stringtranslate.com

Глутаматдегидрогеназа 1

GLUD1 ( глутаматдегидрогеназа 1 ) — фермент митохондриального матрикса , один из семейства глутаматдегидрогеназ , которые повсеместно встречаются в жизни , с ключевой ролью в метаболизме азота и глутамата (Glu) и энергетическом гомеостазе . Эта дегидрогеназа экспрессируется на высоком уровне в печени , мозге , поджелудочной железе и почках , но не в мышцах . Считается, что в клетках поджелудочной железы GLUD1 участвует в механизмах секреции инсулина . В нервной ткани, где глутамат присутствует в концентрациях выше, чем в других тканях, GLUD1, по-видимому, функционирует как в синтезе , так и в катаболизме глутамата и, возможно, в детоксикации аммиака .

Структура

Ген

Структура экзона/интрона GLUD1 .
Цветовая схема следующая: Glu-BD , NAD(P)-BD , антенна , стержневая спираль.

Человеческий ген GLUD1 содержит 13 экзонов и расположен на 10-й хромосоме .

Есть доказательства того, что GLUD1 был ретропозирован в X-хромосому, где он дал начало безынтронному GLUD2 посредством случайных мутаций и естественного отбора. GLUD2 адаптировался к конкретным потребностям нервной системы, где он специфически экспрессируется. [5]

Белок

Структура домена GLUD1
Каждый домен окрашен по-разному - Glu-BD , NAD(P)-BD , антенна , стержневая спираль . Аллостерические регуляторы показаны в виде сферических моделей. Эта конкретная структура GLUD1 представляет собой комбинацию двух рентгеновских структур - одной со связанным GTP (1HWZ) и второй со связанным ADP (1NQT,8AR8). Хотя эта структура не настоящая, она показывает относительное положение аллостерических эффекторов при связывании с GLUD1. Также показаны NADPH и Glu.

GLUD1 — это гексамер. Мономерная единица имеет:

  1. N-концевой Glu-BD (связывающий домен), состоящий в основном из β-нитей.
  2. НАД-БД — может связывать как НАД + , так и НАДФ + .
  3. 48-остатковый антенноподобный выступ, который простирается от вершины каждого NAD-BD. Антенна состоит из восходящей спирали и нисходящей случайной спиральной нити, которая содержит небольшую α-спираль по направлению к C-концу нити.

NAD-BD находится на вершине Glu-BD. NAD-BD и Glu-BD образуют каталитическую щель. Во время связывания субстрата NAD-BD значительно перемещается. Это движение имеет два компонента: вращение вдоль длинной оси спирали сзади NAD-BD, называемой «осевой спиралью», и скручивание вокруг антенны по часовой стрелке. Сравнение открытой и закрытой конформаций GLUD1 выявляет изменения в малой спирали нисходящей нити антенны, которая, по-видимому, отскакивает, когда каталитическая щель открывается. [6] Закрытие одной субъединицы связано с искажением малой спирали нисходящей нити, которая вдавливается в антенну соседней субъединицы. R496 расположен на этой малой спирали (см. Мутации).

Основная структура гексамера представляет собой сложенный димер тримеров. Glu-BD мономеров в основном отвечают за наращивание ядра. Относительное положение мономеров таково, что вращение вокруг спирали оси вращения в каждом мономере не ограничено. Антенны из трех субъединиц внутри тримеров оборачиваются друг вокруг друга и претерпевают конформационные изменения по мере открытия и закрытия каталитической щели. Антенна служит каналом межсубъединичной коммуникации во время отрицательной кооперативности и аллостерической регуляции.

Выравнивание GLUD1 из различных источников показывает, что антенна, вероятно, развилась в простейших до формирования пуриновых регуляторных участков . Это предполагает, что существует некоторое селективное преимущество самой антенны и что животные развили новые функции для GLUD1 посредством добавления аллостерической регуляции . [7]

GLUD1 может образовывать длинные волокна путем соединения гексамеров конец в конец. Полимеризация не связана с каталитической активностью, но, вероятно, играет важную роль, например, в образовании мультиферментных комплексов.

