CBS

Cystathionin-β-synthase (CBS) ist ein Schlüsselenzym im Transsulfurationsweg des Metabolismus von in vivo Homocystein (Hcy). Die verringerte Aktivität von CBS führt zu einem abnormalen Anstieg von Hcy, was zu Hyperhomocysteinämie (HHcy) führt. HHcy ist an der Bildung von Atherosklerose (AS) beteiligt und ist ein neuer unabhängiger Risikofaktor für Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Seit der Entdeckung, dass Patienten mit CBS-Mangel (angeboren oder Homozygoten von Cystinurie) oft in frühen Jahren AS hatten und bald starben, wurde dies von Mc Cully in den 1960er Jahren festgestellt, und die Untersuchung der Beziehung zwischen CBS mit HHcy und AS vertieft sich weiterhin.

Struktur

CBS ist im Zytoplasma lokalisiert und ist ein Homotetramer, das aus 63 kDa-Untereinheiten besteht. CBS ist ein Hämoglobinprotein, das zur β-Familie der pyridoxalphosphat (PLP)-abhängigen Enzyme gehört. Jede Untereinheit bindet an die beiden Cofaktoren: Hämoglobin und PLP. Das menschliche CBS umfasst eine Hämoglobin-bindende Region, eine hochkonservierte katalytische Domäne und eine regulatorische Domäne. Hämoglobin bindet an die ersten 70 Aminosäurereste am N-Terminus, wo Cys52 und His65 Häm-Eisen-bindende Reste sind. Die hochkonservierte katalytische Domäne befindet sich an den Aminosäureresten 40 bis 413 und kann ein 45 kDa aktives Zentrum bilden. Der Rest Lys119 in diesem Bereich ist ein PLP-bindender Rest, und PLP ist eine Voraussetzung für die von CBS katalysierte Reaktion. Die regulatorische Domäne, die aus 140 Aminosäureresten am C-Terminus besteht, spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung von menschlichen CBS-Tetrameren und der Aktivierung des Enzyms. Diese Region enthält eine selbstinhibitorische Region des Adenosylmethionin (AdoMet)-Bindungsstelle an den Aminosäureresten 421 bis 468. AdoMet ist ein wichtiger regulatorischer Knotenpunkt im Methioninmetabolismus. Es ist ein allosterischer Aktivator von CBS und auch ein allosterischer Inhibitor der 5,10-Methylen-Tetrahydrofolat-Reduktase (MTHFR) und der betaine-Homocystein-Methyltransferase (BHMT) vermittelten katalytischen Reaktion.

Katalytischer Mechanismus

Hcy ist eine schwefelhaltige Aminosäure, die durch die Demethylierung von Methionin gebildet wird, und ihr Metabolismus hat zwei Wege: Transsulfuration und Methylierung. CBS ist ein Schlüsselenzym im Transsulfurationsweg. Unter der Teilnahme von PLP als Coenzym katalysiert CBS die β-Substitutionsreaktion, die die Kondensation von Hcy und Serin zur Bildung von Cystathionin vermittelt. Cystathionin wird weiter durch die Wirkung von Cystathionin-γ-Lyase (CSE) in Cystein α-Ketobuttersäure umgewandelt. Im menschlichen Körper wird etwa 53 % von Hcy irreversibel durch CBS und CSE in Cystein umgewandelt. Der Methylierungsweg besteht darin, dass Hcy mit Hilfe von Folsäure und VitB₁₂ wieder zu Methionin synthetisiert wird. Die oben genannten beiden Wege hängen hauptsächlich von der AdoMet-Konzentration ab, um grob im Gleichgewicht zu koordinieren, und die Verringerung der CBS-Aktivität kann zu HHcy führen, die durch das Versagen des Transsulfurationswegs verursacht wird.

