Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Homo sapiens-те кездесетін сүтқоректілер ақуызы. Фенилаланин гидроксилазы (ФАГ) – фенилаланиннің ароматикалық тізбегінің гидроксилденуін катализдеп, тирозин түзетін фермент. ФАГ – биопетеринге тәуелді ароматикалық аминқышқылдарының гидроксилаздарының үш мүшесінің бірі, тетрагидробиоптерин (BH4, птеридин кофакторы) және гемалық емес темірді қолданатын монооксигеназа класы. Реакция барысында молекулалық оттегі гетеролиттік түрде бөлінеді, бір оттегі атомы BH4 және фенилаланин субстратына тікелей қосылады. Адамдарда оны кодтайтын ФАГ геніндегі мутациялар метаболизмі бұзылуына, яғни фенилкетонурияға алып келуі мүмкін.
Mammalian protein found in Homo sapiens
Phenylalanine hydroxylase (PAH) is an enzyme that catalyzes the hydroxylation of the aromatic side chain of phenylalanine to generate tyrosine. PAH is one of three members of the biopterin dependent aromatic amino acid hydroxylases, a class of monooxygenase that uses tetrahydrobiopterin (BH4, a pteridine cofactor) and a non heme iron for catalysis. During the reaction, molecular oxygen is heterolytically cleaved with sequential incorporation of one oxygen atom into BH4 and phenylalanine substrate. In humans, mutations in its encoding gene, PAH, can lead to the metabolic disorder phenylketonuria.
Ферменттерді реттеу
ПАГ-ға аллостерикалық реттелудің морфеин моделін пайдалану ұсынылады. Сүтқоректілердің ПАГ-ы екі түрлі архитектурадағы тетрамерлердің тепе-теңдігінде болады, ал тепе-теңдіктің бір бөлігі ретінде бір немесе бірнеше димерлік формалар кездеседі. Бұл қасиет диссоциативтік аллостерикалық механизмпен үйлеседі. Тынығу күйіндегі форма (RS PAH) белсенді формадан (A PAH) архитектуралық тұрғыдан ерекшеленеді. A PAH-тың толық құрылымы әзірге жоқ, бірақ A PAH-қа тән Фе-стабилизацияланған ACT-ACT интерфейсі анықталды және SAXS талдауы негізінде A PAH-тың құрылымдық моделі ұсынылды.
PAH is proposed to use the morpheein model of allosteric regulation. Mammalian PAH exists in an equilibrium consisting of tetramers of two distinct architectures, with one or more dimeric forms as part of the equilibrium. This behavior is consistent with a dissociative allosteric mechanism. The resting state form (RS PAH) is architecturally distinct from the activated form (A PAH). A full length structure of A PAH is currently lacking, but the Phe stabilized ACT ACT interface that is characteristic of A PAH has been determined and a structural model of A PAH based on SAXS analysis has been proposed.
Каталитикалық сала
Каталитикалық доменнің шешілген кристалдық құрылымдары белсенді орталықтың негізінен гидрофобтық қалдықтармен қапталған, ашық және кең қуыстан тұратынын көрсетеді, бірақ үш глутамин қышқылы қалдықтары, екі гистидин және тирозин де бар, сондай-ақ темірге байланысады. Кристалл құрылымына Фе аналогын қосу темірдің алты координациялық күйін бір су молекуласымен және Glu330-ға бидентатты координациялау арқылы бес координациялық күйге өзгертеді, сондай-ақ оттегінің байланысуына арналған орын ашады. BH4 темір атомына қарай ығысады, бірақ птерин кофакторы екінші координациялық сферада қалады. Дегенмен, ЯМР және молекулалық модельдеуге негізделген қарсы модель каталитикалық цикл кезінде барлық координацияланған су молекулаларының белсенді орталықтан шығарылатынын, ал BH4 темірге тікелей координацияланатынын көрсетеді. Жоғарыда талқыланғандай, бұл қарама-қайшылықты шешу ПАҚ катализінің нақты механизмін анықтау үшін маңызды болады.
Solved crystal structures of the catalytic domain indicate that the active site consists of an open and spacious pocket lined primarily by hydrophobic residues, though three glutamic acid residues, two histidines, and a tyrosine are also present and iron binding. Inclusion of a Phe analogue in the crystal structure changes both iron from a six to a five coordinated state involving a single water molecule and bidentate coordination to Glu330 and opening a site for oxygen to bind. BH4 is concomitantly shifted toward the iron atom, although the pterin cofactor remains in the second coordination sphere. On the other hand, a competing model based on NMR and molecular modeling analyses suggests that all coordinated water molecules are forced out of the active site during the catalytic cycle while BH4 becomes directly coordinated to iron. As discussed above, resolving this discrepancy will be important for determining the exact mechanism of PAH catalysis.
