Тирозиназа — это оксидаза , которая является ферментом, ограничивающим скорость выработки меланина . Фермент в основном участвует в двух различных реакциях синтеза меланина, также известных как путь Рапера-Мейсона. Во-первых, гидроксилирование монофенола и, во-вторых, превращение о-дифенола в соответствующий о-хинон. о-хинон претерпевает несколько реакций, чтобы в конечном итоге сформировать меланин. [5] Тирозиназа — это содержащий медь фермент, присутствующий в растительных и животных тканях, который катализирует выработку меланина и других пигментов из тирозина путем окисления. Он находится внутри меланосом , которые синтезируются в меланоцитах кожи . У людей фермент тирозиназа кодируется геном TYR . [ 6]
Катализируемая реакция
Тирозиназа осуществляет окисление фенолов, таких как тирозин и дофамин, с использованием дикислорода (O 2 ). В присутствии катехола образуется бензохинон (см. реакцию ниже). Водороды, удаленные из катехола , соединяются с кислородом , образуя воду .
Субстратная специфичность резко ограничивается в тирозиназе млекопитающих, которая использует в качестве субстратов только L-форму тирозина или ДОФА и имеет ограниченную потребность в L-ДОФА в качестве кофактора. [7]
Активный сайт
Два атома меди в активном центре ферментов тирозиназы взаимодействуют с дикислородом , образуя высокореактивный химический промежуточный продукт, который затем окисляет субстрат . Активность тирозиназы похожа на активность катехолоксидазы , родственного класса медной оксидазы . Тирозиназы и катехолоксидазы совместно называются полифенолоксидазами .
Структура
Тирозиназы были выделены и изучены из самых разных видов растений, животных и грибов. Тирозиназы из разных видов различаются по своим структурным свойствам, распределению в тканях и клеточной локализации. [9]
Не было обнаружено общей структуры белка тирозиназы, встречающейся во всех видах. [10] Ферменты, обнаруженные в растительных, животных и грибковых тканях, часто различаются по своей первичной структуре, размеру, схеме гликозилирования и характеристикам активации. Однако все тирозиназы имеют общий двухъядерный медный центр типа 3 в своих активных центрах . Здесь два атома меди координируются с тремя остатками гистидина .
Тирозиназа млекопитающих — это единственный трансмембранный белок , пронизывающий мембрану . [12] У людей тирозиназа сортируется в меланосомах [13] , а каталитически активный домен белка находится внутри меланосом. Только небольшая, ферментативно несущественная часть белка простирается в цитоплазму меланоцита .
В отличие от грибковой тирозиназы, человеческая тирозиназа представляет собой мембраносвязанный гликопротеин и содержит 13% углеводов. [14]
Полученный аллель TYR (rs2733832) связан с более светлой пигментацией кожи в человеческих популяциях. Он наиболее распространен в Европе , но также встречается с более низкими, умеренными частотами в Центральной Азии , на Ближнем Востоке , в Северной Африке и среди пигмеев Сан и Мбути . [15]
Мутация в гене тирозиназы, приводящая к нарушению выработки тирозиназы, приводит к окулокутантному альбинизму I типа — наследственному заболеванию, которое поражает одного из 20 000 человек. [20]
Активность тирозиназы очень важна. Если она не контролируется во время синтеза меланина , это приводит к увеличению синтеза меланина. Снижение активности тирозиназы было направлено на улучшение или профилактику состояний, связанных с гиперпигментацией кожи, таких как мелазма и возрастные пятна . [21]
Хотя альбинизм распространен, было проведено всего несколько исследований генетических мутаций в генах тирозиназы у животных. Одно из них было проведено на Bubalus bubalis (буйвол). Последовательность мРНК тирозиназы дикого типа B. bubalis составляет 1958 пар оснований (пн) с открытой рамкой считывания (ОРС) длиной 1593 пн, что соответствует 530 аминокислотам. Между тем, ген тирозиназы альбиноса B. bubalis (GenBank JN_887463) усечен в позиции 477, что вызвано точечной мутацией в нуклеотиде 1431, которая преобразует триптофан (TGG) в стоп-кодон (TGA), что приводит к более короткому и неактивному гену тирозиназы. [24] У других альбиносов наблюдаются точечные мутации, которые, по-видимому, инактивируют тирозиназу без усечения (примеры см. в таблице и на рисунке).
