Тимидилатсинтаза и синтез нуклеотидов¶

Тимидилатсинтаза (КФ 2.1.1.45) — фермент класса трансфераз, катализирующий метилирование дезоксиуридинмонофосфата (dUMP) в дезокситимидинмонофосфат (dTMP). Эта реакция является ключевой стадией синтеза тимидиловых нуклеотидов — предшественников ДНК. Тимидилатсинтаза присутствует у большинства живых организмов, включая бактерии, растения и животных, и служит мишенью ряда противоопухолевых и антимикробных препаратов.

¶Общая характеристика

Фермент катализирует реакцию:

dUMP + 5,10-метилентетрагидрофолат → dTMP + дигидрофолат

Тимидилатсинтаза обеспечивает единственный путь образования de novo тимидиновых нуклеотидов у многих организмов. Поскольку тимин входит исключительно в состав ДНК (в РНК вместо него используется урацил), активность фермента тесно связана с процессами репликации и репарации ДНК.

Молекулярная масса фермента у разных видов варьирует. У человека тимидилатсинтаза состоит из 313 аминокислотных остатков, у бактерии Escherichia coli — из 264. Активный центр содержит консервативный остаток цистеина, который выполняет нуклеофильную атаку на субстрат.

¶Механизм реакции

Каталитический цикл включает несколько стадий:

1. Связывание dUMP и кофактора 5,10-метилентетрагидрофолата в активном центре.
2. Образование ковалентного аддукта между тиоловой группой цистеина и атомом C6 урацилового кольца.
3. Перенос метильной группы на атом C5 с образованием промежуточного экзоциклического комплекса.
4. Отщепление дигидрофолата и высвобождение dTMP.

Дигидрофолат затем восстанавливается ферментом дигидрофолатредуктазой обратно в тетрагидрофолат, замыкая фолатный цикл.

¶Место в метаболизме нуклеотидов

Синтез нуклеотидов делится на пути de novo (с нуля) и «запасные» (reutilization). Тимидилатсинтаза относится к пути de novo.

Пути образования dTMP:

Предшественник dUMP образуется либо из dCMP путём дезаминирования, либо из dUTP под действием dUTPазы. Баланс между dUMP, dTMP и dTTP критичен: избыток dUTP приводит к включению урацила в ДНК, что вызывает мутации и разрывы цепи.

¶Регуляция

Активность тимидилатсинтазы регулируется на нескольких уровнях:

• Транскрипционном — экспрессия гена повышается в S-фазе клеточного цикла.
• Посттрансляционном — фосфорилирование и убиквитинирование влияют на стабильность белка.
• Метаболическом — фермент ингибируется собственным продуктом dTMP по принципу отрицательной обратной связи.

У человека ген TYMS расположен на коротком плече хромосомы 18. Полиморфизмы в регуляторной области гена влияют на уровень экспрессии фермента и связаны с индивидуальными различиями в ответе на химиотерапию.

¶Клиническое значение

Тимидилатсинтаза — важная мишень в онкологии и микробиологии.

Ингибиторы фермента:

• 5-фторурацил — противоопухолевый препарат, превращающийся в активный метаболит FdUMP, который образует стабильный тройной комплекс с ферментом и блокирует синтез dTMP.
• Метотрексат — косвенный ингибитор, нарушающий восстановление фолатов и истощающий пул 5,10-метилентетрагидрофолата.
• Пеметрексед — подавляет несколько фолатзависимых ферментов, включая тимидилатсинтазу.

Повышенная экспрессия TYMS в опухолевых клетках связана с устойчивостью к фторпиримидинам, что учитывается при выборе схем лечения. У микроорганизмов и паразитов (например, возбудителей малярии) фермент рассматривается как перспективная мишень для новых антипротозойных средств.

¶Связь с другими процессами

Тимидилатсинтаза функционально связана с дигидрофолатредуктазой и сериновой гидроксиметилтрансферазой, образуя с ними у некоторых организмов полифункциональный комплекс. У простейших и растений эти ферменты часто объединены в один белок, что обеспечивает эффективный перенос промежуточных метаболитов между активными центрами.

Нарушения в работе фермента или фолатного обмена в целом приводят к дефициту тимидиновых нуклеотидов, замедлению репликации ДНК и, как следствие, к нарушению деления клеток — эффекту, лежащему в основе действия ряда цитостатиков.