Метилмалонил-КоА-мутаза ( EC 5.4.99.2, MCM), митохондриальная , также известная как метилмалонил-КоА-изомераза , представляет собой белок, который у человека кодируется геном MUT . Этот витамин B12 - зависимый фермент катализирует изомеризацию метилмалонил-КоА в сукцинил-КоА у человека. Мутации гена MUT могут приводить к различным типам метилмалоновой ацидурии . [5]
MCM был впервые идентифицирован в печени крыс и почках овцы в 1955 году. В латентной форме его длина составляет 750 аминокислот . При попадании в митохондрии лидерная последовательность митохондрий из 32 аминокислот на N-конце белка расщепляется, образуя полностью процессированный мономер. Затем мономеры объединяются в гомодимеры и связывают AdoCbl (по одному на каждый активный сайт мономера), образуя конечную активную форму голофермента . [6]
Состав
Ген
Ген MUT расположен в хромосоме 6p12.3 и состоит из 13 экзонов , занимающих более 35 тыс. оснований. [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 , головном мозге , мышцах и печени и в низких концентрациях в селезенке . [6] Фермент можно обнаружить по всей центральной нервной системе (ЦНС). [6] MCM 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 метилмалонатный полуальдегид (MMlSA) или пропионил-КоА (Pr-CoA) к обычному соединению — метилмалонил-КоА (MMl-CoA). MCM катализирует обратимую изомеризацию l-метилмалонил-КоА в сукцинил-КоА, требуя кобаламин (витамин B12) в форме аденозилкобаламина (AdoCbl) в качестве кофактора. В качестве важного этапа катаболизма пропионата эта реакция необходима для деградации жирных кислот с нечетной цепью , аминокислот валина , изолейцина , метионина и треонина и холестерина , [9] направляя метаболиты от распада этих аминокислот в цикл трикарбоновых кислот . [10]
Дефицит этого фермента ответственен за наследственное нарушение обмена веществ, дефицит мутазы метилмалонил-КоА , который является одной из причин метилмалоновой ацидемии (также называемой метилмалоновой ацидурией или ММА). ММА — это аутосомно-рецессивно наследуемое врожденное нарушение обмена веществ, характеризующееся повторяющимися эпизодами рвоты, летаргией, глубоким кетоацидозом , гипераммониемией и панцитопенией в младенчестве и может вызывать раннюю смерть. Осложнения включают кардиомиопатию , метаболический инсульт, панкреатит и прогрессирующую почечную недостаточность. [5] [11]
Мутации гена MUT (кодирует мутазу метилмалонил-КоА) или MMAA (кодирует белок-шаперон мутазы метилмалонил-КоА, белок MMAA ) могут привести к метилмалонилацидемии. [12] Мутации MUT можно отнести к категории либо MUT 0 (демонстрирует отсутствие активности даже в присутствии избытка AdoCbl), либо MUT 1 (демонстрирует очень низкую активность в присутствии избытка AdoCbl). [8] Более половины мутаций MUT являются миссенс-мутациями [10] , тогда как нонсенс-мутации составляют значительную оставшуюся часть (приблизительно 14%) [13]
Общие методы лечения ММА включают трансплантацию печени или трансплантацию печени и почек для борьбы с заболеванием почек, вызванным метилмалоновой ацидемией. Однако пагубные неврологические последствия могут продолжать беспокоить пациентов даже после успешной операции. Считается, что это связано с широким присутствием метилмалонил-КоА-мутазы во всей центральной нервной системе. Из-за потери функциональности фермента в ЦНС повышается уровень субстрата. Субстрат, L-метилмалонил-КоА, гидролизуется с образованием метилмалоната (метилмалоновой кислоты), нейротоксичной дикарбоновой кислоты, которая из-за плохой способности транспорта дикарбоновой кислоты через гематоэнцефалический барьер эффективно улавливается в ЦНС, что приводит к неврологическому истощению. Для борьбы с этими эффектами рекомендуются периоперационные антикатаболические режимы и отказ от 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 разрыва связи C- Co (III) AdoB12 , атомы C и Co приобретают каждый из электронов, которые образовали расщепленную электронную парную связь. Таким образом, ион Co колеблется между состояниями окисления Co(III) и Co(II) [эти состояния различимы спектроскопически: Co(III) красный и диамагнитный (нет неспаренных электронов), тогда как Co(II) желтый и парамагнетик (неспаренные электроны)]. Следовательно, роль коэнзима В-12 в каталитическом процессе — обратимый генератор 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 для биологии, как и наличие связи металл-углерод .
