Холестерин 24-гидроксилаза - Cholesterol 24-hydroxylase

Холестерин-24 гидроксилаза
Белок CYP46A1 PDB 2Q9F.png
Структура холестерин-24 гидрокслазы (CYP46A1) в Homo sapiens. На основе PyMOL-рендеринга PDB 2Q9F​.
Идентификаторы
Номер ЕС1.14.13.98
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum

Холестерин 24-гидроксилаза (ЕС 1.14.13.98 ), также широко известный как холестерин 24S-гидроксилаза, холестерин 24-монооксигеназа, CYP46, или же CYP46A1, является фермент который катализирует преобразование холестерин к 24S-гидроксихолестерин. Он отвечает за большую часть оборота холестерина в организме человека. Центральная нервная система.[1] В систематическое название этого класса ферментов холестерин, НАДФН: оксидоредуктаза кислорода (24-гидроксилирование).

Этот фермент входит в состав цитохром P450 (CYP) суперсемейство ферментов. Как и многие другие ферменты CYP, которые действуют на холестерин, гидроксилаза холестерина-24 является монооксигеназа который гидроксилирует боковую цепь холестерина.[2]

Потому что 24S-гидроксихолестерин больше полярный чем холестерин, он легче проходит гематоэнцефалический барьер чтобы выйти из мозга и попасть в кровоток, откуда он может попасть в печень для дальнейшего разложения.[3][4] Этот фермент также был обнаружен в небольших количествах в сетчатка, где он выполняет ту же функцию в меньшей степени.[5]

Генетическое клонирование кодирующего гена (CYP46A1) было впервые выполнено в 1999 г. Кишечная палочка Система экспрессии и очистки была позже разработана в 2003 году.[2][6]

Молекулярная структура

Ферментативная структура холестерин-24 гидроксилазы человека была определена с помощью кристаллография на Стэнфордский источник синхротронного излучения, и было показано, что он является мономером 57 кДа (500 остатков) гем -содержащий белок, связанный с эндоплазматический ретикулум в нейронах.

Активный центр гидроксилазы холестерина-24 и молекула гема со связанным холестерин-3-сульфатом. Белым помечены гидрофобные остатки, взаимодействующие с алифатическим хвостом холестерина. Создано в pyMOL из PDB 2Q9F

Гидроксилаза холестерина-24 сходна по структуре со многими другими цитохромами Р450, обладая, например, консервативным участком из 23 гидрофобных остатков на N-конце, которые составляют трансмембранно-заякоренный домен (остатки 3–27).[7]

Гидроксилаза холестер-24 (CYP46A1) с размещением активного сайта показано красным. Создан в pyMOL из PDB 2Q9F.

Даже в этом случае С-конец холестерин-24-гидроксилазы имеет уникальный пролин - богатая область из 5 повторяющихся остатков пролина, структурный мотив, отсутствующий во всех других родственных ферментах цитохрома p450. Хотя точная функция этих остатков пролина остается весьма предположительной, было показано, что делеция этой области приводит к двукратному снижению каталитической эффективности фермента.[8]

Связывание холестерина приводит к ферментативному конформационному изменению и последующему индуцированному подгонке активного центра вокруг молекулы холестерина, закрепляя сайт гидроксилирования (C-24, C-25) рядом с каталитическим центром фермента (5,7 Å от железного ядра). молекулы гема, чтобы оксиферильные интермедиаты могли осуществлять гидроксилирование холестерина). Область петли, известная как петля B'-C, имеет ряд из 5 остатков (остатки 116–120), уникальных для гидроксилазы холестерина-24, которые вносят вклад в позиционирование молекулы холестерина в активном центре. Одиночная молекула холестерина занимает весь активный центр, а алифатический хвост холестерина удерживается на месте посредством взаимодействий со следующими гидрофобными остатками: Phe-121, Val-126, Ile-301, Ala-302, Ala-367. , Тр-475. Доступ к активному сайту осуществляется через единственный вход, созданный двумя спиралями (B 'и F) и β1-листом.[8]

Нет известных аллостерический регуляторный места.

