Формилирование - Formylation

Эта статья посвящена формилированию в биохимии. Для общей реакции см. реакция формилирования.

В биохимии добавление формильная функциональная группа Называется формилирование. Формильная функциональная группа состоит из карбонила, связанного с водородом. При прикреплении к Группа R, формильная группа называется альдегид.

Формильная функциональная группа показана синим цветом.

Формилирование было идентифицировано в нескольких важных биологических процессах. Впервые было обнаружено, что метионин подвергается формилированию в Кишечная палочка Маркером и Сэнгером в 1964 г.[1] и позже было установлено, что он участвует в инициации синтеза белка в бактериях и органеллах.[2] Формирование N-формилметионин катализируется ферментом метионил-тРНКВстретились трансформилаза.[3] Кроме того, две реакции формилирования происходят в de novo биосинтез пуринов. Эти реакции катализируются ферментами глицинамид рибонуклеотид (GAR) трансформилаза и Трансформилаза 5-аминоимидазол-4-карбоксиамид риботид (AICAR).[4] Совсем недавно было обнаружено, что формилирование гистон модификация, которая может модулировать экспрессию гена.

Общая реакция формилирования

Основная статья: Реакция формилирования

Формилирование относится к любым химическим процессам, в которых соединение функционализировано формильной группой (-CH = O). В органической химии этот термин чаще всего используется в отношении ароматические соединения (например, преобразование бензол к бензальдегид в Реакция Гаттермана – Коха ). В биохимии реакция катализируется такими ферментами, как формилтрансферазы.

Реакции формилирования в биологии

Метаногенез

Формилирование метанофуран инициирует метаногенез цикл. Формильная группа происходит от углекислый газ и преобразуется в метан.

Цикл для метаногенез, показывающий начальное формилирование метанофурана.[5]

Формилирование в синтезе белка

Метионил тРНК fMet трансформилаза в комплексе с инициатором формилметионил тРНКfMet. Отрисовано из PDB 2FMT.

В бактериях и органеллах о начале синтеза белка сигнализирует образование формил-метионил-тРНК (тРНКfMet). Эта реакция зависит от 10-формилтетрагидрофолат и фермент метионил-тРНК формилтрансфераза.[3]Эта реакция не используется ни эукариотами, ни археями, так как присутствие тРНКfMet в небактериальных клетках считается инвазивным материалом и быстро устраняется. После его производства тРНКfMet доставляется в 30S субъединица рибосомы чтобы запустить синтез белка. fMet имеет ту же последовательность кодонов, что и метионин. Однако fMet используется только для инициации синтеза белка и, таким образом, обнаруживается только на N-конце белка. Во время остального перевода используется метионин. В Кишечная палочка, тРНКfMet особо признан фактор инициирования IF-2, поскольку формильная группа блокирует образование пептидной связи на N-конце метионина.[3]

После завершения синтеза белка формильная группа метионина может быть удалена с помощью пептид деформилаза. Остаток метионина можно удалить с помощью фермента. метионин аминопептидаза.

Химический синтез N-формилметионин катализируется ферментом метионил-тРНК формилтрансферазой

Реакции формилирования в биосинтезе пуринов

Для одиннадцати стадий синтеза de novo требуется две реакции формилирования. монофосфат инозина (IMP), предшественник пуриновых рибонуклеотидов AMP и GMP. Глицинамид рибонуклеотид (GAR) трансформилаза катализирует формилирование GAR до формилглицинамидин риботида (FGAR) в четвертой реакции пути. На предпоследнем этапе биосинтеза пурина de novo риботид 5-аминоимидазол-4-карбоксиамида (AICAR) формилируется до риботида 5-формаминоимидазол-4-карбоксамида (FAICAR) посредством Трансформилаза AICAR.[4]

GAR трансформилаза

Трансформилаза PurN GAR обнаружена у эукариот и прокариот. Однако вторая трансформилаза GAR, PurT GAR трансформилаза была идентифицирована в Кишечная палочка. Хотя два фермента не имеют консервативной последовательности и требуют разных доноров формила, удельная активность и Km для GAR одинаковы как для PurT, так и для PurN-GAR трансформилазы.

PurN GAR трансформилаза

PurN GAR трансформилаза 1CDE использует кофермент N10-формилтетрагидрофолат (N10-формил-THF) в качестве донора формила для формилирования α-аминогруппы GAR. У эукариот трансформилаза PurN GAR является частью большого многофункционального белка, но обнаруживается как отдельный белок у прокариот.[6]

Механизм
Активный центр PurN GAR трансформируется в комплекс с ингибитором на основе фолиевой кислоты 5-деаза-5,6,7,8-тетрагидрофолатом (5dTHF). Α-аминогруппа GAR (розовый) находится в положении, которое атакует группу формиата N10 на ингибиторе на основе фолиевой кислоты (желтый). Asn 106, His 108 и Asp 144 окрашены в зеленый цвет. Отрисовано из PDB 1CDE.

