Especificitat de l'alcohol deshidrogenasa amb retinoides

Abstract

L'àcid retinoic, en les seves formes tot-trans- i 9-cis-, actua com a lligand de receptors nuclears específics, i és essencial en processos de creixement, desenvolupament i manteniment epitelial. La via de formació de l'àcid retinoic inclou dos pasos d'oxidació, de retinol a retinal i de retinal a àcid retinoic. S'han descrit diversos enzims que poden participar en el primer pas, com les ADH i les RDH, però es desconeix la contribució de cada enzim en el procés.<br/>S'han clonat, expressat i purificat ADH1B1, ADH2B2 i ADH4 humanes, i també ADH1 i ADH4 de ratolí que, per primera vegada, s'han caracteritzat en la seva forma recombinant. S'han determinat les constants cinètiques de totes aquestes ADHs amb tot-trans- i 7-cis-, 9-cis-, 11-cis- i 13-cis-retinol i els corresponents retinals. En general, les ADH4 humana i de ratolí mostren constants cinètiques similars, i són més eficients que les ADH1. <br/>Totes les ADHs utilitzen com a substrats tant 11-cis-retinol com 11-cis-retinal, compostos rellevants en el cicle visual. S'ha observat que l'ADH4 mostra especificitat per a l'oxidació d'11-cis-retinol sobre la reducció d'11-cis-retinal, una propietat única entre totes les ADHs per a qualsevol parella de substrats alcohol/aldehid. Mitjançant mètodes de simulació molecular, i clonatge, expressió i caracterització del mutant de l'ADH4 humana M141L, hem demostrat que el residu 141, situat a la regió mitjana del túnel hidrofòbic del seti actiu de l'ADH, és essencial per definir aquesta especificitat de l'ADH4 sobre les ADH1. La immunolocalització de l'ADH4 a l'epiteli pigmentat i en moltes capes de la retina, dóna suport a la participació de l'ADH4 en diferents reaccions amb retinoides. L'activitat citosòlica de l'ADH4 en l'epiteli pigmentat pot ser complementària a l'activitat 11-cis-retinol deshidrogenasa de la RDH5, necessària per completar el cicle visual, i pot estar també implicada en la generació d'àcid retinoic a les capes neuronals de la retina.<br/>Una altra família de retinoides està constituïda per derivats oxidats en l'anell ciclohexè, com per exemple els 4-oxo-, 4-hidroxi- i 3,4-dideshidroretinol i els corresponents retinals. Tot i que són compostos poc estudiats, es coneix que alguns derivats, com els àcids 4-oxo- i el 3,4-dideshidroretinoic poden interaccionar amb receptors nuclears. Les cinètiques dels enzims ADH1B1, ADH2B2 i ADH4 humanes, i també ADH1 i ADH4 de ratolí, indiquen que el 4-oxo-retinal i el 4-hidroxi-retinol són els substrats amb una eficiència catalítica més alta d'entre tots els retinoides, especialment pel que fa a les ADH4, mentre que els 3,4-dideshidroretinoides presenten una activitat similar a la dels tot-trans-retinoides. Les dades obtingudes in vitro recolzen l'existència d'una via metabòlica per a la formació dels àcids retinoics oxidats en l'anell a partir dels corresponents retinols, amb la participació de l'ADH. <br/>Finalment, hem comprovat que la presència de Tween 80 provoca una disminució de l'activitat que resulta en una aparent inhibició competitiva en les cinètiques de l'ADH per al tot-trans-retinol, amb un augment de la Km i disminució de l'eficiència catalítica en augmentar la concentració del detergent. Això implica que els valors reals de Km són molt inferiors als publicats fins ara, tradicionalment obtinguts en presència de 0,02 % de Tween 80. Així, les ADHs presenten valors de Km pròxims als de les RDHs i, per tant, la contribució al metabolisme dels retinoides podria ser similar per a ambdós sistemes enzimàtics. Hem comprovat, espectrofotomètricament i per HPLC, que el Tween 80 manté l'estabilitat de la solució aquosa de retinoides, i que permet obtenir resultats reproduïbles i comparables entre diferents ADHs.

Studies in knockout mice support the involvement of alcohol dehydrogenases ADH1 and ADH4 in retinoid metabolism, although kinetics with retinoids are not known for the mouse enzymes. Moreover, a role of ADH in the eye retinoid interconversions cannot be ascertained due to the lack of information on the kinetics with 11-cis-retinoids. We report here the kinetics of human ADH1B1, ADH1B2, ADH4, and mouse ADH1 and ADH4 with all-trans-, 7-cis-, 9-cis-, 11-cis-, and 13-cis-isomers of retinol and retinal. These retinoids are substrates for all enzymes tested, except the 13-cis isomers which are not used by ADH1. In general human and mouse ADH4 exhibit similar activity, higher than that of ADH1, while mouse ADH1 is more efficient than the homologous human enzymes. All tested ADHs use 11-cis-retinoids efficiently. ADH4 shows much higher kcat/Km values for 11-cis-retinol oxidation than for 11-cis-retinal reduction, a unique property among mammalian ADHs for any alcohol/aldehyde substrate pair. Docking simulations and the kinetic properties of the human ADH4 M141L mutant demonstrated that residue 141, in the middle region of the active site, is essential for such ADH4 specificity. The distinct kinetics of ADH4 with 11-cis-retinol, its wide specificity with retinol isomers and its immunolocalization in several retinal cell layers, including pigment epithelium, support a role of this enzyme in the various retinol oxidations that occur in retina. Cytosolic ADH4 activity may complement the isomer-specific microsomal enzymes involved in photopigment regeneration and retinoic acid synthesis.<br/>On the other hand, alcohol dehydrogenases (ADH1 and ADH4) actively use retinoids oxidized at the cyclohexenyl ring (4-oxo-, 4-hydroxy- and 3,4-didehydro-retinoids), which are functional compounds in several cells and tissues (i.e. in human skin). Remarkably, activities with 4-oxo-retinal and 4-hydroxy-retinol (kcat = 2050 min-1 for ADH4) are the highest among retinoids, similar to those of the best aliphatic alcohols. Thus, ADH1 and ADH4 provide a metabolic pathway for the synthesis of the corresponding retinoic acids.<br/>Finally, Tween 80, a widely used detergent in the retinoid activity assay, behaves as a competitive inhibitor. The Km values for all-trans-retinol (2-3 &#61549;M), estimated in the absence of detergent, are 10-fold lower than those obtained at the usual 0.02% Tween 80. This suggests a contribution of ADH in retinoid metabolism more relevant than previously expected. However, Tween 80 stabilizes retinoids in water solution and provides a reliable and reproducible assay, suitable for comparing different ADHs and different retinoid substrates.