Оксидоскваленциклаза

Оксидоскваленциклазы (OSC) — это ферменты, участвующие в реакциях циклизации 2,3-оксидосквалена с образованием стеролов или тритерпенов . [1]

Кристаллическая структура оксидоскваленциклазы, показанная на рисунке, окрашена вторичной структурой, с ее продуктом, ланостеролом (бирюзовый) в центральном активном центре фермента. Видны характерные четыре кольца продукта, а также гидроксильная группа на конце молекулы, которая показана красным.

Существуют две основные группы ферментов OSC, продуцирующих стеролы:

Стерины и тритерпены представляют собой чрезвычайно разнообразные классы природных продуктов , особенно в растениях, которые часто содержат многочисленные ферменты OSC с различной субстратной и продуктовой специфичностью; [1] распространенные примеры включают лупеолсинтазу и бета-амиринсинтазу . [2] Каталитический механизм ферментов OSC аналогичен механизму прокариотической сквален-гопенциклазы . [3]

Направленная эволюция и белковый дизайн использовались для идентификации небольшого количества точечных мутаций , которые изменяют специфичность продукта ферментов OSC, в частности, изменяя циклоартенолсинтазу для производства преимущественно ланостерола. [4]

Структура

Оксидоскваленциклаза — мономерный фермент. Его активный центр состоит из углубления между двумя доменами-бочками. [5] Активный центр в основном состоит из кислых аминокислот в большинстве организмов. [6] Остатки в активном центре делают энергетически выгодным для оксидосквалена принимать более складчатую конформацию, которая очень похожа на его продукт. [5] Это критически подготавливает субстрат для серии реакций, которые формируют кольца. Оксидосквален находится в мембранах микросом клетки , где он может легко собирать свой гидрофобный субстрат и вырабатывать свой гидрофобный продукт. [7]

Функция

Оксидоскваленциклазы производят широкий спектр стеролов и тритерпенов . [1] У животных и грибов тип, известный как ланостеролсинтаза, производит ланостерол , который затем преобразуется в холестерин посредством множества этапов . [8] Продукты, производимые другими типами фермента, включают циклоартенол , лупеол , бета-амирин и многие другие. [2]

Регулирование

Ферментативный путь биосинтеза холестерина и влияние регуляции факторами транскрипции SREBP

Генетическая экспрессия фермента у животных регулируется связывающим белком регуляторного элемента стерола (SREBP-2), молекулой, которая также регулирует экспрессию других ферментов в пути биосинтеза холестерина. [9] Фактор транскрипции SREBP-2 увеличивает ферментативную активность выше OSC, например, активность HMG-CoA-редуктазы и скваленсинтазы , для увеличения потока через процесс синтеза стерола. [10]

Механизм

Обзор биосинтеза холестерина. Ланостерол является предшественником холестерина. Это окончательное преобразование происходит во много этапов.

Механистически фермент оксидосквален:ланостерол циклаза катализирует образование четырех колец вдоль длинной цепи субстрата ( оксидосквален ), производя ланостерол. Эта циклизация является одной из самых сложных известных функций фермента [11] и является высокоселективной. [12] Реакция может быть охарактеризована двумя основными механистическими сериями: открытие эпоксидного кольца , за которым следует серия замыканий колец и серия сдвигов 1,2-гидрида и 1,2-метила. Эти механистические шаги катализируются набором аминокислот в активном центре. [13]

Закрытие кольца

В активном центре фермента остаток гистидина активирует остаток аспарагиновой кислоты (который был идентифицирован как Asp455), [13] который протонирует эпоксид субстрата, запуская ряд образований углерод-углеродных связей, которые образуют кольца. [7] [14] Более конкретно, это замыкание кольца происходит кольцо за кольцом (обозначено как AD в механизме ниже). Широко признано, что протонирование эпоксида происходит одновременно с замыканием кольца A. [15] Затем катион переносится из C10 в C8, образуя кольцо B. [15] Именно образование кольца C озадачивает ученых. Однако недавние исследования пришли к выводу, что кольцо сначала замыкается посредством присоединения Марковникова , образуя промежуточное соединение из 5 атомов углерода. [15] После этого образуется кольцо D, выталкивающее кольцо C в его конечное состояние из 6 атомов углерода. [15] Следует отметить, что исследования QM/MM показали, что протонирование этого эпоксидного кольца является этапом, ограничивающим скорость всего механизма, [13] что указывает на то, что он может быть наиболее регулируемым.