Зная, что существует несколько исследований о геномных данных гена тирозиназы, существует лишь несколько исследований о мутациях у амфибий- альбиносов . Миура и др. (2018) исследуют мутации аминокислот в гене тирозиназы у трех лягушек -альбиносов : Pelophylax nigromaculatus (прудовая лягушка), Glandirana rugosa (морщинистая лягушка) и Fejervarya kawamurai (рисовая лягушка). Всего было изучено пять различных популяций, из которых три были P. nigromaculatus и по одной G. rugosa и F. kawamurai . В двух из трех популяций P. nigromaculatus наблюдалась мутация сдвига рамки считывания из-за вставки тимина в экзоны 1 и 3, а в третьей популяции отсутствовали три нуклеотида, кодирующие лизин в экзоне 1. Популяция G. rugosa имела миссенс-мутацию , при которой произошла замена аминокислоты с глицина на аспарагиновую кислоту , а мутация F. kawamurai также представляла собой замену аминокислоты с глицина на аргинин . Мутация для G. rugosa и F. kawamurai происходит в экзонах 1 и 3. Мутации третьей популяции P. nigromaculatus , а также мутации G. rugosa и F. kawamurai произошли в областях, которые высококонсервативны среди позвоночных , что может привести к дисфункциональному гену тирозиназы. [25]
Эволюция
Тирозиназа является высококонсервативным белком у животных и, по-видимому, возникла уже у бактерий . Белок, родственный тирозиназе (Tyrp1), и допахромовая таутомераза (Dtc), которые кодируют белок, участвующий в синтезе меланина , которые являются общими регуляторными элементами структуры экзона/интрона . Развитие трех типов пигментных клеток позвоночных , хотя и различное, таким образом, сходится в определенной точке, чтобы обеспечить экспрессию членов семейства тирозиназы для производства пигментов меланина. [27] Гены , родственные семейству тирозиназы , играют важную роль в эволюции , генетике и биологии развития пигментных клеток , а также в подходе к человеческим расстройствам, связанным с дефектами их синтеза, регуляции или функции у позвоночных, три типа пигментных клеток, продуцирующих меланин , хорошо известны с момента эмбрионального происхождения, т. е. из нервного гребня , нервной трубки и шишковидного тела . Все они обладают способностью производить пигменты меланина. Их биосинтез регулируется эволюционно консервативными ферментами семейства тирозиназ (tyr, tyr1 и tyr2), также называемыми ДОФАхром таутомеразой (dct). Среди них Tyr играет важную роль в производстве меланина. Однако секвенированный геном из разных таксонов для углубленного эволюционного анализа становится более важным в настоящем исследовании. [28] Аналогичным образом, семейство медных белков типа 3 выполняет различные биологические функции , включая образование пигмента, врожденный иммунитет и транспорт кислорода. Объединенный генетический филогенетический и структурный анализ пришел к выводу, что исходный медный белок типа 3 обладал одним пептидом и был сгруппирован в подкласс α . Ген предкового белка претерпел две дупликации, т. е. первую до расхождения неизвестной эукариотической линии и вторую до диверсификации . Предшествующая дупликация дала начало цитозольной форме ( β ), а последняя дупликация дала мембраносвязанную форму ( Γ ). Структурное сравнение показало, что активный центр α- и γ -форм покрыт алифатическими аминокислотами, а β -форма покрытаАроматический остаток. Таким образом, эволюция этого семейства генов является линией многоклеточных эукариот из-за потери одного или нескольких из этих трех подклассов и специфического для линии расширения одного или обоих оставшихся подклассов. [29] Геномные консервативные нуклеотидные выравнивания тирозиназы среди семейства позвоночных , таких как лягушки, змеи и человек, предполагают, что она произошла от одного предкового гена тирозиназы. Дупликация и мутация этого гена, вероятно, ответственны за появление гена , связанного с тирозиназой . [30]
Приложения
В пищевой промышленности
В пищевой промышленности ингибирование тирозиназы желательно, поскольку тирозиназа катализирует окисление фенольных соединений, содержащихся во фруктах и овощах, в хиноны , что придает нежелательный вкус и цвет, а также снижает доступность некоторых незаменимых аминокислот и усвояемость продуктов. Таким образом, высокоэффективные ингибиторы тирозиназы также необходимы в сельском хозяйстве и пищевой промышленности. [14] Хорошо известные ингибиторы тирозиназы включают койевую кислоту , [31] трополон , [32] кумарины , [33] ванильную кислоту , ванилин и ванилиновый спирт . [34]
В косметической промышленности
Более светлый цвет кожи ассоциируется с молодостью и красотой в различных азиатских культурах. Недавние исследования косметических компаний были сосредоточены на разработке новых отбеливающих агентов, которые селективно подавляют активность тирозиназы для уменьшения гиперпигментации , избегая при этом цитотоксичности здоровых меланоцитов . [35] Традиционные фармакологические агенты, такие как кортикостероиды , гидрохинон и аминонутрихлорид, осветляют кожу посредством ингибирования созревания меланоцитов. [36] Однако эти агенты связаны с побочными эффектами. Косметические компании были сосредоточены на разработке новых отбеливающих агентов, которые селективно подавляют активность тирозиназы для уменьшения гиперпигментации, избегая при этом цитотоксичности меланоцитов, поскольку тирозиназа является ограничивающим скорость этапом пути меланогенеза.
