stringtranslate.com

Фарнезил-дифосфат фарнезилтрансфераза

Скваленсинтаза ( SQS ) или фарнезилдифосфат:фарнезилдифосфатфарнезилтрансфераза — это фермент, локализованный в мембране эндоплазматического ретикулума . SQS участвует в изопреноидном биосинтетическом пути, катализируя двухступенчатую реакцию, в которой две идентичные молекулы фарнезилпирофосфата (FPP) превращаются в сквален с потреблением НАДФН . [2] Катализ SQS — это первый обязательный шаг в синтезе стеролов , поскольку полученный сквален преобразуется исключительно в различные стеролы, такие как холестерин , посредством сложного многоступенчатого пути. SQS принадлежит к семейству белков сквален/фитоенсинтаз .

Разнообразие

Скваленсинтаза была охарактеризована у животных, растений и дрожжей. [3] С точки зрения структуры и механики скваленсинтаза очень похожа на фитоенсинтазу (PHS), другую пренилтрансферазу . PHS выполняет ту же роль, что и SQS, в растениях и бактериях, катализируя синтез фитоена , предшественника каротиноидных соединений. [4]

Структура

Скваленсинтаза (SQS) локализуется исключительно на мембране эндоплазматического ретикулума (ER). [5] SQS прикреплена к мембране коротким С-концевым доменом, пронизывающим мембрану. [6] N -концевой каталитический домен фермента выступает в цитозоль , где связываются растворимые субстраты . [2] Формы SQS млекопитающих имеют массу приблизительно 47 кДа и состоят из ~416 аминокислот . Кристаллическая структура человеческого SQS была определена в 2000 году и показала, что белок полностью состоит из α-спиралей . Фермент сложен в один домен , характеризующийся большим центральным каналом. Активные центры обеих двух полуреакций, катализируемых SQS, расположены внутри этого канала. Один конец канала открыт для цитозоля, тогда как другой конец образует гидрофобный карман. [5] SQS содержит две консервативные последовательности, богатые аспартатом , которые, как полагают, напрямую участвуют в каталитическом механизме. [7] Эти мотивы, богатые аспартатом, являются одной из нескольких консервативных структурных особенностей изопреноидных биосинтетических ферментов класса I, хотя эти ферменты не имеют гомологию последовательностей . [5]

Скваленсинтаза (человек). Ключевые остатки в центральном канале показаны в виде сфер.

Механизм

Скваленсинтаза (SQS) катализирует восстановительную димеризацию фарнезилпирофосфата (FPP), в которой две идентичные молекулы FPP превращаются в одну молекулу сквалена. Реакция происходит в два этапа, проходя через промежуточный прескваленпирофосфат (PSPP). FPP представляет собой растворимое аллильное соединение, содержащее 15 атомов углерода (C15 ) , тогда как сквален является нерастворимым изопреноидом C30 . [ 2] [4] Эта реакция представляет собой синтез терпена голова к голове , поскольку две молекулы FPP обе соединены в положении C4 и образуют связь 1-1'. Это контрастирует со связями 1'-4, которые гораздо более распространены в биосинтезе изопрена, чем связи 4-4'. [8] [9] Механизм реакции SQS требует двухвалентного катиона , часто Mg2 + , для облегчения связывания пирофосфатных групп на FPP. [10]

Конденсация FPP

В первой полуреакции две идентичные молекулы фарнезилпирофосфата (FPP) последовательно связываются со скваленсинтазой (SQS). Молекулы FPP связываются с различными областями фермента и с разным сродством связывания. [11] Начиная с верхней части каталитического цикла ниже, реакция начинается с ионизации FPP для образования аллильного карбокатиона . Остаток тирозина (Tyr-171) играет решающую роль на этом этапе, выступая в качестве донора протонов для облегчения отщепления пирофосфата. Более того, образующийся фенолят-анион может стабилизировать образующийся карбокатион посредством взаимодействий катион-π , которые были бы особенно сильными из-за высокоэлектронной природы фенолят-аниона. Образованный аллильный катион затем атакуется олефином второй молекулы FPP, что дает третичный карбокатион. Фенолят-анион, полученный ранее, затем служит основанием для отщепления протона от этого аддукта с образованием циклопропанового продукта, прескваленпирофосфата (PSPP). Созданный PSPP остается связанным с SQS для второй реакции. [5] [10] Важность остатка тирозина в этом процессе была продемонстрирована исследованиями мутагенеза с крысиными SQS (rSQS), [7] и тем фактом, что Tyr-171 сохраняется во всех известных SQS (и PHS ). [2] В rSQS Tyr-171 был преобразован в ароматические остатки Phe и Trp , а также в гидроксилсодержащий остаток Ser . Ни один из этих мутантов не смог преобразовать FPP в PSPP или сквален, что демонстрирует, что ароматических колец или спиртов самих по себе недостаточно для преобразования FPP в PSPP.

