21-Hidroxilasa

La esteroide 21-hidroxilasa es una proteína que en humanos está codificada por el gen CYP21A2 . Esta proteína es una enzima que hidroxila los esteroides en la posición C21 de la molécula. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Las convenciones de nomenclatura para las enzimas se basan en el sustrato sobre el que actúan y el proceso químico que realizan. Bioquímicamente, esta enzima está involucrada en la biosíntesis de las hormonas de la glándula suprarrenal aldosterona y cortisol , que son importantes en la regulación de la presión arterial , la homeostasis del sodio y el control de la glucosa en sangre . La enzima convierte la progesterona y la 17α-hidroxiprogesterona en 11-desoxicorticosterona y 11-desoxicortisol , respectivamente, ^{[ 12 ] [ 13 ]} dentro de vías metabólicas que en humanos conducen finalmente a la creación de aldosterona y cortisol; la deficiencia de la enzima puede causar hiperplasia suprarrenal congénita .

La esteroide 21-hidroxilasa pertenece a la familia del citocromo P450 , un grupo de enzimas monooxigenasas que utilizan un cofactor hemo que contiene hierro para oxidar sustratos.

En humanos, la enzima se localiza en las membranas del retículo endoplasmático de las células de la corteza suprarrenal , ^{[ 14 ] [ 15 ]} y está codificada por el gen CYP21A2 , que se encuentra cerca del pseudogén CYP21A1P , el cual tiene un alto grado de similitud de secuencia. Esta similitud dificulta el análisis del gen a nivel molecular y, en ocasiones, conduce a mutaciones con pérdida de función del gen debido al intercambio intergénico de ADN .

La esteroide 21-hidroxilasa en humanos está codificada por el gen CYP21A2 que puede estar acompañado por una o varias copias del pseudogén no funcional CYP21A1P , ^{[ 20 ] [ 21 ]} este pseudogén comparte el 98% de la identidad de información exónica con el gen funcional real. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

Los pseudogenes son comunes en los genomas y se originan como artefactos durante el proceso de duplicación. Aunque a menudo se les considera "ADN basura", las investigaciones han demostrado que conservar estas copias defectuosas puede tener una función beneficiosa, ya que suelen regular los genes de los que proceden. ^{[ 24 ]}

En el genoma del ratón , Cyp21a2 es un pseudogén y Cyp21a1 es un gen funcional. ^{[ 25 ]} En el pollo y la codorniz , solo hay un gen Cyp21 , cuyo locus se encuentra entre el componente del complemento C4 y el gen TNX, junto con Cenpa . ^{[ 26 ]}

El gen CYP21A2 en humanos se localiza en el cromosoma 6 , en el complejo mayor de histocompatibilidad III (MHC clase III) ^{[ 27 ]} cerca de los genes del componente 4 del complemento C4A y C4B , el gen de la tenascina X TNXB y STK19 . ^{[ 28 ]} El MHC clase III es la región con mayor densidad genética del genoma humano, y contiene muchos genes cuyas funciones o estructuras son desconocidas hasta 2023. ^{[ 29 ] [ 27 ]}

Dentro de la clase III del MHC , CYP21A2 se encuentra dentro del grupo RCCX (una abreviatura compuesta por los nombres de los genes RP (un nombre anterior para STK19 serina/treonina quinasa 19), ^{[ 30 ] [ 31 ]} C4 , CYP21 y TNX ), ^{[ 32 ]} que es el grupo de genes más complejo en el genoma humano. ^{[ 33 ]} El número de segmentos RCCX varía entre uno y cuatro en un cromosoma , ^{[ 30 ]} con una prevalencia de aproximadamente 15% para monomodular, 75% para bimodular ( STK19-C4A-CYP21A1P-TNXA-STK19B-C4B-CYP21A2-TNXB ), ^{[ 31 ] [ 34 ]} y 10% para trimodular en europeos. ^{[ 35 ]} La estructura cuadrimodular de la unidad RCCX es muy rara. ^{[ 36 ] [ 30 ] [ 35 ]} En una estructura monomodular, todos los genes son funcionales, es decir, codifican proteínas , pero si el número de módulos es dos o más, solo hay una copia de cada gen funcional, el resto son pseudogenes no codificantes con la excepción del gen C4 que siempre tiene copias activas. ^{[ 30 ] [ 35 ]}

Debido al alto grado de homología entre el gen CYP21A2 y el pseudogén CYP21A1P , y a la complejidad del locus RCCX, resulta difícil realizar diagnósticos moleculares para CYP21A2 . El pseudogén puede presentar polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) idénticos o similares a los del gen funcional, lo que dificulta su distinción. Además, el pseudogén puede recombinarse con el gen funcional, creando genes híbridos con características de ambos. Esta recombinación puede generar resultados falsos positivos o falsos negativos al analizar los SNP en CYP21A2 . ^{[ 37 ]}

