stringtranslate.com

Инозин-5′-монофосфатдегидрогеназа

Инозин-5′-монофосфатдегидрогеназа (ИМПДГ) — это фермент биосинтеза пуринов , который катализирует зависимое от никотинамидадениндинуклеотида (НАД + ) окисление инозинмонофосфата (ИМФ) до ксантозинмонофосфата (КМФ), первый обязательный и ограничивающий скорость шаг на пути к биосинтезу гуаниновых нуклеотидов из ИМФ de novo . [2] [3] ИМПДГ является регулятором внутриклеточного пула гуаниновых нуклеотидов и, следовательно, важен для синтеза ДНК и РНК, передачи сигнала , передачи энергии, синтеза гликопротеинов , а также других процессов, которые участвуют в клеточной пролиферации.

Структура и функции

Каноническая мономерная форма IMPDH имеет молекулярную массу приблизительно 55 кДа [4] и обычно состоит из 400-500 остатков. [5] IMPDH были описаны как тетрамерные , [6] [7] [8] хотя дальнейшие данные подтвердили существование октамерных форм. [9]

Визуальное представление активного центра со связанными ИМФ (зеленый) и НАД (фиолетовый). [10] Показаны ключевые остатки (белый) белка и каталитический цистеин (голубой). Пунктирные линии представляют полярные контакты.

Большинство мономеров IMPDH содержат два домена: каталитический (β/α) 8- бочкообразный домен с активным центром, расположенным в петлях на С-конце ствола, и субдомен, называемый доменом Бейтмана, состоящий из двух повторяющихся доменов цистатионин-бета-синтетазы (CBS) , которые вставлены в последовательность дегидрогеназы. [5] [11] Было показано, что одновалентные катионы активируют большинство ферментов IMPDH и могут служить для стабилизации конформации петли активного центра. [12]

Домен Бейтмана не требуется для каталитической активности. Мутации в пределах домена Бейтмана или полная делеция домена не ухудшают каталитическую активность in vitro некоторых IMPDH. [13] [14] [15] [16] Другие примеры делеции домена Бейтмана в IMPDH показали повышенную каталитическую активность in vitro по сравнению с соответствующим аналогом дикого типа. [17] Делеция домена Бейтмана in vivo в E. coli предполагает, что домен может действовать как отрицательный трансрегулятор синтеза адениннуклеотидов . [18] [19] Также было показано, что IMPDH связывает нуклеиновые кислоты, [20] [21] и эта функция может быть нарушена мутациями, которые расположены в домене Бейтмана. [22] Домен Бейтмана также был вовлечен в опосредование ассоциации IMPDH с полирибосомами, [23] что предполагает потенциальную роль IMPDH в качестве трансляционного регуляторного белка. В Staphylococcus aureus IMPDH был идентифицирован как белок, связывающий плазминоген. [24] Было показано, что IMPDH Drosophila действует как специфичный для последовательности транскрипционный репрессор, который может снижать экспрессию генов гистонов и E2F . [25] IMPDH локализуется в ядре в конце фазы S , а ядерное накопление в основном ограничивается фазой G2 . Кроме того, было показано, что метаболический стресс вызывает ядерную локализацию IMPDH. [25]

Механизм

Общий механизм, используемый ферментом IMPDH для преобразования IMP в XMP. Показана только пуриновая часть каждой молекулы.

Общая реакция, катализируемая IMPDH, выглядит следующим образом: [26]

инозин 5'-фосфат + НАД + + H 2 O ксантозин 5'-фосфат + НАДН + H +

Механизм IMPDH включает последовательность двух различных химических реакций: (1) быстрая окислительно-восстановительная реакция, включающая перенос гидрида на NAD + , который генерирует NADH и связанный с ферментом промежуточный продукт XMP (E-XMP*), и (2) этап гидролиза, который высвобождает XMP из фермента. IMP связывается с активным сайтом, и консервативный остаток цистеина атакует 2-е положение пуринового кольца. Затем ион гидрида переносится из положения C2 на NAD + , и образуется промежуточный продукт E-XMP*. NADH диссоциирует от фермента, и подвижный элемент лоскута активного сайта перемещает консервативную каталитическую диаду аргинина и треонина в недавно освободившийся сайт связывания NAD. Считается, что остаток аргинина действует как общее основание, которое активирует молекулу воды для реакции гидролиза. [5] В качестве альтернативы, моделирование молекулярной механики предполагает, что в условиях, когда остаток аргинина протонирован, остаток треонина также способен активировать воду, принимая протон из воды и одновременно перенося свой собственный протон на соседний остаток. [27]

У людей

У людей экспрессируются два различных изофермента IMPDH, кодируемых двумя различными генами: IMPDH1 и IMPDH2 .

