Дигидрофолатредуктаза и её ингибиторы¶

Дигидрофолатредуктаза (ДГФР, англ. dihydrofolate reductase, DHFR; КФ 1.5.1.3) — фермент класса оксидоредуктаз, катализирующий восстановление дигидрофолата (ДГФ) до тетрагидрофолата (ТГФ) с использованием NADPH в качестве кофактора. Реакция является ключевой в метаболизме фолатов: ТГФ служит переносчиком одноуглеродных групп в синтезе пуриновых нуклеотидов, тимидилата и ряда аминокислот, поэтому ДГФР необходима для синтеза ДНК и деления клеток.

¶Катализируемая реакция

Фермент восстанавливает фолат в два этапа: сначала фолат превращается в дигидрофолат, затем дигидрофолат — в тетрагидрофолат. Вторая стадия и является собственно реакцией ДГФР:

ДГФ + NADPH + H⁺ → ТГФ + NADP⁺

В клетке ТГФ постоянно расходуется (например, при синтезе тимидилата превращается обратно в ДГФ), поэтому активность ДГФР критична для поддержания пула восстановленных фолатов. Ингибирование фермента быстро останавливает синтез нуклеотидов и пролиферацию клеток.

¶Структура и распространение

ДГФР — небольшая по меркам ферментов молекула (у человека около 186 аминокислотных остатков). Она присутствует у большинства живых организмов: у бактерий, простейших, растений, животных и человека. У разных видов ферменты различаются по аминокислотной последовательности, что лежит в основе избирательности лекарственных ингибиторов. В клетках эукариот ДГФР локализуется преимущественно в цитоплазме; у некоторых простейших и растений обнаружены формы, связанные с тимидилатсинтазой в единый бифункциональный белок.

У человека ген DHFR расположен на хромосоме 5. Наследственные варианты гена влияют на активность фермента и на индивидуальный ответ на лекарства-антифолаты.

¶Ингибиторы

Ингибиторы ДГФР — это соединения, блокирующие связывание субстрата или кофактора с активным центром. По механизму действия их делят на конкурентные (структурно подобные фолату) и неконкурентные.

Основные группы:

• Антифолаты-аналоги фолата. Метотрексат — наиболее известный ингибитор ДГФР; применяется как цитостатик при онкологических и аутоиммунных заболеваниях. Аминоптерин действует сходно.
• Антибактериальные препараты. Триметоприм избирательно подавляет бактериальную ДГФР, используется в сочетании с сульфаметоксазолом (ко-тримоксазол), блокируя два последовательных этапа фолатного метаболизма.
• Противопротозойные средства. Пириметамин ингибирует ДГФР малярийного плазмодия и токсоплазмы, применяется при малярии и токсоплазмозе.
• Противоопухолевые и прочие. Пеметрексед и родственные соединения подавляют ДГФР и другие фолат-зависимые ферменты.

Избирательность ингибиторов основана на различиях в строении активного центра ферментов разных видов: например, триметоприм во много раз сильнее связывается с бактериальной ДГФР, чем с человеческой.

¶Механизм действия и терапевтическое значение

Подавление ДГФР снижает уровень ТГФ, что нарушает синтез тимидилата и пуринов, тормозит репликацию ДНК и останавливает деление клеток. Именно на этом основано действие метотрексата: быстро делящиеся опухолевые клетки чувствительнее к дефициту нуклеотидов. При аутоиммунных заболеваниях эффект связан с подавлением пролиферации лимфоцитов.

Побочные эффекты антифолатов отражают их влияние на нормальные быстро делящиеся ткани: костный мозг, слизистую кишечника, кожу. Для смягчения токсичности применяют фолинат кальция (восстановленную форму фолата, которая не требует участия ДГФР).

¶Устойчивость к ингибиторам

У микроорганизмов и опухолевых клеток развивается резистентность к антифолатам. Механизмы включают мутации в гене ДГФР, снижающие сродство фермента к препарату, амплификацию гена с увеличением количества фермента, а также снижение проницаемости клетки для лекарства. Эти механизмы изучаются при разработке новых ингибиторов.

¶Значение в исследованиях

ДГФР — один из классических объектов энзимологии, структурной биологии и фармакологии. На её примере исследованы механизмы ферментативного катализа, избирательности лекарств и формирования лекарственной устойчивости. Фермент широко используется как модель при поиске новых антимикробных и противоопухолевых соединений.