Субъединица I цитохром с оксидазы - Cytochrome c oxidase subunit I
| Субъединица I цитохром с оксидазы | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Структура 13-субъединичной окисленной цитохром с оксидазы.
| |||||||||
| Идентификаторы | |||||||||
| Условное обозначение | COX1 или COI | ||||||||
| Pfam | PF00115 | ||||||||
| ИнтерПро | IPR000883 | ||||||||
| ПРОФИЛЬ | PDOC00074 | ||||||||
| SCOP2 | 1occ / SCOPe / SUPFAM | ||||||||
| TCDB | 3.D.4 | ||||||||
| OPM суперсемейство | 4 | ||||||||
| Белок OPM | 1v55 | ||||||||
| CDD | cd01663 | ||||||||
| |||||||||
Цитохром с оксидаза я ( COX1 ) , также известный как митохондрии , кодируемого цитохром с оксидазы I ( MT-СО1 ) представляет собой белок , который у человека кодируется МТ-CO1 гена . У других эукариот ген называется COX1 , CO1 или COI . Цитохром с оксидаза I является основной субъединицей комплекса цитохром с оксидазы . Мутации в MT-CO1 были связаны с наследственной оптической нейропатией Лебера (LHON), приобретенной идиопатической сидеробластной анемией , дефицитом Комплекса IV , колоректальным раком , сенсоневральной глухотой и рецидивирующей миоглобинурией .
Состав
Один из 37 митохондриальных генов, ген MT-CO1 , расположен от нуклеотидных пар 5904 до 7444 на богатой гуанином тяжелой (H) части мтДНК . Продукт гена представляет собой белок 57 кДа, состоящий из 513 аминокислот .
Функция
Субъединица I цитохром с-оксидазы (CO1 или MT-CO1) является одной из трех субъединиц, кодируемых митохондриальной ДНК (мтДНК) (MT-CO1, MT-CO2 , MT-CO3 ) респираторного комплекса IV . Комплекс IV является третьим и последним ферментом в цепи переноса электронов митохондриального окислительного фосфорилирования .
Цитохром с оксидаза ( EC 1.9.3.1 ) - ключевой фермент в аэробном метаболизме. Гем-медные оксидазы, перекачивающие протоны, представляют собой конечные ферменты, переносящие энергию в дыхательных цепях прокариот и эукариот . Биядерный центр CuB-гем a3 (или гем o), связанный с крупнейшей субъединицей I цитохрома с и убихинолоксидаз ( EC 1.10.3.10 ), непосредственно участвует во взаимодействии между восстановлением дикислорода и протонной перекачкой. Некоторые терминальные оксидазы генерируют трансмембранный протонный градиент через плазматическую мембрану (прокариоты) или внутреннюю мембрану митохондрий (эукариоты).
Ферментный комплекс состоит из 3-4 субъединиц (прокариот) до 13 полипептидов (млекопитающие), из которых только каталитическая субъединица (эквивалентная субъединице I млекопитающих (COI)) обнаружена во всех респираторных оксидазах гем-медь. Присутствие биметаллического центра (образованного высокоспиновым гемом и медью B), а также низкоспинового гема, которые лигированы с шестью консервативными остатками гистидина вблизи внешней стороны четырех трансмембранных участков в пределах COI, является общим для всех членов семейства. . В отличие от эукариот дыхательная цепь прокариот разветвлена на несколько терминальных оксидаз. Комплексы ферментов различаются по составу гема и меди, типу субстрата и сродству к субстрату. Различные респираторные оксидазы позволяют клеткам настраивать свои дыхательные системы в соответствии с различными условиями роста в окружающей среде.
Было показано, что эубактериальная хинолоксидаза произошла от цитохром-с-оксидазы грамположительных бактерий и что хинолоксидаза архебактерий имеет независимое происхождение. Значительное количество данных свидетельствует о том, что протеобактерии (пурпурные бактерии) приобрели хинолоксидазу в результате латерального переноса гена от грамположительных бактерий .
Родственная редуктаза оксида азота ( EC 1.7.99.7 ) существует у денитрифицирующих видов архей и эубактерий и является гетеродимером цитохромов b и c. Метосульфат феназина может действовать как акцептор. Было высказано предположение, что каталитические субъединицы цитохром-с-оксидазы произошли от древних редуктаз оксида азота, которые могли восстанавливать как азот, так и кислород.