Оба изофермента содержат 514 остатков, имеют 84% сходства в пептидной последовательности и имеют схожие кинетические свойства. [28] Оба изофермента конститутивно экспрессируются в большинстве тканей, но IMPDH1 преимущественно экспрессируется в селезенке, сетчатке и лейкоцитах периферической крови. [5] IMPDH1 , как правило, экспрессируется конститутивно на низких уровнях, а IMPDH2 , как правило, активируется в пролиферирующих клетках и неопластических тканях. [29] [30] [31] Гомозиготные мыши с нокаутом IMPDH1 демонстрируют легкую ретинопатию, при которой медленная, прогрессирующая форма дегенерации сетчатки постепенно ослабляет зрительную трансдукцию, [32] в то время как гомозиготные мыши с нокаутом IMPDH2 демонстрируют эмбриональную летальность. [33]

Клиническое значение

Синтез гуаниновых нуклеотидов необходим для поддержания нормальной функции и роста клеток, а также важен для поддержания пролиферации клеток и иммунных реакций. Экспрессия IMPDH, как обнаружено, повышена в некоторых опухолевых тканях и клеточных линиях. [30] В- и Т -лимфоциты проявляют зависимость от IMPDH для нормальной активации и функционирования, [34] [35] и демонстрируют повышенную экспрессию IMPDH. [31] Поэтому IMPDH рассматривался как лекарственная мишень для иммуносупрессивной и противораковой химиотерапии .

Микофенолат — иммунодепрессант, который используется для предотвращения отторжения трансплантата и действует путем ингибирования IMPDH.

Мутации в домене Бейтмана IMPDH1 связаны с формой RP10 аутосомно- доминантного пигментного ретинита и врожденным амаврозом Лебера . [22]

