L-гулонолактон оксидаза: фермент синтеза витамина C

Введение

Энзим, участвующий в синтезе витамина С
DISPLAYTITLE: L-гулонолактоноксидаза

L-гулонолактоноксидаза (EC 1.1.3.8) – это фермент, который производит витамин С. Он экспрессируется у мышей и крыс, но нефункционален у Haplorrhini (подряд приматов, включая человека), у некоторых летучих мышей и у морских свинок. Он катализирует реакцию L-гулоно-1,4-лактона с кислородом с образованием L-ксилогекс-3-гулонолактона (2-кетогулоно-γ-лактона) и перекиси водорода. Он использует FAD в качестве кофактора. Затем L-ксилогекс-3-гулонолактон спонтанно превращается в аскорбиновую кислоту, без участия ферментативного действия. Структура L-гулонолактоноксидазы у крыс помогает определить характеристики этого фермента.

Дефицит гулонолактон-оксидазы

Нефункциональный псевдоген гулонолактоноксидазы (GULOP) картирован на человеческую хромосому 8p21, что соответствует эволюционно консервативному сегменту на свиной хромосоме 4 (SSC4) или 14 (SSC14). GULO производит предшественник аскорбиновой кислоты, который спонтанно превращается в сам витамин. Потеря активности гена, кодирующего L-гулонолактон оксидазу (GULO), произошла независимо в истории нескольких видов. Активность GULO утрачена у некоторых видов летучих мышей, но сохранена у других. Потеря активности этого фермента является причиной неспособности морских свинок к ферментативному синтезу витамина С. Оба этих события произошли независимо от потери активности в надотряде гаплоррин у приматов, включающем человека. Остатки этого нефункционального гена с множеством мутаций до сих пор присутствуют в геномах морских свинок и людей. Неизвестно, существуют ли остатки гена у летучих мышей, у которых отсутствует активность GULO. Функция GULO, по-видимому, была потеряна несколько раз и, возможно, повторно приобретена в нескольких линиях воробьинообразных птиц, где способность синтезировать витамин С варьируется в зависимости от вида. Потеря активности GULO в отряде приматов произошла около 63 миллионов лет назад, примерно в то время, когда он разделился на надотряды Haplorhini (утративший активность фермента) и Strepsirrhini (сохранивший ее). Гаплорриновые ("простоносые") приматы, не способные к ферментативному синтезу витамина С, включают тарсиеров и обезьян (гоминиды, мартышки и людей). Стрепсирриновые ("изогнутоносые" или "влажноносые") приматы, которые все еще способны к ферментативному синтезу витамина С, включают лори, галаго, пото и, в некоторой степени, лемуров. Дефицит гулонолактон оксидазы называется "гипоаскорбемией" и описан OMIM (Online Mendelian Inheritance in Man) как "общее врожденное нарушение обмена веществ", поскольку оно затрагивает всех людей. Существует значительное расхождение между количеством аскорбиновой кислоты, потребляемой другими приматами, и рекомендованными "нормами потребления" для человека. В своей выраженной патологической форме последствия дефицита аскорбата проявляются в виде цинги.

The non functional gulonolactone oxidase pseudogene (GULOP) was mapped to human chromosome 8p21, which corresponds to an evolutionarily conserved segment on either porcine chromosome 4 (SSC4) or 14 (SSC14). GULO produces the precursor to ascorbic acid, which spontaneously converts to the vitamin itself. The loss of activity of the gene encoding L gulonolactone oxidase (GULO) has occurred separately in the history of several species. GULO activity has been lost in some species of bats, but others retain it. The loss of this enzyme activity is responsible for the inability of guinea pigs to enzymatically synthesize vitamin C. Both these events happened independently of the loss in the haplorrhine suborder of primates, which includes humans. The remnant of this non functional gene with many mutations is still present in the genomes of guinea pigs and humans. It is unknown if remains of the gene exist in the bats who lack GULO activity. The function of GULO appears to have been lost several times, and possibly re acquired, in several lines of passerine birds, where ability to make vitamin C varies from species to species. Loss of GULO activity in the primate order occurred about 63 million years ago, at about the time it split into the suborders Haplorhini (which lost the enzyme activity) and Strepsirrhini (which retained it). The haplorhine ("simple nosed") primates, which cannot make vitamin C enzymatically, include the tarsiers and the simians (apes, monkeys and humans). The strepsirrhine ("bent nosed" or "wet nosed") primates, which can still make vitamin C enzymatically, include lorises, galagos, pottos, and, to some extent, lemurs. L Gulonolactone oxidase deficiency has been called "hypoascorbemia" and is described by OMIM (Online Mendelian Inheritance in Man) as "a public inborn error of metabolism", as it affects all humans. There exists a wide discrepancy between the amounts of ascorbic acid other primates consume and what are recommended as "reference intakes" for humans. In its patently pathological form, the effects of ascorbate deficiency are manifested as scurvy.

