Farnesyl-diphosphat-Farnesyltransferase - Farnesyl-diphosphate farnesyltransferase

Squalensynthase
Humane Squalensynthase im Komplex mit Inhibitor. PDB 3q30
Identifikatoren
EG-Nr.	2.5.1.21
CAS-Nr.	9077-14-9
Datenbanken
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Squalen-Synthase ( SQS ) oder Farnesyl-Diphosphat:Farnesyl-Diphosphat-Farnesyl-Transferase ist ein Enzym , das an der Membran des endoplasmatischen Retikulums lokalisiert ist . SQS ist am Isoprenoid- Biosyntheseweg beteiligt und katalysiert eine zweistufige Reaktion, bei der zwei identische Moleküle Farnesylpyrophosphat (FPP) unter Verbrauch von NADPH in Squalen umgewandelt werden . Die Katalyse durch SQS ist der erste engagierte Schritt in der Sterolsynthese , da das produzierte Squalen über einen komplexen, mehrstufigen Weg ausschließlich in verschiedene Sterine wie Cholesterin umgewandelt wird. SQS gehört zur Proteinfamilie der Squalen/Phytoen-Synthase .

Diversität

Squalensynthase wurde in Tieren, Pflanzen und Hefe charakterisiert. In Struktur und Mechanik ähnelt die Squalen-Synthase stark der Phytoen-Synthase (PHS), einer anderen Prenyltransferase . PHS spielt eine ähnliche Rolle wie SQS in Pflanzen und Bakterien und katalysiert die Synthese von Phytoen , einer Vorstufe von Carotinoidverbindungen .

Struktur

Die Squalen-Synthase (SQS) ist ausschließlich an der Membran des endoplasmatischen Retikulums (ER) lokalisiert . SQS ist an der Membran durch eine kurze C-terminale membranüberspannende Domäne verankert. Die N-terminale katalytische Domäne des Enzyms ragt in das Zytosol hinein , wo die löslichen Substrate gebunden werden. SQS-Formen von Säugetieren sind ungefähr 47 kDa groß und bestehen aus ~416 Aminosäuren . Die Kristallstruktur von humanem SQS wurde im Jahr 2000 bestimmt und zeigte, dass das Protein vollständig aus α-Helices besteht . Das Enzym ist zu einer einzigen Domäne gefaltet , die durch einen großen zentralen Kanal gekennzeichnet ist. Innerhalb dieses Kanals befinden sich die aktiven Zentren der beiden SQS-katalysierten Halbreaktionen. Ein Ende des Kanals ist zum Zytosol offen, während das andere Ende eine hydrophobe Tasche bildet. SQS enthält zwei konservierte aspartatreiche Sequenzen, von denen angenommen wird, dass sie direkt am katalytischen Mechanismus beteiligt sind. Diese aspartatreichen Motive sind eines von mehreren konservierten Strukturmerkmalen in Klasse-I-Isoprenoid-Biosyntheseenzymen, obwohl diese Enzyme keine Sequenzhomologie teilen .

Squalen-Synthase (Mensch). Schlüsselreste im zentralen Kanal sind als Kugeln dargestellt.

Mechanismus

Die Squalen-Synthase (SQS) katalysiert die reduktive Dimerisierung von Farnesylpyrophosphat (FPP), bei der zwei identische FPP-Moleküle in ein Squalen-Molekül umgewandelt werden. Die Reaktion erfolgt in zwei Schritten, die über das intermediäre Presqualenpyrophosphat (PSPP) verlaufen. FPP ist eine lösliche Allylverbindung mit 15 Kohlenstoffatomen (C ₁₅ ), während Squalen ein unlösliches C ₃₀ Isoprenoid ist. Diese Reaktion ist eine Kopf-an-Kopf- Terpensynthese , da die beiden FPP-Moleküle beide an der C4-Position verbunden sind und eine 1-1'-Verknüpfung bilden. Dies steht im Gegensatz zu den 1'-4-Bindungen, die bei der Isopren-Biosynthese viel häufiger vorkommen als 4-4'-Bindungen. Der Reaktionsmechanismus von SQS erfordert ein zweiwertiges Kation , oft Mg ²⁺ , um die Bindung der Pyrophosphatgruppen an FPP zu erleichtern .

