Cistationin-beta-sintaza

Cistationin-β-sintaza, znna I kao CBS (EC 4.2.1.22), jest enzim koji je kod ljudi kodiran genom CBS sa hromosoma 21. Katalizira prvi korak puta transsulfuracije, od homocisteina do cistationina:

CBS
Dostupne strukture PDB Pretraga ortologa: PDBe RCSB Spisak PDB ID kodova 1JBQ, 1M54, 4COO, 4L0D, 4L27, 4L28, 4L3V, 4PCU, 4UUU
Identifikatori
Aliasi	CBS
Vanjski ID-jevi	OMIM: 613381 MGI: 88285 HomoloGene: 37258 GeneCards: CBS
Lokacija gena (čovjek) Hrom. Hromosom 21 (čovjek) Bend 21q22.3 Početak 43,053,191 bp Kraj 43,076,943 bp
Lokacija gena (miš) Hrom. Hromosom 17 (miš) Bend 17 B1|17 16.93 cM Početak 31,827,868 bp Kraj 31,856,212 bp
Ontologija gena Molekularna funkcija • oxygen binding • protein homodimerization activity • cystathionine beta-synthase activity • vezivanje iona metala • nitric oxide binding • catalytic activity • GO:0001948, GO:0016582 vezivanje za proteine • heme binding • modified amino acid binding • S-adenosyl-L-methionine binding • lyase activity • vezivanje identičnih proteina • vezivanje enzima • pyridoxal phosphate binding • nitrite reductase (NO-forming) activity • ubiquitin protein ligase binding • carbon monoxide binding • cysteine synthase activity Ćelijska komponenta • citoplazma • citosol • jedro Biološki proces • transsulfuration • cysteine biosynthetic process via cystathionine • L-serine metabolic process • DNA protection • cellular amino acid biosynthetic process • L-serine catabolic process • cysteine biosynthetic process • homocysteine catabolic process • hydrogen sulfide biosynthetic process • metabolizam • homocysteine metabolic process • L-cysteine catabolic process • cysteine biosynthetic process from serine Izvori:Amigo / QuickGO
Ortolozi
Vrste	Čovjek	Miš
Entrez	875	12411
Ensembl	ENSG00000160200	ENSMUSG00000024039
UniProt	P35520 P0DN79	Q91WT9
RefSeq (mRNK)	NM_000071 NM_001178008 NM_001178009 NM_001320298 NM_001321072	NM_001271353 NM_144855 NM_178224
RefSeq (bjelančevina)	NP_000062 NP_001171479 NP_001171480 NP_001307227 NP_001308001 NP_001308002 NP_001340935 NP_001340936 NP_001340937 NP_001340938 NP_001340939 NP_001340941 NP_001340943 NP_001340944 NP_001308002 NP_001340935 NP_001340936 NP_001340937 NP_001340938 NP_001340939 NP_001340941 NP_001340943 NP_001340944	NP_001258282 NP_659104 NP_835742
Lokacija (UCSC)	Chr 21: 43.05 – 43.08 Mb	Chr 17: 31.83 – 31.86 Mb
PubMed pretraga
Wikipodaci
Pogledaj/uredi – čovjek Pogledaj/uredi – miš

L-serin + L-homocistein $\rightleftharpoons$ L-cistationin + H₂O

CBS koristi kofaktor piridoksal-fosfat (PLP) i može se alosterno regulisati efektorima kao što je sveprisutni kofaktor S-adenozil-L-metionin (adoMet). Ovaj enzim pripada porodici lijaza, tačnije, hidro-lijaza, koje cijepaju veze ugljik-kisik.

CBS je multidomenski enzim sastavljen od N-terminalnog enzimskog domena i dva CBS-domena. CBS gen je najčešći lokus za mutacije povezane sa homocistinurijom.

Struktura

Poravnavanje sekvenci domena CBS.

