Aralquilamina N-acetiltransferasa

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La N-acetiltransferasa de aralquilamina (AANAT) (EC 2.3.1.87), también conocida como N-acetiltransferasa de aralquilamina o N-acetiltransferasa de serotonina (SNAT), es una enzima que participa en la producción rítmica día/noche de melatonina, mediante la modificación de la serotonina. En los seres humanos, está codificada por el gen AANAT de ~2,5 kb que contiene cuatro exones, ubicado en el cromosoma 17q25. El gen se traduce en una enzima grande de 23 kDa. Está bien conservada a través de la evolución y la forma humana de la proteína es 80 por ciento idéntica a la AANAT de oveja y rata. Es una enzima dependiente de acetil-CoA de la familia de N-acetiltransferasas (GNAT) relacionada con GCN5. Puede contribuir a enfermedades genéticas multifactoriales, como la alteración del comportamiento en el ciclo sueño/vigilia, y se están realizando investigaciones con el objetivo de desarrollar fármacos que regulen la función de la AANAT.

Nomenclature

El nombre sistemático de esta clase de enzimas es acetil-CoA:2-ariletilamina N-acetiltransferasa. Otros nombres de uso común son:

  • AANAT
  • Arylalkylamine N-acetyltransferase
  • Enzima de ritmo de melatonina
  • Serotonin acetylase
  • Serotonin acetyltransferase
  • Serotonin N-acetyltransferase

El nombre oficialmente aceptado es aralquilamina N-acetiltransferasa.

Función y mecanismo

Distribución del tejido

La transcripción del ARNm de AANAT se expresa principalmente en el sistema nervioso central (SNC). Es detectable en niveles bajos en varias regiones del cerebro, incluida la glándula pituitaria y la retina. Es más abundante en la glándula pineal, que es el sitio de la síntesis de melatonina. La AANAT del cerebro y la pituitaria puede estar involucrada en la modulación de aspectos dependientes de la serotonina del comportamiento humano y la función pituitaria.

Función fisiológica

En las células pinealocitos de la glándula pineal, la aralquilamina N-acetiltransferasa participa en la conversión de serotonina en melatonina. Es la penúltima enzima en la síntesis de melatonina, que controla el ritmo día/noche en la producción de melatonina en la glándula pineal de los vertebrados. La melatonina es esencial para la reproducción estacional, modula la función del reloj circadiano en el núcleo supraquiasmático e influye en la actividad y el sueño. Debido a su importante papel en el ritmo circadiano, la AANAT está sujeta a una amplia regulación que responde a la exposición a la luz (ver Regulación). Puede contribuir a enfermedades genéticas multifactoriales, como la alteración del comportamiento en el ciclo sueño/vigilia y los trastornos del estado de ánimo.

Las reacciones químicas catalizadas por AANAT

La reacción química primaria catalizada por la aralquilamina N-acetiltransferasa utiliza dos sustratos, acetil-CoA y serotonina. La AANAT cataliza la transferencia del grupo acetilo de la acetil-CoA a la amina primaria de la serotonina, produciendo así CoA y N-acetilserotonina. En los seres humanos, otros sustratos endógenos de la enzima incluyen neuromoduladores de aminas traza específicas, a saber, fenetilamina, tiramina y triptamina, que a su vez forman N-acetilfenetilamina, N-acetiltiramina y N-acetiltriptamina.

En la biosíntesis de la melatonina, la N-acetilserotonina es metilada por otra enzima, la N-acetilserotonina O-metiltransferasa (ASMT), para generar melatonina. Se ha sugerido que la reacción de la N-acetiltransferasa es el paso determinante de la velocidad y, por lo tanto, la N-acetiltransferasa de serotonina ha surgido como un objetivo para el diseño de inhibidores (ver a continuación).

La AANAT obedece a un mecanismo de complejo ternario ordenado. Los sustratos se unen secuencialmente (ordenadamente) con la unión de acetil-CoA a la enzima libre seguida por la unión de serotonina para formar el complejo ternario. Una vez que se ha producido la transferencia del grupo acetilo, los productos se liberan ordenadamente con N-acetil-serotonina primero y CoA por último.