N-терминалдың реттеу аймағы
N-терминалды доменнің (қалдықтар 1–117) реттеуші қасиеті оның құрылымдық икемділігімен шартталған. Сутек/деутерий алмасу талдауы Phe-нің аллостериялық байланысы PAH-тың конформациясын тұтас түрлендіретінін, нәтижесінде активті орынның жабылуы азаяды, себебі реттеуші және каталитикалық домендер арасындағы интерфейс еріткішке көбірек ашылады. Бұл байқау, толық ұзындығындағы PAH үшін тирозиннің бастапқыда төмен деңгейде қалыптасуын көрсететін кинетикалық зерттеулермен сәйкес келеді. Дегенмен, бұл кешігу уақыты N-терминалды домені жойылған қысқартылған PAH үшін немесе толық фермент Phe-мен алдын ала инкубацияланған жағдайда байқалмайды. N-терминалды доменді жою, Phe-ге деген туыстықты шамамен екі есеге арттыра отырып, кешігу уақытын жояды; тетрагидробиоптерин кофакторының Vmax немесе Km көрсеткіштерінде ешқандай өзгеріс байқалмайды. Ser16 қосымша реттеуді қамтамасыз етеді; осы қалдықтың фосфорилдануы фермент конформациясын өзгертпейді, бірақ аллостериялық белсендіру үшін қажетті Phe концентрациясын төмендетеді. PAH-тың гомодимерлік және гомотетрамерлік формаларының екеуі де каталитикалық белсенділікке ие болғанымен, олардың кинетикасы мен реттелуі әртүрлі. Каталитикалық тиімділіктің төмендеуіне қоса, димер L-Phe-ге (жоғары концентрацияда ферментті белсендіретін) оң кооперативтілік көрсетпейді, бұл L-Phe димер-димер өзара әрекеттесуіне әсер ету арқылы PAH-ты аллостериялық түрде реттейді дегенді білдіреді. Фенилаланинмен байланысты жолдар арқылы ағынның реттелуі сүтқоректілердің метаболизмінде маңызды рөл атқарады, бұл аминоқышқылының жоғары плазмалық деңгейінің фенилкетонурияда байқалатын уытты әсерімен дәлелденеді (төменде қараңыз). Фенилаланиннің негізгі көзі – қоректенген ақуыздар, бірақ бұл қордың салыстырмалы түрде аз бөлігі ақуыз синтезі үшін қолданылады. PAH, ароматты аминқышқылдарының гидроксилазалары арасында катаболизмге қатысуымен ерекшеленеді; ал тирозин және триптофан гидроксилазалары негізінен орталық нерв жүйесінде экспрессияланады және нейротрансмиттерлер/гормондардың биосинтезіндегі шектеуші қадамдарды катализдейді. PAH локусында анықталған мутациялар Фенилаланин гидроксилазасы Локусының Білімқорында (PAHdb, https://web.archive.org/web/20130718162051/http://www.pahdb.mcgill.ca/) құжатталған. Фенилкетонурия қайтымсыз зақымдануға әкелуі мүмкін болғандықтан, фенилаланин гидроксилазасының жетіспеушілігін дамудың ерте кезеңінде анықтау өте маңызды. Бастапқыда бұл бактериялық тежеу әдісімен, Гатри тестісі деп аталатын әдіспен жүзеге асырылды. Қазір PKU көптеген елдерде жаңа туған нәрестелерді тексеруге кіреді, ал жоғары фенилаланин деңгейі туылғаннан кейін көп ұзамай тандемдік массалық спектрометрия арқылы анықталады. Адамды фенилаланин аз, тирозинге бай диетаға отырғызу олардың дамуына ұзақ мерзімді зиян келтірудің алдын алуға көмектеседі.
