Введение
Дигидрофолатредуктаза, или DHFR, – это фермент, который восстанавливает дигидрофолиевую кислоту до тетрагидрофолиевой кислоты, используя NADPH в качестве донора электронов, который, в свою очередь, может быть преобразован в тетрагидрофолатные кофакторы, используемые в реакциях переноса одной углеродной группы. У человека фермент DHFR кодируется геном DHFR и локализован в области q14.1 хромосомы 5. Существуют два структурных класса DHFR, эволюционно не связанных между собой. Первый, обычно называемый просто DHFR, встречается в хромосомах бактерий и животных. Однако у бактерий антибиотиковое давление привело к эволюции различных вариантов связывания диаминогетероциклических молекул, что привело к появлению множества "типов" внутри этого класса, в то время как у млекопитающих они остаются высококонсервативными. Второй (тип II), представленный R67, кодируемым пластидами, – это небольшой фермент, функционирующий посредством образования гомотетрамера.
Dihydrofolate reductase, or DHFR, is an enzyme that reduces dihydrofolic acid to tetrahydrofolic acid, using NADPH as an electron donor, which can be converted to the kinds of tetrahydrofolate cofactors used in 1 carbon transfer chemistry. In humans, the DHFR enzyme is encoded by the DHFR gene. It is found in the q14.1 region of chromosome 5. There are two structural classes of DHFR, evolutionarily unrelated to each other. The former is usually just called DHFR and is found in bacterial chromosomes and animals. In bacteria, however, antibiotic pressure has caused this class to evolve different patterns of binding diaminoheterocyclic molecules, leading to many "types" named under this class, while mammalian ones remain highly similar. The latter (type II), represented by the plastid encoded R67, is a tiny enzyme that works by forming a homotetramer.
Функция
Дигидрофолатредуктаза превращает дигидрофолат в тетрагидрофолат – переносчик протонов, необходимый для de novo синтеза пуринов, тимидиловой кислоты и некоторых аминокислот. Хотя функциональный ген дигидрофолатредуктазы картирован на 5-ю хромосому, на отдельных хромосомах были идентифицированы множественные безынтронные процессированные псевдогены или гены, подобные дигидрофолатредуктазе. Присутствуя во всех организмах, DHFR играет критическую роль в регуляции количества тетрагидрофолата в клетке. Тетрагидрофолат и его производные необходимы для синтеза пуринов и тимидилата, что важно для пролиферации и роста клеток. DHFR играет центральную роль в синтезе предшественников нуклеиновых кислот, и было показано, что мутантные клетки, полностью лишенные DHFR, нуждаются в глицине, пурине и тимидине для роста. Также было продемонстрировано, что DHFR является ферментом, участвующим в регенерации тетрагидробиоптерина из дигидробиоптерина.
Структура
Центральный восьмицепочечный бета-складчатый лист является основной характеристикой формирования структуры полипептидного скелета DHFR. Семь из этих цепей параллельны, а восьмая – антипараллельна. Четыре альфа-спирали соединяют последовательные бета-цепи. Остатки 9–24 обозначаются как "Met20" или "петля 1" и, вместе с другими петлями, составляют основной субдомен, окружающий активный центр. Активный центр расположен в N-концевой половине последовательности, которая включает консервативный дипептид Pro-Trp; было показано, что триптофан участвует в связывании субстрата ферментом. В исследовании, использующем вычислительные и экспериментальные подходы, Лю и соавторы пришли к выводу, что стадия протонирования предшествует переносу гидрида. Показано, что ферментативный механизм DHFR зависит от pH, особенно стадия переноса гидрида, поскольку изменения pH оказывают значительное влияние на электростатику активного центра и состояние ионизации его остатков. Asp27 – единственный заряженный гидрофильный остаток в сайте связывания, и нейтрализация заряда на Asp27 может изменить pKa фермента. Asp27 играет критическую роль в каталитическом механизме, способствуя протонированию субстрата и удерживая субстрат в конформации, благоприятной для переноса гидрида. Вхождение молекулы воды в активный центр фермента облегчается петлей Met20.
Изменения конформации DHFR
Каталитический цикл реакции, катализируемой DHFR, включает пять важных промежуточных соединений: голоэнзим (E:NADPH), комплекс Михаэлиса (E:NADPH:DHF), комплекс третичного продукта (E:NADP+:THF), бинарный комплекс тетрагидрофолата (E:THF) и комплекс THF-NADPH (E:NADPH:THF). Стадия диссоциации продукта (THF) от E:NADPH:THF до E:NADPH является лимитирующей стадией скорости при стационарной скорости оборота. Конформационные изменения критически важны для каталитического механизма DHFR. Петля Met20 DHFR способна открывать, закрывать или блокировать активный центр. Соответственно, три различные конформации, классифицируемые как открытое, закрытое и окклюдированное состояния, присваиваются Met20. Кроме того, была определена дополнительная искаженная конформация Met20 из-за ее нечеткой характеристики. Такая симметрия активного центра приводит к различным режимам связывания фермента: он может связываться с двумя молекулами дигидрофолата (DHF) с положительной кооперативностью, двумя молекулами NADPH с отрицательной кооперативностью или одной молекулой субстрата и одной молекулой кофактора, но только последний обладает каталитической активностью. По сравнению с хромосомной DHFR *E. coli*, у него более высокое Kм при связывании дигидрофолата (DHF) и NADPH. Значительно более низкая каталитическая кинетика показывает, что передача гидрида является лимитирующей стадией скорости, а не высвобождение продукта (THF). В структуре R67 DHFR гомотетрамер формирует пору активного центра. В каталитическом процессе DHF и NADPH входят в пору с противоположных сторон. π-π стэкинг-взаимодействие между никотинамидным кольцом NADPH и птеридиновым кольцом DHF прочно связывает два реагента в активном центре. Однако при связывании наблюдалась гибкость p-аминобензоилглутаматного хвоста DHF, что может способствовать формированию переходного состояния.
Клиническое значение
Мутации DHFR вызывают дефицит дигидрофолатредуктазы, редкую аутосомно-рецессивную врожденную ошибку метаболизма фолатов, приводящую к мегалобластной анемии, панцитопении и тяжелому дефициту фолатов в головном мозге. Эти проблемы можно преодолеть путем приема восстановленной формы фолата, как правило, фолиновой кислоты.
Терапевтические применения
DHFR является привлекательной фармацевтической мишенью для ингибирования благодаря своей ключевой роли в синтезе предшественников ДНК (тимина). Триметоприм, антибиотик, ингибирует бактериальную DHFR, а метотрексат, химиотерапевтический препарат, ингибирует DHFR млекопитающих. Однако, в результате мутационных изменений в самой DHFR, развилась устойчивость к некоторым лекарствам.
Рак
DHFR отвечает за уровни тетрагидрофолата в клетке, а ингибирование DHFR может ограничить рост и пролиферацию клеток, характерных для рака и бактериальных инфекций. Метотрексат, конкурентный ингибитор DHFR, является одним из таких противораковых препаратов, подавляющих активность DHFR. Фолиевая кислота необходима для роста, а метаболический путь фолиевой кислоты является мишенью при разработке методов лечения рака. DHFR – одна из таких мишеней. Режим лечения, включающий флуороурацил, доксорубицин и метотрексат, продемонстрировал увеличение продолжительности жизни у пациентов с распространенным раком желудка. Дальнейшие исследования ингибиторов DHFR могут привести к разработке новых методов лечения рака.
Инфекция
Бактерии также нуждаются в DHFR для роста и размножения, поэтому ингибиторы, селективные к бактериальному DHFR, нашли применение в качестве антибактериальных средств. Однако устойчивость к триметоприму и другим препаратам, воздействующим на DHFR, может возникать из-за различных механизмов, что ограничивает эффективность их терапевтического применения. Устойчивость может развиваться вследствие амплификации гена DHFR, мутаций в DHFR, снижения поглощения препаратов и других факторов. Тем не менее, триметоприм и сульфаметоксазол в комбинации используются как антибактериальный препарат на протяжении десятилетий. К другим классам соединений, нацеленных на DHFR в целом и на бактериальные DHFR в частности, относятся диаминоптеридины, диаминотриазины, диаминопирролохиназолины, стильбены, халконы, дезоксибензоины, диаминохиназолины, диаминопирролохиназолины и другие.
Потенциальное лечение сибирской язвы
Дигидрофолатредуктаза из Bacillus anthracis (BaDHFR) является подтвержденной мишенью для лекарственных препаратов при лечении инфекционного заболевания – сибирской язвы. BaDHFR менее чувствителен к аналогам триметоприма, чем дигидрофолатредуктаза других видов, таких как Escherichia coli, Staphylococcus aureus и Streptococcus pneumoniae. Структурное выравнивание дигидрофолатредуктазы всех четырех видов показывает, что только BaDHFR содержит комбинацию фенилаланина и тирозина в позициях 96 и 102 соответственно. Устойчивость BaDHFR к аналогам триметоприма обусловлена этими двумя аминокислотными остатками (F96 и Y102), которые также обеспечивают улучшенную кинетику и каталитическую эффективность. Современные исследования используют мутанты активного центра BaDHFR для направленной оптимизации перспективных антифолатных ингибиторов. Клеточные линии CHO, дефицитные по DHFR, наиболее часто используются для производства рекомбинантных белков. Эти клетки трансфицируют плазмидой, несущей ген dhfr и ген рекомбинантного белка в единой системе экспрессии, а затем подвергают селекции в среде без тимидина. Выживают только клетки, содержащие экзогенный ген DHFR вместе с целевым геном. Добавление метотрексата, конкурентного ингибитора DHFR, в эту среду позволяет дополнительно отобрать клетки, экспрессирующие самые высокие уровни DHFR, и, следовательно, наиболее продуктивные в отношении производства рекомбинантного белка.
Взаимодействия
Было показано, что дигидрофолатредуктаза взаимодействует с GroEL и Mdm2.