Исследовать

Было показано, что ингибиторы IMPDH предотвращают репликацию SARS-CoV-2 в клетках [36] и проходят клинические испытания для COVID-19 . [37]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Gan L, Seyedsayamdost MR, Shuto S, Matsuda A, Petsko GA, Hedstrom L (февраль 2003 г.). «Иммуносупрессивное средство мизорибин монофосфат образует комплекс-аналог переходного состояния с инозинмонофосфатдегидрогеназой». Биохимия . 42 (4): 857–63. doi :10.1021/bi0271401. PMID  12549902.
  2. ^ Хедстром, Лизбет (2009-07-08). "ИМП-дегидрогеназа: структура, механизм и ингибирование". Chemical Reviews . 109 (7): 2903–2928. doi :10.1021/cr900021w. ISSN  0009-2665. PMC 2737513 . PMID  19480389. 
  3. ^ Аюб, Нур; Гедеон, Антуан; Мунье-Леманн, Элен (2024-02-20). «Путешествие в регуляторные секреты биосинтеза пуриновых нуклеотидов de novo». Frontiers in Pharmacology . 15. doi : 10.3389/fphar.2024.1329011 . ISSN  1663-9812. PMC 10912719. PMID 38444943  . 
  4. ^ Sintchak MD, Nimmesgern E (май 2000). «Структура инозин 5'-монофосфатдегидрогеназы и разработка новых ингибиторов». Иммунофармакология . 47 (2–3): 163–84. doi :10.1016/S0162-3109(00)00193-4. PMID  10878288.
  5. ^ abcd Hedstrom L (июль 2009). "IMP dehydrogenase: structure, mechanism, and inhibition". Chemical Reviews . 109 (7): 2903–28. doi :10.1021/cr900021w. PMC 2737513 . PMID  19480389. 
  6. ^ Zhang R, Evans G, Rotella FJ, Westbrook EM, Beno D, Huberman E, Joachimiak A, Collart FR (апрель 1999). «Характеристики и кристаллическая структура бактериальной инозин-5'-монофосфатдегидрогеназы». Биохимия . 38 (15): 4691–700. CiteSeerX 10.1.1.488.2542 . doi :10.1021/bi982858v. PMID  10200156. 
  7. ^ Whitby FG, Luecke H, Kuhn P, Somoza JR, Huete-Perez JA, Phillips JD, Hill CP, Fletterick RJ, Wang CC (сентябрь 1997 г.). «Кристаллическая структура инозин-5'-монофосфатдегидрогеназы Tritrichomonas foetus и комплекс фермент-продукт». Биохимия . 36 (35): 10666–74. doi :10.1021/bi9708850. PMID  9271497.
  8. ^ Prosise GL, Luecke H (февраль 2003 г.). «Кристаллические структуры дегидрогеназы инозинмонофосфата Tritrichomonasfoetus в комплексе с субстратом, кофактором и аналогами: структурная основа для кинетического механизма «случайный вход — упорядоченный выход»». J. Mol. Biol . 326 (2): 517–27. doi :10.1016/S0022-2836(02)01383-9. PMID  12559919.
  9. ^ Лабесс, Жиль; Александр, Томас; Вопре, Лорен; Салар-Арно, Изабель; Он, Жозефина Лай Ки; Рейналь, Бертран; Брон, Патрик; Мюнье-Леманн, Элен (4 июня 2013 г.). «MgATP регулирует аллостерию и образование волокон в IMPDH». Структура (Лондон, Англия: 1993) . 21 (6): 975–985. doi :10.1016/j.str.2013.03.011. ISSN  1878-4186. ПМИД  23643948.
  10. ^ PDB ID: 1NFB, Risal, D., Strickler M,D., Goldstein, BM, Конформация НАД, связанного с человеческой инозинмонофосфатдегидрогеназой II типа.
  11. ^ Magasanik B, Moyed HS, Gehring LB (май 1957). «Ферменты, необходимые для биосинтеза гуанина нуклеиновой кислоты; инозин-5'-фосфатдегидрогеназа Aerobacter aerogenes». J. Biol. Chem . 226 (1): 339–50. doi : 10.1016/S0021-9258(18)64835-5 . PMID  13428767.
  12. ^ Xiang B, Taylor JC, Markham GD (январь 1996). «Активация моновалентного катиона и кинетический механизм инозин-5'-монофосфатдегидрогеназы». Журнал биологической химии . 271 (3): 1435–40. doi : 10.1074/jbc.271.3.1435 . PMID  8576135.
  13. ^ Мортимер SE, Хедстром L (август 2005 г.). «Мутации аутосомно-доминантного пигментного ретинита в инозин-5'-монофосфатдегидрогеназе типа I нарушают связывание нуклеиновых кислот». Биохимический журнал . 390 (Pt 1): 41–7. doi :10.1042/BJ20042051. PMC 1184561. PMID  15882147 . 
