2-гидрокси-dATP-дифосфатаза ( EC 3.6.1.56, также известная как окисленная пуриновая нуклеозидтрифосфатаза, или (2'-дезокси)рибонуклеозид 5'-трифосфатпирофосфогидролаза, или Nudix гидролаза 1 (NUDT1), или MutT гомолог 1 (MTH1), или 7,8-дигидро-8-оксогуанинтрифосфатаза) — это фермент , который у людей кодируется геном NUDT1 . [ 1] [2] [3] Во время репарации ДНК фермент гидролизует окисленные пурины и предотвращает их добавление в цепь ДНК. Таким образом, он играет важную роль в старении и развитии рака.
2-гидрокси-dATP + H 2 O 2-гидрокси-dAMP + дифосфат
Фермент гидролизует окисленные пуриновые нуклеозидтрифосфаты . Фермент используется в репарации ДНК, где он гидролизует окисленные пурины и предотвращает их добавление в цепь ДНК. [4]
Неправильное включение окисленных нуклеозидтрифосфатов в ДНК и/или РНК во время репликации и транскрипции может вызвать мутации, которые могут привести к канцерогенезу или нейродегенерации . Впервые выделенный из Escherichia coli из-за его способности предотвращать появление 8-оксогуанина в ДНК [5] , белок, кодируемый этим геном, является ферментом, который гидролизует окисленные пуриновые нуклеозидтрифосфаты, такие как 8-оксо-dGTP, 8-оксо-dATP, 2-оксо-dATP, 2-гидрокси-dATP и 2-гидрокси rATP, до монофосфатов, тем самым предотвращая неправильное включение.
Пример гидролиза окисленного нуклеотида, катализируемого MTH1
Ферменты MutT в нечеловеческих организмах часто имеют субстратную специфичность для определенных типов окисленных нуклеотидов, таких как E. coli , которая специфична для 8-оксогуаниновых нуклеотидов. Однако человеческий MTH1 имеет субстратную специфичность для гораздо более широкого спектра окислительно поврежденных нуклеотидов. Механизм широкой специфичности hMTH1 для этих окисленных нуклеотидов вытекает из их распознавания в субстрат-связывающем кармане фермента из-за обмена протонированным состоянием между двумя близлежащими остатками аспартата. [6]
Примеры обмена протонированным состоянием между остатками MTH1 Asp-119 и Asp-120, что позволяет ферменту распознавать окисленные нуклеотиды. [6]
Закодированный белок локализуется в основном в цитоплазме , а также в некоторых митохондриях , что позволяет предположить, что он участвует в санации пулов нуклеотидов как для ядерного, так и для митохондриального генома. В растениях MTH1 также повышает устойчивость к окислительному стрессу, вызванному теплом и паракватом , что приводит к меньшему количеству мертвых клеток и меньшему накоплению перекиси водорода . [7]
Было идентифицировано несколько альтернативно сплайсированных вариантов транскриптов, некоторые из которых кодируют различные изоформы . Были обнаружены дополнительные варианты, но их полноразмерная природа не была определена. Был описан однонуклеотидный полиморфизм , который приводит к образованию дополнительной, более длинной изоформы. [3]
Исследовать
Старение
Была изучена модель мыши, которая сверхэкспрессирует hMTH1-Tg (NUDT1). [8] Мыши hMTH1-Tg экспрессируют высокие уровни гидролазы hMTH1 , которая расщепляет 8-oxodGTP и 8-oxoGTP и, следовательно, исключает 8-оксогуанин из ДНК и РНК . Уровни устойчивого состояния 8-оксогуанина в ДНК нескольких органов, включая мозг, значительно снижены у мышей со сверхэкспрессией hMTH1-Tg. Напротив, мыши с нулевым MTH1 демонстрируют значительно более высокий уровень накопления 8-oxo-dGTP, чем у мышей дикого типа. [9] Сверхэкспрессия hMTH1 предотвращает возрастное накопление 8-оксогуанина ДНК, которое происходит у мышей дикого типа. Более низкие уровни окисленных гуанинов связаны с большей продолжительностью жизни . Животные hMTH1-Tg имеют значительно более длительную продолжительность жизни, чем их однопометники дикого типа. Эти результаты подтверждают связь между старением и окислительным повреждением ДНК [8] (см. теорию повреждения ДНК при старении ).
