Serinová hydroxymethyltransferáza - Serine hydroxymethyltransferase

Serinová hydroxymethyltransferáza
EcSHMTPyMol.png
PyMol poskytl krystalovou strukturu serinhydroxymethyltransferázy
Identifikátory
EC číslo2.1.2.1
Číslo CAS9029-83-8
Databáze
IntEnzIntEnz pohled
BRENDAVstup BRENDA
EXPASYPohled NiceZyme
KEGGVstup KEGG
MetaCycmetabolická cesta
PRIAMprofil
PDB strukturRCSB PDB PDBe PDBsum

Serinová hydroxymethyltransferáza (SHMT) je a pyridoxal fosfát (PLP) (Vitamin B6) závislý enzym (ES 2.1.2.1 ), který hraje důležitou roli v buněčných jednouhlíkových drahách katalyzováním reverzibilní, současné přeměny L-serin na glycin a tetrahydrofolát (THF) do 5,10-Methylenetetrahydrofolát (5,10-CH2-THF).[1] Tato reakce poskytuje největší část jednouhlíkových jednotek, které má buňka k dispozici.[2]

Struktura

Struktura SHMT monomer je podobný napříč prokaryoty a eukaryoty, ale zatímco aktivní enzym je u prokaryot dimer, enzym existuje jako tetramer v eukaryotických buňkách, ačkoli evoluční základ pro tento rozdíl ve struktuře není znám.[1] Evoluční cestu, kterou SHMT přechází z prokaryotické dimerní formy do eukaryotické tetramerické formy, lze však snadno považovat za druh zdvojnásobení. Jinými slovy, eukaryotický tetramer SHMT se podobá dvěma prokaryotickým dimerům, které se spojily dohromady a vytvořily to, co bylo popsáno jako „dimer dimerů“.[3] Bylo zjištěno, že interakce mezi dvěma monomery v dimerní podjednotce probíhá na větší kontaktní ploše a je tedy mnohem těsnější než interakce mezi dvěma dimery.[3] Lidská serinová hydroxymethyltransferáza 2 (SHMT2) reguluje reakce přenosu jednoho uhlíku potřebné pro metabolismus aminokyselin a nukleotidů a regulovaný přechod mezi dimerní a tetramerní formou SHMT2, který je indukován Pyridoxal fosfát Nedávno bylo prokázáno, že se účastní regulace komplexu BRISC deubiqutylázy spojující metabolismus se zánětem. Dimer SHMT2, ale ne tetramer vázaný na PLP, je silným inhibitorem multimerního komplexu BRISC a odhaluje potenciální mechanismus regulace zánětu SHMT2. [4]

Jeden monomer SHMT lze rozdělit do tří domén: an N-konec „Paže“, „velký“ doména a „malá“ doména.[3] Zdá se, že rameno N-konce udržuje těsnou interakci mezi dvěma monomery. Paže, skládající se ze dvou alfa helixy a a beta list, obaluje druhý monomer v oligomerní formě.[3] „Velká“ doména obsahuje PLP vazebné místo, jak je vidět na jiných proteinech závislých na PLP aspartátaminotransferáza.[3] Velká doména v eukaryotické formě také obsahuje histidin, který je nezbytný pro stabilitu tetrameru.[3] Všechny čtyři histidiny těchto zbytků, jeden z každého monomeru, sedí ve středu tetramerního komplexu, kde dva histidiny z dimerní podjednotky zapadají do stohování interakce s histidiny druhé podjednotky.[3] Prokaryotický SHMT má prolin zbytek spíše než histidin v ekvivalentní poloze, což by částečně vysvětlovalo, proč prokaryotický SHMT netvoří tetramery.[5]

Struktura aktivního místa je vysoce konzervovaná napříč eukaryotickými a prokaryotickými formami. PLP je ukotven pomocí a lysin, který tvoří aldimin Schiffova základna propojení s PLP aldehyd.[6] Předpokládalo se, že poblíž tyrosin funguje jako proton dárce a akceptor během transadiminačního kroku i formyl krok přenosu a to arginin zbytek zabírá postranní řetězec tyrosinu v a interakce kation – π, což pomáhá snížit pKA tyrosinu, snižující bariéru pro přenos protonů.[6]

Mechanismus

Mechanismus obvykle připisovaný enzymatické aktivitě SHMT je transamidace následovaná štěpením aminokyselina boční řetěz od páteře.[6] N-koncový amin serinu vytváří nukleofilní napadení aldiminu mezi SHMT lysinem (Internal Aldimine) a PLP aldehydem za vzniku gem-diaminu a poté N-koncového aminu osamělý pár sestupuje, aby vytěsnil lysin a vytvořil nový aldimin, tentokrát se serinem (externí aldimin).[6][7] Předpokládá se, že blízký tyrosin je zodpovědný za většinu přenosů protonů, ke kterým dochází během transaldiminace.[6][8][9]

