Новости

Aug 05, 2023

Эволюция функциональности фермента во флавине

Том «Природные коммуникации»

Nature Communications, том 14, номер статьи: 1042 (2023) Цитировать эту статью

5244 Доступа

64 Альтметрика

Подробности о метриках

Среди молекулярных механизмов адаптации в биологии незаменима функциональная диверсификация ферментов. Позволяя организмам расширять свой каталитический репертуар и применять принципиально иные химические процессы, животные могут использовать или устранять вновь обнаруженные вещества и ксенобиотики, воздействию которых они подвергаются в новых средах. Здесь мы исследуем флавинсодержащие монооксигеназы (ФМО), которые необходимы для детоксикации ксенобиотиков. Используя палеобиохимический подход в сочетании с энзимологическими методами, мы раскрываем набор исторических замен, ответственных за функциональное разнообразие семейства четвероногих. Примечательно, что несколько аминокислотных замен дифференцируют предковую многозадачную FMO в более специализированную монооксигеназу путем модуляции оксигенирующего промежуточного соединения флавина. Наши результаты подтверждают текущую предпосылку о том, что ферментативная функция зависит от подмножества остатков, которое не ограничивается ядром активного центра.

Флавинсодержащие монооксигеназы (ФМО) являются ферментами и ключевыми активами в арсенале детоксикации позвоночных1,2. FMO обычно известны своей способностью превращать молекулы, содержащие гетероатомы, в водорастворимые, легко выводимые из организма оксиды3. В отличие от более специфичных гемсодержащих монооксигеназ цитохрома P4504, FMO могут размещать множество субстратов в своих активных центрах5. Более того, они также катализируют ключевые этапы активации противовоспалительных и противораковых препаратов6,7 и участвуют в эндогенном синтезе незаменимых веществ, включая таурин8. Для всех этих окислений FMO используют молекулярный кислород (O2) и НАДФН в качестве донора гидрида. Человеческие FMO связаны с заболеваниями и расстройствами, при этом триметиламинурия, широко известная как синдром запаха рыбы, является наиболее известным примером, вызванным мутациями в гене, кодирующем FMO9,10.

Геном человека кодирует пять паралогов FMO (FMO1–5) и еще один, описанный как псевдоген (FMO6)11. Интересно, что такое расположение пяти паралогов сохраняется практически у всех четвероногих. FMO 1–4 обладают по существу одинаковыми каталитическими свойствами, выполняя канонические реакции, описанные для семейства: окисление сульфида и амина (далее S/N или гетероатом)8,12. Напротив, FMO5 долгое время считался «псевдоактивным» FMO13. Лишь недавно, в 2016 году, Фиорентини и др. продемонстрировали, что человеческий FMO5 способен выполнять принципиально иную химию, внедряя атом кислорода в связь C–C кетонов и альдегидов, реакция, известная как окисление Байера-Виллигера (далее BV)14. Два разных химических процесса, окисление S/N и BV, достигаются с помощью различных каталитических механизмов, опосредованных общим оксигенирующим реакционноспособным промежуточным продуктом, C4a-(гидро)пероксифлавином, который в литературе FMO часто называют «взведенным пистолетом»15,16 (рис. 1). Окисление S/N происходит по общему механизму электрофильного замещения, при котором протонированный флавиновый промежуточный продукт атакует богатый электронами субстрат15. Напротив, в реакции BV участвует депротонированная форма C4a-пероксифлавина с образованием тетраэдрического аддукта - интермедиата Криджи - между оксигенирующим флавиновым интермедиатом и субстратом. Оксигенация BV требует структурных предварительных преобразований в активном центре для размещения частиц, образующихся во время катализа и миграции углеродного центра17. Наша предыдущая работа по реконструкции FMO млекопитающих предполагает, что различные химические процессы S/N и BV были определены у млекопитающих уже и, предположительно, при появлении каждой клады паралогов, что подразумевает существование двух разновидностей FMO, одна из которых посвящена S/N. окисления (FMO1–4), а другая — окисления BV (FMO5)18,19.

Повторяющаяся молекулярная структура представляет собой изоаллоксазиновую часть кофактора FAD, где R соответствует рибитиладенозиновому хвосту. E означает фермент. Во-первых, окисленный ФАД (Е-ФАД) восстанавливается НАДФН. Восстановленный фермент (E-FADH2) легко реагирует с O2, образуя промежуточный продукт оксигенирующего фермента C4a-флавин(гидро)пероксид (E-FADOO(H)). Отсюда возможны два механизма: окисление S/N или окисление BV, оба с последующим высвобождением H2O и НАДФ+. В отсутствие субстрата фермент подвергается бесполезному циклу производства перекиси водорода, называемому разобщением.