Einflussfaktoren

Zuerst, allosterische Aktivatoren. AdoMet ist ein allosterischer Aktivator von CBS, der seine Aktivität um das 2- bis 5-fache erhöht. Der Aktivierungsmechanismus könnte mit der räumlichen Konformationsänderung der selbstinhibitorischen Regionen in der C-terminalen regulatorischen Domäne zusammenhängen, die durch AdoMet induziert wird. Zweitens, die Cofaktoren. Hämoglobin ist ein Redoxsensor, und sein Redoxzustand kann zu Veränderungen der CBS-Aktivität führen. Daher können Cofaktoren, die Veränderungen im Redoxzustand des Hämoglobins verursachen, die CBS-Aktivität beeinflussen. Drittens, Genmutationen von CBS. Mutationen im CBS-Gen können Veränderungen in der Stabilität des Enzyms, der Bindung des Enzyms an den Cofaktor und das Substrat sowie die Störung der Regulation der allosterischen Agenten verursachen, wodurch die Enzymaktivität beeinflusst wird. Bislang wurden 132 CBS-Genmutationen gefunden, hauptsächlich in Exon 3 und Exon 8. Die meisten von ihnen sind Missense-Mutationen, gefolgt von Deletionsmutationen, Insertionsmutationen und Spleißmutationen.

Verwandte Krankheiten

Mutationen im CBS-Gen führen zu einer Verringerung der CBS-Aktivität und zur Bildung von HHcy, und HHcy ist an der Bildung von AS beteiligt. Derzeit haben die meisten klinischen und epidemiologischen Studien gezeigt, dass der tHcy-Spiegel mit dem Ausmaß der Atherosklerose in der Halsschlagader, der Koronararterie und der peripheren Arterie zusammenhängt. Es kann an der Bildung von AS aus den folgenden Aspekten teilnehmen. Erstens, es schädigt Endothelzellen. In Anwesenheit von Metallionen (Fe³⁺ oder Cu²⁺) unterliegt Hcy einer Autooxidation durch Thiolgruppen. Und die erzeugten reaktiven Sauerstoffe wie Wasserstoffperoxid (H₂O₂), Superanion (O_2-) und OH^-, etc. induzieren oxidativen Stress und verursachen Schäden an Endothelzellen. Zweitens, es stimuliert die Proliferation von vaskulären glatten Muskelzellen. In dem Medium der vaskulären glatten Muskelzellen (VSMC) in Anwesenheit von Katalase führte die Zugabe von 1,0 mmol/L Hcy zu einem 1,5-fachen Anstieg der DNA-Synthese und einem 2-fachen Anstieg der VSMC. Seine zellulären und molekularen Mechanismen könnten mit der Aktivierung des Hcy-induzierten H₂O₂-unabhängigen Weges und der Aktivierung der Mitogen-aktivierten Kinase (MAPK) zusammenhängen. Da die aktivierte MAPK eine Zellproliferationsreaktion verursacht, fördert sie die Synthese von VSMC-Kollagen und beschleunigt somit den Fortschritt von AS. Drittens, es aktiviert Thrombozyten und fördert die Thrombose. Hcy aktiviert Thrombozyten, was zu einer Verringerung der plättchenkonzentrationsabhängigen L-Arginin-Aufnahme führt, was zu einer verringerten NO-Synthese führt. Hcy kann auch die Aktivität des Enzyms Adenosindiphosphat (ADP) hemmen, die ADP-Abbau reduzieren, was zu einer erhöhten ADP-Aggregation, verstärkter Thrombozytenadhäsion und -aggregation führt und somit die Thrombose fördert. Viertens, Aktivierung von Entzündungsfaktoren. AS ist eine chronische Entzündungskrankheit. Zellkulturerexperimente zeigten, dass Hcy die Expression des monocyte chemoattractant protein (MCP-1) erhöht, MCP-1 dann die Bindung von Monozyten an Endothel und die Füllung des subkutanen Raums verstärkt, um die Entwicklung von AS zu beschleunigen.