Ljudski enzim cistationin β-sintaza je tetramer i sastoji se od 551 aminokiselina sa molekulskom težinom podjedinice od 61 kDa. Prikazuje modularnu organizaciju od tri modula sa N-terminalnim hemskim domenom, praćenim jezgrom koje sadrži kofaktor PLP. Kofaktor je duboko u domenu hema i povezan je Schiffovom bazom. A Schiffova baza je funkcionalna grupa koja sadrži C=N vezu sa atomom dušika koji je povezan s aril ili alkil grupom. Domen hema sastoji se od 70 aminokiselina i čini se da hem postoji samo u sisarskim CBS i da ga nema u CBS kvasaca i Protozoa. Na C-terminalu, regulatorni domen CBS-a sadrži tandemsko ponavljanje dva CBS domena β-α-β-β-α, sekundarnog strukturnog motiva koji se nalazi u drugim proteinima. CBS ima C-terminalni inhibitorni domen. C-terminalni domen cistationin β-sintaze reguliše svoju aktivnost putem intrasternih i alosternih efekata i važan je za održavanje tetramernog stanja proteina. Ova inhibicija ublažava se vezivanjem alosternih efektora, adoMet ili delecijom regulatornog domena; međutim, veličina efekata se razlikuje. Mutacije u ovom domenu su u korelacijama sa nasljednim bolestima.

Domen hema sadrži N-terminalnu petlju koja vezuje hem i obezbeđuje aksijalne ligande C52 i H65. Udaljenost hema od mjesta PLP-a sugerira njegovu neulogu u katalizi, međutim deleije hemskog domena uzrokuju gubitak redoks osjetljivosti; stoga se pretpostavlja da je hem redoks senzor. Prisustvo protoporfirina IX u CBS je jedinstveni enzim zavisan od PLP-a i nalazi se samo u CBS-u sisara. D. melanogaster i D. discoides imaju skraćene ekstenzije N-terminala i stoga sprečavaju konzervirane histidinske i cisteinske ostatke hemskog liganda.

Međutim, sekvenca Anopheles gambiae ima duži N-terminalni produžetak od ljudskog enzima i sadrži konzervirane histidinske i cisteinske hemne ostatke liganda poput ljudskog hema. Stoga je moguće da su CBS u plijesni i insektima hemeproteini koji sugeriraju da je hemski domen rana evolucijska inovacija koja je nastala prije razdvajanja životinja i sluzavih plijesni. PLP je unutrašnji aldimin i formira Schiffovu bazu sa K119 u aktivnom mjestu. Između katalitskog i regulatornog domena postoji preosjetljivo mjesto koje uzrokuje proteolitsko cijepanje i proizvodi skraćeni dimerni enzim koji je aktivniji od originalnog enzima. AdoMet ne reguliše i skraćeni enzim i enzim koji se nalazi u kvascu. Enzim kvasca se također aktivira delecijom C-terminala kako bi se proizveo dimerni enzim.

Od kraja 2007., dvije strukture su riješene za ovu klasu enzima, sa PDB pristupnim kodovima 1JBQ i 1M54 .

Enzimska aktivnost

Cistationin beta-sintaza
Ljudski homodimer cistationin beta sintaze
Identifikatori
Simbol	CBS
CAS broj	9023-99-8

Metabolizam cisteina: cistationin beta-sintaza katalizuje gornju reakciju, a cistationin gama-lijaza katalizuje donju reakciju.

Transsulfuracija, koju katalizira CBS, pretvara homocistein u cistation, koji cistation gama lijaza pretvara u cistein.

CBS zauzima ključnu poziciju u metabolizmu sumpora kod sisara na spoju homocisteina, gdje se donosi odluka da se metionin komnzervira ili pretvori u cistein putem puta transsulfuracije. Štaviše, put transsulfuracije je jedini put koji može ukloniti aminokiseline koji sadrže sumpor u uslovima viška.

Analogno drugim enzimima β-zamjenjivanja, predviđa se da će reakcija koju katalizira CBS uključiti niz adoMet-vezanih intermedijera. Dodavanje serina rezultira reakcijom transchiffizacijom, koja formira vanjski aldimin. Aldimin se podvrgava apstrakciji protona na α-ugljiku , nakon čega slijedi eliminacija da bi se dobio amino-akrilatski intermedijer. Nukleofilni napad tiolata homocisteina na aminoakrilat i reprotonacija na Cα, stvaraju vanjski aldimin cistationina. Konačna reakcija transaldiminacije oslobađa konačni proizvod, cistationin. Konačni proizvod, L-cistationin također može formirati aminoakrilatni intermedijer, što ukazuje da je cijela reakcija CBS-a reverzibilna.

