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Fosforilasa de timidina

La timidina fosforilasa ( EC 2.4.2.4) es una enzima codificada por el gen TYMP y cataliza la reacción:

timidina + fosfato timina + 2-desoxi-alfa-D-ribosa 1-fosfato

La timidina fosforilasa participa en el metabolismo de las purinas , el metabolismo de las pirimidinas y otras vías metabólicas . Las variaciones en la timidina fosforilasa y el gen TYMP que la codifica están asociadas con el síndrome de encefalopatía neurogastrointestinal mitocondrial (MNGIE) y el cáncer de vejiga .

Nomenclatura

Esta enzima pertenece a la familia de las glicosiltransferasas , específicamente a las pentosiltransferasas. El nombre sistemático de esta clase de enzimas es timidina:fosfato desoxi-alfa-D-ribosiltransferasa. Otros nombres de uso común incluyen pirimidina fosforilasa, timidina-ortofosfato desoxirribosiltransferasa, reguladores del crecimiento animal, células endoteliales derivadas de plaquetas sanguíneas, factores de crecimiento, factor de crecimiento de células endoteliales derivadas de plaquetas sanguíneas, desoxitimidina fosforilasa, gliostatinas, pirimidina desoxinucleósido fosforilasa y timidina:fosfato desoxi-D-ribosiltransferasa.

Mecanismo

La fosforilasa de timidina cataliza la fosforilación reversible de timidina , desoxiuridina y sus análogos (excepto desoxicitidina ) a sus respectivas bases ( timina / uracilo ) y 2-desoxirribosa 1-fosfato. La enzima sigue un mecanismo secuencial, donde el fosfato se une antes que la timidina (o desoxiuridina, etc.) y la 2-desoxirribosa 1-fosfato sale después de la base nitrogenada. La timidina se une en una conformación de alta energía, en la que el enlace glucosídico se debilita a medida que el fosfato ataca la posición C1 del anillo de ribosa, como se muestra a continuación. La enzima puede luego transferir desoxirribosa 1-fosfato a otras bases nitrogenadas . [1]

Mecanismo de la timidina fosforilasa

Experimentos posteriores han demostrado que la timina inhibe la enzima tanto a través de la inhibición del sustrato como de la inhibición no lineal del producto. Esto sugiere que la timina puede inhibir la enzima a través de múltiples sitios. La enzima también muestra cooperatividad con respecto a la timidina y al fosfato en presencia de timina, lo que sugiere que la timidina fosforilasa también tiene varios sitios alostéricos y/o catalíticos . [2]

Estructura

Interacciones de Arg-171, Ser-186 y Lys-190 con timina en el sitio del ligando de la timidina fosforilasa

La fosforilasa de timidina es un dímero proteico con subunidades idénticas, con un peso molecular reportado de 90.000 daltons en Escherichia coli. Tiene forma de S con una longitud de 110 Å y una anchura de 60 Å. Cada monómero está compuesto por 440 aminoácidos y está compuesto por un pequeño dominio α-helicoidal y un gran dominio α/β. La superficie de la enzima es lisa excepto por una cavidad de 10 Å de profundidad y 8 Å de ancho entre los dos dominios que contiene los sitios de unión de timina, timidina y fosfato. [3] El análisis detallado de los sitios de unión muestra que Arg-171, Ser-186 y Lys-190 son los residuos importantes en la unión de la base de pirimidina. Los residuos Arg-171 y Lys-190 están cerca de O4 y O2 del anillo de timina, respectivamente, y pueden ayudar a estabilizar el estado intermedio. El grupo amino terminal de Lys-190, que forma un enlace de hidrógeno con el hidroxilo 3' de la fracción ribosa de timidina, también está en su lugar para donar un protón a la timina N1 durante el estado intermedio. [4] A fines de 2007, se han resuelto 6 estructuras para esta clase de enzimas, con códigos de acceso PDB 1AZY, 1OTP, 1TPT, 1UOU, 2J0F y 2TPT.

Función

La timidina fosforilasa desempeña un papel clave en la recuperación de pirimidina para recuperar nucleósidos después de la degradación de ADN / ARN . [5] Aunque la reacción que cataliza entre timidina/desoxiuridina y sus respectivas bases es reversible , la función de la enzima es principalmente catabólica . [6]

