La cisteína dioxigenasa ( CDO ) es una enzima de hierro no hemo que cataliza la conversión de L- cisteína en ácido sulfínico de cisteína (sulfinato de cisteína). La CDO desempeña un papel importante en el catabolismo de la cisteína, regulando los niveles intracelulares de cisteína y respondiendo a los cambios en la disponibilidad de cisteína. [1] Como tal, la CDO está altamente regulada y sufre grandes cambios en la concentración y la eficiencia. Oxida la cisteína al ácido sulfínico correspondiente mediante la activación del dioxígeno , aunque el mecanismo exacto de la reacción aún no está claro. Además de encontrarse en mamíferos, la CDO también existe en algunas levaduras y bacterias, aunque aún se desconoce la función exacta. [2] [3] La CDO se ha implicado en varias enfermedades neurodegenerativas y cánceres , lo que probablemente esté relacionado con la toxicidad de la cisteína. [1] [2]
El CDO es responsable del primer paso importante en el metabolismo de la cisteína. [4] El CDO se oxida a ácido sulfínico de cisteína (que existe predominantemente en la forma sulfinato aniónico in vivo ). En general, el CDO cataliza la adición de dioxígeno (O 2 ) [5] a un tiol , produciendo un ácido sulfínico . Más específicamente, el CDO es parte del grupo de oxigenasas de hierro no hemo que emplean oxígeno como aceptor de electrones. El ácido sulfínico de cisteína luego se metaboliza a través de dos vías divergentes: descarboxilado a hipotaurina por la sulfinoalanina descarboxilasa y oxidado a taurina por la hipotaurina deshidrogenasa ; o transaminado a un supuesto intermediario 3-sulfinilpiruvato, que se descompone espontáneamente en piruvato y sulfito . [1] [6] El sulfito luego puede oxidarse a sulfato por la sulfito oxidasa . [1] Por lo tanto, el CDO es necesario para la producción de hipotaurina/taurina y sulfito/sulfato. La función del CDO puede variar entre los tipos de células, ya que puede utilizarse principalmente para la producción de taurina o sulfato o para la degradación de cisteína. [1]
CDO es una proteína de 22,5 kDa [2] que contiene 200 residuos de aminoácidos [3] y tiene un punto isoeléctrico (pI) de 5,5. [2] La estructura primaria está altamente conservada entre las especies de mamíferos, y la CDO murina y humana difiere en solo 16 residuos. [3] CDO es parte de la superfamilia cupin , [2] cuyos miembros poseen un barril β de 6 hebras [8] en una topología de "rollo de gelatina". [3] Las estructuras cristalinas de la proteína se han obtenido a una resolución de 1,5 Å (ratón). [1] El sitio activo muestra una geometría única donde, en lugar de la tríada facial típica de dos histidinas y una cadena lateral de carboxilato que se coordina con una especie de hierro (II), [9] tres ligandos de histidina están unidos al hierro. [2] [3] [8] Además, las estructuras cristalinas muestran el nitrógeno amino y el azufre tiolato de la cisteína coordinados al hierro además de una sola molécula de agua (ver figura). [2]
La CDO contiene un cofactor interno único creado por la formación intramolecular de tioéter entre Cys93 y Tyr157, que se postula que participa en la catálisis. [1] Cuando se aisló la proteína por primera vez, se observaron dos bandas en el gel de agarosa , [3] correspondientes a la proteína que contiene el cofactor y a la proteína "inmadura" no enlazada, respectivamente. La reticulación aumenta la eficiencia de la CDO diez veces y está regulada por los niveles de cisteína, un ejemplo inusual de formación de cofactores proteicos mediada por sustrato (activación de retroalimentación). [1]
El mecanismo de la CDO aún no se entiende bien, a pesar de la investigación activa para dilucidar los detalles de la reacción. [2] En general, la reacción implica la adición de O2 a la cisteína, que ocurre espontáneamente sin catálisis enzimática. [3] Los estudios han demostrado que el puente cisteiniltirosina reduce el potencial de oxidación de la tirosina (comúnmente un donante de electrones, como en el fotosistema II ) en ~0,5 V en relación con el fenol y aumenta su acidez. [2] La fracción tioéter probablemente desempeña un papel estructural, redox o ácido/base. Otros estudios han demostrado que Tyr157 es necesaria para la función enzimática (posiblemente como un radical tirosinilo) y está altamente conservada en las variantes de CDO. [2] Además, la investigación ha demostrado que la cisteamina , una molécula estructuralmente similar a la cisteína, mejora la oxidación de la cisteína pero no es un sustrato. [2] [6]
Un mecanismo propuesto, respaldado por estudios computacionales y espectroscópicos, implica la unión de O2 en cis a un tiolato para formar especies reactivas de hierro (III)- superoxo ( A ), que luego atacan el azufre unido de la cisteína para formar una estructura de anillo de cuatro miembros ( B ). [10] [11] [12] La escisión heterolítica del enlace OO luego produce un intermedio oxo de hierro (IV) de alta valencia ( C ), que transfiere el segundo oxígeno al azufre. [10] [11]
La CDO está estrechamente regulada en la célula para mantener la homeostasis de la cisteína. En particular, la CDO responde a los cambios en la disponibilidad de cisteína en la dieta y la ingesta de proteínas, manteniendo una actividad reducida con niveles bajos de cisteína y una actividad aumentada con niveles altos para prevenir la citotoxicidad. [1] Los estudios han demostrado que la CDO puede exhibir un aumento dramático en la actividad hepática en cuestión de horas. A diferencia de muchas enzimas, se regula predominantemente a nivel de recambio proteico en lugar de transcripcional (niveles de ARNm). Los niveles altos de cisteína inhiben la ubiquitinilación , lo que reduce la tasa de degradación proteasomal . [1] La CDO también está regulada en el tejido adiposo, donde los niveles altos de cisteína causan un aumento de la producción de hipotaurina/taurina. [1] También se cree que la regulación de la CDO involucra tanto las formas reticuladas como las inmaduras de la proteína.
Debido a su relevancia para el metabolismo de la cisteína, los cambios en la actividad de CDO pueden causar enfermedades en humanos. Las investigaciones han descubierto que la cisteína elevada puede ser citotóxica , neurotóxica [ 1] y excitotóxica [2] . La actividad anormal o deficiente de CDO se ha relacionado con la enfermedad de Alzheimer , la enfermedad de Parkinson , la artritis reumatoide [13] y las enfermedades de las neuronas motoras [1] [2] [14] En estas enfermedades, los pacientes muestran niveles deprimidos de sulfato, concentraciones plasmáticas elevadas de cisteína en ayunas y otros síntomas consistentes con una oxidación de cisteína alterada [1] La deficiencia de CDO y la posterior acumulación de cisteína en el globo pálido se han relacionado con la neurodegeneración asociada a la pantotenato quinasa [15] .
La expresión de CDO se altera en las células cancerosas [2] y se ha demostrado que la metilación del gen promotor CDO1 (cisteína dioxigenasa humana tipo I) ocurre en cánceres de colon, mama, esófago, pulmón, vejiga y estómago. [16] El silenciamiento de CDO1 es un evento epigenético crítico en el cáncer de mama, que conduce a la regulación negativa de la actividad de CDO1. [16] [17] En particular, la disminución de la actividad de CDO1 causa un aumento de sulfuro de hidrógeno (H 2 S), que se ha relacionado con varias enfermedades. [16] Estos resultados sugieren que CDO1 (cisteína dioxigenasa humana tipo I) actúa como un gen supresor de tumores y puede servir potencialmente como un biomarcador para el cáncer. [16]
