Synthèse enzymatique des métabolites époxidisés de Docosahexaenoic, Eicosapentaenoic, et Arachidonic Acids
Summary
Nous présentons une méthode utile pour la synthèse et la purification enzymatiques à grande échelle des enantiomers et des regioisomers spécifiques des époxydes de l’acide arachidonique (AA), de l’acide docosahexaénoïque (DHA), et de l’acide eicosapentaénoïque (EPA) avec l’utilisation d’un cytochrome bactérien P450 enzyme (BM3).
Abstract
Les métabolites époxidés de divers acides gras polyinsaturés (PUFAs), appelés acides gras époxy, ont un large éventail de rôles dans la physiologie humaine. Ces métabolites sont produits endogènement par la classe cytochrome P450 d’enzymes. En raison de leurs effets biologiques divers et puissants, il y a un intérêt considérable dans l’étude de ces métabolites. Déterminer les rôles uniques de ces métabolites dans le corps est une tâche difficile, car les acides gras époxy doivent d’abord être obtenus en quantités significatives et avec une grande pureté. L’obtention de composés à partir de sources naturelles est souvent laborieuse, et les hydrolases solubles d’époxyde (sEH) hydrolysent rapidement les métabolites. D’autre part, l’obtention de ces métabolites par des réactions chimiques est très inefficace, en raison de la difficulté d’obtenir des regioisomers purs et des enantiomères, de faibles rendements, et la purification étendue (et coûteuse). Ici, nous présentons une synthèse enzymatique efficace de 19(S), 20(R)- et 16(S), 17(R)-epoxydocosapentaenoic acids (EDP) from DHA via epoxidation with BM3, a bacterial CYP450 enzyme isolated originally from Bacillus mégaterium (qui s’exprime facilement dans Escherichia coli). La caractérisation et la détermination de la pureté sont effectuées avec la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN), la chromatographie liquide à haute performance (HPLC) et la spectrométrie de masse (MS). Cette procédure illustre les avantages de la synthèse enzymatique des métabolites époxy PUFA, et s’applique à l’époxidation d’autres acides gras, y compris l’acide arachidonique (AA) et l’acide eicosapentaenoic (EPA) pour produire l’époxyeicosatrienoic analogue acides époxyeicosatetraenoic (EEQ), respectivement.
Introduction
Comme l’intérêt pour le rôle que les acides gras polyinsaturés (en particulier les acides gras oméga-3 et oméga-6 gras polyinsaturés) jouent dans la biologie humaine a augmenté ces dernières années, les chercheurs ont pris connaissance de la large gamme d’avantages attrayants que leurs métabolites pièce. En particulier, les métabolites d’acide gras époxy produits par la classe cytochrome P450 d’enzymes ont été un grand point de discussion. Par exemple, de nombreux époxydes PUFA, y compris les acides époxyeicosatrienoic (EET), les acides époxydocosapentaenoic (EDP) et les acides époxyeicosatetraenoic (EEQ), jouent un rôle critique dans la régulation de la tension artérielle et de l’inflammation1,2 , 3 (en) , 4 ( en plus) , 5. Fait intéressant, les enantiomères spécifiques et les regioisomers des époxydes AA et EPA sont connus pour avoir des effets variables sur la vasoconstriction6,7. Tandis que les effets physiologiques des enantiomers et des regioisomers des EET et des EEQs ont été documentés, peu est connu au sujet de l’effet des acides éoxydocoentaénoïques analogues (EDP) formés à partir de DHA. L’utilisation généralisée de l’huile de poisson8, qui est riche en EPA et En DHA, a également suscité l’intérêt pour les PDE9. Les avantages de ces suppléments sont censés être en partie dus aux métabolites en aval de DHA (16,17-EDP et 19,20-EDP étant les plus abondants) parce que les niveaux in vivo des EDP coordonnent très bien avec la quantité de DHA dans le régime10,, 11.
L’étude des mécanismes et des cibles de ces acides gras époxy par la métabolomique, la biologie chimique, et d’autres méthodes s’est avérée provocante, en partie parce qu’elles existent en tant que mélanges de regio- et de stéréo-isomers, et une méthode d’obtenir des quantités pures de la enantiomers et regioisomers est nécessaire. Les moyens conventionnels pour synthétiser chimiquement ces composés se sont avérés inefficaces. L’utilisation de peroxyacids comme l’acide méta-chloroperoxybenzoïque pour l’époxidation présente de nombreux inconvénients, notamment le manque de sélectivité de l’époxidation, qui nécessite une purification coûteuse et minutieuse des regioisomers et des enantiomères individuels. La synthèse totale des métabolites de DHA et d’EPA est possible, mais souffre également des inconvénients qui le rendent peu pratique pour la synthèse à grande échelle telle que les coûts élevés et les rendements bas12,13. Une production globale efficace peut être réalisée avec la synthèse enzymatique, car les réactions enzymatiques sont regio- et stéréosélective14. Les études montrent que l’époxidation enzymatique de l’AA et de l’EPA (avec BM3) est à la fois regioselective et enantioselective15,16,17,18, mais cette procédure n’a pas été testée avec DHA, ou sur un grand échelle. L’objectif global de notre méthode était d’augmenter et d’optimiser cette époxidation chimioenzymatique pour produire rapidement des quantités significatives d’acides gras époxy purs comme leurs enantiomères individuels. En utilisant la méthode présentée ici, les chercheurs ont accès à une stratégie simple et rentable pour la synthèse des PDE et d’autres métabolites époxy PUFA.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nous présentons ici une méthode opérationnellement simple et rentable pour préparer les deux métabolites époxy les plus abondants de DHA – 19,20 et 16,17-EDP. Ces acides gras époxy peuvent être préparés en très enantiopure (comme leur S,R-isomers) forme en utilisant l’enzyme de type sauvage BM3. Plusieurs points critiques qui peuvent être utilisés pour le dépannage, et l’extension de notre méthode à la préparation des métabolites époxy éantiopure de AA et EPA, sont décrits ci-dessous.
