Холестерин 24-гидроксилаза
Семейство белков

Холестерин 24-гидроксилаза
Структура холестерин-24-гидроксилазы (CYP46A1) у Homo sapiens . Основано на PyMOL-рендеринге PDB 2Q9F .
Идентификаторы
Номер ЕС1.14.13.98
Базы данных
ИнтЭнзIntEnz вид
БРЕНДАзапись BRENDA
ExPASyNiceZyme вид
КЕГГзапись KEGG
МетаЦикметаболический путь
ПРИАМпрофиль
Структуры PDBRCSB PDB PDBe PDBsum
Поиск
ЧВКстатьи
PubMedстатьи
NCBIбелки

Холестерин 24-гидроксилаза ( EC 1.14.13.98 ), также широко известная как холестерин 24S-гидроксилаза , холестерин 24-монооксигеназа , CYP46 или CYP46A1 , является ферментом , который катализирует превращение холестерина в 24S-гидроксихолестерин . Он отвечает за большую часть оборота холестерина в центральной нервной системе человека . [1] Систематическое название этого класса ферментов - холестерин,НАДФН: кислород оксидоредуктаза (24-гидроксилирование) .

Этот фермент является членом суперсемейства ферментов цитохрома P450 (CYP). Как и многие другие ферменты CYP, действующие на холестерин, холестерин-24 гидроксилаза является монооксигеназой , которая гидроксилирует боковую цепь холестерина. [2]

Поскольку 24S-гидроксихолестерин более полярен , чем холестерин, он может легче преодолеть гематоэнцефалический барьер , чтобы покинуть мозг и попасть в кровоток, откуда он затем может попасть в печень для дальнейшего разложения. [3] [4] Этот фермент также был обнаружен в небольших количествах в сетчатке , где он выполняет ту же функцию, но в меньшей степени. [5]

Генетическое клонирование кодирующего гена ( CYP46A1 ) было впервые осуществлено в 1999 году, а затем, в 2003 году, была разработана обширная система экспрессии и очистки E. coli. [2] [6]

Молекулярная структура

Ферментативная структура человеческой холестерин-24-гидроксилазы была определена с помощью кристаллографии на источнике синхротронного излучения в Стэнфорде и показала, что это мономерный гем -содержащий белок массой 57 кДа (500 остатков), связанный с эндоплазматическим ретикулумом нейронов.

Активный центр гидроксилазы холестерина-24 и молекула гема со связанным 3-сульфатом холестерина. Гидрофобные остатки, взаимодействующие с алифатическим хвостом холестерина, обозначены белым цветом. Создано в pyMOL из PDB 2Q9F

Холестерин-24-гидроксилаза по своей структуре похожа на многие другие цитохромы P450, обладая, например, консервативным участком из 23 гидрофобных остатков на N-конце, которые составляют трансмембранный заякоривающий домен (остатки 3-27). [7]

Холестер-24-гидроксилаза (CYP46A1) с расположением активного центра, показанным красным. Создано в pyMOL из PDB 2Q9F.

Тем не менее, C-конец холестерин-24 гидроксилазы имеет уникальный пролин -богатый регион из 5 повторяющихся остатков пролина, структурный мотив, отсутствующий во всех других родственных ферментах цитохрома p450. Хотя точная функция этих остатков пролина остается весьма спекулятивной, было показано, что удаление этого региона приводит к двукратному снижению каталитической эффективности фермента. [8]

Связывание холестерина приводит к ферментативному конформационному изменению и последующей индуцированной подгонке активного центра вокруг молекулы холестерина, закрепляя сайт гидроксилирования (C-24, C-25) вблизи каталитического центра фермента (5,7Å от железного ядра молекулы гема, чтобы позволить оксиферрильным интермедиатам выполнять гидроксилирование холестерина). Область петли, известная как петля B'-C, имеет ряд из 5 остатков (остатки 116-120), уникальных для холестерин-24 гидроксилазы, которые способствуют позиционированию молекулы холестерина в активном центре. Одна молекула холестерина занимает весь активный центр, при этом алифатический хвост холестерина удерживается на месте за счет взаимодействий со следующими гидрофобными остатками: Phe-121, Val-126, Ile-301, Ala-302, Ala-367, Thr-475. Доступ к активному сайту осуществляется через единственный вход, созданный двумя спиралями (B' и F) и β1-слоем. [8]

Известных аллостерических регуляторных участков нет .