Рак
Исследования показали, что этот фермент играет роль как в предотвращении образования раковых клеток, так и в пролиферации раковых клеток. Это делает его предметом интереса в исследованиях рака , как в качестве потенциального метода для здоровых клеток предотвращать рак, так и слабого места для воздействия в существующих раковых клетках.
Устранение гена MTH1 у мышей приводит к тому, что у мышей в три раза чаще развиваются опухоли по сравнению с контрольной группой . [10] Хорошо изученная способность фермента дезинфицировать пул нуклеотидов клетки предотвращает развитие мутаций, в том числе раковых. В частности, другое исследование показало, что ингибирование MTH1 в раковых клетках приводит к включению 8-оксо-dGTP и других окислительно поврежденных нуклеотидов в ДНК клетки, что повреждает ее и вызывает гибель клетки. [11] Однако было показано, что раковые клетки также получают пользу от использования MTH1. Клетки злокачественных опухолей груди демонстрируют экстремальную экспрессию MTH1 по сравнению с другими клетками человека. [12] Поскольку раковая клетка делится гораздо быстрее, чем нормальная человеческая клетка, она гораздо больше нуждается в ферменте, подобном MTH1, который предотвращает фатальные мутации во время репликации. Это свойство раковых клеток может позволить контролировать эффективность лечения рака путем измерения экспрессии MTH1. В настоящее время ведется разработка подходящих зондов для этой цели. [13] [14]
Существуют разногласия относительно функциональности MTH1 относительно предотвращения повреждения ДНК и рака. Последующие исследования столкнулись с трудностями при воспроизведении ранее описанных цитотоксических или антипролиферационных эффектов ингибирования MTH1 на раковые клетки, даже поставив под сомнение, действительно ли MTH1 служит для удаления окислительно поврежденных нуклеотидов из пула нуклеотидов клетки. [15] [16] Одно исследование недавно открытых ингибиторов MTH1 предполагает, что эти противораковые свойства, проявляемые старыми ингибиторами MTH1, могут быть обусловлены нецелевыми цитотоксическими эффектами. [17] После повторного рассмотрения эксперимента первоначальные авторы этого заявления обнаружили, что, хотя первоначальные ингибиторы MTH1, о которых идет речь, приводят к включению поврежденных нуклеотидов в ДНК, они демонстрируют, что другие, которые не вызывают токсичности, не вносят повреждение ДНК. [18] Исследования по этой теме продолжаются.
Как мишень для наркотиков
MTH1 является потенциальной лекарственной мишенью для лечения рака, однако имеются противоречивые результаты относительно цитотоксичности ингибиторов MTH1 по отношению к раковым клеткам. [19]
Каронудиб, ингибитор MTH1, в настоящее время проходит оценку безопасности и переносимости в ходе первой фазы клинических испытаний. [18] [20] [21]
Разработанный компанией AstraZeneca мощный и селективный ингибитор MTH1 AZ13792138 был предоставлен в качестве химического зонда академическим исследователям. [22] Однако компания AstraZeneca обнаружила, что ни AZ13792138, ни генетический нокдаун MTH1 не проявляют значительной цитотоксичности по отношению к раковым клеткам. [23] [24]
^ Ponnambalam S, Jackson AP, LeBeau MM, Pravtcheva D, Ruddle FH, Alibert C, Parham P (декабрь 1994 г.). «Хромосомное расположение и некоторые структурные особенности генов легкой цепи клатрина человека (CLTA и CLTB)». Genomics . 24 (3): 440–4. doi : 10.1006/geno.1994.1650 . PMID 7713494.