La tecnología de secuenciación del genoma completo se basa en dividir el ADN en pequeños fragmentos, secuenciarlos y luego reensamblarlos según sus solapamientos. Sin embargo, debido a la alta homología y variabilidad del CYP21A2 y su pseudogén, los fragmentos no pueden asignarse inequívocamente a ninguna de las copias del gen. Esta ambigüedad puede provocar errores o huecos en el ensamblaje, o la omisión de algunas variantes presentes en el gen. ^{[ 38 ] [ 37 ]}

La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) es un método de diagnóstico molecular que utiliza cebadores selectivos para amplificar segmentos específicos de la secuencia de ADN relevantes para el diagnóstico o la detección de una determinada enfermedad o afección. Si los cebadores no se diseñan cuidadosamente, pueden unirse tanto al pseudogén CYP21A2 como al CYP21A1P , o a diferentes segmentos del clúster RCCX, lo que puede dar lugar a resultados falsos positivos o falsos negativos. Por lo tanto, la PCR para el CYP21A2 requiere el uso de cebadores específicos del locus que puedan distinguir entre el gen y el pseudogén, y entre diferentes módulos RCCX. Además, la PCR puede no ser capaz de detectar variantes complejas como grandes conversiones génicas , deleciones o duplicaciones , frecuentes en el caso del CYP21A2 . ^{[ 39 ] [ 40 ] [ 38 ]}

La transferencia Southern , un método utilizado para detectar y cuantificar una secuencia de ADN específica en muestras de ADN, también presenta limitaciones en el análisis del gen CYP21A2 . Este método consume mucho tiempo y requiere una gran cantidad de ADN de buena calidad, lo que lo hace menos aplicable en entornos de diagnóstico rutinario. Además, implica un riesgo biológico radiactivo, lo que plantea problemas de seguridad y lo convierte en un proceso laborioso. La transferencia Southern no puede detectar los sitios de unión de quimeras. El gen CYP21A2 es propenso a desajustes y reordenamientos, produciendo diferentes tipos de variaciones complejas que incluyen variantes del número de copias , grandes conversiones genéticas , pequeñas inserciones / deleciones y variantes de un solo nucleótido (SNP). La transferencia Southern no es capaz de detectar todos estos tipos de variantes simultáneamente. Además, la transferencia Southern requiere un análisis genético de los padres, lo cual no siempre es factible o práctico. ^{[ 38 ] [ 41 ]}

Por lo tanto, para analizar con precisión el gen CYP21A2, se necesita un método más especializado y sensible, como la secuenciación dirigida de lectura larga , que permite secuenciar fragmentos de ADN más largos y obtener más información sobre la estructura y la variación del gen. Sin embargo, este método no está ampliamente disponible ni es asequible para uso clínico. ^{[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]}

La esteroide 21-hidroxilasa pertenece a la familia de enzimas monooxigenasas del citocromo P450 . Esta proteína tiene 494 residuos de aminoácidos y un peso molecular de 55 000. Su homología con otras enzimas P-450 estudiadas es de un máximo del 28 %. ^{[ 45 ]}

Estructuralmente, la proteína contiene un núcleo conservado evolutivamente de cuatro haces de hélices α (la importancia de dicha conservación genética radica en demostrar la importancia funcional de este aspecto de la estructura de esta proteína). Además, posee dos hélices α adicionales, dos conjuntos de láminas β y un bucle de unión al cofactor hemo . ^{[ 46 ]} Cada subunidad de la enzima humana consta de un total de 13 hélices α y 9 hebras β que se pliegan en una estructura terciaria similar a un prisma triangular . ^{[ 12 ]}

El grupo hemo de hierro(III) que define el sitio activo reside en el centro de cada subunidad. La enzima humana se une a un sustrato a la vez. ^{[ 12 ]} En contraste, la enzima bovina, bien caracterizada, puede unirse a dos sustratos. ^{[ 47 ]} La enzima humana y la bovina comparten un 80 % de identidad en la secuencia de aminoácidos , pero son estructuralmente diferentes, particularmente en las regiones de bucle, y también se evidencia en los elementos de estructura secundaria . ^{[ 12 ]}

Se pueden encontrar variaciones de la esteroide 21-hidroxilasa en todos los vertebrados . ^{[ 48 ]}

Cyp21 surgió por primera vez en cordados antes de la especiación entre cordados basales y vertebrados. ^{[ 49 ]} La lamprea marina , una especie de pez sin mandíbulas primitiva que se originó hace más de 500 millones de años, proporciona información valiosa sobre la evolución y el surgimiento de Cyp21 . Las lampreas marinas carecen de la enzima 11β-hidroxilasa responsable de convertir 11-desoxicortisol en cortisol , como se observa en los mamíferos. En cambio, dependen de 11-desoxicortisol, un producto de una reacción catalizada por CYP21, como su principal hormona glucocorticoide con propiedades mineralocorticoides. Esto sugiere la presencia de una vía de señalización de corticosteroides compleja y altamente específica que surgió hace al menos quinientos millones de años durante la evolución temprana de los vertebrados. ^{[ 50 ]}

