] Dobrek Ł., or P.: Endotelina wpatozjologii chorób sercowo-
-naczyniowych. Pol. Merk. Lek., 201; XXVIII, 166, 289
[20] Dowhan W., Bogdanov M., W: Biochemistry of Lipids, Lipo-
proteins and Membranes, red.: J.E. Vance, D. E. Vance. Elsevier 2002
[21] Glaser P.E., Gross R.W.: Rapid plasmenylethanolamine-selective
fusion of membrane bilayers catalyzed by an isoform of glyceralde-
hyde-3-phosphate dehydrogenase: discrimination between glycolytic
and fusogenic roles of individual isoforms. Biochemistry., 1995; 34:
12193-12203
[22] Glaser P.E., Han X., Gross R.W.: Tubulin is the endogenous
inhibitor of the glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase isoform
that catalyzes membrane fusion: Implications for the coordinated
regulation of glycolysis and membrane fusion. Proc. Natl. Acad. Sci.
USA., 2002; 99: 14104-14109
[23] Gómez A., Ferrer I.: Increased oxidation of certain glycolysis
and energy metabolism enzymes in the frontal cortex in Lewy body
diseases. J. Neurosci. Res., 2009; 87: 1002-1013
[24] Grant C.M., Quinn K.A., Dawes I.W.: Dierential protein S-thio-
lation of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase isoenzymes inu-
ences sensitivity to oxidative stress. Mol. Cell. Biol., 1999; 19: 2650-2656
[25] Groblewska M., Mroczko B., Czygier M., Szmitkowski M.: Cy-
tokiny jako markery osteolizy wdiagnostyce pacjentów zprzerzutami
nowotworowymi do kości Postepy Hig. Med. Dosw., 2008; 62: 668-675
[26] Han X., Ramanadham S., Turk J., Gross RW.: Reconstitution
of membrane fusion between pancreatic islet secretory granules and
plasma membranes: catalysis by aprotein constituent recognized by
monoclonal antibodies directed against glyceraldehyde-3-phosphate
dehydrogenase.Biochim. Biophys. Acta., 1998; 1414: 95-107
[27] Hara M.R., Agrawal N. Kim S.F., Cascio M.B., Fujimuro M.,
Ozeki Y., Takahashi M., Cheah J.H., Tankou S.K., Hester L.D., Ferris
C.D., Hayward S.D., Snyder S.H., Sawa A.: S-nitrosylated GAPDH
initiates apoptotic cell death by nuclear translocation following Siah1
binding. Nat. Cell Biol., 2005; 7: 665–674
[28] Hara M.R., Snyder S.H.: Nitric oxide-GAPDH-Siah: anovel
cell death cascade. Cell. Mol. Neurobiol. 2006; 26: 527–538
[29] Huang J., Hao L., Xiong N., Cao X., Liang Z., Sun S., Wang
T.: Involvement of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase in
rotenone-induced cell apoptosis: relevance to protein misfolding and
aggregation. Brain Res., 2009; 1279: 1-8
[30] Huang J., Xiong N., Chen C., Xiong J., Jia M., Zhang Z., Cao
X., Liang Z., Sun S., Lin Z., Wang T.: Glyceraldehyde-3-phosphate
dehydrogenase: activity inhibition and protein overexpression in rote-
none models for Parkinsons disease. Neuroscience. 2011; 192: 598-608
[31] Huitorel P., Pantaloni D.: Bundling of microtubules by glyce-
raldehyde-3-phosphate dehydrogenase and its modulation by ATP.
Eur. J. Biochem., 1985; 150: 265-9
[32] Hwang N.R., Yim S.H., Kim Y.M., Jeong J., Song E.J., Lee Y.,
Lee J.H., Choi S., Lee K.J.: Oxidative modications of glyceraldehy-
de-3-phosphate dehydrogenase play akey role in its multiple cellular
functions. Biochem. J., 2009; 423: 253-264
[33] Ishitani R., Chuang D.M., Glyceraldehyde-3-phosphate dehy-
drogenase antisense oligodeoxynucleotides protect against cytosine
arabinonucleoside-induced apoptosis in cultured cerebellar neurons.
Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 1996; 93: 9937-9941
[34] Ishitani R., Sunaga K., Hirano A., Saunders P., Katsube N., Chu-
ang D.M.: Evidence that glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase
is involved in age-induced apoptosis in mature cerebellar neurons in
culture. J. Neurochem., 1996; 66: 928-935
[35] Ishitani R., Tanaka M., Sunaga K., Katsube N., Chuang D.M.:
Nuclear localization of overexpressed glyceraldehyde-3-phosphate
dehydrogenase in cultured cerebellar neurons undergoing apoptosis.
Mol. Pharmacol., 1998: 53: 701-707
[36] Ismail S.A., Park H.W.: Structural analysis of human liver gly-
ceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase. Acta Crystallogr. D Biol.
Crystallogr., 2005; 61: 1508-1513
[37] Jeery C.J.: Moonlighting proteins. Trends Biochem. Sci., 1999;
24: 8-11
[38] Jermaine J.L., and Tanner J.J.: High-resolution structure of hu-
man D-glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase. Acta Crystallogr.
D Biol. Crystallogr., 2006; 62: 290-301
[39] Kowalczyk A., Seran E., Puchała M.: Inactivation of chosen
dehydrogenases by the products of water radiolysis and secondary al-
bumin and haemoglobin radicals. Int. J. Radiat. Biol; 2008; 84:15-22
[40] Kumagai H., Sakai H.: Aporcine brain protein (35 K protein)
which bundles microtubules and its identication as glyceraldehyde
3-phosphate dehydrogenase. J. Biochem., 1983; 93: 1259-1269
[41] López Vinals A.E., Farías R.N., Morero R.D.: Characteriza-
tion of the fusogenic properties of glyceraldehyde-3-phosphate de-
hydrogenase: fusion of phospholipid vesicles. Biochem. Biophys. Res.