<p…Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ces travaux sont financés par R00 ES024806 (National Institutes of Health), DMS-1761320 (National Science Foundation) et des fonds de démarrage de l’Université d’État du Michigan. Les auteurs tiennent à remercier le Dr Jun Yang (Université de Californie à Davis) et Lalitha Karchalla (Michigan State University) pour leur aide dans l’optimisation de la réaction enzymatique, et le Dr Tony Schilmiller (MSU Mass Spectrometry and Metabolomics Facility) pour l’aide à l’acquisition de données DU SMR.
Materials
| Ammonium Bicarbonate | Sigma | 9830 | NA |
| Ampicillin | GoldBio | A30125 | NA |
| Anhydrous magnesium sulfate | Fisher Scientific | M65-3 | NA |
| Anhydrous methanol | Sigma-Aldrich | 322515 | NA |
| Anhydrous sodium sulfate | Fisher Scientific | S421-500 | NA |
| Anhydrous toluene | Sigma-Aldrich | 244511 | NA |
| Arachidonic Acid (AA) | Nu-Chek Prep | U-71A | Air-sensitive. |
| Diethyl Ether | Sigma | 296082 | NA |
| DMSO (molecular biology grade) | Sigma-Aldrich | D8418 | NA |
| Docosahexaenoic Acid (DHA) | Nu-Chek Prep | U-84A | Air-sensitive. |
| EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid) | Invitrogen | 15576028 | NA |
| Eicosapentaenoic Acid (EPA) | Nu-Chek Prep | U-99A | Air-sensitive. |
| Ethyl acetate | Sigma | 34858 | NA |
| Flash column cartridges 25, 40, 4, 12 g sizes | Fisher Scientific | 145170203, 145154064, 5170200 | Alternatively, conventional column chromatography can be used |
| Formic acid (HPLC Grade) | J.T. Baker | 0128-01 | NA |
| Glycerol | Sigma | G7757 | NA |
| Hexanes | VWR | BDH24575 | NA |
| LB Broth | Sigma | L3022 | NA |
| Lithium hydroxide | Sigma-Aldrich | 442410 | NA |
| Magnesium chloride | Fisher Scientific | 2444-01 | NA |
| Methanol (HPLC grade) | Sigma-Aldrich | 34860-41-R | NA |
| NADPH Tetrasodium Salt | Sigma-Aldrich | 481973 | Air-sensitive. |
| Oxalic acid | Sigma-Aldrich | 194131 | NA |
| pBS-BM3 transfected DH5α E. coli | NA | NA | NA |
| PMSF (phenylmethanesulfonyl fluoride) | Sigma | P7626 | Toxic! |
| Potassium Permanganate | Sigma-Aldrich | 223468 | For TLC staining. |
| Potassium phosphate dibasic | Sigma | 795496 | NA |
| Potassium phosphate monobasic | Sigma | 795488 | NA |
| Q Sepharose Fast Flow resin (GE Healthcare life sciences) | Fisher Scientific | 17-0515-01 | For anion exchange purification of enzyme |
| Sodium Chloride | Sigma | 71376 | NA |
| Tetrahydrofuran, anhydrous | Sigma-Aldrich | 186562 | NA |
| TMS-Diazomethane (2.0 M in hexanes) | Sigma-Aldrich | 362832 | Very toxic. |
| Tris-HCl | GoldBio | T-400 | NA |
| Also necessary: | |||
| Automatic flash purification system (we used a Buchi Reveleris X2) | Buchi | ||
| C18 HPLC column (Zorbax Eclipse XDB-C18) | Agilent | ||
| Centrifuge capable of 10,000 x g | |||
| Chiral HPLC Column (Lux cellulose-3), 250 x 4.6 mm, 5 µM, 1000 Å) | Phenomenex | ||
| General chemistry supplies: a 2 L separatory funnel, beakers and Erlenmeyer flasks with 1000-2000 L capacity, 20 mL vials, HPLC vials, small round-bottomed flasks and stir-bars. | |||
| HPLC (we use a Shimadzu Prominence LC-20AT analytical pump and SPD-20A UV-vis detector | Shimadzu | ||
| Nanodrop 2000 Spectrophotometer | Thermo-Fisher Scientific | ||
| NMR | NMR: Agilent DD2 spectrometer (500 MHz) | ||
| Rotary evaporator | Buchi | ||
| Sonic dismembrator or ultrasonic homogenizer | Cole-Parmer |
Referenzen
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