Ксантиноксидоредуктаза: структура, распространение и физиологическая роль

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В статье представлен обзор современной научной литературы о строении, распространении, биологической и физиологической роли ксантиноксидоредуктазы (КОР). Энзим обнаружен во всех живых организмах: от бактерий до человека. Однако только у млекопитающих он представлен в двух формах, другие виды содержат исключительно КДГ-форму. Фермент представляет собой гомодимер с независимым переносом электронов в каждом мономере. Установлено, что КОР катализирует окисление гипоксантина до ксантина и ксантина до мочевой кислоты на заключительном этапе пуринового метаболизма и является широко распространенным ферментом. В обзоре освещаются формы КОР и их роль в генерации активных форм кислорода (АФК), активных форм азота (АФА) и синтезе мочевой кислоты, которые участвуют во многих физиологических процессах. Показано, что мочевая кислота проявляет антиоксидантную активность, а АФК и АФА играют определенную роль во врожденном иммунитете, передаче сигналов, метаболизме ксенобиотиков, регуляции окислительно-восстановительного потенциала клеток, а также участвуют в маммогенезе и лактогенезе. Таким образом, в последние годы достигнут значительный прогресс в понимании биохимической и физиологической природы этой ферментной системы.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. А. Бедина

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение “Научно-исследовательский институт клинической и экспериментальной ревматологии имени А.Б. Зборовского”; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Волгоградский государственный медицинский университет” Министерства здравоохранения Российской Федерации

Автор, ответственный за переписку.
Email: clinicalbiochemistry@yandex.ru
Россия, 400138, Волгоград; 400131, Волгоград

Е. Э. Мозговая

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение “Научно-исследовательский институт клинической и экспериментальной ревматологии имени А.Б. Зборовского”

Email: nauka@pebma.org
Россия, 400138, Волгоград

С. С. Спицина

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение “Научно-исследовательский институт клинической и экспериментальной ревматологии имени А.Б. Зборовского”; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Волгоградский государственный медицинский университет” Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: svetlanahime@yandex.ru
Россия, 400138, Волгоград; 400131, Волгоград

М. А. Мамус

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение “Научно-исследовательский институт клинической и экспериментальной ревматологии имени А.Б. Зборовского”

Email: m.mamus@yandex.ru
Россия, 400138, Волгоград

А. С. Трофименко

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение “Научно-исследовательский институт клинической и экспериментальной ревматологии имени А.Б. Зборовского”