Гидридные и метильные сдвиги

Промежуточное соединение, образованное после четырех замыканий колец, претерпевает два 1,2-гидридных сдвига и два 1,2-метильных сдвига, чтобы оказаться в положении для окончательного депротонирования. [16] Моделирование молекулярной динамики оказалось критически важным для понимания конформационных изменений, которым подвергаются промежуточные соединения оксидосквален-ланостерол. [16] Исследователи определили Phe696 как критическую аминокислоту для контролируемого и специфического гидридного сдвига в этом механизме (шаги 5-6), поскольку она ускоряет сдвиг, снижая энергетический барьер соответствующих переходных состояний. [16]

Изображение ланостерола в активном центре OSC. Показаны ключевые остатки и взаимодействия водородных связей.

Окончательное депротонирование

Наконец, фермент депротонирует, образуя ланостерол, который имеет гидроксильную группу вместо эпоксида . Эту гидроксильную группу можно увидеть на изображении выше. Литература показала, что две аминокислоты в OSC имеют решающее значение для того, чтобы это депротонирование происходило правильно и равномерно. Тирозин в 503-й позиции работает в тандеме с гистидином в 203-й позиции, чтобы депротонировать водород у углерода, соседнего с карбокатионом в промежуточном соединении 8. [13] Это достигается, как показано в предлагаемом механизме ниже. Кристаллическая структура комплекса OSC-ланостерол подтверждает, что Tyr503 и His232 находятся в оптимальных положениях для этого конечного этапа депротонирования. [13]

Механическое действие OSC, как описано выше. Соответствующие аминокислоты из активного центра выделены красным. Конечный продукт ланостерол.

Актуальность заболевания

Высокий уровень холестерина в крови, также называемый гиперхолестеринемией , значительно увеличивает риск инсульта, сердечного приступа и заболевания периферических артерий. Если его не лечить, это также может привести к накоплению бляшек в кровеносных сосудах, что известно как атеросклероз. [17]  По этой причине путь биосинтеза стеролов долгое время был целью для индустрии разработки лекарств. Статины , которые ингибируют ГМГ-КоА-редуктазу (фермент, катализирующий более ранний этап пути биосинтеза холестерина), обычно назначают для лечения высокого уровня холестерина. Проводятся исследования других соединений, которые блокируют различные этапы биосинтеза холестерина , включая реакцию, выполняемую оксидоскваленциклазой, которая циклизует сквален с образованием ланостерола. [7] Оксидоскваленциклаза, которая находится ниже сквалена в пути, является привлекательной целью для ингибирования. Было предложено много ингибиторов, среди которых аналоги стероидов, соединения на основе фенола, производные бензамида и карбоксамида, а также гетероциклические соединения, содержащие азот. Наиболее эффективные ингибиторы имеют акцептор водородной связи на определенном расстоянии от гидрофобной области. [6]

Ингибиторы оксидоскваленциклазы также показали себя многообещающими в качестве противомикробных агентов, поскольку было показано, что они убивают Trypanosoma cruzi . [18] [19] Trypanosoma cruzi — паразит, передающийся людям насекомыми, в основном в Латинской Америке. Паразит вызывает заболевание, называемое болезнью Шагаса , при котором острые инфекции вокруг укуса насекомого могут привести к более серьезным осложнениям, таким как снижение функции сердца, пищевода, толстой кишки и даже мозга. [20] Другой паразит, Leishmania donovani , является возбудителем лейшманиоза , похожего тропического заболевания, которое распространяется москитами и непропорционально поражает сельские районы. [21] Было показано, что GSK2920487A, циклическая и ароматическая малая молекула, значительно ингибирует оксидоскваленциклазу и снижает выживаемость L. donovani . [22] Хотя существуют опасения, что такие паразиты, как T. cruzi и L. donovani, способны поглощать стериновые соединения, образование которых катализирует оксидоскваленциклаза, эффективность химического ингибирования этого жизненно важного фермента демонстрирует потенциал OSC как терапевтической цели.