Investigaciones recientes han descubierto que la timidina fosforilasa también está involucrada en la angiogénesis . Los experimentos muestran inhibición del efecto angiogénico por la timidina fosforilasa en presencia de 6-amino-5-clorouracilo, un inhibidor de la timidina fosforilasa, lo que sugiere que la actividad enzimática de la timidina fosforilasa es necesaria para su actividad angiogénica. [7] Se ha determinado que la timidina fosforilasa es casi idéntica al factor de crecimiento de células endoteliales derivado de plaquetas (PD-ECGF). Aunque aún no se conoce el mecanismo de angiogénesis por la timidina fosforilasa, los informes muestran que la enzima en sí no es un factor de crecimiento , sino que indirectamente causa angiogénesis al estimular la quimiotaxis de las células endoteliales y otras células. [8] Algunos informes sugieren que la timidina fosforilasa promueve el crecimiento de las células endoteliales al reducir los niveles de timidina que de otro modo inhibirían el crecimiento de las células endoteliales. [9] Una explicación alternativa es que los productos de la enzima inducen la angiogénesis. Los experimentos han demostrado que la 2-desoxirribosa es un factor quimioatrayente de las células endoteliales y que induce la angiogénesis, lo que respalda esta explicación. [10] Las investigaciones han descubierto que la timidina fosforilasa está implicada en la angiogénesis durante el ciclo menstrual . La expresión de la enzima en el endometrio aumenta mediante una combinación de progesterona y factor de crecimiento transformante β1 y varía a lo largo del ciclo menstrual. [11]

Relevancia de la enfermedad

La encefalomiopatía neurogastrointestinal mitocondrial (MNGIE) es un trastorno autosómico recesivo causado por mutaciones en el gen de la timidina fosforilasa (TP) . [12] Debido a que el ADN mitocondrial (ADNmt) depende en gran medida de la recuperación de timidina (más que el ADN nuclear), sufre daños por la deficiencia de timidina fosforilasa. En la enfermedad MNGIE, múltiples deleciones y el agotamiento del ADNmt se acumulan con el tiempo, lo que conduce a una disfunción mitocondrial. [13] Los síntomas de la enfermedad MNGIE incluyen diarrea y dolor abdominal como resultado de la dismotilidad , causada por la disfunción neuromuscular, así como ptosis , oftalmoparesia , neuropatía periférica y pérdida de audición . [14]

También se ha descubierto que la timidina fosforilasa desempeña un papel doble tanto en el desarrollo como en la terapia del cáncer . [15] La actividad angiogénica de la enzima promueve el crecimiento tumoral , como lo respalda la investigación que muestra una expresión y actividad mucho mayores de la timidina fosforilasa en tumores malignos (incluidos carcinomas en el esófago , estómago , colorrectal, páncreas y pulmón ) que en tejidos no neoplásicos adyacentes [16] La timidina fosforilasa en estos carcinomas está regulada positivamente por las citocinas interferón-γ y TNF-α, que son liberadas por las células inflamatorias durante la cicatrización de heridas . La enzima también está regulada positivamente por niveles bajos de oxígeno y entornos de bajo pH para controlar la vascularización de las regiones hipóxicas . [17]

Sin embargo, también se ha descubierto que la timidina fosforilasa desempeña un papel esencial en la activación del fármaco anticancerígeno capecitabina . En concreto, convierte el metabolito intermedio 5'-desoxi-5-fluorocitidina en tumores en 5-fluorouracilo, que actúa como inhibidor de la timidilato sintasa . [18]

