stringtranslate.com

Метилмалонил-КоА мутаза

Метилмалонил-КоА мутаза ( EC 5.4.99.2, MCM), митохондриальная , также известная как метилмалонил-КоА изомераза , представляет собой белок, который у людей кодируется геном MUT . Этот витамин B12 - зависимый фермент катализирует изомеризацию метилмалонил-КоА в сукцинил-КоА у людей. Мутации в гене MUT могут приводить к различным типам метилмалоновой ацидурии . [5]

MCM был впервые обнаружен в печени крысы и почках овцы в 1955 году. В своей латентной форме он имеет длину 750 аминокислот . При попадании в митохондрии 32-аминокислотная митохондриальная лидерная последовательность на N-конце белка расщепляется, образуя полностью обработанный мономер. Затем мономеры объединяются в гомодимеры и связывают AdoCbl (по одному для каждого активного центра мономера) с образованием конечной активной формы голофермента . [6]

Структура

Ген

Ген MUT расположен на хромосоме 6p12.3 и состоит из 13 экзонов , охватывающих более 35 кб. [7]

Белок

Зрелый фермент представляет собой гомодимер с N-концевым доменом связывания КоА и С-концевым доменом связывания кобаламина. [8]

Функция

Метилмалонил-КоА-мутаза экспрессируется в высоких концентрациях в почках , в промежуточных концентрациях в сердце , яичниках , мозге , мышцах и печени и в низких концентрациях в селезенке . [6] Фермент можно обнаружить по всей центральной нервной системе (ЦНС). [6] МЦМ находится в митохондриях, где ряд веществ, включая аминокислоты с разветвленной цепью изолейцин и валин , а также метионин , треонин , тимин и жирные кислоты с нечетной цепью , метаболизируются через метилмалоновый полуальдегид (MMlSA) или пропионил-КоА (Pr-CoA) в общее соединение - метилмалонил-КоА (MMl-CoA). MCM катализирует обратимую изомеризацию L-метилмалонил-КоА в сукцинил-КоА, требуя кобаламина (витамина B12) в форме аденозилкобаламина (AdoCbl) в качестве кофактора. Как важный шаг в катаболизме пропионата, эта реакция необходима для деградации жирных кислот с нечетной цепью , аминокислот валина , изолейцина , метионина и треонина , а также холестерина , [9] направляя метаболиты от распада этих аминокислот в цикл трикарбоновых кислот . [10]

Метилмалонил-КоА-мутаза катализирует следующую реакцию:


Субстрат метилмалонил-КоА-мутазы, метилмалонил-КоА , в первую очередь образуется из пропионил-КоА , вещества, образующегося в результате катаболизма и переваривания изолейцина , валина , треонина , метионина , тимина , холестерина или жирных кислот с нечетной цепью. Продукт фермента, сукцинил-КоА , является ключевой молекулой цикла трикарбоновых кислот .

Клиническое значение

Дефицит этого фермента ответственен за наследственное нарушение метаболизма, дефицит метилмалонил-КоА-мутазы , который является одной из причин метилмалоновой ацидемии (также называемой метилмалоновой ацидурией или ММА). ММА является аутосомно-рецессивным наследственным врожденным нарушением метаболизма, характеризующимся повторяющимися эпизодами рвоты, летаргии, глубокого кетоацидоза , гипераммониемии и панцитопении в младенчестве и может привести к ранней смерти. Осложнения включают кардиомиопатию , метаболический инсульт, панкреатит и прогрессирующую почечную недостаточность. [5] [11]

Мутации гена MUT (кодирует метилмалонил-КоА-мутазу) или MMAA (кодирует шаперонный белок метилмалонил-КоА-мутазы, белок MMAA ) могут привести к метилмалониловой ацидемии. [12] Мутации MUT можно отнести к категории MUT 0 (не проявляет активности даже в присутствии избытка AdoCbl) или MUT 1 (демонстрирует очень низкую активность в присутствии избытка AdoCbl). [8] Более половины мутаций MUT являются миссенс-мутациями [10], в то время как бессмысленные мутации составляют значительную оставшуюся фракцию (приблизительно 14%) [13]

