Thioredoxin reduktáza - Thioredoxin reductase

Thioredoxin-disulfidreduktáza
TrxR.png
Krystalová struktura člověka thioredoxin reduktáza 1; vykreslování na základě PDB: 2 OHV​.
Identifikátory
EC číslo1.8.1.9
Číslo CAS9074-14-0
Databáze
IntEnzIntEnz pohled
BRENDAVstup BRENDA
EXPASYPohled NiceZyme
KEGGVstup KEGG
MetaCycmetabolická cesta
PRIAMprofil
PDB strukturRCSB PDB PDBe PDBsum
Genová ontologieAmiGO / QuickGO
Thioredoxin reduktáza
Identifikátory
Symbol?
InterProIPR005982
STRÁNKAPS00573
SCOP21zof / Rozsah / SUPFAM

Thioredoxin reduktázy (TR, TrxR) (ES 1.8.1.9 ) jsou jediné známé enzymy, které se snižují thioredoxin (Trx).[1] Byly identifikovány dvě třídy thioredoxin reduktázy: jedna třída u bakterií a některých eukaryot a jedna u zvířat. V bakteriích TrxR také katalyzuje redukci proteinů podobných glutaredoxinu známých jako NrdH.[2][3][4] Obě třídy jsou flavoproteiny které fungují jako homodimery. Každý monomer obsahuje a FAD protetická skupina, a NADPH vazebná doména a aktivní místo obsahující redox-aktivní disulfidová vazba.[5]

Buněčná role

Thioredoxin reduktáza je jediný známý enzym, který katalyzuje redukci thioredoxinu[1] a proto je ústřední složkou v systému thioredoxinu. Spolu s thioredoxinem (Trx) a NADPH je nejobecnější popis tohoto systému jako způsob vytváření redukovaných disulfidových vazeb v buňkách. Elektrony jsou odebírány z NADPH prostřednictvím TrxR a jsou přenášeny do aktivního místa Trx, které dále redukuje disulfidy proteinů nebo jiné substráty.[6] Systém Trx existuje ve všech živých buňkách a má evoluční historii vázanou na DNA jako genetický materiál, obranu proti oxidačnímu poškození v důsledku metabolismu kyslíku a redoxní signalizaci pomocí molekul jako je peroxid vodíku a oxid dusnatý.[7][8]

Schematické znázornění buněčné role TrxR Převzato z Holmgren et al.[6]

Rozmanitost

Nezávisle se vyvinuly dvě třídy thioredoxin reduktázy:

Tyto dvě třídy TrxR mají pouze ~ 20% identitu sekvence v části primární sekvence, kde je lze spolehlivě zarovnat.[5] Čistá reakce obou tříd TrxR je identická, ale mechanismus působení každé z nich je odlišný.[9]

Lidé exprimují tři izoenzymy thioredoxin reduktázy: thioredoxin reduktáza 1 (TrxR1, cytosolická), thioredoxin reduktáza 2 (TrxR2, mitochondriální), thioredoxin reduktáza 3 (TrxR3, specifická pro varlata).[10] Každý izozym je kódován samostatným genem:

thioredoxin reduktáza 1
Identifikátory
SymbolTXNRD1
Gen NCBI7296
HGNC12437
OMIM601112
RefSeqNM_003330
UniProtQ16881
Další údaje
EC číslo1.8.1.9
MístoChr. 12 q23-q24.1
thioredoxin reduktáza 2
Identifikátory
SymbolTXNRD2
Gen NCBI10587
HGNC18155
OMIM606448
RefSeqNM_006440
UniProtQ9NNW7
Další údaje
EC číslo1.8.1.9
MístoChr. 22 q11.21
thioredoxin reduktáza 3
Identifikátory
SymbolTXNRD3
Gen NCBI114112
HGNC20667
OMIM606235
RefSeqXM_051264
UniProtQ86VQ6
Další údaje
EC číslo1.8.1.9
MístoChr. 3 p13-q13.33

Struktura

E-coli

v E-coli ThxR existují dvě vazebné domény, jedna pro FAD a další pro NADPH. Spojení mezi těmito dvěma doménami je dvouvláknové antiparalelní β-list.[11] Každá doména samostatně je velmi podobná analogickým doménám v glutathion reduktáza, a lipoamid dehydrogenáza ale jejich relativní orientace těchto domén v ThxR je otočena o 66 stupňů.[11] To se stává významným v enzymovém mechanismu účinku, který je popsán níže. ThxR homo-dimerizuje s rozhraním mezi dvěma monomery tvořenými třemi alfa-šroubovice a dvě smyčky.[11] Každý monomer může samostatně vázat molekulu thioredoxin.