FPP-Kondensation

In der ersten Halbreaktion werden zwei identische Moleküle Farnesylpyrophosphat (FPP) nacheinander an die Squalensynthase (SQS) gebunden. Die FPP-Moleküle binden an verschiedene Regionen des Enzyms und mit unterschiedlichen Bindungsaffinitäten. Beginnend am oberen Ende des Katalysezyklus unten beginnt die Reaktion mit der Ionisierung von FPP, um ein allylisches Carbokation zu erzeugen . Ein Tyrosinrest (Tyr-171) spielt in diesem Schritt eine entscheidende Rolle, indem er als Protonendonor dient, um die Abstraktion von Pyrophosphat zu erleichtern. Darüber hinaus kann das resultierende Phenolatanion das resultierende Carbokation durch Kation-π-Wechselwirkungen stabilisieren , die aufgrund der sehr elektronenreichen Natur des Phenolatanions besonders stark wären. Das erzeugte Allylkation wird dann vom Olefin eines zweiten FPP-Moleküls angegriffen, wodurch ein tertiäres Carbokation entsteht. Das zuvor erzeugte Phenolatanion dient dann als Base, um ein Proton von diesem Addukt zu abstrahieren, um ein Cyclopropanprodukt, Presqualenpyrophosphat (PSPP), zu bilden. Das erzeugte PSPP bleibt für die zweite Reaktion mit SQS verbunden. Die Bedeutung eines Tyrosinrestes in diesem Prozess wurde durch Mutagenesestudien mit Ratten-SQS (rSQS) und durch die Tatsache gezeigt, dass Tyr-171 in allen bekannten SQSs (und PHSs ) konserviert ist . In rSQS wurde Tyr-171 in die aromatischen Reste Phe und Trp sowie in den hydroxylhaltigen Rest Ser umgewandelt . Keine dieser Mutanten war in der Lage, FPP in PSPP oder Squalen umzuwandeln, was zeigt, dass aromatische Ringe oder Alkohole allein nicht ausreichen, um FPP in PSPP umzuwandeln.

PSPP-Umlagerung und -Reduktion

In der zweiten Halbreaktion von SQS wandert Presqualenpyrophosphat (PSPP) an eine zweite Reaktionsstelle innerhalb von SQS. Es wird angenommen, dass das Halten von PSPP im zentralen Kanal von SQS das reaktive Zwischenprodukt vor einer Reaktion mit Wasser schützt. Aus PSPP wird Squalen durch eine Reihe von Carbokation-Umlagerungen gebildet. Der Prozess beginnt mit der Ionisierung von Pyrophosphat, wodurch ein Cyclopropylcarbinyl-Kation entsteht. Das Kation lagert sich durch 1,2-Wanderung einer Cyclopropan-C-C-Bindung zum Carbokation um und bildet die blau dargestellte Bindung zu einem Cyclobutylcarbokation. Anschließend erfolgt eine zweite 1,2-Migration, um ein weiteres Cyclopropylcarbinyl-Kation zu bilden, wobei das Kation auf einem tertiären Kohlenstoff ruht. Dieses resultierende Carbokation wird dann durch ein von NADPH geliefertes Hydrid ringgeöffnet , wodurch Squalen entsteht, das dann durch SQS in die Membran des endoplasmatischen Retikulums freigesetzt wird .