Email: a.s.trofimenko@mail.ru
Россия, 400138, Волгоград

Список литературы

  1. Бедина С.А., Мозговая Е.Э., Трофименко А.С. и др. Ксантиноксидоредуктаза // Актуальные проблемы современной ревматологии: сб. науч. работ. Волгоград, 2018. Выпуск XXXV / Под ред. И.А. Зборовской. М.: Планета, 2018. С. 62–68. https://doi.org/10.18411/978-5-907109-24-7-2018-xxxv-62-68
  2. Agarwal A., Banerjee A., Banerjee U.C. Xanthine oxidoreductase: a journey from purine metabolism to cardiovascular excitation-contraction coupling // Crit Rev Biotechnol. 2011. V. 31. №. 3. P. 264–280. https://doi.org/10.3109/07388551.2010.527823
  3. Al-Shehri S.S., Duley J.A., Bansal N. Xanthine oxidase-lactoperoxidase system and innate immunity: biochemical actions and physiological roles // Redox Biol. 2020. V. 34. № 101524. https://doi.org/10.1016/j.redox.2020.101524
  4. Angermüller S., Bruder G., Völkl A. et. al. Localization of xanthine oxidase in crystalline cores of peroxisomes. A cytochemical and biochemical study // Eur. J. Cell Biol. 1987. V. 45. P. 137–144
  5. Bakhtiari S., Toosi P., Samadi S., Bakhshi M. Assessment of Uric Acid Level in the Saliva of Patients with Oral Lichen Planus // Med. Princ. Pract. 2017. V. 26. P. 57–60. https://doi.org/10.1159/000452133
  6. Batchu U., Mandava K. Biochemical role of xanthine oxidoreductase and its natural inhibitors: an overview // Int. J. Pharm. Pharm. Sci. 2016. V. 8. № 10. P. 57–65. https://doi.org/10.22159/ijpps.v8i10.13927
  7. Battelli M.G., Bolognesi A., Polito L. Pathophysiology of circulating xanthine oxidoreductase: new emerging roles for a multi-tasking enzyme // Biochim. Biophys. Acta. 2014. V. 1842. № 9. P. 1502–1517. https://doi.org/10.1016/j.bbadis.2014.05.022
  8. Battelli M.G., Bortolotti M., Bolognesi A., Polito L. Pro-aging effects of xanthine oxidoreductase products // Antioxidants. 2020. V. 9. № 839. https://doi.org/10.3390/antiox9090839
  9. Battelli M.G., Bortolotti M., Polito L., Bolognesi A. Metabolic syndrome and cancer risk: The role of xanthine oxidoreductase // Redox Biol. 2019. V. 21. № 101070. https://doi.org/10.1016/j.redox.2018.101070
  10. Battelli M.G., Bortolotti M., Polito L., Bolognesi A. The role of xanthine oxidoreductase and uric acid in metabolic syndrome // Biochim. Biophys. Acta (BBA) – Mol. Basis Dis. 2018. V. 1864. № 8. P. 2557–2565. https://doi.org/10.1016/j.bbadis.2018.05.003
  11. Battelli M.G., Polito L., Bolognesi A. Xanthine oxidoreductase in atherosclerosis pathogenesis: not only oxidative stress // Atherosclerosis. 2014. V. 237. P. 562–567. https://doi.org/10.1016/j.atherosclerosis.2014.10.006
  12. Battelli M.G., Polito L., Bortolotti M., Bolognesi A. Xanthine Oxidoreductase-Derived Reactive Species: Physiological and Pathological Effects // Oxid. Med. Cell. Longev. 2016. № 3527579. https://doi.org/10.1155/2016/3527579
  13. Battelli M.G., Polito L., Bortolotti M., Bolognesi A. Xanthine oxidoreductase in cancer: more than a differentiation marker // Cancer. Med. 2016. V. 5. № 3. P. 546–557. https://doi.org/10.1002/cam4.601
  14. Berry C.E., Hare J. M. Xanthine oxidoreductase and cardiovascular disease: molecular mechanisms and pathophysiological implications // J. Physiol. 2004. V. 555. Pt. 3. P. 589–606. https://doi.org/10.1113/jphysiol.2003.055913
  15. Bortolotti M., Polito L., Battelli M.G., Bolognesi A. Xanthine oxidoreductase: One enzyme for multiple physiological tasks // Redox Biology. 2021. V. 41. № 101882. https://doi.org/10.1016/j.redox.2021.101882
  16. Bukharinova M.A., Stozhko N.Y., Novakovskaya E. et al. Developing Activated Carbon Veil Electrode for Sensing Salivary Uric Acid // Biosensors. 2021. V. 11. № 287. https://doi.org/10.3390/bios11080287
  17. Cantu-Medellin N., Kelley E.E. Xanthine oxidoreductase-catalyzed reduction of nitrite to nitric oxide: insights regarding where, when and how // Nitric Oxide. 2013. V. 34. P. 19–26. https://doi.org/10.1016/j.niox.2013.02.081
  18. Cheung K.J., Tzameli I., Pissios P. et al. Xanthine oxidoreductase is a regulator of adipogenesis and PPARγ activity // Cell Metab. 2007. V. 5. № 2. P. 115–28. https://doi.org/10.1016/j.cmet.2007.01.005
  19. Chaudhary K., Malhotra K., Sowers J., Aroor A. Uric Acid-key ingredient in the recipe for cardiorenal metabolic syndrome // Cardiorenal. Med. 2013. V. 3. P. 208–220. https://doi.org/10.1159/000355405
  20. Chung H.Y., Song S.H., Kim H.J. et al.. Modulation of renal xanthine oxidoreductase in aging: gene expression and reactive oxygen species generation // J. Nutr. Health Aging. 1999. V. 3. № 1. P. 19–23.
  21. Cicero AFG, Fogacci F. Di Micoli V. et al. Purine metabolism dysfunctions: experimental methods of detection and diagnostic potential. // Int. J. Mol. Sci. 2023. V. 24. № 8. 7027. https://doi.org/10.3390/ijms24087027
  22. Corry D.B., Eslami P., Yamamoto K. et al. Uric acid stimulates vascular smooth muscle cell proliferation and oxidative stress via the vascular renin-angiotensin system // J. Hypertens. 2008. V. 26. P. 269–275. https://doi.org/10.1097/HJH.0b013e3282f240bf
  23. Eisenbacher J.L., Schrezenmeier H., Jahrsdörfer B. et al. S100A4 and uric acid promote mesenchymal stromal cell induction of IL-10+/Ido+ lymphocytes // J. Immunol. 2014. V. 192. P. 6102–6110. https://doi.org/10.4049/jimmunol.1303144
  24. Furuhashi M., Matsumoto M., Tanaka M. et al. Plasma Xanthine Oxidoreductase Activity as a Novel Biomarker of Metabolic Disorders in a General Population // Circ. J. 2018. V. 82. P. 1892–1899. https://doi.org/10.1253/circj.CJ-18-0082
  25. Furuhashi M. Fatty Acid-Binding Protein 4 in Cardiovascular and Metabolic Diseases // J. Atheroscler. Thromb. 2019. V. 26. P. 216–232. https://doi.org/10.5551/jat.48710
  26. Furuhashi M., Matsumoto M., Murase T. et al. Independent links between plasma xanthine oxidoreductase activity and levels of adipokines // J. Diabetes Investig. 2019. V. 10. P. 1059–1067. https://doi.org/10.1111/jdi.12982
  27. Garattini E., Mendel R., Romão M.J. et al. Mammalian molybdo-flavoenzymes, an expanding family of proteins: structure, genetics, regulation, function and pathophysiology // Biochem. J. 2003. V. 372. Pt 1. P. 15–32. https://doi.org/10.1042/BJ20030121
  28. Godber B.L., Doel J.J., Sapkota G.P. et al. Reduction of nitrite to nitric oxide catalyzed by xanthine oxidoreductase // J. Biol. Chem. 2000. V. 275. № 11. P. 7757–7763. https://doi.org/10.1074/jbc.275.11.7757
  29. Hershfield M.S., Roberts L.J., Ganson N.J. Treating gout with pegloticase, a PEGylated urate oxidase, provides insight into the importance of uric acid as an antioxidant in vivo // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010. V. 107. № 32. P. 14351–14356. https://doi.org/10.1073/pnas.1001072107
  30. Ichida K., Amaya Y., Okamoto K., Nishino T. Mutations associated with functional disorder of xanthine oxidoreductase and hereditary xanthinuria in humans // Int. J. Mol. Sci. 2012. V. 13. № 11. P. 15475–15495. https://doi.org/10.3390/ijms131115475
  31. Ives A., Nomura J., Martinon F. et. al. Xanthine oxidoreductase regulates macrophage IL1β secretion upon NLRP3 inflammasome activation // Nat. Commun. 2015. V. 6. P. 6555. https://doi.org/10.1038/ncomms7555
  32. Jaiswal A., Madaan S., Acharya N. et al. Salivary Uric Acid: A Noninvasive Wonder for Clinicians? // Cureus. 2021. V. 13. № e19649. https://doi.org/10.7759/cureus.19649