Обычные методы лечения ММА включают пересадку печени или пересадку печени и почек для борьбы с почечной болезнью метилмалоновой ацидемии. Однако пагубные неврологические эффекты могут продолжать преследовать пациентов даже после успешной операции. Считается, что это связано с широким распространением мутазы метилмалонил-КоА по всей центральной нервной системе. Из-за потери функциональности фермента уровни субстрата накапливаются в ЦНС. Субстрат, L-метилмалонил-КоА, гидролизуется с образованием метилмалоната (метилмалоновой кислоты), нейротоксичной дикарбоновой кислоты, которая из-за плохой способности гематоэнцефалического барьера транспортировать дикарбоновые кислоты эффективно задерживается в ЦНС, что приводит к неврологической слабости. Для борьбы с этими эффектами рекомендуются периоперационные антикатаболические режимы и отсутствие прекращения диеты. [6]

Мышиная модель оказалась адекватным и точным способом изучения эффектов ММА и потенциальных методов лечения. [ 14] [15]

Механизм

Механизм реакции MCM

Механизм реакции MCM начинается с гомолитического расщепления связи C- Co (III) AdoB12, атомы C и Co каждый приобретают один из электронов, которые образовали расщепленную связь электронной пары. Поэтому ион Co колеблется между своими окислительными состояниями Co(III) и Co(II) [два состояния спектроскопически различимы: Co(III) красный и диамагнитный (нет неспаренных электронов), тогда как Co(II) желтый и парамагнитный (неспаренные электроны)]. Следовательно, роль кофермента B-12 в каталитическом процессе заключается в роли обратимого генератора свободного радикала . Связь C-Co(III) слабая, с энергией диссоциации = 109 кДж/моль, и, по-видимому, еще больше ослабляется за счет стерических взаимодействий с ферментом. Гомолитическая реакция необычна в биологии, как и наличие связи металл-углерод.

Метилмалонил-КоА-мутаза является членом подсемейства изомераз аденозилкобаламин-зависимых ферментов. Кроме того, она классифицируется как класс I, так как является ферментом 'DMB-off'/'His-on'. Это относится к природе кофактора AdoCbl в активном центре метилмалонил-КоА. [16] AdoCbl состоит из центрального корринового кольца , содержащего кобальт , верхнего аксиального лиганда (β-аксиального лиганда) и нижнего аксиального лиганда (α-аксиального лиганда). В метилмалонил-КоА-мутазе β-аксиальный лиганд 5'-дезокси-5'-аденозин обратимо диссоциирует с образованием дезоксиаденозильного радикала . α-Аксиальный лиганд 5,6-диметилбензимидазол (DMB) участвует в организации активного центра, чтобы позволить гистидину -610 связываться с Co, а не с DMB (причина обозначения «DMB-off»/«His-on»). [16] Связывание остатка гистидина-610 увеличивает скорость гомолитического разрыва связи β-аксиального лиганда – Co в 10 12 раз . [ 17]

Активный сайт MCM. Кольцо коррина и α-аксиальный лиганд (DMB): (желтый), β-аксиальный лиганд: (зеленый), субстрат/продукт: (голубой), остатки, взаимодействующие с β-аксиальным лигандом: glu370, asn366, gly91, ala139 (синий), остатки, взаимодействующие с субстратом: gln197, his244, arg207, tyr89 (красный) и his610: (оранжевый). [18] Взято из PDB 4REQ. [19]

Другие важные остатки метилмалонил-КоА-мутазы включают гистидин-244, который действует как общая кислота вблизи субстрата и защищает радикальные виды от побочных реакций с участием кислорода, [20] глутамат -370, водородная связь которого с 2'-ОН группой рибозы β -аксиального лиганда обеспечивает взаимодействие между радикальными видами β-аксиального лиганда и субстратом, [21] и тирозин -89, который стабилизирует реактивные радикальные промежуточные продукты и отвечает за стереоселективность фермента. [18] [22]

Процессирующий белок, белок MMAA , выполняет важную роль, помогая загрузке и обмену кофактора. [12] [23] Белок MMAA способствует ассоциации с апоферментом MCM и позволяет переносить кофактор AdoCbl в активный центр фермента. [23] Кроме того, если связанный AdoCbl накапливает окислительные повреждения во время нормального функционирования, белок MMAA способствует обмену поврежденного кофактора на новый AdoCbl через ГТФ -зависимый путь. [12] [23]