Ферментный механизм

Механизм гидроксилазы холестерина-24. Молекула гема образует промежуточный оксиферил, который отщепляет водород от холестерина. Последующий промежуточный алкил затем вступает в реакцию с активированным кислородом с образованием конечного продукта.[9][10]

Холестерин-24 гидроксилаза катализирует следующую реакцию:

холестерин + НАДФН + Н+ + O2 (24S) -24-гидроксихолестерин + НАДФ+ + H2О

4 субстраты этого фермента холестерин, НАДФН, ЧАС+, и О2, а его 3 товары находятся 24S-гидроксихолестерин, НАДФ+, и ЧАС2О.[11]

Как и все другие цитохромы P450, холестерин-24 гидроксилаза использует оксиферильный промежуточный продукт для гидроксилирования холестерина. Оксиферрильный радикал забирает водород у углерода-24, чтобы создать алкил радикальный интермедиат. Алкильный радикал холестерина затем объединяется с активированным кислородом гема с образованием 24S-гидроксихолестерина.[9][10]

Функция

Холестерин-24-гидроксилаза способствует гомеостазу холестерина в головном мозге, гидроксилируя холестерин с углерода-24 на 24S-гидроксихолестерин, чтобы обеспечить элиминацию холестерина из мозга в печень.[11] Однако ежедневно этим ферментом гидроксилируется только около 6–7 мг холестерина, что свидетельствует о существовании альтернативных функций, которые в настоящее время неизвестны. В пробирке эксперименты показали, что он также способен к дальнейшему метаболизму 24S-гидроксихолестерина в 24,25- и 24,27-дигидроксихолестерины.[1]

Гидроксилаза холестерина-24 имеет множество возможных субстратов, включая удлиненные стероидные цепи, производные холестерина и множество кандидатов в лекарственные средства.[12][13] Таким образом, также вероятно, что он играет роль в метаболизме липидов в мозге, помимо расщепления холестерина. Поскольку 24S-гидроксихолестерин (основной продукт этого фермента) является основным активатором оксистерина. Х-рецепторы печени (LXR), возможно, что гидроксилаза холестерина-24 может играть косвенную регулирующую роль в метаболизме липидов в печени.[2][14] 24S-гидроксихолестерин также регулирует скорость синтеза холестерина в головном мозге, при этом было показано, что высокие уровни 24S-гидроксихолестерина снижают уровни мРНК следующих ферментов синтеза холестерина: ГМГ-КоА редуктаза, скваленсинтаза, и FPP синтаза.[15]

Клиническое значение

Вариабельная экспрессия холестерин-24-гидроксилазы связана с началом Болезнь Альцгеймера (AD) у человека. Исследования показали, что у пациентов с БА наблюдается значительное снижение экспрессии холестерин-24 гидроксилазы в нейроны.[16] В результате наблюдается заметное повышение холестерина в тканях мозга,[17] в соответствии с тенденцией, наблюдаемой у пациентов с AD.

Субстраты метаболизируются холестерин-24 гидроксилазой. В красном поле содержится список ксенобиотики фермент может метаболизировать. Голубые реакции обычно наблюдаются в мозге как часть поддержания гомеостаза холестерина.

Деградацию нейронов при БА часто связывают с дисбалансом гомеостаза холестерина, и многие ученые предполагают, что пониженная экспрессия холестерин-24-гидроксилазы может быть основной причиной этого дисбаланса.

С другой стороны, в то время как в нейронах снижена экспрессия, наблюдается контрастное увеличение экспрессии у пациентов с БА. астроциты, где происходит последующее накопление продукта, 24S-гидроксихолестерина.[18] Недавние исследования показали, что повышенные уровни 24S-гидроксихолестерина в астроцитах могут привести к потере глиальных транспортеров глутамата (EAAT2) и, как следствие, потере глутамат функция поглощения в головном мозге, еще один частый симптом, наблюдаемый у пациентов с БА.[19]

Тем не менее, связь между уровнями экспрессии холестерина 24 гидроксилазы и болезнь Альцгеймера остаются спорными. Хотя некоторые исследования показали, что полиморфизмы в гене, кодирующем холестерин-24-гидроксилазу, имеют установленную положительную корреляцию с началом БА, другие публикации не обнаружили такой связи.[20][21] Повышенная экспрессия холестерин-24-гидроксилазы также наблюдалась у пациентов с черепно-мозговой травмой, что приводило к снижению уровня холестерина в плазматической мембране. Предполагается, что это типичная реакция мозга на травму.[15]

Холестерин-24-гидроксилаза легко ингибируется многими лекарствами благодаря своей широкой субстратной специфичности. Было показано, что он метаболизирует Буфуралол, прогестерон, Декстрометорфан, метоксирезоруфин, кортизол, Диклофенак, Фенацетин, и тестостерон.[13] Способность к ингибированию различными ксенобиотиками делает этот фермент главным кандидатом для лекарственной терапии БА или других травм головного мозга.

