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.
Phenylalanine hydroxylase (PAH) is an enzyme that catalyzes the hydroxylation of the aromatic side chain of phenylalanine to generate tyrosine. PAH is one of three members of the biopterin dependent aromatic amino acid hydroxylases, a class of monooxygenase that uses tetrahydrobiopterin (BH4, a pteridine cofactor) and a non heme iron for catalysis. During the reaction, molecular oxygen is heterolytically cleaved with sequential incorporation of one oxygen atom into BH4 and phenylalanine substrate. In humans, mutations in its encoding gene, PAH, can lead to the metabolic disorder phenylketonuria.
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.