Взаимодействия

Ссылки

  1. ^ abc GRCh38: Ensembl выпуск 89: ENSG00000146085 – Ensembl , май 2017 г.
  2. ^ abc GRCm38: Ensembl выпуск 89: ENSMUSG00000023921 – Ensembl , май 2017 г.
  3. ^ "Human PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  4. ^ "Mouse PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  5. ^ ab Keyfi F, Sankian M, Moghaddassian M, Rolfs A, Varasteh AR (январь 2016 г.). «Молекулярный, биохимический и структурный анализ новой мутации у пациентов с дефицитом метилмалонил-КоА-мутазы». Gene . 576 (1 Pt 2): 208–13. doi :10.1016/j.gene.2015.10.002. PMID  26449400.
  6. ^ abcd Ballhausen D, Mittaz L, Boulat O, Bonafé L, Braissant O (декабрь 2009 г.). «Доказательства катаболического пути метаболизма пропионата в ЦНС: паттерн экспрессии метилмалонил-КоА-мутазы и пропионил-КоА-карбоксилазы альфа-субъединицы в развивающемся и взрослом мозге крысы». Neuroscience . 164 (2): 578–87. doi :10.1016/j.neuroscience.2009.08.028. PMID  19699272. S2CID  34612963.
  7. ^ Чандлер Р. Дж., Вендитти К. П. (2016-10-01). «Генетические и геномные системы для изучения метилмалоновой ацидемии». Молекулярная генетика и метаболизм . 86 (1–2): 34–43. doi :10.1016/j.ymgme.2005.07.020. PMC 2657357. PMID  16182581 . 
  8. ^ ab Drennan CL, Matthews RG, Rosenblatt DS, Ledley FD, Fenton WA, Ludwig ML (май 1996 г.). «Молекулярная основа дисфункции некоторых мутантных форм метилмалонил-КоА-мутазы: выводы из структуры метионин-синтазы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 93 (11): 5550–5. Bibcode : 1996PNAS...93.5550D. doi : 10.1073/pnas.93.11.5550 . PMC 39284. PMID  8643613 . 
  9. ^ Martínez MA, Rincón A, Desviat LR, Merinero B, Ugarte M, Pérez B (апрель 2005 г.). «Генетический анализ трех генов, вызывающих изолированную метилмалоновую ацидемию: идентификация 21 нового аллельного варианта». Молекулярная генетика и метаболизм . 84 (4): 317–25. doi :10.1016/j.ymgme.2004.11.011. PMID  15781192.
  10. ^ ab Forny P, Froese DS, Suormala T, Yue WW, Baumgartner MR (декабрь 2014 г.). «Функциональная характеристика и категоризация миссенс-мутаций, вызывающих дефицит метилмалонил-КоА-мутазы (MUT)». Human Mutation . 35 (12): 1449–58. doi :10.1002/humu.22633. PMC 4441004 . PMID  25125334. 
  11. ^ Дюндар Х., Озгюль Р.К., Гюзель-Озантюрк А., Дурсун А., Сиври С., Алиефендиоглу Д., Джошкун Т., Токатли А. (август 2012 г.). «Мутационный анализ пациентов с метилмалоновой ацидемией на основе микрочипов: выявление 10 новых мутаций». Молекулярная генетика и обмен веществ . 106 (4): 419–23. дои : 10.1016/j.ymgme.2012.05.014. ПМИД  22727635.
  12. ^ abc Такахаши-Иньигес Т., Гарсия-Арельяно Х., Трухильо-Рольдан М.А., Флорес М.Е. (январь 2011 г.). «Защита и реактивация мутазы метилмалонил-КоА человека белком MMAA». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 404 (1): 443–7. дои : 10.1016/j.bbrc.2010.11.141. ПМИД  21138732.
  13. ^ Buck NE, Wood LR, Hamilton NJ, Bennett MJ, Peters HL (ноябрь 2012 г.). «Лечение мутации стоп-кодона мутазы метилмалонил-КоА». Biochemical and Biophysical Research Communications . 427 (4): 753–7. doi :10.1016/j.bbrc.2012.09.133. PMID  23041189.
  14. ^ Chandler RJ, Venditti CP (ноябрь 2012 г.). «Доклиническая эффективность и дозирование вектора AAV8, экспрессирующего человеческую метилмалонил-КоА-мутазу в мышиной модели метилмалоновой ацидемии (ММА)». Молекулярная генетика и метаболизм . 107 (3): 617–9. doi :10.1016/j.ymgme.2012.09.019. PMC 3522145. PMID  23046887 . 