Последствия потери

Вероятно, после потери гена GULO у приматов произошла некоторая адаптация. Эритроцитарный Glut1 и связанное с ним поглощение дегидроаскорбиновой кислоты, модулируемое стоматиновым переключателем, являются уникальными особенностями человека и немногих других млекопитающих, утративших способность синтезировать аскорбиновую кислоту из глюкозы. Поскольку транспортеры GLUT и стоматин широко распространены в различных клетках и тканях человека, подобные взаимодействия могут происходить и в других клетках человека, помимо эритроцитов. Линус Полинг заметил, что после утраты эндогенного производства аскорбата, апо(a) и Lp(a) получили эволюционное преимущество, выступая в качестве суррогата аскорбата, поскольку высокая частота повышенных уровней Lp(a) в плазме наблюдается у видов, потерявших способность к синтезу аскорбата. Кроме того, только приматы обладают регуляцией экспрессии гена CAMP витамином D, которая возникла после потери гена GULO. Джонсон и др. предположили, что мутация псевдогена GULOP, приведшая к прекращению производства GULO, могла быть выгодна ранним приматам, повышая уровень мочевой кислоты и усиливая влияние фруктозы на набор веса и накопление жира. В условиях дефицита пищи это давало мутантам преимущество в выживании.

Животные модели

Исследования человеческих заболеваний выиграли от наличия малых лабораторных моделей животных. Однако ткани животных моделей, обладающих геном GULO, обычно содержат высокий уровень аскорбиновой кислоты и поэтому часто лишь слабо реагируют на введение витамина С извне. Это является серьезным недостатком для исследований, изучающих эндогенные окислительно-восстановительные системы приматов и других животных, у которых этот ген отсутствует. Морские свинки являются популярной моделью для изучения заболеваний человека. Они утратили способность синтезировать GULO 20 миллионов лет назад. Мыши с нокаутом по гену GULO (GULO–/–) использовались в качестве модели человека во многих последующих исследованиях. Предпринимались успешные попытки восстановить утраченную ферментативную функцию у различных видов животных. Также были идентифицированы различные мутанты GULO.

Модели заводов

В растениях значимость витамина С в регуляции морфологии всего растения, структуры клеток и развития растений была чётко установлена благодаря изучению мутантов Arabidopsis thaliana, картофеля, табака, томатов и риса с пониженным содержанием витамина С. Повышение содержания витамина С посредством сверхэкспрессии инозитол-оксигеназы и гулоно-1,4-лактоноксидазы в A. thaliana приводит к увеличению биомассы и устойчивости к абиотическим стрессам.

L-гулонолактон оксидаза у крыс

L-гулонолактоноксидаза (GULO) – это фермент, который катализирует образование аскорбиновой кислоты, также известной как витамин С. Млекопитающие, такие как люди и морские свинки, не экспрессируют этот ген из-за множественных мутаций в конкретном экзоне. Эти мутации связаны с заменой нуклеотидов. Крысы – это вид, который экспрессирует L-гулонолактоноксидазу, имея специфический генный транскрипт. Кодирующая область гена имеет длину 645 пар оснований и состоит из восьми экзонов и семи интронов. Было установлено, что у крысы GULO имеется протезирующий домен в N-концевом участке, представляющий собой флавиновый адениндинуклеотид. Все эти альдонолактон-оксидоредуктазы участвуют в той или иной форме синтеза витамина С, а некоторые (включая GULO и ALO) способны принимать субстраты от других представителей этой группы ферментов.