Commun., 1987; 143: 403-409
[42] Mansur N.R., Meyer-Siegler K., Wurzer J.C., Sirover M.A.: Cell
cycle regulation of the glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase/
uracil DNA glycosylase gene in normal human cells. Nucleic Acids
Res., 1993; 21: 993-8
[43] Maughan D.W., Henkin J.A., Vigoreaux J.O.: Concentrations
of glycolytic enzymes and other cytosolic proteins in the diusible
fraction of avertebrate muscle proteome. Mol. Cell. Proteomics.,
2005; 4: 1541-1549
[44] Mazzola J.L., Sirover M.A.: Alteration of intracellular structure and
function of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase: acommon phe-
notype of neurodegenerative disorders? Neurotoxicology., 2002; 23: 603-9
[45] Mazzola J.L., Sirover M.A.: Reduction of glyceraldehyde-3-pho-
sphate dehydrogenase activity in Alzheimer’s disease and in Hunting-
tons disease broblasts. J. Neurochem., 2001; 76: 442-449
[46] McKnight S.: Gene switching by metabolic enzymes — how did
you get on the invitation list? Cell 2003; 114: 150–152
[47] Miura T., Muraoka S., Ogiso T.: Inactivation of glyceraldehyde-
-3-phosphate dehydrogenase by ferrylmyoglobin. Chem. Biol. Inte-
ract., 1997; 107: 173-183
[48] Mohr S., Hallak H., de Boitte A., Lapetina E.G., Brüne B.: Nitric
oxide-induced S-glutathionylation and inactivation of glyceraldehyde-
-3-phosphate dehydrogenase. J. Biol. Chem., 1999; 274: 9427-9430
[49] Morero R.D., Viñals A.L., Bloj B., Farías R.N.: Fusion of phospho-
lipid vesicles induced by muscle glyceraldehyde-3-phosphate dehydro-
genase in the absence of calcium. Biochemistry., 1985; 24: 1904-1909
[50] Nagradova N.K.: Study of the properties of phosphorylating
D-glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase. Biochemistry, 2001;
66: 1067-1076
[51] Nagy E., Rigby W.F.: Glyceraldehyde-3-phosphate dehydroge-
nase selectively binds AU-rich RNA in the NAD(+)-binding region
(Rossmann fold). J. Biol. Chem., 1995; 270: 2755-2763
[52] Nakagawa T., Hirano Y., Inomata A., Yokota S., Miyachi K.,
Kaneda M., Umeda M., Furukawa K., Omata S., Horigome T.: Par-
ticipation of afusogenic protein, glyceraldehyde-3-phosphate de-
hydrogenase, in nuclear membrane assembly. J. Biol. Chem., 2003;
278: 20395-20404
788
Postepy Hig Med Dosw (online), 2013; tom 67: 775-789
[53] Nakajima H., Amano W., Fukuhara A., Kubo T., Misaki S.,
Azuma Y.T., Inui T., Takeuchi T.: An aggregate-prone mutant of hu-
man glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase augments oxidative
stress-induced cell death in SH-SY5Y cells. Biochem. Biophys. Res.
Commun., 2009; 390: 1066-1071
[54] Nakajima H., Amano W., Fujita A., Fukuhara A., Azuma Y.T.,
Hata F., Inui T., Takeuchi T.: e active site cysteine of the proapop-
totic protein glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase is essential
in oxidative stress-induced aggregation and cell death. J. Biol. Chem.,
2007; 282: 26562-26574
[55] Nakajima H., Amano W., Kubo T., Fukuhara A., Ihara H.,
Azuma Y.T., Tajima H., Inui T., Sawa A., Takeuchi T.: Glyceral-
dehyde-3-phosphate dehydrogenase aggregate formation partici-
pates in oxidative stress-induced cell death. J. Biol. Chem., 2009;
284: 34331-34341
[56] Nakamura T., Lipton S.A.: According to GOSPEL: lling in
the GAP(DH) of NO-mediated neurotoxicity. Neuron, 2009; 63: 3-6
[57] Naletova I., Schmalhausen E., Kharitonov A., Katrukha A., Saso
L., Caprioli A., Muronetz V.: Non-native glyceraldehyde-3-phosphate
dehydrogenase can be an intrinsic component of amyloid structures.
Biochim. Biophys. Acta., 2008; 1784: 2052-2058
[58] Nogales E., Downing K. H., Amos L. A. and Lowe J.: Tubulin
and FtsZ form adistinct family of GTPases. Nature. Struct. Biol.,
1998; 5: 451-458
[59] Ortiz-Ortiz M.A., Morán J.M., Ruiz-Mesa L.M., Bravo-San
Pedro J.M., Fuentes J.M.: Paraquat exposure induces nuclear translo-
cation of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) and
the activation of the nitric oxide-GAPDH-Siah cell death cascade.
Toxicol. Sci., 2010; 116(2) :614-622
[60] Park J., Han D., Kim K., Kang Y., Kim Y.: O-GlcNAcylation
disrupts glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase homo-tetramer
formation and mediates its nuclear translocation. Biochim. Biophys.
Acta, 2009; 1794: 254-262
[61] Patterson R.L., van Rossum D.B., Kaplin A.I., Barrow R.K.,
Snyder S.H.: Inositol 1,4,5-trisphosphate receptor/GAPDH complex
augments Ca2+ release via locally derived NADH. Proc. Natl. Acad.