Referencias

  1. ^ Norman RA, Barry ST, Bate M, Breed J, Colls JG, Ernill RJ, Luke RW, Minshull CA, McAlister MS, McCall EJ, McMiken HH, Paterson DS, Timms D, Tucker JA, Pauptit RA (enero de 2004). "Estructura cristalina de la fosforilasa de timidina humana en complejo con un inhibidor de molécula pequeña". Structure . 12 (1): 75–84. doi : 10.1016/j.str.2003.11.018 . PMID  14725767.
  2. ^ Iltzsch MH, el Kouni MH, Cha S (noviembre de 1985). "Estudios cinéticos de la fosforilasa de timidina del hígado de ratón". Bioquímica . 24 (24): 6799–807. doi :10.1021/bi00345a011. PMID  4074727.
  3. ^ Walter MR, Cook WJ, Cole LB, Short SA, Koszalka GW, Krenitsky TA, Ealick SE (agosto de 1990). "Estructura tridimensional de la timidina fosforilasa de Escherichia coli con una resolución de 2,8 A". The Journal of Biological Chemistry . 265 (23): 14016–22. doi :10.2210/pdb1tpt/pdb. PMID  2199449.
  4. ^ Pugmire MJ, Cook WJ, Jasanoff A, Walter MR, Ealick SE (agosto de 1998). "Estudios estructurales y teóricos sugieren que el movimiento de dominio produce una conformación activa de la timidina fosforilasa". Journal of Molecular Biology . 281 (2): 285–99. doi : 10.1006/jmbi.1998.1941 . PMID  9698549. S2CID  8891925.
  5. ^ LaFon SW, Nelson DJ, Berens RL, Marr JJ (enero de 1982). "Vías de recuperación de purinas y pirimidinas en Leishmania donovani". Farmacología bioquímica . 31 (2): 231–8. doi :10.1016/0006-2952(82)90216-7. PMID  7059364.
  6. ^ Desgranges C, Razaka G, Rabaud M, Bricaud H (julio de 1981). "Catabolismo de la timidina en plaquetas sanguíneas humanas: purificación y propiedades de la timidina fosforilasa". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Nucleic Acids and Protein Synthesis . 654 (2): 211–8. doi :10.1016/0005-2787(81)90174-x. PMID  7284378.
  7. ^ Haraguchi M, Miyadera K, Uemura K, Sumizawa T, Furukawa T, Yamada K, Akiyama S, Yamada Y (marzo de 1994). "Actividad angiogénica de las enzimas". Nature . 368 (6468): 198. Bibcode :1994Natur.368..198H. doi : 10.1038/368198a0 . PMID  7511797. S2CID  4355213.
  8. ^ Miyadera K, Sumizawa T, Haraguchi M, Yoshida H, Konstanty W, Yamada Y, Akiyama S (abril de 1995). "Función de la actividad de la timidina fosforilasa en el efecto angiogénico del factor de crecimiento de células endoteliales derivado de plaquetas/timidina fosforilasa". Cancer Research . 55 (8): 1687–90. PMID  7536129.
  9. ^ Finnis C, Dodsworth N, Pollitt CE, Carr G, Sleep D (febrero de 1993). "La actividad de la fosforilasa de timidina del factor de crecimiento de células endoteliales derivado de plaquetas es responsable de la mitogenicidad de las células endoteliales". Revista Europea de Bioquímica . 212 (1): 201–10. doi : 10.1111/j.1432-1033.1993.tb17651.x . PMID  8444155.
  10. ^ Li W, Chiba Y, Kimura T, Morioka K, Uesaka T, Ihaya A, Muraoka R (febrero de 2001). "La revascularización láser transmiocárdica indujo angiogénesis correlacionada con la expresión de metaloproteinasas de matriz y factor de crecimiento de células endoteliales derivado de plaquetas". Revista Europea de Cirugía Cardiotorácica . 19 (2): 156–63. doi : 10.1016/s1010-7940(00)00649-7 . PMID  11167105.
  11. ^ Hague S, Manek S, Oehler MK, MacKenzie IZ, Bicknell R, Rees MC (marzo de 2002). "Inducción de la expresión del factor angiogénico en el endometrio por tamoxifeno". British Journal of Cancer . 86 (5): 761–7. doi :10.1038/sj.bjc.6600157. PMC 2375303 . PMID  11875740. 
  12. ^ Nishino I, Spinazzola A, Hirano M (enero de 1999). "Mutaciones del gen de la fosforilasa de timidina en MNGIE, un trastorno mitocondrial humano". Science . 283 (5402): 689–92. Bibcode :1999Sci...283..689N. doi :10.1126/science.283.5402.689. PMID  9924029.
  13. ^ Pagon RA, Adam MP, Ardinger HH, Wallace SE, Amemiya A, Bean LJ, Bird TD, Fong CT, Mefford HC, Smith RJ, Stephens K, Hirano M (1993).Enfermedad de encefalopatía neurogastrointestinal mitocondrial en GeneReviews . PMID  20301358.
  14. ^ Nishino I, Spinazzola A, Papadimitriou A, Hammans S, Steiner I, Hahn CD, Connolly AM, Verloes A, Guimarães J, Maillard I, Hamano H, Donati MA, Semrad CE, Russell JA, Andreu AL, Hadjigeorgiou GM, Vu TH, Tadesse S, Nygaard TG, Nonaka I, Hirano I, Bonilla E, Rowland LP, DiMauro S, Hirano M (junio de 2000). "Encefalomiopatía neurogastrointestinal mitocondrial: un trastorno autosómico recesivo debido a mutaciones de la timidina fosforilasa". Anales de Neurología . 47 (6): 792–800. doi :10.1002/1531-8249(200006)47:6<792::aid-ana12>3.3.co;2-p. PMID  10852545.
  15. ^ Bronckaers A, Gago F, Balzarini J, Liekens S (noviembre de 2009). "El papel dual de la timidina fosforilasa en el desarrollo del cáncer y la quimioterapia". Medicinal Research Reviews . 29 (6): 903–53. doi :10.1002/med.20159. PMC 7168469 . PMID  19434693. 
  16. ^ Takebayashi Y, Yamada K, Miyadera K, Sumizawa T, Furukawa T, Kinoshita F, Aoki D, Okumura H, Yamada Y, Akiyama S, Aikou T (junio de 1996). "Actividad y expresión de la timidina fosforilasa en tumores sólidos humanos". Revista Europea del Cáncer . 32A (7): 1227–32. doi :10.1016/0959-8049(96)00061-5. PMID  8758258.
  17. ^ Brown NS, Bicknell R (agosto de 1998). "Timidina fosforilasa, 2-desoxi-D-ribosa y angiogénesis". The Biochemical Journal . 334 (1): 1–8. doi :10.1042/bj3340001. PMC 1219653 . PMID  9693094. 
  18. ^ Sawada N, Ishikawa T, Fukase Y, Nishida M, Yoshikubo T, Ishitsuka H (abril de 1998). "Inducción de la actividad de la timidina fosforilasa y aumento de la eficacia de la capecitabina mediante taxol/taxotere en xenoinjertos de cáncer humano". Investigación clínica sobre el cáncer . 4 (4): 1013–9. PMID  9563897.

Lectura adicional