  14. ^ Ниммесгерн Э., Блэк Дж., Футер О., Фулгум Дж. Р., Чамберс СП., Браммель КЛ., Рэйбак СА., Синчак М. Д. (ноябрь 1999 г.). «Биохимический анализ модульного фермента инозин-5'-монофосфатдегидрогеназы». Protein Expression and Purification . 17 (2): 282–9. doi :10.1006/prep.1999.1136. PMID  10545277.
  15. ^ Буэй, Рубен М.; Ледесма-Амаро, Родриго; Веласкес-Кампой, Адриан; Бальсера, Моника; Чагоен, Моника; де Переда, Хосе М.; Ревуэльта, Хосе Л. (12 ноября 2015 г.). «Связывание гуаниновых нуклеотидов с доменом Бейтмана опосредует аллостерическое ингибирование эукариотических дегидрогеназ IMP». Природные коммуникации . 6 (1): 8923. doi : 10.1038/ncomms9923. ISSN  2041-1723. ПМК 4660370 . ПМИД  26558346. 
  16. ^ Ниммесгерн, Э.; Блэк, Дж.; Футер, О.; Фулгам, Дж. Р.; Чемберс, СП; Браммель, КЛ; Рейбак, С. А.; Синчак, М. Д. (ноябрь 1999 г.). «Биохимический анализ модульного фермента инозин-5'-монофосфатдегидрогеназы». Protein Expression and Purification . 17 (2): 282–289. doi :10.1006/prep.1999.1136. ISSN  1046-5928. PMID  10545277.
  17. ^ Гедеон, Антуан; Аюб, Нур; Брюле, Себастьен; Рейналь, Бертран; Каримова, Гузель; Желен, Мюриэль; Мешали, Ариэль; Хауз, Ахмед; Лабесс, Жиль; Мунье-Леманн, Элен (август 2023 г.). «Взгляд на роль домена Бейтмана на молекулярном и физиологическом уровнях с помощью сконструированных дегидрогеназ IMP». Protein Science . 32 (8): e4703. doi :10.1002/pro.4703. ISSN  0961-8368. PMC 10357500 . PMID  37338125. 
  18. ^ Pimkin M, Pimkina J, Markham GD (март 2009). «Регуляторная роль домена Бейтмана дегидрогеназы IMP в биосинтезе аденилатнуклеотида». Журнал биологической химии . 284 (12): 7960–9. doi : 10.1074/jbc.M808541200 . PMC 2658089. PMID  19153081 . 
  19. ^ Пимкин, Максим; Маркхэм, Джордж Д. (апрель 2008 г.). «Субдомен CBS инозин-5'-монофосфатдегидрогеназы регулирует оборот пуриновых нуклеотидов». Молекулярная микробиология . 68 (2): 342–359. doi :10.1111/j.1365-2958.2008.06153.x. ISSN  1365-2958. PMC 2279236. PMID 18312263  . 
  20. ^ McLean JE, Hamaguchi N, Belenky P, Mortimer SE, Stanton M, Hedstrom L (апрель 2004 г.). «Инозин 5'-монофосфатдегидрогеназа связывает нуклеиновые кислоты in vitro и in vivo». The Biochemical Journal . 379 (Pt 2): 243–51. doi :10.1042/BJ20031585. PMC 1224093 . PMID  14766016. 
  21. ^ Cornuel, Jean-François; Moraillon, Anne; Guéron, Maurice (апрель 2002 г.). «Участие дрожжевой инозин-5′-монофосфатдегидрогеназы в in vitro комплексе с фрагментом теломерной цепи, богатой C». Biochimie . 84 (4): 279–289. doi :10.1016/s0300-9084(02)01400-1. ISSN  0300-9084. PMID  12106905.
  22. ^ ab Bowne SJ, Sullivan LS, Mortimer SE, Hedstrom L, Zhu J, Spellicy CJ, Gire AI, Hughbanks-Wheaton D, Birch DG, Lewis RA, Heckenlively JR, Daiger SP (январь 2006 г.). «Спектр и частота мутаций в IMPDH1, связанных с аутосомно-доминантным пигментным ретинитом и врожденным амаврозом Лебера». Investigative Ophthalmology & Visual Science . 47 (1): 34–42. doi :10.1167/iovs.05-0868. PMC 2581444 . PMID  16384941. 
  23. ^ Mortimer SE, Xu D, McGrew D, Hamaguchi N, Lim HC, Bowne SJ, Daiger SP, Hedstrom L (декабрь 2008 г.). «IMP dehydrogenase type 1 associated with polyribosomes translating rhodopsin mRNA». Журнал биологической химии . 283 (52): 36354–60. doi : 10.1074/jbc.M806143200 . PMC 2605994. PMID  18974094 . 
  24. ^ Мёлканен, Томи; Тюнеля, Яана; Хелин, Яри; Калккинен, Ниссе; Куусела, Пентти (24 апреля 2002 г.). «Усиленная активация связанного плазминогена на золотистом стафилококке стафилокиназой». Письма ФЭБС . 517 (1–3): 72–78. дои : 10.1016/S0014-5793(02)02580-2. ISSN  0014-5793. ПМИД  12062412.
  25. ^ аб Кожевникова Е.Н., ван дер Кнаап Я.А., Пиндюрин А.В., Озгур З., ван Эйкен В.Ф., Мошкин Ю.М., Веррейзер К.П. (июль 2012 г.). «Метаболический фермент IMPDH также является фактором транскрипции, регулируемым состоянием клетки». Молекулярная клетка . 47 (1): 133–9. doi : 10.1016/j.molcel.2012.04.030 . ПМИД  22658723.
  26. ^ Collart FR, Huberman E (октябрь 1988 г.). «Клонирование и анализ последовательности кДНК инозин-5'-монофосфатдегидрогеназы человека и китайского хомячка». J. Biol. Chem . 263 (30): 15769–72. doi : 10.1016/S0021-9258(19)37654-9 . PMID  2902093.
  27. ^ Min D, Josephine HR, Li H, Lakner C, MacPherson IS, Naylor GJ, Swofford D, Hedstrom L, Yang W (август 2008 г.). «Ферментативный атавист, обнаруженный в двойных путях активации воды». PLOS Biology . 6 (8): e206. doi : 10.1371/journal.pbio.0060206 . PMC 2525682. PMID  18752347 . 
  28. ^ Natsumeda Y, Ohno S, Kawasaki H, Konno Y, Weber G, Suzuki K (март 1990). «Две различные кДНК для дегидрогеназы ИМФ человека». Журнал биологической химии . 265 (9): 5292–5. doi : 10.1016/S0021-9258(19)34120-1 . PMID  1969416.
  29. ^ Сенда М., Нацумеда И. (1994). «Тканедифференциальная экспрессия двух различных генов дегидрогеназы ИМФ человека (EC1.1.1.205)». Life Sciences . 54 (24): 1917–26. doi :10.1016/0024-3205(94)90150-3. PMID  7910933.
  30. ^ ab Collart FR, Chubb CB, Mirkin BL, Huberman E (октябрь 1992 г.). "Повышенная экспрессия гена инозин-5'-фосфатдегидрогеназы в тканях солидных опухолей и линиях опухолевых клеток". Cancer Research . 52 (20): 5826–8. doi : 10.2172/10148922 . PMID  1356621.
  31. ^ ab Zimmermann AG, Gu JJ, Laliberté J, Mitchell BS (1998). Инозин-5'-монофосфатдегидрогеназа: регуляция экспрессии и роль в клеточной пролиферации и активации Т-лимфоцитов . Прогресс в исследованиях нуклеиновых кислот и молекулярной биологии. Т. 61. С. 181–209. doi :10.1016/S0079-6603(08)60827-2. ISBN 978-0-12-540061-9. PMID  9752721.
  32. ^ Aherne A, Kennan A, Kenna PF, McNally N, Lloyd DG, Alberts IL, Kiang AS, Humphries MM, Ayuso C, Engel PC, Gu JJ, Mitchell BS, Farrar GJ, Humphries P (март 2004 г.). «О молекулярной патологии нейродегенерации при пигментном ретините, вызванном IMPDH1». Human Molecular Genetics . 13 (6): 641–50. doi : 10.1093/hmg/ddh061 . PMID  14981049.
  33. ^ Gu JJ, Tolin AK, Jain J, Huang H, Santiago L, Mitchell BS (сентябрь 2003 г.). «Целенаправленное нарушение гена инозин-5'-монофосфатдегидрогеназы типа I у мышей». Молекулярная и клеточная биология . 23 (18): 6702–12. doi :10.1128/MCB.23.18.6702-6712.2003. PMC 193693. PMID 12944494  . 
  34. ^ Jonsson CA, Carlsten H (январь 2003 г.). «Микофеноловая кислота ингибирует инозин 5'-монофосфатдегидрогеназу и подавляет продукцию иммуноглобулинов и цитокинов В-клетками». Международная иммунофармакология . 3 (1): 31–7. doi :10.1016/s1567-5769(02)00210-2. PMID  12538032.
  35. ^ Gu JJ, Stegmann S, Gathy K, Murray R, Laliberte J, Ayscue L, Mitchell BS (август 2000 г.). «Ингибирование активации Т-лимфоцитов у мышей, гетерозиготных по потере гена IMPDH II». Журнал клинических исследований . 106 (4): 599–606. doi :10.1172/JCI8669. PMC 380246. PMID  10953035 . 
  36. ^ Bojkova, Denisa; Klann, Kevin; Koch, Benjamin; Widera, Marek; Krause, David; Ciesek, Sandra; Cinatl, Jindrich; Münch, Christian (2020-05-14). «Протеомика клеток хозяина, инфицированных SARS-CoV-2, выявляет терапевтические цели». Nature . 583 (7816): 469–472. Bibcode :2020Natur.583..469B. doi : 10.1038/s41586-020-2332-7 . ISSN  1476-4687. PMID  32408336.
  37. ^ Номер клинического исследования NCT04356677 для «Исследования по оценке безопасности и эффективности препарата VIRAZOLE® у госпитализированных взрослых пациентов с респираторным дистрессом, вызванным COVID-19» на ClinicalTrials.gov

Дальнейшее чтение

В статье использован текст из общедоступных источников Pfam и InterPro : IPR001093