Jakmile je serin navázán na PLP, PLP spouští a-eliminaci hydroxymethylové skupiny substrátu (serin). Tato skupina se uvolňuje jako molekula formaldehydu, protože blízký glutamát oddělí proton z hydroxylové skupiny. Poté nukleofilní amin na THF napadá volný meziprodukt formaldehydu za vzniku karbinolamin středně pokročilí.[7][10] Ve druhém případě nukleofilní aminy na THF napadají uhlík serinového postranního řetězce a současně tvoří karbinolaminový meziprodukt na THF a chinoidní meziprodukt s PLP.[7][11] THF však není povinný Podklad pro SHMT, což znamená štěpení serinu a dalších ß-hydroxyaminokyselin (jako např threonin ) může nastat bez přítomnosti THF a v tomto případě je mechanismem retroaldolové štěpení.[12] Také se zdá, že následující dehydratace karbinolaminového meziproduktu za vzniku methylenový můstek a plně cyklizovat na 5,10-CH2-THF není katalyzován enzymem a může dojít k této reakci spontánně.[7] Ve skutečnosti by tato přeměna mohla nastat mimo enzym, ale studie ukazuje, že tato reakce je rychlejší a termodynamicky příznivá, když k ní dojde uvnitř SHMT za pomoci zbytku Glu57. Kromě toho cyklizace karbinolaminového meziproduktu za vzniku 5,10-CH2-THF je nezbytný pro obnovení Glu57 jeho protonu, který se používá k protonaci chinonoidního meziproduktu a dokončení katalytického cyklu.[10]

Klinický význam

Metabolismus folátů již byl předmětem chemoterapeutické strategie, ale SHMT inhibice, zatímco byly prozkoumány, nebyly skutečně využity v komerčních protinádorových lécích.[13] Jelikož jsou však foláty používané metabolity folátů a enzymy závislými na folátu velmi podobné ve struktuře a napodobeniny folátu, které jsou již běžné v lékařství, nebylo těžké najít potenciální molekulární struktury, které by mohly inhibovat SHMT.[13] Například, pemetrexed se již používá jako antifolát k léčbě mezoteliomu a bylo zjištěno, že je účinným inhibitorem SHMT[13] a screening dalších antifolátů odhalil lometrexol jako další účinný inhibitor SHMT.[14]

SHMT také prošel vyšetřováním jako potenciální cíl pro antimalarické léky. Výzkum naznačuje, že aktivní prostředí webu Plasmodium SHMT (PSHMT) se od těch lidských cytosolických SHMT značně liší, což umožňuje možnost selektivní inhibice PSHMT, a tedy i léčbu malárie infekce.[15] Zejména bylo prokázáno, že určité molekuly pyrazolopyranu mají selektivní nanomolární účinnost proti PSHMT. Chudý farmakokinetika však zabránily tomu, aby tyto pyrazolopyrany byly účinné v živých modelech.[16]

Izoformy

Bakterie jako např Escherichia coli a Bacillus stearothermophilus mají verze tohoto enzymu a zdá se, že existují dvě izoformy SHMT u savců, jedna v cytoplazma (cSHMT) a další v mitochondrie (mSHMT).[1] Rostliny mohou mít uvnitř další izoformu SHMT chloroplasty.[17]

U savců je enzym a tetramer čtyř identických podjednotek, každý s přibližně 50 000 daltony. Neporušený holoenzym má molekulovou hmotnost přibližně 200 000 daltonů a zahrnuje čtyři molekuly PLP jako a koenzym.[18]

Další reakce

Kromě své primární role v metabolismu folátů SHMT také katalyzuje další reakce, které mohou být biologicky významné, včetně přeměny 5,10-methenyltetrahydrofolátu na 10-Formyltetrahydrofolát.[2] Ve spojení s C.1-tetrahydrofolát syntáza a tetrahydropteroát, cSHMT také katalyzuje přeměnu mravenčanu na serin.[2]

Role v Smith-Magenisově syndromu

Smith-Magenisův syndrom (SMS) je vzácná porucha, která se projevuje jako komplexní soubor vlastností včetně abnormalit obličeje, neobvyklého chování a zpoždění vývoje.[19] Vyplývá to z intersticiální delece v chromozomu 17p11.2, včetně genu cSHMT, a malá studie ukázala, že aktivita SHMT u pacientů se SMS byla ~ 50% normální.[19] Snížený SHMT by měl za následek méně glycinu, který by mohl působit jako agonista na nervový systém NMDA receptor a to by mohl být mechanismus za SMS.[19]