^ Sakumi K, Furuichi M, Tsuzuki T, Kakuma T, Kawabata S, Maki H, Sekiguchi M (ноябрь 1993 г.). «Клонирование и экспрессия кДНК для человеческого фермента, который гидролизует 8-оксо-dGTP, мутагенный субстрат для синтеза ДНК». Журнал биологической химии . 268 (31): 23524–30. doi : 10.1016/S0021-9258(19)49494-5 . PMID 8226881.
^ ab "Ген Entrez: мотив 1 типа NUDT1 nudix (нуклеозиддифосфатная связанная группа X)".
^ Rudling, Axel; Gustafsson, Robert; Almlöf, Ingrid; Homan, Evert; Scobie, Martin; Warpman Berglund, Ulrika; Helleday, Thomas; Stenmark, Pål; Carlsson, Jens (12.10.2017). «Открытие и оптимизация ингибиторов ферментов на основе фрагментов путем стыковки коммерческого химического пространства». Journal of Medicinal Chemistry . 60 (19): 8160–8169. doi :10.1021/acs.jmedchem.7b01006. ISSN 1520-4804. PMID 28929756.
^ Tchou J, Kasai H, Shibutani S, Chung MH, Laval J, Grollman AP, Nishimura S (июнь 1991 г.). "8-оксогуанин (8-гидроксигуанин) ДНК-гликозилаза и ее субстратная специфичность". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 88 (11): 4690–4. Bibcode : 1991PNAS...88.4690T. doi : 10.1073/pnas.88.11.4690 . PMC 51731. PMID 2052552 .
^ ab Waz S, Nakamura T, Hirata K, Koga-Ogawa Y, Chirifu M, Arimori T, Tamada T, Ikemizu S, Nakabeppu Y, Yamagata Y (февраль 2017 г.). «Структурные и кинетические исследования человеческой гидролазы MTH1 Nudix раскрывают механизм ее широкой субстратной специфичности». Журнал биологической химии . 292 (7): 2785–2794. doi : 10.1074/jbc.m116.749713 . PMC 5314174. PMID 28035004 .
^ Yoshimura K, Ogawa T, Tsujimura M, Ishikawa K, Shigeoka S (сентябрь 2014 г.). «Эктопическая экспрессия человеческой гидролазы Nudix типа MutT, hMTH1, обеспечивает повышенную толерантность к окислительному стрессу у арабидопсиса». Plant & Cell Physiology . 55 (9): 1534–43. doi : 10.1093/pcp/pcu083 . PMID 24928220.
^ ab Де Лука Г, Вентура I, Сангез В, Руссо М.Т., Аджмоне-Кэт М.А., Каччи Е, Мартире А, Пополи П., Фальконе Г., Мишелини Ф., Крещенци М., Деган П., Мингетти Л., Бигнами М., Каламандрей Г. ( август 2013 г.). «Увеличенная продолжительность жизни с улучшенным исследовательским поведением у мышей со сверхэкспрессией окисленной нуклеозидтрифосфатазы hMTH1». Стареющая клетка . 12 (4): 695–705. дои : 10.1111/acel.12094 . ПМИД 23648059.
^ Kajitani K, Yamaguchi H, Dan Y, Furuichi M, Kang D, Nakabeppu Y (февраль 2006 г.). «MTH1, окисленная пуриновая нуклеозидтрифосфатаза, подавляет накопление окислительного повреждения нуклеиновых кислот в микроглии гиппокампа во время эксайтотоксичности, вызванной каинатом». The Journal of Neuroscience . 26 (6): 1688–98. doi :10.1523/jneurosci.4948-05.2006. PMC 6793619 . PMID 16467516.
