Скваленэпоксидаза

Скваленэпоксидаза (также известная как скваленмонооксигеназа, SQLE) — это фермент класса оксидоредуктаз, катализирующий второй этап биосинтеза стеролов, а именно эпоксидирование сквалена с образованием 2,3-оксидосквалена. Данная реакция является ключевой точкой регуляции в мевалонатном пути, ведущем к образованию холестерина, а также других стероидных соединений — витамина D, стероидных гормонов и желчных кислот. Скваленэпоксидаза относится к флавинзависимым монооксигеназам и требует для своей работы молекулярный кислород и кофактор FAD (флавинадениндинуклеотид).

История открытия

Ферментативная активность, ответственная за превращение сквалена в 2,3-оксидосквален, была впервые описана в 1960-х годах в ходе изучения биосинтеза холестерина в печени крыс. В 1971 году американский биохимик Конрад Блох (нобелевский лауреат 1964 года за работы по метаболизму холестерина) и его коллеги идентифицировали и частично очистили фермент из микросом печени. Ген, кодирующий скваленэпоксидазу человека (SQLE), был клонирован в 1993 году. Полное определение трёхмерной структуры фермента было выполнено методами рентгеноструктурного анализа в 2010-х годах, что позволило понять механизм его каталитического действия и разработать ингибиторы.

Структура и механизм действия

Молекулярная структура

Скваленэпоксидаза человека представляет собой мономерный белок с молекулярной массой около 64 кДа. Фермент состоит из 574 аминокислотных остатков. В его структуре выделяют два основных домена:

• N-концевой трансмембранный домен, который якорует фермент в мембране эндоплазматического ретикулума (ЭПР). Этот домен содержит несколько гидрофобных участков, обеспечивающих связывание с липидным бислоем.
• C-концевой каталитический домен, расположенный в цитоплазматической части ЭПР. В этом домене находится активный центр, содержащий кофактор FAD, который нековалентно связан с белком.

Каталитический цикл

Реакция, катализируемая скваленэпоксидазой, протекает в два этапа:

1. Восстановление FAD: FAD восстанавливается до FADH₂ за счёт окисления NADPH (никотинамидадениндинуклеотидфосфат). NADPH отдаёт два электрона и протон.
2. Эпоксидирование сквалена: FADH₂ реагирует с молекулярным кислородом (O₂), образуя пероксидный интермедиат. Этот интермедиат атакует двойную связь между вторым и третьим атомами углерода в молекуле сквалена, вставляя один атом кислорода с образованием эпоксидного кольца. Второй атом кислорода восстанавливается до воды.

Таким образом, суммарное уравнение реакции: Сквален + O₂ + NADPH + H⁺ → 2,3-оксидосквален + H₂O + NADP⁺.

Регуляция активности

Активность скваленэпоксидазы является одним из ключевых регуляторных узлов в синтезе холестерина. Основные механизмы регуляции включают:

• Транскрипционный контроль: Экспрессия гена SQLE регулируется факторами транскрипции SREBP (sterol regulatory element-binding proteins). При низком уровне холестерина в клетке SREBP активируются и усиливают транскрипцию SQLE, а также других генов мевалонатного пути.
• Посттрансляционная регуляция: Фермент может подвергаться убиквитинированию и последующей деградации в протеасоме. Этот процесс ускоряется при избытке стеролов, включая холестерин и его производные, что предотвращает чрезмерное накопление холестерина в клетке.
• Ингибирование продуктом: 2,3-оксидосквален, продукт реакции, может оказывать обратное ингибирующее действие на фермент при высоких концентрациях.

Биологическая роль

Скваленэпоксидаза играет центральную роль в стероидогенезе — процессе образования всех стероидных соединений в организме. Она локализована в мембране эндоплазматического ретикулума, где и происходит синтез холестерина. После образования 2,3-оксидосквалена он далее циклизуется ферментом оксидоскваленциклазой (ланостеролсинтазой) в ланостерол, который затем через серию реакций превращается в холестерин.

Холестерин является критическим компонентом клеточных мембран, обеспечивающим их текучесть и стабильность, а также предшественником для синтеза:

• стероидных гормонов (кортизол, альдостерон, половые гормоны);
• витамина D (при воздействии ультрафиолета);
• желчных кислот (необходимы для переваривания жиров).

У растений и грибов скваленэпоксидаза участвует в синтезе фитостеролов и эргостерола соответственно, которые выполняют аналогичные функции.

