Struktury Cryo-EM dehydrogenazy izowalerylo-CoA otwierają nowe strategie terapeutyczne w dziedzicznej kwasicy izowalerianowej (IVA)
Dehydrogenaza izowalerilo-CoA (IVD) to kluczowy enzym w katabolizmie leucyny, który katalizuje przekształcenie izowalerylo-CoA do 3-metylokrotonylo-CoA. Zaburzenia funkcji IVD prowadzą do toksycznej akumulacji metabolitów, takich jak kwas izowalerianowy, skutkując rozwojem izowalerianowej kwasicy organicznej (IVA) – zagrażającej życiu choroby autosomalnej recesywnej, charakteryzującej się wymiotami, kwasicą metaboliczną i uszkodzeniem neurologicznym. Choć mutacje w genie IVD są znane jako przyczyna IVA, strukturalna dynamika enzymu i złożone mechanizmy wiązania substratu przez długi czas uniemożliwiały precyzyjne badania mechanistyczne.
Postęp badań
Poprzez udoskonalenie protokołów oczyszczania białek, zespół badawczy uzyskał struktury IVD w stanie apo oraz w kompleksie z substratami (izowalerylo-CoA i butyrylo-CoA) z wykorzystaniem mikroskopii krioelektronowej (Cryo-EM) w wysokiej rozdzielczości. Struktury ujawniły, że ludzki IVD tworzy tetramer, a każdy monomer zawiera unikalny kanał substratowy w kształcie litery „U”, zbudowany z domen α-helikalnych i β-harmonijkowych. Taka architektura umożliwia selektywne rozpoznawanie substratów o krótkich rozgałęzionych łańcuchach, jednocześnie wykluczając dłuższe cząsteczki ze względu na przeszkody steryczne.
Dalsza analiza wykazała, że IVD posiada unikalną selektywność substratową w obrębie rodziny dehydrogenaz acylo-CoA (ACAD). W przeciwieństwie do ACADM (obsługującego proste łańcuchy C6–C12), IVD preferuje krótkie rozgałęzione substraty (C4–C6). Porównania strukturalne między IVD a ACADM wykazały istotne różnice w kieszeniach aktywnych. W IVD reszty L127 i L290 tworzą węższy odstęp boczny (w porównaniu do T121 i V284 w ACADM), tworząc „wąskie gardło”, które wyklucza substraty dłuższe niż C7. Z kolei reszty Y400 i E401 w ACADM ograniczają boczną elastyczność przez masywne grupy boczne, podczas gdy G406 i A407 w IVD zmniejszają przeszkody steryczne, umożliwiając wiązanie rozgałęzionych łańcuchów.
Badanie zidentyfikowało resztę glutaminianową E286 jako rdzeń katalityczny, odpowiedzialny za abstrakcję wodoru α, podczas gdy kofaktor FAD stabilizuje tetramer poprzez wiązania wodorowe z T200, R312 i E411. Mutacje związane z chorobą (np. A314V, E411K) zakłócają wiązanie FAD lub deformują kieszeń substratową, redukując aktywność enzymatyczną o ponad 80%. Przykładowo, mutacja E411K zastępuje ujemnie naładowany glutaminian lizyną, destabilizując wiązanie FAD i integralność tetrameru. Takie dane na poziomie atomowym wyjaśniają korelacje genotyp-fenotyp, poprawiając dokładność diagnostyczną i prognozowanie.
Perspektywy na przyszłość
Odszyfrowane struktury stanowią podstawę do opracowania terapii małocząsteczkowych ukierunkowanych na region wiązania FAD lub kieszeń substratową w celu stabilizacji zmutowanego IVD i przywrócenia jego częściowej funkcji. Dodatkowo, opracowane ramy „mutacja-struktura-funkcja” wspomagają precyzyjną diagnostykę IVA oraz planowanie spersonalizowanego leczenia. Niniejsze badanie nie tylko pogłębia wiedzę o biologii strukturalnej IVD, ale także otwiera nowe możliwości terapeutyczne dla tej rzadkiej choroby metabolicznej.
Źródło: Science Partner Journals, Research