^ Цузуки Т, Эгашира А, Игараси Х, Ивакума Т, Накацуру Ю, Томинага Ю, Кавате Х, Накао К, Накамура К, Иде Ф, Кура С, Накабеппу Ю, Кацуки М, Исикава Т, Секигути М (сентябрь 2001 г.). «Спонтанный онкогенез у мышей с дефектом гена MTH1, кодирующего 8-оксо-дГТФазу». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (20): 11456–61. Бибкод : 2001PNAS...9811456T. дои : 10.1073/pnas.191086798 . ПМК 58751 . ПМИД 11572992.
^ Gad H, Koolmeister T, Jemth AS, Eshtad S, Jacques SA, Ström CE и др. (апрель 2014 г.). «Ингибирование MTH1 искореняет рак, предотвращая санацию пула dNTP». Nature . 508 (7495): 215–21. Bibcode :2014Natur.508..215G. doi :10.1038/nature13181. PMID 24695224. S2CID 4468358.
^ Coskun E, Jaruga P, Jemth AS, Loseva O, Scanlan LD, Tona A, Lowenthal MS, Helleday T, Dizdaroglu M (сентябрь 2015 г.). «Пристрастие к белку MTH1 приводит к интенсивной экспрессии в тканях рака молочной железы человека, как измерено с помощью тандемной масс-спектрометрии с жидкостной хроматографией и разбавлением изотопов». DNA Repair . 33 : 101–10. doi : 10.1016/j.dnarep.2015.05.008. PMID 26202347.
^ Ji D, Beharry AA, Ford JM, Kool ET (июль 2016 г.). «Химерный АТФ-связанный нуклеотид обеспечивает люминесцентную сигнализацию контроля повреждений MTH1, мишени рака». Журнал Американского химического общества . 138 (29): 9005–8. doi :10.1021/jacs.6b02895. PMC 5500214. PMID 27413803 .
^ Samaranayake GJ, Troccoli CI, Huynh MQ, Win A, Ji D, Kool ET, Rai P (июль 2017 г.). «На пути к лучшему пониманию MTH1 как терапевтической мишени при раке, вызванном RAS [аннотация]». Cancer Res . 77 (13): 5473. doi :10.1158/1538-7445.AM2017-5473.
^ Petrocchi A, Leo E, Reyna NJ, Hamilton MM, Shi X, Parker CA, Mseeh F, Bardenhagen JP, Leonard P, Cross JB, Huang S, Jiang Y, Cardozo M, Draetta G, Marszalek JR, Toniatti C, Jones P, Lewis RT (март 2016 г.). «Идентификация мощных и селективных ингибиторов MTH1». Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters . 26 (6): 1503–7. doi :10.1016/j.bmcl.2016.02.026. PMID 26898335.
^ Эллерманн М., Эхайм А., Рам Ф., Виклунд Дж., Гюнтер Дж., Андерссон М. и др. (Июль 2017 г.). «Новый класс мощных и клеточно активных ингибиторов делает MTH1 непригодным для лечения рака широкого спектра». ACS Chemical Biology . 12 (8): 1986–1992. doi : 10.1021/acschembio.7b00370 . PMID 28679043.
^ Kettle JG, Alwan H, Bista M, Breed J, Davies NL, Eckersley K, Fillery S, Foote KM, Goodwin L, Jones DR, Käck H, Lau A, Nissink JW, Read J, Scott JS, Taylor B, Walker G, Wissler L, Wylot M (март 2016 г.). «Мощные и селективные ингибиторы MTH1 исследуют его роль в выживании раковых клеток». Журнал медицинской химии . 59 (6): 2346–61. doi : 10.1021/acs.jmedchem.5b01760 . PMID 26878898.
^ ab Warpman Berglund U, Sanjiv K, Gad H, Kalderén C, Koolmeister T, Pham T и др. (декабрь 2016 г.). «Валидация и разработка ингибиторов MTH1 для лечения рака». Annals of Oncology . 27 (12): 2275–2283. doi : 10.1093/annonc/mdw429 . PMID 27827301.