Reference

  1. ^ A b C Appaji Rao N, Ambili M, Jala VR, Subramanya HS, Savithri HS (duben 2003). "Vztah struktura-funkce v serinhydroxymethyltransferáze". Biochim. Biophys. Acta. 1647 (1–2): 24–9. doi:10.1016 / s1570-9639 (03) 00043-8. PMID  12686103.
  2. ^ A b C Stover P, Schirch V (srpen 1990). „Serinová hydroxymethyltransferáza katalyzuje hydrolýzu 5,10-methenyltetrahydrofolátu na 5-formyltetrahydrofolát“. J. Biol. Chem. 265 (24): 14227–33. PMID  2201683.
  3. ^ A b C d E F G Renwick S, Snell K, Baumann U (1998). „Krystalová struktura lidské cytosolické serinhydroxymethyltransferázy: cíl pro chemoterapii rakoviny“. Struktura. 6 (9): 1105–1116. doi:10.1016 / s0969-2126 (98) 00112-9. PMID  9753690.
  4. ^ Walden M a kol. (Květen 2019). „Metabolická kontrola sestavy BRISC – SHMT2 reguluje imunitní signalizaci“. Příroda. 570 (7760): 194–199. Bibcode:2019 Natur.570..194W. doi:10.1038 / s41586-019-1232-1. PMC  5106787. PMID  27835992.
  5. ^ Scarsdale J, Radaev S, Kazanina G, Schirch V, Wright, H (2000). "Krystalová struktura při rozlišení 2,4 A serin hydroxymethyltransferázy E. coli v komplexu s glycinovým substrátem a 5-formyl tetrahydrofolátem". J. Mol. Biol. 296 (1): 155–168. doi:10.1006 / jmbi.1999.3453. PMID  10656824.
  6. ^ A b C d E Florio R, di Salvo M, Vivoli M, Contestabile R (2011). „erinová hydroxymethyltransferáza: modelový enzym pro mechanistické, strukturální a evoluční studie“. Biochim. Biophys. Acta. 1814 (11): 1489–1496. doi:10.1016 / j.bbapap.2010.10.010. PMID  21059411.
  7. ^ A b C d Schirch V, Szebenyi D (2005). "Serinová hydroxymethyltransferáza znovu navštívena". Curr. Opin. Chem. Biol. 9 (5): 482–487. doi:10.1016 / j.cbpa.2005.08.017. PMID  16125438.
  8. ^ Oliveira, Eduardo F .; Cerqueira, Nuno M. F. S. A .; Fernandes, Pedro A .; Ramos, Maria J. (10.10.2011). "Mechanismus tvorby interního aldiminu v pyridoxal 5'-fosfát-závislých enzymech". Journal of the American Chemical Society. 133 (39): 15496–15505. doi:10.1021 / ja204229m. ISSN  0002-7863. PMID  21854048.
  9. ^ Cerqueira, N. M. F. S. A .; Fernandes, P. A .; Ramos, M. J. (10.05.2011). „Výpočtové mechanistické studie zaměřené na transiminační reakci přítomnou ve všech enzymech vyžadujících pyridoxal 5′-fosfát“. Journal of Chemical Theory and Computation. 7 (5): 1356–1368. doi:10.1021 / ct1002219. ISSN  1549-9618. PMID  26610130.
  10. ^ A b Fernandes, Henrique S .; Ramos, Maria João; Cerqueira, Nuno M. F. S.A. (10. 10. 2018). „Catalytic Mechanism of the Serine Hydroxymethyltransferase: A Computational ONIOM QM / MM Study“. ACS katalýza. 8 (11): 10096–10110. doi:10.1021 / acscatal.8b02321. ISSN  2155-5435.
  11. ^ Szebenyi D, Musayev F, di Salvo M, Safo M, Schirch V (2004). „Serinová hydroxymethyltransferáza: role glu75 a důkaz, že serin je štěpen mechanismem retro-aldolu“. Biochemie. 43 (22): 6865–6876. doi:10.1021 / bi049791y. PMID  15170323.
  12. ^ Chiba Y, Terada T, Kameya M, Shimizu K, Arai H, Ishii M, Igarashi Y (2012). "Mechanismus reakce na aldolázu nezávislé na folátu katalyzované serinhydroxymethyltransferázou". FEBS J. 279 (3): 504–514. doi:10.1111 / j.1742-4658.2011.08443.x. PMID  22141341.
  13. ^ A b C Daidone F, Florio R, Rinaldo S, Contestabile R, di Salvo M, Cutruzzola F, Bossa F, Paiardini A (2011). „In silico a in vitro validace serinhydroxymethyltransferázy jako chemoterapeutického cíle antifolátového léčiva pemetrexed“. Eur. J. Med. Chem. 46 (5): 1616–1621. doi:10.1016 / j.ejmech.2011.02.009. PMID  21371789.
  14. ^ Paiardini A, Fiascarelli A, Rinaldo S, Daidone F, Giardina G, Koes D, Parroni A, Montini G, Marani M, Paone A, McDermott L, Contestabile R, Cutruzzola F (2015). "Screening a in vitro testování antifolátových inhibitorů lidské cytosolické serinhydroxymethyltransferázy". ChemMedChem. 10 (3): 490–497. doi:10,1002 / cmdc.201500028. PMC  5438088. PMID  25677305.
  15. ^ Pinthong C, Maenpuen S, Amornwatcharapong W, Yuthavong Y, Leartsakulpanich U, Chaiyen P (2014). „Výrazné biochemické vlastnosti lidské serinhydroxymethyltransferázy ve srovnání s enzymem Plasmodium: důsledky pro selektivní inhibici“. FEBS J. 281 (11): 2570–2583. doi:10.1111 / febs.12803. PMID  24698160.
  16. ^ Witschel M, Rottmann M, Schwab A, Leartsakulpanich U, Chitnumsub P, Seet M, Tonazzi S, Schwertz G, Stelzer F, Mietzner T, McNamara C, Thater F, Freymond C, Jaruwat A, Pinthong C, Riangrungroj P, Oufir M , Hamburger M, Maser P, Sanz-Alonso L, Charman S, Wittlin S, Yuthavong Y, Chaiyen P, Diederich F (2015). „Inhibitory plasmodiální serinhydroxymethyltransferázy (SHMT): kokrystalické struktury pyrazolopyranů se silnými krvotvornými a jaterními stádii“. J. Med. Chem. 58 (7): 3117–3130. doi:10.1021 / jm501987h. PMID  25785478.
  17. ^ Besson V, Nauburger M, Rebeille F, Douce R (1995). "Důkazy o třech serinových hydroxymethyltransferázách v buňkách zelených listů. Čištění a charakterizace mitochondriálních a chloroplastických izoforem". Plant Physiol. Biochem. 33 (6): 665–673.
  18. ^ Martinez-Carrion M, Critz W, Quashnock J (duben 1972). "Molekulová hmotnost a podjednotky serin-transhydroxymethylázy". Biochemie. 11 (9): 1613–5. doi:10.1021 / bi00759a011. PMID  5028104.
  19. ^ A b C Elsea SH, Juyal RC, Jiralerspong S, Finucane BM, Pandolfo M, Greenberg F, Baldini A, Stover P, Patel PI (prosinec 1995). „Haploinsufficiency cytosolic serine hydroxymethyltransferase in the Smith-Magenis syndrom“. Dopoledne. J. Hum. Genet. 57 (6): 1342–50. PMC  1801426. PMID  8533763.