  15. ^ Manoli I, Sysol JR, Li L, Houillier P, Garone C, Wang C, Zerfas PM, Cusmano-Ozog K, Young S, Trivedi NS, Cheng J, Sloan JL, Chandler RJ, Abu-Asab M, Tsokos M, Elkahloun AG, Rosen S, Enns GM, Berry GT, Hoffmann V, DiMauro S, Schnermann J, Venditti CP (август 2013 г.). «Нацеливание на дисфункцию митохондрий проксимальных канальцев ослабляет почечную болезнь метилмалоновой ацидемии». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 110 (33): 13552–7. Bibcode : 2013PNAS..11013552M. doi : 10.1073/pnas.1302764110 . PMC 3746875. PMID  23898205 . 
  16. ^ аб Такахаши-Иньигес Т., Гарсиа-Эрнандес Э., Аррегин-Эспиноса Р., Флорес М.Э. (июнь 2012 г.). «Роль витамина B12 на активность мутазы метилмалонил-КоА». Журнал науки Чжэцзянского университета B. 13 (6): 423–37. дои : 10.1631/jzus.B1100329. ПМК 3370288 . ПМИД  22661206. 
  17. ^ Vlasie M, Chowdhury S, Banerjee R (май 2002 г.). «Важность лиганда гистидина для кофермента B12 в реакции, катализируемой метилмалонил-КоА-мутазой». Журнал биологической химии . 277 (21): 18523–7. doi : 10.1074/jbc.M111809200 . PMID  11893736.
  18. ^ ab Mancia F, Smith GA, Evans PR (июнь 1999). "Кристаллическая структура субстратных комплексов метилмалонил-КоА-мутазы". Биохимия . 38 (25): 7999–8005. doi :10.1021/bi9903852. PMID  10387043.
  19. ^ Mancia F, Evans PR (июнь 1998 г.). «Конформационные изменения при связывании субстрата с метилмалонил-КоА-мутазой и новые взгляды на механизм свободных радикалов». Структура . 6 (6): 711–20. doi : 10.1016/s0969-2126(98)00073-2 . PMID  9655823.
  20. ^ Maiti N, Widjaja L, Banerjee R (ноябрь 1999 г.). «Перенос протона от гистидина 244 может способствовать реакции перегруппировки 1,2 в коферменте B(12)-зависимой метилмалонил-КоА мутазе». Журнал биологической химии . 274 (46): 32733–7. doi : 10.1074/jbc.274.46.32733 . PMID  10551831.
  21. ^ Buckel W, Friedrich P, Golding BT (октябрь 2012 г.). «Водородные связи направляют короткоживущий 5'-дезоксиаденозильный радикал к месту действия». Angewandte Chemie . 51 (40): 9974–6. doi :10.1002/anie.201205299. PMID  22945861.
  22. ^ Thomä NH , Meier TW, Evans PR, Leadlay PF (октябрь 1998 г.). «Стабилизация радикальных промежуточных продуктов остатком тирозина активного центра в метилмалонил-КоА-мутазе». Biochemistry . 37 (41): 14386–93. CiteSeerX 10.1.1.608.304 . doi :10.1021/bi981375o. PMID  9772164. 
  23. ^ abcde Froese DS, Kochan G, Muniz JR, Wu X, Gileadi C, Ugochukwu E, Krysztofinska E, Gravel RA, Oppermann U, Yue WW (декабрь 2010 г.). «Структуры человеческой ГТФазы ММАА и витамин B12-зависимой метилмалонил-КоА-мутазы и понимание их комплексообразования». Журнал биологической химии . 285 (49): 38204–13. дои : 10.1074/jbc.M110.177717 . ПМЦ 2992254 . ПМИД  20876572. 
  24. ^ Padovani D, Labunska T, Banerjee R (июнь 2006 г.). «Энергетика взаимодействия между шапероном G-белка, MeaB и B12-зависимой метилмалонил-КоА мутазой». Журнал биологической химии . 281 (26): 17838–44. doi : 10.1074/jbc.M600047200 . PMID  16641088.
  25. ^ Taoka S, Padmakumar R, Lai MT, Liu HW, Banerjee R (декабрь 1994 г.). «Ингибирование мутазы метилмалонил-КоА человека различными эфирами КоА». Журнал биологической химии . 269 (50): 31630–4. doi : 10.1016/S0021-9258(18)31741-1 . PMID  7989334.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки