Ароматическая L-аминокислотная декарбоксилаза: структура, функция и регуляция.

Введение

Класс ферментов

ОТОБРАЖАЕМОЕ НАЗВАНИЕ: Ароматический L-аминокислотный декарбоксилаз

Ароматический L-аминокислотный декарбоксилаз (AADC или AAAD), также известный как DOPA-декарбоксилаза (DDC), триптофан-декарбоксилаза и 5-гидрокситриптофан-декарбоксилаза, является лиазой, расположенной в области 7p12.2-p12.1.

Механизм

В качестве кофактора фермент использует пиридоксалфосфат (PLP), активную форму витамина B6. PLP необходим для механизма декарбоксилирования в AADC. В активном ферменте PLP связан с лизином 303 AADC в виде основания Шиффа. При связывании субстрата лизин 303 вытесняется аминогруппой субстрата. Это обеспечивает положение карбоксилата субстрата в активном центре таким образом, чтобы декарбоксилирование протекало с преимуществом. Декарбоксилирование субстрата приводит к образованию хиноноидного интермедиата, который впоследствии протонируется с образованием аддукта основания Шиффа PLP и декарбоксилированного продукта. Лизин 303 затем может регенерировать исходное основание Шиффа, высвобождая продукт при сохранении PLP. При изучении этого декарбоксилирования, катализируемого PLP, было обнаружено, что существует разница в зависимости от концентрации и pH для разных субстратов. DOPA оптимально декарбоксилируется при pH 6,7 и концентрации PLP 0,125 мМ, в то время как оптимальные условия для декарбоксилирования 5-HTP были определены как pH 8,3 и 0,3 мМ PLP.

Структура

Ароматическая L-аминокислотная декарбоксилаза активна как гомодимер. До добавления кофактора пиридоксальфосфата апоэнзим существует в открытой конформации. При связывании кофактора происходит значительная структурная трансформация, поскольку субъединицы сближаются и закрывают активный центр. Это конформационное изменение приводит к образованию активной, закрытой голоэнзима. В мышиных моделях с дефицитом PLP было обнаружено, что уровни дофамина не существенно отличаются от уровней в образцах, получавших PLP; однако концентрация серотонина в мозге при дефиците PLP была значительно повышена. Этот вариабельный эффект дефицита PLP указывает на возможные изоформы AADC с различной специфичностью к субстратам DOPA и 5-HTP. Исследования методом диализа также позволяют предположить, что потенциальная изоформа, ответственная за декарбоксилирование DOPA, обладает более высоким сродством к PLP, чем изоформа, осуществляющая декарбоксилирование 5-HTP. Кроме того, было показано, что антагонисты дофаминовых рецепторов повышают активность AADC в моделях на грызунах, в то время как активация некоторых дофаминовых рецепторов подавляет активность AADC. Такая регуляция, опосредованная рецепторами, является двухфазной: первоначальная кратковременная активация сменяется долгосрочной активацией. Считается, что кратковременная активация происходит посредством активации киназы и последующего фосфорилирования AADC, в то время как чувствительность долгосрочной активации к ингибиторам синтеза белка указывает на регуляцию транскрипции мРНК.