Механизм фермента

Механизм гидроксилазы холестерина-24. Молекула гема образует оксиферриловый интермедиат, который отрывает водород от холестерина. Последующий алкильный интермедиат затем реагирует с активированным кислородом, образуя конечный продукт. [9] [10]

Холестерин-24 гидроксилаза катализирует следующую реакцию:

холестерин + НАДФН + H + + O 2 (24S)-24-гидроксихолестерин + НАДФ + + H 2 O ⇌ {\displaystyle \rightleftharpoons}

Четырьмя субстратами этого фермента являются холестерин , НАДФН , Н + и О2 , а его тремя продуктами являются 24S-гидроксихолестерин , НАДФ + и Н2О . [ 11]

Как и все другие цитохромы P450, холестерин-24 гидроксилаза использует оксиферриловый промежуточный продукт для гидроксилирования холестерина. Оксиферриловый радикал забирает водород из углерода-24, чтобы создать алкильный радикальный промежуточный продукт. Затем холестериновый алкильный радикал соединяется с активированным кислородом на геме, чтобы создать 24S-гидроксихолестерин. [9] [10]

Функция

Холестерин-24 гидроксилаза способствует гомеостазу холестерина в мозге, гидроксилируя холестерин на углероде-24 до 24S-гидроксихолестерина, чтобы обеспечить выведение холестерина из мозга в печень. [11] Однако только около 6–7 мг холестерина гидроксилируются этим ферментом ежедневно, что предполагает существование альтернативных функций, которые в настоящее время неизвестны. Эксперименты in vitro показали, что он также способен далее метаболизировать 24S-гидроксихолестерин в 24,25- и 24,27-дигидроксихолестерины. [1]

Холестерин-24-гидроксилаза имеет множество возможных субстратов, включая: удлиненные стероидные цепи, производные холестерина и множество кандидатов на роль лекарств. [12] [13] Таким образом, также вероятно, что она играет роль в метаболизме липидов в мозге за пределами распада холестерина. Поскольку 24S-гидроксихолестерин (основной продукт этого фермента) является основным активатором оксистериновых печеночных X-рецепторов (LXR), возможно, что холестерин-24-гидроксилаза может играть косвенную регуляторную роль в метаболизме липидов в печени. [2] [14] 24S-гидроксихолестерин также регулирует скорость синтеза холестерина в мозге, при этом высокие уровни 24S-гидроксихолестерина, как показано, снижают уровни мРНК следующих ферментов синтеза холестерина: HMG CoA-редуктаза , скваленсинтаза и FPP- синтаза. [15]

Клиническое значение

Изменяющаяся экспрессия холестерин-24-гидроксилазы связана с началом болезни Альцгеймера (БА) у людей. Исследования показали, что у пациентов с БА наблюдается значительное снижение экспрессии холестерин-24-гидроксилазы в нейронах . [16] В результате наблюдается заметное увеличение холестерина в мозговой ткани, [17] что соответствует тенденции, наблюдаемой у пациентов с БА.

Субстраты, метаболизируемые холестерин-24-гидроксилазой. Красный блок содержит список ксенобиотиков, которые может метаболизировать фермент. Реакции, выделенные синим цветом, обычно наблюдаются в мозге как часть поддержания гомеостаза холестерина.

Деградацию нейронов при болезни Альцгеймера часто связывают с нарушением гомеостаза холестерина, и многие ученые предполагают, что пониженная экспрессия холестерин-24-гидроксилазы может быть основной причиной этого нарушения.

С другой стороны, в то время как наблюдается снижение экспрессии в нейронах, наблюдается контрастное увеличение экспрессии в астроцитах пациентов с болезнью Альцгеймера , где происходит последующее накопление продукта, 24S-гидроксихолестерина. [18] Недавние исследования показали, что повышенные уровни 24S-гидроксихолестерина в астроцитах могут привести к потере глиальных транспортеров глутамата (EAAT2) и, как следствие, потере функции захвата глутамата в мозге, еще один распространенный симптом, наблюдаемый у пациентов с болезнью Альцгеймера. [19]

Тем не менее, связь между уровнями экспрессии холестерин-24-гидроксилазы и болезнью Альцгеймера остается спорной. Хотя некоторые исследования показали, что полиморфизмы в гене, кодирующем холестерин-24-гидроксилазу, имеют установленную положительную корреляцию с началом болезни Альцгеймера, другие публикации не обнаружили такой связи. [20] [21] Повышенная экспрессия холестерин-24-гидроксилазы также наблюдалась у пациентов с черепно-мозговой травмой, что приводило к снижению уровня холестерина в плазматической мембране. Предполагается, что это типичная реакция мозга на травму. [15]

Холестерин-24-гидроксилаза легко ингибируется многими препаратами из-за ее широкой субстратной специфичности. Было показано, что она метаболизирует буфуралол , прогестерон , декстрометорфан , метоксирезоруфин, кортизол , диклофенак , фенацетин и тестостерон . [13] Способность к ингибированию различными ксенобиотиками делает этот фермент главным кандидатом для лекарственной терапии болезни Альцгеймера или других повреждений головного мозга.

