UO

Uratoxidase (UO, EC 1.7.3.3), auch als Uricase bezeichnet, ist ein peroxisomales Enzym im Purinabbauweg, das die Oxidation von Harnsäure durch molekularen Sauerstoff zu einem inaktiven und löslichen Metaboliten, Allantoin, in den meisten Säugetieren katalysiert, um die Ansammlung von Harnsäure zu verhindern, wobei 5-Hydroxyisourat und Wasserstoffperoxid produziert werden. Dieses Enzym kommt in vielen Organismen vor, wird jedoch nicht bei Menschen und bestimmten anderen Primaten nachgewiesen, was eine Folge der Inaktivierung des hominoiden UO-Gens durch unabhängige Stopp- oder Leserastermutationen sein könnte. Da Harnsäure eine starke antioxidative Fähigkeit aufweist, die zu weniger freien Radikalen und weniger Fällen von durch Alterung verursachtem Krebs führen könnte, wurde vorgeschlagen, dass Harnsäure eine bedeutende Rolle beim Schutz von Hominoiden vor oxidativem Schaden und der Verlängerung der Lebensspanne spielt. Ein Mangel an UO könnte jedoch zu einem Anstieg der Harnsäurewerte im Plasma führen, was tödlich sein kann. UO wurde erstmals aus dem Pilz Aspergillus flavus extrahiert und wird jetzt weit verbreitet in Saccharomyces cerevisiae für Forschungs- und medizinische Zwecke exprimiert. UO besitzt einen einzigartigen katalytischen Mechanismus, bei dem sowohl Cofaktor als auch spezifisches Metallion nicht erforderlich sind, und das allgemeine Verfahren ist unten dargestellt.

Abbildung 1. Der Purinabbauweg.

Struktur

UO, das hauptsächlich in der Leber vorkommt, existiert als Homo-Tetramer identischer Untereinheiten mit vier aktiven Stellen, die an den dimerischen Schnittstellen zwischen seinen vier Untereinheiten lokalisiert sind, und bildet einen großen elektrondichten parakristallinen Kern in vielen Peroxisomen. UO aus A. flavus besteht aus 301 Resten mit einem Molekulargewicht von 33438 Dalton. Die Sequenzanalyse von UO aus mehreren Organismen hat gezeigt, dass 24 Aminosäuren in UO konserviert sind, von denen 15 mit der aktiven Stelle assoziiert sind.

Die integrierte funktionale Struktur von UO ist ein 135-kDa-Homo-Tetramer, das die Form eines Fasses hat, mit einer Höhe von 7 nm, einem inneren Radius von 0,6 nm und einem äußeren Radius von 3 nm. Vier identische aktive Stellen von UO wurden an dimerischen Schnittstellen gefunden, die zwischen den Monomeren und einem zentralen Hohlraum mit unbekannter Funktion gebildet werden. Jedes Monomer besteht aus 301 Aminosäureresten und weist zwei strukturell äquivalente Domänen auf, die aus einem viersträngigen langen antiparallelen Beta-Faltblatt mit zwei Helices auf der konkaven Seite bestehen und als „Tunneling-Falt“-Domänen bezeichnet werden, die es UO ermöglichen, sich in die erweiterte Familie der tunnelartigen Proteine einzufügen. Die beiden Tunneling-Falt-Domänen jedes Monomers könnten ein achtsträngiges langes antiparalleles Beta-Faltblatt bilden, indem sie sich zusammenlagern, wobei alle vier Helices auf der konkaven Seite des Faltblatts lokalisiert sind. Das Dimer bildet ein α8β16-Fass, dessen äußere Oberfläche von den acht Helices eingenommen wird.

Aktionsmechanismus

UO ist das erste Enzym in einem Weg, der Harnsäure in S-(+)-Allantoin umwandelt. Nach der Umwandlung von Harnsäure in 5-Hydroxyisourat durch UO wird 5-Hydroxyisourat (HIU) dann durch HIU-Hydrolase in 2-Oxo-4-hydroxy-4-carboxy-5-ureidoimidazolin (OHCU) katalysiert und schließlich durch 2-Oxo-4-hydroxy-4-carboxy-5-ureidoimidazolin-Decarboxylase (OHCU-Decarboxylase) in S-(+)-Allantoin umgewandelt. HIU wird spontan in racemisches Allantoin zerfallen, ohne dass HIU-Hydrolase und OHCU-Decarboxylase beteiligt sind.

Es gibt eine katalytische Stelle innerhalb der aktiven Stelle von UO, die Harnsäure und ihre Analoga in derselben Orientierung und einer gemeinsamen katalytischen Stelle hält, wo Sauerstoff, Wasser und Wasserstoffperoxid nacheinander aktiviert werden. Dieser Mechanismus wandelt Wasserstoffperoxid zurück in Sauerstoff um und treibt nacheinander Wasserstoffperoxid und Wasser durch die gemeinsame katalytische Stelle. Zwei Reste, Arg 176 und Gln 228, innerhalb der aktiven Stelle tragen zur Wasserstoffbindung mit dem Substrat Harnsäure als Monoanion bei, das dann zu einem Dianion deprotoniert wird, um von Arg 176 und Gln 228 des UO stabilisiert zu werden. Anschließend akzeptiert Sauerstoff ein Elektronenpaar vom Harnsäure-Dianion und wird zu Wasserstoffperoxid reduziert, das durch Wasser ersetzt wird, um einen nukleophilen Angriff auf das Zwischenprodukt durchzuführen, um 5-Hydroxyisourat zu produzieren. UO könnte sowohl durch Cyanid- als auch Chloridionen aufgrund von Anion-π-Interaktionen zwischen dem Inhibitor und der Harnsäure gehemmt werden.

Abbildung 2. Ein vorgeschlagener Mechanismus für Uratoxidase. (Gabison L; et al. 2008)

Funktion

UO ist in der Lage, die übermäßige Ansammlung von Harnsäurewerten in bestimmten Organismen, einschließlich Bakterien, Pilzen, Hefen und einigen Säugetieren, zu verhindern. Obwohl der genaue Mechanismus, durch den UO seine Funktion ausübt, noch nicht aufgeklärt ist, besteht Einigkeit darüber, dass der zuvor beschriebene Protonentransfer an der Katalyse beteiligt ist.

UO ist auch essentiell im Ureidweg, wo die Fixierung von Stickstoff in den Wurzelknöllchen von Leguminosen erfolgt, und der fixierte Stickstoff dann in Metaboliten umgewandelt wird. Schließlich werden die erzeugten Metaboliten von den Wurzeln durch die Pflanze transportiert, um die notwendige Stickstoffquelle für die Biosynthese von Aminosäuren bereitzustellen.

Es wurde auch vorgeschlagen, dass der Verlust der UO-Genexpression für Hominiden vorteilhaft ist, da Harnsäure ein starkes Antioxidans und Fänger von Singulett-Sauerstoff und Radikalen ist, um den Körper vor oxidativem Schaden zu schützen, wodurch die Lebensdauer verlängert und die Raten von altersbedingtem Krebs verringert werden.

Medizinische Implikationen

Hyperurikämie wird am häufigsten mit Gicht und Malignität bei Säugetieren in Verbindung gebracht, insbesondere bei denen, die an lymphoiden Malignitäten leiden, die durch eine schnelle Zellumsatzrate und eine erhöhte Purinmetabolismusrate verursacht werden. UO wurde als effizientes Proteinmedikament zur Prävention und Behandlung von akuter Hyperurikämie bei Patienten entwickelt, die eine Chemotherapie erhalten, und bei denen, die eine Transplantation erfahren haben. Es zeigt eine schnelle und sichere Wirksamkeit und führt zu einer drastischen Reduktion der Harnsäurewerte im Plasma. Wenn Patienten jedoch das nachfolgende Enzym HIU-Hydroxylase im Weg zur Abbau von 5-Hydroxyisourat in Allantoin fehlen, könnte die UO-Therapie potenziell schädlich sein aufgrund der toxischen Effekte von HIU.

Die Transplantat-gegen-Wirt-Krankheit (GVHD) ist oft eine begleitende Nebenwirkung der allogenen hämatopoetischen Stammzelltransplantation, die durch die Nuisance von Spender-T-Zellen gegenüber dem Wirtsgewebe verursacht wird. Harnsäure könnte die T-Zell-Antwort verstärken, und daher haben relevante klinische Studien gezeigt, dass UO verabreicht werden kann, um die Harnsäurewerte im Patienten zu senken und somit die Wahrscheinlichkeit von GVHD zu verringern.

Referenz