Клиническая значимость

При нормальном синтезе нейротрансмиттеров дофамина и серотонина (5-HT) AADC не является лимитирующей стадией ни в одной из реакций. Однако AADC становится лимитирующей стадией синтеза дофамина у пациентов, получающих L-ДОФА (например, при болезни Паркинсона), и лимитирующей стадией синтеза серотонина у людей, получающих 5-HTP (например, при легкой депрессии или дистимии). AADC ингибируется карбидопой вне гематоэнцефалического барьера, чтобы предотвратить преждевременное превращение L-ДОФА в дофамин при лечении болезни Паркинсона. У человека AADC также является лимитирующим ферментом в образовании следовых аминов. Дефицит ароматической L-аминокислотной декарбоксилазы связан с различными симптомами, такими как тяжелая задержка развития, окулогирные кризы и дисфункция автономной нервной системы. Молекулярный и клинический спектр дефицита AADC неоднороден. Первый случай дефицита AADC был описан у близнецов в 1990 году. Пациентам может быть назначено лечение дофаминовыми агонистами, ингибиторами МАО и пиридоксином (витамином B6). Клинический фенотип и ответ на лечение варьируются, а долгосрочный и функциональный исход неизвестен. Для создания основы для улучшения понимания эпидемиологии, корреляции генотип-фенотип и исхода этих заболеваний, их влияния на качество жизни пациентов, а также для оценки диагностических и терапевтических стратегий, некоммерческая Международная рабочая группа по расстройствам, связанным с нейротрансмиттерами (iNTD), создала реестр пациентов. Иммуногистохимические исследования показали, что AADC экспрессируется в различных типах нейронных клеток, таких как серотонинергические и катехоламинергические нейроны. Нейроны, экспрессирующие AADC, но не являющиеся классическими моноаминергическими нейронами, называются D-клетками. Клетки, иммунореактивные на AADC, также были обнаружены в стволе мозга человека. Эти клетки включают меланинсодержащие клетки, которые обычно классифицируются как катехоламинергические и могут также быть серотонинергическими. Значительная локализация дофаминергических клеток, также иммунореактивных на AADC, отмечается в черной субстанции, вентральной тегментальной области и мезенцефалической ретикулярной формации. В отличие от предыдущих сообщений о моделях на животных, аминергические (D-клетки) вряд ли будут наблюдаться в человеческом мозге.

In normal dopamine and serotonin (5 HT) neurotransmitter synthesis, AADC is not the rate limiting step in either reaction. However, AADC becomes the rate limiting step of dopamine synthesis in patients treated with L DOPA (such as in Parkinson's disease), and the rate limiting step of serotonin synthesis in people treated with 5 HTP (such as in mild depression or dysthymia). AADC is inhibited by carbidopa outside of the blood brain barrier to inhibit the premature conversion of L DOPA to dopamine in the treatment of Parkinson's. In humans, AADC is also the rate limiting enzyme in the formation of trace amines. Aromatic l amino acid decarboxylase deficiency is associated with various symptoms as severe developmental delay, oculogyric crises and autonomic dysfunction. The molecular and clinical spectrum of AAAC deficiency is heterogeneous. The first case of AADC deficiency was described in twin brothers 1990. Patients can be treated with dopamine agonists, MAO inhibitors, and pyridoxine (vitamin B6). Clinical phenotype and response to treatment is variable and the long term and functional outcome is unknown. To provide a basis for improving the understanding of the epidemiology, genotype–phenotype correlation and outcome of these diseases their impact on the quality of life of patients, and for evaluating diagnostic and therapeutic strategies a patient registry was established by the noncommercial International Working Group on Neurotransmitter Related Disorders (iNTD). Immunohistochemical studies have revealed that AADC is expressed in various neuronal cell types such as serotonergic and catecholaminergic neurons. Neurons that express AADC but are not considered classical monoaminergic cell neurons are termed D cells. Cells that are immunoreactive for AADC have also been found in the human brainstem. These cells include melanin pigmented cells that are typically designated as catecholaminergic and may also be serotonergic. Significant localization of dopaminergic cells that are also immunoreactive for AADC is reported in the substantia nigra, ventral tegmental area, and the mesencephalic reticular formation. Unlike previous reports on animal models, nonaminergic (D cells) are unlikely to be observed in the human brain.

Генетика

Ген, кодирующий фермент, называется DDC и расположен на 7-й хромосоме у человека. Он состоит из 15 экзонов, кодирующих белок из 480 аминокислот. Однонуклеотидные полиморфизмы и другие вариации гена изучались в связи с нейропсихиатрическими расстройствами, например, делеция одной пары оснований в позиции 601 и делеция четырех пар оснований в позициях 722–725 в экзоне 1 в связи с биполярным расстройством и аутизмом. Прямая корреляция между вариациями гена и аутизмом не была выявлена. Более 50 мутаций гена DDC были связаны с дефицитом AADC. Это состояние наиболее распространено в Азии, вероятно, из-за эффекта основателя. Наблюдались альтернативные варианты сплайсинга и промоторы, приводящие к различным формам фермента AADC. Уникальное использование определенных промоторов приводит к транскрипции только первого экзона, что дает дополнительную нейронную изоформу, а сплайсинг экзона 3 приводит к продукту, лишенному ферментативной активности. Анализ образцов свиней выявил две изоформы AADC – полученные в результате исключения экзона 5 и экзонов 5 и 6 – которым не хватает части декарбоксилирующего домена.