GLUD1 имеет два центра связывания кофермента: один в NAD-BD, который способен связывать эфир NAD+ или NADP + и напрямую участвует в каталитическом процессе, и второй, который имеет регуляторную функцию, лежащий непосредственно под спиралью оси, который может связывать АДФ, НАД + или НАДН, но плохо связывает НАДФН. [8]

Функция

GLUD1 катализирует окислительное дезаминирование Glu до 2-оксоглутарата и свободного NH 4 + с использованием NAD + или NADP + в качестве кофактора. Реакция происходит с переносом гидрид-иона от Cα Glu к NAD(P) + , тем самым образуя 2-иминоглутарат, который гидролизуется до 2-оксоглутарата и NH 4 + . Равновесие реакции при стандартных условиях значительно благоприятствует образованию Glu по сравнению с образованием NH 4 + (Go' ~ 30 кДж.моль-1). По этой причине считалось, что фермент играет важную роль в детоксикации аммиака, поскольку, поскольку высокие [NH 4 + ] токсичны, это положение равновесия будет физиологически важным; оно поможет поддерживать низкий [NH 4 + ]. Однако у людей с определенной формой гипераммониемии , возникающей в результате формы гиперинсулинизма , активность фермента увеличивается из-за снижения чувствительности к ГТФ, отрицательному регулятору. Уровень аммиака в крови этих людей значительно повышается, чего нельзя было бы ожидать, если бы фермент действительно работал в равновесии.

Взаимодействия

Обязательные партнеры

АДП

ADP связывается позади NAD-BD, прямо под поворотной спиралью - в специальном аллостерическом сайте ADP. Аденозиновый фрагмент связывается в гидрофобный карман, при этом рибозофосфатные группы направлены наружу к аллостерическому сайту GTP. [9]

НАДН также может связываться с сайтом АДФ при высоких концентрациях, что обычно приводит к ингибированию фермента. [10]

ГТП

Связывание GTP антагонизируется P i и ADP, но является синергичным с NADH, связанным в некаталитическом аллостерическом сайте. Большинство контактов между GTP и ферментом осуществляется через трифосфатную часть. Сайт связывания GTP считается «сенсором», который выключает фермент, когда клетка находится в состоянии высокой энергии. GTP связывается на стыке между NAD-BD и антенной. [8] [11]

В то время как большинство взаимодействий GLUD1-GTP осуществляются посредством β- и γ-фосфатных взаимодействий, существуют специфические взаимодействия с E346 и K343, которые благоприятствуют гуанозину по сравнению с аденозином.

В открытой конформации сайт связывания ГТФ искажается таким образом, что он больше не может связывать ГТФ. [6]

Регулирование

Когда GLUD1 сильно насыщен лигандами активного центра (субстратами), в активном центре образуется ингибирующий абортивный комплекс: NAD(P)H.Glu в реакции окислительного дезаминирования при высоком pH и NAD(P) + .2-оксоглутарат в реакции восстановительного аминирования при низком pH. GLUD1 принимает конфигурацию базального состояния в отсутствие аллостерических эффекторов, независимо от того, функциональны ли аллостерические центры. Аллостерические регуляторы GLUD1 - ADP, GTP, Leu, NAD + и NADH - оказывают свое действие, изменяя энергию, необходимую для открытия и закрытия каталитической щели во время ферментативного оборота, другими словами, дестабилизируя или стабилизируя, соответственно, абортивные комплексы. Активаторы не нужны для каталитической функции GLUD1, так как он активен в отсутствие этих соединений (базальное состояние). Было высказано предположение, что GLUD1 принимает в своем базальном состоянии конфигурацию (открытую каталитическую щель), которая допускает каталитическую активность независимо от того, являются ли аллостерические сайты функциональными. Регуляция GLUD имеет особое биологическое значение, что подтверждается наблюдениями, показывающими, что регуляторные мутации GLUD1 связаны с клиническими проявлениями у детей.

АДП

ADP, будучи одним из двух основных активаторов (NAD + является другим), действует путем дестабилизации абортивных комплексов и отмены отрицательной кооперативности. В отсутствие субстратов и при связанном ADP каталитическая щель находится в открытой конформации, а гексамеры GLUD1 образуют длинные полимеры в кристаллической ячейке с большим количеством взаимодействий, чем обнаружено в кристаллах абортивных комплексов (8AR8 [9] ). Это согласуется с тем фактом, что ADP способствует агрегации в растворе. Когда каталитическая щель открывается, R516 поворачивается вниз на фосфаты ADP. [8] Открытие каталитической щели примерно коррелирует с расстоянием между R516 и фосфатами ADP. Таким образом, ADP активирует GLUD1, способствуя открытию каталитической щели, что снижает сродство продукта и облегчает высвобождение продукта. [6] [12] таким образом позволяя GLUD1 примирить некаталитические абортивные комплексы. [11]

Ранее предполагалось, что ингибирование высоким [АДФ] обусловлено конкуренцией между АДФ и аденозиновым фрагментом кофермента в активном центре1. По крайней мере, известно, что эффект относительно не зависит ни от H507Y, ни от R516A.

АТФ

АТФ оказывает сложное, зависящее от концентрации воздействие на активность GLUD1:

ГТП

GTP ингибирует оборот фермента в широком диапазоне условий, увеличивая сродство GLUD1 к продукту реакции, что делает скорость высвобождения продукта ограниченной при любых условиях в присутствии GTP. GTP действует, сохраняя каталитическую щель в закрытой конформации, тем самым стабилизируя абортивные комплексы. Эффекты GTP на GLUD1 не локализуются исключительно в субъединице, с которой он связывается, и антенна играет важную роль в передаче этого ингибирования другим субъединицам.

Лея

Leu активирует GLUD1 независимо от АДФ, имея специальный аллостерический сайт в области интерфейса субъединиц 8AR7. [9] Усиленные ответы пациентов с HI/HA (см. синдром HI/HA) на стимуляцию Leu высвобождения INS3, которые являются результатом их нарушенной чувствительности к ингибированию GTP, подчеркивают физиологическую важность ингибирующего контроля GLUD1. [13]

НАД+

NAD(P)(H) может связываться со вторым сайтом на каждой субъединице. Этот сайт связывает NAD(H) ~ в 10 раз лучше, чем NADP(H), причем восстановленные формы лучше, чем окисленные. [10] Хотя было высказано предположение, что связывание восстановленного кофермента на этом сайте ингибирует реакцию, в то время как связывание окисленного кофермента вызывает активацию, эффект до сих пор неясен.

НАДН

НАДН — еще один важный аллостерический ингибитор GLUD1.

Фосфат

Фосфат и другие двухвалентные анионы стабилизируют GLUD1. Недавние структурные исследования показали, что молекулы фосфата связываются с сайтом GTP. [8]

Клиническое значение

Семейный гиперинсулинизм, связанный с мутациями в GLUD1, характеризуется гипогликемией, которая варьируется от тяжелой неонатальной, трудно поддающейся лечению болезни до детской болезни с легкими симптомами и трудно диагностируемой гипогликемией . Неонатальная болезнь проявляется в течение нескольких часов или двух дней после рождения. Детская болезнь проявляется в течение первых месяцев или лет жизни. В период новорожденности проявляющиеся симптомы могут быть неспецифическими, включая судороги, гипотонию, плохое питание и апноэ. В тяжелых случаях концентрация глюкозы в сыворотке крови, как правило, чрезвычайно низкая и, таким образом, легко распознается, тогда как в более легких случаях изменчивая и легкая гипогликемия может затруднить диагностику. Даже в пределах одной семьи проявления болезни могут варьироваться от легких до тяжелых. Лица с аутосомно-рецессивным семейным гиперинсулинизмом, вызванным мутациями либо в ABCC8 , либо в KCNJ11 (FHI-KATP), как правило, крупные для гестационного возраста и обычно проявляются тяжелой рефрактерной гипогликемией в первые 48 часов жизни; затронутые младенцы обычно лишь частично реагируют на диету или медикаментозное лечение (например, терапию диазоксидом) и, таким образом, могут потребовать резекции поджелудочной железы. Лица с аутосомно-доминантным FHI - KATP , как правило, соответствуют гестационному возрасту при рождении, проявляются примерно в возрасте одного года (диапазон: от 2 дней до 30 лет) и реагируют на диету и терапию диазоксидом. Были зарегистрированы исключения из обоих этих общих положений. FHI-GCK, вызванный мутациями в GCK , может быть намного мягче, чем FHI-KATP; однако у некоторых людей наблюдается тяжелая, не реагирующая на диазоксид гипогликемия. FHI-HADH, вызванный мутациями в HADH, как правило, относительно мягок, хотя были зарегистрированы и тяжелые случаи. Индивиды с FHI-HNF4A, вызванным мутациями в HNF4A, обычно рождаются крупными для гестационного возраста и имеют легкие признаки, которые реагируют на лечение диазоксидом . FHI-UCP2, вызванный мутациями в UCP2, является редкой причиной FH1, реагирующего на диазоксид. Гипераммониемия/гиперинсулинизм (HA/HI) связан с легкой или умеренной гипераммониемией и с относительно легкой, поздней гипогликемией; у большинства, но не у всех затронутых лиц есть мутации в GLUD1. [14]

