SERINE PEPTIDASE HOMOLOG FROM THE BEETLE Tenebrio molitor WITH SUBSTITUTION OF SERINE RESIDUE WITH THREONINE IN THE CATALYTIC TRIAD

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Analysis of the genomes and transcriptomes of the beetle Tenebrio molitor revealed a group of six serine peptidase homologs (SPH) of the S1A chymotrypsin subfamily containing a conservative substitution of the catalytic residue Ser195 with Thr (Ser195Thr) in the active center. All six SPH are secreted proteins with prepropeptides and lack regulatory domains in the propeptide. The most highly expressed homolog, SerPH122, shares 57% sequence identity with the most highly expressed elastase-like peptidase of T. molitor, SerP41. Both proteins exhibit similar domain organization, localization in the posterior midgut, and expression patterns in the feeding stages of the fourth instar larva and imago. Testing hydrolytic activity of the recombinant rSerPH122 preparation demonstrated that the conservative substitution of Ser for Thr in the active center did not abolish its catalytic activity. rSerPH122 exhibits low specific activity but broad substrate specificity, most effectively hydrolyzing substrates of chymotrypsin-like and trypsin-like peptidases. The homolog has a pH optimum at 8.5 and is stable in the pH range 4.0-8.0. This study addresses the question of activity of the homologs with the Ser195Thr substitution and contributes to understanding of the poorly studied area of SPH functions, providing a basis for elucidating relationship between the structure and function of serine peptidases and their homologs.

About the authors

N. I Zhiganov

Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Lomonosov Moscow State University; Lomonosov Moscow State University

Moscow, Russia

A. S Gubaeva

Lomonosov Moscow State University

Moscow, Russia

V. F Tereshchenkova

Lomonosov Moscow State University

Moscow, Russia

Y. E Dunaevsky

Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Lomonosov Moscow State University

Moscow, Russia

M. A Belozersky

Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Lomonosov Moscow State University

Moscow, Russia

E. N Elpidina

Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Lomonosov Moscow State University