  33. Joosten L.A.B., Crişan T.O., Bjornstad P., Johnson R.J. Asymptomatic hyperuricaemia: a silent activator of the innate immune system // Nat. Rev. Rheumatol. 2020. V. 16. P. 75–86. https://doi.org/10.1038/s41584-019-0334-3
  34. Kalimuthu P., Petitgenet M., Niks D. et al. The oxidation-reduction and electrocatalytic properties of CO dehydrogenase from Oligotropha carboxidovorans // Biochim. Biophys. Acta. Bioenerg. 2020. V. 1861. № 148118. https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2019.148118
  35. Kelley E.E. A new paradigm for XOR-catalyzed reactive species generation in the endothelium // Pharmacol. Rep. 2015. V. 67. P. 669–674. https://doi.org/10.1016/j.pharep.2015.05.004
  36. Khosla U.M., Zharikov S., Finch J.L. et al. Hyperuricemia induces endothelial dysfunction // Kidney Int. V. 67. P. 1739–1742. https://doi.org/10.1111/j.1523-1755.2005.00273.x
  37. Kim Y.S., Nam H.J., Chung H.Y. et al. Role of xanthine dehydrogenase and aging on the innate immune response of Drosophila // J. Am. Aging Assoc. 2001. V. 24. № 4. P. 187–93. https://doi.org/10.1007/s11357-001-0020-6
  38. Kumar R., Joshi G., Kler H. et al. Toward an understanding of structural insights of xanthine and aldehyde oxidases: an overview of their inhibitors and role in various diseases // Med. Res. Rev. 2018. V. 38. № 4. P. 1073–1125. https://doi.org/10.1002/med.21457
  39. Li H., Kundu T.K., Zweier J.L. Characterization of the magnitude and mechanism of aldehyde oxidase-mediated nitric oxide production from nitrite // J. Biol Chem 2009. V. 284. № 49. P. 33850–33858. https://doi.org/10.1074/jbc.M109.019125
  40. Lima W.G., Martins-Santos M.E., Chaves V.E. Uric acid as a modulator of glucose and lipid metabolism // Biochimie. 2015. V. 116. P. 17–23. https://doi.org/10.1016/j.biochi.2015.06.025
  41. Liu L., Wang B., Liu D. et al. Transcriptomic and metabolomic analyses reveal mechanisms of adaptation to salinity in which carbon and nitrogen metabolism is altered in sugar beet roots // BMC Plant. Biol. 2020. V. 20. № 138. https://doi.org/10.1186/s12870-020-02349-9
  42. Maia L.B, Moura J.J.G. Putting xanthine oxidoreductase and aldehyde oxidase on the NO metabolism map: nitrite reduction by molybdoenzymes // Redox Biol. 2018. V. 19. P. 274–289. https://doi.org/10.1016/j.redox.2018.08.020
  43. Maia L.B., Pereira V., Mira L., Moura J.J. Nitrite reductase activity of rat and human xanthine oxidase, xanthine dehydrogenase, and aldehyde oxidase: evaluation of their contribution to NO formation in vivo // Biochemistry. 2015. V. 54. № 3. P. 685–710. https://doi.org/10.1021/bi500987w
  44. McNally J.S., Davis M.E., Giddens D.P. et al. Role of xanthine oxidoreductase and NAD(P)H oxidase in endothelial superoxide production in response to oscillatory shear stress // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2003. V. 285. № 6. PH2290–H2297. https://doi.org/10.1152/ajpheart.00515.2003
  45. Miake J., Hisatome I., Tomita K. Impact of Hyper- and Hypo-Uricemia on Kidney Function // Biomedicines. 2023. V. 11. № 5. 1258. https://doi.org/10.3390/biomedicines11051258
  46. Monks J., Dzieciatkowska M., Bales E.S. et al. Xanthine oxidoreductase mediates membrane docking of milk-fat droplets but is not essential for apocrine lipid secretion // J. Physiol. 2016. V. 594. P. 5899–5921. https://doi.org/10.1113/JP272390
  47. Neogi T., George J., Rekhraj S. et al. Are either or both hyperuricemia and xanthine oxidase directly toxic to the vasculature? A critical appraisal // Arthritis Rheum. 2012. V. 64. P. 327–338. https://doi.org/10.1002/art.33369
  48. Nishino T., Okamoto K., Kawaguchi Y. et al. The C-terminal peptide plays a role in the formation of an intermediate form during the transition between xanthine dehydrogenase and xanthine oxidase // FEBS J. 2015. V. 282. P. 3075–3090. https://doi.org/10.1111/febs.13277