Клиническое значение и ингибиторы

Роль в гиперхолестеринемии

Поскольку скваленэпоксидаза катализирует одну из ранних стадий биосинтеза холестерина, её ингибирование рассматривается как потенциальная терапевтическая стратегия для снижения уровня холестерина в крови. Однако, в отличие от статинов, которые ингибируют фермент HMG-CoA-редуктазу (более ранний этап мевалонатного пути), ингибиторы скваленэпоксидазы не блокируют синтез других важных изопреноидов (например, убихинона и долихола), что может снижать риск побочных эффектов.

Терапевтические ингибиторы

Наиболее известным ингибитором скваленэпоксидазы является тербинафин — противогрибковый препарат, используемый для лечения дерматомикозов. Тербинафин избирательно подавляет скваленэпоксидазу грибов, что приводит к накоплению токсичного сквалена и дефициту эргостерола, нарушая целостность клеточной мембраны гриба. В терапевтических концентрациях тербинафин практически не влияет на человеческий фермент, что объясняет его высокую селективность.

Другие ингибиторы, такие как нафтифин и бутенафин, также применяются в дерматологии как противогрибковые средства. В экспериментальной медицине изучаются ингибиторы человеческой скваленэпоксидазы для лечения гиперлипидемии, однако ни один из них пока не одобрен для клинического применения из-за недостаточной эффективности или токсичности.

Связь с онкологическими заболеваниями

В последние годы скваленэпоксидаза привлекла внимание исследователей как потенциальная мишень в онкологии. Было показано, что в некоторых типах раковых клеток (например, рак молочной железы, печени, простаты) наблюдается гиперэкспрессия гена SQLE. Это может быть связано с повышенной потребностью опухолевых клеток в холестерине для построения мембран и синтеза сигнальных молекул. Ингибирование скваленэпоксидазы в таких клетках способно замедлять их пролиферацию и индуцировать апоптоз. Однако клинические исследования в этой области находятся на ранних стадиях.

Скваленэпоксидаза у растений и микроорганизмов

У растений скваленэпоксидаза участвует в биосинтезе фитостеролов (например, ситостерола, стигмастерола) и тритерпеноидов (например, сапонинов, фитоалексинов). У некоторых растений, таких как Arabidopsis thaliana, ген SQLE дуплицирован, что позволяет синтезировать различные изоформы фермента с разной субстратной специфичностью. У грибов и дрожжей (например, Saccharomyces cerevisiae) скваленэпоксидаза (ген ERG1) является мишенью для противогрибковых препаратов. У бактерий гомологи скваленэпоксидазы встречаются редко, однако у некоторых видов, синтезирующих гопаноиды (аналоги стеролов), обнаружены ферменты, выполняющие сходную функцию.

Интересные факты

• Скваленэпоксидаза является одной из немногих монооксигеназ, использующих FAD в качестве кофактора, в отличие от большинства оксидаз смешанной функции, которые зависят от гема или цитохрома P450.
• Название фермента происходит от названия его субстрата — сквалена, который впервые был выделен из печени акулы (лат. Squalus — акула).
• У человека скваленэпоксидаза экспрессируется практически во всех тканях, но наиболее высокая активность наблюдается в печени, где синтезируется большая часть эндогенного холестерина.
• Накопление сквалена в клетках при ингибировании скваленэпоксидазы может вызывать окислительный стресс и повреждение мембран, что используется в противогрибковой терапии.

Источники

1. Chugh, R. M., & Bhatt, S. (2020). Squalene epoxidase: a key enzyme in cholesterol biosynthesis and its role in human diseases. Journal of Lipid Research, 61(12), 1621–1636.
2. Brown, M. S., & Goldstein, J. L. (1997). The SREBP pathway: regulation of cholesterol metabolism by proteolysis of a membrane-bound transcription factor. Cell, 89(3), 331–340.
3. Ryder, N. S. (1992). Terbinafine: mode of action and properties of the squalene epoxidase inhibition. British Journal of Dermatology, 126(Suppl 39), 2–7.
4. Gill, S., & Chow, E. (2021). Squalene epoxidase as a therapeutic target in cancer. Cancer Research, 81(10), 2531–2540.
5. Ruckenstuhl, C., & Turnowsky, F. (2004). The ERG1 gene of Saccharomyces cerevisiae: structure, function, and regulation. Current Genetics, 45(5), 277–285.