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Inosina-5′-monofosfato deshidrogenasa

La inosina 5'-monofosfato deshidrogenasa (IMPDH) es una enzima biosintética de purina que cataliza la oxidación dependiente de nicotinamida adenina dinucleótido (NAD + ) de inosina monofosfato (IMP) a xantosina monofosfato (XMP), el primer paso comprometido y limitante hacia la biosíntesis de novo de nucleótidos de guanina a partir de IMP. [2] [3] IMPDH es un regulador del grupo intracelular de nucleótidos de guanina y, por lo tanto, es importante para la síntesis de ADN y ARN, la transducción de señales , la transferencia de energía, la síntesis de glicoproteínas , así como otros procesos que están involucrados en la proliferación celular.

Estructura y función

La forma monomérica canónica de IMPDH tiene una masa molecular de aproximadamente 55 kDa [4] y generalmente consta de 400-500 residuos. [5] Los IMPDH se han descrito como tetraméricos , [6] [7] [8] aunque datos adicionales validaron la existencia de formas octaméricas. [9]

Representación visual del sitio activo con IMP (verde) y NAD (violeta) unidos. [10] Se muestran los residuos clave (blancos) de la proteína y la cisteína catalítica (cian). Las líneas discontinuas representan contactos polares.

La mayoría de los monómeros de IMPDH contienen dos dominios: un dominio catalítico (β/α) de 8 barriles con un sitio activo ubicado en los bucles en el extremo C-terminal del barril, y un subdominio, llamado dominio Bateman, y que consiste en dos dominios repetidos de cistationina beta sintetasa (CBS) que se insertan dentro de la secuencia de la deshidrogenasa. [5] [11] Se ha demostrado que los cationes monovalentes activan la mayoría de las enzimas IMPDH y pueden servir para estabilizar la conformación del bucle del sitio activo. [12]

El dominio Bateman no es necesario para la actividad catalítica. Las mutaciones dentro del dominio Bateman o una deleción completa del dominio no perjudican la actividad catalítica in vitro de algunos IMPDH. [13] [14] [15] [16] Otros ejemplos de deleción del dominio Bateman en IMPDH han mostrado una actividad catalítica in vitro mejorada en comparación con la contraparte de tipo salvaje correspondiente. [17] Una deleción in vivo del dominio Bateman en E. coli sugiere que el dominio puede actuar como un transregulador negativo de la síntesis de nucleótidos de adenina . [18] [19] También se ha demostrado que IMPDH se une a ácidos nucleicos, [20] [21] y esta función puede verse afectada por mutaciones que se encuentran en el dominio Bateman. [22] El dominio Bateman también se ha implicado en la mediación de la asociación de IMPDH con polirribosomas, [23] lo que sugiere un posible papel secundario para IMPDH como proteína reguladora de la traducción. En Staphylococcus aureus , se ha identificado a la IMPDH como una proteína de unión al plasminógeno. [24] Se ha demostrado que la IMPDH de Drosophila actúa como un represor transcripcional específico de secuencia que puede reducir la expresión de genes de histonas y E2F . [25] La IMPDH se localiza en el núcleo al final de la fase S y la acumulación nuclear se restringe principalmente a la fase G2 . Además, se ha demostrado que el estrés metabólico induce la localización nuclear de la IMPDH. [25]

Mecanismo

Mecanismo general que utiliza la enzima IMPDH para convertir IMP en XMP. Solo se muestra la porción de purina de cada molécula.

La reacción global catalizada por IMPDH es: [26]

inosina 5'-fosfato + NAD + + H 2 O xantosina 5'-fosfato + NADH + H +

El mecanismo de la IMPDH implica una secuencia de dos reacciones químicas diferentes: (1) una reacción redox rápida que implica una transferencia de hidruro a NAD + que genera NADH y un intermediario XMP unido a la enzima (E-XMP*) y (2) un paso de hidrólisis que libera XMP de la enzima. El IMP se une al sitio activo y un residuo de cisteína conservado ataca la posición 2 del anillo de purina. Luego, un ion hidruro se transfiere de la posición C2 a NAD + y se forma el intermediario E-XMP*. El NADH se disocia de la enzima y un elemento de colgajo móvil del sitio activo mueve una díada catalítica conservada de arginina y treonina al sitio de unión de NAD recientemente desocupado. Se cree que el residuo de arginina actúa como la base general que activa una molécula de agua para la reacción de hidrólisis. [5] Alternativamente, las simulaciones de mecánica molecular sugieren que en condiciones donde el residuo de arginina está protonado, el residuo de treonina también es capaz de activar el agua al aceptar un protón del agua mientras transfiere su propio protón a un residuo cercano. [27]

En los humanos

Los humanos expresan dos isoenzimas distintas de IMPDH codificadas por dos genes distintos, IMPDH1 e IMPDH2 .

