ドコサヘキサエノイ酸、エイコサペンタエノイック、アラキドイン酸のエポキシ化代謝産物の酵素合成
Summary
細菌シトクロムを用いたアラキドン酸(AA)、ドコサヘキサエン酸(DHA)、エイコサペンタエン酸(EPA)のエポキシドの特異的なエナンチオマーおよびレジオソームの大規模な酵素合成および精製に有用な方法を提示する。P450酵素(BM3)。
Abstract
エポキシ脂肪酸と呼ばれる様々な多価不飽和脂肪酸(PUF)のエポキシ化代謝物は、ヒト生理学において幅広い役割を有する。これらの代謝産物は、酵素のシトクロムP450クラスによって内因性に産生される。その多様で強力な生物学的効果のために, これらの代謝産物を研究することにかなりの関心があります。.エポキシ脂肪酸は、最初にかなりの量と高純度で取得する必要があるため、体内でこれらの代謝産物のユニークな役割を決定することは困難な作業です。天然源から化合物を得ることは多くの場合、労働集約的であり、可溶性エポキシドヒドロラーゼ(sEH)は代謝産物を急速に加水分解する。一方、化学反応を介してこれらの代謝産物を得ることは非常に非効率的であり、純粋なレジオソーマーおよびエナンチオマー、低収率、および広範な(そして高価な)精製を得ることの難しさに起因する。ここでは、バチルス由来の細菌CYP450酵素であるBM3を用いたエポキシ化によるDHAからの19(S)、20(R)-および16(S)、17(R)-エポキシドコサペンタエン酸(EDP)の効率的な酵素合成を提示する。 メガテリウム(それは大腸菌で容易に発現される)。核磁気共鳴分光法(NMR)、高性能液体クロマトグラフィー(HPLC)、質量分析(MS)を用いて、純度の特性評価と決定を行います。この手順は、PUFAエポキシ代謝産物の酵素合成の利点を示し、類似性エポキシエポキシサトリエノICを産生するアラキドン酸(AA)およびエイコサペンタエン酸(EPA)を含む他の脂肪酸のエポキシ化に適用可能である。酸(E):エポキシアイコサテトレーネイン酸(EQ)。
Introduction
多価不飽和脂肪酸(特にオメガ3およびオメガ-6多価不飽和脂肪酸)がヒト生物学で果たす役割への関心が近年高まっており、研究者は代謝産物が魅力的な利点の広い範囲に注目しています。展示。特に、シトクロムP450クラスの酵素によって産生されるエポキシ脂肪酸代謝産物が大きな注目点となっている。例えば、エポキシエイコサトリエノール酸(EAT)、エポキシコサペンタエイン酸(EDP)およびエポキシエイコサテトレーヌ酸(EQ)を含む多くのPUFAエポキシドは、血圧および炎症の調節において重要な役割を果たす1、2,3,4,5.興味深いことに、AAおよびEPAエポキシドの特定のエナンチオマーおよびレジオソーマーは、血管収縮6、7に対して様々な効果を持つことが知られている。ETおよびEQのエナンチオマーおよびレジオダイマーの生理的効果は文書化されているが、DHAから形成された類似性エポキシドコサペンタエン酸(EDP)の効果についてはほとんど知られていない。EPAとDHAの両方に富む魚油8の広範な使用はまた、EDP9への関心をかき立てている。これらのサプリメントの利点は、EDPの生体内レベルが食事10のDHAの量と非常によく調整するので、下流のDHA代謝物(16,17-EDPと19,20-EDPが最も豊富である)に部分的に起因すると考えられています,11.
メタボロミクス、化学生物学、およびその他の方法によってこれらのエポキシ脂肪酸のメカニズムと標的を研究することは、レジオとステレオ異性体の混合物として存在し、純粋な量を得る方法が困難であることが証明されています。エナンチオマーとレジオソーマーが必要です。これらの化合物を化学的に合成するための従来の手段は効果がないことが証明されている。エポキシ化のためのメタ-クロロペルオキシ安息香酸のようなペルオキシ酸の使用は、多くの欠点を有し、特にエポキシ化選択性の欠如は、個々のレジオソーマーおよびエナンチオマーの高価で骨の折れる精製を必要とする。DHAおよびEPA代謝産物の全合成は可能であるが、高コストおよび低収率12、13などの大規模合成には実用的ではないという欠点にも苦しんでいる。酵素反応がレジオおよびステレオ選択的14であるとして、効率的な全体的な生産は、酵素合成で達成することができる。研究は、AAとEPA(BM3を用いて)の酵素エポキシ化が直腸選択的およびエナンチオ選択的15、16、17、18の両方であることを示しているが、この手順はDHAでテストされていない、または大規模なスケール。我々の方法の全体的な目標は、スケールアップし、この化学酵素エポキシ化を最適化し、個々のエナンチオマーとして大量の純粋なエポキシ脂肪酸を迅速に生成することです。ここで提示された方法を使用して, 研究者は、EDPや他のPUFAエポキシ代謝物の合成のためのシンプルで費用対効果の高い戦略へのアクセスを持っています.