Клиническая характеристика

FHI характеризуется гипогликемией, которая варьируется от тяжелой неонатальной, трудно поддающейся лечению болезни до детской болезни с легкими симптомами и трудно диагностируемой гипогликемией. Неонатальная болезнь проявляется в течение нескольких часов или двух дней после рождения. Детская болезнь проявляется в течение первых месяцев или лет жизни. [15] В период новорожденности проявляющиеся симптомы могут быть неспецифическими, включая судороги, гипотонию, плохое питание и апноэ. В тяжелых случаях концентрация глюкозы в сыворотке, как правило, чрезвычайно низкая и, таким образом, легко распознается, тогда как в более легких случаях изменчивая и легкая гипогликемия может затруднить диагностику. Даже в пределах одной семьи проявления болезни могут варьироваться от легких до тяжелых. [16]

Диагностика/тестирование

Примерно у 45% затронутых лиц есть мутации либо в ABCC8, который кодирует белок SUR1, либо в KCNJ11, который кодирует белок Kir6.2. В популяции евреев-ашкенази две мутации-основатели ABCC8 ответственны примерно за 97% FHI. Другие мутации-основатели ABCC8 присутствуют в популяции финнов (p. Val187Asp и p.Asp1506Lys). Мутации в GLUD1 и HNF4A каждая составляют примерно 5% лиц с FHI. [17] [18] Активирующие мутации в GCK или инактивирующие мутации в HADH встречаются менее чем у 1% лиц с FHI. Мутации в UCP2 на сегодняшний день были зарегистрированы только в двух семьях. Примерно у 40% лиц с FHI нет идентифицируемой мутации ни в одном из генов, которые, как известно, связаны с FHI.

Управление

При первоначальной диагностике гипогликемия корректируется внутривенным введением глюкозы для нормализации концентрации глюкозы в плазме и предотвращения повреждения мозга. [19] Долгосрочное медицинское лечение включает использование диазоксида, аналогов соматостатина, нифедипина, глюкагона, рекомбинантного IGF-I, глюкокортикоидов, гормона роста человека, диетического вмешательства или комбинации этих методов лечения. [20] У лиц, у которых агрессивное медицинское лечение не позволяет поддерживать концентрацию глюкозы в плазме в безопасных пределах или у которых такая терапия не может безопасно поддерживаться в течение длительного времени, рассматривается резекция поджелудочной железы. [21]

