Кіріспе

Адамда кездесетін сүтқоректілер ақуызы – дигидрофолат редуктаза, немесе DHFR, – NADPH-ті электрон доноры ретінде пайдалана отырып, дигидрофол қышқылын тетрагидрофол қышқылына дейін тотықсыздандыратын фермент. Бұл тетрагидрофолат кофакторларына айналып, бір көміртектік трансфер химиясында қолданылады. Адамдарда DHFR ферменті DHFR генімен кодталады және 5-хромосоманың q14.1 аймағында орналасқан. DHFR-дің екі құрылымдық класы бар, олар эволюциялық жағынан байланыссыз. Біріншісі, әдетте DHFR деп аталады, бактериялық хромосомаларда және жануарларда кездеседі. Дегенмен, бактерияларда антибиотиктердің әсерінен осы класс диминогетероциклді молекулаларды байланыстырудың әртүрлі схемаларын дамытты, нәтижесінде осы класс аясында көптеген "типтер" пайда болды, ал сүтқоректілердегілер өте ұқсас күйінде қалды. Екіншісі (II тип), R67 кодымен белгіленген пластидтің өнімі, гомотетрамер құрастыру арқылы жұмыс істейтін кішкентай фермент.

Функция

Дигидрофолат редуктаза дигидрофолатты тетрагидрофолатқа айналдырады, ол пуриндер, тимидилік қышқыл және кейбір аминқышқылдарының жаңа синтезі үшін қажетті протон тасымалдаушысы болып табылады. Функционалды дигидрофолат редуктаза гені 5-хромосомаға орналасқан, бірақ жеке хромосомаларда бірнеше интронсыз өңделген псевдогендер немесе дигидрофолат редуктазаға ұқсас гендер анықталды. DHFR барлық организмдерде кездеседі және жасушадағы тетрагидрофолат мөлшерін реттеуде маңызды рөл атқарады. Тетрагидрофолат және оның туындылары жасушалардың көбеюі мен өсуі үшін маңызды пурин және тимидилат синтезіне қажет. DHFR нуклеин қышқылының алдындағы заттарын синтездеуде орталық рөл атқарады, және DHFR толығымен жоқ мутантты жасушалардың өсуі үшін глицин, пурин және тимидин қажет екені көрсетілді. Сондай-ақ, DHFR дигидробиоптериннен тетрагидробиоптеринді қайта пайдалануға қатысатын фермент екені дәлелденді.

Құрылымы

Орталық сегіз талшықты бета-пластикалық парақ DHFR полипептидтік тірегінің негізгі ерекшелігін құрайды. Олардың жетісі параллель, ал сегізіншісі антипараллель. Төрт альфа-спираль бірінен соң бірі бета-талшықтарды байланыстырады. 9-24 қалдықтары "Met20" немесе "loop 1" деп аталады және басқа циклдармен бірге белсенді орынды қоршап тұрған негізгі субдоменнің бөлігі болып табылады. Белсенді орын тізбектің N-терминаль жартысында орналасқан, оның ішінде сақталған Pro Trp дипептиді бар; триптофанның фермент субстратын байланыстыруға қатысы бар екені дәлелденді. Есептеу және экспериментальдық әдістерді қолданған зерттеуде Лю және авторлар протондалу кезеңі гидридтің ауысуынан бұрын жүреді деген қорытындыға келді. DHFR ферменттік механизмі pH-қа тәуелді, әсіресе гидридтің ауысу кезеңі, себебі pH өзгерістері белсенді орынның электростатикасына және оның қалдықтарының иондану күйіне елеулі әсер етеді. Asp27 – байланыс орнындағы жалғыз зарядталған гидрофильді қалдық, ал Asp27-дегі зарядты бейтараптандыру ферменттің pKa-сын өзгерте алады. Asp27 субстраттың протондалуына көмектесу арқылы және гидридтің ауысуына қолайлы конформациядағы субстратты ұстап тұру арқылы катализдік механизмде маңызды рөл атқарады. Су молекуласының ферменттің белсенді орнына енуіне Met20 циклы көмектеседі.