Email: elp@belozersky.msu.ru
Moscow, Russia

References

  1. Rawlings, N. D., and Barrett, A. J. (2013) Introduction: Serine Peptidases and Their Clans. Handbook of Proteolytic Enzymes, (Rawlings, N. D., and Salvesen, G., eds) 3rd Edn, Elsevier Ltd., pp. 2491-2523, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-382219-2.00559-7.
  2. Schechter, I., and Berger, A. (1967) On the size of the active site in proteases. I. Papain, Biochem. Biophys. Res. Commun., 27, 157-162, https://doi.org/10.1016/S0006-291X(67)80055-X.
  3. Reynolds, S. L., and Fischer, K. (2015) Pseudoproteases: mechanisms and function, Biochem. J., 468, 17-24, https://doi.org/10.1042/BJ20141506.
  4. Rawlings, N. D., and Bateman, A. (2021) How to use the MEROPS database and website to help understand peptidase specificity, Protein Sci., 30, 83-92, https://doi.org/10.1002/pro.3948.
  5. Levine, R. (2011) i5K: the 5,000 insect genome project, Am. Entomol., 57, 110-113, https://doi.org/10.1093/ae/57.2.110.
  6. Ross, J., Jiang, H., Kanost, M., and Wanga, Y. (2003) Serine proteases and their homologs in the Drosophila melanogaster genome: an initial analysis of sequence conservation and phylogenetic relationships, Gene, 304, 117-131, https://doi.org/10.1016/s0378-1119(02)01187-3.
  7. Cao, X., Gulati, M., and Jiang, H. (2017) Serine protease-related proteins in the malaria mosquito, Anopheles gambiae, Insect Biochem. Mol. Biol., 88, 48-62, https://doi.org/10.1016/j.ibmb.2017.07.008.
  8. Zou, Z., Lopez, D. L., Kanost, M. R., Evans, J. D., and Jiang, H. (2006) Comparative analysis of serine protease-related genes in the honey bee genome: possible involvement in embryonic development and innate immunity, Insect Mol. Biol., 15, 603-614, https://doi.org/10.1111/j.1365-2583.2006.00684.x.
  9. Yang, L., Lin, Z., Fang, Q., Wang, J., Yan, Z., Zou, Z., Song, Q., and Ye, G. (2017) The genomic and transcriptomic analyses of serine proteases and their homologs in an endoparasitoid, Pteromalus puparum, Dev. Comp. Immunol., 77, 56-68, https://doi.org/10.1016/j.dci.2017.07.014.
  10. Zhao, P., Wang, G. H., Dong, Z. M., Duan, J., Xu, P. Z., Cheng, T. C., Xiang, Z. H., and Xia, Q. Y. (2010) Genome-wide identification and expression analysis of serine proteases and homologs in the silkworm Bombyx mori, BMC Genomics, 11, 405, https://doi.org/10.1186/1471-2164-11-405.
  11. Lin, H., Xia, X., Yu, L., Vasseur, L., Gurr, G. M., Yao, F., Yang, G., and You, M. (2015) Genome-wide identification and expression profiling of serine proteases and homologs in the diamondback moth, Plutella xylostella (L.), BMC Genomics, 16, 1054, https://doi.org/10.1186/s12864-015-2243-4.
  12. Cao, X., He, Y., Hu, Y., Zhang, X., Wang, Y., Zou, Z., Chen, Y., Blissard, G. W., Kanost, M. R., and Jiang, H. (2015) Sequence conservation, phylogenetic relationships, and expression profiles of nondigestive serine proteases and serine protease homologs in Manduca sexta, Insect Biochem. Mol. Biol., 62, 51-63, https://doi.org/10.1016/j.ibmb.2014.10.006.
  13. Zhiganov, N. I., Vinokurov, K. S., Salimgareev, R. S., Tereshchenkova, V. F., Dunaevsky, Y. E., Belozersky, M. A., and Elpidina, E. N. (2024) The set of serine peptidases of the Tenebrio molitor beetle: transcriptomic analysis on different developmental stages, Int. J. Mol. Sci., 25, 5743, https://doi.org/10.3390/ijms25115743.
  14. Cao, X., and Jiang, H. (2018) Building a platform for predicting functions of serine protease-related proteins in Drosophila melanogaster and other insects, Insect Biochem. Mol. Biol., 103, 53-69, https://doi.org/10.1016/j.ibmb.2018.10.006.
  15. Kwon, T. H., Kim, M. S., Choi, H. W., Joo, C. H., Cho, M. Y., and Lee, B. L. (2000) A masquerade-like serine proteinase homologue is necessary for phenoloxidase activity in the coleopteran insect, Holotrichia diomphalia larvae, Eur. J. Biochem., 267, 6188-6196, https://doi.org/10.1046/j.1432-1327.2000.01695.x.
  16. Lee, K. Y., Zhang, R., Kim, M. S., Park, J. W., Park, H. Y., Kawabata, S., and Lee, B. L. (2002) A zymogen form of masquerade-like serine proteinase homologue is cleaved during pro-phenoloxidase activation by Ca2+ in coleopteran and Tenebrio molitor larvae, Eur. J. Biochem., 269, 4375-4383, https://doi.org/10.1046/j.1432-1033.2002.03155.x.
  17. Gupta, S., Wang, Y., and Jiang, H. (2005) Manduca sexta prophenoloxidase (proPO) activation requires proPO-activating proteinase (PAP) and serine proteinase homologs (SPHs) simultaneously, Insect Biochem. Mol. Biol., 35, 241-248, https://doi.org/10.1016/j.ibmb.2004.12.003.
  18. Liu, H. P., Chen, R. Y., Zhang, M., and Wang, K. J. (2010) Isolation, gene cloning and expression profile of a pathogen recognition protein: a serine proteinase homolog (Sp-SPH) involved in the antibacterial response in the crab Scylla paramamosain, Dev. Comp. Immunol., 34, 741-748, https://doi.org/10.1016/j.dci.2010.02.005.
  19. Kanost, M. R., and Jiang, H. (2015) Clip-domain serine proteases as immune factors in insect hemolymph, Curr. Opin. Insect Sci., 11, 47-55, https://doi.org/10.1016/j.cois.2015.09.003.