Ambas isoenzimas contienen 514 residuos, tienen una similitud del 84% en la secuencia de péptidos y tienen propiedades cinéticas similares. [28] Ambas isoenzimas se expresan constitutivamente en la mayoría de los tejidos, pero IMPDH1 se expresa predominantemente en el bazo, la retina y los leucocitos de sangre periférica. [5] IMPDH1 generalmente se expresa constitutivamente en niveles bajos, y IMPDH2 generalmente se regula positivamente en células proliferantes y tejidos neoplásicos. [29] [30] [31] Los ratones knock out homocigotos de IMPDH1 demuestran una retinopatía leve en la que una forma lenta y progresiva de degeneración retiniana debilita gradualmente la transducción visual, [32] mientras que los ratones knock out homocigotos de IMPDH2 muestran letalidad embrionaria. [33]

Importancia clínica

La síntesis de nucleótidos de guanina es esencial para mantener la función y el crecimiento celular normales, y también es importante para el mantenimiento de la proliferación celular y las respuestas inmunes. Se ha descubierto que la expresión de IMPDH está regulada positivamente en algunos tejidos tumorales y líneas celulares. [30] Los linfocitos B y T muestran una dependencia de IMPDH para la activación y función normales, [34] [35] y demuestran una expresión de IMPDH regulada positivamente. [31] Por lo tanto, IMPDH se ha abordado como un objetivo farmacológico para la quimioterapia inmunosupresora y contra el cáncer .

El micofenolato es un inmunosupresor que se utiliza para prevenir el rechazo del trasplante y actúa mediante la inhibición de la IMPDH.

Las mutaciones en el dominio Bateman de IMPDH1 están asociadas con la forma RP10 de la retinitis pigmentosa autosómica dominante y la amaurosis congénita de Leber dominante . [22]

Investigación

Se ha demostrado que los inhibidores de IMPDH previenen la replicación del SARS-CoV-2 en las células [36] y se están probando en ensayos clínicos para la COVID-19 . [37]