Клиническое значение
Мутации в этом гене связаны с наследственной оптической нейропатией Лебера (LHON), приобретенной идиопатической сидеробластной анемией , дефицитом Комплекса IV , колоректальным раком , нейросенсорной глухотой и рецидивирующей миоглобинурией .
Наследственная оптическая нейропатия Лебера (LHON)
LHON, связанный с мутациями в MT-CO1 , характеризуется дисфункцией зрительного нерва , вызывающей подострую или острую потерю центрального зрения . У некоторых пациентов могут наблюдаться неврологические нарушения или нарушения сердечной проводимости . Поскольку это заболевание является результатом мутаций митохондриальной ДНК, затрагивающих комплексы дыхательной цепи , оно передается по материнской линии .
Приобретенная идиопатическая сидеробластическая анемия
MT-CO1 может участвовать в развитии приобретенной идиопатической сидеробластной анемии. Мутации в митохондриальной ДНК могут привести к дисфункции дыхательной цепи, предотвращая снижение из трехвалентного железа до двухвалентного железа, который необходим для заключительного шага в митохондриальном биосинтезе из гема . В результате происходит накопление железа в митохондриях и недостаточное производство гема.
Дефицит митохондриального комплекса IV (MT-C4D)
Мутации в этом гене могут вызывать дефицит митохондриального Комплекса IV, заболевание митохондриальной дыхательной цепи, проявляющее широкий спектр клинических проявлений, от изолированной миопатии до тяжелого мультисистемного заболевания, поражающего несколько органов и тканей. Симптомы могут включать дисфункцию печени и гепатомегалию , гипотонию , мышечную слабость , непереносимость физических упражнений , задержку двигательного развития , умственную отсталость , задержку развития и гипертрофическую кардиомиопатию . У некоторых пациентов гипертрофическая кардиомиопатия приводит к летальному исходу в неонатальном периоде . Другие пораженные люди могут проявлять болезнь Ли .
Колоректальный рак (CRC)
Мутации MT-CO1 играют роль в колоректальном раке, очень сложном заболевании, проявляющем злокачественные поражения внутренних стенок толстой и прямой кишки . Многочисленные такие генетические изменения часто связаны с прогрессированием аденомы или предраковых поражений до инвазивной аденокарциномы . Факторами риска колоректального рака являются давний язвенный колит , полипы толстой кишки и семейный анамнез .
Рецидивирующая митохондриальная миоглобинурия (РМ-МТ)
RM-MT - это заболевание, которое характеризуется повторяющимися приступами рабдомиолиза (некрозом или распадом скелетных мышц), связанными с мышечной болью и слабостью, непереносимостью физических упражнений, низкой способностью мышц к окислительному фосфорилированию и последующим выделением миоглобина с мочой. Это было связано с митохондриальной миопатией. Мутация G5920A и гетероплазматическая нонсенс-мутация G6708A были связаны с дефицитом ЦОГ и RM-MT.
Глухота, нейросенсорная, митохондриальная (ДФНМ)
DFNM - это форма несиндромальной глухоты с материнской наследственностью . У пораженных людей наблюдается прогрессирующая постлингвальная нейросенсорная тугоухость, связанная с высокими частотами. Мутация A1555G была связана с этим заболеванием.
Подсемейства
- Цитохром с оксидаза cbb3-типа, субъединица I InterPro : IPR004677
- Цитохром-убихинолоксидаза, субъединица I InterPro : IPR014207
- Цитохром aa3-хинолоксидаза, субъединица I InterPro : IPR014233
- Цитохром с оксидаза, субъединица I бактериального типа InterPro : IPR014241
Использование в штрих-кодировании ДНК
MT-CO1 - это ген, который часто используется в качестве штрих-кода ДНК для идентификации видов животных. Последовательность гена MT-CO1 подходит для этой роли, потому что скорость ее мутаций часто достаточно высока, чтобы различить близкородственные виды, а также потому, что ее последовательность консервативна среди сородичей. Вопреки основному возражению скептиков о том, что различия в последовательностях MT-CO1 слишком малы, чтобы их можно было обнаружить между близкородственными видами, между близкородственными видами животных обычно выявляется более чем 2% -ное расхождение последовательностей, что позволяет предположить, что штрих-код эффективен для многих животных. Однако у большинства, если не у всех семенных растений , скорость эволюции MT-CO1 очень медленная.