У насекомых
Тирозиназа имеет широкий спектр функций у насекомых, включая заживление ран, склеротизацию , синтез меланина и инкапсуляцию паразитов. В результате, это важный фермент, поскольку он является защитным механизмом насекомых. Некоторые инсектициды направлены на ингибирование тирозиназы. [14]
^ abc GRCh38: Ensembl выпуск 89: ENSG00000077498 – Ensembl , май 2017 г.
^ abc GRCm38: Ensembl выпуск 89: ENSMUSG00000004651 – Ensembl , май 2017 г.
^ "Human PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
^ "Mouse PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
^ ab Kumar CM, Sathisha UV, Dharmesh S, Rao AG, Singh SA (март 2011 г.). «Взаимодействие сезамола (3,4-метилендиоксифенола) с тирозиназой и его влияние на синтез меланина». Biochimie . 93 (3): 562–9. doi :10.1016/j.biochi.2010.11.014. PMID 21144881.
^ Barton DE, Kwon BS, Francke U (июль 1988). "Ген тирозиназы человека, картированный на хромосоме 11 (q14----q21), определяет вторую область гомологии с мышиной хромосомой 7". Genomics . 3 (1): 17–24. doi :10.1016/0888-7543(88)90153-X. PMID 3146546.
^ Слушание VJ, Ekel TM, Montague PM, Nicholson JM (февраль 1980 г.). «Тирозиназа млекопитающих. Стехиометрия и измерение продуктов реакции». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Энзимология . 611 (2): 251–68. дои : 10.1016/0005-2744(80)90061-3. ПМИД 6766744.
^ PDB : 1WX3 ; Matoba Y, Kumagai T, Yamamoto A, Yoshitsu H, Sugiyama M (2006). «Кристаллографические доказательства того, что двухъядерный медный центр тирозиназы является гибким во время катализа». J. Biol. Chem . 281 (13): 8981–8990. doi : 10.1074/jbc.M509785200 . PMID 16436386.
^ Mayer AM (ноябрь 2006 г.). «Полифенолоксидазы в растениях и грибах: куда идут? Обзор». Фитохимия . 67 (21): 2318–31. Bibcode : 2006PChem..67.2318M. doi : 10.1016/j.phytochem.2006.08.006. PMID 16973188.
^ Jaenicke E, Decker H (апрель 2003 г.). «Тирозиназы ракообразных образуют гексамеры». The Biochemical Journal . 371 (Pt 2): 515–23. doi :10.1042/BJ20021058. PMC 1223273. PMID 12466021 .
^ Mayer AM (ноябрь 2006 г.). «Полифенолоксидазы в растениях и грибах: куда идут? Обзор». Фитохимия . 67 (21): 2318–31. Bibcode : 2006PChem..67.2318M. doi : 10.1016/j.phytochem.2006.08.006. PMID 16973188.
^ Kwon BS, Haq AK, Pomerantz SH, Halaban R (ноябрь 1987 г.). «Выделение и последовательность клона кДНК для человеческой тирозиназы, которая картируется в локусе c-albino мыши». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 84 (21): 7473–7. Bibcode : 1987PNAS...84.7473K. doi : 10.1073/pnas.84.21.7473 . PMC 299318. PMID 2823263 .
^ Theos AC, Tenza D, Martina JA, Hurbain I, Peden AA, Sviderskaya EV, Stewart A, Robinson MS, Bennett DC, Cutler DF, Bonifacino JS, Marks MS, Raposo G (ноябрь 2005 г.). «Функции адаптерного белка (AP)-3 и AP-1 в сортировке тирозиназы из эндосом в меланосомы». Молекулярная биология клетки . 16 (11): 5356–72. doi :10.1091/mbc.E05-07-0626. PMC 1266432. PMID 16162817 .
^ abc Kim YJ, Uyama H (август 2005 г.). «Ингибиторы тирозиназы из природных и синтетических источников: структура, механизм ингибирования и перспективы на будущее». Cellular and Molecular Life Sciences . 62 (15): 1707–23. doi :10.1007/s00018-005-5054-y. PMC 11139184 . PMID 15968468. S2CID 8280251.