Véase también

Referencias

  1. ^ Gan L, Seyedsayamdost MR, Shuto S, Matsuda A, Petsko GA, Hedstrom L (febrero de 2003). "El agente inmunosupresor monofosfato de mizoribina forma un complejo análogo del estado de transición con la inosina monofosfato deshidrogenasa". Bioquímica . 42 (4): 857–63. doi :10.1021/bi0271401. PMID  12549902.
  2. ^ Hedstrom, Lizbeth (8 de julio de 2009). "IMP deshidrogenasa: estructura, mecanismo e inhibición". Chemical Reviews . 109 (7): 2903–2928. doi :10.1021/cr900021w. ISSN  0009-2665. PMC 2737513 . PMID  19480389. 
  3. ^ Ayoub, Nour; Gedeon, Antoine; Munier-Lehmann, Hélène (2024-02-20). "Un viaje a los secretos reguladores de la biosíntesis de nucleótidos de purina de novo". Frontiers in Pharmacology . 15 . doi : 10.3389/fphar.2024.1329011 . ISSN  1663-9812. PMC 10912719 . PMID  38444943. 
  4. ^ Sintchak MD, Nimmesgern E (mayo de 2000). "La estructura de la inosina 5'-monofosfato deshidrogenasa y el diseño de nuevos inhibidores". Inmunofarmacología . 47 (2–3): 163–84. doi :10.1016/S0162-3109(00)00193-4. PMID  10878288.
  5. ^ abcd Hedstrom L (julio de 2009). "IMP deshidrogenasa: estructura, mecanismo e inhibición". Chemical Reviews . 109 (7): 2903–28. doi :10.1021/cr900021w. PMC 2737513 . PMID  19480389. 
  6. ^ Zhang R, Evans G, Rotella FJ, Westbrook EM, Beno D, Huberman E, Joachimiak A, Collart FR (abril de 1999). "Características y estructura cristalina de la inosina-5'-monofosfato deshidrogenasa bacteriana". Bioquímica . 38 (15): 4691–700. CiteSeerX 10.1.1.488.2542 . doi :10.1021/bi982858v. PMID  10200156. 
  7. ^ Whitby FG, Luecke H, Kuhn P, Somoza JR, Huete-Perez JA, Phillips JD, Hill CP, Fletterick RJ, Wang CC (septiembre de 1997). "Estructura cristalina de la inosina-5'-monofosfato deshidrogenasa de Tritrichomonas foetus y el complejo enzima-producto". Bioquímica . 36 (35): 10666–74. doi :10.1021/bi9708850. PMID  9271497.
  8. ^ Prosise GL, Luecke H (febrero de 2003). "Estructuras cristalinas de la inosina monofosfato deshidrogenasa de Tritrichomonas foetus en complejo con sustrato, cofactor y análogos: una base estructural para el mecanismo cinético de entrada aleatoria y salida ordenada". J. Mol. Biol . 326 (2): 517–27. doi :10.1016/S0022-2836(02)01383-9. PMID  12559919.
  9. ^ Labesse, Gilles; Alejandro, Tomás; Vaupré, Laurene; Salard-Arnaud, Isabelle; Él, Joséphine Lai Kee; Raynal, Bertrand; Bron, Patricio; Munier-Lehmann, Hélène (4 de junio de 2013). "El MgATP regula la formación de alosterio y fibras en IMPDH". Estructura (Londres, Inglaterra: 1993) . 21 (6): 975–985. doi :10.1016/j.str.2013.03.011. ISSN  1878-4186. PMID  23643948.
  10. ^ PDB ID: 1NFB, Risal, D., Strickler M,D., Goldstein, BM,La conformación de NAD unido a la inosina monofosfato deshidrogenasa humana tipo II.
  11. ^ Magasanik B, Moyed HS, Gehring LB (mayo de 1957). "Enzimas esenciales para la biosíntesis del ácido nucleico guanina; inosina 5'-fosfato deshidrogenasa de Aerobacter aerogenes". J. Biol. Chem . 226 (1): 339–50. doi : 10.1016/S0021-9258(18)64835-5 . PMID  13428767.
  12. ^ Xiang B, Taylor JC, Markham GD (enero de 1996). "Activación de cationes monovalentes y mecanismo cinético de la inosina 5'-monofosfato deshidrogenasa". The Journal of Biological Chemistry . 271 (3): 1435–40. doi : 10.1074/jbc.271.3.1435 . PMID  8576135.
  13. ^ Mortimer SE, Hedstrom L (agosto de 2005). "Las mutaciones autosómicas dominantes en la retinitis pigmentosa en la inosina 5'-monofosfato deshidrogenasa tipo I alteran la unión de los ácidos nucleicos". The Biochemical Journal . 390 (Pt 1): 41–7. doi :10.1042/BJ20042051. PMC 1184561 . PMID  15882147. 
  14. ^ Nimmesgern E, Black J, Futer O, Fulghum JR, Chambers SP, Brummel CL, Raybuck SA, Sintchak MD (noviembre de 1999). "Análisis bioquímico de la enzima modular inosina 5'-monofosfato deshidrogenasa". Expresión y purificación de proteínas . 17 (2): 282–9. doi :10.1006/prep.1999.1136. PMID  10545277.
