Furin

Die großen extrazellulären Regionen des Furins weisen eine Gesamthomologie mit denselben Regionen von anderen Mitgliedern der Proprotein-Convertase-Familie auf, die zur Superfamilie der Subtilisin-ähnlichen Serinproteasen gehören. Die größten Sequenzähnlichkeiten befinden sich in der Subtilisin-ähnlichen katalytischen Domäne. Der Aspartat-, Histidin- und Serinrest, die zusammen die katalytische Triade bilden, sind hochkonserviert und die katalytischen Domänen von anderen Proprotein-Convertasen sind mit 54–70 % mit der Sequenz von Furin identisch. Neben einem Signalpeptid besitzen Furin und andere Proprotein-Convertasen sogenannte Prodomänen, an denen sich die Schnittstelle des Signalpeptids am N-Terminus und mehrere konservierte basische Aminosäurereste befinden, welche die autoproteolytische Schnittstelle am C-Terminus beinhalten. Diese essentielle Prodomäne spielt eine wichtige Rolle in der Proteinfaltung von PC, deren Aktivierung, Transport und Regulierung. Des Weiteren besitzen Furin und andere PC eine P-Domäne, die für die Enzymaktivität, die Anpassung am pH-Wert und für die Rekrutierung von Calcium als Cofaktor notwendig ist. In bakteriellen PC fehlt die P-Domäne. Die cytoplasmatische Domäne von Furin kontrolliert dessen Lokalisierung und das Protein Sorting (Prozess, bei dem Proteine auf Basis ihres Bestimmungsorts sortiert werden) im trans-Golgi-Netzwerk.^[3]

Furin besitzt ein breites pH-Optimum. 50 % seiner enzymatischen Aktivität befindet sich zwischen pH 5 und 8, abhängig davon, welches Substrat gespalten wird. Wie auch andere Mitglieder der Subtilisin-Superfamilie ist Furin streng calciumabhängig und benötigt ungefähr 1 mM Calcium zur vollständigen Funktionsausübung. Außerdem besitzt Furin zwei Calcium-Bindungstaschen, wobei eine Tasche eine mittlere und die andere eine hohe Affinität aufweist.^[4] Furin weist außerdem eine schwache Bindung zu Kalium auf; eine Kaliumkonzentration von 20 mM erhöht die Furin-Aktivität durch Erhöhung der Deacylierungsrate (Rückreaktion der Acylierung), die im Katalysezyklus von Furin wichtig ist.^[5]

Die Konsensus-Schnittstelle, an der Furin spaltet, befindet sich hinter dem Argininrest am C-Terminus in der Sequenz –Arg–X–Lys/Arg–Arg-|- (wobei X eine beliebige Aminosäure, der senkrechte Strich mit den Viertelgeviertstrichen die Schnittstelle, der Schrägstrich eine „Oder-Verknüpfung“ und der Halbgeviertstrich eine Peptidbindung kennzeichnet) und wurde biochemisch mit zwei Furin-Substraten bestimmt, zum einen mit dem protektiven Antigen (kurz PA, eine Untereinheit des Milzbrandtoxins) und zum anderen mit dem Hämagglutinin des Influenzavirus A (HA).^[6][7] Dabei sind die Argininreste an der P1-Position (Aminosäurerest, der sich N-terminal zur Schnittstelle befindet) und P4-Position (vier Aminosäurereste in N-terminaler Richtung von der Schnittstelle entfernt) essentiell, wobei die basische Aminosäure an der P2-Position nicht essentiell ist, aber die Effizienz der enzymatischen Umsetzung stark beeinflussen kann. Daher stellt die Sequenz –Arg–X–X–Arg-|- die Mindestanforderung für eine Schnittsequenz für Furin dar, wobei durch bevorzugte Aminosäurereste an der P2- und P6-Position nicht-bevorzugte Reste an der P4-Position ausgeglichen werden.^[8] Aufgrund dessen stellt in Ausnahmefällen die Sequenz –Lys/Arg–X–X–X–Lys/Arg–Arg-|- ebenfalls eine Schnittsequenz für Furin dar.