  49. Ortiz de Zevallos J., Woessner M.N., Kelley E.E. Skeletal muscle as a reservoir for nitrate and nitrite: The role of xanthine oxidase reductase (XOR) // Nitric Oxide. 2022. V. 129. P. 102–109. https://doi.org/10.1016/j.niox.2022.10.004
  50. Pritsos C.A. Cellular distribution, metabolism and regulation of the xanthine oxidoreductase enzyme system. // Chem-Biol. Interact. 2000. V. 129. № 1–2. P. 195–208. https://doi.org/10.1016/s0009-2797(00)00203-9
  51. Rendić S.P., Crouch R.D., Guengerich F.P. Roles of selected non-P450 human oxidoreductase enzymes in protective and toxic effects of chemicals: review and compilation of reactions // Arch. Toxicol. 2022. V. 96. P. 2145–2246. https://doi.org/10.1007/s00204-022-03304-3
  52. Roberts L.D. Does inorganic nitrate say NO to obesity by browning white adipose tissue? // Adipocyte. 2015. V. 4. P. 311–314. https://doi.org/10.1080/21623945.2015.1005525
  53. Rouquette M., Page S., Bryant R. et al. Xanthine oxidoreductase is asymmetrically locali zed on the outer surface of human endothelial and epithelial cells in culture // FEBS Lett. 1998. V. 426. P. 397–401. https://doi.org/10.1016/S0014-5793(98)00385-8
  54. Roy J., Galano J.M., Durand T. et al. Physiological role of reactive oxygen species as promoters of natural defenses // Faseb. J. 2017. V. 31. P. 3729–3745. https://doi.org/10.1096/fj.201700170R
  55. Sánchez-Lozada L.G., Lanaspa M.A., Cristóbal-García M. et al. Uric acid-induced endothelial dysfunction is associated with mitochondrial alterations and decreased intracellular ATP concentrations // Nephron Experimental Nephrology. 2013. V. 121. № 3–4. P. e71–e78. https://doi.org/10.1159/000345509
  56. Steven J., Forrester D.S., Kikuchi M.S. et al. Reactive Oxygen Species in Metabolic and Inflammatory Signaling // Circulation Research. 2018. V. 122. № 6. P. 877–902. https://doi.org/10.1161/CIRCRESAHA.117.311401
  57. Tsushima Y., Nishizawa H., Tochino Y. et al. Uric acid secretion from adipose tissue and its increase in obesity // J. Biol. Chem. 2013. V. 288. P. 27138–27149. https://doi.org/10.1074/jbc.M113.485094
  58. Williams X.M., Bossert A.T, Devalance E. et al. Indirect Antioxidant Effects of the Nitrite Anion: Focus on Xanthine Oxidase // Adv. Redox Res. 2023. V. 7. № 100058. https://doi.org/10.1016/j.arres.2022.100058
  59. Wong C.K., Chen Y., Ho L.M. et. al. The effects of hyperuricaemia on flow-mediated and nitroglycerin-mediated dilatation in high-risk patients // Nutr. Metab. Cardiovasc. Dis. 2014. V. 24. P. 1012–1019. https://doi.org/10.1016/j.numecd.2014.02.006
  60. Wright H.L. Moots R.J., Edwards S.W. The multifactorial role of neu-trophils in rheumatoid arthritis // Nature Reviews Rheumatology. 2014. V. 10. № 10. P. 593–601. https://doi.org/10.1038 nrreum.2014.80

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Молекулярная структура мономера ксантиноксидоредуктазы (КОР). Мономер КОР включает N-концевой 2Fe/S-домен (молекулярная масса 20 кДа), промежуточный FAD-домен (молекулярная масса 40 кДа) и C-концевой Mo-Co-домен (молекулярная масса 85 кДа).

Скачать (133KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схема окислительного гидроксилирования гипоксантина и ксантина в мочевую кислоту с образованием активных форм кислорода.

Скачать (372KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Биологические функции КОР и продукты реакции, катализируемой ферментом.

Скачать (368KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Функциональные возможности КОР в различных органах.

Скачать (1MB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024