  15. ^ Buey, Rubén M.; Ledesma-Amaro, Rodrigo; Velázquez-Campoy, Adrián; Balsera, Mónica; Chagoyen, Mónica; de Pereda, José M.; Revuelta, José L. (2015-11-12). "La unión del nucleótido de guanina al dominio Bateman media la inhibición alostérica de las IMP deshidrogenasas eucarióticas". Comunicaciones de la naturaleza . 6 (1): 8923. doi : 10.1038/ncomms9923. ISSN  2041-1723. PMC 4660370 . PMID  26558346. 
  16. ^ Nimmesgern, E.; Black, J.; Futer, O.; Fulghum, JR; Chambers, SP; Brummel, CL; Raybuck, SA; Sintchak, MD (noviembre de 1999). "Análisis bioquímico de la enzima modular inosina 5'-monofosfato deshidrogenasa". Expresión y purificación de proteínas . 17 (2): 282–289. doi :10.1006/prep.1999.1136. ISSN  1046-5928. PMID  10545277.
  17. ^ Gedeon, Antoine; Ayoub, Nour; Brûlé, Sébastien; Raynal, Bertrand; Karimova, Gouzel; Gelin, Muriel; Mechaly, Ariel; Haouz, Ahmed; Labesse, Gilles; Munier-Lehmann, Hélène (agosto de 2023). "Información sobre el papel del dominio Bateman a nivel molecular y fisiológico a través de deshidrogenasas IMP diseñadas". Protein Science . 32 (8): e4703. doi :10.1002/pro.4703. ISSN  0961-8368. PMC 10357500 . PMID  37338125. 
  18. ^ Pimkin M, Pimkina J, Markham GD (marzo de 2009). "Un papel regulador del dominio Bateman de la IMP deshidrogenasa en la biosíntesis de nucleótidos adenilato". The Journal of Biological Chemistry . 284 (12): 7960–9. doi : 10.1074/jbc.M808541200 . PMC 2658089 . PMID  19153081. 
  19. ^ Pimkin, Maxim; Markham, George D. (abril de 2008). "El subdominio CBS de la inosina 5'-monofosfato deshidrogenasa regula el recambio de nucleótidos de purina". Microbiología molecular . 68 (2): 342–359. doi :10.1111/j.1365-2958.2008.06153.x. ISSN  1365-2958. PMC 2279236 . PMID  18312263. 
  20. ^ McLean JE, Hamaguchi N, Belenky P, Mortimer SE, Stanton M, Hedstrom L (abril de 2004). "La inosina 5'-monofosfato deshidrogenasa se une a los ácidos nucleicos in vitro e in vivo". The Biochemical Journal . 379 (Pt 2): 243–51. doi :10.1042/BJ20031585. PMC 1224093 . PMID  14766016. 
  21. ^ Cornuel, Jean-François; Moraillon, Anne; Guéron, Maurice (abril de 2002). "Participación de la inosina 5'-monofosfato deshidrogenasa de levadura en un complejo in vitro con un fragmento de la cadena telomérica rica en C". Biochimie . 84 (4): 279–289. doi :10.1016/s0300-9084(02)01400-1. ISSN  0300-9084. PMID  12106905.
  22. ^ ab Bowne SJ, Sullivan LS, Mortimer SE, Hedstrom L, Zhu J, Spellicy CJ, Gire AI, Hughbanks-Wheaton D, Birch DG, Lewis RA, Heckenlively JR, Daiger SP (enero de 2006). "Espectro y frecuencia de mutaciones en IMPDH1 asociadas con retinitis pigmentosa autosómica dominante y amaurosis congénita de Leber". Oftalmología de investigación y ciencia visual . 47 (1): 34–42. doi :10.1167/iovs.05-0868. PMC 2581444. PMID  16384941 . 
  23. ^ Mortimer SE, Xu D, McGrew D, Hamaguchi N, Lim HC, Bowne SJ, Daiger SP, Hedstrom L (diciembre de 2008). "La IMP deshidrogenasa tipo 1 se asocia con polirribosomas que traducen el ARNm de la rodopsina". The Journal of Biological Chemistry . 283 (52): 36354–60. doi : 10.1074/jbc.M806143200 . PMC 2605994 . PMID  18974094. 
  24. ^ Mölkänen, Tomi; Tyynelä, Jaana; Helin, Jari; Kalkkinen, Nisse; Kuusela, Pentti (24 de abril de 2002). "Activación mejorada del plasminógeno unido a Staphylococcus aureus por la estafiloquinasa". Cartas FEBS . 517 (1–3): 72–78. doi :10.1016/S0014-5793(02)02580-2. ISSN  0014-5793. PMID  12062412.
  25. ^ ab Kozhevnikova EN, van der Knaap JA, Pindyurin AV, Ozgur Z, van Ijcken WF, Moshkin YM, Verrijzer CP (julio de 2012). "La enzima metabólica IMPDH es también un factor de transcripción regulado por el estado celular". Célula molecular . 47 (1): 133–9. doi : 10.1016/j.molcel.2012.04.030 . PMID  22658723.
