Семейство белков флавинсодержащих монооксигеназ ( FMO ) специализируется на окислении ксеносубстратов с целью облегчения выведения этих соединений из живых организмов. [1] Эти ферменты могут окислять широкий спектр гетероатомов , особенно мягких нуклеофилов , таких как амины , сульфиды и фосфиты . Для этой реакции требуется кислород, кофактор NADPH и простетическая группа FAD . [2] [3] [4] FMO имеют несколько общих структурных особенностей, таких как домен связывания NADPH , домен связывания FAD и консервативный остаток аргинина, присутствующий в активном центре. В последнее время ферменты FMO привлекли большое внимание фармацевтической промышленности как в качестве лекарственной мишени для различных заболеваний, так и в качестве средства для метаболизма пролекарственных соединений в активные фармацевтические препараты. [5] Эти монооксигеназы часто неправильно классифицируются, поскольку они имеют профили активности, схожие с профилями цитохрома P450 (CYP450), который является основным участником окислительного метаболизма ксенобиотиков . Однако ключевое различие между этими двумя ферментами заключается в том, как они продолжают окислять свои соответствующие субстраты; ферменты CYP используют простетическую группу оксигенированного гема , в то время как семейство FMO использует FAD для окисления своих субстратов.
До 1960-х годов считалось, что окисление ксенотоксичных материалов полностью осуществляется CYP450 . Однако в начале 1970-х годов доктор Дэниел Циглер из Техасского университета в Остине обнаружил печеночный флавопротеин, выделенный из печени свиньи, который, как было обнаружено, окисляет широкий спектр различных аминов до их соответствующего нитросостояния . Этот флавопротеин, названный «ферментом Циглера», проявлял необычные химические и спектрометрические свойства. После дальнейшей спектроскопической характеристики и исследования пула субстратов этого фермента доктор Циглер обнаружил, что этот фермент связывает исключительно молекулу FAD, которая может образовывать промежуточное соединение C4a-гидроксипероксифлавин, и что этот фермент может окислять широкий спектр субстратов без общих структурных особенностей, включая фосфины , сульфиды , соединения селена и другие. Как только это было замечено, фермент доктора Циглера был переклассифицирован как широкополосная флавиновая монооксигеназа . [6]
В 1984 году первые доказательства существования множественных форм FMO были получены двумя разными лабораториями, когда из легких кролика были выделены два различных FMO. С тех пор более 150 различных ферментов FMO были успешно выделены из самых разных организмов. [7] До 2002 года только 5 ферментов FMO были успешно выделены из млекопитающих. Однако группа исследователей обнаружила шестой ген FMO, расположенный на человеческой хромосоме 1. [ 8] В дополнение к шестому FMO, открытому в 2002 году, лаборатории доктора Яна Филипса и Элизабет Шеппард обнаружили второй кластер генов у людей, который состоит из 5 дополнительных псевдогенов для FMO на человеческой хромосоме 1. [9]
Семейство генов FMO сохраняется во всех изученных до сих пор типах , поэтому некоторые формы семейства генов FMO можно найти у всех изученных эукариот . Гены FMO характеризуются определенными структурными и функциональными ограничениями, которые привели к эволюции различных типов FMO для выполнения различных функций. Расхождение между функциональными типами FMO (FMO 1–5) произошло до того, как амфибии и млекопитающие разделились на отдельные классы . FMO5, обнаруженный у позвоночных , по-видимому, эволюционно старше других типов FMO, что делает FMO5 первым функционально отличным членом семейства FMO. Филогенетические исследования показывают, что FMO1 и FMO3 являются самыми последними FMO, которые эволюционировали в ферменты с различными функциями. Хотя FMO5 был первым отдельным FMO, неясно, какую функцию он выполняет, поскольку он не насыщает кислородом типичные субстраты FMO, участвующие в метаболизме первого прохода .