Während Cyclopropylcarbinyl-Cyclopropylcarbinyl-Umlagerungen über diskrete Cyclobutylkation-Zwischenstufen ablaufen können, konnte das vermutete Cyclobutylkation in Modellstudien nicht abgefangen werden. Somit kann das Cyclobutylkation eher ein Übergangszustand zwischen den beiden Cyclopropylcarbinylkationen als ein diskretes Zwischenprodukt sein. Die Stereochemie der Zwischenstufen und die Olefingeometrie im Endprodukt wird durch die suprafaziale Natur der 1,2-Verschiebungen und die stereoelektronischen Anforderungen bestimmt . Während andere Mechanismen vorgeschlagen wurden, wird der oben gezeigte Mechanismus durch die Isolierung von Rillingol gestützt, dem Alkohol, der beim Abfangen des zweiten Cyclopropylcarbinylkations mit Wasser gebildet wird.

Verordnung

Verzweigung des Mevalonat-Wegs bei FPP zu Sterol- und Nicht-Sterol-Produkten.

FPP ist ein wichtiges metabolisches Zwischenprodukt im Mevalonat-Weg , das einen wichtigen Verzweigungspunkt in Terpenoid- Wegen darstellt. FPP wird verwendet, um neben Sterolen ( über Squalen) mehrere wichtige Verbindungsklassen zu bilden , darunter Ubichinon und Dolichole . SQS katalysiert den ersten engagierten Schritt in der Sterolbiosynthese aus FPP und ist daher wichtig für die Kontrolle des Flusses zu Sterol- gegenüber Nicht-Sterol-Produkten. Die Aktivität von SQS steht in engem Zusammenhang mit der Aktivität der HMG-CoA-Reduktase , die den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt des Mevalonat-Wegs katalysiert. Hohe Spiegel von LDL- abgeleitetem Cholesterin hemmen die HMG-CoA-Reduktase-Aktivität signifikant, da Mevalonat für die Sterolproduktion nicht mehr benötigt wird. Jedoch wird selbst bei sehr hohen LDL-Spiegeln eine restliche HMG-CoA-Reduktase-Aktivität beobachtet, so dass FPP zur Bildung von Nicht-Sterol-Produkten hergestellt werden kann, die für das Zellwachstum essentiell sind. Um zu verhindern, dass dieses restliche FPP für die Sterolsynthese verwendet wird, wenn Sterine reichlich vorhanden sind, nimmt die SQS-Aktivität signifikant ab, wenn die LDL-Spiegel hoch sind. Diese Unterdrückung der SQS-Aktivität wird eher als ein Kontrollmechanismus des Flusses angesehen als als eine Möglichkeit, den Cholesterinspiegel zu regulieren. Dies liegt daran, dass die HMG-CoA-Reduktase der signifikantere Kontrollfaktor für die Regulierung der Cholesterinsynthese ist (ihre Aktivität wird bei hohen LDL-Spiegeln zu 98% gehemmt).

Regulierung durch Sterine

Die SQS-Regulation erfolgt hauptsächlich auf der Ebene der SQS- Gen- Transkription . Die Srebp (SREBP) Klasse von Transkriptionsfaktoren ist von zentraler Bedeutung für Gene in Cholesterin beteiligt Regulierung der Homöostase und ist wichtig für die Ebene der SQS Transkription steuern. Bei niedrigen Sterolspiegeln wird eine inaktive Form von SREBP gespalten, um den aktiven Transkriptionsfaktor zu bilden, der in den Zellkern wandert, um die Transkription des SQS-Gens zu induzieren. Von den drei bekannten SREBP-Transkriptionsfaktoren aktivieren nur SREBP-1a und SREBP-2 die SQS-Gentranskription in transgenen Mausleber. In kultivierten HepG2- Zellen scheint SREBP-1a wichtiger als SREBP-2 bei der Kontrolle der Aktivierung des SQS- Promotors . Es wurde jedoch gezeigt, dass SQS-Promotoren in verschiedenen experimentellen Systemen unterschiedlich auf SREBP-1a und SREBP-2 reagieren.