Izmjereni V₀ reakcije katalizirane enzimom, općenito, odražava stabilno stanje (gdje je [ES] konstantan), iako je V₀ ograničen na rani dio reakcije, a analiza ovih početnih brzina se naziva kinetikom stabilnog stanja. Kinetička analiza kvasca CBS u stabilnom stanju daje paralelne linije. Ovi rezultati slažu se s predloženim ping-pong mehanizmom u kojem je vezivanje serina i oslobađanje vode praćeno vezivanjem homocisteina i oslobađanjem cistationina. Nasuprot tome, stabilno stanje enzimske kintike CBS-a pacova daje linije koje se sijeku, što ukazuje da se β-supstituent serina ne oslobađa iz enzima prije vezivanja homocisteina.

Jedna od alternativnih reakcija koja uključuje CBS je kondenzacija cisteina sa homocisteinom da nastane cistationin i sulfid-vodik (H₂S). H< sub>2S u mozgu se proizvodi iz L-cisteina od strane CBS-a. Ovaj alternativni metabolički put takođe zavisi od adoMet.

Aktivnost CBS enzima nije prisutna u svim tkivima i ćelijama. Ne postoji u srcu, plućima, sjemenicima, nadbubrežnim žlijezdama i slezeni kod pacova. Kod ljudi se pokazalo da ga nema u srčanom mišiću i primarnim kulturama ljudskih endotelnih aortnim ćelijama. Nedostatak CBS-a u ovim tkivima implicira da nisu u stanju sintetizirati cistein i da se on mora pribavljati iz vanćelijskih izvora. Također sugerira da ova tkiva mogu imati povećanu osjetljivost na toksičnost homocisteina, jer ne mogu katabolizirati višak homocisteina putem transsulfuracije.

Regulacija

Alostena aktivacija CBS-a pomoću adoMet određuje metaboličku sudbinu homocisteina. CBS kod sisara aktivira AdoMet 2,5-5 put sa konstantom disocijacije od 15 μM. AdoMet je alosterni aktivator koji povećava V_max CBS reakcije, ali ne utiče na K_m za podloge. Drugim riječima, AdoMet stimuliše aktivnost CBS-a povećavajući stopu obrta, a ne vezivanje supstrata za enzim. Ovaj protein može koristiti morfeinski model alosterne regulacije.

Ljudski CBS obavlja ključni korak u biosintetskom putu cisteina, tako što pruža regulatornu kontrolnu tačku za AdoMet. Homocistein, nakon što je metiliran u metionin, može se pretvoriti u AdoMet, koji donira metil grupe raznim supstratima, npr. neurotransmiterima, proteinima i nukleinskim kiselinama. AdoMet funkcioniše kao alosterni aktivator CBS-a i vrši kontrolu nad njegovom biosintezom: niske koncentracije AdoMet-a rezultiraju niskom aktivnošću CBS-a, čime se homocistein usmjerava u transmetilaciju prema formiranju AdoMet-a. Nasuprot tome, visoke koncentracije adoMet-a usmjeravaju homocistein u transsulfuracijski put prema biosintezi cisteina.

Kod sisara, CBS je visoko regulirani enzim, koji sadrži hemski kofaktor koji funkcionira kao redoksni senzor, koji može modulirati njegovu aktivnost, kao odgovor na promjene u redoks potencijalu. Ako oblik CBS-a u stanju mirovanja u ćeliji ima fero (Fe²⁺) hem, postoji potencijal za aktiviranje enzima u oksidirajućim uvjetima, pretvaranjem u feri (Fe ³⁺) stanje. Fe²⁺ oblik enzima se inhibira pri vezivanju CO ili dušik-oksida, dok se aktivnost enzima udvostručuje kada se Fe²⁺ se oksidira u Fe³⁺. Redoks stanje hema zavisi od pH vrednosti, pri čemu je oksidacija Fe²⁺–CBS u Fe³⁺–CBS favorizovana u uslovima niskog pH.

Budući da CBS kod sisara sadrži hemski kofaktor, dok enzim kvasca i protozoa iz Trypanosoma cruzi nemaju kofaktore hema, spekuliralo se da hem nije potreban za aktivnost CBS.

CBS je regulisan na nivou transkripcije pomoću NF-Y, SP-1 i SP-3. Osim toga, on je povećano transkripcijski reguliran glukokortikoidima i glikogenom, a smanjen je insulinom. Metionin reguliše CBS na posttranskripcijskom nivou.

Ljudske bolesti

Downov sindrom je medicinsko stanje koje karakterizira prekomjerna ekspresija cistationin beta sintaze (CBS) i nizak nivo homocisteina u krvi. Nagađalo se da bi prekomjerna ekspresija cistationin beta sintaza mogla biti glavni krivac za ovu bolest (zajedno sa disfunkcijom GabaA i Dyrk1a). Fenotip Downovog sindroma je suprotan hiperhomocisteinemiji (opisano u nastavku). Farmakološke inhibitore CBS-a patentirala je i obavila testiranja fondacija Jerome Lejeune (novembar 2011.) (u planu su životinje i ljudi).

Hiperhomocisteinemija je medicinsko stanje koje karakteriše abnormalno visok nivo homocisteina u krvi. Mutacije u CBS-u jedini su najčešći uzrok nasljedne hiperhomocisteinemije. Genetički defekti koji utiču na enzimske puteve MTHFR, MTR i MTRR/MS mogu također doprineti visokim nivoima homocisteina. Urođene greške u CBS rezultiraju hiperhomocisteinemijom sa komplikacijama u [[[krvotok|kardiovaskularnom sistemu]], koje dovode do rane i agresivne arterijske bolesti. Hiperhomocisteinemija takođe utiče na tri druga glavna organska sistema uključujući očni, centralni nervni i skeletni. Homocistinurijka zbog nedostatka CBS-a je poseban tip hiperhomocisteinemije. To je rijetka, nasljedna autosomna recesivna bolest, koja se općenito dijagnosticira u djetinjstvu. Identificirana je ukupno 131 različitoj mutaciji koje uzrokuje homocistinuriju. Uobičajena funkcionalna karakteristika mutacija u CBS domenima je da mutacije ukidaju ili snažno smanjuju aktivaciju adoMet. Nije otkriven specifičan lijek za homocistinuriju ; međutim, mnogi ljudi se liječe visokim dozama vitamina B₆, koji je kofaktor CBS-a.

Bioinženjerstvo

Cistationin beta-sintaza (CBS) uključena je u razvoj oocita. Međutim, malo se zna o regionalnim i ćelijskim obrascima ekspresije CBS-a u jajnicima i istraživanja su sada fokusirana na određivanje lokacije i ekspresije tokom razvoja folikula u jajnicima.

Odsustvo cistationin beta-sintaze kod miševa izaziva neplodnost zbog gubitka ekspresije proteina u maternici.

Mutacije

Geni koji kontrolišu ekspresiju CBS enzima možda neće raditi sa 100% efikasnošću kod osoba koje imaju jedan od SNP-ova ( jednonukleotidnim polimorfizama, polimorfizam poznatiji kao mutacije) koji utiču na ovaj gen. Poznate varijante uključuju A360A, C699T, I278T, N212N i T42N SNP (između ostalih). Ovi SNP-ovi, koji imaju različite efekte na efikasnost enzima, mogu se otkriti standardnim metodama DNK-testiranja.

Također pogledajte

• Homocistinurija
• Cistein
• Metabolizam
• Aminokiselina
• S-Adenozil-L-metionin
• Hem

Dopunska literatura

• Kraus JP (1994). "Komrower Lecture. Molecular basis of phenotype expression in homocystinuria". J. Inherit. Metab. Dis. 17 (4): 383–90. doi:10.1007/BF00711354. PMID 7967489. S2CID 42317828.
• Kraus JP, Janosík M, Kozich V, et al. (1999). "Cystathionine beta-synthase mutations in homocystinuria". Hum. Mutat. 13 (5): 362–75. doi:10.1002/(SICI)1098-1004(1999)13:5<362::AID-HUMU4>3.0.CO;2-K. PMID 10338090.
• Jones AL (1999). "The localization and interactions of huntingtin". Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 354 (1386): 1021–7. doi:10.1098/rstb.1999.0454. PMC 1692601. PMID 10434301.
• Griffiths R, Tudball N (1977). "The molecular defect in a case of (cystathionine beta-synthase)-deficient homocystinuria". Eur. J. Biochem. 74 (2): 269–73. doi:10.1111/j.1432-1033.1977.tb11390.x. PMID 404147.
• Kraus J, Packman S, Fowler B, Rosenberg LE (1978). "Purification and properties of cystathionine beta-synthase from human liver. Evidence for identical subunits". J. Biol. Chem. 253 (18): 6523–8. doi:10.1016/S0021-9258(19)46963-9. PMID 681363.
• Longhi RC, Fleisher LD, Tallan HH, Gaull GE (1977). "Cystathionine beta-synthase deficiency: a qualitative abnormality of the deficient enzyme modified by vitamin B₆ therapy". Pediatr. Res. 11 (2): 100–3. doi:10.1203/00006450-197702000-00003. PMID 840498.
• Kozich V, Kraus JP (1993). "Screening for mutations by expressing patient cDNA segments in E. coli: homocystinuria due to cystathionine beta-synthase deficiency". Hum. Mutat. 1 (2): 113–23. doi:10.1002/humu.1380010206. PMID 1301198. S2CID 36663527.
• Münke M, Kraus JP, Ohura T, Francke U (1988). "The gene for cystathionine beta-synthase (CBS) maps to the subtelomeric region on human chromosome 21q and to proximal mouse chromosome 17". Am. J. Hum. Genet. 42 (4): 550–9. PMC 1715237. PMID 2894761.
• Hu FL, Gu Z, Kozich V, et al. (1994). "Molecular basis of cystathionine beta-synthase deficiency in pyridoxine responsive and nonresponsive homocystinuria". Hum. Mol. Genet. 2 (11): 1857–60. doi:10.1093/hmg/2.11.1857. PMID 7506602.
• Sperandeo MP, Panico M, Pepe A, et al. (1995). "Molecular analysis of patients affected by homocystinuria due to cystathionine beta-synthase deficiency: report of a new mutation in exon 8 and a deletion in intron 11". J. Inherit. Metab. Dis. 18 (2): 211–4. doi:10.1007/BF00711769. PMID 7564249. S2CID 40407615.
• Chassé JF, Paly E, Paris D, et al. (1995). "Genomic organization of the human cystathionine beta-synthase gene: evidence for various cDNAs". Biochem. Biophys. Res. Commun. 211 (3): 826–32. doi:10.1006/bbrc.1995.1886. PMID 7598711.
• Shih VE, Fringer JM, Mandell R, et al. (1995). "A missense mutation (I278T) in the cystathionine beta-synthase gene prevalent in pyridoxine-responsive homocystinuria and associated with mild clinical phenotype". Am. J. Hum. Genet. 57 (1): 34–9. PMC 1801250. PMID 7611293.
• Kluijtmans LA, Blom HJ, Boers GH, et al. (1995). "Two novel missense mutations in the cystathionine beta-synthase gene in homocystinuric patients". Hum. Genet. 96 (2): 249–50. doi:10.1007/BF00207394. PMID 7635485. S2CID 6642338.
• Sebastio G, Sperandeo MP, Panico M, et al. (1995). "The molecular basis of homocystinuria due to cystathionine beta-synthase deficiency in Italian families, and report of four novel mutations". Am. J. Hum. Genet. 56 (6): 1324–33. PMC 1801112. PMID 7762555.
• Marble M, Geraghty MT, de Franchis R, et al. (1995). "Characterization of a cystathionine beta-synthase allele with three mutations in cis in a patient with B₆ nonresponsive homocystinuria". Hum. Mol. Genet. 3 (10): 1883–6. doi:10.1093/hmg/3.10.1883. PMID 7849717.
• Kraus JP, Le K, Swaroop M, et al. (1994). "Human cystathionine beta-synthase cDNA: sequence, alternative splicing and expression in cultured cells". Hum. Mol. Genet. 2 (10): 1633–8. doi:10.1093/hmg/2.10.1633. PMID 7903580.
• de Franchis R, Kozich V, McInnes RR, Kraus JP (1995). "Identical genotypes in siblings with different homocystinuric phenotypes: identification of three mutations in cystathionine beta-synthase using an improved bacterial expression system". Hum. Mol. Genet. 3 (7): 1103–8. doi:10.1093/hmg/3.7.1103. PMID 7981678.
• Kruger WD, Cox DR (1994). "A yeast system for expression of human cystathionine beta-synthase: structural and functional conservation of the human and yeast genes". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 91 (14): 6614–8. Bibcode:1994PNAS...91.6614K. doi:10.1073/pnas.91.14.6614. PMC 44253. PMID 8022826.
• Kozich V, de Franchis R, Kraus JP (1993). "Molecular defect in a patient with pyridoxine-responsive homocystinuria". Hum. Mol. Genet. 2 (6): 815–6. doi:10.1093/hmg/2.6.815. PMID 8353501.

Vanjski linkovi

• CBS Main Page at University of Colorado Health Sciences Center
• Cystathionine beta-synthase in BRENDA: The Comprehensive Enzyme Information System
• Cystathionine beta-Synthase: Protein Data Bank Entry