Estructura

La arilalquilamina N-acetiltransferasa es un polipéptido monomérico con una longitud de 207 residuos de aminoácidos y un peso molecular de 23.344 daltons. La estructura secundaria consta de hélices alfa y láminas beta. Es un 28 por ciento helicoidal (10 hélices; 60 residuos) y un 23 por ciento lámina beta (9 cadenas; 48 residuos). Esta familia comparte cuatro motivos de secuencia conservados designados A-D. El motivo B sirve como ubicación de la ranura de unión de la serotonina. La estructura se determinó mediante difracción de rayos X.

Se han resuelto varias estructuras para esta clase de enzimas, con códigos de acceso PDB 1CJW, 1B6B, 1L0C y 1KUV/1KUX/1KUY.

La aralquilamina N-acetiltransferasa también se ha cristalizado en complejo con 14-3-3ζ de la familia de proteínas 14-3-3, con el código de acceso PDB 1IB1.

La superfamilia del GNAT

La aralquilamina N-acetiltransferasa pertenece a la superfamilia de las N-acetiltransferasas relacionadas con GCN5 (GNAT), que consta de 10.000 acetiltransferasas, llamadas así debido a su homología de secuencia con una clase de factores de transcripción eucariotas, entre ellos la levadura GCN5. Otros miembros bien estudiados de la superfamilia son la glucosamina-6-fosfato N-acetiltransferasa y las histonas acetiltransferasas.

Todos los miembros de esta superfamilia tienen un pliegue estructuralmente conservado que consiste en una hebra N-terminal seguida de dos hélices, tres hebras β antiparalelas, seguidas de una hélice central "distintiva", una quinta hebra β, una cuarta hélice α y una hebra β final. Estos elementos están conservados casi universalmente a pesar de la escasa identidad de pares en los alineamientos de secuencias.

Reglamento

La regulación de la AANAT varía entre especies. En algunas, los niveles de AANAT oscilan drásticamente entre los períodos de luz y oscuridad, y por lo tanto controlan la síntesis de melatonina. En otras, el ritmo se regula principalmente a nivel de proteínas. Un ejemplo es el de los roedores, donde los niveles de ARNm de AANAT aumentan más de 100 veces en los períodos de oscuridad. En otras especies, el AMP cíclico desempeña un papel importante en la inhibición de la degradación proteolítica de AANAT, elevando los niveles de proteína durante la noche. Los experimentos con AANAT humana expresada en una línea celular 1E7 muestran un aumento de aproximadamente 8 veces en la actividad enzimática tras la exposición a la forskolina.

La degradación dinámica del ARNm de AANAT ha demostrado ser esencial para la acción circadiana de la enzima. Las secuencias 3'UTR tienen importancia con respecto a la degradación rítmica del ARNm de AANAT en algunas especies. En roedores, varias hnRNP mantienen la degradación dinámica del ARNm de AANAT. En otras especies, como ungulados y primates, se sospecha que los ARNm estables de AANAT con un 3'UTR más corto no están bajo el control de las hnRNP que se unen y dirigen la degradación del ARNm de AANAT en roedores.

La exposición a la luz induce señales que viajan desde las células de la retina, lo que finalmente causa una caída en la estimulación de la glándula pineal por noradrenalina. Esto, a su vez, conduce a una cascada de señalización, que resulta en la fosforilación por parte de la proteína quinasa A de dos residuos clave Ser y Thr de la serotonina N-acetiltransferasa. La fosforilación de estos residuos causa cambios en la actividad catalítica a través del reclutamiento e interacción con las proteínas 14-3-3, específicamente 14-3-3ζ.

Otra proteína que interactúa y regula la actividad de AANAT es la proteína quinasa C. La proteína quinasa C actúa, al igual que la proteína quinasa A, sobre los residuos de treonina y serina, mejorando la estabilidad y la actividad enzimática de AANAT.

Se ha sugerido que la inhibición de la unión del acetil-CoA al sitio catalítico a través de la formación y escisión de enlaces disulfuro intramoleculares es un mecanismo de regulación. La formación de un enlace disulfuro entre dos residuos de cisteína dentro de la proteína cierra el embudo hidrofóbico del sitio catalítico y, por lo tanto, actúa como un interruptor de encendido/apagado para la actividad catalítica. Todavía no se sabe con certeza si este mecanismo está presente en las células in vivo a través de la regulación de las condiciones redox intracelulares, pero se sugiere que el glutatión (GSH) podría ser un regulador in vivo de la formación y escisión de estos enlaces disulfuro.