Neben SREBPs werden akzessorische Transkriptionsfaktoren für eine maximale Aktivierung des SQS-Promotors benötigt. Studien unter Verwendung von Promotor - Luciferase - Reportergen - Assays zeigten , dass die Sp1 und NF-Y und / oder CREB - Transkriptionsfaktoren sind auch wichtig für SQS Promotoraktivierung. NF-Y und/oder CREB sind für SREBP-1a erforderlich, um den SQS-Promotor vollständig zu aktivieren, obwohl Sp1 auch für SREBP-2 benötigt wird, um dies zu tun.

Interaktiver Wegplan

Klicken Sie unten auf Gene, Proteine ​​und Metaboliten, um zu den entsprechenden Artikeln zu verlinken.

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Biologische Funktion

Squalensynthase (SQS) ist ein Enzym, das am Isoprenoid-Biosyntheseweg beteiligt ist. Die SQS-Synthase katalysiert die Verzweigungsstelle zwischen der Sterol- und der Nichtsterol-Biosynthese und verwendet Farnesylpyrophosphat (FPP) ausschließlich zur Produktion von Sterolen. Ein wichtiges Sterin, das auf diesem Weg produziert wird, ist Cholesterin , das in Zellmembranen und für die Hormonsynthese verwendet wird . SQS konkurriert mit mehreren anderen Enzymen um die Verwendung von FPP, da es eine Vorstufe für eine Vielzahl von Terpenoiden ist. Eine Abnahme der SQS-Aktivität begrenzt den FPP-Fluss in den Sterolweg und erhöht die Produktion von Nicht-Sterol-Produkten. Wichtige Nicht-Sterol-Produkte sind Ubichinon , Dolichole , Häm A und farnesylierte Proteine

Die Entwicklung von Squalen-Synthase- Knockout-Mäusen hat gezeigt, dass der Verlust der Squalen-Synthase tödlich ist und dass das Enzym für die Entwicklung des zentralen Nervensystems essentiell ist .

Krankheitsrelevanz

Squalensynthase ist ein Ziel für die Regulierung des Cholesterinspiegels. Es wurde gezeigt, dass eine erhöhte Expression von SQS den Cholesterinspiegel bei Mäusen erhöht. Daher sind SQS- Inhibitoren von großem Interesse bei der Behandlung von Hypercholesterinämie und der Prävention der koronaren Herzkrankheit (KHK) . Es wurde auch vorgeschlagen, dass Varianten in diesem Enzym Teil einer genetischen Assoziation mit Hypercholesterinämie sein können.

Squalen-Synthase-Hemmer

Squalensynthaseinhibitoren wurden die Cholesterinsynthese gezeigt zu verringern, sowie Plasma zu verringern Triglycerid - Niveau. SQS-Hemmer können eine Alternative zu HMG-CoA-Reduktase-Hemmern (Statinen) darstellen, die bei manchen Patienten problematische Nebenwirkungen haben. Zu den Squalen-Synthase-Hemmern, die zur Vorbeugung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen untersucht wurden, gehören Lapaquistat (TAK-475), Zaragozinsäure und RPR 107393. Trotz Erreichen der klinischen Phase-II- Studien wurde Lapaquistat 2008 abgesetzt.

Die Hemmung des Squalensynthase-Homologs in Staphylococcus aureus wird derzeit als virulenzfaktorbasierte antibakterielle Therapie untersucht.

Modellorganismen

Modellorganismen wurden in der Studie der FDFT1 Funktion verwendet. Eine bedingte Knockout-Mauslinie namens Fdft1 ^{tm1a(KOMP)Wtsi} wurde am Wellcome Trust Sanger Institute generiert . Männliche und weibliche Tiere wurden einem standardisierten phänotypischen Screening unterzogen , um die Auswirkungen der Deletion zu bestimmen. Zusätzliche durchgeführte Screens: - Eingehende immunologische Phänotypisierung

Verweise

Externe Links

• Farnesyl-Diphosphat+Farnesyltransferase in der US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)