^ Самаранайке ГДж, Хюн М, Рай П (2017). «MTH1 как химиотерапевтическая цель: слон в комнате». Рак . 9 (5): 47. doi : 10.3390/cancers9050047 . PMC 5447957. PMID 28481306 .
^ Томас А (21 сентября 2016 г.). «Команда Helleday представляет мощный ингибитор MTH1 «Каронудиб» и экспериментально исследует неактивные ингибиторы MTH1». Лаборатория Helleday . Получено 19 июля 2017 г.
^ "MTH1, Фаза I, Исследование ингибирования опухолей, первое на людях, первое в своем классе (MASTIFF)". ClinicalTrials.gov . Национальные институты здравоохранения США. 14 февраля 2017 г. Получено 19 июля 2017 г.
^ "AZ13792138". Open Innovation . AstraZeneca. 2016. Получено 19 июля 2017 .
^ Kettle JG, Alwan H, Bista M, Breed J, Davies NL, Eckersley K и др. (2016). «Мощные и селективные ингибиторы MTH1 исследуют его роль в выживании раковых клеток». Журнал медицинской химии . 59 (6): 2346–61. doi : 10.1021/acs.jmedchem.5b01760 . PMID 26878898.
^ Papeo G (2016). «MutT Homolog 1 (MTH1): The Silencing of a Target». Журнал медицинской химии . 59 (6): 2343–5. doi : 10.1021/acs.jmedchem.6b00283 . PMID 26924380.
Дальнейшее чтение
Furuichi M, Yoshida MC, Oda H, Tajiri T, Nakabeppu Y, Tsuzuki T, Sekiguchi M (декабрь 1994 г.). «Геномная структура и расположение на хромосоме человеческого гомолога mutT гена MTH1, кодирующего 8-оксо-dGTPase для предотвращения трансверсии A:T в C:G». Genomics . 24 (3): 485–90. doi :10.1006/geno.1994.1657. PMID 7713500.
Kang D, Nishida J, Iyama A, Nakabeppu Y, Furuichi M, Fujiwara T, Sekiguchi M, Takeshige K (июнь 1995 г.). «Внутриклеточная локализация 8-оксо-dGTPase в клетках человека, с особым акцентом на роль фермента в митохондриях». Журнал биологической химии . 270 (24): 14659–65. doi : 10.1074/jbc.270.24.14659 . PMID 7782328.
Oda H, Nakabeppu Y, Furuichi M, Sekiguchi M (июль 1997 г.). «Регуляция экспрессии гена MTH1 человека, кодирующего 8-оксо-dGTPase. Альтернативный сплайсинг продуктов транскрипции». Журнал биологической химии . 272 (28): 17843–50. doi : 10.1074/jbc.272.28.17843 . PMID 9211940.
Oda H, Taketomi A, Maruyama R, Itoh R, Nishioka K, Yakushiji H, Suzuki T, Sekiguchi M, Nakabeppu Y (ноябрь 1999 г.). «Мультиформы полипептидов MTH1 человека, полученные путем альтернативной инициации трансляции и полиморфизма одного нуклеотида». Nucleic Acids Research . 27 (22): 4335–43. doi :10.1093/nar/27.22.4335. PMC 148714 . PMID 10536140.
Sakai Y, Furuichi M, Takahashi M, Mishima M, Iwai S, Shirakawa M, Nakabeppu Y (март 2002 г.). «Молекулярная основа селективного распознавания 2-гидрокси-dATP и 8-оксо-dGTP человеческим MTH1». Журнал биологической химии . 277 (10): 8579–87. doi : 10.1074/jbc.M110566200 . PMID 11756418.
Fujikawa K, Yakushiji H, Nakabeppu Y, Suzuki T, Masuda M, Ohshima H, Kasai H (февраль 2002 г.). "8-Chloro-dGTP, нуклеотид, модифицированный хлорноватистой кислотой, гидролизуется hMTH1, гомологом человеческого MutT". FEBS Letters . 512 (1–3): 149–51. doi : 10.1016/S0014-5793(02)02240-8 . PMID 11852070.
