Для разоружения токсичных веществ многие организмы, включая людей, обладают ферментами, называемыми флавинсодержащими монооксигеназами (FMO). Несмотря на их важность, структура ферментов не была определена, так как белок слишком нестабилен для детального изучения. Инженер фермента Университета Гронингена Марко Фраайе и его коллеги из Италии и Аргентины реконструировали наследственные генетические последовательности для трех генов FMO и впоследствии изучили ферменты. Предковые ферменты оказались достаточно стабильными для изучения и выявили, как FMO метаболизируют токсичные вещества. Результаты были опубликованы 23 декабря в Структурная и молекулярная биология природы .

FMO присутствуют у животных, растений и бактерий. У людей наши пять разных FMO участвуют не только в метаболизме токсичных веществ, но и в активации лекарств, в то время как мутации в генах FMO могут вызывать заболевания. «Эти ферменты детально изучены фармацевтическими компаниями, но у нас до сих пор не было подробной структуры», – говорит Фраайе. FMO человека являются мембраносвязанными белками, которые оказалось невозможно кристаллизовать для стандартного структурного анализа с помощью дифракции рентгеновских лучей. «Моя группа опубликовала структуру бактериального FMO около пятнадцати лет назад, но это был не мембраносвязанный белок».

Филогенетическое древо

Несколько событий побудили Фраайе и его сотрудников еще раз взглянуть на структуру: «За последние пару лет были опубликованы генные последовательности для большого количества различных FMO. Это позволяет построить филогенетическое древо, а также реконструировать наследственные генные последовательности для FMO ». Эти генные последовательности используются для создания искусственной ДНК, которая затем транслируется в белки бактериальных систем. «Предыдущая работа показала, что такие наследственные белки, как правило, более стабильны, чем современные», – говорит Фраайе.

Коллеги из Национального университета Сан-Луиса в Аргентине реконструировали последовательности ДНК, группа из Университета Гронингена произвела и охарактеризовала белки, в то время как ученые из Университета Павии в Италии определили структуры. Международной команде удалось проанализировать наследственные формы трех из пяти человеческих предприятий.

Туннель

«Результаты впечатляют», – говорит Фраайе. «Связанная с мембраной часть фермента образует своего рода туннель, по которому вещества могут транспортироваться в активный сайт». Многие токсичные соединения являются жирными веществами, которые накапливаются в мембране жировых клеток. «Ферменты FMO могут извлекать их из мембраны и окислять их». Это делает токсины более гидрофильными, что облегчает их выделение клеткой. Принимая во внимание, что активный сайт в трех предприятиях одинаков, они имеют несколько разные туннели, вероятно, подходящие для разных классов токсичных соединений. «Мы знали, что разные предприятия метаболизируют разные вещества, и теперь мы можем объяснить, почему это так».

Подход с использованием реконструированных наследственных генов окупился. «Аминокислотная последовательность наследственных белков и современных белков идентична на 90 процентов, а их функции полностью идентичны», – говорит Фраайе. Ученые и фармацевтические компании наконец-то смогли увидеть, как работают предприятия. «Это может помочь в разработке лекарств, которые активируются этими ферментами. И наблюдение того, что наследственный белок более стабилен, также представляет интерес. Понимание того, почему это так, может помочь нам разработать более стабильные ферменты для промышленного использования ».

Синдром запаха рыбы

Наконец, теперь возможно восстановить эффект вызывающих болезнь мутаций в генах FMO. Одна из этих мутаций вызывает синдром запаха рыбы, где мутация в FMO3 приводит к неспособности метаболизировать вещество триметиламин. Это вещество, обладающее сильным рыбным запахом, в результате накапливается в организме и выделяется, помимо прочего, с потом, мочой и дыханием.

Марко Фраайе сказал:

Это был проект высокого риска, так как мы не знали, будет ли наследственный белок достаточно стабильным. Но это окупилось. "