Literatura

  • Akhtar M, el-Obeid HA (1972). "Inaktivace aktivity serin-transhydroxymethylázy a threonin-aldolázy". Biochim. Biophys. Acta. 258 (3): 791–9. doi:10.1016/0005-2744(72)90180-5. PMID  5017703.
  • Blakley RL (1960). „Spektrofotometrická studie reakce katalyzované serin-transhydroxymethylázou“. Biochem. J. 77 (3): 459–65. doi:10.1042 / bj0770459. PMC  1205057. PMID  16748851.
  • Fujioka M (1969). "Čištění a vlastnosti serinhydroxymethylázy z rozpustných a mitochondriálních frakcí králičích jater". Biochim. Biophys. Acta. 185 (2): 338–49. doi:10.1016/0005-2744(69)90427-6. PMID  5808700.
  • Kumagai H, Nagate T, Yoshida H, Yamada H (1972). „Threoninová aldoláza z Candida humicola. II. Čištění, krystalizace a vlastnosti“. Biochim. Biophys. Acta. 258 (3): 779–90. doi:10.1016/0005-2744(72)90179-9. PMID  5017702.
  • Schirch L, Gross T (1968). "Serinová transhydroxymethyláza. Identifikace jako threoninové a alothreoninové aldolasy". J. Biol. Chem. 243 (21): 5651–5. PMID  5699057.
  • Schirch L, Quashnock, J (1981). "Důkaz, že se tetrahydrofolát neváže na serinhydroxymethyltransferázu s pozitivní homotropní spoluprací". J. Biol. Chem. 256 (12): 6245–9. PMID  6787050.
  • Quashnock J, Chlewboski J, Martinez-Carrion M, Schirch L (1983). „Serinová hydroxymethyltransferáza 31P Studie nukleární magnetické rezonance enzymem vázaného pyridoxal 5'-fosfátu ". J. Biol. Chem. 258 (1): 503–7. PMID  6848517.

externí odkazy