Рекомендации

  1. ^ а б Рассел DW; Халфорд RW; Рамирес DMO; Шах Р; Котти Т. (2009). «Холестерин 24-гидроксилаза: фермент обмена холестерина в головном мозге». Ежегодный обзор биохимии. 78: 1017–1040. Дои:10.1146 / annurev.biochem.78.072407.103859. ЧВК  2837268. PMID  19489738.
  2. ^ а б c Пикулева И.А. (апрель 2006 г.). «Цитохромы, метаболизирующие холестерин Р450». Метаболизм и утилизация лекарств. 34 (4): 513–520. Дои:10.1124 / dmd.105.008789. PMID  16434543.
  3. ^ Пикулева И.А. (декабрь 2006 г.). «Цитохром P450s и гомеостаз холестерина». Фармакология и терапия. 112 (3): 761–773. Дои:10.1016 / j.pharmthera.2006.05.014. PMID  16872679.
  4. ^ Рассел DW (2003). «Ферменты, регуляция и генетика синтеза желчных кислот». Анну. Преподобный Biochem. 72: 137–74. Дои:10.1146 / annurev.biochem.72.121801.161712. PMID  12543708.
  5. ^ Bretillon L; Diczfalusy U; Bjorkhem I; Maire MA; Martine L; Жоффр С; Acar N; Брон А; Creuzot-Garcher C (апрель 2007 г.). «Холестерин-24S-гидроксилаза (CYP46A1) специфически экспрессируется в нейронах нервной сетчатки». Текущие исследования глаз. 32 (4): 361–366. Дои:10.1080/02713680701231857. PMID  17453958.
  6. ^ Лунд Э.Г., Гильярдо Дж. М., Рассел Д. В. (1999). «Клонирование кДНК холестерин 24-гидроксилазы, медиатора гомеостаза холестерина в головном мозге». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 96 (13): 7238–43. Bibcode:1999PNAS ... 96.7238L. Дои:10.1073 / пнас.96.13.7238. ЧВК  22064. PMID  10377398.
  7. ^ Мачта N; Андерссон У; Накаяма К; Bjorkhem I; Пикулева И.А. (август 2004 г.). «Экспрессия человеческого цитохрома P450 46A1 в Escherichia coli: эффекты N- и C-концевых модификаций». Arch. Biochem. Биофиз. 428 (1): 99–108. Дои:10.1016 / j.abb.2004.05.012. PMID  15234274.
  8. ^ а б Мачта N; Белый MN; Bjorkhem I; Джонсон Э.Ф .; Крепкий компакт-диск; Пикулева И.А. (июль 2008 г.). «Кристаллические структуры связанного с субстратом и свободного от субстрата цитохрома P450 46A1, основной холестерин гидроксилазы в головном мозге». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 105 (28): 9546–9551. Bibcode:2008ПНАС..105.9546М. Дои:10.1073 / pnas.0803717105. ЧВК  2474539. PMID  18621681.
  9. ^ а б Манро А.В.; Girvan HM; Маклин К.Дж. (июнь 2007 г.). «Вариации гема a (t) - новые механизмы, окислительно-восстановительные партнеры и каталитические функции в суперсемействе цитохрома P450». Отчеты о натуральных продуктах. 24 (3): 585–609. Дои:10.1039 / b604190f. PMID  17534532.
  10. ^ а б Ортис де Монтельяно PR (февраль 2010 г.). «Гидроксилирование углеводородов ферментами цитохрома Р450». Химические обзоры. 110 (2): 932–948. Дои:10.1021 / cr9002193. ЧВК  2820140. PMID  19769330.
  11. ^ а б Лунд Э. Г., Се С., Котти Т., Терли С. Д., Дитши Д. М., Рассел Д. В. (2003). «Нокаут гена холестерин-24-гидроксилазы у мышей раскрывает специфический для мозга механизм оборота холестерина». J. Biol. Chem. 278 (25): 22980–8. Дои:10.1074 / jbc.M303415200. PMID  12686551.