Sci. USA., 2005; 102: 1357-1359
[62] Pettersen E.F., Goddard T.D., Huang C.C., Couch G.S., Gre-
enblatt D.M., Meng E.C., Ferrin T.E.: J. Comput. Chem., 2004;
25(13): 1605-12. UCSF Chimera--avisualization system for explo-
ratory research and analysis
[63] Ralser M., Wamelink M.M., Kowald A., Gerisch B., Heeren
G., Struys E.A., Klipp E., Jakobs C., Breitenbach M., Lehrach H.,
Krobitsch S.: Dynamic rerouting of the carbohydrate ux is key to
counteracting oxidative stress. J. Biol., 2007; 6: 10
[64] Rodacka A., Seran E., Bubinski M., Krokosz A., Puchala M.:
e inuence of oxygen on radiation-induced structural and functio-
nal changes in glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase and lactate
dehydrogenase. Rad. Phys. and Chem., 2012; 81: 807-815
[65] Rodacka A., Seran E., Puchala M.: Eciency of superoxide
anions in the inactivation of selected dehydrogenases. Rad. Phys. and
Chem., 2010; 79: 960–965
[66] Rodríguez-Pascual F., Redondo-Horcajo M., Magán-Marchal
N., Lagares D., Martínez-Ruiz A., Kleinert H., Lamas S.: Glyceral-
dehyde-3-phosphate dehydrogenase regulates endothelin-1 expression
by anovel, redox-sensitive mechanism involving mRNA stability. Mol.
Cell Biol., 2008; 28: 7139-7155
[67] Ronai Z.: Glycolytic enzymes as DNA binding proteins. Int. J.
Biochem., 1993; 25: 1073-1076
[68] Sawa A., Khan A.A., Hester L.D., Snyder S.H.: Glyceraldehy-
de-3-phosphate dehydrogenase: nuclear translocation participates
in neuronal and nonneuronal cell death. Proc. Natl. Acad. Sci. USA,
1997; 94: 11669-11674
[69] Schultz D.E., Hardin C.C., Lemon S.M.: Specic interaction
of glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase with the 5’-non-
translated RNA of hepatitis Avirus. J. Biol. Chem., 1996; 271:
14134-14142
[70] Schuppe-Koistinen I., Moldéus P., Bergman T., Cotgreave I.A.:
S-thiolation of human endothelial cell glyceraldehyde-3-phosphate
dehydrogenase after hydrogen peroxide treatment. Eur. J. Biochem.,
1994; 221: 1033-1037
[71] Sen N., Hara M.R., Ahmad A.S., Cascio M.B., Kamiya A.,
Ehmsen J.T., Agrawal N., Hester L., Doré S., Snyder S.H., Sawa A.
GOSPEL: aneuroprotective protein that binds to GAPDH upon
S-nitrosylation.Neuron., 2009; 63: 81-91
[72] Sen N., Hara M.R., Kornberg M.D., Cascio M.B., Bae B.I., Sha-
hani N., omas B., Dawson T.M., Dawson V.L., Snyder S.H., Sawa
A.: Nitric oxide-induced nuclear GAPDH activates p300/CBP and
mediates apoptosis, Nat. Cell Biol., 2008; 10: 866–873
[73] Sirover M.A.: On the functional diversity of glyceraldehyde-
-3-phosphate dehydrogenase: biochemical mechanisms and regulatory
control. Biochim. Biophys. Acta., 2011; 1810: 741-751
[74] Sirover M.A.: New insights into an old protein: the functional
diversity of mammalian glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase.
Biochim. Biophys. Acta., 1999; 1432: 159–184
[75] Soukri A., Mougin A., Corbier C., Wonacott A., Branlant C.,
Branlant G.: Role of the histidine 176 residue in glyceraldehyde-
-3-phosphate dehydrogenase as probed by site-directed mutagenesis.
Biochemistry, 1989; 28: 2586-2592
[76] Souza D.H., Garratt R.C., Araújo A.P., Guimarães B.G., Jesus
W.D., Michels P.A., Hannaert V., Oliva G.: Trypanosoma cruzi gly-
cosomal glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase: structure, ca-
talytic mechanism and targeted inhibitor design. FEBS Lett., 1998;
424: 131-135
[77] Sundararaj K.P., Wood R.E., Ponnusamy S., Salas A.M., Szulc
Z., Bielawska A., Obeid L.M., Hannun Y.A., Ogretmen B.: Rapid
shortening of telomere length in response to ceramide involves the
inhibition of telomere binding activity of nuclear glyceraldehyde-
-3-phosphate dehydrogenase. J. Biol. Chem., 2004; 279: 6152–6162
[78] Talfournier F., Colloc’h N., Mornon J.P., Branlant G.; Com-
parative study of the catalytic domain of phosphorylating glyceral-
dehyde-3-phosphate dehydrogenases from bacteria and archaea via
essential cysteine probes and site-directed mutagenesis. Eur. J. Bio-
chem., 1998; 252: 447-457
[79] Tatton W.G., Chalmers-Redman R.M., Elstner M., Leesch W.,
Jagodzinski F.B., Stupak D.P., Sugrue M.M., Tatton N.A.: Glyceral-
dehyde-3-phosphate dehydrogenase in neurodegeneration and apop-
tosis signaling. J. Neural. Transm. Suppl., 2000; 60: 77-100
[80] Tisdale E.J., Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase is re-
quired for vesicular transport in the early secretory pathway. J. Biol.
