Оксидоскваленциклаза
Оксидоскваленциклазы (OSC) представляют собой ферменты, участвующие в реакциях циклизации с 2,3-оксидосквалена образованием стеринов или тритерпенов . [ 1 ]

Существует две основные группы ферментов OSC, продуцирующих стеролы:
- Циклоартенолсинтаза (CAS), обнаруженная во всех растениях, которая производит в основном циклоартенол.
- Ланостеролсинтаза (LAS), обнаруженная у всех животных и грибов, а иногда и у растений, которая производит в основном ланостерин.
Стерины и тритерпены представляют собой чрезвычайно разнообразные классы натуральных продуктов , особенно в растениях, которые часто содержат многочисленные ферменты OSC с различной специфичностью субстрата и продукта; [ 1 ] распространенные примеры включают лупеолсинтазу и бета-амиринсинтазу . [ 2 ] ферментов OSC Каталитический механизм аналогичен механизму действия прокариотической сквален-гопенциклазы . [ 3 ]
Направленная эволюция и дизайн белков использовались для идентификации небольшого количества точечных мутаций , которые изменяют специфичность продукта ферментов OSC, особенно при изменении циклоартенолсинтазы для производства преимущественно ланостерола. [ 4 ]
Структура
[ редактировать ]Оксидоскваленциклаза представляет собой мономерный фермент. Его активный центр представляет собой впадину между двумя бочкообразными доменами. [ 5 ] У большинства организмов активный центр в основном состоит из кислых аминокислот. [ 6 ] Остатки в активном центре делают оксидосквален энергетически выгодным для принятия более складчатой конформации, которая очень напоминает его продукт. [ 5 ] Это критически подготавливает субстрат для серии реакций, образующих кольца. клеток Оксидосквален локализован в мембранах микросом , где он может легко собирать гидрофобный субстрат и выделять гидрофобный продукт. [ 7 ]
Функция
[ редактировать ]Оксидоскваленциклазы производят широкий спектр стеринов и тритерпенов . [ 1 ] У животных и грибов тип, известный как ланостеринсинтаза, производит ланостерин , который затем посредством многих этапов превращается в холестерин . [ 8 ] Продукты, вырабатываемые другими типами ферментов, включают циклоартенол , лупеол , бета-амирин и многие другие. [ 2 ]
Регулирование
[ редактировать ]
Генетическая экспрессия фермента у животных регулируется белком, связывающим регуляторные элементы стерола (SREBP-2), молекулой, которая также регулирует экспрессию других ферментов на пути биосинтеза холестерина. [ 9 ] Транскрипционный фактор SREBP-2 увеличивает ферментативную активность перед OSC, например, активность HMG-CoA-редуктазы и скваленсинтазы , чтобы увеличить поток в процессе синтеза стеринов. [ 10 ]
Механизм
[ редактировать ]
Механически фермент оксидосквален:ланостеринциклаза катализирует образование четырех колец вдоль длинной цепи субстрата ( оксидосквалена ), образуя ланостерин. Эта циклизация является одной из наиболее сложных известных функций ферментов. [ 11 ] и является весьма избирательным. [ 12 ] Реакцию можно охарактеризовать двумя основными механистическими сериями: раскрытием эпоксидного кольца , за которым следует серия замыканий кольца, и серия 1,2-гидридных и 1,2-метильных сдвигов. Эти механистические этапы катализируются совокупностью аминокислот в активном центре. [ 13 ]
Закрытие кольца
[ редактировать ]В активном центре фермента остаток гистидина активирует остаток аспарагиновой кислоты (который был идентифицирован как Asp455). [ 13 ] который протонирует эпоксид субстрата, создавая серию образований углерод-углеродных связей, которые образуют кольца. [ 7 ] [ 14 ] Более конкретно, это замыкание кольца происходит кольцо за кольцом (в механизме, приведенном ниже, оно обозначено как AD). Широко распространено мнение, что протонирование эпоксида происходит одновременно с замыканием А-кольца. [ 15 ] Затем катион переносится с C10 на C8, образуя кольцо B. [ 15 ] Именно образование кольца C озадачивает ученых. Однако недавние исследования пришли к выводу, что кольцо сначала замыкается за счет присоединения Марковникова , образуя 5-углеродный промежуточный продукт. [ 15 ] После этого образуется кольцо D, вытесняющее кольцо C до его конечного 6-углеродного состояния. [ 15 ] Следует отметить, что исследования QM/MM показали, что протонирование этого эпоксидного кольца является стадией, лимитирующей скорость всего механизма. [ 13 ] что указывает на то, что он может быть наиболее регулируемым.