  12. ^ Пикулева И.А. Norcross, R; Андерссон, U; Шоу, М; Накаяма, К. Bjorkhem, I; Пикулева И.А. (2003). «Широкая субстратная специфичность человеческого цитохрома P450 46A1, который инициирует деградацию холестерина в головном мозге». Биохимия. 42 (48): 14284–92. Дои:10.1021 / bi035512f. PMID  14640697.
  13. ^ а б Мачта N; Charvet C; Пикулева И.А. Stout CD (октябрь 2010 г.). «Структурная основа связывания лекарств с CYP46A1, ферментом, который контролирует обмен холестерина в головном мозге». Журнал биологической химии. 285 (41): 31783–31795. Дои:10.1074 / jbc.M110.143313. ЧВК  2951250. PMID  20667828.
  14. ^ Shafaati M; Олин М; Бавнер А; Pettersson H; Розелл Б; Мини С; Parini P; Бьоркхем I (октябрь 2011 г.). «Повышенного производства 24S-гидроксихолестерина недостаточно для управления генами-мишенями Х-рецептора печени in vivo». Журнал внутренней медицины. 270 (4): 377–387. Дои:10.1111 / j.1365-2796.2011.02389.x. PMID  21486371.
  15. ^ а б Картахена CM; Бернс МП; Ребек GW (март 2010 г.). «Действие 24S-гидроксихолестерина на гены метаболизма липидов моделируется при черепно-мозговой травме». Исследование мозга. 1319: 1–12. Дои:10.1016 / j.brainres.2009.12.080. ЧВК  2826556. PMID  20053345.
  16. ^ Винблад Б., Рассел Д. В., Бьоркхем I (2001). «Об обмене холестерина в головном мозге у пациентов с болезнью Альцгеймера. Аномальная индукция холестерин-катаболического фермента CYP46 в глиальных клетках». Neurosci. Латыш. 314 (1–2): 45–8. Дои:10.1016 / S0304-3940 (01) 02277-7. PMID  11698143.
  17. ^ Desai P; ДеКоски СТ; Камбох М.И. (август 2002 г.). «Генетические вариации в гене холестерин-24-гидроксилазы (CYP46) и риск болезни Альцгеймера». Письма о неврологии. 328 (1): 9–12. Дои:10.1016 / s0304-3940 (02) 00443-3. PMID  12123847.
  18. ^ Браун J; Тайслер С; Зильберман С; Магнусон Д; Gottardi-Littell N; Ли Дж. М.; Ягер Д; Кроули Дж; Sambamurti K; Рахман ММ; Reiss AB; Eckman CB; Волозин Б (Август 2004 г.). «Дифференциальная экспрессия гидроксилаз холестерина при болезни Альцгеймера». Журнал биологической химии. 279 (33): 34674–34681. Дои:10.1074 / jbc.M402324200. PMID  15148325.
  19. ^ Tian G; Kong Q; Lai L; Ray-Chaudhury A; Lin CLG (май 2010 г.). «Повышенная экспрессия холестерин 24S-гидроксилазы приводит к нарушению ассоциации глиального транспортера глутамата EAAT2 с липидными рафтами: потенциальная роль в болезни Альцгеймера». Журнал нейрохимии. 113 (4): 978–989. Дои:10.1111 / j.1471-4159.2010.06661.x. ЧВК  3010752. PMID  20193040.
  20. ^ Kolsch H; Lutjohann D; Людвиг М; Шульте А; Ptok U; Jessen F; фон Бергманн К; Рао М.Л .; Maier W; Хын Р. (2002). «Полиморфизм гена холестерина 24S-гидроксилазы связан с болезнью Альцгеймера». Молекулярная психиатрия. 7 (8): 899–902. Дои:10.1038 / sj.mp.4001109. PMID  12232784.
  21. ^ Ma SL; Tang NLS; Lam LCW; Chiu HFK (март 2006 г.). «Полиморфизм гена холестерин-24-гидроксилазы (CYP46A1) и риск болезни Альцгеймера в китайском населении». Международная психогериатрия / IPA. 18 (1): 37–45. Дои:10.1017 / S1041610205003108. PMID  16734927.

внешняя ссылка