Chem., 2001; 276: 2480–2486
[81] Tisdale E.J., Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase is pho-
sphorylated by protein kinase Cί/λ and plays arole in microtubule
dynamics in the early secretory pathway. J. Biol. Chem., 2002; 277:
3334–3341
[82] Tisdale E.J., Rab2 interacts directly with atypical protein kina-
se C (aPKC) ί/λ and inhibits aPKCί/λ-dependent glyceraldehyde-
-3-phosphate dehydrogenase phosphorylation. J. Biol. Chem., 2003;
278: 52524–52530
[83] Tisdale E.J., Artalejo C.R.: Src-dependent aprotein kinase Cί/λ
(aPKCί/λ) tyrosine phosphorylation is required for aPKCί/λ asso-
ciation with Rab2 and glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase
on pre-golgi intermediates. J. Biol. Chem., 2006; 281: 8436–8442
[84] Tisdale E.J., Artalejo C.R.: AGAPDH mutant defective in src-
-dependent tyrosine phosphorylation impedes Rab2-mediated events.
Trac, 2007; 8: 733–741
789
Aleksandra Rodacka – Właściwości iróżnorodność funkcjonalna dehydrogenazy...
[85] Tisdale E.J., Azizi F., Artalejo C.R.: Rab2 utilizes glyceraldehyde-
-3-phosphate dehydrogenase and protein kinase Cί to associate with
microtubules and torecruit dynein. J. Biol. Chem., 2009; 284: 5876–5884
[86] Tisdale E.J., Jackson M.R.: Rab2 protein enhances coatomer recru-
itment to pre-Golgi intermediates. J Biol Chem., 1998; 273:17269-77
[87] Tisdale E.J., Kelly C., Artalejo C.R.: Glyceraldehyde-3-pho-
sphate dehydrogenase interacts with Rab2 and plays an essential role
in endoplasmic reticulum to golgi transport exclusive of its glycolytic
activity. J. Biol. Chem., 2004; 279: 54046–54052
[88] Tristan C., Shahani N., Sedlak T.W., Sawa A.: e diverse func-
tions of GAPDH: views from dierent subcellular compartments.
Cell. Signal., 2011; 23: 317-323
[89] Tsuchiya K., Tajima H., Kuwae T., Takeshima T., Nakano T.,
Tanaka M., Sunaga K., Fukuhara Y., Nakashima K., Ohama E., Mo-
chizuki H., Mizuno Y., Katsube N., Ishitani R.: Pro-apoptotic protein
glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase promotes the formation
of Lewy body-like inclusions. Eur. J. Neurosci., 2005; 21: 317-326
[90] Tsuchiya K., Tajima H., Yamada M., Takahashi H., Kuwae T., Su-
naga K., Katsube N., Ishitani R.: Disclosure of apro-apoptotic glyce-
raldehyde-3-phosphate dehydrogenase promoter: anti-dementia drugs
depress its activation in apoptosis. Life Sci., 2004; 74: 3245-3258
[91] Ventura M., Mateo F., Serratosa J., Salaet I., Carujo S., Bachs
O., Pujol M.J.: Nuclear translocation of glyceraldehyde-3-phosphate
dehydrogenase is regulated by acetylation. Int. J. Biochem. Cell Biol.,
2010; 42: 1672-1680
[92] Volker K.W., Knull H.: Aglycolytic enzyme binding domain on
tubulin. Arch. Biochem. Biophys., 1997; 338: 237-243
[93] Volker K.W., Knull H.R.J.: Glycolytic enzyme-tubulin inte-
ractions: role of tubulin carboxy terminals. Mol. Recognit., 1993;
6: 167-177
[94] Volker K.W., Reinitz C.A., Knull H.R.: Glycolytic enzymes
and assembly of microtubule networks. Comp. Biochem. Physiol. B
Biochem. Mol. Biol., 1995; 112: 503-514
[95] Wang Q., Woltjer R.L., Cimino P.J., Pan C.., Montine K.S.,
Zhang J., Montine T.J.: Proteomic analysis of neurobrillary tan-
gles in Alzheimer disease identies GAPDH as adetergent-inso-
luble paired helical lament tau binding protein. FASEB J., 2005;
19: 869-871
[96] Zheng I., Roeder R.G., Luo Y.: S phase activation of the histo-
ne H2B promoter by OCA-S, acoactivator complex that contains
GAPDH as akey component., Cell, 2003; 114: 255–266
[97] Zhou Y., Yi X., Stofer J.B., Bonafe N., Gilmore-Hebert M.,
McAlpine J., Chambers S.K.: e multifunctional protein glyceralde-
hyde-3-phosphate dehydrogenase is both regulated and controls co-
lony-stimulating factor-1 messenger RNA stability in ovarian cancer.
Mol. Cancer Res., 2008; 61375–61384
Autorka deklaruje brak potencjalnych koniktów interesu.
... The biosynthesis of F2BP2 is dependent on the activity of the PFKFB3 protein, which acts as a potent allosteric activator for phospho-6-kinase-1. On the other hand, the activity of 6-phospho-fructo-1-kinase has a decisive influence on the course of glycolysis [53,54]. In neurons, glucose metabolism mainly takes place via the pentose phosphate pathway, as it enables the regeneration of NADPH (H) and the support of the neuronal redox state. ...
... This situation generates oxidative stress, and leads to the death of neurons. Importantly, silencing of the PFKFB3 protein in neurons prevents the intensification of ROS production and apoptosis induced by excitotoxic factors [54]. The coding proteins play a regulatory role, which is believed to be important for MDD under stress-related conditions. ...
... Therefore, by actively lowering glycolysis, the neurons in the cerebral cortex use glucose to maintain redox balance, limiting its use for bioenergy purposes. Studies have also shown that the NMDAR-stimulation-induced shift of PPP to glycolysis occurred under oxidative stress, as evidenced by an increase in redox oxidized glutathione, an increase in mitochondrial ROS, and neuronal apoptosis [54,56]. Ultimately, it can induce oxidative stress, and then lead to neuronal apoptosis due to insufficient PPP-processes characteristic for the pathogenesis of depression. ...
Article
Full-text available
Exposure to chronic stress leads to disturbances in glucose metabolism in the brain, and changes in the functioning of neurons coexisting with the development of depression. The detailed molecular mechanism and cerebral gluconeogenesis during depression are not conclusively established. The aim of the research was to assess the expression of selected genes involved in cerebral glucose metabolism of mice in the validated animal paradigm of chronic stress. To confirm the induction of depression-like disorders, we performed three behavioral tests: sucrose preference test (SPT), forced swim test (FST), and tail suspension test (TST). In order to study the cerebral glucose metabolism of the brain, mRNA levels of the following genes were determined in the prefrontal cortex of mice: Slc2a3, Gapdh, Ldha, Ldhb, and Pkfb3. It has been shown that exogenous, chronic administration of corticosterone developed a model of depression in behavioral tests. There were statistically significant changes in the mRNA level of the Slc2a3, Ldha, Gapdh, and Ldhb genes. The obtained results suggest changes in cerebral glucose metabolism as a process of adaptation to stressful conditions, and may provide the basis for introducing new therapeutic strategies for chronic stress-related depression.
... Notably, many studies have presented evidence showing that some glycolytic enzymes play complicated and multifunctional roles with unexpected functional effects, including transcription regulation (HK, LDH, GAPDH, and ENO), apoptosis (HK and GAPDH) and cell motility (GPI) (Kim and Dang 2005). Among enzymes that perform many simultaneous functions, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) is particularly well characterized (Kim and Dang 2005;Rodacka et al., 2013;Lincet et al., 2015;Konieczna et al., 2015). G3PDH is ~37 kDa and catalyzes the sixth step of glycolysis; i.e., it converts glyceraldehyde-3-phosphate to 1,3-bisphosphoglycerate in conjunction with the reduction of NAD+ to NADH (Kim and Dang 2005). ...
... According to Tristan et al. (2011), when cells are exposed to various stressors, GAPDH undergoes dynamic subcellular redistribution, and GAPDH is involved in various diseases, especially neurodegenerative disorders and cancers. In response to cellular stress, GAPDH has been shown to participate in the regulation of cell signaling pathways; e.g., it regulates the release of calcium from the endoplasmic reticulum into the cytosol (Rodacka 2013). ...
Article
Full-text available
In this study, the effects of the Arginine/Lysine (Arg/Lys) ratio in low- and high-methionine (Met) diets on the sarcoplasmic protein profile of breast muscles from turkeys reared under optimal or challenge (Clostridium perfringens infection) conditions were determined. One-day-old Hybrid Converter female turkey poults (216 in total) obtained from a commercial hatchery on hatching day, and on the basis of their average initial body weight were randomly allocated to 12 pens (4 m² each; 2.0 m x 2.0 m) containing litter bedding and were reared over a 42-day experimental period. Diets with high levels of Lys contained approximately 1.80% and 1.65% Lys and were offered in two successive feeding periods (days 1-28 and days 29-42). The supplemental levels of Lys were consistent with the nutritional specifications for birds at their respective ages as established in the Management Guidelines for Raising Commercial Turkeys. The experiment was based on a completely randomized 3 × 2 × 2 factorial design with three levels of Arg (90%, 100% and 110%) relative to the content of dietary Met (30 or 45%) and without (-) or with (+) C. perfringens challenge at 34, 36 or 37 days of age. Meat samples were investigated in terms of pH, color, and sarcoplasmic protein profile. The experimental factors did not influence meat quality but the dietary Arg content affected meat color. The sarcoplasmic protein profile was influenced by all studied factors, and glycolytic enzymes were the most abundant. This study evidenced strong association between the challenge conditions and the involvement of glycolytic enzymes in cell metabolism, particularly in inflammatory processes, and DNA replication and maintenance in turkeys. The results showed an effect of C. perfringens infection and feeding with different doses of Arg and Met may lead to significant consequences in cell metabolism.
... The glycolytic enzyme GAPDH was once considered a simple "housekeeping" protein [28,30], but recent studies have shown that this enzyme is involved in many cellular processes in addition to glycolysis, including DNA repair [41], tRNA export [42], membrane fusion and transport [43], cytoskeletal dynamics [44], and cell death [45]. The multifunctional properties of GAPDH are regulated by its oligomerization, posttranslational modification, and subcellular localization. ...
Article
Full-text available
Alzheimer’s disease (AD) is a progressive neurodegenerative disease characterized by two aggregates, namely, amyloid-β (Aβ) plaques and neurofibrillary tangles (NFTs) of hyperphosphorylated tau protein (tau-p), which are released into the blood in a very small amount and cannot be easily detected. An increasing number of recent studies have suggested that S-glutathionylated glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) is highly correlated with Aβ in patients with AD and that S-glutathionylated GAPDH plays a role as a proapoptotic factor in AD. We found that S-glutathionylated GAPDH is abundant in the blood of AD patients, which is unusual because S-glutathionylated GAPDH cannot exist in the blood under normal conditions. The aim of this study was to further explore the correlation between the S-glutathionylated GAPDH levels in blood plasma and AD progression. As controls, we recruited 191 people without AD, which included 111 healthy individuals and 37 patients with depression and insomnia, in the psychosomatic clinic. Moreover, 47 patients with AD (aged 40–89 years) were recruited at the neurology clinic. The blood S-glutathionylated GAPDH levels in the AD patients were significantly (p < 0.001) higher (752.7 ± 301.7 ng/dL) than those in the controls (59.92 ± 122.4 ng/dL), irrespective of gender and age. For AD diagnosis, the criterion blood S-glutathionylated GAPDH level > 251.62 ng/dL exhibited 95.74% sensitivity and 92.67% specificity. In fact, the individuals aged 70–89 years, namely, 37 patients from the psychosomatic clinic and 42 healthy individuals, showed significant blood S-glutathionylated GAPDH levels (230.5 ± 79.3 and 8.05 ± 20.51 ng/dL, respectively). This finding might indicate neurodegenerative AD progression in psychosomatic patients and suggests that the degree of neuronal apoptosis during AD progression might be sensitively evaluated based on the level of S-glutathionylated GAPDH in blood.