Эволюция

Stork и др. сравнили белковые последовательности оксидоскваленциклазы C. albicans с аналогичным ферментом (скваленциклазой) у двух разных бактерий и обнаружили консервативные области в первой. [23] Rabelo и др. обнаружили консервативный активный участок у семи организмов. [6] Специфическая функция и регуляция OSC, по-видимому, отличаются даже среди эукариот. Например, OSC у млекопитающих и дрожжей сопровождаются защитным ферментом кеторедуктазой. Однако этот фермент необходим для функции OSC только у дрожжей, что предполагает расходящуюся эволюцию пути биосинтеза стероидов у млекопитающих. [24] Считается, что оксидоскваленциклазы животных и грибов, вероятно, произошли от своих прокариотических аналогов. [23]

Хотя биосинтетические этапы и каталитические аминокислоты человеческого OSC были охарактеризованы, меньше известно о специфичности OSC в других царствах жизни. Например, оомицет Saprolegnia parasitica , патоген рыб , обладает уникальной триадой аминокислот, присутствующей только в некоторых ферментах LAS растений, хотя эта триада отвечает за определение специфичности CAS LAS в этом классе организмов. [25]

Ссылки

  1. ^ abc Thimmappa R, Geisler K, Louveau T, O'Maille P, Osbourn A (29 апреля 2014 г.). «Биосинтез тритерпенов в растениях». Annual Review of Plant Biology . 65 (1): 225– 257. doi :10.1146/annurev-arplant-050312-120229. PMID  24498976.
  2. ^ ab Sawai S, Akashi T, Sakurai N, Suzuki H, Shibata D, Ayabe S, Aoki T (май 2006 г.). «Растительная ланостеролсинтаза: расхождение путей биосинтеза стеролов и тритерпенов у эукариот». Plant & Cell Physiology . 47 (5): 673– 677. doi : 10.1093/pcp/pcj032 . PMID  16531457.
  3. ^ Wendt KU, Poralla K, Schulz GE (сентябрь 1997 г.). «Структура и функция скваленциклазы». Science . 277 (5333): 1811– 1815. doi :10.1126/science.277.5333.1811. PMID  9295270. S2CID  30503119.
  4. ^ Lodeiro S, Schulz-Gasch T, Matsuda SP (октябрь 2005 г.). «Переделка фермента: две мутации взаимодействуют для преобразования циклоартенолсинтазы в точную ланостеролсинтазу». Журнал Американского химического общества . 127 (41): 14132– 14133. doi :10.1021/ja053791j. PMID  16218577.
  5. ^ ab Huff MW, Telford DE (июль 2005 г.). «Властелин колец — механизм оксидосквален:ланостерол циклазы становится кристально ясным». Trends in Pharmacological Sciences . 26 (7): 335–340 . doi :10.1016/j.tips.2005.05.004. PMID  15951028.
  6. ^ abc Rabelo VW, Romeiro NC, Abreu PA (июль 2017 г.). «Стратегии разработки ингибиторов оксидоскваленциклазы: нацеливание на путь биосинтеза стеролов». Журнал стероидной биохимии и молекулярной биологии . 171 : 305–317 . doi :10.1016/j.jsbmb.2017.05.002. PMID  28479228. S2CID  23880933.
  7. ^ abc Goodsell D (декабрь 2007 г.). «Оксидоскваленциклаза». PDB101: Молекула месяца . Банк данных белков RCSB . Получено 09.03.2019 .
  8. ^ Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2012). Биохимия (7-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company. ISBN 978-1-4292-7635-1.
  9. ^ Horton JD, Shah NA, Warrington JA, Anderson NN, Park SW, Brown MS, Goldstein JL (октябрь 2003 г.). «Комбинированный анализ данных олигонуклеотидного микрочипа от трансгенных и нокаутированных мышей идентифицирует прямые целевые гены SREBP». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (21): 12027– 12032. Bibcode : 2003PNAS..10012027H. doi : 10.1073/pnas.1534923100 . PMC 218707. PMID  14512514 . 
  10. ^ Mejia-Pous C, Damiola F, Gandrillon O (октябрь 2011 г.). «Связанный с синтезом холестерина фермент оксидоскваленциклаза необходим для поддержания самообновления в первичных эритроидных предшественниках». Cell Proliferation . 44 (5): 441– 452. doi :10.1111/j.1365-2184.2011.00771.x. PMC 6495882 . PMID  21951287. 
