Введение

Фермент орнитиновая декарбоксилаза (ODC) катализирует декарбоксилирование орнитина (продукта цикла мочевины) с образованием путресцина. Эта реакция является лимитирующей стадией в синтезе полиаминов. У человека этот белок состоит из 461 аминокислоты и формирует гомодимер. У человека орнитиновая декарбоксилаза (ODC) кодируется геном ODC1. В исследованиях, касающихся человека и мышей, белок ODC иногда называют "ODC1", однако у некоторых видов, таких как Drosophila (dODC2), видов семейства Solanaceae (ODC2) и молочнокислых бактерий Paucilactobacillus wasatchensis (odc2), обнаружен второй ген ODC.

Механизм реакции

Лизин 69 на орнитиновой декарбоксилазе (ODC) связывает кофактор пиридоксалфосфат с образованием основания Шиффа. Орнитин вытесняет лизин, образуя основание Шиффа, присоединенное к орнитину, который декарбоксилируется с образованием хиноидного промежуточного продукта. Этот промежуточный продукт перестраивается, образуя основание Шиффа, присоединенное к путресцину, которое подвергается атаке лизином с высвобождением путресцина и регенерацией ODC, связанного с PLP. Это первый и лимитирующий скорость этап в синтезе полиаминов у человека – соединений, необходимых для деления клеток. Спермидинсинтаза затем может катализировать превращение путресцина в спермидин путем присоединения аминопропильного фрагмента. Спермидин является предшественником других полиаминов, таких как спермин и его структурный изомер термоспермин.

Структура

Активная форма орнитиновой декарбоксилазы представляет собой гомодимер. Каждый мономер содержит домен, имеющий структуру бочкообразного свода (альфа-бета ствол), и листовой домен, состоящий из двух бета-листов. Эти домены соединены петлями. Мономеры взаимодействуют друг с другом за счет связывания бочкообразного свода одного мономера с листовым доменом другого. Связь между мономерами относительно слабая, и ОДК быстро переходит между мономерными и димерными формами в клетке.

Деградация протеасомальной системы

ODC – наиболее хорошо изученный клеточный белок, подвергающийся протеасомальному разложению без участия убиквитина. В то время как для связывания с протеасомой и последующей деградации большинства белков требуется предварительное мечение несколькими молекулами убиквитина, деградация ODC опосредована несколькими участками распознавания на самом белке и его вспомогательном факторе – антизиме. Процесс деградации ODC регулируется в цикле отрицательной обратной связи продуктами своей реакции. До публикации работы Шеффа и соавторов (2000), показавшей, что ингибитор циклинзависимой киназы (Cdk) p21Cip1 также деградирует протеасомой независимо от убиквитина, ODC был единственным четким примером протеасомального разложения, не требующего участия убиквитина.

Клиническое значение

ОДК является транскрипционной мишенью онкогена Myc и сверхэкспрессируется при широком спектре онкологических заболеваний. Полиаминовые продукты метаболического пути, инициируемого ОДК, связаны с усилением роста клеток и снижением апоптоза. Ультрафиолетовое излучение, асбест и андрогены, выделяемые предстательной железой, известны как факторы, вызывающие повышение активности ОДК, связанное с развитием рака. Ингибиторы ОДК, такие как эфлорнитин, эффективно снижают заболеваемость раком в моделях на животных, и разрабатываются препараты, нацеленные на ОДК, для потенциального клинического применения. Механизм, посредством которого ОДК способствует канцерогенезу, сложен и до конца не изучен. Помимо прямого воздействия на стабильность ДНК, полиамины также повышают экспрессию генов межклеточных контактов (gap junction) и снижают экспрессию генов плотных контактов (tight junction). Гены межклеточных контактов участвуют в коммуникации между раковыми клетками, а гены плотных контактов действуют как супрессоры опухолей. Синдром БАБС обычно вызывается аутосомно-доминантной de novo мутацией в гене ODC1. Ингибирование ОДК дифторметилорнитином (ДМФО, эфлорнитином) используется для лечения рака и избыточного роста волос на лице у женщин в постменопаузе. ОДК также является незаменимым ферментом для паразитов, таких как трипаносомы, лямблии и плазмодии, что используется при разработке препарата эфлорнитина.

Иммунологическое значение

В активированных антигеном Т-клетках ферментативная активность ОДК повышается после активации, что соответствует увеличению синтеза полиаминов в Т-клетках после активации. Подобно ОДК и раку, MYC, также известный как c-Myc (клеточный Myc), является главным регулятором биосинтеза полиаминов в Т-клетках. Исследование 2020 года, проведенное Wu и соавторами с использованием Т-клеточно-специфичных мышей ODC cKO, показало, что Т-клетки могут нормально функционировать и пролиферировать in vivo, а другие пути синтеза полиаминов способны компенсировать отсутствие ОДК. Однако, блокирование синтеза полиаминов посредством ингибирования ОДК препаратом DMFO и подавление поглощения полиаминов препаратом AMXT 1501 приводили к истощению пула полиаминов, ингибированию пролиферации Т-клеток и подавлению Т-клеточного воспаления. Исследование 2021 года, проведенное Puleston и соавторами, показало, что TH1 и TH2 клетки экспрессируют более высокие уровни ОДК, чем регуляторные Т-клетки (Treg) и TH17 клетки, что коррелировало с более высоким уровнем биосинтеза полиаминов в TH1 и TH2 клетках. Исследование 2021 года, проведенное Wagner и соавторами, продемонстрировало усиление программы Treg у мышей Odc1-/-. Они заключили, что экспрессия ферментов, связанных с полиаминами, была увеличена в патогенных TH17 клетках и подавлена в Treg клетках.