Гидридный и метильный сдвиги
[ редактировать ]Промежуточное соединение, образующееся после замыкания четырех колец, претерпевает два 1,2-гидридных и два 1,2-метильных сдвига , чтобы оказаться в положении для окончательного депротонирования. [ 16 ] Моделирование молекулярной динамики оказалось решающим для понимания конформационных изменений, которым подвергаются промежуточные соединения оксидосквален-ланостерин. [ 16 ] Исследователи определили Phe696 как критически важную аминокислоту для контролируемого и специфического гидридного сдвига в этом механизме (этапы 5–6), поскольку она ускоряет сдвиг за счет снижения энергетического барьера соответствующих переходных состояний. [ 16 ]

Окончательное депротонирование
[ редактировать ]Наконец, фермент депротонируется с образованием ланостерола, который имеет гидроксильную группу вместо эпоксида . Эту гидроксильную группу можно увидеть на изображении выше . В литературе показано, что две аминокислоты в OSC имеют решающее значение для правильного и равномерного процесса депротонирования. Тирозин в 503-м положении работает в тандеме с гистидином в 203-м положении, депротонируя водород на углероде, соседнем с карбокатионом в промежуточном соединении 8. [ 13 ] Это достигается, как показано в предлагаемом механизме ниже. Кристаллическая структура комплекса OSC-ланостерин подтверждает, что Tyr503 и His232 находятся в оптимальных положениях для этой последней стадии депротонирования. [ 13 ]

Актуальность заболевания
[ редактировать ]Высокий уровень холестерина в крови, также называемый гиперхолестеринемией , значительно увеличивает риск инсульта, сердечного приступа и заболеваний периферических артерий. Если его не лечить, это также может привести к накоплению бляшек в кровеносных сосудах, известному как атеросклероз. [ 17 ] По этой причине путь биосинтеза стеринов уже давно стал целью индустрии разработки лекарств. Статины , которые ингибируют редуктазу HMG-CoA (фермент, который катализирует более раннюю стадию пути биосинтеза холестерина), обычно назначают для лечения высокого уровня холестерина. В настоящее время проводятся исследования других соединений, которые блокируют различные этапы биосинтеза холестерина , включая реакцию, выполняемую оксидоскваленциклазой, которая циклизирует сквален с образованием ланостерина. [ 7 ] Оксидоскваленциклаза, которая находится после сквалена в этом пути, является привлекательной мишенью для ингибирования. Было предложено множество ингибиторов, в том числе аналоги стероидов, соединения на основе фенола, производные бензамида и карбоксамида, а также азотсодержащие гетероциклические соединения. Наиболее эффективные ингибиторы имеют акцептор водородной связи на определенном расстоянии от гидрофобной области. [ 6 ]
Ингибиторы оксидоскваленциклазы также оказались перспективными в качестве противомикробных средств, поскольку было показано, что они убивают Trypanosoma cruzi . [ 18 ] [ 19 ] Trypanosoma cruzi — паразит, передающийся людям насекомыми, преимущественно в Латинской Америке. Паразит вызывает заболевание, называемое болезнью Шагаса , при котором острые инфекции вокруг укуса насекомого могут привести к более серьезным осложнениям, таким как нарушение функции сердца, пищевода, толстой кишки и даже мозга. [ 20 ] Другой паразит, Leishmania donovani , является возбудителем лейшманиоза , аналогичного тропического заболевания, которое распространяется москитами и непропорционально поражает сельские районы. [ 21 ] Было показано, что GSK2920487A, циклическая и ароматическая небольшая молекула, значительно ингибирует оксидоскваленциклазу и снижает выживаемость L. donovani . [ 22 ] Хотя существуют опасения, что такие паразиты, как T. cruzi и L. donovani, способны поглощать стероловые соединения, образование которых катализирует оксидоскваленциклаза, эффективность химического ингибирования этого жизненно важного фермента демонстрирует потенциал OSC в качестве терапевтической мишени.
