Forskare föreslår paradigmskifte inom enzymbiokemi

P450 51-enzymer demetylerar steroler och frigör myrsyra (DCOOH). Analys av biprodukten DCOOH gör det möjligt att mekanistiskt urskilja hur förening 0 (Cpd 0) och förening I (Cpd I) bidrar till katalys. När enzymreaktioner kördes under 18O2 (rött) innehöll >50 % av den erhållna DCOOH en atom 18O (för alla P450 51-enzymer som testades), vilket tyder på det stora bidraget från Cpd 0 i 24,25-dihydrolanosterol C-C-klyvning. Kredit: Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI: 10.1002/anie.202317711
P450 51-enzymer demetylerar steroler och frigör myrsyra (DCOOH). Analys av biprodukten DCOOH gör det möjligt att mekanistiskt urskilja hur förening 0 (Cpd 0) och förening I (Cpd I) bidrar till katalys. När enzymreaktioner kördes under 18O2 (rött) innehöll >50 % av den erhållna DCOOH en atom 18O (för alla P450 51-enzymer som testades), vilket tyder på det stora bidraget från Cpd 0 i 24,25-dihydrolanosterol C-C-klyvning. Kredit: Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI: 10.1002/anie.202317711

Även om du kanske aldrig har hört talas om cytokrom P450-superfamiljen av enzymer, spelar dessa proteiner olika och kritiska roller hos människor genom metabolisk bearbetning av läkemedel, bekämpningsmedel, fettsyror, fettlösliga vitaminer och kemiska carcinogener samt biosyntesen av essentiella steroider, inklusive steroler.

Steroler är en familj av kemiska föreningar som delar en central, ringformad struktur och som är livsviktiga för en mängd olika organismer. Den mest kända sterolen hos människor är kolesterol, en nyckelkomponent i vårt cellmembran och en ständigt aktuell fråga för läkare med tanke på att förhöjda kolesterolnivåer i blodet kan öka risken för hjärt- och kärlsjukdomar.

Fred Guengerichs laboratorium, Tadashi Inagami, Ph.D. Professor of Biochemistry vid Vanderbilt University, har studerat cytokromer P450 i 50 år. I en ny artikel som publicerades i Angewandte Chemie undersökte Guengerichs laboratorium den mekanism som används av cytokrom P450 51 – ett P450-enzym som finns i alla familjer av liv – för att katalysera en kritisk trestegsreaktion i sterolbiosyntesen: metabolismen av lanosterol.

”Det här har varit ett utmanande men givande projekt som ger det första entydiga svaret på en långvarig och kontroversiell mekanistisk fråga i eukaryot sterolbiosyntes”, säger Kevin McCarty, huvudförfattare och doktorand i biokemi.

Den katalytiska cykeln för alla P450-enzymer innefattar bildandet av två aktiva hemejärnarter – Compound 0 och Compound I, varav den senare bildas naturligt från Compound 0 – som är nödvändiga för P450-katalyserade reaktioner, inklusive lanosterolmetabolism. Även om Compound I:s roll i de två första stegen av lanosterolmetabolismen har varit väletablerad, har motstridiga data från olika laboratorier lämnat forskare oklara över om P450 51 använder Compound 0 eller Compound I för att åstadkomma det avgörande sista steget.

Genom att använda en avancerad analytisk teknik som ursprungligen förfinades av tidigare Guengerich postdoc Francis Yoshimoto som spårar införlivandet av en syreisotop som kallas 18O i produkterna av P450-reaktionen, har McCarty och kollegor blivit de första att föreslå att både förening 0 och förening I kan spela aktiva kemiska roller i det sista steget i lanosterolmetabolismen.

De resultat som presenteras i Angewandte Chemie visar att medan förening 0 är den viktigaste heme-arten som ansvarar för det sista steget i den humana P450 51:s katalytiska verkan (~85 % av reaktionen), spelar förening I fortfarande en mindre, kvantifierbar roll (~14 % av reaktionen).

I samarbete med Galina Lepesheva, professor i biokemi, jämförde forskarna de relativa bidragen från varje heme-art i fyra P450 51-enzymer från patogen jäst, amöba och trypanosomer, en typ av parasit, med den mänskliga ortologen. Medan jäst- och amöbaenzymerna visade liknande resultat som det mänskliga proteinet, avslöjade resultaten från de trypanosomala enzymerna en intressant mekanistisk skillnad: Förening 0 och förening I bidrog i stort sett lika mycket till reaktionen.

Dessa resultat fördjupar vår kollektiva och mekanistiska förståelse av P450-enzymer, särskilt de som är involverade i sterolbiosyntes.

”Det här var ett långt projekt som krävde en kemisk syntes i 17 steg, fem olika renade P450 51-enzymer från vår samarbetspartner professor Galina Lepesheva, mycket noggrann uppmärksamhet på att använda en atmosfär med 18 syrgas i reaktionerna, sofistikerad högupplöst masspektrometri och noggrant arbete av alla författare i vårt laboratorium”, säger Guengerich. Enligt honom gjorde teamets noggrannhet det möjligt för dem att ”knäcka systemet” och ge en tydlig analys av en bifurkad enzymmekanism.

”Våra resultat ger ett viktigt framsteg i förståelsen av P450 51-funktionen hos människor och olika patogener, vilket vi hoppas kommer att vara användbart i den fortsatta sökningen efter P450 51-riktade läkemedel”, säger McCarty.

För närvarande finns det ett antal svampdödande läkemedel som hämmar svampens P450 51-enzymer för att störa organismens förmåga att tillverka viktiga steroler och reproducera sig. Resistens mot svampmedel, i kombination med förekomsten av livshotande svampinfektioner för vilka det inte finns någon behandling, understryker dock det fortsatta behovet av nya P450 51-riktade läkemedel.

Framöver kommer laboratorierna Guengerich och Lepesheva att ytterligare analysera ett P450 51-enzym från amöba i jakt på mekanistiska särdrag som kan utnyttjas som potentiella läkemedelsmål.

Ytterligare information: Kevin D. McCarty et al, Oxygen‐18 Labeling Reveals a Mixed Fe−O Mechanism in the Last Step of Cytochrome P450 51 Sterol 14α‐Demethylation, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI: 10.1002/anie.202317711

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.