Введение

Белок млекопитающих, обнаруженный у Homo sapiens, представляет собой фермент, который катализирует гидроксилирование ароматической боковой цепи фенилаланина с образованием тирозина. Фенилаланингидроксилаза (PAH) является одним из трех членов биоптерин-зависимых ароматических аминокислотных гидроксилаз, класса монооксигеназ, использующих тетрагидробиоптерин (BH4, кофактор птеридина) и негемовое железо для катализа. В ходе реакции молекулярный кислород гетеролитически расщепляется с последовательным включением одного атома кислорода в BH4 и субстрат фенилаланин. У человека мутации в гене, кодирующем этот фермент (PAH), могут приводить к метаболическому заболеванию – фенилкетонурии.

Регулирование ферментов

Для фенилаланингидроксилазы (ФАГ) предлагается использовать морфеиновую модель аллостерической регуляции. ФАГ млекопитающих существует в равновесии, состоящем из тетрамеров двух различных архитектур, с одной или несколькими димерными формами, входящими в это равновесие. Такое поведение соответствует диссоциативному аллостерическому механизму. Форма в состоянии покоя (RS ФАГ) архитектурно отличается от активированной формы (A ФАГ). На данный момент полной структуры A ФАГ нет, однако был определен Phe-стабилизированный интерфейс ACT-ACT, характерный для A ФАГ, и предложена структурная модель A ФАГ, основанная на анализе SAXS.

Каталитическая область

Решенные структуры кристаллов каталитического домена показывают, что активный центр состоит из открытого и просторного кармана, преимущественно выстланного гидрофобными остатками, хотя присутствуют также три остатка глутаминовой кислоты, два гистидина и тирозин, участвующие в связывании железа. Включение аналога Phe в кристаллическую структуру приводит к изменению состояния железа с шести- на пятикоординационное, с участием одной молекулы воды и бидентатной координацией с Glu330, а также открывает место для связывания кислорода. BH4 одновременно сдвигается в сторону атома железа, хотя птериновый кофактор остается во второй координационной сфере. С другой стороны, конкурирующая модель, основанная на анализе ЯМР и молекулярного моделирования, предполагает, что все координированные молекулы воды вытесняются из активного центра в ходе каталитического цикла, в то время как BH4 становится непосредственно координированным с железом. Как обсуждалось выше, разрешение этого противоречия будет важно для определения точного механизма катализа ПАГ.

N-концевая область регулирования

Регулирующая функция N-концевого домена (остатки 1–117) обусловлена его структурной гибкостью. Анализ обмена водорода/дейтерия показывает, что аллостерическое связывание фенилаланина глобально изменяет конформацию ФАГ, приводя к меньшей окклюзии активного центра, поскольку интерфейс между регуляторным и каталитическим доменами все больше подвергается воздействию растворителя. Это наблюдение согласуется с кинетическими исследованиями, демонстрирующими изначально низкую скорость образования тирозина для полноразмерной ФАГ. Однако этот лаг-период не наблюдается для усеченной ФАГ, лишенной N-концевого домена, или при предварительной инкубации полноразмерного фермента с фенилаланином. Делеция N-концевого домена также устраняет лаг-период, одновременно увеличивая аффинность к фенилаланину почти в два раза; различий в Vmax или Km для кофактора тетрагидробиоптерина не наблюдается. Дополнительную регуляцию обеспечивает Ser16; фосфорилирование этого остатка не изменяет конформацию фермента, но снижает концентрацию фенилаланина, необходимую для аллостерической активации. Хотя и гомодимерная, и гомотетрамерная формы ФАГ каталитически активны, они демонстрируют различную кинетику и регуляцию. Помимо сниженной каталитической эффективности, димер не проявляет положительной кооперативности по отношению к L-фенилаланину (который при высоких концентрациях активирует фермент), что позволяет предположить, что L-фенилаланин аллостерически регулирует ФАГ, влияя на димер-димерное взаимодействие. Регуляция потока через пути, связанные с фенилаланином, критически важна для метаболизма млекопитающих, о чем свидетельствует токсичность высоких уровней этой аминокислоты в плазме, наблюдаемая при фенилкетонурии (см. ниже). Основным источником фенилаланина являются потребляемые с пищей белки, но относительно небольшая часть этого пула используется для синтеза белка. ФАГ уникальна среди ароматических аминокислотных гидроксилаз своим участием в катаболизме; гидроксилазы тирозина и триптофана, напротив, преимущественно экспрессируются в центральной нервной системе и катализируют лимитирующие скорость стадии биосинтеза нейротрансмиттеров/гормонов. Мутации, идентифицированные в локусе ФАГ, задокументированы в базе данных Phenylalanine Hydroxylase Locus Knowledgebase (PAHdb, https://web.archive.org/web/20130718162051/http://www.pahdb.mcgill.ca/). Поскольку фенилкетонурия может вызывать необратимые повреждения, крайне важно выявлять дефицит фенилаланингидроксилазы на ранних стадиях развития. Изначально это делалось с помощью бактериального ингибиторного анализа, известного как тест Гатри. В настоящее время ФКУ входит в программу скрининга новорожденных во многих странах, а повышенные уровни фенилаланина выявляются вскоре после рождения с помощью тандемной масс-спектрометрии. Перевод ребенка на диету с низким содержанием фенилаланина и высоким содержанием тирозина может помочь предотвратить долгосрочные нарушения развития.

Модель нокаута ПАГ

Первая попытка создания модели мыши Pah KO была описана в исследовательской статье, опубликованной в 2021 году. Эта нокаутная мышь была создана гомозиготной посредством развития в штамме C57BL/6J с использованием CRISPR/Cas9. Кодон 7 (GAG) в гене Pah был изменен на стоп-кодон TAG, что представляет собой преднамеренную точечную мутацию. Самцы гомозиготных мышей в возрасте от двух до шести месяцев изучались с использованием научных методов, таких как поведенческие и биохимические анализы, МРТ и гистопатология. Гомозиготные мыши регулярно сравнивались с контрольными мышами, подобранными по возрасту и полу, и с гетерозиготными мышами Pah KO, которые демонстрировали достаточную активность фермента ПАГ для поддержания уровней фенилаланина и тирозина, сопоставимых с диким типом. Модель мыши Pah KO характеризовалась высоким уровнем фенилаланина и низким уровнем тирозина в крови, гипохолестеринемией, повышенным уровнем фенилаланина и сниженным уровнем нейромедиаторов и тирозина в мозге, гипомиелинизацией, низкой массой мозга и тела, выраженной глазной патологией, гипопигментацией и прогрессирующим поведенческим дефицитом по сравнению с гетерозиготными мышами. Повышенное количество фенилаланина в гомогенатах целого мозга гомозиготных мышей было сопоставимо с таковым у пациентов с ФКУ. Окраска шерсти у обеих групп мышей зависела от количества пигмента меланина в волосах; следовательно, гомозиготные мыши имели тенденцию быть светло-коричневыми из-за меньшего содержания меланина. Поведение мышей оценивалось с помощью теста на строительство гнезд. Эта модель открывает возможности для всестороннего изучения биологии ФКУ, схожей с проявлениями у пациентов с ФКУ, и для оценки современных терапевтических стратегий лечения ФКУ.