Ауторегуляция и аутоингибирование основных изоформ NO-синтаз (краткий обзор)

Оксид азота (II) NO является важнейшим медиатором широкого спектра физиологических и патофизиологических процессов. Он синтезируется NO-синтазами (NOS), у которых выделяются три основные изоформы, отличающиеся друг от друга особенностями активации и ингибирования, уровнями продукции NO, субклеточной локализацией и т.д. При этом структурно все изоформы очень схожи, а указанные различия определяются ауторегуляторными элементами NOS.

Представлен анализ ауторегуляторных и аутоингибиторных механизмов редуктазного домена NOS, определяющих различия в продуктивности изоформ, а также их зависимости от концентрации ионов Ca²⁺. К основным регуляторным элементам в NOS, модулирующим перенос электронов от флавина к гему, относят кальмодулин (CаM), аутоингибиторную вставку (AI) и С-концевой хвост (C-tail). Предполагается, что гидрофобные взаимодействия СаМ с поверхностью оксидазного домена NOS способствуют переносу электрона от флавинмононуклеотида (FMN). Связывание СаМ вызывает изменение междоменных расстояний, сдвиг AI, C-tail и, как следствие, уменьшение их ингибирующего влияния. Также СаМ сдвигает конформационное равновесие редуктазного домена в сторону более открытых конформаций, уменьшает время жизни конформаций, их стереометрическое распределение и ускоряет поток электронов через редуктазный домен. AI, по всей видимости, индуцирует конформационное изменение, которое препятствует переносу электронов внутри редуктазного домена по аналогии с шарнирным доменом в цитохроме Р450. C-tail совместно с СаМ регулируют поток электронов между флавинами, расстояние и относительную ориентацию изоаллоксановых колец, а также модулируют поток электронов от FMN к терминальному акцептору. Также AI совместно с C-tail предопределяют зависимость нейрональной и эндотелиальной форм NOS от концентрации ионов Ca²⁺, а длина C-tail влияет на различия в продуктивности синтеза NO. Ингибирующее влияние C-tail, по всей вероятности, снижается при связывании CaM из-за сдвига C-tail за счет сил электростатического отталкивания отрицательно заряженных остатков фосфата и аспартата. Ауторегуляторные элементы NOS требуют дальнейшего изучения, поскольку механизмы их взаимодействия имеют сложный и разнонаправленный характер, благодаря которому обеспечивается широкий диапазон характеристик наблюдаемых изоформ.

1. Carlström M. Nitric oxide signalling in kidney regulation and cardiometabolic health. Nat Rev Nephrol 2021; 17(9): 575–590, https://doi.org/10.1038/s41581-021-00429-z.
2. Liy P.M., Puzi N.N.A., Jose S., Vidyadaran S. Nitric oxide modulation in neuroinflammation and the role of mesenchymal stem cells. Exp Biol Med (Maywood) 2021; 246(22): 2399–2406, https://doi.org/10.1177/1535370221997052.
3. Iwakiri Y., Kim M.Y. Nitric oxide in liver diseases. Trends Pharmacol Sci 2015; 36(8): 524–536, https://doi.org/10.1016/j.tips.2015.05.001.
4. Stuehr D.J., Haque M.M. Nitric oxide synthase enzymology in the 20 years after the Nobel Prize. Br J Pharmacol 2019; 176(2): 177–188, https://doi.org/10.1111/bph.14533.
5. Campbell M.G., Smith B.C., Potter C.S., Carragher B., Marletta M.A. Molecular architecture of mammalian nitric oxide synthases. Proc Natl Acad Sci U S A 2014; 111(35): E3614–E3623, https://doi.org/10.1073/pnas.1413763111.
6. Cinelli M.A., Do H.T., Miley G.P., Silverman R.B. Inducible nitric oxide synthase: regulation, structure, and inhibition. Med Res Rev 2020; 40(1): 158–189, https://doi.org/10.1002/med.21599.
7. Król M., Kepinska M. Human nitric oxide synthase — its functions, polymorphisms, and inhibitors in the context of inflammation, diabetes and cardiovascular diseases. Int J Mol Sci 2020; 22(1): 56, https://doi.org/10.3390/ijms22010056.
8. Tsutsui M., Tanimoto A., Tamura M., Mukae H., Yanagihara N., Shimokawa H., Otsuji Y. Significance of nitricoxide synthases: lessons from triple nitric oxide synthases null mice. J Pharmacol Sci 2015 127(1): 42–52, https://doi.org/10.1016/j.jphs.2014.10.002.
9. Li H., Jamal J., Plaza C., Pineda S.H., Chreifi G., Jing Q., Cinelli M.A., Silverman R.B., Poulos T.L. Structures of human constitutive nitric oxide synthases. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr 2014; 70(Pt 10): 2667–2674, https://doi.org/10.1107/s1399004714017064.
10. Попова Н.А., Климанов И.А., Соодаева С.К., Тем­нов А.А. Формирование структурной схемы универсальной модели каталитического цикла NO-синтаз. Современные проб­лемы науки и образования 2022; 4: 130, https://doi.org/10.17513/spno.31989.
11. Kobayashi K., Tagawa S., Daff S., Sagami I., Shimizu T. Rapid calmodulin-dependent interdomain electron transfer in neuronal nitric-oxide synthase measured by pulse radiolysis. J Biol Chem 2001; 276(43): 39864–39871, https://doi.org/10.1074/jbc.m102537200.
12. Hanson Q.M., Carley J.R., Gilbreath T.J., Smith B.C., Underbakke E.S. Calmodulin-induced conformational control and allostery underlying neuronal nitric oxide synthase activation. J Mol Biol 2018; 430(7): 935–947, https://doi.org/10.1016/j.jmb.2018.02.003.
13. Nishida C.R., Ortiz de Montellano P.R. Autoinhibition of endothelial nitric-oxide synthase. Identification of an electron transfer control element. J Biol Chem 1999; 274(21): 14692–14698, https://doi.org/10.1074/jbc.274.21.14692.
14. Li J., Zheng H., Feng C. Deciphering mechanism of conformationally controlled electron transfer in nitric oxide synthases. Front Biosci (Landmark Ed) 2018; 23(10): 1803–1821, https://doi.org/10.2741/4674.
15. Roman L.J., Martásek P., Miller R.T., Harris D.E., de la Garza M.A., Shea T.M., Kim J.J.P., Masters B.S.S. The C termini of constitutive nitric-oxide synthases control electron flow through the flavin and heme domains and affect modulation by calmodulin. J Biol Chem 2000; 275(38): 29225–29232, https://doi.org/10.1074/jbc.m004766200.
16. Panda S.P., Li W., Venkatakrishnan P., Chen L., Astashkin A.V., Masters B.S., Feng C., Roman L.J. Differential calmodulin-modulatory and electron transfer properties of neuronal nitric oxide synthase mu compared to the alpha variant. FEBS Lett 2013; 587(24): 3973–3978, https://doi.org/10.1016/j.febslet.2013.10.032.

Popova N.A., Soodaeva S.K., Klimanov I.A., Misharin V.M., Temnov A.A. Autoregulation and Autoinhibition of the Main NO Synthase Isoforms (Brief Review). Sovremennye tehnologii v medicine 2023; 15(3): 53, https://doi.org/10.17691/stm2023.15.3.06