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.
Inositol oxygenase, also commonly referred to as myo inositol oxygenase (MIOX), is a non heme di iron enzyme that oxidizes myo inositol to glucuronic acid. The enzyme employs a unique four electron transfer at its Fe(II)/Fe(III) coordination sites and the reaction proceeds through the direct binding of myo inositol followed by attack of the iron center by diatomic oxygen. This enzyme is part of the only known pathway for the catabolism of inositol in humans and is expressed primarily in the kidneys. Recent medical research regarding MIOX has focused on understanding its role in metabolic and kidney diseases such as diabetes, obesity and acute kidney injury. Industrially focused engineering efforts are centered on improving MIOX activity in order to produce glucaric acid in heterologous hosts.
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.