Метилмалонил-КоА-мутаза является членом подсемейства изомераз аденозилкобаламин-зависимых ферментов. Кроме того, он классифицируется как класс I, поскольку представляет собой фермент «DMB-off» / «His-on». Это относится к природе кофактора AdoCbl в активном центре метилмалонил-КоА. [16] AdoCbl состоит из центрального кобальтсодержащего корринового кольца , верхнего аксиального лиганда ( β -аксиальный лиганд) и нижнего аксиального лиганда (α-аксиальный лиганд). В мутазе метилмалонил-КоА β-аксиальный лиганд 5’-дезокси-5’-аденозин обратимо диссоциирует с образованием дезоксиаденозильного радикала . α-аксиальный лиганд 5,6-диметилбензимидазол (ДМБ) участвует в организации активного центра, позволяющего гистидину -610 связываться с Co вместо DMB (причина обозначения «DMB-off» / «His-on»). ). [16] Связывание остатка гистидина-610 увеличивает скорость разрыва гомолитической связи β-аксиальный лиганд – Со в 10 12 раз . [17]
Активный сайт MCM. Корриновое кольцо 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] Визуализировано из PDB 4REQ. [19]
Другие важные остатки мутазы метилмалонил-КоА включают гистидин-244, который действует как обычная кислота вблизи субстрата и защищает радикалы от побочных реакций с участием кислорода, [20] глутамат -370, чья водородная связь с 2'-ОН-группой рибоза β-аксиального лиганда обеспечивает взаимодействие между радикальными видами β - аксиального лиганда и субстратом [21] и тирозин -89, который стабилизирует реакционноспособные радикальные промежуточные соединения и обеспечивает стереоселективность фермента. [18] [22]
Процессирующий белок, белок MMAA , выполняет важную роль, содействуя загрузке и обмену кофакторов. [12] [23] Белок MMAA способствует ассоциации с апоферментом MCM и позволяет переносить кофактор AdoCbl в активный центр фермента. [23] Более того, если связанный AdoCbl вызывает окислительное повреждение во время нормального функционирования, белок MMAA способствует замене поврежденного кофактора на новый AdoCbl через GTP -зависимый путь. [12] [23]
^ abc GRCh38: Версия Ensembl 89: ENSG00000146085 — Ensembl , май 2017 г.
^ abc GRCm38: выпуск Ensembl 89: ENSMUSG00000023921 — Ensembl , май 2017 г.
^ "Ссылка на Human PubMed:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
^ "Ссылка на Mouse PubMed:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
^ аб Кейфи Ф., Санкян М., Могадассиан М., Рольфс А., Варасте А.Р. (январь 2016 г.). «Молекулярный, биохимический и структурный анализ новой мутации у пациентов с дефицитом мутазы метилмалонил-КоА». Джин . 576 (1 Пт 2): 208–13. дои : 10.1016/j.gene.2015.10.002. ПМИД 26449400.
^ abcd Ballhausen D, Mittaz L, Boulat O, Bonafé L, Braissant O (декабрь 2009 г.). «Доказательства катаболического пути метаболизма пропионата в ЦНС: характер экспрессии альфа-субъединицы метилмалонил-КоА-мутазы и альфа-субъединицы пропионил-КоА-карбоксилазы в мозге развивающихся и взрослых крыс». Нейронаука . 164 (2): 578–87. doi :10.1016/j.neuroscience.2009.08.028. PMID 19699272. S2CID 34612963.
^ Чендлер Р.Дж., Вендитти CP (01.10.2016). «Генетические и геномные системы для изучения метилмалоновой ацидемии». Молекулярная генетика и обмен веществ . 86 (1–2): 34–43. дои : 10.1016/j.ymgme.2005.07.020. ПМЦ 2657357 . ПМИД 16182581.
