Цистатионин-β-синтаза , также известная как CBS , является ферментом ( EC 4.2.1.22), который у людей кодируется геном CBS . Он катализирует первый этап пути транссульфурации , от гомоцистеина до цистатионина : [5]
CBS использует кофактор пиридоксальфосфат (PLP) и может аллостерически регулироваться эффекторами, такими как вездесущий кофактор S -аденозил- L -метионин (adoMet). Этот фермент относится к семейству лиаз , а точнее, гидролиаз, которые расщепляют связи углерод-кислород.
CBS — это многодоменный фермент, состоящий из N-концевого ферментативного домена и двух доменов CBS . Ген CBS является наиболее распространенным локусом для мутаций, связанных с гомоцистинурией . [6]
Систематическое название этого класса ферментов — L -серингидролиаза (добавляющая гомоцистеин; L -цистатионинобразующая). Другие общеупотребительные названия включают:
Метилцистеинсинтазе был присвоен номер EC EC 4.2.1.23 в 1961 году. Это было вызвано побочной реакцией CBS. Номер EC EC 4.2.1.23 был удален в 1972 году. [7]
Человеческий фермент цистатионин β-синтаза является тетрамером и состоит из 551 аминокислоты с субъединичной молекулярной массой 61 кДа. Он демонстрирует модульную организацию из трех модулей с N-концевым доменом гема, за которым следует ядро, содержащее кофактор PLP . [9] Кофактор находится глубоко в домене гема и связан основанием Шиффа. [10] Основание Шиффа представляет собой функциональную группу, содержащую связь C=N с атомом азота, соединенным с арильной или алкильной группой. Домен гема состоит из 70 аминокислот, и, по-видимому, гем существует только в CBS млекопитающих и отсутствует в CBS дрожжей и простейших . На C-конце регуляторный домен CBS содержит тандемный повтор двух доменов CBS β-α-β-β-α, вторичного структурного мотива, обнаруженного в других белках. [9] CBS имеет C-концевой ингибирующий домен. С-концевой домен цистатионин β-синтазы регулирует свою активность посредством как внутристерических, так и аллостерических эффектов и важен для поддержания тетрамерного состояния белка. [9] Это ингибирование смягчается связыванием аллостерического эффектора, adoMet , или удалением регуляторного домена; однако величина эффектов различается. [9] Мутации в этом домене коррелируют с наследственными заболеваниями . [11]
Домен гема содержит N-концевую петлю, которая связывает гем и обеспечивает аксиальные лиганды C52 и H65. Расстояние гема от сайта связывания PLP предполагает его неучастие в катализе, однако удаление домена гема приводит к потере окислительно-восстановительной чувствительности, поэтому предполагается, что гем является окислительно-восстановительным сенсором. [10] Присутствие протопорфирина IX в CBS является уникальным PLP-зависимым ферментом и обнаруживается только в CBS млекопитающих. D. melanogaster и D. discoides имеют укороченные N-концевые расширения и, следовательно, предотвращают консервативные остатки лиганда гема гистидина и цистеина . Однако последовательность Anopheles gambiae имеет более длинное N-концевое расширение, чем человеческий фермент, и содержит консервативные остатки лиганда гема гистидина и цистеина , как и человеческий гем . Следовательно, возможно, что CBS в миксомицетах и насекомых являются гем-протеинами, что предполагает, что домен гема является ранним эволюционным новшеством, возникшим до разделения животных и миксомицет. [9] PLP является внутренним альдимином и образует основание Шиффа с K119 в активном центре. Между каталитическим и регуляторным доменами существует гиперчувствительный центр, который вызывает протеолитическое расщепление и производит укороченный димерный фермент, который более активен, чем исходный фермент. Как укороченный фермент, так и фермент, обнаруженный в дрожжах, не регулируются adoMet. Дрожжевой фермент также активируется делецией C-конца для производства димерного фермента. [9]
По состоянию на конец 2007 года для этого класса ферментов были определены две структуры с кодами доступа PDB 1JBQ и 1M54.
Транссульфурация, катализируемая CBS, превращает гомоцистеин в цистатионин , который цистатион-гамма-лиаза превращает в цистеин . [12]
CBS занимает центральное положение в метаболизме серы млекопитающих на стыке гомоцистеина , где принимается решение о сохранении метионина или его преобразовании в цистеин через путь транссульфурации . Более того, путь транссульфурации является единственным путем, способным удалять серосодержащие аминокислоты в условиях избытка. [9]
По аналогии с другими ферментами β-замещения, реакция, катализируемая CBS, как предполагается, включает ряд промежуточных продуктов, связанных с adoMet . Добавление серина приводит к реакции трансшиффизации , которая образует внешний альдимин . Альдимин подвергается отрыву протона на α-углероде с последующим элиминированием для получения промежуточного аминоакрилата . Нуклеофильная атака тиолятом гомоцистеина на аминоакрилат и репротонирование на Cα генерируют внешний альдимин цистатионина . Конечная реакция трансальдиминирования высвобождает конечный продукт, цистатионин. [9] Конечный продукт, L -цистатионин, также может образовывать промежуточный аминоакрилат, что указывает на то, что вся реакция CBS обратима. [13]
Измеренная V 0 ферментативно-катализируемой реакции, в общем, отражает устойчивое состояние (где [ES] является постоянной величиной), хотя V 0 ограничена ранней частью реакции, и анализ этих начальных скоростей называется устойчивой кинетикой. Установившийся кинетический анализ дрожжевого CBS дает параллельные линии. Эти результаты согласуются с предложенным механизмом пинг-понга, в котором связывание серина и высвобождение воды сопровождаются связыванием гомоцистеина и высвобождением цистатионина. Напротив, устойчивая ферментативная кинетика крысиного CBS дает пересекающиеся линии, что указывает на то, что β-заместитель серина не высвобождается из фермента до связывания гомоцистеина. [9]
Одной из альтернативных реакций с участием CBS является конденсация цистеина с гомоцистеином с образованием цистатионина и сероводорода (H 2 S). [13] H 2 S в мозге вырабатывается из L -цистеина CBS. Этот альтернативный метаболический путь также зависит от adoMet . [14]
Активность фермента CBS обнаружена не во всех тканях и клетках. Она отсутствует в сердце, легких, яичках, надпочечниках и селезенке у крыс. У людей было показано, что она отсутствует в сердечной мышце и первичных культурах эндотелиальных клеток аорты человека. Отсутствие CBS в этих тканях подразумевает, что эти ткани не способны синтезировать цистеин и что цистеин должен поступать из внеклеточных источников. Это также предполагает, что эти ткани могут иметь повышенную чувствительность к токсичности гомоцистеина, поскольку они не могут катаболизировать избыток гомоцистеина посредством транссульфурации. [13]
Аллостерическая активация CBS adoMet определяет метаболическую судьбу гомоцистеина . CBS млекопитающих активируется в 2,5-5 раз AdoMet с константой диссоциации 15 мкМ. [6] AdoMet является аллостерическим активатором, который увеличивает V max реакции CBS, но не влияет на K m для субстратов. Другими словами, AdoMet стимулирует активность CBS за счет увеличения скорости оборота, а не связывания субстратов с ферментом. [9] Этот белок может использовать модель аллостерической регуляции морфеина . [15]
CBS человека выполняет решающий шаг в биосинтетическом пути цистеина , предоставляя регуляторную контрольную точку для AdoMet. Гомоцистеин, после метилирования в метионин , может быть преобразован в AdoMet, который отдает метильные группы различным субстратам, например, нейротрансмиттерам , белкам и нуклеиновым кислотам . AdoMet функционирует как аллостерический активатор CBS и осуществляет контроль над его биосинтезом: низкие концентрации AdoMet приводят к низкой активности CBS, тем самым направляя гомоцистеин в цикл трансметилирования к образованию AdoMet. Напротив, высокие концентрации adoMet направляют гомоцистеин в путь транссульфурации к биосинтезу цистеина . [16]