DHFR-тің конформациялық өзгерістері

DHFR-мен катализделетін реакцияның каталитикалық циклында бес маңызды аралық заттар бар: голофермент (E:NADPH), Михаэлис кешені (E:NADPH:DHF), үштік өнім кешені (E:NADP+:THF), тетрагидрофолат екілік кешені (E:THF) және THF‚NADPH кешені (E:NADPH:THF). Өнімнің (THF) E:NADPH:THF-тан E:NADPH-қа диссоциациялану кезеңі, тұрақты күйдегі айналым кезінде жылдамдық шектеуші кезең болып табылады. Конформациялық өзгерістер DHFR-дің каталитикалық механизмі үшін маңызды. DHFR-дің Met20 циклы белсенді орынды ашуға, жабуға немесе жабуға қабілетті. Сәйкесінше, Met20-ге үш түрлі конформация – ашық, жабық және жабық күйлерге жіктеледі. Бұған қоса, Met20-ның анықталмаған сипаттама нәтижелеріне байланысты қосымша бұрмаланған конформациясы анықталды. Белсенді орынның симметриясы ферменттің әртүрлі байланысу тәсілдеріне әкеледі: ол оң кооперативтілігі бар екі дигидрофолат (DHF) молекуласымен немесе теріс кооперативтілігі бар екі NADPH молекуласымен, немесе бір субстрат пен біреуімен байланыса алады, бірақ тек соңғысы ғана каталитикалық белсенділікке ие. *E. coli* хромосомалық DHFR-мен салыстырғанда, дигидрофолатты (DHF) және NADPH-ты байланыстыру кезіндегі Km жоғары. Төмендеген каталитикалық кинетика гидридтің берілуінің өнімнің (THF) бөлінуінен гөрі жылдамдық шектеуші кезең екенін көрсетеді. R67 DHFR құрылымында гомотетрамер белсенді орынды құрайтын тесік түзеді. Каталитикалық процесте DHF және NADPH қарама-қарсы бағыттан тесікке еніп, NADPH-ның никотинамид сақинасы мен DHF-ның птеридин сақинасы арасындағы π-π үйлесім әрекеттесуі белсенді орындағы екі реактивтің тығыз байланысын қамтамасыз етеді. Алайда, DHF-ның *p*-аминбензоилглутамат тізбегінің байланыс кезінде байқалатын икемділігі, өтпелі күйдің қалыптасуына көмектеседі.

Клиникалық маңызы

DHFR мутациялары дигидрофолат редуктаза жетіспеушілігіне, фолат метаболизміндегі сирек кездесетін аутосомалық рецессивті туа біткен қателікке себеп болады, бұл мегалобластық анемияға, панцитопенияға және мидың ауыр фолат тапшылығына алып келеді. Бұл мәселелерді көбінесе фолино қышқылы сияқты фолаттың тотыққан түрін қабылдау арқылы жеңуге болады.

Терапиялық қолдану

ДХФР ДНҚ алдындағы заттардың (тимин) синтезіндегі маңызды роліне байланысты тежеу үшін тартымды фармацевтикалық нысана болып табылады. Триметоприм антибиотиктері бактериялық ДХФР-ді, ал метотрексат химиотерапиялық препараты сүтқоректілердің ДХФР-ді тежейді. Алайда, ДХФР-дің өзіндегі мутациялық өзгерістердің нәтижесінде кейбір препараттарға қарсы тұрушылық пайда болды.