^ ab Дреннан CL, Мэтьюз RG, Розенблатт DS, Ледли FD, Фентон WA, Людвиг ML (май 1996 г.). «Молекулярные основы дисфункции некоторых мутантных форм метилмалонил-КоА-мутазы: выводы из структуры метионинсинтазы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 93 (11): 5550–5. Бибкод : 1996PNAS...93.5550D. дои : 10.1073/pnas.93.11.5550 . ПМК 39284 . ПМИД 8643613.
^ Мартинес М.А., Ринкон А., Девиат Л.Р., Меринеро Б., Угарте М., Перес Б. (апрель 2005 г.). «Генетический анализ трех генов, вызывающих изолированную метилмалоновую ацидемию: идентификация 21 нового аллельного варианта». Молекулярная генетика и обмен веществ . 84 (4): 317–25. дои : 10.1016/j.ymgme.2004.11.011. ПМИД 15781192.
^ ab Форни П., Фрёзе Д.С., Суормала Т., Юэ В.В., Баумгартнер М.Р. (декабрь 2014 г.). «Функциональная характеристика и классификация миссенс-мутаций, вызывающих дефицит метилмалонил-КоА-мутазы (MUT)». Человеческая мутация . 35 (12): 1449–58. дои : 10.1002/humu.22633. ПМК 4441004 . ПМИД 25125334.
^ 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.
^ 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.
^ Бак Н.Э., Вуд Л.Р., Гамильтон, штат Нью-Джерси, Беннетт М.Дж., Питерс Х.Л. (ноябрь 2012 г.). «Лечение мутации стоп-кодона метилмалонил-КоА-мутазы». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 427 (4): 753–7. дои : 10.1016/j.bbrc.2012.09.133. ПМИД 23041189.
^ Чендлер Р.Дж., Вендитти CP (ноябрь 2012 г.). «Доклиническая эффективность и дозировка вектора AAV8, экспрессирующего мутазу метилмалонил-КоА человека, на мышиной модели метилмалоновой ацидемии (ММА)». Молекулярная генетика и обмен веществ . 107 (3): 617–9. дои : 10.1016/j.ymgme.2012.09.019. ПМЦ 3522145 . ПМИД 23046887.
^ Маноли I, Сисол Дж.Р., Ли Л., Улье П., Гароне С., Ван С., Зерфас П.М., Кусмано-Озог К., Янг С., Триведи Н.С., Ченг Дж., Слоан Дж.Л., Чендлер Р.Дж., Абу-Асаб М., Цокос М., Элкалун А.Г., Розен С., Эннс Г.М., Берри Г.Т., Хоффманн В., ДиМауро С., Шнерманн Дж., Вендитти К.П. (август 2013 г.). «Нацеливание на дисфункцию митохондрий проксимальных канальцев ослабляет заболевание почек, вызванное метилмалоновой ацидемией». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 110 (33): 13552–7. Бибкод : 2013PNAS..11013552M. дои : 10.1073/pnas.1302764110 . ПМК 3746875 . ПМИД 23898205.
^ аб Такахаши-Иньигес Т., Гарсия-Эрнандес Э., Аррегин-Эспиноса Р., Флорес М.Е. (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.
^ Власи М., Чоудхури С., Банерджи Р. (май 2002 г.). «Важность гистидинового лиганда для кофермента B12 в реакции, катализируемой мутазой метилмалонил-КоА». Журнал биологической химии . 277 (21): 18523–7. дои : 10.1074/jbc.M111809200 . ПМИД 11893736.
^ ab Мансия Ф., Смит Г.А., Эванс П.Р. (июнь 1999 г.). «Кристаллическая структура субстратных комплексов метилмалонил-КоА-мутазы». Биохимия . 38 (25): 7999–8005. дои : 10.1021/bi9903852. ПМИД 10387043.
^ Мансия Ф, Эванс PR (июнь 1998 г.). «Конформационные изменения при связывании субстрата с метилмалонил-КоА-мутазой и новое понимание свободнорадикального механизма». Состав . 6 (6): 711–20. дои : 10.1016/s0969-2126(98)00073-2 . ПМИД 9655823.