У млекопитающих CBS является высокорегулируемым ферментом, который содержит кофактор гема , который функционирует как окислительно-восстановительный сенсор, [11] который может модулировать его активность в ответ на изменения окислительно-восстановительного потенциала. Если покоящаяся форма CBS в клетке имеет железистый (Fe 2+ ) гем, существует потенциал для активации фермента в окислительных условиях путем преобразования в железистое (Fe 3+ ) состояние. [9] Форма фермента Fe 2+ ингибируется при связывании CO или оксида азота, тогда как активность фермента удваивается, когда Fe 2+ окисляется до Fe 3+ . Окислительно-восстановительное состояние гема зависит от pH, при этом окисление Fe 2+ –CBS до Fe 3+ –CBS благоприятствует условиям низкого pH. [17]
Поскольку CBS млекопитающих содержит гемовый кофактор, тогда как дрожжи и простейшие ферменты Trypanosoma cruzi не имеют гемовых кофакторов, исследователи предположили, что гем не требуется для активности CBS. [9]
CBS регулируется на транскрипционном уровне NF-Y , SP-1 и SP-3 . Кроме того, он повышается транскрипционно глюкокортикоидами и гликогеном и понижается инсулином . Метионин повышает CBS на посттранскрипционном уровне.
Синдром Дауна — это медицинское состояние, характеризующееся повышенной экспрессией цистатионин-бета-синтазы (CBS) и низким уровнем гомоцистеина в крови. Предполагается, что повышенная экспрессия цистатионин-бета-синтазы может быть основным виновником этого заболевания (наряду с дисфункцией GabaA и Dyrk1a). Фенотип синдрома Дауна противоположен гипергомоцистеинемии (описан ниже). Фармакологические ингибиторы CBS были запатентованы Фондом Жерома Лежена (ноябрь 2011 г.) и проводятся испытания (планируются на животных и людях).
Гипергомоцистеинемия — это медицинское состояние, характеризующееся аномально высоким уровнем гомоцистеина в крови. Мутации в CBS являются наиболее распространенной причиной наследственной гипергомоцистеинемии. Генетические дефекты, которые влияют на пути ферментов MTHFR , MTR и MTRR/MS, также могут способствовать высокому уровню гомоцистеина. Врожденные ошибки в CBS приводят к гипергомоцистеинемии с осложнениями в сердечно-сосудистой системе, что приводит к раннему и агрессивному артериальному заболеванию. Гипергомоцистеинемия также влияет на три другие основные системы органов, включая глазную, центральную нервную и скелетную. [9]
Гомоцистинурия, вызванная дефицитом CBS, является особым типом гипергомоцистеинемии. Это редкое наследственное рецессивное аутосомное заболевание, которое обычно диагностируется в детстве. Всего было выявлено 131 различных мутаций, вызывающих гомоцистинурию. Общей функциональной особенностью мутаций в доменах CBS является то, что мутации отменяют или сильно снижают активацию adoMet . [16] Специфического лечения гомоцистинурии не обнаружено; однако многие люди лечатся с использованием высоких доз витамина B 6 , который является кофактором CBS.
Цистатионин бета-синтаза (CBS) участвует в развитии ооцита . Однако мало что известно о региональных и клеточных паттернах экспрессии CBS в яичниках, и исследования в настоящее время сосредоточены на определении местоположения и экспрессии во время развития фолликула в яичниках. [18]
Отсутствие цистатионин-бета-синтазы у мышей вызывает бесплодие из-за потери экспрессии белка матки. [19]
Гены, контролирующие экспрессию фермента CBS, могут не работать на 100% эффективно у людей, имеющих один из SNP ( однонуклеотидные полиморфизмы , тип мутаций ), влияющих на этот ген. Известные варианты включают A360A, C699T, I278T, N212N и T42N SNP (среди прочих). Эти SNP, которые оказывают различное влияние на эффективность фермента, могут быть обнаружены с помощью стандартных методов ДНК-тестирования.
