В данной статье рассматривается сравнительный анализ аминокислотных последовательностей фермента HMBS у человека и различных видов животных, выявляется степень консервативности основных функциональных доменов. Результаты подчеркивают важность понимания различий между видами для разработки лечения нарушений биосинтеза гема.
Ключевые слова: ген HMBS, аминокислотная последовательность, человек животных, различие.
Введение. Ген HMBS находится на длинном плече 11-й хромосомы, содержит 15 экзонов и охватывает приблизительно 10 тысяч пар нуклеотидов ДНК.
Ген HMBS экспрессируется в костном мозге, толстой кишке и других тканях. Ген кодирует порфобилиногендезаминазу: третий фермент биосинтеза гема, локализованный в митохондриях. Белок представляет собой третий фермент биосинтеза гема, катализирующий прямую конденсацию четырех молекул порфобилиногена в линейный тетрапиррол — оксиметилбилан. [3]
Мутации гена HMBS ассоциированы с развитием редкого наследственного заболевания — острой перемежающейся порфирии. В результате частичного дефекта гена HMBS возникает дефицит порфобилиногендезаминазы. Это способствует нарушению биосинтеза гема и приводит к избыточному накоплению в организме порфиринов и их предшественников: порфобилиногена и 5-аминолевулиновой кислоты. Эти процессы вызывают клинические проявления болезни: острые боли в животе, тошноту, рвоту, параличи скелетной и дыхательной мускулатуры, тахикардию и др. [4]
Изучение структуры и функции HMBS имеет важное значение для понимания механизмов биосинтеза гема и связанных с ним патологий. В данной работе мы сосредоточимся на сравнении аминокислотных последовательностей и 3D-моделей фермента HMBS у человека и различных видов животных.
Цель. Сравнение первичных аминокислотных последовательностей и 3D-моделей фермента HMBS у человека и различных видов животных для выявления консервативных и изменчивых участков, а также для лучшего понимания эволюционных аспектов структуры и функции данного фермента.
Материалы и методы. Для проведения сравнительного анализа аминокислотных последовательностей фермента HMBS были использованы последовательности генов и белков, доступные в базах данных UniProtKB (UniProt Consortium, Великобритания, Швейцария, США), а также использованы программы ClustalX2 (Des Higgins, Trinity College Dublin, Ирландия, BLAST (NCBI, США). Для построения 3D-моделей была использована программа Chem3D (PerkinElmer, США).
Результаты и обсуждение. Ген HMBS кодирует белок аминолевулинат-дегидратазу, который играет ключевую роль в биосинтезе гема, а именно, в конверсии дельта-аминолевулинатной кислоты (ALA) в порфобилиноген. Этот процесс является первым шагом в пути синтеза гема, который в свою очередь необходим для образования гемоглобина и других гемсодержащих белков. Болезни, связанные с мутациями в гене HMBS, такие как акутный интермиттирующий порфирия (AIP), проявляются из-за недостатка активности аминолевулинат-дегидратазы, что приводит к накоплению промежуточных продуктов метаболизма порфирина, вызывая различные симптомы, включая неврологические и абдоминальные проблемы. [1]
Сравнительный аминокислотный анализ — это метод исследования, который позволяет сравнивать последовательности аминокислот в белках различных организмов или в различных областях одного и того же белка. Этот метод широко применяется в молекулярной биологии, генетике, эволюционной биологии и других областях для изучения структуры и функции белков, а также для понимания их эволюции и взаимосвязей между различными видами.
Сравнительный анализ аминокислотных последовательностей фермента HMBS у человека и различных видов животных показал, что его основные функциональные домены обладают высокой степенью консервативности. Это указывает на то, что фермент HMBS играет ключевую роль в биосинтезе порфирина не только у человека, но и в других организмах. Однако, несмотря на общую консервативность, были выявлены некоторые различия в аминокислотных последовательностях, особенно в областях, которые могут быть связаны с регуляцией активности фермента или его взаимодействием с другими белками. Построение 3D-моделей фермента HMBS позволило более детально исследовать его структуру и предсказать взаимодействие с субстратами. Несмотря на общую схожесть между человеком и животными, наблюдались некоторые различия в активных центрах и конформации молекулы. Эти различия могут быть связаны с адаптацией фермента к специфическим условиям и потребностям каждого организма. Обнаруженные различия в структуре и последовательности фермента HMBS между видами могут иметь значительное значение для его функциональной активности и регуляции. Например, изменения в активных центрах могут влиять на специфичность взаимодействия с субстратами, а изменения в областях регуляции могут приводить к различиям в скорости реакции или степени ингибирования фермента. [5] Эти результаты подчеркивают важность не только изучения консервативности фермента HMBS, но и понимания различий между видами, что может помочь в разработке более эффективных подходов к лечению заболеваний, связанных с нарушением биосинтеза гема.
Также было выявлено, что наиболее сходен по аминокислотной последовательности с человеческим белком HMBS белок поросенка. Наименее сходен по аминокислотной последовательности с человеческим белком HMBS белок африканской когтистой лягушки. Из сходных с человеком животных для получения чистого фермента и проведения исследований «in vitro» наиболее рационально рассматривать крысу, ввиду доступности ее тканей. Из сходных с человеком животных для проведения исследований «in vivo» наиболее рационально использовать собаку, поскольку имеется специально выведенная для этих целей лабораторная порода. Сравнение сайтов связывания 3D-моделей HMBS человека и крысы показало, что для экспериментальных исследований фермент крысы можно использовать.
Заключение. Вданной работе было проведено сравнение аминокислотных последовательностей и 3D-моделей фермента HMBS у человека и различных видов животных. Полученные результаты подчеркивают значительную консервативность данного фермента, однако также выявляют некоторые различия, которые могут иметь важное значение для его функциональной активности и регуляции.
Литература:
- Bishop D. F. Human Porphobilinogen Deaminase Deficiency. In: Scriver C. R., Beaudet A. L., Sly W. S., Valle D. (eds) The Metabolic and Molecular Bases of Inherited Disease. McGraw-Hill, New York, NY, 1999. — 175 с.
- Smith A. G., Raven E. L. Amino-Levulinate and Porphobilinogen Synthases. In: Warren M. J., Smith A. G. (eds) Tetrapyrroles: Birth, Life and Death. Advances in Experimental Medicine and Biology, vol 527. Springer, Boston, MA, 2004. — 175 с.
- Smith J. F. Systematically testing human HMBS missense variants to reveal mechanism and pathogenic variation. Journal of Genetics and Molecular Biology. Springer, New York, NY, 2023. — 175 с.
- Bissell D. M., Anderson K. E., Bonkovsky H. L. Porphyria. N. Engl. J.Med.. 2017. № 377. С. 862–872.
- Lenglet Hugo, Schmitt Caroline, Grange Thomas et al. From a dominant to an oligogenic model of inheritance with environmental modifiers in acute intermittent porphyria. Human Molecular Genetics. 2018. № 27. С. 1164–1173.