Предполагается, что реакция формилирования протекает через реакцию прямого переноса, в которой аминогруппа GAR нуклеофильно атакует N10-формил-ТГФ с образованием тетраэдрического промежуточного соединения.[4] Поскольку α-аминогруппа GAR относительно реакционноспособна, предполагается, что депротонирование нуклеофила происходит под действием растворителя. В активном сайте Asn 106, His 108 и Asp 144 позиционируются, чтобы способствовать переносу формила.[6] Однако исследования мутагенеза показали, что эти остатки по отдельности не важны для катализа, поскольку только мутации двух или более остатков ингибируют фермент. Основываясь на структуре, отрицательно заряженный Asp144, как полагают, увеличивает pKa His108, позволяя протонированной имидазолиевой группе His108 увеличивать электрофильность формильной группы N10-формил-THF. Кроме того, считается, что His108 и Asn106 стабилизируют оксианион, образующийся в переходном состоянии.[7]

Механизм трансформилазы PurN GAR
PurT GAR трансформилаза

Трансформилаза PurT GAR требует формиата в качестве донора формила и АТФ для катализа. Было подсчитано, что трансформилаза PurT GAR осуществляет 14-50% формилирования GAR в Кишечная палочка. Фермент является членом надсемейства белков, захватывающих АТФ.[8]

Механизм

Для трансформилазы PurT GAR был предложен последовательный механизм, в котором предполагается, что в первую очередь образуется короткоживущий промежуточный формилфосфат. Этот промежуточный формилфосфат затем подвергается нуклеофильной атаке амином GAR для передачи формильной группы. Промежуточный формилфосфат был обнаружен в экспериментах по мутагенезу, в которых мутантная трансфоримилаза PurT GAR имела слабое сродство к формиату.[6] Инкубация трансформилазы PurT GAR с формилфосфатом, ADP и GAR дает как ATP, так и FGAR. Это дополнительно указывает на то, что формилфосфат может быть промежуточным продуктом, поскольку он кинетически и химически компетентен для проведения реакции формилирования в ферменте.[9] Ферментный фосфатный промежуточный продукт, предшествующий формилфосфатному промежуточному продукту, также был предложен для образования на основе исследований позиционного изотопного обмена.[9] Однако структурные данные показывают, что формиат может быть расположен для прямой атаки на γ-фосфат АТФ в активном центре фермента с образованием промежуточного формилфосфата.[8]

Реакция, катализируемая PurT GAR трансформилазой

Трансформилаза AICAR

Трансформилазе AICAR требуется кофермент N10-формилтетрагидрофолат (N10-формил-THF) в качестве донора формила для формилирования AICAR в FAICAR. Однако трансформилаза AICAR и трансформилаза GAR не обладают высоким сходством последовательностей или структурной гомологией.[7]

Механизм
1M9N Активный сайт трансформилазы AICAR. Lys267 (голубой), His268 (фиолетовый), AICAR (зеленый). Сделано из ПДБ 1М9Н.

Амин на AICAR гораздо менее нуклеофильный, чем его аналог на GAR, из-за делокализации электронов в AICAR посредством конъюгации. Следовательно, для протекания реакции формилирования необходимо активировать нуклеофил N5 AIRCAR. Было обнаружено, что гистидин 268 и лизин 267 необходимы для катализа и консервативны во всех трансформилазе AICAR. Гистидин 268 участвует в депротонировании нуклеофила N5 AICAR, в то время как лизин 267, как предполагается, стабилизирует тетраэдрический промежуточный продукт.[7]

Механизм, катализируемый трансформилазой AICAR

Формилирование гистоновых белков

Формилирование - это посттрансляционная модификация, которая происходит на остатках лизина.

ε-формилирование - одно из многих посттрансляционные модификации которые происходят на гистоновых белках, которые, как было показано, модулируют хроматин конформации и активация генов.

Формилирование лизина может конкурировать с ацетилированием как посттрансляционная модификация.