Эволюция
[ редактировать ]Сторк и др. сравнили белковые последовательности оксидоскваленциклазы C. albicans с аналогичным ферментом (скваленциклазой) у двух разных бактерий и обнаружили консервативные области у первой. [ 23 ] Рабело и др. обнаружили консервативный активный сайт у семи организмов. [ 6 ] Специфическая функция и регуляция OSC, по-видимому, различаются даже у эукариот. Например, OSC как у млекопитающих, так и у дрожжей сопровождается защитным ферментом кеторедуктазой. Однако этот фермент необходим для функции OSC только у дрожжей, что указывает на дивергентную эволюцию путей биосинтеза стероидов у млекопитающих. [ 24 ] Считается, что оксидоскваленциклазы животных и грибов, вероятно, произошли от своих прокариотических аналогов. [ 23 ]
Хотя этапы биосинтеза и каталитические аминокислоты OSC человека охарактеризованы, о специфичности OSC в других царствах жизни известно меньше. Например, оомицет Saprolegnia parasitica , патоген рыб , обладает уникальной триадой аминокислот, присутствующей только в некоторых растительных ферментах LAS, хотя эта триада отвечает за определение CAS специфичности LAS в этом классе организмов. [ 25 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Тиммаппа Р., Гейслер К., Луво Т., О'Майл П., Осборн А. (29 апреля 2014 г.). «Биосинтез тритерпена в растениях». Ежегодный обзор биологии растений . 65 (1): 225–257. doi : 10.1146/annurev-arplant-050312-120229 . ПМИД 24498976 .
- ^ Jump up to: а б Савай С., Акаши Т., Сакураи Н., Сузуки Х., Сибата Д., Аябе С., Аоки Т. (май 2006 г.). «Растительная ланостеролсинтаза: расхождение путей биосинтеза стеринов и тритерпенов у эукариот» . Физиология растений и клеток . 47 (5): 673–677. дои : 10.1093/pcp/pcj032 . ПМИД 16531457 .
- ^ Вендт К.У., Поралла К., Шульц Г.Е. (сентябрь 1997 г.). «Структура и функция скваленциклазы». Наука . 277 (5333): 1811–1815. дои : 10.1126/science.277.5333.1811 . ПМИД 9295270 . S2CID 30503119 .
- ^ Лодейро С., Шульц-Гаш Т., Мацуда С.П. (октябрь 2005 г.). «Редизайн фермента: две мутации взаимодействуют, превращая циклоартенолсинтазу в точную ланостеролсинтазу». Журнал Американского химического общества . 127 (41): 14132–14133. дои : 10.1021/ja053791j . ПМИД 16218577 .
- ^ Jump up to: а б Хафф М.В., Телфорд, Д.Э. (июль 2005 г.). «Властелин колец: механизм действия оксидосквален:ланостеролциклазы становится кристально ясным». Тенденции в фармакологических науках . 26 (7): 335–340. дои : 10.1016/j.tips.2005.05.004 . ПМИД 15951028 .
- ^ Jump up to: а б с Рабело Фольксваген, Ромейро, Северная Каролина, Абреу, Пенсильвания (июль 2017 г.). «Стратегии разработки ингибиторов оксидоскваленциклазы: нацеливание на путь биосинтеза стеринов». Журнал биохимии стероидов и молекулярной биологии . 171 : 305–317. дои : 10.1016/j.jsbmb.2017.05.002 . ПМИД 28479228 . S2CID 23880933 .
- ^ Jump up to: а б с Гудселл Д (декабрь 2007 г.). «Оксидоскваленциклаза» . PDB101: Молекула месяца . Банк данных белков RCSB . Проверено 9 марта 2019 г.
- ^ 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 .
- ^ Хортон Дж.Д., Шах Н.А., Уоррингтон Дж.А., Андерсон Н.Н., Парк С.В., Браун М.С., Гольдштейн Дж.Л. (октябрь 2003 г.). «Комбинированный анализ данных олигонуклеотидных микрочипов трансгенных и нокаутных мышей идентифицирует прямые гены-мишени SREBP» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (21): 12027–12032. Бибкод : 2003PNAS..10012027H . дои : 10.1073/pnas.1534923100 . ПМК 218707 . ПМИД 14512514 .
- ^ Мехия-Поус К., Дамиола Ф., Гандриллон О. (октябрь 2011 г.). «Фермент оксидоскваленциклаза, связанный с синтезом холестерина, необходим для поддержания самообновления первичных предшественников эритроида» . Пролиферация клеток . 44 (5): 441–452. дои : 10.1111/j.1365-2184.2011.00771.x . ПМК 6495882 . ПМИД 21951287 .
- ^ Гурр М.И., Харвуд Дж.Л. (1991). «Метаболизм структурных липидов». В Gurr MI, Harwood JL (ред.). Липидная биохимия: Введение . Спрингер США. стр. 295–337. дои : 10.1007/978-1-4615-3862-2_7 . ISBN 9781461538622 .
- ^ Блох, Конрад. «Биологический синтез холестерина». Нобелевская лекция, 11 декабря 1964 г.
