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Folate en déméthylation : participation du tétrahydrofolate (THF) dans la déméthylation enzymatique de la diméthylglycine déshydrogénase (DMGDH) de la diméthylglycine (DMG)[1]

 

Points forts

• La DMGDH est une enzyme importante dans le métabolisme à un carbone.

• Le tétrahydrofolate lié (THF) sert de piégeur pour le produit formaldéhyde.

• Nous avons résolu la structure cristalline du complexe DMGDH et DMGDH – THF.

La diméthylglycine déshydrogénase (DMGDH) est une enzyme mitochondriale de mammifère qui joue un rôle important dans l'utilisation des groupes méthyle dérivés de la choline. La DMGDH est une enzyme contenant de la flavine qui catalyse la déméthylation oxydative de la diméthylglycine in vitro avec la formation de sarcosine (N-méthylglycine), de peroxyde d'hydrogène et de formaldéhyde. La DMGDH se lie au tétrahydrofolate (THF) in vivo, qui sert d'accepteur de formaldéhyde et dans la cellule, le produit de la réaction est le 5,10-méthylènetétrahydrofolate au lieu du formaldéhyde. Pour mieux comprendre le mécanisme de la réaction, nous avons résolu les structures cristallines des formes matures et précurseurs recombinantes des complexes DMGDH et DMGDH – THF de rat. Les deux formes de DMGDH révèlent des paramètres cinétiques similaires et ont le même pli de structure tertiaire avec deux domaines formés par les moitiés N- et C-terminales de la protéine. Le centre actif est situé dans le domaine N-terminal tandis que le site de liaison du THF est situé dans le domaine C-terminal à environ 40 Â du cycle isoalloxazine de FAD. Le site de liaison au folate est connecté au centre actif de l'enzyme via un canal intramoléculaire. Ceci suggère le transfert possible de l'imine intermédiaire de diméthylglycine du centre actif au THF lié où ils pourraient réagir en produisant un 5,10-méthylènetétrahydrofolate. (Il y a homologie de la DMGDH du rat et humaine.)

Introduction

La DMGDH est une enzyme mitochondriale flavine de mammifère (EC 1.5.8.4), qui catalyse la déméthylation oxydative de la diméthylglycine (DMG). Lorsque cette réaction est étudiée in vitro, les produits de la réaction sont la sarcosine, le peroxyde d'hydrogène et le formaldéhyde. Dans la cellule, le partenaire redox de la DMGDH est une flavoprotéine de transfert d'électrons (ETF). La déméthylation est réalisée en utilisant le FAD comme accepteur d'électrons qui est lié de manière covalente à His84 (numérotation des précurseurs) via une liaison FAD histidyle (N3) - (8α). Chez le rat, cette enzyme est codée par un gène nucléaire et se traduit par une protéine précurseur de 857-aa (masse moléculaire de 96 kDa). Lors du transfert dans les mitochondries, le peptide de ciblage mitochondrial 21-aa N-terminal est éliminé par une protéase de traitement mitochondrial.

Le rôle physiologique du substrat et du produit de la réaction DMGDH, la diméthylglycine et la sarcosine, n'est pas bien compris bien qu'ils soient des intermédiaires importants dans le métabolisme à un carbone. Des niveaux anormaux de DMG sont associés à une variété de maladies et le DMG a été proposé comme thérapeutique pour des pathologies spécifiques.

Cette enzyme a été redécouverte dans notre laboratoire en tant que protéine de liaison aux folates. Il lie différentes formes de folate avec la plus haute affinité pour le THF. Sur la base de cette découverte, il a été proposé que le THF lié sert de piégeur pour le formaldéhyde produit au cours de la déméthylation de la diméthylglycine. Le mécanisme de ce processus n'a pas pu être déterminé en raison du manque de données structurelles.

Nous avons maintenant résolu les structures cristallines des formes matures et précurseurs du DMGDH de rat en présence de THF. Notre choix du DMGDH de rat était basé sur le fait que cette enzyme était bien mieux étudiée que n'importe quel autre DMGDH de mammifère, ainsi les relations structure/fonction peuvent être décrites avec précision.

Discussion

Le but de ce travail était d'obtenir une base structurelle pour le rôle du THF dans la déméthylation de la diméthylglycine par le DMGDH de rat puisqu'aucune structure d'enzymes mammifères n'a été résolue jusqu'à présent. Les enzymes de déméthylation DMG sont importantes dans le métabolisme à un carbone chez les mammifères et les procaryotes. La caractéristique commune des enzymes est qu'elles se lient au THF, un piégeur du formaldéhyde par ailleurs toxique en tant que produit de cette réaction. Auparavant, la structure cristalline de la diméthylglycine oxydase de la bactérie Arthrobacter globiformis, avec différentes formes de folates, a été obtenue. Il était frappant de découvrir que le site de liaison au folate était localisé à environ 40 Å du centre actif de l'enzyme dans la structure cristalline du DMGO. Une analyse minutieuse de la structure du DMGO a permis aux auteurs de proposer l'hypothèse que dans la réaction catalysée par le DMGO, le formaldéhyde ne s'est pas formé. Ils ont proposé qu'une imine intermédiaire formée à partir de la diméthylglycine soit canalisée du centre actif vers le THF formant le 5,10-méthylèneTHF et libérée en tant que produit de la réaction.

L'analyse de la structure de la DMGDH de rat montre que le mécanisme de canalisation d'une imine intermédiaire proposée pour le DMGO pourrait être appliqué à la DMGDH. Nous devons remarquer ici, que l'hypothèse de canalisation nécessite encore une preuve directe de l'existence d'intermédiaires de la réaction d'une imine avec le THF. Cela pourrait être un projet très difficile en raison d'une durée potentiellement très courte de l'existence de tels intermédiaires, comme cela a été souligné ailleurs.

La structure cristalline de la DMGDH de rat présentée ici est une bonne représentation de la DMGDH de mammifère en raison de la forte similitude des séquences protéiques. La séquence du précurseur de la DMGDH humaine est identique à 91% à l'enzyme de rat avec un tiers des différences situées dans les 60 premières parties N-terminales des protéines.

En conclusion, la structure cristalline que nous avons rapportée dans ce travail est une base nécessaire pour les futures études sur le mécanisme de participation du THF dans la déméthylation enzymatique de la diméthylglycine déshydrogénase de la diméthylglycine ainsi que dans d'autres enzymes similaires. Il convient de noter ici que dans notre structure récemment résolue de l'histone déméthylase LSD1 spécifique de la lysine complexée avec le tétrahydrofolate, ce dernier est lié à proximité immédiate de FAD, fournissant ainsi un autre exemple de l'importance de l'étude du rôle du folate dans la déméthylation .

 

[1] Luka Z, Pakhomova S, Loukachevitch LV, Newcomer ME, Wagner C. Folate in demethylation: the crystal structure of the rat dimethylglycine dehydrogenase complexed with tetrahydrofolate. Biochemical and Biophysical Research Communications. 2014 Jul;449(4):392-398. DOI: 10.1016/j.bbrc.2014.05.064.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0006291X1400936X

http://europepmc.org/article/PMC/4113215

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