Формилирование было идентифицировано на Nε остатков лизина в гистонах и белках. Эта модификация наблюдалась в линкерных гистонах и белки группы высокой подвижности, он очень распространен и, как полагают, играет роль в эпигенетике функции хроматина. Было показано, что формилированные лизины играют роль в связывании ДНК. Кроме того, формилирование было обнаружено на лизинах гистонов, которые, как известно, также ацетилированы и метилированы. Таким образом, формилирование может блокировать другие посттрансляционные модификации.[10]Формилирование чаще всего выявляется на 19 различных сайтах модификации гистона H1. Генетическая экспрессия клетки сильно нарушена формилированием, что может вызвать такие заболевания, как рак. Развитие этих модификаций может быть связано с окислительным стрессом.[10]

В гистоновых белках лизин обычно модифицируется гистоновыми ацетилтрансферазами (HAT) и гистоновыми деацетилазами (HDAC или KDAC). Ацетилирование лизина является фундаментальным для регуляции и экспрессии определенных генов. Окислительный стресс создает совершенно иную среду, в которой ацетил-лизин может быть быстро вытеснен образованием формил-лизина из-за высокой реакционной способности форм формилфосфата. В настоящее время считается, что эта ситуация вызвана окислительным повреждением ДНК. Был предложен механизм образования формилфосфата, который в значительной степени зависит от окислительно поврежденной ДНК и в основном управляется радикальной химией внутри клетки.[11] Полученный формилфосфат затем можно использовать для формилирования лизина. Считается, что окислительный стресс играет роль в доступности остатков лизина на поверхности белков и возможности их формилирования.

Формилфосфат - предполагаемый продукт окислительного повреждения ДНК.

Формилирование в медицине

Реакции формилирования как мишень для лекарственного средства

Ингибирование ферментов, участвующих в биосинтезе пуринов, используется в качестве потенциальной лекарственной мишени для химиотерапии.

Химическая структура лометрексола.

Раковые клетки требуют высоких концентраций пуринов для облегчения деления.[6] и склонны полагаться на синтез de novo, а не на путь спасения нуклеотидов.[7][12] Несколько ингибиторов на основе фолиевой кислоты были разработаны для ингибирования реакций формилирования под действием трансформилазы GAR и трансформилазы AICAR.[13] Первый ингибитор трансформилазы GAR, лометрексол [(6R) 5,10-дидеазатетрагидрофолат], был разработан в 1980-х годах в результате сотрудничества между Эли Лилли и академические лаборатории.[14]

Хотя лометрексол по своей структуре похож на N10-формил-ТГФ, он неспособен проводить одну реакцию переноса углерода.[13] Кроме того, были синтезированы несколько ингибиторов трансформилазы на основе GAR.[13]Было обнаружено, что разработка ингибиторов на основе фолиевой кислоты является особенно сложной задачей, поскольку ингибиторы также подавляют активность фермента. фолиполиглутаматсинтаза, который добавляет дополнительные γ-глутаматы к моноглутаматным фолатам и антифолатам после попадания в клетку для увеличения сродства к ферментам. Это повышенное сродство может привести к устойчивости к антифолатам.[12]

Синдром Ли

Синдром Ли - это нейродегенеративное заболевание, связанное с дефектом ферментативной реакции формилирования. Синдром Ли обычно связан с дефектами окислительного фосфорилирования, которое происходит в митохондриях.[15] Секвенирование экзома, был использован для выявления мутации в гене, кодирующем митохондриальную метионил-тРНК формилтрансферазу (MTFMT) у пациентов с синдромом Ли. Считается, что мутация c.626C> T, идентифицированная в MTFMT, приводящая к симптомам синдрома Ли, изменяет сплайсинг экзонов, приводя к мутации сдвига рамки считывания и преждевременному стоп-кодону. Было обнаружено, что индивидуумы с мутацией MTFMT c.626C> T имеют сниженные уровни fMet-tRNAMet и изменения в уровне формилирования митохондрически транслируемого COX1. Эта ссылка свидетельствует о необходимости формилированного метионина в инициации экспрессии определенных митохондриальных генов.[16]