^ "Частота аллелей для полиморфного сайта: rs2733832". ALFRED. Архивировано из оригинала 20 августа 2016 года . Получено 23 июня 2016 года .
^ Panis F, Krachler RF, Krachler R, Rompel A (июнь 2021 г.). «Экспрессия, очистка и характеристика хорошо адаптированной тирозиназы из торфяников, идентифицированных с помощью частичного анализа сообщества». Environmental Science & Technology . 55 (16): 11445–11454. Bibcode :2021EnST...5511445P. doi :10.1021/acs.est.1c02514. PMC 8375020 . PMID 34156250.
^ Hou L, Panthier JJ, Arnheiter H (декабрь 2000 г.). «Сигнализация и транскрипционная регуляция в меланоцитах, полученных из нервного гребня: взаимодействие между KIT и MITF». Development . 127 (24): 5379–89. doi :10.1242/dev.127.24.5379. PMID 11076759.
^ Hoek KS, Schlegel NC, Eichhoff OM, Widmer DS, Praetorius C, Einarsson SO, Valgeirsdottir S, Bergsteinsdottir K, Schepsky A, Dummer R, Steingrimsson E (декабрь 2008 г.). «Новые цели MITF, идентифицированные с использованием двухэтапной стратегии ДНК-микрочипов». Pigment Cell & Melanoma Research . 21 (6): 665–76. doi : 10.1111/j.1755-148X.2008.00505.x . PMID 19067971.
^ М. С. Эллер, К. Остром и Б. А. Гилкрест, «Повреждение ДНК усиливает меланогенез», Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки, т. 93, № 3, стр. 1087–1092, 1996
^ Witkop CJ (октябрь 1979 г.). «Альбинизм: гематологическое заболевание, восприимчивость к раку кожи и дефекты зрительных нейронов, общие для всех типов окулокутантного и глазного альбинизма». Алабамский журнал медицинских наук . 16 (4): 327–30. PMID 546241.
^ Ando H, Kondoh H, Ichihashi M, Hearing VJ (апрель 2007 г.). «Подходы к выявлению ингибиторов биосинтеза меланина с помощью контроля качества тирозиназы». Журнал исследовательской дерматологии . 127 (4): 751–61. doi : 10.1038/sj.jid.5700683 . PMID 17218941.
^ Chang TS (июнь 2009 г.). «Обновленный обзор ингибиторов тирозиназы». International Journal of Molecular Sciences . 10 (6): 2440–75. doi : 10.3390/ijms10062440 . PMC 2705500. PMID 19582213 .
^ Pillaiyar T, Manickam M, Namasivayam V (декабрь 2017 г.). «Агенты для отбеливания кожи: перспективы медицинской химии ингибиторов тирозиназы». Журнал ингибирования ферментов и медицинской химии . 32 (1): 403–425. doi :10.1080 / 14756366.2016.1256882. PMC 6010116. PMID 28097901.
^ Даме, Мария Сесилия Флорисбаль; Ксавьер, Гильденор Медейрос; Оливейра-Фильо, Хосе Паес; Борхес, Александр Секорун; Оливейра, Энрике Нуньес; Рит-Корреа, Франклин; Шильд, Ана Люсия (20 июля 2012 г.). «Нонсенс-мутация в гене тирозиназы вызывает альбинизм у водяного буйвола». БМК Генетика . 13:62 . дои : 10.1186/1471-2156-13-62 . ISSN 1471-2156. ПМК 3411452 . ПМИД 22817390.
^ ab Миура, Икуо; Тагами, Масатака; Фудзитани, Такеши; Огата, Мицуаки (2018-02-10). «Спонтанные мутации тирозиназы, выявленные у альбиносов трех видов диких лягушек». Гены и генетические системы . 92 (4): 189–196. doi : 10.1266/ggs.16-00061 . ISSN 1880-5779. PMID 28674275.
^ Ким, Ён-Хён; Пак, Сан-Дже; Чхве, Се-Хи; Ли, Джа-Ранг; Чо, Хён-Му; Ким, Сун-Ук; Ким, Джи-Су; Сим, Бо-Ун; Сон, Бон-Сок; Ли, Ёнджон; Джин, Ён Бэ; Хонг, Чон-Джу; Чон, Кан-Джин; Кан, Филён; Бэк, Сын-Хо; Ли, Сан-Рэ; Ху, Джэ-Вон; Чанг, Кю-Тэ (2017). «Идентификация и характеристика гена тирозиназы (TYR) и его вариантов транскрипта (TYR_1 и TYR_2) у макаки-крабоеда (Macaca fascicularis)». Gene . 630 : 21–27. doi : 10.1016/j.gene.2017.07.047 . PMID 28756020.