Ссылки

  1. ^ ab Russell DW, Halford RW, Ramirez DMO, Shah R, Kotti T (2009). «Холестерин 24-гидроксилаза: фермент оборота холестерина в мозге». Annual Review of Biochemistry . 78 : 1017–1040. doi : 10.1146/annurev.biochem.78.072407.103859. PMC  2837268. PMID  19489738 .
  2. ^ abc Пикулева ИА (апрель 2006). "Холестерин-метаболизирующие цитохромы P450". Drug Metabolism and Disposition . 34 (4): 513–520. doi :10.1124/dmd.105.008789. PMID  16434543. S2CID  304953.
  3. ^ Пикулева ИА (декабрь 2006 г.). «Цитохромы P450 и гомеостаз холестерина». Фармакология и терапия . 112 (3): 761–773. doi :10.1016/j.pharmthera.2006.05.014. PMID  16872679.
  4. ^ Рассел Д. В. (2003). «Ферменты, регуляция и генетика синтеза желчных кислот». Annu. Rev. Biochem . 72 : 137–74. doi :10.1146/annurev.biochem.72.121801.161712. PMID  12543708.
  5. ^ Bretillon L, Diczfalusy U, Bjorkhem I, Maire MA, Martine L, Joffre C, Acar N, Bron A, Creuzot-Garcher C (апрель 2007 г.). «Холестерин-24S-гидроксилаза (CYP46A1) специфически экспрессируется в нейронах нервной сетчатки». Current Eye Research . 32 (4): 361–366. doi :10.1080/02713680701231857. PMID  17453958. S2CID  26919085.
  6. ^ Lund EG, Guileyardo JM, Russell DW (1999). "cDNA клонирование холестерина 24-гидроксилазы, медиатора гомеостаза холестерина в мозге". Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 96 (13): 7238–43. Bibcode : 1999PNAS ... 96.7238L. doi : 10.1073/pnas.96.13.7238 . PMC 22064. PMID  10377398. 
  7. ^ Mast N, Andersson U, Nakayama K, Bjorkhem I, Pikuleva IA (август 2004). "Экспрессия человеческого цитохрома P450 46A1 в Escherichia coli: эффекты модификаций N- и C-конца". Arch. Biochem. Biophys. 428 (1): 99–108. doi :10.1016/j.abb.2004.05.012. PMID  15234274.
  8. ^ ab Mast N, White MN, Bjorkhem I, Johnson EF, Stout CD, Pikuleva IA (июль 2008 г.). «Кристаллические структуры связанного с субстратом и свободного от субстрата цитохрома P450 46A1, основной холестерингидроксилазы в мозге». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (28): 9546–9551. Bibcode : 2008PNAS..105.9546M. doi : 10.1073/pnas.0803717105 . PMC 2474539. PMID  18621681 . 
  9. ^ ab Munro AW, Girvan HM, McLean KJ (июнь 2007 г.). «Вариации на (т)геме — новые механизмы, окислительно-восстановительные партнеры и каталитические функции в суперсемействе цитохрома P450». Natural Product Reports . 24 (3): 585–609. doi :10.1039/b604190f. PMID  17534532.
  10. ^ ab Ortiz de Montellano PR (февраль 2010 г.). «Гидроксилирование углеводородов ферментами цитохрома P450». Chemical Reviews . 110 (2): 932–948. doi :10.1021/cr9002193. PMC 2820140 . PMID  19769330. 
  11. ^ ab Lund EG, Xie C, Kotti T, Turley SD, Dietschy JM, Russell DW (2003). «Выключение гена холестерина 24-гидроксилазы у мышей раскрывает специфический для мозга механизм оборота холестерина». J. Biol. Chem . 278 (25): 22980–8. doi : 10.1074/jbc.M303415200 . PMID  12686551.
  12. ^ Пикулева IA, Норкросс R, Андерссон U, Шоу M, Накаяма K, Бьоркхем I, Пикулева IA (2003). "Широкая субстратная специфичность человеческого цитохрома P450 46A1, которая инициирует деградацию холестерина в мозге". Биохимия . 42 (48): 14284–92. doi :10.1021/bi035512f. PMID  14640697.