Рекомендации

  1. ^ Marcker, K; Сэнгер, Ф. (1964). «N-формилметионил-S-РНК». J. Mol. Биол. 8 (6): 835–840. Дои:10.1016 / S0022-2836 (64) 80164-9. PMID  14187409.
  2. ^ Adams, J.M .; Капеччи, М.Р. (1966). «N-Формилметионил-мРНК как инициатор синтеза белка». PNAS. 55 (1): 147–155. Bibcode:1966ПНАС ... 55..147А. Дои:10.1073 / пнас.55.1.147. ЧВК  285768. PMID  5328638.
  3. ^ а б c Козак, М. (1983). «Сравнение инициации синтеза белка в прокариотах, эукариотах и ​​органеллах». Микробиологические обзоры. 47 (1): 1–45. Дои:10.1128 / MMBR.47.1.1-45.1983. ЧВК  281560. PMID  6343825.
  4. ^ а б c Воет и Воет (2008). Основы биохимии 3-е издание. Нью-Йорк: Вили.
  5. ^ Тауер, Р. К. (1998). "Биохимия метаногенеза: дань уважения Марджори Стивенсон". Микробиология. 144: 2377–2406. Дои:10.1099/00221287-144-9-2377. PMID  9782487.
  6. ^ а б c d Уоррен, M.S .; К.М. Маттиа; А.Е. Маролевски; С.Дж. Бенкович (1996). «Ферменты трансформилазы биосинтеза пуринов de novo» (PDF). Pure Appl. Chem. 68 (11): 2029–2036. Дои:10.1351 / pac199668112029. S2CID  39555269. Получено 24 февраля 2013.
  7. ^ а б c d Wolan, D; Greasley, S.E .; Beardsley, P .; Уилсон, И. (2002). «Структурные исследования механизма трансформилазы AICAR птиц». Биохимия. 41 (52): 15505–15513. Дои:10.1021 / bi020505x. PMID  12501179.
  8. ^ а б Thoden, J.B .; Firestine, S .; Nixon, A .; Бенкович, С.Дж .; Холден, Х.М. (2000). «Молекулярная структура Escherichia coli PurT-кодируемой глицинамид рибонуклеотид трансформилазы». Биохимия. 39 (30): 8791–8802. Дои:10.1021 / bi000926j. PMID  10913290.
  9. ^ а б Marolewski, A.E .; Mattia, K.M .; Уоррен, M.S .; Бенкович, С.Дж. (1997). «Формилфосфат: предлагаемый промежуточный продукт в реакции, катализируемой Escherichia coli PurT GAR трансформилазой». Биохимия. 36 (22): 6709–6716. Дои:10.1021 / bi962961p. PMID  9184151.
  10. ^ а б Wisniewski, J.R .; Zougman, A .; Манн, М. (2002). «N-Формилирование лизина - широко распространенная посттрансляционная модификация ядерных белков, происходящая по остаткам, участвующим в регуляции функции хроматина». Исследования нуклеиновых кислот. 36 (2): 570–577. Дои:10.1093 / нар / гкм1057. ЧВК  2241850. PMID  18056081.
  11. ^ Цзян, Т. Чжоу, X .; Taghizadeh, K .; Dong, M .; Дедон, ПК. (2007). «N-формилирование лизина в гистоновых белках как вторичная модификация, возникающая в результате окислительного повреждения ДНК». PNAS. 104 (1): 60–65. Bibcode:2007ПНАС..104 ... 60Дж. Дои:10.1073 / pnas.0606775103. ЧВК  1765477. PMID  17190813.
  12. ^ а б ДеМартино, J.K .; Hwang, I .; Xu, L .; Wilson, I.A .; Богер, Д. (2006). «Открытие мощного, неполиглутаматируемого ингибитора глицинамид рибонуклеотид трансформилазы». Журнал медицинской химии. 49 (10): 2998–3002. Дои:10.1021 / jm0601147. ЧВК  2531195. PMID  16686541.
  13. ^ а б c Christopherson, R.I .; Lyons, S.D .; Уилсон, П.К. (2002). «Ингибиторы биосинтеза новонуклеотидов как лекарственные средства». Соотв. Chem. Res. 35 (11): 961–971. Дои:10.1021 / ar0000509. PMID  12437321.
  14. ^ Ван, Л; Desmoulin, S.K .; Cherian, C .; Полин, Л .; Белый, К .; Кушнер, Дж .; Фултерер, А .; Chang, M .; Mitchell, S .; Стаут, М .; Romero, M.F .; Hou, Z .; Matherly, L.H .; Гангджи, А (2011). «Синтез, биологическая и противоопухолевая активность высокоэффективного 6-замещенного ингибитора пирроло [2,3-d] пиримидинтиеноил антифолата с протон-связанным переносчиком фолата и селективность рецептора фолата по сравнению с восстановленным носителем фолата, который ингибирует β-глицинамид рибонуклеотид формилтрансферазу». Журнал медицинской химии. 54 (20): 7150–7164. Дои:10.1021 / jm200739e. ЧВК  3209708. PMID  21879757.
  15. ^ «Синдром Ли». Онлайн-менделевское наследование в человеке. Получено 24 февраля 2013.
  16. ^ Такер Э.Дж., Хершман С.Г., Керер С., Белчер-Тимм, Калифорния, Патель Дж., Голдбергер О.А., Христодулу Дж., Зильберштейн Дж.М., Маккензи М., Райан М.Т., Комптон АГ, Яффе Д.Д., Карр С.А., Кальво С.Е., Радж Бхандари УЛ, Торберн Д.Р., Mootha VK (2011). «Мутации в MTFMT лежат в основе человеческого нарушения формилирования, вызывающего нарушение митохондриальной трансляции». Cell Metab. 14 (3): 428–434. Дои:10.1016 / j.cmet.2011.07.010. ЧВК  3486727. PMID  21907147.

Смотрите также