MT-COI (= CCOI) в криптах толстой кишки
Белок МТ-ИСП, также известный как CCOI, как правило , выражается на высоком уровне в цитоплазме из крипт ободочной кишки человеческой толстой кишки (толстой кишки). Однако MT-COI часто теряется в криптах толстой кишки с возрастом у людей и также часто отсутствует в полевых дефектах, которые вызывают рак толстой кишки, а также в отдельных частях рака толстой кишки.
Эпителиальная внутренняя поверхность толстой кишки перемежается инвагинацией, крипты ободочной кишки. Крипты толстой кишки имеют форму микроскопических толстостенных пробирок с центральным отверстием по всей длине трубки ( просвет крипты ). На изображении в этом разделе показаны четыре среза ткани, два сечения по длинным осям крипт и два сечения параллельно длинным осям.
Большинство крипт толстой кишки человека на изображениях имеют высокую экспрессию коричнево-оранжевого окрашенного MT-COI. Однако в некоторых криптах толстой кишки все клетки лишены MT-COI и выглядят в основном белыми, причем их основной цвет представляет собой сине-серое окрашивание ядер на внешних стенках крипт. Гривз и др. показали, что дефицит MT-COI в криптах толстой кишки обусловлен мутациями в гене MT-COI. Как видно на панели B, часть стволовых клеток трех крипт, по-видимому, имеет мутацию в MT-COI, так что от 40% до 50% клеток, возникающих из этих стволовых клеток, образуют белый сегмент в области поперечного сечения. .
У людей процент крипт толстой кишки, дефицитных по MT-COI, составляет менее 1% до 40 лет, но затем линейно увеличивается с возрастом. В среднем процент крипт толстой кишки, дефицитных по MT-COI, достигает 18% у женщин и 23% у мужчин к 80–84 годам. Опухоли толстой кишки часто возникают в области крипт, содержащих большой кластер (до 410) крипт с дефицитом MT-COI. При раке толстой кишки до 80% опухолевых клеток могут иметь дефицит MT-COI.
Как видно на панелях C и D, длина крипт составляет от 75 до 110 ячеек. Средняя окружность крипты - 23 ячейки. Согласно этим измерениям, крипты содержат от 1725 до 2530 ячеек. Другой отчет дал диапазон от 1500 до 4900 клеток на крипту толстой кишки.
Появление частых крипт с почти полной потерей MT-COI в их 1700-5000 клетках предполагает процесс естественного отбора. Однако также было показано, что дефицит в конкретной крипте из-за начальной мутации митохондриальной ДНК может иногда возникать в результате случайного процесса. Тем не менее, частое возникновение дефицита MT-COI во многих криптах в эпителии толстой кишки указывает на то, что отсутствие MT-COI, вероятно, обеспечивает избирательное преимущество.
MT-COI кодируется митохондриальной хромосомой . В большинстве митохондрий существует несколько копий хромосомы, обычно от 2 до 6 на митохондрию. Если мутация происходит в MT-COI в одной хромосоме митохондрии, может иметь место случайная сегрегация хромосом во время деления митохондрий с образованием новых митохондрий. Это может привести к появлению митохондрии с хромосомами с первичной или единственной мутацией MT-COI.
Митохондрия с хромосомами, в основном мутировавшими MT-COI, должна иметь положительное смещение отбора , чтобы часто становиться основным типом митохондрий в клетке (клетке с гомоплазмией с дефицитом MT-COI ). В каждой клетке содержится от 100 до 700 митохондрий, в зависимости от типа клетки. Кроме того, происходит довольно быстрый оборот митохондрий, так что митохондрии с MT-COI-мутированными хромосомами и смещением положительного отбора могут вскоре стать основным типом митохондрий в клетке. Средний период полураспада митохондрий у крыс, в зависимости от типа клеток, составляет от 9 до 24 дней, а у мышей - около 2 дней. У людей период полураспада митохондрий также может составлять от нескольких дней до недель.