... To test this hypothesis, we have chosen an enzyme playing one of the key roles in glycolysis -GAPDH. This enzyme is found in all tissue types in relatively high concentrations (5-10% of cytoplasmic protein content) [15,16], and the formation of its quaternary structure is known to be assisted by complex ATP-dependent chaperonins [17][18][19][20][21]. Bacterial chaperonin GroEL used in the present work is an example of such proteins, and it closely resembles cytoplasmic chaperonin TriC from mammals [22,23]. The possibility of blocking chaperonin function by an amyloid protein was tested using ovine prion protein and its oligomeric and fibrillary forms. ...
Article
Full-text available
The possibility of inhibition of chaperonin functional activity by amyloid proteins was studied. It was found that the ovine prion protein PrP as well as its oligomeric and fibrillar forms are capable of binding with the chaperonin GroEL. Besides, GroEL was shown to promote amyloid aggregation of the monomeric and oligomeric PrP as well as PrP fibrils. The monomeric PrP was shown to inhibit the GroEL-assisted reactivation of the glycolytic enzyme glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH). The oligomers of PrP decelerate the GroEL-assisted reactivation of GAPDH, and PrP fibrils did not affect this process. The chaperonin GroEL is capable of interacting with GAPDH and different PrP forms simultaneously. A possible role of the inhibition of chaperonins by amyloid proteins in the misfolding of the enzymes involved in cell metabolism and in progression of neurodegenerative diseases of amyloid nature is discussed.
... Oxidative damage of enzymes can have a marked effect on the cell fate. Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) may be a good example in this respect as oxidative modifications of this enzyme can lead not only to inhibition of the glycolytic pathway, but may also induce apoptotic cell death (Butterfield et al., 2010;Sirover, 2012;Rodacka, 2013). ...
Article
Proteins, which have enzymatic activities play a fundamental role in the cell due to participation in most of biological processes. Oxidative-induced damage of enzymes often have marked effects on cellular processes, which in consequence determine cell functioning and survival. In this review, we focused on the radiation-induced inactivation of enzymes with particular emphasis on the inactivation of dehydrogenases. For a better understanding of this issue, the efficiency of products of water radiolysis (˙OH, O2˙‾ and H2O2) in enzyme inactivation has been analysed. Reactions of reactive oxygen species (ROS) with amino acids present in the active site of enzymes appear to have the greatest impact on enzyme inactivation.
... Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (GADPH) is a conserved glycolytic enzyme found in all living cells. It is known to be involved in glycolysis, transmission of genetic information, cellular signal transduction networks and in the structural organization of the cell [Rodacka, 2013]. Recently, it came to light, that it is able to form functional complexes with diverse cellular components facilitating invasive capability of some microorganisms [Seidler and Seidler, 2013]. ...
Article
The primary issue undertaken in this study was to test the hypothesis that preadipocytes would have intrinsically elevated propensity to differentiate into mature adipocytes due to HAdV31 infection. To prove that, the metabolic and molecular mechanisms responsible for HAdV31-induced adipogenesis were examined. 3T3L1 cells (mouse embryonic fibroblast, adipose like cell line) were used as a surrogate model to analyze an increased proliferation, differentiation and maturation of preadipocytes infected with human adenovirus. An expression of E4orf1, C/EBP-β, PPAR-γ, GAPDH, aP2, LEP and fatty acid synthase genes, intracellular lipid accumulation as well as cytokine release from the fat cells were assessed. Data showed that HAdV31 increased an expression of C/EBP-β and PPAR-γ genes leading to an enhanced differentiation of preadipocytes into fat cells. Besides, overexpression of GAPDH and fatty acid synthase, and decreased expression of leptin caused an increased accumulation of intracellular lipids. Secretion of TNF-α and IL-6 from HAdV31-infected cells was strongly decreased, leading to unlimited virus replication. The results obtained from this study provided the evidences that HAdV31, likewise previously documented HAdV36, is a subsequent human adenovirus affecting the differentiation and lipid accumulation of 3T3L1 cells. This article is protected by copyright. All rights reserved. This article is protected by copyright. All rights reserved.
Article
The pathogenesis of neurodegenerative diseases involves oxidative stress-induced cell death. It’s well documented that polyphenolic compounds protect neurons against this type of cell damage. Among many polyphenols, stilbenoids derivatives are of particular interest given their potential for use in therapeutics and prevention of neurodegenerative disorders. Piceatannol, which is ubiquitous in variety of edible plants has broad spectrum of action including antioxidant, anti-inflammatory, anti-cancer, and neuroprotective activities. In the present study, the effects of piceatannol against oxidative stress-induced cell damage in neuroblastoma cells were evaluated. Our data indicate that protective effect of piceatannol in neuroblastoma cells under oxidative stress conditions is associated with increased activity and expression of glutathione peroxidase enzymes. Piceatannol also stimulates BDNF, which is involved in neurite outgrowth and maintenance of function in neuronal cells. Furthermore, piceatannol promotes cell survival by sustaining level of sirtuin 1 and seladin-1 mRNA on constant level.
Article
Full-text available
Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) is a key redox-sensitive protein, the activity of which is largely affected by oxidative modifications at its highly reactive cysteine residue in the active site of the enzyme (Cys-152). These modifications occur as a result of S-thiolation, S-nitrosylation or disulfide bonds that lead to aggregate formation. The oxidative changes not only affect the glycolytic function but also stimulate the participation of GAPDH in numerous cellular processes. In this review we describe how thiol modification of Cys-152 in GAPDH re-routes metabolic pathways in the cell and converts a metabolic enzyme into a pro-apoptotic factor. Especially interesting issue is the participation of GAPDH in the regulation of expression of endothelin 1 and nitrosylation of nuclear proteins. In the last section we describe involvement of GAPDH in the processes associated with neurodegenerative diseases.
Article
Full-text available
Recently, the oxidoreductase, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH), has become a subject of interest as more and more studies reveal a surfeit of diverse GAPDH functions, extending beyond traditional aerobic metabolism of glucose. As a result of multiple isoforms and cellular locales, GAPDH is able to come in contact with a variety of small molecules, proteins, membranes, etc., that play important roles in normal and pathologic cell function. Specifically, GAPDH has been shown to interact with neurodegenerative disease-associated proteins, including the amyloid-beta protein precursor (AbetaPP). Studies from our laboratory have shown significant inhibition of GAPDH dehydrogenase activity in Alzheimer's disease (AD) brain due to oxidative modification. Although oxidative stress and damage is a common phenomenon in the AD brain, it would seem that inhibition of glycolytic enzyme activity is merely one avenue in which AD pathology affects neuronal cell development and survival, as oxidative modification can also impart a toxic gain-of-function to many proteins, including GAPDH. In this review, we examine the many functions of GAPDH with respect to AD brain; in particular, the apparent role(s) of GAPDH in AD-related apoptotic cell death is emphasized.
Article
Full-text available
Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) has diverse biological functions including its nuclear translocation in response to oxidative stress. We show that GAPDH physically associates with APE1, an essential enzyme involved in the repair of abasic sites in damaged DNA, as well as in the redox regulation of several transcription factors. This interaction allows GAPDH to convert the oxidized species of APE1 to the reduced form, thereby reactivating its endonuclease activity to cleave abasic sites. The GAPDH variants C152G and C156G retain the ability to interact with but are unable to reactivate APE1, implicating these cysteines in catalyzing the reduction of APE1. Interestingly, GAPDH-small interfering RNA knockdown sensitized the cells to methyl methane sulfonate and bleomycin, which generate lesions that are repaired by APE1, but showed normal sensitivity to 254-nm UV. Moreover, the GAPDH knockdown cells exhibited an increased level of spontaneous abasic sites in the genomic DNA as a result of diminished APE1 endonuclease activity. Thus, the nuclear translocation of GAPDH during oxidative stress constitutes a protective mechanism to safeguard the genome by preventing structural inactivation of APE1.
Article
Full-text available
Tubulin and FtsZ share a common fold of two domains connected by a central helix. Structure-based sequence alignment shows that common residues localize in the nucleotide-binding site and a region that interacts with the nucleotide of the next tubulin subunit in the protofilament, suggesting that tubulin and FtsZ use similar contacts to form filaments. Surfaces that would make lateral interactions between protofilaments or interact with motor proteins are, however, different. The highly conserved nucleotide-binding sites of tubulin and FtsZ clearly differ from those of EF-Tu and other GTPases, while resembling the nucleotide site of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase. Thus, tubulin and FtsZ form a distinct family of GTP-hydrolyzing proteins.
Article
Full-text available
Atypical protein kinase C iota/lambda (PKCiota/lambda) is essential for protein transport in the early secretory pathway. The small GTPase Rab2 selectively recruits the kinase to vesicular tubular clusters (VTCs) where PKCiota/lambda phosphorylates glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH). VTCs are composed of small vesicles and tubules and serve as transport intermediates that shuttle cargo from the endoplasmic reticulum to the Golgi complex. These structures are the first site of segregation of the anterograde and retrograde pathways. When Rab2 binds to a VTC subcompartment, the subsequent recruitment of PKCiota/lambda and soluble components, including COPI (coatomer and ADP-ribosylation factor), results in the release of retrograde-directed vesicles. Because Rab2 stimulates PKCiota/lambda membrane association in a dose-dependent manner, we investigated whether the two proteins physically interact. Using a combination of in vivo and in vitro assays, we found that Rab2 interacts directly with PKCiota/lambda and that this interaction occurs through the Rab2 amino terminus (residues 1-19) and the PKCiota/lambda regulatory domain. A mutant lacking the PKCiota/lambda binding domain (Rab2N'Delta19) was functionally characterized. In contrast to Rab2, Rab2N'Delta19 failed to recruit PKCiota/lambda to normal rat kidney microsomes in a quantitative binding assay. To determine whether Rab2 modulates the ability of PKCiota/lambda to phosphorylate GAPDH, an in vitro kinase assay was supplemented with Rab2 or Rab2N'Delta19. Rab2 inhibited PKCiota/lambda-dependent GAPDH phosphorylation, whereas no effect was observed when the assay was performed with the aminoterminal truncation mutant. These results suggest that a downstream effector recruited to the VTC stimulates PKCiota/lambda-mediated GAPDH phosphorylation by alleviating the inhibition imposed by Rab2-PKCiota/lambda interaction.