Қатерлі ісік

DHFR клеткадағы тетрагидрофолат деңгейіне жауапты, ал DHFR-ді тежеу қатерлі ісіктер мен бактериялық инфекцияларға тән клеткалардың өсуі мен көбеюін шектейді. Метотрексат – DHFR-дің бәсекелестік ингибиторы, және DHFR-ді тежейтін қатерлі ісікке қарсы препараттардың бірі. Фолат өсім үшін қажет, ал фолат метаболизмінің жолы қатерлі ісіктерді емдеу үшін жаңа препараттарды әзірлеуде мақсатты нысан болып табылады. DHFR – осындай нысандардың бірі. Флуороурацил, доксорубицин және метотрексаттан тұратын емдеу схемасы асқазан қатерлі ісігімен ауырған науқастардың өмір сүру мерзімін ұзартатыны көрсетілді. DHFR ингибиторларын одан әрі зерттеу қатерлі ісікке қарсы емдеудің жаңа әдістеріне алып келуі мүмкін.

Инфекция

Бактериялар өсуі мен көбеюі үшін DHFR қажет, сондықтан бактериялық DHFR-ға таңдамалы ингибиторлар антибактериялық заттар ретінде қолданыс тапқан. Дегенмен, триметоприм және басқа да DHFR-ға бағытталған препараттарға қарсы тұрудың әртүрлі механизмдері пайда болуы мүмкін, бұл олардың емдік қолданысын шектейді. Қарсы тұру DHFR генінің амплификациясынан, DHFR-дегі мутациялардан, дәрілердің сіңуінің төмендеуінен және тағы басқалардан туындауы мүмкін. Бұл қарамастан, триметоприм мен сульфаметоксазолдың қосылысы ондаған жылдар бойы антибактериялық зат ретінде қолданылып келеді. DHFR-ге жалпы және бактериялық DHFR-лерге ерекше бағытталған қосылыстардың басқа да кластарына диаминоптеридиндер, диаминотриазиндер, диаминопирролохиназолиндер, стильбендер, халкондар, дезоксибензоиндер, диаминохиназолиндер, диаминопирролохиназолиндер және тағы бірнеше жатады.

Мүмкіндігінше сиыр шаян ауруын емдеу

Bacillus anthracis (BaDHFR) бактериясынан алынған дигидрофолат редуктаза инфекциялық ауру – көкжәнімен күресуде мақсатты дәрілік зат болып табылады. BaDHFR Escherichia coli, Staphylococcus aureus және Streptococcus pneumoniae сияқты басқа түрлерге қарағанда триметоприм аналогтарына төмен сезімтал. Төрт түрдің барлығынан алынған дигидрофолат редуктазаның құрылымдық салыстыруы BaDHFR-де ғана 96 және 102 позицияларында тиісінше фенилаланин мен тирозин комбинациясы бар екенін көрсетеді. BaDHFR-дің триметоприм аналогтарына қарсы тұруы осы екі қалдыққа (F96 және Y102) байланысты, сондай-ақ олар кинетика мен каталитикалық тиімділікті жақсартады. Қазіргі зерттеулер жаңа антифолат тежегіштерін іздеуде BaDHFR-дегі белсенді ортақ мутанттарын пайдаланады. Рекомбинантты ақуыздарды өндіру үшін ең көп қолданылатын жасушалар желісі – DHFR жетіспейтін CHO жасушалары. Бұл жасушалар dhfr генін және рекомбинантты ақуыз генін бір экспрессиялық жүйеде тасымалдайтын плазмидпен трансфекцияланады, содан кейін тимидинсіз ортада таңдау шараларына ұшыратылады. Тек экзогенді DHFR генін және мақсатты генді қамтитын жасушалар ғана тірі қалады. Бұл ортаға DHFR-дің бәсекеге қабілетті тежегіші – метотрексат қосу арқылы DHFR-дің ең жоғары деңгейін көрсететін жасушаларды таңдауға болады, осылайша рекомбинантты ақуыз өндірушілердің ең жақсыларын іріктеуге мүмкіндік береді.

Өзара әрекеттесулер

Дигидрофолат редуктаза GroEL және Mdm2-мен өзара әрекеттесетіні көрсетілген.