^ Маити Н., Виджаджа Л., Банерджи Р. (ноябрь 1999 г.). «Перенос протона от гистидина 244 может облегчить реакцию 1,2-перегруппировки в коферменте B(12)-зависимой метилмалонил-КоА-мутазе». Журнал биологической химии . 274 (46): 32733–7. дои : 10.1074/jbc.274.46.32733 . ПМИД 10551831.
^ Бакель В., Фридрих П., Голдинг Б.Т. (октябрь 2012 г.). «Водородные связи направляют короткоживущий 5'-дезоксиаденозильный радикал к месту действия». Ангеванде Хеми . 51 (40): 9974–6. дои : 10.1002/anie.201205299. ПМИД 22945861.
^ Тома Н.Х. , Мейер Т.В., Эванс П.Р., Лидли П.Ф. (октябрь 1998 г.). «Стабилизация радикальных промежуточных продуктов остатком тирозина в активном центре мутазы метилмалонил-КоА». Биохимия . 37 (41): 14386–93. CiteSeerX 10.1.1.608.304 . дои : 10.1021/bi981375o. ПМИД 9772164.
^ 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.
^ Падовани Д., Лабунска Т., Банерджи Р. (июнь 2006 г.). «Энергетика взаимодействия G-белка-шаперона, MeaB и B12-зависимой метилмалонил-КоА-мутазы». Журнал биологической химии . 281 (26): 17838–44. дои : 10.1074/jbc.M600047200 . ПМИД 16641088.
^ Таока С., Падмакумар Р., Лай М.Т., Лю Х.В., Банерджи Р. (декабрь 1994 г.). «Ингибирование мутазы метилмалонил-КоА человека различными эфирами КоА». Журнал биологической химии . 269 (50): 31630–4. дои : 10.1016/S0021-9258(18)31741-1 . ПМИД 7989334.
дальнейшее чтение
Ледли Ф.Д., Розенблатт Д.С. (1997). «Мутации при мут метилмалоновой ацидемии: клинические и ферментативные корреляции». Человеческая мутация . 9 (1): 1–6. doi :10.1002/(SICI)1098-1004(1997)9:1<1::AID-HUMU1>3.0.CO;2-E. PMID 8990001. S2CID 41661834.
Лубрано Р., Элли М., Росси М., Травассо Э., Рагги С., Барсотти П., Кардуччи С., Берлоко П. (август 2007 г.). «Трансплантация почки при метилмалоновой ацидемии: может ли это быть лучшим вариантом? Отчет о случае через 10 лет и обзор литературы». Детская нефрология . 22 (8): 1209–14. doi : 10.1007/s00467-007-0460-z. PMID 17401587. S2CID 24610554.
Френкель Э.П., Kitchens RL (декабрь 1975 г.). «Внутриклеточная локализация печеночной пропионил-КоА-карбоксилазы и метилмалонил-КоА-мутазы у человека, нормальных крыс и крыс с дефицитом витамина B12». Британский журнал гематологии . 31 (4): 501–13. doi :10.1111/j.1365-2141.1975.tb00885.x. PMID 24458. S2CID 1232083.
Крейн А.М., Янсен Р., Эндрюс Э.Р., Ледли Ф.Д. (февраль 1992 г.). «Клонирование и экспрессия мутантной мутазы метилмалонил-коэнзима А с измененным сродством к кобаламину, вызывающей мутметилмалоновую ацидурию». Журнал клинических исследований . 89 (2): 385–91. дои : 10.1172/JCI115597. ПМК 442864 . ПМИД 1346616.
Крейн А.М., Мартин Л.С., Валле Д., Ледли Ф.Д. (май 1992 г.). «Фенотип заболевания у трех пациентов с идентичными мутациями метилмалонил-КоА-мутазы». Генетика человека . 89 (3): 259–64. дои : 10.1007/BF00220536. PMID 1351030. S2CID 5624280.
Рафф М.Л., Крейн А.М., Янсен Р., Ледли Ф.Д., Розенблатт Д.С. (январь 1991 г.). «Генетическая характеристика мутации локуса MUT, различающей гетерогенность в mut0 и мут-метилмалоновой ацидурии посредством межаллельной комплементации». Журнал клинических исследований . 87 (1): 203–7. дои : 10.1172/JCI114972. ПМК 295026 . ПМИД 1670635.