Перестройка и сокращение PSPP

Во второй полуреакции SQS прескваленпирофосфат (PSPP) перемещается во второй участок реакции в пределах SQS. Считается, что сохранение PSPP в центральном канале SQS защищает реакционноспособное промежуточное соединение от реакции с водой. [5] Из PSPP сквален образуется в результате серии перегруппировок карбокатионов. [12] [13] Процесс начинается с ионизации пирофосфата, в результате чего образуется циклопропилкарбинильный катион. Катион перегруппировывается путем 1,2-миграции связи циклопропана C–C в карбокатион, образуя связь, показанную синим цветом, в результате чего получается циклобутилкарбокатион. Затем происходит вторая 1,2-миграция с образованием другого циклопропилкарбинильного катиона, при этом катион находится на третичном углероде. Этот полученный карбокатион затем раскрывается гидридом, доставляемым НАДФН , давая сквален, который затем высвобождается SQS в мембрану эндоплазматического ретикулума . [2]

В то время как циклопропилкарбинил-циклопропилкарбинильные перегруппировки могут протекать через дискретные циклобутильные катионные промежуточные соединения, предполагаемый циклобутильный катион не может быть захвачен в модельных исследованиях. Таким образом, циклобутильный катион может фактически быть переходным состоянием между двумя циклопропилкарбинильными катионами, а не дискретным промежуточным соединением. Стереохимия промежуточных соединений и геометрия олефина в конечном продукте диктуется супрафациальной природой 1,2-сдвигов и стереоэлектронными требованиями . Хотя были предложены и другие механизмы, механизм, показанный выше, поддерживается выделением риллингола, который представляет собой спирт, образованный при захвате второго циклопропилкарбинильного катиона водой.

Регулирование

Разветвление мевалонатного пути в FPP на стериновые и нестериновые продукты.

FPP является важным метаболическим промежуточным продуктом в мевалонатном пути , который представляет собой главную точку разветвления в терпеноидных путях. [2] [14] FPP используется для образования нескольких важных классов соединений в дополнение к стеринам ( через сквален), включая убихинон [15] и долихолы . [16] SQS катализирует первый обязательный шаг в биосинтезе стеринов из FPP и, следовательно, важен для контроля потока в сторону стеринов по сравнению с нестериновыми продуктами. Активность SQS тесно связана с активностью HMG-CoA-редуктазы , которая катализирует лимитирующий скорость шаг мевалонатного пути. Высокие уровни холестерина , полученного из ЛПНП, значительно ингибируют активность HMG-CoA-редуктазы, поскольку мевалонат больше не нужен для производства стеринов. Однако остаточная активность HMG-CoA-редуктазы наблюдается даже при очень высоких уровнях ЛПНП, так что FPP может быть использован для формирования нестериновых продуктов, необходимых для роста клеток. [17] Чтобы предотвратить использование остаточной FPP для синтеза стеринов, когда стерины в изобилии, активность SQS значительно снижается, когда уровни ЛПНП высоки. [18] Это подавление активности SQS лучше рассматривать как механизм контроля потока, а не как способ регулирования уровней холестерина. Это связано с тем, что HMG-CoA-редуктаза является более значимым фактором контроля для регулирования синтеза холестерина (ее активность ингибируется на 98% при высоких уровнях ЛПНП). [17]