En vertebrados como peces, anfibios, reptiles, aves y mamíferos, Cyp21 participa en la biosíntesis de glucocorticoides y mineralocorticoides; por lo tanto, Cyp21 es esencial para la regulación de la respuesta al estrés, el equilibrio electrolítico y la presión arterial, el sistema inmunitario y el metabolismo en vertebrados. ^{[ 51 ]}

Cyp21 está relativamente conservado entre los mamíferos y muestra algunas variaciones en su estructura, expresión y regulación. ^{[ 51 ]} Los macacos Rhesus y los orangutanes poseen dos copias de Cyp21 , mientras que los chimpancés tienen tres; sin embargo, un pseudogén ( CYP21A1P ) solo está presente en los humanos entre los primates. ^{[ 52 ]}

La esteroide 21-hidroxilasa se localiza en los microsomas de las membranas del retículo endoplasmático dentro de la corteza suprarrenal . ^{[ 10 ]} Es una de las tres enzimas esteroidogénicas microsomales del citocromo P450, siendo las otras la esteroide 17-hidroxilasa y la aromatasa . ^{[ 53 ]}

A diferencia de otras enzimas de la superfamilia del citocromo P450 que se expresan en múltiples tejidos, con la expresión más abundante en el hígado, en los humanos adultos la esteroide 21-hidroxilasa, junto con la esteroide 11β-hidroxilasa y la aldosterona sintasa , se expresa casi exclusivamente en la glándula suprarrenal. ^{[ 54 ] [ 55 ]}

A partir de 2023,Se desconoce la principal localización subcelular de la proteína codificada en las células humanas, y está pendiente de análisis celular. ^{[ 56 ]}

La enzima esteroide 21-hidroxilasa hidroxila los esteroides en la posición C21. ^{[ 13 ]} Los esteroides son un grupo de compuestos orgánicos naturales y sintéticos que comparten una estructura primaria de cuatro anillos. La enzima cataliza la reacción química en la que se añade el grupo hidroxilo (-OH) en la posición C21 de la biomolécula esteroidea . Esta posición se encuentra en una cadena lateral del anillo D.

Esta enzima pertenece a la superfamilia de enzimas monooxigenasas del citocromo P450 . Las enzimas del citocromo P450 catalizan numerosas reacciones implicadas en el metabolismo de fármacos y en la síntesis de colesterol , esteroides y otros lípidos .

La esteroide 21-hidroxilasa es esencial para la biosíntesis de cortisol y aldosterona . ^{[ 57 ] [ 58 ]}

Esquema de reacción que muestra la hidroxilación de la progesterona (arriba) y la 17α-hidroxiprogesterona (abajo).

La esteroide 21-hidroxilasa es una enzima del citocromo P450 que se caracteriza por su especificidad de sustrato y su eficiencia catalítica relativamente alta . ^{[ 48 ]}

Al igual que otras enzimas del citocromo P450, la esteroide 21-hidroxilasa participa en el ciclo catalítico del citocromo P450 y realiza una transferencia de un electrón con la NADPH - P450 reductasa . La esteroide 21-hidroxilasa es altamente específica para la hidroxilación de la progesterona y la 17-hidroxiprogesterona. Esta especificidad contrasta notablemente con la enzima P450 17-hidroxilasa , relacionada evolutiva y funcionalmente, que tiene un amplio rango de sustratos. ^{[ 59 ]}

La reacción química en la que la esteroide 21-hidroxilasa cataliza la adición de hidroxilo (-OH) a la posición C21 de la progesterona , 17α-hidroxiprogesterona y 21-desoxicortisona ^{[ 60 ]} fue descrita por primera vez en 1952. ^{[ 61 ]}

Estudios de la enzima humana expresada en levadura clasificaron inicialmente a la 17-hidroxiprogesterona como el sustrato preferido para la esteroide 21-hidroxilasa, ^{[ 59 ] [ 62 ] [ 63 ]} sin embargo, análisis posteriores de la enzima humana purificada encontraron una K _M más baja y una mayor eficiencia catalítica para la progesterona sobre la 17-hidroxiprogesterona. ^{[ 12 ]}

La eficiencia catalítica de la esteroide 21-hidroxilasa para la conversión de progesterona en humanos es de aproximadamente 1,3 × 10⁷ ^M⁻¹ s⁻¹ ^a 37 °C. Esta eficiencia la convierte en la enzima P450 catalíticamente más eficiente de las reportadas hasta la fecha, y catalíticamente más eficiente que la enzima esteroide 21-hidroxilasa bovina estrechamente relacionada ^. [ 14 ^{] Se cree} que la ruptura del enlace CH para crear un radical de carbono primario es el paso limitante de la velocidad en la hidroxilación. ^{[ 12 ]} 

• enzima esteroidogénica
• Deficiencia de citocromo P450 oxidorreductasa

Este artículo incorpora texto de la Biblioteca Nacional de Medicina de los Estados Unidos , que es de dominio público .