Анализ генов FMO у нескольких видов показал обширные молчаливые мутации ДНК, которые указывают на то, что текущее семейство генов FMO существует из-за селективного давления на уровне белка , а не нуклеотидного уровня. Обнаружено, что FMO, обнаруженные у беспозвоночных, возникли полифилетически ; это означает, что фенотипически похожий ген развился у беспозвоночных, который не был унаследован от общего предка. [10]
FMO являются одним из подсемейств внешних флавопротеиновых монооксигеназ класса B (EC 1.14.13), которые относятся к семейству монооксигеназных оксидоредуктаз , наряду с другими подсемействами монооксигеназ Байера-Виллигера и микробных N-гидроксилирующих монооксигеназ. [11] FMO обнаружены в грибах, дрожжах, растениях, млекопитающих и бактериях. [11] [12]
Экспрессия , специфичная для развития и тканей, изучалась у нескольких видов млекопитающих, включая людей, мышей, крыс и кроликов. [13] Однако, поскольку экспрессия FMO уникальна для каждого вида животных, трудно делать выводы о регуляции и активности FMO у человека на основе других исследований млекопитающих. [14] Вероятно, что экспрессия FMO, специфичная для вида, вносит вклад в различия в восприимчивости к токсинам и ксенобиотикам , а также в эффективность выделения среди разных млекопитающих. [13]
Было сообщено о шести функциональных формах человеческих генов FMO. Однако FMO6 считается псевдогеном . [ 15] FMO 1–5 разделяют между собой 50–58% аминокислотной идентичности у разных видов. [16] Недавно было обнаружено еще пять человеческих генов FMO, хотя они попадают в категорию псевдогенов. [17]
В отличие от млекопитающих, дрожжи ( Saccharomyces cerevisiae ) не имеют нескольких изоформ FMO, а вместо этого имеют только одну, называемую yFMO. Этот фермент не принимает ксенобиотические соединения. Вместо этого yFMO помогает сворачивать белки, содержащие дисульфидные связи , катализируя O 2 и НАДФН-зависимые окисления биологических тиолов , как и млекопитающие FMO. [18] [19] Примером является окисление глутатиона до дисульфида глутатиона , оба из которых образуют окислительно-восстановительную буферную систему в клетке между эндоплазматическим ретикулумом и цитоплазмой . yFMO локализуется в цитоплазме для поддержания оптимального соотношения окислительно-восстановительного буфера, необходимого для правильного сворачивания белков, содержащих дисульфидные связи. [18] Эта нексенобиотическая роль yFMO может представлять собой изначальную роль FMO до появления современного семейства ферментов FMO, обнаруженных у млекопитающих. [19]
Растительные FMO играют роль в защите от патогенов и катализируют определенные этапы биосинтеза ауксина , растительного гормона . Растительные FMO также играют роль в метаболизме глюкозинолатов . Эти нексенобиотические роли растительных FMO предполагают, что другие функции FMO могут быть идентифицированы в нерастительных организмах. [ 20]
Кристаллические структуры были определены для дрожжевого ( Schizosaccharomyces pombe ) FMO (PDB: 1VQW) и бактериального ( Methylophaga aminisulfidivorans ) FMO (PDB: 2XVH). [1] [21] Кристаллические структуры похожи друг на друга и имеют 27% идентичности последовательностей. [22] Эти ферменты имеют 22% и 31% идентичности последовательностей с человеческими FMO, соответственно. [1] [22]
FMO имеют прочно связанную простетическую группу FAD и связывающий кофактор NADPH . [11] Оба мотива связывания динуклеотида образуют складки Россмана . FMO дрожжей и FMO бактерий являются димерами , причем каждый мономер состоит из двух структурных доменов : меньшего домена связывания NADPH и большего домена связывания FAD. Два домена соединены двойным линкером. Канал между двумя доменами ведет к активному сайту, где NADPH связывает оба домена и занимает щель, которая блокирует доступ к флавиновой группе FAD , которая связана с большим доменом вдоль канала вместе с молекулой воды. [1] [22] Никотинамидная группа NADPH взаимодействует с флавиновой группой FAD, а сайт связывания NADPH перекрывается сайтом связывания субстрата на флавиновой группе. [1]
FMO содержат несколько мотивов последовательностей , которые сохраняются во всех доменах : [12] [20] [21]
Мотив идентификации FMO взаимодействует с флавином FAD. [1] Мотив F/LATGY является мотивом последовательности, распространенным в N -гидроксилирующих ферментах. [20] Остаток аргинина взаимодействует с фосфатной группой NADPH. [21]
Общая функция этих ферментов заключается в метаболизме ксенобиотиков . [16] Следовательно, они считаются катализаторами детоксикации ксенобиотиков . Эти белки катализируют оксигенацию соединений, содержащих множественные гетероатомы , которые присутствуют в нашем рационе, таких как амин , сульфид , фосфор и другие нуклеофильные гетероатомсодержащие соединения. FMO были вовлечены в метаболизм ряда фармацевтических препаратов, пестицидов и токсичных веществ, преобразуя липофильные ксенобиотики в полярные , оксигенированные и легко выводимые метаболиты. [14]
Субстраты FMO являются структурно разнообразными соединениями. Однако все они имеют схожие характеристики:
Цвиттерионы , анионы и дикатионы считаются неблагоприятными субстратами. Есть несколько препаратов, которые, как сообщается, являются типичными субстратами для FMO.
Большинство препаратов действуют как альтернативные субстратные конкурентные ингибиторы FMO (т. е. хорошие нуклеофилы, которые конкурируют с препаратом за оксигенацию FMO ), поскольку они, скорее всего, не будут служить субстратами FMO. [14] Было описано лишь несколько настоящих конкурентных ингибиторов FMO. К ним относятся индол-3-карбинол и N , N -диметиламиностильбенкарбоксилаты. [23] [24] Хорошо известным ингибитором FMO является метимазол (MMI).