Регуляция стеринами

Регуляция SQS происходит в первую очередь на уровне транскрипции гена SQS . [2] Класс факторов транскрипции белка, связывающего стериновый регуляторный элемент (SREBP), играет центральную роль в регуляции генов, участвующих в гомеостазе холестерина , и важен для контроля уровней транскрипции SQS. Когда уровни стеринов низкие, неактивная форма SREBP расщепляется с образованием активного фактора транскрипции, который перемещается в ядро, чтобы вызвать транскрипцию гена SQS. Из трех известных факторов транскрипции SREBP только SREBP-1a и SREBP-2 активируют транскрипцию гена SQS в печени трансгенных мышей. [19] [20] В культивируемых клетках HepG2 SREBP-1a кажется более важным, чем SREBP-2, в контроле активации промотора SQS . [21] Однако было показано, что промоторы SQS по-разному реагируют на SREBP-1a и SREBP-2 в разных экспериментальных системах.

Помимо SREBP, для максимальной активации промотора SQS необходимы дополнительные факторы транскрипции. Исследования промотора с использованием анализов гена-репортера люциферазы показали, что факторы транскрипции Sp1 , NF-Y и/или CREB также важны для активации промотора SQS. NF-Y и/или CREB необходимы для SREBP-1a для полной активации промотора SQS, хотя для SREBP-2 также необходим Sp1.

Интерактивная карта маршрутов

Нажмите на гены, белки и метаболиты ниже, чтобы перейти к соответствующим статьям. [§ 1]

  1. ^ Интерактивную карту путей можно редактировать на WikiPathways: «Statin_Pathway_WP430».

Биологическая функция

Скваленсинтаза (SQS) — фермент, участвующий в изопреноидном биосинтетическом пути. SQS-синтаза катализирует точку разветвления между биосинтезом стеролов и нестеролов и направляет фарнезилпирофосфат (FPP) исключительно на производство стеролов. [2] Важным стеролом, производимым этим путем, является холестерин , который используется в клеточных мембранах и для синтеза гормонов . [22] SQS конкурирует с несколькими другими ферментами за использование FPP, поскольку он является предшественником множества терпеноидов. Снижение активности SQS ограничивает поток FPP в стероловый путь и увеличивает производство нестероловых продуктов. Важные нестероловые продукты включают убихинон , долихолы , гем А и фарнезилированные белки [23]

Развитие мышей с нокаутированным геном сквален-синтазы показало, что потеря сквален-синтазы летальна, и что этот фермент необходим для развития центральной нервной системы . [24]

Релевантность заболевания

Скваленсинтаза является мишенью для регуляции уровня холестерина. Было показано, что повышенная экспрессия SQS повышает уровень холестерина у мышей. [24] Поэтому ингибиторы SQS представляют большой интерес для лечения гиперхолестеринемии и профилактики ишемической болезни сердца (ИБС) . [25] Также было высказано предположение, что варианты этого фермента могут быть частью генетической ассоциации с гиперхолестеринемией. [26]

Ингибиторы скваленсинтазы

Было показано, что ингибиторы скваленсинтазы снижают синтез холестерина, а также снижают уровень триглицеридов в плазме . [22] [27] Ингибиторы SQS могут стать альтернативой ингибиторам HMG-CoA-редуктазы (статинам), которые имеют проблемные побочные эффекты для некоторых пациентов. [28] Ингибиторы скваленсинтазы, которые были исследованы для использования в профилактике сердечно-сосудистых заболеваний, включают лапакистат (TAK-475), сарагозовую кислоту и RPR 107393. [29] [30] Несмотря на достижение фазы II клинических испытаний , лапакистат был прекращен к 2008 году. [31] [32]

Ингибирование гомолога скваленсинтазы у Staphylococcus aureus в настоящее время изучается как антибактериальная терапия на основе фактора вирулентности. [33]