Стволовая клетка в основании крипты толстой кишки, которая в значительной степени была дефицитной по MT-COI, может конкурировать с другими 4 или 5 стволовыми клетками за захват ниши стволовых клеток. Если это произойдет, то крипта толстой кишки будет дефицитна по MT-COI во всех 1700-5000 клетках, как показано для некоторых крипт на панелях A, B и D изображения.
Крипты толстой кишки могут воспроизводиться путем деления, как видно на панели C, где крипта делится, образуя две крипты, и на панели B, где, по крайней мере, одна крипта, кажется, расщепляется. Большинство крипт, дефицитных по MT-COI, находится в кластерах крипт (клоны крипт) с двумя или более криптами, дефицитными по MT-COI, смежными друг с другом (см. Панель D). Это показывает, что часто возникают клоны дефектных крипт, и, таким образом, вероятно, существует положительное селективное смещение, которое позволило им распространиться в эпителии толстой кишки человека.
Неясно, почему дефицит MT-COI должен иметь положительную селективную систематическую ошибку. Одно из предположений состоит в том, что дефицит MT-COI в митохондриях приводит к более низкому производству реактивного кислорода (и меньшему окислительному повреждению), и это обеспечивает избирательное преимущество в конкуренции с другими митохондриями в той же клетке за создание гомоплазмы при дефиците MT-COI. Другое предположение заключалось в том, что клетки с дефицитом цитохром с оксидазы устойчивы к апоптозу и, следовательно, с большей вероятностью выживут. Связь MT-COI с апоптозом возникает из-за того, что активная цитохром-с-оксидаза окисляет цитохром с, который затем активирует прокаспазу 9, что приводит к апоптозу. Эти два фактора могут способствовать частому возникновению MT-COI-дефицитных крипт толстой кишки с возрастом или во время канцерогенеза в толстой кишке человека.
Взаимодействия
В MITRAC (митохондриальной регуляции трансляции сборки промежуточного цитохрома с оксидазы) комплекса , кодируемый белок взаимодействует с COA3 и SMIM20 / MITRAC7 . Это взаимодействие с SMIM20 стабилизирует вновь синтезированный MT-CO1 и предотвращает его преждевременное обращение . Кроме того, он взаимодействует с TMEM177 зависимым от COX20 образом.
использованная литература
дальнейшее чтение
- Торрони А., Ахилли А., Маколей В., Ричардс М., Бандельт Х. Дж. (Июнь 2006 г.). «Сбор плодов дерева мтДНК человека». Тенденции в генетике . 22 (6): 339–45. DOI : 10.1016 / j.tig.2006.04.001 . PMID 16678300 .
- Bodenteich A, Mitchell LG, Polymeropoulos MH, Merril CR (май 1992 г.). «Динуклеотидный повтор в митохондриальной D-петле человека» . Молекулярная генетика человека . 1 (2): 140. DOI : 10,1093 / HMG / 1.2.140-а . PMID 1301157 .
- Brown MD, Yang CC, Trounce I, Torroni A, Lott MT, Wallace DC (август 1992 г.). «Вариант митохондриальной ДНК, идентифицированный у пациентов с наследственной оптической невропатией Лебера, который расширяет аминокислотную последовательность субъединицы I цитохром с оксидазы» . Американский журнал генетики человека . 51 (2): 378–85. PMC 1682694 . PMID 1322638 .
- Лу X, Уокер Т., Макманус Дж. П., Селиги В. Л. (июль 1992 г.). «Дифференциация клеток аденокарциномы толстой кишки человека HT-29 коррелирует с повышенной экспрессией митохондриальной РНК: эффекты трегалозы на рост и созревание клеток». Исследования рака . 52 (13): 3718–25. PMID 1377597 .
- Марзуки С., Ноер А.С., Лертрит П., Тьягараджан Д., Капса Р., Уттанапхол П., Бирн Э. (декабрь 1991 г.). «Нормальные варианты митохондриальной ДНК человека и продукты трансляции: создание справочной базы данных». Генетика человека . 88 (2): 139–45. DOI : 10.1007 / bf00206061 . PMID 1757091 . S2CID 28048453 .
