Tryptofan jest niezbędnym aminokwasem, który jest używany do budowy białka i jest biosyntetycznym prekursorem wielu neurologicznie aktywnych związków. Jest prawdopodobnie najbardziej znany jako punkt wyjścia do biosyntezy serotoniny i melatoniny. Podczas gdy wytwarzanie tych dwóch związków mogło przyciągnąć największą uwagę w przeszłości, mniej znany szlak metabolizmu tryptofanu, szlak kynureniny, ostatnio obserwował stale rosnącą aktywność badawczą. Znaczenie szlaku kynureniny, który odpowiada za katabolizm ~ 99% spożywanego tryptofanu nie używanego do syntezy białek , pierwotnie przypisano jego roli w biogenezie dinukleotydu nikotynamidoadeninowego (NAD), jednak widoczne związki z chorobami neurodegeneracyjnymi, proliferacją nowotworów, zapaleniem i depresją są obecnie motorem badań szlaku kynureniny.
szlak kynureniny został po raz pierwszy odkryty w 1853 roku poprzez wykrywanie wydalanych produktów od zwierząt karmionych tryptofanem. W następnym stuleciu przeprowadzono wiele prac w celu ustalenia przemian chemicznych, zaangażowanych enzymów i możliwych relacji chorobowych szlaku kynureniny. W latach 60. enzymy składowe szlaku kynureniny zostały w pełni wyjaśnione poprzez żmudną pracę ekstrakcji każdego składnika enzymu z tkanki ssaków i określenia ich odpowiednich działań .
ponieważ związek między szlakiem kinureniny a poważnym zaburzeniem depresyjnym stał się bardziej widoczny, zaproponowano hipotezę serotoniny stwierdzającą, że po aktywacji szlak kinureniny przekierowałby dostępny tryptofan z produkcji serotoniny w kierunku dalszego katabolizmu . Chociaż korelacja między aktywnością szlaku kinureniny a zapaleniem została potwierdzona w wielu przypadkach, hipoteza serotoniny nie przetrwała w pierwotnej formie. Wykazano, że aktywacja szlaku kinureniny przez interferon-α (IFN-α) nie obniżyła znacząco stężenia tryptofanu w płynie mózgowo-rdzeniowym, chociaż doprowadziła do zapalenia poprzez zwiększenie ilości metabolitów szlaku kinureniny, a mianowicie kynureniny, kwasu kynureniowego i kwasu chinolinowego (QUIN), stężenia w płynie mózgowo-rdzeniowym . Zapalenie spowodowane aktywacją szlaku kinurenine było również związane z opornością na leczenie u niektórych pacjentów cierpiących na depresję, a także u pacjentów poddawanych chemioterapii .
dzięki nowoczesnym molekularnym metodom biologicznym , a także odkryciu analogicznych szlaków kynureniny u gatunków bakterii, poszczególne enzymy szlaku kynureniny były ostatnio w stanie być badane na poziomie molekularnym. Pierwszy i ograniczający szybkość etap szlaku kynureniny jest wytwarzany przez 2,3-dioksygenazę tryptofanu (TDO) lub 2,3-dioksygenazę indoleaminy (IDO). Te enzymy zależne od hemu wstawiają tlen cząsteczkowy przez wiązanie 2-3 grupy indolowej tryptofanu i były wcześniej znane jako pirolaza tryptofanowa. TDO jest homotetramerem o sztywnej selektywności substratu, który występuje głównie w tkance wątroby, podczas gdy IDO jest monomerem o znacznie bardziej swobodnej specyficzności, który znajduje się w większości tkanek. Warto zauważyć, IDO jest coraz częściej rozpoznawany jako związek między układem odpornościowym a szlakiem kynureniny, ponieważ jest aktywowany przez cytokiny i wydaje się mieć pewne działanie przeciwzapalne. Jest również zaangażowany w zdolności supresyjne guza interferonu-γ . Z mechanistycznego punktu widzenia enzymy te są unikalne, ponieważ są jedynymi znanymi dioksygenazami, które wykorzystują grupę protetyczną hemu jako kofaktora. Co więcej, IDO jest jedynym enzymem, innym niż dysmutaza ponadtlenkowa, który może wykorzystywać ponadtlenek jako substrat, implikując go w odpowiedzi na stres oksydacyjny.