Ссылки

  1. ^ Ichikawa M, Yokomizo A, Itoh M, Sugita K, Usui H, Shimizu H, Suzuki M, Terayama K, Kanda A (март 2011 г.). «Открытие нового шаблона 2-аминобензгидрола для высокоэффективных ингибиторов сквален-синтазы». Bioorg. Med. Chem . 19 (6): 1930–49. doi :10.1016/j.bmc.2011.01.065. PMID  21353782.
  2. ^ abcdefgh Tansey TR, Shechter I (декабрь 2000 г.). «Структура и регуляция скваленсинтазы млекопитающих». Biochim. Biophys. Acta . 1529 (1–3): 49–62. doi :10.1016/S1388-1981(00)00137-2. PMID  11111077.
  3. ^ Nakashima T, Inoue T, Oka A, Nishino T, Osumi T, Hata S (март 1995 г.). «Клонирование, экспрессия и характеристика кДНК, кодирующих скваленсинтазу Arabidopsis thaliana». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 92 (6): 2328–32. Bibcode :1995PNAS...92.2328N. doi : 10.1073/pnas.92.6.2328 . PMC 42476 . PMID  7892265. 
  4. ^ ab Tansey TR, Shechter I (2001). "Скваленсинтаза: структура и регуляция". Prog. Nucleic Acid Res. Mol. Biol . Progress in Nucleic Acid Research and Molecular Biology. 65 : 157–95. doi :10.1016/S0079-6603(00)65005-5. ISBN 9780125400657. PMID  11008488.
  5. ^ abcde Пандит Дж., Дэнли Д.Э., Шульте Г.К., Маццалупо С., Поли Т.А., Хейворд СМ, Хаманака Э.С., Томпсон Дж.Ф., Харвуд Х.Дж. (сентябрь 2000 г.). «Кристаллическая структура скваленсинтазы человека. Ключевой фермент биосинтеза холестерина». Ж. Биол. Хим . 275 (39): 30610–7. дои : 10.1074/jbc.M004132200 . ПМИД  10896663.
  6. ^ Jennings SM, Tsay YH, Fisch TM, Robinson GW (июль 1991 г.). «Молекулярное клонирование и характеристика дрожжевого гена скваленсинтетазы». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 88 (14): 6038–42. Bibcode :1991PNAS...88.6038J. doi : 10.1073/pnas.88.14.6038 . PMC 52017 . PMID  2068081. 
  7. ^ ab Gu P, Ishii Y, Spencer TA, Shechter I (май 1998). "Исследования структуры функций и идентификация трех доменов ферментов, участвующих в каталитической активности скваленсинтазы печени крысы". J. Biol. Chem . 273 (20): 12515–25. doi : 10.1074/jbc.273.20.12515 . PMID  9575210.
  8. ^ Poulter CD (1990). «Биосинтез терпенов, не являющихся «голова к хвосту». Образование связей 1'-1 и 1'-3». Accounts of Chemical Research . 23 (3): 70–77. doi :10.1021/ar00171a003.
  9. ^ Lin FY, Liu CI, Liu YL, Zhang Y, Wang K, Jeng WY, Ko TP, Cao R, Wang AH, Oldfield E (декабрь 2010 г.). «Механизм действия и ингибирование дегидросквален-синтазы». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 107 (50): 21337–42. Bibcode : 2010PNAS..10721337L. doi : 10.1073/pnas.1010907107 . PMC 3003041. PMID  21098670 . 
  10. ^ ab Beytia E, Qureshi AA, Porter JW (март 1973). "Скваленсинтетаза. 3. Механизм реакции". J. Biol. Chem . 248 (5): 1856–67. doi : 10.1016/S0021-9258(19)44269-5 . PMID  4348553.
  11. ^ Mookhtiar KA, Kalinowski SS, Zhang D, Poulter CD (апрель 1994). "Дрожжевая скваленсинтаза. Механизм добавления субстратов и активации с помощью NADPH". J. Biol. Chem . 269 (15): 11201–7. doi : 10.1016/S0021-9258(19)78111-3 . PMID  8157649.
  12. ^ Blagg, Brian SJ; Jarstfer, Michael B.; Rogers, Daniel H.; Poulter, C. Dale (2002-07-04). "Рекомбинантная скваленсинтаза. Механизм перегруппировки пресквалендифосфата в сквален". Журнал Американского химического общества . 124 (30): 8846–8853. doi :10.1021/ja020411a. PMID  12137537.
