stringtranslate.com

Метионинсинтаза

Метионинсинтаза ( MS , MeSe , MTR ) в первую очередь отвечает за регенерацию метионина из гомоцистеина у большинства людей. У людей она кодируется геном MTR ( метилтрансфераза 5-метилтетрагидрофолата-гомоцистеина). [5] [6] Метионинсинтаза является частью цикла биосинтеза и регенерации S-аденозилметионина (SAMe) [7] и является ферментом, ответственным за связь цикла с одноуглеродным метаболизмом через фолатный цикл. Существует две основные формы этого фермента: зависящая от витамина B 12 (кобаламина) (MetH) и независимая (MetE) формы [8] , хотя минимальные основные метионинсинтазы, которые не вписываются четко ни в одну из категорий, также были описаны у некоторых анаэробных бактерий . [9] Две доминирующие формы ферментов, по-видимому, являются эволюционно независимыми и опираются на существенно разные химические механизмы. [10] Млекопитающие и другие высшие эукариоты экспрессируют только кобаламин-зависимую форму. Напротив, распределение двух форм в Archaeplastida ( растения и водоросли ) более сложное. Растения обладают исключительно кобаламин-независимой формой, [11] в то время как водоросли имеют одну из двух, в зависимости от вида. [12] Многие различные микроорганизмы экспрессируют как кобаламин-зависимые, так и кобаламин-независимые формы. [13]

Механизм

Реакция, катализируемая метионинсинтазой (кликните для увеличения)

Метионинсинтаза катализирует последний этап регенерации метионина (Met) из гомоцистеина (Hcy). Как кобаламин-зависимые, так и кобаламин-независимые формы фермента выполняют одну и ту же общую химическую реакцию — перенос метильной группы из 5-метилтетрагидрофолата (N 5 -MeTHF) в гомоцистеин, что приводит к образованию тетрагидрофолата (THF) и метионина. [8] Метионинсинтаза — единственный фермент млекопитающих, который метаболизирует N 5 -MeTHF для регенерации активного кофактора THF. В кобаламин -зависимой (MetH) форме фермента реакция протекает в два этапа в предпочтительном упорядоченном последовательном механизме. [14] Считается, что физиологическое состояние покоя фермента содержит связанный с ферментом (Cob) кофактор в форме метилкобаламина с атомом кобальта в формальном валентном состоянии +3 (Cob(III)-Me). Затем кобаламин деметилируется цинк -активированным тиолатным гомоцистеином, генерируя метионин и восстанавливая кофактор до состояния Cob(I). Находясь в форме Cob(I), связанный с ферментом кофактор теперь способен отрывать метильную группу от активированного 5-метилтетрагидрофолата (N 5 -MeTHF), образуя тетрагидрофолат (THF) и восстанавливая метилкоаламиновую форму фермента. [15]

Путь утилизации метионинсинтазы редуктазы для восстановления инактивированной метионинсинтазы

В физиологических условиях примерно один раз на каждые 2000 каталитических оборотов Co(I) может окисляться до неактивного Co(II) в cob-зависимом MetH. Для учета этого эффекта белок содержит механизм самореактивации, процесс восстановительного метилирования, который использует S-аденозилметионин в качестве отдельного донора метильной группы. У людей фермент восстанавливается в этом процессе метионинсинтазоредуктазой (MTRR), которая состоит из флаводоксин-подобных и ферродоксин-НАДФ+ оксидоредуктазных (FNR)-подобных доменов. [16] У многих бактерий восстановление осуществляется однодоменным белком флаводоксином. [17] Белок редуктазы отвечает за перенос электрона от восстановленного кофактора FMN к неактивному Cob(II), что позволяет восстанавливать активный фермент метилкобаламин посредством переноса метильной группы от S-аденозилметионина к восстановленному промежуточному продукту Cob(I). [18] Этот процесс известен как цикл реактивации и, как полагают, отделен от нормального каталитического цикла крупномасштабными конформационными перестройками внутри фермента. [19] Поскольку окисление Cob(I) неизбежно отключает активность метионинсинтазы, зависящей от cob, дефекты или недостатки метионинсинтазоредуктазы были причастны к некоторым заболеваниям, связанным с дефицитом метионинсинтазы. [20]