Protocol
Representative Results
Discussion
ここでは、DHAの2つの最も豊富なエポキシ代謝産物を調製するための運用上のシンプルで費用対効果の高い方法を提示します – 19,20および16,17-EDP。これらのエポキシ脂肪酸は、野生型BM3酵素を用いて高エナンチオプル(S,R-isomersとして)形態で調製することができる。トラブルシューティングに使用できるいくつかの重要なポイントと、AAおよびEPAのエナンチオピュアエポキシ代謝物を調製?…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、R00 ES024806(国立衛生研究所)、DMS-1761320(国立科学財団)、ミシガン州立大学からのスタートアップファンドによって資金提供されています。著者らは、ジャンジー反応の最適化を支援するジャン・ヤン博士(カリフォルニア大学デイビス校)とラリタ・カルチャラ博士(ミシガン州立大学)とトニー・シルミラー博士(MSU質量分析・メタボロミクス施設)に感謝したいと考えています。HRMSデータ取得の支援のために。
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 |
Referencias
- Campbell, W. B., Gebremedhin, D., Pratt, P. F., Harder, D. R. Identification of epoxyeicosatrienoic acids as endothelium-derived hyperpolarizing factors. Circulation Research. 78, 415-423 (1996).
- Ulu, A., et al. An omega-3 epoxide of docosahexaenoic acid lowers blood pressure in angiotensin-II-dependent hypertension. Journal of Cardiovascular Pharmacology. 64, 87-99 (2014).
- Ye, D., et al. Cytochrome p-450 epoxygenase metabolites of docosahexaenoate potently dilate coronary arterioles by activating large-conductance calcium-activated potassium channels. Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics. 303, 768-776 (2002).
- Imig, J. D. Epoxyeicosatrienoic acids, hypertension, and kidney injury. Hypertension. 65, 476-682 (2015).
- Capozzi, M. E., Hammer, S. S., McCollum, G. W., Penn, J. S. Epoxygenated fatty acids inhibit retinal vascular inflammation. Scientific Reports. 6, 39211 (2016).
- Zou, A. P., et al. Stereospecific effects of epoxyeicosatrienoic acids on renal vascular tone and K(+)-channel activity. American Journal of Physiology. 270, F822-F832 (1996).
- Lauterbach, B., et al. Cytochrome P450-dependent eicosapentaenoic acid metabolites are novel BK channel activators. Hypertension. 39, 609-613 (2002).
- Clarke, T. C., Black, T. I., Stussman, B. J., Barnes, P. M., Nahin, R. L. . Trends in the use of complementary health approaches among adults: United States, 2002–2012. , (2015).
- Mozaffarian, D., Wu, J. H. Y. Omega-3 fatty acids and cardiovascular disease. Journal of the American College of Cardiology. 58, 2047-2067 (2011).
- Shearer, G., Harris, W., Pederson, T., Newman, J. Detection of omega-3 oxylipins in human plasma in response to treatment with omega-3 acid ethyl esters. Journal of Lipid Research. 51, 2074-2081 (2010).
- Ostermann, A. I., Schebb, N. H. Effects of omega-3 fatty acid supplementation on the pattern of oxylipins: a short review about the modulation of hydroxy-, dihydroxy-, and epoxy-fatty acids. Food & Function. 8, 2355-2367 (2017).
- Khan, M. A., Wood, P. L. . Method for the synthesis of DHA. , (2012).
- Nanba, Y., Shinohara, R., Morita, M., Kobayashi, Y. Stereoselective synthesis of 17,18-epoxy derivative of EPA and stereoisomers of isoleukotoxin diol by ring-opening of TMS-substituted epoxide with dimsyl sodium. Organic and Biomolecular Chemistry. 15, 8614-8626 (2017).
- Cinelli, M. A., et al. Enzymatic synthesis and chemical inversion provide both enantiomers of bioactive epoxydocosapentaenoic acids. Journal of Lipid Research. 59, 2237-2252 (2018).
- Falck, J. R., et al. Practical, enantiospecific syntheses of 14,15-EET and leukotoxin B (vernolic acid). Tetrahedron Letters. 41, 4131-4133 (2001).
- Celik, A., Sperandio, D., Speight, R. E., Turner, N. Enantioselective epoxidation of linolenic acid catalyzed by cytochrome P450BM3 from Bacillus megaterium. Organic and Biomolecular Chemistry. 3, 1688-2690 (2005).
- Capdevila, J. H., et al. The highly stereoselective oxidation of polyunsaturated fatty acids by cytochrome P450BM-3. Journal of Biological Chemistry. 271, 22663-22671 (1996).
- Lucas, D., et al. Stereoselective epoxidation of the last double bond of polyunsaturated fatty acids by human cytochromes P450. Journal of Lipid Research. 51, 1125-1133 (2010).
- Guengerich, F. P., Martin, M. V., Sohl, C. D., Cheng, Q. Measurement of cytochrome P450 and NADPH-cytochrome P450 reductase. Nature Protocols. 4, 1245-1251 (2009).
- . Cayman Chemical, 19,20-EpDPA Available from: https://www.caymanchem.com/product/10175 (2019)
- Graham-Lorence, S., et al. An active site substitution, F87V, converts cytochrome P450 BM-3 into a regio- and stereoselective (14S, 15R)-arachidonic acid epoxygenase. Journal of Biological Chemistry. 272, 1127-1135 (1996).