  • Struktura E-coli ThioR dimer vázal thioredoxin

  • Struktura E-coli ThxR se značenými protetickými skupinami FAD a NADPH

Savčí

Savčí struktura TrxR je podobná E-coli. Obsahuje a FAD a NADPH vazebná doména a rozhraní mezi dvěma monomerními podjednotkami. U savčích ThxR je inzerce v FAD vazebná doména mezi dvěma alfa helixy, která tvoří malý pár beta řetězců.[12] Aktivní disulfid v enzymu je umístěn na jedné z těchto šroubovic, a tedy aktivní disulfidová vazba je umístěna v FAD doména a ne doména NADPH doména jako v E-coli a další prokaryoty.[12]

  • Struktura lidských protetických skupin ThxR FAD a NADPH

Mechanismus

Navrhovaný mechanismus u savců a pravděpodobně u lidí: Počínaje úplně oxidovanou formou začíná reakce redukcí selenenylsulfidu na selenolátový anion (Se (-1)) elektrony přijatými z NADPH prostřednictvím FAD (krok A). Vzhledem k nízké hodnotě pKa selenolu je selenolátový anion za fyziologických podmínek převládající formou. Druhý přenos elektronů z druhé molekuly NADPH redukuje tihiolové vazby aktivního místa s jedním zbytkem Cys stabilizovaným interakcí s FAD (krok B). Selenolátový anion poté napadá disulfidové vazby Trx a výsledný směsný selenenylsulfid enzym-Trx (krok C), který je následně atakován sousedním zbytkem Cys za účelem regenerace selenenylsulfidu (krok D). Tento selenenylsulfid je poté redukován thiolátem z aktivního místa z jiné podjednotky (krok E). Převzato z Zhong et al.[13] V souladu se zjištěními, že komplexy platiny (II) (2,2 ‘: 6’, 2 ’‘ - terpyridin) inhibují lidský TrxR.[14]

E-coli

v E-coli ThxR je prostorová orientace domén FAD a NADPH taková, že redox-aktivní kruhy FAD a NADPH nejsou v těsné vzájemné blízkosti.[1] Když FAD doména E-coli se otáčí o 66 stupňů, přičemž doména NADPH zůstává fixovaná, obě protetické skupiny se pohybují v těsném kontaktu, což umožňuje elektronům přejít z NADPH na FAD a poté na disulfidovou vazbu aktivního místa.[1][15] Konzervované zbytky aktivního místa v E. coli jsou -Cys-Ala-Thr-Cys-.[1]

Savčí

Savčí TrxR mají mnohem vyšší homologii sekvence s glutathionreduktázou než E-coli.[1] Zbytky Cys v aktivním místě v doméně FAD a navázané doméně NADPH jsou v těsné blízkosti, což odstraňuje nutnost rotace o 66 stupňů pro přenos elektronů v E-coli. Dalším znakem savčího mechanismu je přítomnost selenocysteinového zbytku na C-konci proteinu, který je nezbytný pro katalytickou aktivitu. Konzervované zbytky v savčím aktivním místě jsou -Cys-Val-Asn-Val-Gly-Cys-.[1]

Klinický význam

Léčba rakoviny

Protože aktivita tohoto enzymu je nezbytná pro růst a přežití buněk, je dobrým cílem pro protinádorovou terapii. Enzym je dále upregulován u několika typů rakoviny, včetně maligní mezoteliom.[16][17] Například, motexafin gadolinium (MGd) je nová chemoterapeutická látka, která se selektivně zaměřuje na nádorové buňky, což vede k buněčné smrti a apoptóze prostřednictvím inhibice thioredoxin reduktázy a ribonukleotid reduktáza.