Механизм кобаламин-независимой (MetE) формы, напротив, протекает через прямой перенос метила от активированного N 5 -MeTHF к гомоцистеину тиолята цинка. Хотя механизм значительно проще, реакция прямого переноса гораздо менее благоприятна, чем реакции, опосредованные кобаламином, и в результате скорость оборота для MetE примерно в 100 раз медленнее, чем для MetH. Поскольку он не содержит кофактора кобаламина, кобаламин-независимый фермент не склонен к окислительной инактивации [21] [8] [22] [23]

Структура

Домен связывания гомоцистеина в метионинсинтазе. His 618, Cys 620 и Cys704 связывают Zn (фиолетовый), который связывается с гомоцистеином (красный)

Структуры высокого разрешения были решены с помощью рентгеновской кристаллографии для неповрежденного MetE как в отсутствие, так и в присутствии субстратов [23] [22] и для фрагментов MetH, [24] [25] [26] [27] хотя структурного описания полностью неповрежденного фермента MetH не существует. Доступные структуры и сопутствующий биоинформатический анализ указывают на минимальное сходство в общей структуре, хотя есть сходство в самих участках связывания субстрата. [28] Cob-зависимый MetH разделен на 4 отдельных домена. Домены, от N- до C-конца, обозначены как связывание гомоцистеина (домен Hcy), связывание N 5 -метилТГФ (домен MTHF), связывание кобаламина (домен Cob) и связывание S-аденозиметионина или домен реактивации. Домен реактивации связывает SAM и является местом взаимодействия с флаводоксином или метионинсинтазой редуктазой во время цикла реактивации фермента. [17] [16] [20] Домен связывания кобаламина содержит два субдомена, при этом кофактор связан с субдоменом связывания Rossman-fold B 12 , который, в свою очередь, закрыт другим субдоменом, субдоменом четырехспирального пучка. [25] Четырехспиральный пучок служит для защиты кофактора кобаламина от нежелательной реактивности, но может значительно изменять конформации, чтобы раскрыть кофактор и предоставить ему доступ к другим субстратам во время оборота. [26] Оба домена Hcy и N 5 -MeTHF принимают архитектуру бочки TIM ; домен Hcy содержит сайт связывания цинка, который в MetH состоит из трех остатков цистеина, координированных с ионом цинка, который, в свою очередь, связывает и активирует Hcy. Домен связывания N 5 -MeTHF связывает и активирует N 5 -MeTHF через сеть водородных связей с несколькими остатками аспарагина , аргинина и аспарагиновой кислоты . В процессе оборота фермент претерпевает значительные конформационные изменения, которые включают перемещение домена Cob вперед и назад из домена Hcy в домен N 5 -MeTHF для того, чтобы могли пройти две реакции переноса метильной группы. [24]

Независимый от cob MetE состоит из двух доменов TIM-бочки, которые связывают гомоцистеин и N 5 -MeTHF по отдельности. Два домена принимают архитектуру двойной бочки лицом к лицу, которая требует «закрытия» структуры при связывании обоих субстратов для обеспечения прямого переноса метила. [22] Стратегии связывания субстрата аналогичны MetH, хотя в случае MetE атом цинка вместо этого координируется с двумя цистеинами, гистидином и глутаматом , [23] для чего пример показан справа.

Биохимическая функция

Метионинсинтаза — это фермент 4

У людей основная цель фермента — регенерировать Met в цикле S-аденозилметионина (SAM). Цикл SAM за один оборот потребляет Met и АТФ и генерирует Hcy, и может включать любую из ряда критических ферментативных реакций, которые используют S-аденозилметионин в качестве источника активной метильной группы для метилирования нуклеиновых кислот , гистонов , фосфолипидов и различных белков . [29] [30] Таким образом, метионинсинтаза выполняет важную функцию, позволяя циклу SAM продолжаться без постоянного притока Met. В качестве вторичного эффекта метионинсинтаза также служит для поддержания низких уровней Hcy и, поскольку метионинсинтаза является одним из немногих ферментов, которые используют N 5 -MeTHF в качестве субстрата, для косвенного поддержания уровней THF. [31] [32]

У бактерий и растений метионинсинтаза выполняет двойную функцию: поддерживает цикл SAM и катализирует конечный синтетический этап в синтезе de novo Met, одной из 20 канонических аминокислот . [33] [11] Хотя химическая реакция в обоих процессах абсолютно одинакова, общая функция отличается от метионинсинтазы у людей, поскольку Met является незаменимой аминокислотой, которая не синтезируется de novo в организме. [34]