  13. ^ ab Mast N, Charvet C, Pikuleva IA, Stout CD (октябрь 2010 г.). «Структурная основа связывания лекарств с CYP46A1, ферментом, контролирующим оборот холестерина в мозге». Журнал биологической химии . 285 (41): 31783–31795. doi : 10.1074/jbc.M110.143313 . PMC 2951250. PMID  20667828 . 
  14. ^ Shafaati M, Olin M, Bavner A, Pettersson H, Rozell B, Meaney S, Parini P, Bjorkhem I (октябрь 2011 г.). «Усиленное производство 24S-гидроксихолестерина недостаточно для управления целевыми генами рецептора X печени in vivo». Journal of Internal Medicine . 270 (4): 377–387. doi : 10.1111/j.1365-2796.2011.02389.x . PMID  21486371.
  15. ^ ab Cartagena CM, Burns MP, Rebeck GW (март 2010 г.). «Влияние 24S-гидроксихолестерина на гены липидного метаболизма моделируется при травматическом повреждении мозга». Brain Research . 1319 : 1–12. doi :10.1016/j.brainres.2009.12.080. PMC 2826556. PMID  20053345 . 
  16. ^ Winblad B, Russell DW, Bjorkhem I (2001). «Об обороте холестерина мозга у пациентов с болезнью Альцгеймера. Аномальная индукция холестерин-катаболического фермента CYP46 в глиальных клетках». Neurosci. Lett . 314 (1–2): 45–8. doi :10.1016/S0304-3940(01)02277-7. PMID  11698143. S2CID  37449539.
  17. ^ Desai P, DeKosky ST, Kamboh MI (август 2002 г.). «Генетическая изменчивость гена холестерина 24-гидроксилазы (CYP46) и риск болезни Альцгеймера». Neuroscience Letters . 328 (1): 9–12. doi :10.1016/s0304-3940(02)00443-3. PMID  12123847. S2CID  24909348.
  18. ^ Brown J, Theisler C, Silberman S, Magnuson D, Gottardi-Littell N, Lee JM, Yager D, Crowley J, Sambamurti K, Rahman MM, Reiss AB, Eckman CB, Wolozin B (август 2004 г.). «Дифференциальная экспрессия холестерингидроксилаз при болезни Альцгеймера». Журнал биологической химии . 279 (33): 34674–34681. doi : 10.1074/jbc.M402324200 . PMID  15148325.
  19. ^ Tian G, Kong Q, Lai L, Ray-Chaudhury A, Lin CLG (май 2010 г.). «Повышенная экспрессия холестерина 24S-гидроксилазы приводит к нарушению связи глиального транспортера глутамата EAAT2 с липидными плотами: потенциальная роль при болезни Альцгеймера». Journal of Neurochemistry . 113 (4): 978–989. doi :10.1111/j.1471-4159.2010.06661.x. PMC 3010752 . PMID  20193040. 
  20. ^ Kolsch H, Lutjohann D, Ludwig M, Schulte A, Ptok U, Jessen F, von Bergmann K, Rao ML, Maier W, Heun R (2002). «Полиморфизм гена холестерина 24S-гидроксилазы связан с болезнью Альцгеймера». Молекулярная психиатрия . 7 (8): 899–902. doi : 10.1038/sj.mp.4001109 . PMID  12232784.
  21. ^ Ma SL, Tang NLS, Lam LCW, Chiu HFK (март 2006 г.). «Полиморфизмы гена холестерина 24-гидроксилазы (CYP46A1) и риск болезни Альцгеймера у китайской популяции». International Psychogeriatrics / IPA . 18 (1): 37–45. doi :10.1017/S1041610205003108. PMID  16734927. S2CID  29923846.
  • Расположение генома человека CYP46A1 и страница с подробностями гена CYP46A1 в браузере геномов UCSC .
  • Запись UniProt о холестерин-24 гидроксилазе
  • Запись в базе данных HMDB
  • Запись в банке данных белков RCSB, архив 2014-02-28 на Wayback Machine
  • Обзор холестерин-24 гидроксилазы
  • Механизм гидроксилирования гема
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Холестерин_24-гидроксилаза&oldid=1212522787"