- Мораес С.Т., Андреетта Ф., Бонилла Э., Шанске С., ДиМауро С., Шон Э.А. (март 1991 г.). «Репликационно-способная митохондриальная ДНК человека, лишенная промоторной области тяжелой цепи» . Молекулярная и клеточная биология . 11 (3): 1631–7. DOI : 10,1128 / MCB.11.3.1631 . PMC 369459 . PMID 1996112 .
- Attardi G, Chomyn A, Doolittle RF, Mariottini P, Ragan CI (1987). «Семь неопознанных рамок считывания митохондриальной ДНК человека кодируют субъединицы НАДН-дегидрогеназы дыхательной цепи». Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии . 51 (1): 103–14. DOI : 10.1101 / sqb.1986.051.01.013 . PMID 3472707 .
- Чомин А., Клитер М.В., Раган К.И., Райли М., Дулиттл Р.Ф., Аттарди Дж. (Октябрь 1986 г.). «URF6, последняя неопознанная рамка считывания мтДНК человека, кодирует субъединицу НАДН-дегидрогеназы». Наука . 234 (4776): 614–8. Bibcode : 1986Sci ... 234..614C . DOI : 10.1126 / science.3764430 . PMID 3764430 .
- Чомин А., Мариоттини П., Клитер М.В., Раган К.И., Мацуно-Яги А., Хатефи Ю., Дулиттл Р.Ф., Аттарди Дж. (1985). «Шесть неопознанных рамок считывания митохондриальной ДНК человека кодируют компоненты НАДН-дегидрогеназы дыхательной цепи». Природа . 314 (6012): 592–7. Bibcode : 1985Natur.314..592C . DOI : 10.1038 / 314592a0 . PMID 3921850 . S2CID 32964006 .
- Сэнгер Ф., Коулсон А.Р., Баррелл Б.Г., Смит А.Дж., Роу Б.А. (октябрь 1980 г.). «Клонирование одноцепочечного бактериофага как помощь в быстром секвенировании ДНК». Журнал молекулярной биологии . 143 (2): 161–78. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (80) 90196-5 . PMID 6260957 .
- Монтойя Дж., Охала Д., Аттарди Дж. (Апрель 1981 г.). «Отличительные особенности 5'-концевых последовательностей митохондриальных мРНК человека». Природа . 290 (5806): 465–70. Bibcode : 1981Natur.290..465M . DOI : 10.1038 / 290465a0 . PMID 7219535 . S2CID 4358928 .
- Хораи С., Хаясака К., Кондо Р., Цугане К., Такахата Н. (январь 1995 г.). «Недавнее африканское происхождение современных людей выявлено с помощью полных последовательностей гоминоидных митохондриальных ДНК» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 92 (2): 532–6. Bibcode : 1995PNAS ... 92..532H . DOI : 10.1073 / pnas.92.2.532 . PMC 42775 . PMID 7530363 .
- Эндрюс Р.М., Кубака И., Чиннери П.Ф., Лайтаулерс Р.Н., Тернбулл Д.М., Хауэлл Н. (октябрь 1999 г.). «Повторный анализ и пересмотр кембриджской эталонной последовательности митохондриальной ДНК человека» . Генетика природы . 23 (2): 147. DOI : 10.1038 / 13779 . PMID 10508508 . S2CID 32212178 .
- Ingman M, Kaessmann H, Pääbo S, Gyllensten U (декабрь 2000 г.). «Вариации митохондриального генома и происхождение современного человека». Природа . 408 (6813): 708–13. Bibcode : 2000Natur.408..708I . DOI : 10.1038 / 35047064 . PMID 11130070 . S2CID 52850476 .
- Finnilä S, Lehtonen MS, Majamaa K (июнь 2001 г.). «Филогенетическая сеть европейской мтДНК» . Американский журнал генетики человека . 68 (6): 1475–84. DOI : 10,1086 / 320591 . PMC 1226134 . PMID 11349229 .
- Мака-Мейер Н., Гонсалес А. М., Ларруга Дж. М., Флорес С., Кабрера В. М. (2003). «Основные геномные митохондриальные линии определяют ранние человеческие экспансии» . BMC Genetics . 2 : 13. DOI : 10.1186 / 1471-2156-2-13 . PMC 55343 . PMID 11553319 .
Эта статья включает текст из Национальной медицинской библиотеки США , который находится в общественном достоянии .