Клиническое значение

Мутации в гене MTR были идентифицированы как основная причина дефицита метилкобаламина группы комплементации G или дефицита метилкобаламина cblG-типа. [5] Дефицит или нарушение регуляции фермента из-за дефицита метионинсинтазы редуктазы может напрямую приводить к повышенному уровню гомоцистеина ( гипергомоцистеинемия ), что связано со слепотой, неврологическими симптомами и врожденными дефектами. [35] [36] Дефицит метионинсинтазы редуктазы (MTRR) или метилентетрагидрофолатредуктазы (MTHFR) также может приводить к этому состоянию. Большинство случаев дефицита метионинсинтазы проявляются симптомами в течение 2 лет после рождения, при этом у многих пациентов быстро развивается тяжелая энцефалопатия . [37] Одним из последствий сниженной активности метионинсинтазы, которое можно измерить с помощью обычных клинических анализов крови, является мегалобластная анемия .

Генетика

Было выявлено несколько полиморфизмов, связанных с cblG, в гене MTR. [38]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc GRCh38: Ensembl выпуск 89: ENSG00000116984 – Ensembl , май 2017 г.
  2. ^ abc GRCm38: Ensembl выпуск 89: ENSMUSG00000021311 – 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. ^ ab "MTR 5-метилтетрагидрофолат-гомоцистеин метилтрансфераза (Homo sapiens)". Entrez. 19 мая 2009 г. Получено 24 мая 2009 г.
  6. ^ Li YN, Gulati S, Baker PJ, Brody LC, Banerjee R, Kruger WD (декабрь 1996 г.). «Клонирование, картирование и анализ РНК гена метионинсинтазы человека». Human Molecular Genetics . 5 (12): 1851–1858. doi : 10.1093/hmg/5.12.1851 . PMID  8968735.
  7. ^ Banerjee RV, Matthews RG (март 1990). «Кобаламин-зависимая метионинсинтаза». FASEB Journal . 4 (5): 1450–1459. doi : 10.1096/fasebj.4.5.2407589 . hdl : 2027.42/154369 . PMID  2407589. S2CID  8210250.
  8. ^ abc Matthews RG, Smith AE, Zhou ZS, Taurog RE, Bandarian V, Evans JC, Ludwig M (2003). «Кобаламин-зависимые и кобаламин-независимые метионинсинтазы: существуют ли два решения одной и той же химической проблемы?». Helvetica Chimica Acta . 86 (12): 3939–3954. doi :10.1002/hlca.200390329.
  9. ^ Deobald D, Hanna R, Shahryari S, Layer G, Adrian L (февраль 2020 г.). «Идентификация и характеристика синтазного метионина бактериального ядра». Scientific Reports . 10 (1): 2100. Bibcode :2020NatSR..10.2100D. doi :10.1038/s41598-020-58873-z. PMC 7005905 . PMID  32034217. 
  10. ^ Pejchal R, Ludwig ML (февраль 2005 г.). Stroud RM (ред.). «Кобаламин-независимая метионинсинтаза (MetE): двойной ствол лицом к лицу, возникший в результате дупликации генов». PLOS Biology . 3 (2): e31. doi : 10.1371/journal.pbio.0030031 . PMC 539065 . PMID  15630480. 
  11. ^ ab Ravanel S, Gakière B, Job D, Douce R (июнь 1998 г.). «Особенности биосинтеза и метаболизма метионина у растений». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 95 (13): 7805–7812. Bibcode :1998PNAS...95.7805R. doi : 10.1073/pnas.95.13.7805 . PMC 22764 . PMID  9636232. 
  12. ^ Helliwell KE, Wheeler GL, Leptos KC, Goldstein RE, Smith AG (октябрь 2011 г.). «Взгляд на эволюцию ауксотрофии витамина B12 из секвенированных геномов водорослей». Молекулярная биология и эволюция . 28 (10): 2921–2933. doi : 10.1093/molbev/msr124 . PMID  21551270.
  13. ^ Zydowsky TM (1986). «Стереохимический анализ переноса метильной группы, катализируемого кобаламин-зависимой метионинсинтазой из Escherichia coli B». Журнал Американского химического общества . 108 (11): 3152–3153. doi :10.1021/ja00271a081.