Kardiomyopatie

Dilatační kardiomyopatie (DCM ) je běžná diagnóza v případech městnavé srdeční selhání. Thioredoxin reduktázy jsou esenciální proteiny pro regulaci redoxní rovnováhy buněk a pro zmírnění škod způsobených reaktivní formy kyslíku generováno prostřednictvím oxidační fosforylace v mitochondrie. Inaktivace mitochondriálního TrxR2 u myší má za následek ztenčení stěn srdečních komor a smrt novorozence.[10] Kromě toho se u pacientů s diagnostikovanou DCM vyskytují dvě mutace v genu TrxR2, nikoli u kontrolní populace. Předpokládá se, že patologickým dopadem těchto mutací je snížená schopnost kontrolovat oxidační poškození srdeční myocyty.[18]

Antibiotikum

Nedávno proběhl výzkum, který by ukázal, že thioredoxin reduktáza s nízkou molekulovou hmotností může být cílem nových antibiotik (jako je auranofin nebo Ebselen).[19]) To platí zejména pro Mycobacterium Haemophiluma mohly by být použity pro bakterie rezistentní na antibiotika.[20]

Reference

  1. ^ A b C d E F G Mustacich D, Powis G (únor 2000). "Thioredoxin reduktáza". The Biochemical Journal. 346 Pt 1 (1): 1–8. doi:10.1042/0264-6021:3460001. PMC  1220815. PMID  10657232.
  2. ^ Jordan A, Aslund F, Pontis E, Reichard P, Holmgren A (červenec 1997). „Charakterizace Escherichia coli NrdH. Protein podobný glutaredoxinu s profilem aktivity podobným thioredoxinu“. The Journal of Biological Chemistry. 272 (29): 18044–50. doi:10.1074 / jbc.272.29.18044. PMID  9218434.
  3. ^ Phulera S, Mande SC (červen 2013). „Krystalová struktura Mycobacterium tuberculosis NrdH při 0,87 A naznačuje možný způsob jeho aktivity“. Biochemie. 52 (23): 4056–65. doi:10.1021 / bi400191z. PMID  23675692.
  4. ^ Phulera S, Akif M, Sardesai AA, Mande SC (01.01.2014). "Redoxní proteiny Mycobacterium tuberculosis". Journal of the Indian Institute of Science. 94 (1): 127–138. ISSN  0970-4140.
  5. ^ A b C d Hirt RP, Müller S, Embley TM, Coombs GH (červenec 2002). „Rozmanitost a vývoj thioredoxin reduktázy: nové perspektivy“. Trendy v parazitologii. 18 (7): 302–8. doi:10.1016 / S1471-4922 (02) 02293-6. PMID  12379950.
  6. ^ A b Holmgren A, Lu J (květen 2010). „Thioredoxin and thioredoxin reductase: current research with special reference on human disease“. Sdělení o biochemickém a biofyzikálním výzkumu. 396 (1): 120–4. doi:10.1016 / j.bbrc.2010.03.083. PMID  20494123.
  7. ^ Meyer Y, Buchanan BB, Vignols F, Reichheld JP (2009). „Thioredoxiny a glutaredoxiny: sjednocující prvky v redoxní biologii“. Výroční přehled genetiky. 43: 335–67. doi:10.1146 / annurev-genet-102108-134201. PMID  19691428.
  8. ^ Lillig CH, Holmgren A (leden 2007). „Thioredoxin a příbuzné molekuly - od biologie po zdraví a nemoci“. Antioxidanty a redoxní signalizace. 9 (1): 25–47. doi:10.1089 / ars.2007.9.25. PMID  17115886.
  9. ^ Arscott LD, Gromer S, Schirmer RH, Becker K, Williams CH (duben 1997). „Mechanismus thioredoxin reduktázy z lidské placenty je podobný mechanismům lipoamid dehydrogenázy a glutathion reduktázy a liší se od mechanismu thioredoxin reduktázy z Escherichia coli.“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 94 (8): 3621–6. doi:10.1073 / pnas.94.8.3621. PMC  20490. PMID  9108027.