produkt reakcji katalizowanej TDO/IDO, N-formylkynurenina, jest następnie hydrolizowany do kynureniny. W zależności od rodzaju tkanki, kynurenina albo kontynuuje swoją drogę w kierunku cyklu kwasu trikarboksylowego lub przekształca się w kwas kynureniowy w komórkach mikroglialnych lub astrocytach, odpowiednio . Kynurenina i jej bezpośrednie metabolity nie wydają się mieć żadnego bezpośredniego wpływu na neurony; jednak mają różne działania pro – i przeciwutleniające. Alternatywnie, kwas kynureniowy konkurencyjnie antagonizuje receptory glutaminianowe i niekonkurencyjnie hamuje receptory acetylocholiny nikotynowej α7 .
dalej w dół szlaku kynureniny wykorzystuje się drugą dioksygenazę, dioksygenazę kwasu 3-hydroksyantranilowego (HAO), aby otworzyć pozostały pierścień aromatyczny, który kiedyś należał do tryptofanu. HAO jest dioksygenazą typu III, niezwiązaną z hem, zależną od żelaza, ekstradiolową . Choć nie tak wyjątkowy jak TDO/IDO, HAO nadal ma ciekawe funkcje. Należy zauważyć, że HAOs ze źródeł bakteryjnych często zawiera dodatkową, podobną do rubredoksynopodobną domenę wiążącą metale, która nie jest konieczna do katalizy. Domena ta nie występuje w HAOs ze źródeł zwierzęcych, pozostawiając pytanie o funkcję i znaczenie takiej dodatkowej domeny wiązania metalu. HAO rozszczepia pierścień kwasu 3-hydroksyantranilowego, znanego generatora wolnych rodników, tworząc α-Amino-β-karboksymuconate-ε-semialdehyd, związek, który rozpada się nieenzymatycznie do prekursora NAD, kwasu chinolinowego (QUIN). Odnowione zainteresowanie szlakiem kynureniny wynika w dużej mierze z odkrycia, że QUIN może selektywnie aktywować receptory N-metylo-d-asparaginianu (NMDA). Chociaż podstawowe poziomy QUIN nie są takie, że mogą znacząco pobudzać receptory NMDA, aktywacja szlaku kynureniny może prowadzić do niebezpiecznych poziomów QUIN, które są związane z licznymi chorobami neurologicznymi: chorobą Alzheimera, lękiem, depresją, epilepsją, zaburzeniami neurologicznymi związanymi z ludzkim wirusem niedoboru odporności i chorobą Huntingtona . Uważa się, że wytwarzanie QUIN jest głównym ogniwem między szlakiem kinureniny a odpowiedzią zapalną .
następny enzym w szlaku kynureniny nie tylko wykazuje unikalną chemię, ale jest również głównym punktem rozgałęzienia między nieenzymatycznym tworzeniem ekscytotoksycznego prekursora NAD, QUIN i dalszym metabolizmem. Enzym ten to dekarboksylaza α-amino-β-karboksymukonianowa-ε-semialdehydowa (ACMSD), jedyna znana dekarboksylaza zależna od metalu, niezależna od tlenu. Struktura krystaliczna tego enzymu została niedawno rozwiązana, a prace biochemiczne wykazały potencjalny mechanizm regulacji aktywności tego enzymu. Wykazano, że tylko homo-dimerowa forma ACMSD jest w stanie katalizować dekarboksylację substratu, otwierając drzwi do możliwości, że modulacja czwartorzędowej struktury ACMSD może być dominującym mechanizmem regulacyjnym dla tego enzymu . Inną interesującą cechą ACMSD jest to, że zarówno jego substrat, jak i jego produkt są niestabilne i będą poddawane elektrocyklizacji odpowiednio do KWINU i kwasu pikolinowego. Chociaż istnieje wiele badań, które pokazują szkodliwe działanie kwasu chinolinowego, literatura na temat kwasu pikolinowego jest znacznie rzadsza i nie osiągnięto jeszcze konsensusu co do jego fizjologicznych ról i skutków . Wydaje się, że stanowi metaboliczny ślepy zaułek dla szlaku kynureniny, ponieważ jest wydalany.