  11. ^ Gurr MI, Harwood JL (1991). "Метаболизм структурных липидов". В Gurr MI, Harwood JL (ред.). Биохимия липидов: Введение . Springer US. стр.  295–337 . doi :10.1007/978-1-4615-3862-2_7. ISBN 9781461538622.
  12. ^ Блох, Конрад. «Биологический синтез холестерина». Нобелевская лекция, 11 декабря 1964 г.
  13. ^ abcde Tian BX, Eriksson LA (ноябрь 2012 г.). «Каталитический механизм и специфичность продукта оксидосквален-ланостерол циклазы: исследование QM/MM». Журнал физической химии B . 116 (47): 13857– 13862. doi :10.1021/jp3091396. PMID  23130825.
  14. ^ Thoma R, Schulz-Gasch T, D'Arcy B, Benz J, Aebi J, Dehmlow H и др. (ноябрь 2004 г.). «Взгляд на формирование стероидного каркаса из структуры человеческой оксидоскваленциклазы». Nature . 432 (7013): 118– 122. Bibcode :2004Natur.432..118T. doi :10.1038/nature02993. PMID  15525992. S2CID  364281.
  15. ^ abcd Chen N, Zhou J, Li J, Xu J, Wu R (март 2014). «Согласованная циклизация C-кольца и D-кольца ланостерола под действием катализируемого оксидоскваленциклазой человека: исследование ab Initio QM/MM MD». Журнал химической теории и вычислений . 10 (3): 1109– 1120. doi :10.1021/ct400949b. PMID  26580186.
  16. ^ abc Diao H, Chen N, Wang K, Zhang F, Wang YH, Wu R (2020-02-07). «Биосинтетический механизм ланостерола: завершенная история». ACS Catalysis . 10 (3): 2157– 2168. doi :10.1021/acscatal.9b05221. ISSN  2155-5435. S2CID  212957954.
  17. ^ "Высокий уровень холестерина в крови". Национальный институт сердца, легких и крови (NHLBI) . Получено 09.03.2019 .
  18. ^ Hinshaw JC, Suh DY, Garnier P, Buckner FS, Eastman RT, Matsuda SP и др. (сентябрь 2003 г.). «Ингибиторы оксидоскваленциклазы как антимикробные агенты». Журнал медицинской химии . 46 (20): 4240– 4243. doi :10.1021/jm034126t. PMID  13678402. S2CID  20664134.
  19. ^ Buckner FS, Griffin JH, Wilson AJ, Van Voorhis WC (апрель 2001 г.). «Мощная противотрипаносомная активность ингибиторов оксидоскваленциклазы». Antimicrobial Agents and Chemotherapy . 45 (4): 1210– 1215. doi : 10.1128 /AAC.45.4.1210-1215.2001. PMC 90445. PMID  11257036. 
  20. ^ "Болезнь Шагаса". Центры США по контролю и профилактике заболеваний . 2017-05-02 . Получено 2019-03-09 .
  21. ^ "CDC - Лейшманиоз - Общая информация - Часто задаваемые вопросы (FAQ)". Центры США по контролю и профилактике заболеваний . 2020-05-19 . Получено 2023-03-03 .
  22. ^ Paradela LS, Wall RJ, Carvalho S, Chemi G, Corpas-Lopez V, Moynihan E и др. (май 2021 г.). «Множественные беспристрастные подходы идентифицируют оксидоскваленциклазу как молекулярную цель перспективного противолейшманиального препарата». Cell Chemical Biology . 28 (5): 711–721.e8. doi :10.1016/j.chembiol.2021.02.008. PMC 8153249 . PMID  33691122. 
  23. ^ ab Stork G, Burgstahler AW (октябрь 1955 г.). «Стереохимия полиеновой циклизации». Журнал Американского химического общества . 77 (19): 5068– 5077. doi :10.1021/ja01624a038. ISSN  0002-7863.
  24. ^ Тарамино С., Теске Б., Олиаро-Боссо С., Бард М., Бальяно Г. (ноябрь 2010 г.). «Дивергентные взаимодействия с участием оксидоскваленциклазы и стероид-3-кеторедуктазы в пути биосинтеза стеринов млекопитающих и дрожжей». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Молекулярная и клеточная биология липидов . 1801 (11): 1232–1237 . doi :10.1016/j.bbalip.2010.07.006. ПМЦ 2946411 . ПМИД  20659585. 
  25. ^ Dahlin P, Srivastava V, Bulone V, McKee LS (2016). «Оксидоскваленциклаза из оомицета Saprolegnia parasitica синтезирует ланостерол как отдельный продукт». Frontiers in Microbiology . 7 : 1802. doi : 10.3389/fmicb.2016.01802 . PMC 5101207. PMID  27881978 . 
  • Обзор всей структурной информации, доступной в PDB для UniProt : P48449 (ланостеролсинтаза) на сайте PDBe-KB .
  • Обзор всей структурной информации, доступной в PDB для UniProt : P04035 (HMG-CoA-редуктаза) на сайте PDBe-KB .
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Оксидосквален_циклаза&oldid=1232635233"