Ссылки

  1. ^ abc GRCh38: Ensembl выпуск 89: ENSG00000148672 – Ensembl , май 2017 г.
  2. ^ abc GRCm38: Ensembl выпуск 89: ENSMUSG00000021794 – 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. ^ Шашидхаран П., Михаэлидис Т.М., Робакис НК., Кресовали А., Папаматекаис Дж., Плайтакис А. (июнь 1994 г.). «Новая человеческая глутаматдегидрогеназа, экспрессируемая в нервных и тестикулярных тканях и кодируемая геном без интронов, сцепленным с Х-хромосомой». J. Biol. Chem . 269 (24): 16971–6. doi : 10.1016/S0021-9258(19)89484-X . PMID  8207021.
  6. ^ abc Smith TJ, Schmidt T, Fang J, Wu J, Siuzdak G , Stanley CA (май 2002 г.). «Структура апо человеческой глутаматдегидрогеназы, детали субъединичной связи и аллостерии». J. Mol. Biol . 318 (3): 765–77. doi :10.1016/S0022-2836(02)00161-4. PMID  12054821.
  7. ^ Баннерджи С., Шмидт Т., Фанг Дж., Стэнли КА., Смит Т.Дж. (апрель 2003 г.). «Структурные исследования активации АДФ глутаматдегидрогеназы млекопитающих и эволюция регуляции». Биохимия . 42 (12): 3446–56. doi :10.1021/bi0206917. PMID  12653548.
  8. ^ abcd Smith TJ, Peterson PE, Schmidt T, Fang J, Stanley CA (март 2001 г.). «Структуры комплексов глутаматдегидрогеназы быка объясняют механизм регуляции пуринов». J. Mol. Biol . 307 (2): 707–20. doi :10.1006/jmbi.2001.4499. PMID  11254391.
  9. ^ abc Алешин ВА, Буник ВИ, Брух ЕМ, Беллинзони М (2022). "Структурная основа связывания аллостерических активаторов лейцина и АДФ с глутаматдегидрогеназой млекопитающих". Int J Mol Sci . 23 (19): 11306. doi : 10.3390/ijms231911306 . PMC 9570180. PMID  36232607 . 
  10. ^ ab Буник В, Артюхов А, Алешин В, Мкртчян Г (2016). "Множественные формы глутаматдегидрогеназы у животных: структурные детерминанты и физиологические последствия". Биология . 5 (4): 53. doi : 10.3390/biology5040053 . PMC 5192433 . PMID  27983623. 
  11. ^ ab Peterson PE, Smith TJ (июль 1999). «Структура бычьей глутаматдегидрогеназы дает представление о механизме аллостерии». Structure . 7 (7): 769–82. doi : 10.1016/S0969-2126(99)80101-4 . PMID  10425679.
  12. ^ Джордж А., Белл Дж. Э. (декабрь 1980 г.). «Влияние аденозин-5'-дифосфата на дегидрогеназу глутамат быка: модификация диэтилпирокарбонатом». Биохимия . 19 (26): 6057–61. doi :10.1021/bi00567a017. PMID  7470450.
  13. ^ ab Fang, J; Hsu, BY; MacMullen, CM; Poncz, M; Smith, TJ; Stanley, CA (2002). «Экспрессия, очистка и характеристика аллостерических регуляторных мутаций GLUD1». Biochem. J . 363 (Pt 1): 81–7. doi :10.1042/0264-6021:3630081. PMC 1222454 . PMID  11903050. 
  14. ^ "Ген Энтреза: глутаматдегидрогеназа 1".
  15. ^ Won JG, Tseng HS, Yang AH, Tang KT, Jap TS, Lee CH, Lin HD, Burcus N, Pittenger G, Vinik A (ноябрь 2006 г.). «Клинические особенности и морфологическая характеристика 10 пациентов с синдромом неинсулиномной панкреатогенной гипогликемии (NIPHS)». Клиническая эндокринология . 65 (5): 566–78. doi :10.1111/j.1365-2265.2006.02629.x. PMID  17054456. S2CID  19076202.
  16. ^ Pinney SE, MacMullen C, Becker S, Lin YW, Hanna C, Thornton P, Ganguly A, Shyng SL, Stanley CA (август 2008 г.). «Клинические характеристики и биохимические механизмы врожденного гиперинсулинизма, связанные с мутациями доминирующих каналов KATP». Журнал клинических исследований . 118 (8): 2877–86. doi :10.1172/JCI35414. PMC 2441858. PMID  18596924 . 
  17. ^ Glaser B, Blech I, Krakinovsky Y, Ekstein J, Gillis D, Mazor-Aronovitch K, Landau H, Abeliovich D (октябрь 2011 г.). «Частота аллеля мутации ABCC8 в популяции евреев-ашкенази и риск очаговой гиперинсулинемической гипогликемии». Genetics in Medicine . 13 (10): 891–4. doi :10.1097/GIM.0b013e31821fea33. PMID  21716120. S2CID  11352891.
  18. ^ Хёйлунд К., Хансен Т., Лайер М., Хенриксен Дж. Э., Левин К., Линдхольм Дж., Педерсен О., Бек-Нильсен Х. (июнь 2004 г.). «Новый синдром аутосомно-доминантной гиперинсулинемической гипогликемии, связанный с мутацией гена инсулинового рецептора человека». Диабет . 53 (6): 1592–8. дои : 10.2337/диабет.53.6.1592 . ПМИД  15161766.
  19. ^ Мазор-Аронович К, Ландау Х, Джиллис Д (март 2009). «Хирургическое и нехирургическое лечение врожденного гиперинсулинизма». Pediatric Endocrinology Reviews . 6 (3): 424–30. PMID  19396028.
  20. ^ Мазор-Аронович К., Гиллис Д., Лобель Д., Хирш Х.Дж., Пинхас-Хамиэль О., Модан-Мозес Д., Глейзер Б., Ландау Х. (октябрь 2007 г.). «Долгосрочные результаты развития нервной системы при консервативном лечении врожденного гиперинсулинизма». Европейский журнал эндокринологии . 157 (4): 491–7. doi : 10.1530/EJE-07-0445 . ПМИД  17893264.
  21. ^ Stanley CA, Thornton PS, Ganguly A, MacMullen C, Underwood P, Bhatia P, Steinkrauss L, Wanner L, Kaye R, Ruchelli E, Suchi M, Adzick NS (январь 2004 г.). «Предоперационная оценка младенцев с очаговым или диффузным врожденным гиперинсулинизмом с помощью внутривенных острых тестов на инсулиновый ответ и селективной стимуляции панкреатического артериального кальция». Журнал клинической эндокринологии и метаболизма . 89 (1): 288–96. doi : 10.1210/jc.2003-030965 . PMID  14715863.

Внешние ссылки

В данной статье использован текст из Национальной медицинской библиотеки США , являющийся общественным достоянием .