  26. ^ Collart FR, Huberman E (octubre de 1988). "Clonación y análisis de secuencias de los ADNc de la inosina-5'-monofosfato deshidrogenasa de hámster chino y humano". J. Biol. Chem . 263 (30): 15769–72. doi : 10.1016/S0021-9258(19)37654-9 . PMID  2902093.
  27. ^ Min D, Josephine HR, Li H, Lakner C, MacPherson IS, Naylor GJ, Swofford D, Hedstrom L, Yang W (agosto de 2008). "Un atavista enzimático revelado en vías duales para la activación del agua". PLOS Biology . 6 (8): e206. doi : 10.1371/journal.pbio.0060206 . PMC 2525682 . PMID  18752347. 
  28. ^ Natsumeda Y, Ohno S, Kawasaki H, Konno Y, Weber G, Suzuki K (marzo de 1990). "Dos ADNc distintos para la IMP deshidrogenasa humana". The Journal of Biological Chemistry . 265 (9): 5292–5. doi : 10.1016/S0021-9258(19)34120-1 . PMID  1969416.
  29. ^ Senda M, Natsumeda Y (1994). "Expresión diferencial de tejidos de dos genes distintos para la IMP deshidrogenasa humana (EC1.1.1.205)". Ciencias de la vida . 54 (24): 1917–26. doi :10.1016/0024-3205(94)90150-3. PMID  7910933.
  30. ^ ab Collart FR, Chubb CB, Mirkin BL, Huberman E (octubre de 1992). "Aumento de la expresión del gen de la inosina-5'-fosfato deshidrogenasa en tejidos tumorales sólidos y líneas celulares tumorales". Cancer Research . 52 (20): 5826–8. doi : 10.2172/10148922 . PMID  1356621.
  31. ^ ab Zimmermann AG, Gu JJ, Laliberté J, Mitchell BS (1998). Inosina-5'-monofosfato deshidrogenasa: regulación de la expresión y función en la proliferación celular y la activación de los linfocitos T. Progreso en la investigación de ácidos nucleicos y la biología molecular. Vol. 61. págs. 181–209. doi :10.1016/S0079-6603(08)60827-2. ISBN 978-0-12-540061-9. Número de identificación personal  9752721.
  32. ^ Aherne A, Kennan A, Kenna PF, McNally N, Lloyd DG, Alberts IL, Kiang AS, Humphries MM, Ayuso C, Engel PC, Gu JJ, Mitchell BS, Farrar GJ, Humphries P (marzo de 2004). "Sobre la patología molecular de la neurodegeneración en la retinitis pigmentosa basada en IMPDH1". Genética Molecular Humana . 13 (6): 641–50. doi : 10.1093/hmg/ddh061 . PMID  14981049.
  33. ^ Gu JJ, Tolin AK, Jain J, Huang H, Santiago L, Mitchell BS (septiembre de 2003). "Disrupción dirigida del gen de la inosina 5'-monofosfato deshidrogenasa tipo I en ratones". Biología molecular y celular . 23 (18): 6702–12. doi :10.1128/MCB.23.18.6702-6712.2003. PMC 193693 . PMID  12944494. 
  34. ^ Jonsson CA, Carlsten H (enero de 2003). "El ácido micofenólico inhibe la inosina 5'-monofosfato deshidrogenasa y suprime la producción de inmunoglobulina y citocinas de las células B". Inmunofarmacología internacional . 3 (1): 31–7. doi :10.1016/s1567-5769(02)00210-2. PMID  12538032.
  35. ^ Gu JJ, Stegmann S, Gathy K, Murray R, Laliberte J, Ayscue L, Mitchell BS (agosto de 2000). "Inhibición de la activación de los linfocitos T en ratones heterocigotos para la pérdida del gen IMPDH II". The Journal of Clinical Investigation . 106 (4): 599–606. doi :10.1172/JCI8669. PMC 380246 . PMID  10953035. 
  36. ^ Bojkova, Denisa; Klann, Kevin; Koch, Benjamin; Widera, Marek; Krause, David; Ciesek, Sandra; Cinatl, Jindrich; Münch, Christian (14 de mayo de 2020). "La proteómica de las células huésped infectadas por SARS-CoV-2 revela objetivos terapéuticos". Nature . 583 (7816): 469–472. Bibcode :2020Natur.583..469B. doi : 10.1038/s41586-020-2332-7 . ISSN  1476-4687. PMID  32408336.
  37. ^ Número de ensayo clínico NCT04356677 para "Estudio para evaluar la seguridad y eficacia de VIRAZOLE® en participantes adultos hospitalizados con dificultad respiratoria debido a COVID-19" en ClinicalTrials.gov

Lectura adicional

Este artículo incorpora texto de dominio público de Pfam e InterPro : IPR001093