  13. ^ Джарстфер, Майкл Б.; Благг, Брайан С.Дж.; Роджерс, Дэниел Х.; Поултер, К. Дейл (1996-12-25). «Биосинтез сквалена. Доказательства третичного циклопропилкарбинильного катионного промежуточного соединения в перегруппировке пресквалендифосфата в сквален». Журнал Американского химического общества . 118 (51): 13089–13090. doi :10.1021/ja963308s.
  14. ^ Браун, Майкл С.; Голдштейн, Джозеф Л. (1980). «Мультивалентная обратная регуляция HMG CoA редуктазы, контрольный механизм, координирующий синтез изопреноидов и рост клеток». J. Lipid Res . 21 (5): 505–517. doi : 10.1016/S0022-2275(20)42221-7 . PMID  6995544.
  15. ^ Olson, Robert E. (1967-01-01). Robert S. Harris; Ira G. Wool; John A. Loraine; GF Marrian; Kenneth V. Thimann (ред.). "Биосинтез убихинонов у животных*". Vitamins & Hormones . 24 : 551–574. doi :10.1016/s0083-6729(08)60221-6. ISBN 9780127098241. PMID  5340877.
  16. ^ Gough, Doreen P.; Hemming, FW (1970-06-01). "Характеристика и стереохимия биосинтеза долихолов в печени крысы". Biochemical Journal . 118 (1): 163–166. doi :10.1042/bj1180163. ISSN  0264-6021. PMC 1179092. PMID  4319540 . 
  17. ^ ab Faust, Jerry R.; Goldstein, Joseph L.; Brown, Michael S. (1979-01-01). «Синтез убихинона и холестерина в фибробластах человека: регуляция разветвленного пути». Архивы биохимии и биофизики . 192 (1): 86–99. doi :10.1016/0003-9861(79)90074-2. PMID  219777.
  18. ^ Faust, Jerry R.; Goldstein, Joseph L.; Brown, Michael S. (1979-10-01). «Активность скваленсинтетазы в фибробластах человека: регуляция через рецептор липопротеинов низкой плотности». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 76 (10): 5018–5022. Bibcode : 1979PNAS...76.5018F. doi : 10.1073/pnas.76.10.5018 . ISSN  0027-8424. PMC 413070. PMID  228272 . 
  19. ^ Guan, G.; Jiang, G.; Koch, RL; Shechter, I. (1995-09-15). «Молекулярное клонирование и функциональный анализ промотора гена скваленсинтазы человека». Журнал биологической химии . 270 (37): 21958–21965. doi : 10.1074/jbc.270.37.21958 . ISSN  0021-9258. PMID  7665618.
  20. ^ Guan, Guimin; Dai, Pei-Hua; Osborne, Timothy F.; Kim, Jae B.; Shechter, Ishaiahu (1997-04-11). «Множественные элементы последовательности участвуют в регуляции транскрипции гена скваленсинтазы человека». Журнал биологической химии . 272 ​​(15): 10295–10302. doi : 10.1074/jbc.272.15.10295 . ISSN  0021-9258. PMID  9092581.
  21. ^ Guan, G.; Dai, P.; Shechter, I. (1998-05-15). "Дифференциальная транскрипционная регуляция гена скваленсинтазы человека белками, связывающими регуляторные элементы стерола (SREBP) 1a и 2, и участие 5'-элементов последовательности ДНК в регуляции". Журнал биологической химии . 273 (20): 12526–12535. doi : 10.1074/jbc.273.20.12526 . ISSN  0021-9258. PMID  9575211.
  22. ^ ab Kourounakis AP, Katselou MG, Matralis AN, Ladopoulou EM, Bavavea E (2011). «Ингибиторы сквален-синтазы: обновление информации о поиске новых антигиперлипидемических и антиатеросклеротических средств». Curr. Med. Chem . 18 (29): 4418–39. doi :10.2174/092986711797287557. PMID  21864285.