Inhibidores de AANAT y relevancia clínica

Los inhibidores de la AANAT pueden conducir eventualmente al desarrollo de un fármaco que sería útil en la investigación de la biología circadiana y en el tratamiento de los trastornos del sueño y del estado de ánimo. Se han descubierto inhibidores sintéticos de la enzima. Sin embargo, no se ha informado de ningún inhibidor de la AANAT con una potente actividad in vivo. Hasta ahora, se han descrito cinco clases de inhibidores de la AANAT en la literatura. A continuación se enumeran las cinco clases:

Derivados de melatonina

Desde que se informó que la melatonina es un inhibidor competitivo de la AANAT, este neurotransmisor parece ejercer un control autorregulatorio sobre su propia biosíntesis. Por lo tanto, se evaluaron análogos estructurales sueltos de la hormona indolamina en la AANAT y se descubrieron inhibidores moderados.

Inhibidores peptídicos

Se examinaron bibliotecas combinatorias de péptidos de tri-, tetra- y pentapéptidos con diversas composiciones de aminoácidos como posibles fuentes de inhibidores, para ver si sirven como inhibidores competitivos puros o mixtos para la enzima hAANAT. Los estudios de modelado molecular y de relación estructura-actividad permitieron identificar el residuo de aminoácido del inhibidor pentapéptido S 34461 que interactúa con el sitio de unión del cosustrato.

Analógicos de substrato

Se sugiere que la AANAT cataliza la transferencia de un grupo acetilo desde el acetil-CoA a la serotonina, con la participación de un complejo ternario intermedio, para producir N-acetilserotonina. Con base en este mecanismo, se podría esperar que un inhibidor análogo de bisustrato, derivado de la unión de partes de indol y CoASH, podría imitar potencialmente el complejo ternario y ejercer una fuerte inhibición de la AANAT. El primer análogo de bisustrato (1), que une la triptamina y la CoA a través de un puente acetilo, fue sintetizado por Khalil y Cole, y demostró ser un inhibidor de la AANAT muy potente y específico.

N-Haloacetilados derivados

Se ha demostrado que la AANAT también tiene una actividad alquiltransferasa secundaria, así como una actividad acetiltransferasa. Se desarrollaron N-haloacetiltriptaminas que sirven como sustratos de la alquiltransferasa AANAT y también son potentes inhibidores in vitro (de bajo peso molecular) contra la actividad acetiltransferasa de la AANAT. La AANAT cataliza la reacción entre la N-bromoacetiltriptamina (BAT) y la CoA reducida, lo que da como resultado un inhibidor análogo de bisustrato de unión fuerte. El primer inhibidor permeable a las células sintetizado de la N-bromoacetiltriptamina de la AANAT se estudió más a fondo en la secreción de melatonina de las glándulas pineales de ratas y cerdos. Nuevos derivados de N-halogenoacetilo que conducen a una fuerte inhibición in situ de la AANAT. El concepto detrás del mecanismo de acción de estos precursores se estudió siguiendo la biosíntesis del inhibidor a partir de BAT tritiado en una célula viva.

Compuestos basados en Rhodanine

Se han identificado los primeros inhibidores selectivos y similares a fármacos de la AANAT. Lawrence M. Szewczuk et al. han examinado virtualmente más de un millón de compuestos mediante acoplamiento tridimensional de alto rendimiento en el sitio activo de la estructura de rayos X de la AANAT y, a continuación, han probado 241 compuestos como inhibidores. Una clase de compuestos que contiene un armazón de rodanina ha demostrado una inhibición competitiva micromolar baja contra la acetil-CoA y ha demostrado ser eficaz para bloquear la producción de melatonina en las células pineales.

El estudio reciente sobre el inhibidor de AANAT ha descrito el descubrimiento de una nueva clase de inhibidores no peptídicos de AANAT basados en un armazón de 2,2'-bitienilo.

Véase también

  • Acetyltransferase

Referencias

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Más lectura

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  • Serotonin+N-Acetyltransferase en la Biblioteca Nacional de Medicina de los EE.UU.
  • Ubicación del gen humano AANAT en el explorador de genomas UCSC.
  • Detalles del gen humano AANAT en el navegador de genoma UCSC.

Este artículo incorpora texto de la Biblioteca Nacional de Medicina de los Estados Unidos, que es de dominio público.

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