^ Агнес Камачо-Хюбнер, Кристель Ричард, Фридрих Бирманн (20 февраля 2022 г.). «Геномная структура и эволюционная консервация семейства генов тирозиназы из фугу». Gene . 285 (1–2): 59–68. doi :10.1016/s0378-1119(02)00411-0. PMID 12039032.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Розария Эспозито, Сальваторе Д'Аньелло, Паола Скуарцони, Мария Роза Пеццотти, Филомена Ристораторе и Антониетта Спаньоло (2012). «Новый взгляд на эволюцию семейства генов тирозиназы многоклеточных животных». ПЛОС ОДИН . 7 (4): e35731. Бибкод : 2012PLoSO...735731E. дои : 10.1371/journal.pone.0035731 . ПМЦ 3334994 . ПМИД 22536431.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Агилера, Фелипе; Макдугалл, Кармель; Дегнан, Бернард М. (2013-05-01). «Происхождение, эволюция и классификация медных белков типа 3: специфичные для линии расширения и потери генов в Metazoa». BMC Evolutionary Biology . 13 (1): 96. Bibcode :2013BMCEE..13...96A. doi : 10.1186/1471-2148-13-96 . ISSN 1471-2148. PMC 3658974 . PMID 23634722.
^ Ф. Мюрисье и Ф. Бирманн (2006). «Генетика пигментных клеток: уроки семейства генов тирозиназы». Гистология и гистопатология . 21 (5): 567–578. PMID 16493586.
^ Mendes E, Perry Mde J, Francisco AP (май 2014 г.). «Разработка и открытие ингибиторов тирозиназы грибов и их терапевтическое применение». Мнение эксперта по исследованию лекарственных препаратов . 9 (5): 533–54. doi :10.1517/17460441.2014.907789. PMID 24708040. S2CID 12589166.
^ Rescigno A, Sollai F, Pisu B, Rinaldi A, Sanjust E (август 2002 г.). «Ингибирование тирозиназы: общие и прикладные аспекты». Журнал ингибирования ферментов и медицинской химии . 17 (4): 207–18. doi : 10.1080/14756360210000010923 . PMID 12530473.
^ Sollai F, Zucca P, Sanjust E, Steri D, Rescigno A (декабрь 2008 г.). «Умбеллиферон и эскулетин: ингибиторы или субстраты для полифенолоксидаз?». Biological & Pharmaceutical Bulletin . 31 (12): 2187–93. doi : 10.1248/bpb.31.2187 . hdl : 11584/105440 . PMID 19043197.
^ Rescigno A, Casañola-Martin GM, Sanjust E, Zucca P, Marrero-Ponce Y (март 2011 г.). «Производные ваниллоидов как ингибиторы тирозиназы, управляемые моделями QSAR на основе виртуального скрининга». Тестирование и анализ лекарств . 3 (3): 176–81. doi :10.1002/dta.187. PMID 21125547.
^ Qian, W., Liu, W., Zhu, D., Cao, Y., Tang, A., Gong, G., Su, H. «Натуральные отбеливающие кожу соединения для лечения меланогенеза (обзор)». Experimental and Therapeutic Medicine 20.1 (2020): 173-185.
^ Lajis AFB и Ariff AB: Открытие новых депигментирующих соединений и их эффективность в лечении гиперпигментации: данные исследования in vitro. J Cosmet Dermatol. 18:703–727. 2019.
^ Хорш Дж., Вилке П., Прецлер М., Сьюз М., Мельник И., Реммлер Д. и др. (ноябрь 2018 г.). «Полимеризация, как у мидий: к синтетическим белкам ног мидий и стойким клеям». Angewandte Chemie . 57 (48): 15728–15732. doi :10.1002/anie.201809587. PMC 6282983. PMID 30246912 .
^ Ариас С., Амини С., Хорш Дж., Претцлер М., Ромпель А., Мельник И. и др. (октябрь 2020 г.). «К искусственным белкам клея мидий: дифференцирующие модули последовательностей для адгезии и переключаемой когезии». Angewandte Chemie . 59 (42): 18495–18499. doi :10.1002/anie.202008515. PMC 7590116. PMID 32596967 .
Внешние ссылки
Запись GeneReviews/NCBI/NIH/UW о глазокожный альбинизм типа 1