The regulatory nature of the N terminal domain (residues 1–117) is conferred by its structural flexibility. Hydrogen/deuterium exchanges analysis indicates that allosteric binding of Phe globally alters the conformation of PAH such that the active site is less occluded as the interface between the regulatory and catalytic domains is increasingly exposed to solvent. This observation is consistent with kinetic studies, which show an initially low rate of tyrosine formation for full length PAH. This lag time is not observed, however, for a truncated PAH lacking the N terminal domain or if the full length enzyme is pre incubated with Phe. Deletion of the N terminal domain also eliminates the lag time while increasing the affinity for Phe by nearly two fold; no difference is observed in the Vmax or Km for the tetrahydrobiopterin cofactor. Additional regulation is provided by Ser16; phosphorylation of this residue does not alter enzyme conformation but does reduce the concentration of Phe required for allosteric activation. Although both the homodimeric and homotetrameric forms of PAH are catalytically active, the two exhibit differential kinetics and regulation. In addition to reduced catalytic efficiency, the dimer does not display positive cooperativity toward L Phe (which at high concentrations activates the enzyme), suggesting that L Phe allosterically regulates PAH by influencing dimer dimer interaction. Regulation of flux through phenylalanine associated pathways is critical in mammalian metabolism, as evidenced by the toxicity of high plasma levels of this amino acid observed in phenylketonuria (see below). The principal source of phenylalanine is ingested proteins, but relatively little of this pool is used for protein synthesis. PAH is unusual among the aromatic amino acid hydroxylases for its involvement in catabolism; tyrosine and tryptophan hydroxylases, on the other hand, are primarily expressed in the central nervous system and catalyze rate limiting steps in neurotransmitter/hormone biosynthesis. Mutations that have been identified in the PAH locus are documented at the Phenylalanine Hydroxylase Locus Knowledgbase (PAHdb, https://web. archive. org/web/20130718162051/http://www. pahdb. mcgill. ca/). Since phenylketonuria can cause irreversible damage, it is imperative that deficiencies in the phenylalanine hydroxylase are determined early on in development. Originally, this was done using a bacterial inhibition assay known as the Guthrie Test. Now, PKU is part of newborn screening in many countries, and elevated phenylalanine levels are identified shortly after birth by measurement with tandem mass spectrometry. Placing the individual on a low phenylalanine, high tyrosine diet can help prevent any long term damage to their development.
ПАГ-ның нокаут моделі
Pah KO тышқан моделін жасаудың алғашқы әрекеті 2021 жылы жарияланған ғылыми мақалада сипатталды. Бұл нокаут тышқан CRISPR/Cas9 әдісі арқылы C57BL/6 J штаммында дамып, гомозиготалық күйде жасалды. Pah геніндегі 7-кодон, GAG, қасақана нүктелік мутацияны көрсете отырып, тоқтату кодоны TAG-ға өзгертілді. Екі айдан алты айға дейінгі еркек гомозиготалық тышқандар мінез-құлық және биохимиялық талдаулар, МРТ және гистопатология сияқты ғылыми әдістермен зерттелді. Гомозиготалық тышқандар жасы мен жынысы сәйкес келетін, жеткілікті PAH ферментінің активтілігін сақтайтын, осылайша жабайы типтегі тышқандарға ұқсас фенилаланин және тирозин деңгейін қамтамасыз ететін гетерозиготалық Pah KO тышқандарымен салыстырылды. Pah KO тышқан моделінде қандағы фенилаланиннің жоғары деңгейі, тирозиннің төмен деңгейі, гипохолестеринемия, мидағы фенилаланиннің жоғары және нейротрансмиттерлер мен тирозиннің төмен деңгейі, гипомиелинизация, ми мен дене салмағының төмендігі, көз патологиясының жоғары деңгейі, гипопигментация және гетерозиготалық тышқандармен салыстырғанда прогрессивті мінез-құлық бұзылыстары байқалды. Гомозиготалық тышқандардың ми гомогенатындағы фенилаланиннің жоғарылауы ФКУ (фенилкетонурия) науқастарындағы деңгейге ұқсас болды. Екі тышқанның да түк түсі шаштарындағы меланин пигментінің мөлшеріне байланысты болды, сондықтан гомозиготалық тышқандар меланиннің аз болуына байланысты ашық қоңыр түске бейім болды. Тышқандардың мінез-құлқы ұя салу тесті арқылы бағаланды. Бұл модель ФКУ науқастарындағы ФКУ биологиясын кеңінен зерттеуге және ФКУ емдеуі үшін заманауи терапиялық стратегияларды бағалауға мүмкіндік береді.
The first attempt at creating a Pah KO mouse model was reported in a research article published in 2021. This knockout mouse was created to be homozygous through its development within the C57BL/6 J strain using CRISPR/Cas9. Codon 7, GAG, in the Pah gene was altered to the stop codon TAG, depicting an intentional point mutation. Two to six month old, male, homozygous mice were studied by scientific methods such as behavioral and biochemical assays, MRI, and histopathology. The homozygous mice were routinely compared to control mice, age and sex matched heterozygous Pah KO mice that expressed sufficient PAH enzyme activity to supply phenylalanine and tyrosine levels similar to wild type mice. The Pah KO mouse model presented high blood phenylalanine and low tyrosine levels, hypocholesterolemia, high phenylalanine and low levels of neurotransmitters and tyrosine in the brain, hypomyelination, low brain and body weight, high grade of ocular pathology, hypopigmentation, and a progressive behavioral deficit compared to heterozygous mice. The increased amount of phenylalanine in whole brain homogenates of homozygous mice was similar to PKU patients. The hair coat color of both mice was dependent on the amount of melanin pigment in hair shafts; thus, homozygous mice were prone to be a lighter brown based on less melanin present. Mice behavior was tested with a nesting building assay. This model sets up the potential for an extensive investigation of PKU biology resembling PKU patients and for the evaluation of modern therapeutic strategies for PKU treatment.