  20. Fischer, K., Langendorf, C. G., Irving, J. A., Reynolds, S., Willis, C., Beckham, S., Law, R. H., Yang, S., Bashtannyk-Puhalovich, T. A., McGowan, S., Whistock, J. C., Pike, R. N., Kemp, D. J., and Buckle, A. M. (2009) Structural mechanisms of inactivation in scabies mite serine protease paralogues, J. Mol. Biol., 390, 635-645, https://doi.org/10.1016/j.jmb.2009.04.082.
  21. Reynolds, S. L., Pike, R. N., Mika, A., Blom, A. M., Hofmann, A., Wijeyewickrema, L. C., Kemp, D., and Fischer, K. (2014) Scabies mite inactive serine proteases are potent inhibitors of the human complement lectin pathway, PLoS Negl. Trop. Dis., 8, e2872, https://doi.org/10.1371/journal.pntd.0002872.
  22. Watorek, W. (2003) Azurocidin – inactive serine proteinase homolog acting as a multifunctional inflammatory mediator, Acta Biochim. Pol., 50, 743-752.
  23. Kurosky, A., Barnett, D. R., Lee, T. H., Touchstone, B., Hay, R. E., Arnott, M. S., Bowman, B. H., and Fitch, W. M. (1980) Covalent structure of human haptoglobin: a serine protease homolog, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 77, 3388-3392, https://doi.org/10.1073/pnas.77.6.3388.
  24. Andersen, C. B. F., Stødkilde, K., Seederup, K. L., Kuhlee, A., Raunser, S., and Graversen, J. H. (2017) Haptoglobin, Antioxid. Redox Signal., 26, 814-831, https://doi.org/10.1089/ars.2016.6793.
  25. Rezaie, A. R., Bae, J. S., Manithody, C., Qureshi, S. H., and Yang, L. (2008) Protein Z-dependent protease inhibitor binds to the C-terminal domain of protein Z, J. Biol. Chem., 283, 19922-19926, https://doi.org/10.1074/jbc.M802639200.
  26. Chandrasekaran, V., Lee, C. J., Duke, R. E., Perera, L., and Pedersen, L. G. (2008) Computational study of the putative active form of protein Z (PZa): sequence design and structural modeling, Protein Sci., 17, 1354-1361, https://doi.org/10.1110/ps.034801.108.
  27. Campanelli, D., Detmers, P. A., Nathan, C. F., and Gabay, J. E. (1990) Azurocidin and a homologous serine protease from neutrophils. Differential antimicrobial and proteolytic properties, J. Clin. Invest., 85, 904-915, https://doi.org/10.1172/JCI114518.
  28. Wex, T., Lipyansky, A., Brömme, N. C., Wex, H., Guan, X. Q., and Brömme, D. (2001) TIN-ag-RP, a novel catalytically inactive cathepsin B-related protein with EGF domains, is predominantly expressed in vascular smooth muscle cells, Biochemistry, 40, 1350-1357, https://doi.org/10.1021/bi0022660.
  29. Plis, B., and Schultz, J. (2004) Inactive enzyme-homologues find new function in regulatory processes, J. Mol. Biol., 340, 399-404, https://doi.org/10.1016/j.jmb.2004.04.063.
  30. Katoh, K., Rozewicki, J., and Yamada, K. D. (2019) MAFFT online service: multiple sequence alignment, interactive sequence choice and visualization, Brief Bioinform., 20, 1160-1166, https://doi.org/10.1093/bib/bbx108.
  31. Perona, J. J., and Craik, C. S. (1995) Structural basis of substrate specificity in the serine proteases, Protein Sci., 4, 337-360, https://doi.org/10.1002/pro.5560040301.
  32. Терещенкова В. Ф., Жиганов Н. И., Акентьев Ф. И., Губайдуллин И. И., Козлов Д. Г., Беляева Н. В., Филиппова И. Ю., Элпидина Е. Н. (2021) Получение и свойства рекомбинантного протеолитически активного гомолога сериновой пептидазы SerPH122 Tenebrio molitor, Прикл. Биохим. Микробіол., 57, 450-457, 10.31857/S0555109921050172.
  33. Frugoni, J. A. C. (1957) Tampone universale di Britton e Robinson a forza ionica constante, Gazz. Chem. Ital., 87, 403-407.
  34. Goodman, M., Toniolo, C., Moroder, L., and Felix, A. (2004) Houben-Weyl Methods of Organic Chemistry: Synthesis of Peptides and Peptidominetics, 4th Edn., Vol. E22a, Stuttgart, NY, Thieme, https://doi.org/10.1055/b-0035-112838.
  35. Filippova, I. Y., Dvoryakova, E. A., Sokolenko, N. I., Simonyan, T. R., Tereshchenkova, V. F., Zhiganov, N. I., Dunaevsky, Y. E., Belozersky, M. A., Oppert, B., and Elpidina, E. N. (2020) New glutamine-containing substrates for the assay of cysteine peptidases from the C1 papain family, Front. Mol. Biosci., 7, 578758, https://doi.org/10.3389/fmolb.2020.578758.
  36. Терещенкова В. Ф., Жиганов Н. И., Губаева А. С., Акентьев Ф. И., Дунаевский Я. Е., Козлов Д. Г., Белозерский М. А., Элпидина Е. Н. (2024) Рекомбинантная химотрипсиноподобная пептидаза Tenebrio molitor с неканоническим субстрат-связывающим сайтом, Прикл. Биохим. Микробіол., 60, 344-355, https://doi.org/10.31857/S0555109924030045.
  37. Zhiganov, N. I., Tereshchenkova, V. F., Serebryakova, M.V., Dunaevsky, Y. E., Belozersky, M. A., and Elpidina E. N. (2025) Identification and localization of the set of serine peptidases and their homologs in the larval midgut of Tenebrio molitor L., Insect Mol. Biol. [Article submitted].
  38. Vinokurov, K. S., Elpidina, E. N., Oppert, B., Prabhakar, S., Zhuzhikov, D. P., Dunaevsky, Y. E., and Belozersky, M. A. (2006) Diversity of digestive proteinases in Tenebrio molitor (Coleoptera: Tenebrionidae) larvae, Comp. Biochem. Physiol. B Biochem. Mol. Biol., 145, 126-137, https://doi.org/10.1016/j.cbpb.2006.05.005.
  39. Perkin, L. C., Elpidina, E. N., and Oppert, B. (2017) RNA interference and dietary inhibitors induce a similar compensation response in Tribolium castaneum larvae, Insect Mol. Biol., 26, 35-45, https://doi.org/10.1111/imb.12269.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».