Янсен Р., Ледли Ф.Д. (ноябрь 1990 г.). «Гетерозиготные мутации в локусе mut в фибробластах с mut0-метилмалоновой ацидемией, выявленные с помощью клонирования кДНК с помощью полимеразной цепной реакции». Американский журнал генетики человека . 47 (5): 808–14. ПМЦ 1683687 . ПМИД 1977311.
Ледли Ф.Д., Луметта М., Нгуен П.Н., Колхаус Дж.Ф., Аллен Р.Х. (май 1988 г.). «Молекулярное клонирование мутазы L-метилмалонил-КоА: перенос гена и анализ линий мутированных клеток». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 85 (10): 3518–21. Бибкод : 1988PNAS...85.3518L. дои : 10.1073/pnas.85.10.3518 . ПМК 280243 . ПМИД 2453061.
Янсен Р., Калоусек Ф., Фентон В.А., Розенберг Л.Е., Ледли Ф.Д. (февраль 1989 г.). «Клонирование полноразмерной метилмалонил-КоА-мутазы из библиотеки кДНК с использованием полимеразной цепной реакции». Геномика . 4 (2): 198–205. дои : 10.1016/0888-7543(89)90300-5. ПМИД 2567699.
Фентон В.А., Хак А.М., Краус Дж.П., Розенберг Л.Е. (март 1987 г.). «Иммунохимические исследования фибробластов пациентов с дефицитом апофермента метилмалонил-КоА-мутазы: обнаружение мутации, препятствующей импорту митохондрий». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 84 (5): 1421–4. Бибкод : 1987PNAS...84.1421F. дои : 10.1073/pnas.84.5.1421 . ПМК 304442 . ПМИД 2881300.
Зогби Х.И., О'Брайен В.Е., Ледли Ф.Д. (ноябрь 1988 г.). «Отношения сцепления метилмалонил-КоА-мутазы человека с локусами HLA и D6S4 на хромосоме 6». Геномика . 3 (4): 396–8. дои : 10.1016/0888-7543(88)90135-8. ПМИД 2907507.
Колхаус Дж. Ф., Атли С., Аллен Р. Х. (апрель 1980 г.). «Выделение и характеристика метилмалонил-КоА-мутазы из плаценты человека». Журнал биологической химии . 255 (7): 2708–12. дои : 10.1016/S0021-9258(19)85795-2 . ПМИД 6102092.
Фентон В.А., Хак А.М., Уиллард Х.Ф., Гертлер А., Розенберг Л.Е. (апрель 1982 г.). «Очистка и свойства метилмалонил-коэнзима А мутазы из печени человека». Архив биохимии и биофизики . 214 (2): 815–23. дои : 10.1016/0003-9861(82)90088-1. ПМИД 6124211.
Куреши А.А., Крейн А.М., Матиашук Н.В., Резвани И., Ледли Ф.Д., Розенблатт Д.С. (апрель 1994 г.). «Клонирование и экспрессия мутаций, демонстрирующих внутригенную комплементацию при mut0-метилмалоновой ацидурии». Журнал клинических исследований . 93 (4): 1812–9. дои : 10.1172/JCI117166. ПМЦ 294249 . ПМИД 7909321.
Крейн А.М., Ледли Ф.Д. (июль 1994 г.). «Кластеризация мутаций метилмалонил-КоА-мутазы, связанной с мут-метилмалоновой ацидемией». Американский журнал генетики человека . 55 (1): 42–50. ЧВК 1918235 . ПМИД 7912889.
Джаната Дж., Когекар Н., Фентон В.А. (сентябрь 1997 г.). «Экспрессия и кинетическая характеристика метилмалонил-КоА-мутазы у пациентов с мутфенотипом: доказательства естественной межаллельной комплементации». Молекулярная генетика человека . 6 (9): 1457–64. дои : 10.1093/hmg/6.9.1457 . ПМИД 9285782.
Внешние ссылки
Запись GeneReviews/NIH/NCBI/UW о метилмалоновой ацидемии