Die zwei meistverwendeten Furin-Inhibitoren sind der stöchiometrische Peptidylinhibitor Decanoyl–Arg–Val–Lys–Arg–Chlormethylketon und das α₁-Antitrypsin Portland (α₁-PDX), eine biotechnologisch erzeugte Variante des α₁-Antitrypsins. Decanoyl–Arg–Val–Lys–Ar–Chlormethylketon hemmt alle PC mit einer niedrigen nanomolaren Inhibitionskonstante (K_i),^[9] wobei die alkylierenden Eigenschaften der reaktiven Gruppe die Anwendungsmöglichkeiten der Reagens einschränken. α₁-PDX wird durch Mutation an einer reaktiven Stelle einer Schleife erzeugt, sodass die Mindestanforderung für eine Schnittsequenz für Furin erfüllt ist (–Arg–Ile–Pro–Arg-|-).^[10] Außerdem ist α₁-PDX hochselektiv für Furin in vitro (K_i = 600 pM); zudem werden bei höheren Konzentrationen auch andere PC gehemmt.^[9] In biochemischen, zellulären und tierischen Studien konnte mit α₁-PDX die Furin-Aktivität blockiert und die Produktion von pathogenen Viren, die bakterielle Toxinaktivierung und die Krebsmetastase^[11] verhindert werden.

Furin ist ein Enzym, das zur Familie der Subtilisin-like-Proprotein-Convertasen gehört. Deren Mitglieder sind Proprotein-Convertasen, die latent Präkursor-Proteine in aktive Varianten überführen. Es ist eine Calcium-abhängige Serinendoprotease, die sehr effizient Präkursor-Proteine an ihren gepaarten basischen Aminosäuren-Verarbeitungsstellen spalten können. Einige der Furin-Substrate sind Pro-Parathormon, TGF-β1, Pro-Albumin, Pro-Beta-Sekretase, Matrix-Metalloproteinase-1, Beta-NGF und Von-Willebrand-Faktor. Eine Furin-like-Proprotein-Convertase ist mit involviert in der Verarbeitung von Hämojuvelin (RGMc), das eine schwere Erkrankung, die als Juvenile Hämochromatose bezeichnet wird, durch Eisen-Überlastung mit verursachen kann. Forschungsgruppen um die Wissenschaftler Ganz und Rotwein demonstrierten, dass Furin-like-Proprotein-Convertase (PPC) verantwortlich sind für die Umwandlung von 50 kDa HJV zu einem 40 kDa Protein mit einem abgeschnittenen COOH-Terminus an einer mehrbasischen RNRR-Stelle. Es deutet auf einen potentiellen Mechanismus zur Generierung von löslichen Formen des Hämojuvelins (s-Hämojuvelin) hin, das im Blut der Nagetiere und Menschen gefunden werden kann.^[12][13]

Furin ist eine der Proteasen, die für die proteolytische Spaltung der Virushülle-Polyprotein-Präkursoren von HIV: gp160 zu gp120 und gp41 im Vorfeld des viralen Zusammenbaus verantwortlich ist.^[14] Man glaubt, dass dieses Gen eine Rolle bei der Tumor-Entwicklung spielt. Für dieses Gen wurden Verwendungen von alternativen Polyadenylationsstellen gefunden.^[15][16]

Furin ist im Golgi-Apparat reichlich vorhanden, wo es andere Proteine zu ihren reifen/aktiven Formen spaltet.^[17] Furin spaltet Proteine nur downstream einer basischen Aminosäure-Zielsequenz (typischerweise Arg-X-(Arg/Lys)-Arg'). Nebst der Prozessierung von zellulären Präkursor-Proteinen wird Furin auch von mehreren Pathogenen benutzt. Zum Beispiel müssen die Virus-Hüllen-Proteine von HIV, Influenza, Denguefieber, mehrerer Filoviren inkl. der des Ebolavirus und des Marburg-Virus von Furin oder Furin-like-Proteasen gespalten werden, damit sie voll funktional werden können.

Beim Betacoronavirus SARS-CoV-2 wurde die Beteiligung von Furin am Zelleintritt nachgewiesen. Die Virushülle des Kapsids von SARS-CoV-2 ist mit Spike-Proteinen besetzt, die Furin-affinitiv ausgebildet sind und durch Furin gespalten werden, um den endosomalen Zelleintritt im Lungengewebe einzuleiten.^[18][19] Milzbrandtoxin, Pseudomonas-Exotoxin, und Papillomaviren müssen von Furin prozessiert werden während sie die Wirtszelle betreten. Furin-Inhibitoren werden geprüft als therapeutische Mittel zur Behandlung von Anthrax-Infektion.^[20]

Die Furin-Substrate und die Positionen der Furin-Spaltungsstellen in Protein-Sequenzen können durch zwei bioinformatische Methoden vorhergesagt werden: ProP^[21] und PiTou.^[22]

Die Expression von Furin in den T-Lymphozyten ist zur Aufrechterhaltung der peripheren Immuntoleranz erforderlich.^[23]

Furin interagiert mit PACS1.^[24]