- ^ Jump up to: а б с д и Тиан БХ, Эрикссон Л.А. (ноябрь 2012 г.). «Каталитический механизм и специфичность продукта оксидосквален-ланостеролциклазы: исследование QM/MM». Журнал физической химии Б. 116 (47): 13857–13862. дои : 10.1021/jp3091396 . ПМИД 23130825 .
- ^ Тома Р., Шульц-Гаш Т., Д'Арси Б., Бенц Дж., Эби Дж., Демлоу Х. и др. (ноябрь 2004 г.). «Понимание формирования стероидного каркаса на основе структуры оксидоскваленциклазы человека». Природа . 432 (7013): 118–122. Бибкод : 2004Natur.432..118T . дои : 10.1038/nature02993 . ПМИД 15525992 . S2CID 364281 .
- ^ Jump up to: а б с д Чен Н., Чжоу Дж., Ли Дж., Сюй Дж., Ву Р. (март 2014 г.). «Согласованная циклизация C-кольца и D-кольца ланостерола под действием катализа оксидоскваленциклазы человека: исследование ab Initio QM/MM MD». Журнал химической теории и вычислений . 10 (3): 1109–1120. дои : 10.1021/ct400949b . ПМИД 26580186 .
- ^ Jump up to: а б с Дяо Х., Чен Н., Ван К., Чжан Ф., Ван Ю.Х., Ву Р. (07.02.2020). «Биосинтетический механизм ланостерола: завершенная история». АКС-катализ . 10 (3): 2157–2168. дои : 10.1021/acscatal.9b05221 . ISSN 2155-5435 . S2CID 212957954 .
- ^ «Высокий уровень холестерина в крови» . Национальный институт сердца, легких и крови (NHLBI) . Проверено 9 марта 2019 г.
- ^ Хиншоу Дж.К., Су Д.Ю., Гарнье П., Бакнер Ф.С., Истман Р.Т., Мацуда С.П. и др. (сентябрь 2003 г.). «Ингибиторы оксидоскваленциклазы как противомикробные средства». Журнал медицинской химии . 46 (20): 4240–4243. дои : 10.1021/jm034126t . ПМИД 13678402 . S2CID 20664134 .
- ^ Бакнер Ф.С., Гриффин Дж.Х., Уилсон А.Дж., Ван Вурхис У.К. (апрель 2001 г.). «Мощная активность ингибиторов оксидоскваленциклазы против Trypanosoma cruzi» . Антимикробные средства и химиотерапия . 45 (4): 1210–1215. doi : 10.1128/AAC.45.4.1210-1215.2001 . ПМК 90445 . ПМИД 11257036 .
- ^ «Болезнь Чагаса» . Центры США по контролю и профилактике заболеваний . 2017-05-02 . Проверено 9 марта 2019 г.
- ^ «CDC – Лейшманиоз – Общая информация – Часто задаваемые вопросы (FAQ)» . Центры США по контролю и профилактике заболеваний . 19 мая 2020 г. Проверено 3 марта 2023 г.
- ^ Парадела Л.С., Уолл Р.Дж., Карвальо С., Чеми Дж., Корпас-Лопес В., Мойнихан Э. и др. (май 2021 г.). «Множественные объективные подходы идентифицируют оксидоскваленциклазу как молекулярную мишень многообещающего средства против лейшманиоза» . Клеточная химическая биология . 28 (5): 711–721.e8. doi : 10.1016/j.chembiol.2021.02.008 . ПМЦ 8153249 . ПМИД 33691122 .
- ^ Jump up to: а б Сторк Г., Бургшталер А.В. (октябрь 1955 г.). «Стереохимия циклизации полиенов». Журнал Американского химического общества . 77 (19): 5068–5077. дои : 10.1021/ja01624a038 . ISSN 0002-7863 .
- ^ Тарамино С., Теске Б., Олиаро-Боссо С., Бард М., Баллиано Дж. (ноябрь 2010 г.). «Дивергентные взаимодействия с участием оксидоскваленциклазы и стероид-3-кеторедуктазы в пути биосинтеза стеринов млекопитающих и дрожжей» . Биохимия и биофизика Acta (BBA) - Молекулярная и клеточная биология липидов . 1801 (11): 1232–1237. дои : 10.1016/j.bbalip.2010.07.006 . ПМК 2946411 . ПМИД 20659585 .
- ^ Далин П., Шривастава В., Булоне В., Макки Л.С. (2016). «Оксидоскваленциклаза из Oomycete Saprolegnia parasitica синтезирует ланостерин как единый продукт» . Границы микробиологии . 7 : 1802. дои : 10.3389/fmicb.2016.01802 . ПМК 5101207 . ПМИД 27881978 .