Введение

Гени, кодирующие белки, в виде Homo sapiens Инозитол оксигеназа, также известная как мио-инозитол оксигеназа (MIOX), является негемодиетильным ферментом, который окисляет мио-инозитол в глюкуроновую кислоту. Фермент использует уникальную передачу четырех электронов в своих координационных точках Fe (II) / Fe (III), и реакция протекает путем прямого связывания миоинозитола, за которым следует атака двуатомного кислорода на железный центр. Этот фермент является частью единственного известного пути катаболизма инозитола у человека и экспрессируется в основном в почках. Недавние медицинские исследования в отношении MIOX были сосредоточены на понимании его роли в метаболических и почечных заболеваниях, таких как диабет, ожирение и острая травма почек. Индустриально ориентированные инженерные усилия сосредоточены на улучшении активности MIOX для производства глюкариновой кислоты в гетерологичных хозяевах.

Структура

Миоинозитол оксигеназа представляет собой мономерный белок 33 кДа как в растворе, так и в кристалле. Этот фермент обладает атомной парой Fe (II) / Fe (III) в каталитическом активном месте, что позволяет его уникальному механизму передачи четырех электронов. Недавние исследования кристаллизации прояснили структуры мышиного MIOX в 2008 году. Общая структура мышиного MIOX в основном спиральная, с пятью альфа-спиралями, образующими ядро белка. Два железных центра координируются различными аминокислотами и молекулами воды, как показано в комплексе с миоинозитольным субстратом. Структура MIOX человека тесно перекрывает структуру MIOX мыши, разделяя идентичность последовательности 86% по структурному выравниванию, но с некоторыми различиями в остатках, окружающих активный участок. Вместо этого, MIOX очень похож на белки в суперсемействе доменов HD, основанные на его высококонсервативной стратегии связывания металлов и наличии четырех лигандов His в железном центре. Серия экспериментов по кристаллизации, спектроскопии и теории плотности функций выявила предполагаемый механизм (показано справа) окисления миоинозитола. Спектроскопия ENDOR была использована для определения того, что субстрат напрямую связывается с Fe (II) / Fe (III) дижеронным центром MIOX, скорее всего, через атом O1 миоинозитола. В почках MIOX преобразует миоинозитол в глюкуроновую кислоту, которая затем может проходить через глюкуронат- ксилулозный путь для преобразования в ксилулозо-5- фосфат. Кроме того, недавнее исследование показало, что MIOX повышается в диабетическом состоянии, при этом его транскрипция сильно регулируется осмолярностью, уровнем глюкозы и окислительным стрессом. Эта повышенная регуляция связана с образованием реактивных окислительных видов, которые приводят к интерстициальному повреждению почек. Иммуноанализ экспрессии MIOX может потенциально предсказать эти угрожающие жизни травмы раньше, чем текущее диагностическое определение креатинина в плазме.

Промышленная значимость

Энзим MIOX был объектом интенсивных усилий по метаболической инженерии для получения глюкариновой кислоты через биосинтетические пути. В 2004 году Министерство энергетики США опубликовало список химических веществ с наибольшей добавленной стоимостью из биомассы, в который вошла глюкаровая кислота - прямой продукт окисления глюкуроновой кислоты. Первое биосинтетическое производство глюкариновой кислоты было достигнуто в 2009 году с использованием фермента уронат-дегидрогеназы (UDH). С тех пор фермент MIOX был разработан для улучшения производства глюкариновой кислоты с помощью многочисленных стратегий, включая добавление N-терминального SUMO-тега, направленную эволюцию, а также использование модульных синтетических каркасов для увеличения его эффективной локальной концентрации.