Article
Under typical culture conditions, cerebellar granule cells die abruptly after 17 days in vitro. This burst of neuronal death involves ultrastructural changes and internucleosomal DNA fragmentations characteristic of apoptosis and is effectively arrested by pretreatment with actinomycin-D and cycloheximide. The level of a 38-kDa protein in the particulate fraction is markedly increased during age-induced cell death and by pretreatment with NMDA, which potentiates this cell death. Conversely, the age-induced increment of the 38-kDa particulate protein is suppressed by actinomycin-D and cycloheximide. N-terminal microsequencing of the 38-kDa protein revealed sequence identity with glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH). A GAPDH antisense oligodeoxyribonucleotide blocks age-induced expression of the particulate 38-kDa protein and effectively inhibits neuronal apoptosis. In contrast, the corresponding sense oligonucleotide of GAPDH was completely ineffective in preventing the age-induced neuronal death and the 38-kDa protein overexpression. Moreover, the age-induced expression of the 38-kDa protein is preceded by a pronounced increase in the GAPDH mRNA level, which is abolished by actinomycin-D, cycloheximide, or the GAPDH antisense, but not sense, oligonucleotide. Thus, our results suggest that overexpression of GAPDH in the particulate fraction has a direct role in age-induced apoptosis of cerebellar neurons.
Article
Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) is a glycolytic enzyme that displays several non-glycolytic activities, including the maintenance and/or protection of telomeres. In this study, we determined the molecular mechanism and biological role of the interaction between GAPDH and human telomeric DNA. Using gel-shift assays, we show that recombinant GAPDH binds directly with high affinity (Kd = 45 nM) to a single-stranded oligonucleotide comprising three telomeric DNA repeats, and that nucleotides T1, G5, and G6 of the TTAGGG repeat are essential for binding. The stoichiometry of the interaction is 2:1 (DNA:GAPDH), and GAPDH appears to form a high-molecular-weight complex when bound to the oligonucleotide. Mutation of Asp32 and Cys149, which are localized to the NAD-binding site and the active-site center of GAPDH, respectively, produced mutants that almost completely lost their telomere-binding functions both in vitro and in situ (in A549 human lung cancer cells). Treatment of A549 cells with the chemotherapeutic agents gemcitabine and doxorubicin resulted in increased nuclear localization of expressed wild-type GAPDH, where it protected telomeres against rapid degradation, concomitant with increased resistance to the growth-inhibitory effects of these drugs. The non-DNA-binding mutants of GAPDH also localized to the nucleus when expressed in A549 cells, but did not confer any significant protection of telomeres against chemotherapy-induced degradation or growth inhibition; this occurred without the involvement of caspase activation or apoptosis regulation. Overall, these data demonstrate that GAPDH binds telomeric DNA directly in vitro and may have a biological role in the protection of telomeres against rapid degradation in response to chemotherapeutic agents in A549 human lung cancer cells.
Article
The most ubiquitous of the primary reactive oxygen species, formed in all aerobes, is the superoxide free radical. It is believed that the superoxide anion radical shows low reactivity and in oxidative stress it is regarded mainly as an initiator of more reactive species such as OH and ONOO‐.In this paper, the effectiveness of inactivation of selected enzymes by radiation-generated superoxide radicals in comparison with the effectiveness of the other products of water radiolysis is examined. We investigate three enzymes: glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH), alcohol dehydrogenase (ADH) and lactate dehydrogenase (LDH).We show that the direct contribution of the superoxide anion radical to GAPDH and ADH inactivation is significant. The effectiveness of the superoxide anion in the inactivation of GAPDH and ADG was only 2.4 and 2.8 times smaller, respectively, in comparison with hydroxyl radical. LDH was practically not inactivated by the superoxide anion.Despite the fact that the studied dehydrogenases belong to the same class of enzymes (oxidoreductases), all have a similar molecular weight and are tetramers, their susceptibility to free-radical damage varies. The differences in the radiosensitivity of the enzymes are not determined by the basic structural parameters analyzed. A significant role in inactivation susceptibility is played by the type of amino acid residues and their localization within enzyme molecules.
Article
A fluorescence assay based on resonance energy transfer has been used to characterize the fusogenic properties of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase. The extent of phospholipid vesicles fusion induced by the protein increased with decreasing pH, being maximum at pH 4.5–5.0. Fusion reaction was temperature dependent with an activation energy of 10 Kcal/mol, and virtually completed within 1 min, at pH 5.0. Fusion is most efficient with vesicles bearing negative charge, however uncharged and even positively charged vesicles were fused. The negatively charged and uncharged vesicles showed the same pH dependence. These observations suggest the importance of hydrophobic interaction in the process of fusion, which was supported by a correlation between extent of fusion and exposure of hydrophobic region of the protein.
Article
Rotenone, a widely used pesticide and an environmental risk factor for Parkinson's disease (PD), induces nigrostriatal injury, Lewy body-like inclusions, and Parkinsonian symptoms in rat models for PD. Our previous data indicated that glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) overexpression and glycolytic inhibition were co-current in rotenone-induced PC12 (rat adrenal pheochromocytoma cells) cell death. However, whether GAPDH overexpression plays any role in dopaminergic neurodegeneration in vivo remains unknown. In this study, we have found that GAPDH overexpression and GAPDH-positive Lewy body-like aggregates in nigral dopaminergic neurons while nigral GAPDH glycolytic activity decreases in rotenone-based PD animal models. Furthermore, GAPDH knockdown reduces rotenone toxicity significantly in PC12. These in vitro and in vivo data suggest that GAPDH contributes to the pathogenesis of Parkinson's disease, possibly representing a new molecular target for neuroprotective strategies and alternative therapies for PD.