Topp H, Armbrust S, Lengger C, Schöch G, Davies J, Stichler W, Manz F, Fusch C (июнь 2002 г.). «Почечная экскреция 8-оксо-7,8-дигидро-2(')-дезоксигуанозина: скорость деградации РНК и скорость метаболизма у людей». Архивы биохимии и биофизики . 402 (1): 31–7. doi :10.1016/S0003-9861(02)00034-6. PMID 12051680.
Такахаши М., Марабоф Ф., Сакаи Ю., Якусидзи Х., Мисима М., Сиракава М., Иваи С., Хаякава Х., Секигути М., Накабеппу Ю. (май 2002 г.). «Роль остатков триптофана в распознавании мутагенных окисленных нуклеотидов человеческим антимутаторным белком MTH1». Журнал молекулярной биологии . 319 (1): 129–39. дои : 10.1016/S0022-2836(02)00163-8. ПМИД 12051941.
Liu Z, Wang LE, Strom SS, Spitz MR, Babaian RJ, DiGiovanni J, Wei Q (март 2003 г.). «Повышенная экспрессия hMTH в периферических лимфоцитах и риск рака простаты: анализ случай-контроль». Молекулярный канцерогенез . 36 (3): 123–9. doi :10.1002/mc.10108. PMID 12619034. S2CID 26364277.
Ishibashi T, Hayakawa H, Sekiguchi M (май 2003 г.). «Новый механизм предотвращения мутаций, вызванных окислением гуаниновых нуклеотидов». EMBO Reports . 4 (5): 479–83. doi :10.1038/sj.embor.embor838. PMC 1319193. PMID 12717453 .
Kennedy CH, Pass HI, Mitchell JB (июнь 2003 г.). «Экспрессия человеческого белка-гомолога MutT (hMTH1) в первичных немелкоклеточных карциномах легких и гистологически нормальной окружающей ткани». Free Radical Biology & Medicine . 34 (11): 1447–57. doi :10.1016/S0891-5849(03)00176-X. PMID 12757855.
Ёсимура Д., Сакуми К., Оно М., Сакаи Ю., Фуруичи М., Иваи С., Накабеппу Ю. (сентябрь 2003 г.). «Окисленная пуриновая нуклеозидтрифосфатаза, MTH1, подавляет гибель клеток, вызванную окислительным стрессом». Журнал биологической химии . 278 (39): 37965–73. дои : 10.1074/jbc.M306201200 . ПМИД 12857738.
Bialkowski K, Kasprzak KS (сентябрь 2003 г.). "Ингибирование активности 8-оксо-2'-дезоксигуанозин 5'-трифосфат пирофосфогидролазы (8-оксо-dGTPase) антимутагенного человеческого белка MTH1 нуклеозидными 5'-дифосфатами". Free Radical Biology & Medicine . 35 (6): 595–602. doi :10.1016/S0891-5849(03)00362-9. PMID 12957652.
Камия Х., Якушиджи Х., Дюге Л., Танимото М., Поше С., Накабеппу И., Харашима Х. (февраль 2004 г.). «Исследование механизма распознавания субстрата человеческого белка MTH1 с помощью аналогов нуклеотидов». Журнал молекулярной биологии . 336 (4): 843–50. doi :10.1016/j.jmb.2003.12.060. PMID 15095864.
Лоу, Дерек (7 июля 2017 г.). «MTH1: от горячей темы к девалидации?». Science Translational Medicine . American Association for the Advancement of Science. Архивировано из оригинала 10 июля 2017 г. . Получено 19 июля 2017 г. .
Workman, Paul (10 июля 2017 г.). «Призыв к биоученым: выбирайте и используйте химические зонды очень осторожно». Институт исследований рака, Лондон . Институт исследований рака . Получено 19 июля 2017 г.
