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.

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.

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.

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.

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.