  14. ^ Banerjee RV, Frasca V, Ballou DP, Matthews RG (декабрь 1990 г.). «Участие коб(I) аламина в реакции, катализируемой метионинсинтазой из Escherichia coli: стационарный и быстрый анализ кинетики реакции». Биохимия . 29 (50): 11101–11109. doi :10.1021/bi00502a013. PMID  2271698.
  15. ^ Ruma Banerjee, ред. (1999). Химия и биохимия B12 . Нью-Йорк: Wiley. ISBN 0-471-25390-1. OCLC  40397055.
  16. ^ ab Yamada K, Gravel RA, Toraya T, Matthews RG (июнь 2006 г.). «Человеческая метионинсинтаза редуктаза является молекулярным шапероном для человеческой метионинсинтазы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (25): 9476–9481. Bibcode : 2006PNAS..103.9476Y. doi : 10.1073/pnas.0603694103 . PMC 1480432. PMID  16769880 . 
  17. ^ ab Hall DA, Jordan-Starck TC, Loo RO, Ludwig ML, Matthews RG (сентябрь 2000 г.). «Взаимодействие флаводоксина с кобаламин-зависимой метионинсинтазой». Биохимия . 39 (35): 10711–10719. doi :10.1021/bi001096c. PMID  10978155.
  18. ^ Jarrett JT, Hoover DM, Ludwig ML, Matthews RG (сентябрь 1998 г.). «Механизм аденозилметионин-зависимой активации метионинсинтазы: быстрый кинетический анализ промежуточных продуктов в восстановительном метилировании фермента Cob(II)alamin». Biochemistry . 37 (36): 12649–12658. doi :10.1021/bi9808565. PMID  9730838.
  19. ^ Jarrett JT, Huang S, Matthews RG (апрель 1998 г.). «Метионинсинтаза существует в двух различных конформациях, которые различаются по реактивности по отношению к метилтетрагидрофолату, аденозилметионину и флаводоксину». Биохимия . 37 (16): 5372–5382. doi :10.1021/bi9730893. PMID  9548919.
  20. ^ ab Wolthers KR, Scrutton NS (июнь 2007 г.). «Взаимодействие белков в комплексе метионинсинтазы-метионинсинтазы редуктазы человека и его влияние на механизм реактивации фермента». Биохимия . 46 (23): 6696–6709. doi :10.1021/bi700339v. PMID  17477549.
  21. ^ Zhang Z, Tian C, Zhou S, Wang W, Guo Y, Xia J и др. (декабрь 2012 г.). «Механистическое проектирование, синтез и биологические исследования N⁵-замещенных аналогов тетрагидрофолата как ингибиторов кобаламин-зависимой метионинсинтазы и потенциальных противораковых агентов». European Journal of Medicinal Chemistry . 58 : 228–236. doi :10.1016/j.ejmech.2012.09.027. PMID  23124219.
  22. ^ abc Ubhi DK, Robertus JD (февраль 2015 г.). «Фермент кобаламин-независимой метионинсинтазы, захваченный в закрытой конформации, индуцированной субстратом». Журнал молекулярной биологии . 427 (4): 901–909. doi : 10.1016/j.jmb.2014.12.014 . PMID  25545590.
  23. ^ abc Koutmos M, Pejchal R, Bomer TM, Matthews RG, Smith JL, Ludwig ML (март 2008 г.). «Эластичность активного центра металла, связанная с активацией гомоцистеина в метионинсинтазах». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (9): 3286–3291. Bibcode : 2008PNAS..105.3286K. doi : 10.1073/pnas.0709960105 . PMC 2265165. PMID  18296644 . 
  24. ^ ab Evans JC, Huddler DP, Hilgers MT, Romanchuk G, Matthews RG, Ludwig ML (март 2004 г.). «Структуры N-концевых модулей подразумевают большие движения доменов во время катализа метионинсинтазой». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (11): 3729–3736. Bibcode :2004PNAS..101.3729E. doi : 10.1073/pnas.0308082100 . PMC 374312 . PMID  14752199. 
  25. ^ ab Drennan CL, Huang S, Drummond JT, Matthews RG, Ludwig ML (декабрь 1994 г.). «Как белок связывает B12: рентгеновская структура доменов связывания B12 метионинсинтазы». Science . 266 (5191): 1669–1674. doi :10.1126/science.7992050. PMID  7992050.