  23. ^ Paradise EM, Kirby J, Chan R, Keasling JD (июнь 2008 г.). «Перенаправление потока через точку ветвления FPP в Saccharomyces cerevisiae путем снижения регуляции скваленсинтазы». Biotechnol. Bioeng . 100 (2): 371–8. doi :10.1002/bit.21766. PMID  18175359. S2CID  23878922.
  24. ^ ab Оказаки Х, Тазоэ Ф, Оказаки С, Исоо Н, Цукамото К, Секия М, Яхаги Н, Иидзука Ю, Охаси К, Китамин Т, Тозава Р, Инаба Т, Ягю Х, Оказаки М, Шимано Х, Сибата Н, Арай Х., Нагаи Р.З., Кадоваки Т., Осуга Дж., Исибаши С. (сентябрь). 2006). «Повышение биосинтеза холестерина и гиперхолестеринемия у мышей со сверхэкспрессией скваленсинтазы в печени». Дж. Липид Рес . 47 (9): 1950–8. doi : 10.1194/jlr.M600224-JLR200 . ПМИД  16741291.
  25. ^ Davidson MH (январь 2007 г.). «Ингибирование скваленсинтазы: новая цель для лечения дислипидемии». Curr Atheroscler Rep . 9 (1): 78–80. doi :10.1007/BF02693932. PMID  17169251. S2CID  28176904.
  26. ^ Do R, Kiss RS, Gaudet D, Engert JC (январь 2009 г.). «Скваленсинтаза: критический фермент в пути биосинтеза холестерина». Clin. Genet . 75 (1): 19–29. doi :10.1111/j.1399-0004.2008.01099.x. PMID  19054015. S2CID  205406994.
  27. ^ Hiyoshi H, Yanagimachi M, Ito M, Saeki T, Yoshida I, Okada T, Ikuta H, Shinmyo D, Tanaka K, Kurusu N, Tanaka H (ноябрь 2001 г.). «Ингибиторы сквален-синтазы снижают уровень триглицеридов в плазме через механизм, независимый от рецепторов липопротеинов низкой плотности». Eur. J. Pharmacol . 431 (3): 345–52. doi :10.1016/S0014-2999(01)01450-9. PMID  11730728.
  28. ^ Seiki S, Frishman WH (2009). «Фармакологическое ингибирование скваленсинтазы и других нисходящих ферментов пути синтеза холестерина: новый терапевтический подход к лечению гиперхолестеринемии». Cardiol Rev. 17 ( 2): 70–6. doi :10.1097/CRD.0b013e3181885905. PMID  19367148. S2CID  33130333.
  29. ^ Charlton-Menys V, Durrington PN (2007). «Ингибиторы скваленсинтазы: клиническая фармакология и потенциал снижения уровня холестерина». Drugs . 67 (1): 11–6. doi :10.2165/00003495-200767010-00002. PMID  17209661. S2CID  45715717.
  30. ^ Amin D, Rutledge RZ, Needle SN, Galczenski HF, Neuenschwander K, Scotese AC, Maguire MP, Bush RC, Hele DJ, Bilder GE, Perrone MH (май 1997 г.). «RPR 107393, мощный ингибитор сквален-синтазы и перорально эффективный препарат для снижения уровня холестерина: сравнение с ингибиторами редуктазы HMG-CoA». J. Pharmacol. Exp. Ther . 281 (2): 746–52. PMID  9152381.
  31. ↑ Гиббс, Эдвина (29 октября 2007 г.). «ОБНОВЛЕНИЕ 2-US FDA приказывает Takeda прекратить некоторые испытания TAK-475». Reuters . Получено 5 марта 2013 г.
  32. ^ "Прекращение разработки TAK-475, соединения для лечения гиперхолестеринемии". Takeda Pharmaceutical Company Limited. 28 марта 2008 г. Получено 5 марта 2013 г.
  33. ^ Liu CI, Liu GY, Song Y, Yin F, Hensler ME, Jeng WY, Nizet V, Wang AH, Oldfield E (март 2008 г.). «Ингибитор биосинтеза холестерина блокирует вирулентность золотистого стафилококка» (PDF) . Science . 319 (5868): 1391–4. Bibcode :2008Sci...319.1391L. doi :10.1126/science.1153018. PMC 2747771 . PMID  18276850. 

Внешние ссылки