Каталитический цикл FMO протекает следующим образом:
Экспрессия каждого типа FMO зависит от нескольких факторов, включая поставку кофактора , физиологические и экологические факторы, а также диету . Из-за этих факторов каждый тип FMO экспрессируется по-разному в зависимости от вида и ткани. [30] У людей экспрессия FMO в основном сосредоточена в печени, легких и почках человека, где происходит большая часть метаболизма ксенобиотиков . Однако FMO также можно обнаружить в мозге и тонком кишечнике человека. В то время как FMO1-5 можно обнаружить в мозге, печени, почках, легких и тонком кишечнике, распределение каждого типа FMO отличается в зависимости от ткани и стадии развития человека. [14]
У взрослого человека FMO1 преимущественно экспрессируется в почках и в меньшей степени в легких и тонком кишечнике . FMO2 является наиболее распространенным из FMO и в основном экспрессируется в легких и почках, с более низкой экспрессией в печени и тонком кишечнике. FMO3 высоко сконцентрирован в печени, но также экспрессируется в легких. FMO4 экспрессируется в основном в печени и почках. FMO5 высоко экспрессируется в печени, но также имеет существенную экспрессию в легких и тонком кишечнике. Хотя FMO2 является наиболее экспрессируемым FMO в мозге , он составляет всего около 1% от обнаруженного в легких, что делает экспрессию FMO в мозге довольно низкой. [14]
Распределение FMO в различных типах тканей меняется по мере того, как человек продолжает развиваться, делая распределение FMO у плода совершенно иным, чем распределение FMO у взрослого. В то время как печень взрослого человека доминирует за счет экспрессии FMO3 и FMO5, печень плода доминирует за счет экспрессии FMO1 и FMO5. Другое различие заключается в мозге, где взрослые в основном экспрессируют FMO2, а плоды в основном экспрессируют FMO1. [14]
Метаболизм лекарств является одним из важнейших факторов, которые следует учитывать при разработке новых лекарств для терапевтического применения. Скорость распада этих новых лекарств в системе организма определяет продолжительность и интенсивность их фармакологического действия . За последние несколько лет FMO привлекли большое внимание при разработке лекарств, поскольку эти ферменты нелегко индуцируются или ингибируются химическими веществами или лекарствами, окружающими их среду. [14] CYP являются основными ферментами, участвующими в метаболизме лекарств. Однако недавние усилия были направлены на разработку кандидатов на лекарства, которые включают функциональные группы , которые могут метаболизироваться FMO. Благодаря этому количество потенциальных неблагоприятных взаимодействий лекарств сводится к минимуму, а зависимость от метаболизма CYP450 уменьшается. Было разработано несколько подходов для скрининга потенциальных взаимодействий лекарств. Один из них включает человеческий FMO3 (hFMO3), который описывается как наиболее важный FMO в отношении взаимодействия лекарств. Для успешного скрининга hFMO3 с высокой пропускной способностью hFMO3 был успешно зафиксирован на чипах оксида графена с целью измерения изменения электрического потенциала, возникающего в результате окисления препарата при его взаимодействии с ферментом . [31]
Существуют доказательства того, что FMO связаны с регуляцией артериального давления . FMO3 участвует в образовании N-оксидов TMA (TMAO). Некоторые исследования показывают, что гипертония может развиваться, когда нет органических осмолитов (т. е. TMAO), которые могут противодействовать повышению осмотического давления и периферического сопротивления . [32] У людей с недостаточной активностью FMO3 наблюдается более высокая распространенность гипертонии и других сердечно-сосудистых заболеваний , поскольку наблюдается снижение образования N-оксидов TMA для уравновешивания эффектов более высокого осмотического давления и периферического сопротивления. [33]
Расстройство триметиламинурии , также известное как синдром запаха рыбы, вызывает аномальный метаболизм, опосредованный FMO3, или дефицит этого фермента у человека. Человек с этим расстройством имеет низкую способность окислять триметиламин ( ТМА), который поступает с пищей, до его не имеющего запаха метаболита ТМАО. [34] Когда это происходит, большие количества ТМА выделяются через мочу, пот и дыхание человека с сильным запахом, похожим на запах рыбы. На сегодняшний день не существует известного лекарства или лечения этого расстройства. Однако врачи рекомендуют пациентам избегать продуктов, содержащих холин , карнитин , азот , серу и лецитин .
FMO также связаны с другими заболеваниями, такими как рак и диабет . [35] [36] Тем не менее, необходимы дополнительные исследования для выяснения взаимосвязи между функцией FMO и этими заболеваниями, а также для определения клинической значимости этих ферментов.