przynajmniej w badaniach in vitro substrat ACMSD jest o rząd wielkości bardziej stabilny niż jego produkt , co rodzi naturalne pytanie, w jaki sposób tempo tych dwóch nieenzymatycznych reakcji rozpadu jest kontrolowane w komórce. Odpowiedź na to pytanie będzie wymagała szczegółowej wiedzy na temat mechanizmu enzymatycznego HAO, ACMSD i następnego enzymu w szlaku, dehydrogenazy α-aminomukonianowej-ε-semialdehydu (AMSDH). Struktura i mechanizm ACMSD są stosunkowo dobrze zbadane, a struktura HAO jest zdefiniowana . Jednak niewiele wiadomo na temat tego trzeciego enzymu, który prawdopodobnie kontroluje podział między dalszym metabolizmem a tworzeniem kwasu pikoliniowego, aż do niedawna, kiedy rozwiązano strukturę krystaliczną i zaproponowano mechanizm katalityczny . AMSDH jest członkiem nadrodziny dehydrogenazy aldehydowej i pierwszym etapem zbierania energii szlaku kynureniny, utleniając jego substrat semialdehydowy, jednocześnie redukując NAD.
podsumowując, podstawowa droga metaboliczna katabolizmu tryptofanu u ssaków wytwarza związki neuroaktywne, z których jeden, kwas chinolinowy, jest zarówno biosyntetycznym prekursorem produkcji NAD, jak i agonistą receptorów NMDA. Zwiększenie stężenia kwasu chinolinowego w płynach mózgowo-rdzeniowych obserwowano w kilku chorobach neurodegeneracyjnych, a wstrzyknięcie egzogennego kwasu chinolinowego może powodować neurodegenerację u myszy. Szlak kinureniny może być stymulowany w mózgu przez leczenie IFN-α. Wyniki te wskazują na wytwarzanie kwasu chinolinowego przez szlak kinureniny jako czynnika przyczyniającego się do chorób neurodegeneracyjnych, które są związane z zapaleniem.
podsumowując, szlak kynureniny jest główną drogą katabolizmu tryptofanu w komórkach ssaków, a wiele półproduktów i produktów tego szlaku jest zaangażowanych w liczne choroby neurologiczne. Jako taki, szlak kynureniny jest dojrzałym celem odkrycia leku, zwłaszcza że tak niewiele wiadomo na temat jego regulacji. Szlak kynureniny ma również pewne połączenie ze wzrostem i proliferacją guza poprzez jeden z jego enzymów inicjujących, IDO, i istnieją inhibitory IDO obecnie w badaniach klinicznych II Fazy . W ostatnich latach ścieżka kynurenine otrzymała większą uwagę od klinicystów, biologów i biochemików, ponieważ jej znaczenie medyczne stało się bardziej widoczne. Nawet przy ponownym wysiłku, wciąż brakuje zrozumienia, w jaki sposób produkcja prawdopodobnie najbardziej szkodliwego metabolitu, QUIN, jest kontrolowana i należy wykonać pracę, aby ukierunkować jej produkcję terapeutycznie. Istnieje obecnie potrzeba badań nad mechanizmami, za pomocą których regulowany jest szlak kynureniny, zwłaszcza enzymy zaangażowane w tworzenie QUIN.