  10. ^ A b Conrad M, Jakupoglu C, Moreno SG, Lippl S, Banjac A, Schneider M, Beck H, Hatzopoulos AK, Just U, Sinowatz F, Schmahl W, Chien KR, Wurst W, Bornkamm GW, Brielmeier M (listopad 2004). „Zásadní role mitochondriální thioredoxin reduktázy v krvetvorbě, vývoji srdce a srdečních funkcích“. Molekulární a buněčná biologie. 24 (21): 9414–23. doi:10.1128 / MCB.24.21.9414-9423.2004. PMC  522221. PMID  15485910.
  11. ^ A b C Williams CH (říjen 1995). "Mechanismus a struktura thioredoxin reduktázy z Escherichia coli". FASEB Journal. 9 (13): 1267–76. doi:10.1096 / fasebj.9.13.7557016. hdl:2027.42/154540. PMID  7557016. S2CID  26055087.
  12. ^ A b Sandalova T, Zhong L, Lindqvist Y, Holmgren A, Schneider G (srpen 2001). „Trojrozměrná struktura savčí thioredoxin reduktázy: důsledky pro mechanismus a vývoj enzymu závislého na selenocysteinu“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 98 (17): 9533–8. doi:10.1073 / pnas.171178698. PMC  55487. PMID  11481439.
  13. ^ Zhong L, Arnér ES, Holmgren A (květen 2000). „Struktura a mechanismus savčí thioredoxin reduktázy: aktivním místem je redox-aktivní selenolthiol / selenenylsulfid vytvořený z konzervované cystein-selenocysteinové sekvence.“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 97 (11): 5854–9. doi:10.1073 / pnas.100114897. PMC  18523. PMID  10801974.
  14. ^ Becker K, Herold-Mende C, Park JJ, Lowe G, Schirmer RH (srpen 2001). „Lidská thioredoxinreduktáza je účinně inhibována (2,2 ': 6', 2 '' -terpyridin) platinovými komplexy. Možné důsledky pro novou protinádorovou strategii." Journal of Medicinal Chemistry. 44 (17): 2784–92. doi:10.1021 / jm001014i. PMID  11495589.
  15. ^ Lennon BW, Williams CH (srpen 1997). „Redukční poloviční reakce thioredoxin reduktázy z Escherichia coli“. Biochemie. 36 (31): 9464–77. doi:10.1021 / bi970307j. PMID  9235991.
  16. ^ Nilsonne G, Sun X, Nyström C, Rundlöf AK, Potamitou Fernandes A, Björnstedt M, Dobra K (září 2006). „Selenit indukuje apoptózu v sarkomatoidních maligních mezoteliomových buňkách prostřednictvím oxidačního stresu“. Radikální biologie a medicína zdarma. 41 (6): 874–85. doi:10.1016 / j.freeradbiomed.2006.04.031. PMID  16934670.
  17. ^ Kahlos K, Soini Y, Säily M, Koistinen P, Kakko S, Pääkkö P, Holmgren A, Kinnula VL (květen 2001). „Up-regulace thioredoxinu a thioredoxin reduktázy v lidském maligním mezoteliomu pleury“. International Journal of Cancer. 95 (3): 198–204. doi:10.1002 / 1097-0215 ​​(20010520) 95: 3 <198 :: AID-IJC1034> 3.0.CO; 2-F. PMID  11307155.
  18. ^ Sibbing D, Pfeufer A, Perisic T, Mannes AM, Fritz-Wolf K, Unwin S, Sinner MF, Gieger C, Gloeckner CJ, Wichmann HE, Kremmer E, Schäfer Z, Walch A, Hinterseer M, Näbauer M, Kääb S, Kastrati A, Schömig A, Meitinger T, Bornkamm GW, Conrad M, von Beckerath N (květen 2011). „Mutace v mitochondriálním genu thioredoxin reduktázy TXNRD2 způsobují dilatační kardiomyopatii“. European Heart Journal. 32 (9): 1121–33. doi:10.1093 / eurheartj / ehq507. PMID  21247928.
  19. ^ Marshall AC, Kidd SE, Lamont-Friedrich SJ, Arentz G, Hoffmann P, Coad BR, Bruning JB (březen 2019). "Aspergillus fumigatus Thioredoxin Reductase". Antimikrobiální látky a chemoterapie. 63 (3). doi:10.1128 / AAC.02281-18. PMC  6395915. PMID  30642940.
  20. ^ Harbut MB, Vilchèze C, Luo X, Hensler ME, Guo H, Yang B a kol. (Duben 2015). „Auranofin vyvíjí širokospektrální baktericidní aktivity zaměřením na thiol-redoxní homeostázu“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 112 (14): 4453–8. doi:10.1073 / pnas.1504022112. PMC  4394260. PMID  25831516.

externí odkazy