  26. ^ ab Bandarian V, Pattridge KA, Lennon BW, Huddler DP, Matthews RG, Ludwig ML (январь 2002 г.). «Доменное чередование переключает B(12)-зависимую метионинсинтазу в активационную конформацию». Nature Structural Biology . 9 (1): 53–56. doi :10.1038/nsb738. PMID  11731805. S2CID  10529695.
  27. ^ Datta S, Koutmos M, Pattridge KA, Ludwig ML, Matthews RG (март 2008 г.). «Дисульфид-стабилизированный конформер метионинсинтазы раскрывает неожиданную роль гистидинового лиганда кофактора кобаламина». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (11): 4115–4120. Bibcode : 2008PNAS..105.4115D. doi : 10.1073/pnas.0800329105 . PMC 2393809. PMID  18332423 . 
  28. ^ Pejchal R, Ludwig ML (февраль 2005 г.). «Кобаламин-независимая метионинсинтаза (MetE): двойной ствол лицом к лицу, возникший в результате дупликации генов». PLOS Biology . 3 (2): e31. doi : 10.1371/journal.pbio.0030031 . PMC 539065 . PMID  15630480. 
  29. ^ Broderick JB, Duffus BR, Duschene KS, Shepard EM (апрель 2014 г.). «Радикальные S-аденозилметиониновые ферменты». Chemical Reviews . 114 (8): 4229–4317. doi :10.1021/cr4004709. PMC 4002137. PMID  24476342 . 
  30. ^ Шейн Б. (июнь 2008 г.). «Обмен фолиевой кислоты и витамина B12: обзор и взаимодействие с рибофлавином, витамином B6 и полиморфизмами». Бюллетень пищевых продуктов и питания . 29 (2 Suppl): S5–S16. doi :10.1177/15648265080292S103. PMID  18709878. S2CID  21493797.
  31. ^ Watkins D, Ru M, Hwang HY, Kim CD, Murray A, Philip NS и др. (июль 2002 г.). «Гипергомоцистеинемия, вызванная дефицитом метионинсинтазы, cblG: структура гена MTR, разнообразие генотипов и распознавание общей мутации, P1173L». American Journal of Human Genetics . 71 (1): 143–153. doi :10.1086/341354. PMC 384971 . PMID  12068375. 
  32. ^ Ghergurovich JM, Xu X, Wang JZ, Yang L, Ryseck RP, Wang L, Rabinowitz JD (ноябрь 2021 г.). «Метионинсинтаза поддерживает пулы тетрагидрофолата в опухолях». Nature Metabolism . 3 (11): 1512–1520. doi :10.1038/s42255-021-00465-w. PMC 9284419. PMID 34799699.  S2CID 244450216  . 
  33. ^ Ferla MP, Patrick WM (август 2014 г.). «Бактериальный биосинтез метионина». Микробиология . 160 (ч. 8): 1571–1584. doi : 10.1099/mic.0.077826-0 . PMID  24939187.
  34. ^ Hesse H, Hoefgen R (июнь 2003 г.). «Молекулярные аспекты биосинтеза метионина». Trends in Plant Science . 8 (6): 259–262. doi :10.1016/S1360-1385(03)00107-9. PMID  12818659.
  35. ^ Banerjee RV, Matthews RG (март 1990). «Кобаламин-зависимая метионинсинтаза». FASEB Journal . 4 (5): 1450–1459. doi : 10.1096/fasebj.4.5.2407589 . hdl : 2027.42/154369 . PMID  2407589. S2CID  8210250.
  36. ^ Kim J, Kim H, Roh H, Kwon Y (апрель 2018 г.). «Причины гипергомоцистеинемии и ее патологическое значение». Архивы фармацевтических исследований . 41 (4): 372–383. doi :10.1007/s12272-018-1016-4. PMID  29552692. S2CID  3986295.
  37. ^ Outteryck O, de Sèze J, Stojkovic T, Cuisset JM, Dobbelaere D, Delalande S и др. (Июль 2012 г.). «Дефицит метионинсинтазы: редкая причина лейкоэнцефалопатии у взрослых». Neurology . 79 (4): 386–388. doi :10.1212/WNL.0b013e318260451b. PMID  22786600. S2CID  207121496.
  38. ^ Gulati S, Baker P, Li YN, Fowler B, Kruger W, Brody LC, Banerjee R (декабрь 1996 г.). «Дефекты человеческой метионинсинтазы у пациентов cblG». Human Molecular Genetics . 5 (12): 1859–1865. doi : 10.1093/hmg/5.12.1859 . PMID  8968736.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки