3α-Hydroxysteroid-Dehydrogenase

Mammalian Hydroxysteroid-Dehydrogenasen (HSDs) spielen eine zentrale Rolle in der Biosynthese und Inaktivierung von Steroidhormonen. In Zielgeweben können sie potente Steroidhormone mit ihren entsprechenden inaktiven Metaboliten umwandeln und die Besetzung der Steroidhormonrezeptoren regulieren. Die Reaktionen, die sie katalysieren, sind positions- und stereospezifisch und beinhalten normalerweise die Umwandlung einer Carbonylgruppe mit einer Hydroxylgruppe entweder am Steroidkern oder an der Seitenkette. cDNA-Klonierung zeigt, dass HSDs zu zwei verschiedenen Protein-Phylogenien gehören: der Familie der kurzkettigen Dehydrogenasen/Reduktasen (SDR) und der Superfamilie der Aldo-Keto-Reduktasen (AKR). Die Säugetier-3α-Hydroxysteroid-Dehydrogenasen (3α-HSDs oder Aldo-Keto-Reduktase-Familie 1 Mitglied C4) sind Mitglieder der AKR-Superfamilie. Sie arbeiten zusammen mit den 5α- und 5β-Reduktasen, um die 3α/5α- und 3a/5β-Tetrahydrosteroide zu erzeugen. Diese Reaktionen sind nicht harmlos. In Steroidzielgeweben fungieren 3α-HSDs als molekulare Schalter und kontrollieren die Wirkung von Steroidhormonen.

Eigenschaften

Die am besten charakterisierte Säugetier-3α-HSD ist das Enzym aus der Rattenleber. Basierend auf der hohen Sequenzidentität, die mit anderen HSDs der AKR-Superfamilie besteht (>60%), dient es als gutes strukturelles Template für diese HSDs. Die Rattenleber-3α-HSD wurde ursprünglich aufgrund ihrer Fähigkeit charakterisiert, Tetrahydroglukokortikoide zu produzieren. Später wurde festgestellt, dass sie eine wichtige Rolle bei der Inaktivierung von Androgenen, Gestagenen und Glukokortikoiden spielt. 3α-HSD ist auch ein wichtiges Gallensäure-bindendes Protein in der Rattenleber und ist am vektoriellen Transport von Gallensäuren vom sinusoidalen zum kanalikulären Pol des Hepatozyten beteiligt und könnte für die normale Leberfunktion unerlässlich sein. Darüber hinaus unterdrückt 3α-HSD durch die Oxidation von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAH) trans-Dihydrodiolen zu o-Chinonen die Bildung von Diol-Epoxiden, die die mutagensten Metaboliten von PAH sind. Diese o-Chinone durchlaufen einen Redox-Zyklus, um reaktive Sauerstoffspezies und o-Semichinon-Anion-Radikale zu erzeugen. Dieser Zyklus führt zur mehrfachen Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies. Dieser Mechanismus der Freisetzungsradikalverstärkung könnte zur Karzinogenität von PAH beitragen.

Struktur

Wie Aldose-Reduktase nimmt die Rattenleber-3α-HSD ein Triosephosphat-Isomerase- oder TIM-Fass-Motiv an, in dem eine abwechselnde Anordnung von α-Helix und β-Strang achtmal (α/β) auftritt und ein Fass aus den β-Strängen im Kern der Struktur bildet. Die Struktur ist durch zwei große Schleifen am C-terminalen Ende des Fasses gekennzeichnet. Unter Verwendung der Koordinaten für NADPH, die in der Struktur des ADR-NADPH-Binärkomplexes existieren, wurde der Cofaktor in die Struktur modelliert. In diesem Modell ist die C4-Position des Nikotinamidrings nahe bei vier hydrophilen Resten (Asp 50, Tyr 55, Lys 84 und His 117), die ein katalytisches Tetrad bilden könnten. Diese Reste sind in HSDs, die zur AKR-Superfamilie gehören, invariant. Auf der Grundlage dieser Struktur wurde ein katalytischer Mechanismus vorgeschlagen, bei dem Tyr 55 als allgemeine Säure fungiert, und sein effektives pKa wurde durch Wasserstoffbrückenbindung mit Lys 84 gesenkt, das wiederum salzgebunden an Asp 50 war.

Katalytischer Mechanismus

3α-HSD ist ein Nichtmetalloenzym und ist metallempfindlich aufgrund der Anwesenheit von neun freien Sulfhydrylen. Der Mechanismus erfordert einen direkten Hydridtransfer von der C4-Position des Nikotinamidrings zur Ketogruppe an der C3-Position des Steroidsubstrats. Die Reaktion kann durch die Bildung eines vollständigen oder teilweisen Carboniumions erfolgen. Da kein Metallion vorhanden ist, um das akzeptierende Carbonyl zu polarisieren, wird eine allgemeine Säure herangezogen, um die Reaktion zu erleichtern. In der Oxidationsrichtung kann dieselbe Aminosäure als allgemeine Base fungieren. Unter Verwendung stereospezifisch markierten NADH wurde festgestellt, dass das 4-pro-R-Wasserstoff von der A-Fläche des Pyridinnukleotid-Cofaktors zur β-Fläche des Steroids übertragen wird, um das akzeptierende Carbonyl in die Konformation eines 3α-axialen Alkohols zu zwingen. Diese Stereochemie des Hydridtransfers könnte in Mitgliedern der AKR-Superfamilie konserviert sein, da sie von der menschlichen Plazenta-Aldose-Reduktase und der murinen Leber-17β-HSD (A-Fläche spezifisch) geteilt wird.

Abbildung 1. Katalytischer Mechanismus für 3α-Hydroxysteroid-Dehydrogenase. (Penning T M.; et al. 1996)

Physiologische Funktion

Im Prostata reguliert 3α-HSD die Menge an Androgen, die an den Androgenrezeptor binden kann. Es katalysiert die Umwandlung des potenten Androgens 5α-Dihydrotestosteron (5α-DHT) zu 3α-Androstanediol, und hohe Konzentrationen von 5α-DHT sind für das normale und abnormale Wachstum der Prostata erforderlich. Inhibitoren der prostatischen 3α-HSD könnten eine Möglichkeit bieten, die 5α-DHT-Spiegel zu senken. Im Gehirn reguliert 3α-HSD die Menge an allosterischen Agonisten, die an den GABAa-Rezeptor binden können. Auf diese Weise kann 3α-HSD die Cl- Leitfähigkeit kontrollieren und die anxiolytischen und anesthetischen Wirkungen von 3α-Hydroxysteroiden regulieren. Somit regulieren 3α-HSDs die Menge an Hormon, die an einen Steroidhormonrezeptor bindet, unabhängig davon, ob dieser Rezeptor ein Mitglied der Superfamilie der nukleären Rezeptoren oder ein membranbindender ionengesteuerter Kanal ist. Daher sind 3α-HSDs potenzielle Arzneimittelziele.

Klinische Bedeutung

Verschiedene Antidepressiva, einschließlich Fluvoxamin, SSRIs wie Fluoxetin, Sertralin, Paroxetin, das SNRI Venlafaxin und Mirtazapin, wurden gefunden, um bestimmte 3α-HSD-Enzyme zu aktivieren, was zu einer selektiven Erleichterung der Umwandlung von 5α-Dihydroprogesteron in Allopregnanolon führt. Diese Wirkung wurde mit ihrer Wirksamkeit bei affektiven Störungen in Verbindung gebracht und hat dazu geführt, dass sie als selektive hirnsterodogene Stimulanzien (SBSSs) beschrieben wurden.

Referenzen