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Cytochrome P450 (CYP) : vue d'ensemble et structure

Les CYP font partie des trois voies enzymatiques principales impliquées dans la synthèse des eicosanoïdes, les deux autres étant (The Biosynthesis of Enzymatically Oxidized Lipids 2020) :

• les cyclooxygénases (COX),
• les lipoxygénases (LOX).

Vue d'ensemble des CYP

1. Chez l'homme, on trouve 57 gènes CYP fonctionnels. Leurs produits forment 18 familles et 41 sous-familles basées sur la séquence d'acides aminés (Human cytochromes P450 in health and disease 2013).

En 2017, au moins six des 57 CYP humains sont orphelins, i.e. sans substrats identifiables connus.

a. La nomenclature est la suivante (Cytochrome P450 Homepage) :

• 

  la superfamille est décrite sous le nom CYP,
• le nombre suivant représente la famille de gènes,
• la lettre majuscule indique la sous-famille,
• le nombre suivant identifie le gène exact.

Un astérisque et un nombre peuvent être ajoutés à la fin pour désigner les allèles ( exemple).

b. Les familles et sous-familles sont basées respectivement sur une identité de séquence d'acides aminés de 40% et 55%.

Par exemple, CYP11A1 est une enzyme mitochondriale qui transforme le cholestérol en prégnénolone, étape limitante de la biosynthèse des stéroïdes.

c. Toutefois, de nombreuses enzymes conservent leur nom historique comme TBXAS1, la thromboxane A synthase, qui est la CYP5A1.

2. Les CYP sont retrouvés dans de nombreux tissus mammaliens, mais en concentration plus forte dans le foie, le cerveau, les reins et les poumons.

• Les CYP des mammifères sont généralement liés aux membranes mitochondriales et au réticulum endoplasmique (Membrane-attached mammalian cytochromes P450: An overview of the membrane's effects on structure, drug binding, and interactions with redox partners 2018).
• Chez l'homme, 50 des 57 gènes fonctionnels du CYP codent pour les CYP microsomales et les sept autres pour les isoformes mitochondriales (Bimodal targeting of microsomal cytochrome P450s to mitochondria: implications in drug metabolism and toxicity 2010).

Les CYP pourraient aussi se trouver dans d'autres compartiments, i.e. membrane plasmique et noyau.

3. Certains CYP sont inductibles par des stimuli environnementaux, tandis que d'autres sont exprimés de manière constitutive (Human cytochromes P450 in health and disease 2013). .

L'induction de l'expression du CYP par des composés environnementaux peut se faire par le biais d'interactions avec des récepteurs nucléaires, des éléments régulateurs de la transcription ou des ARN non codants (Regulation of cytochrome P450 expression by microRNAs and long noncoding RNAs: Epigenetic mechanisms in environmental toxicology and carcinogenesis 2019).

• Le CYP3A4 et le CYP2D6 humains sont les deux principales enzymes métabolisant les médicaments.
• Les altérations du métabolisme des médicaments par les CYP sont souvent responsables de leurs effets indésirables.

Structure des CYP

Les CYP sont composés de deux domaines (Membrane-attached mammalian cytochromes P450: An overview of the membrane's effects on structure, drug binding, and interactions with redox partners 2018).

Domaine catalytique

Vue d'ensemble

Le domaine catalytique C-terminal, dont la taille et la forme peuvent différer selon les CYP, est principalement composé d'hélices α et abrite l'hème C, i.e. groupe prosthétique, dans une cavité profonde.

1. En général, on trouve quatorze hélices, i.e. A, B, Β′, C, D, E, F, G, H, I, J, K, K′, L, parfois plus ( Uncovering of cytochrome P450 anatomy by SecStrAnnotator 2021).

• Les régions d'hélice B-C et F-G sont les moins conservées et contribuent à la spécificité du substrat, en particulier l'hélice B'.
• Ces régions changent de conformation pour l’entrée du ligand et, avec la boucle F-G, forment un toit pour le site actif opposé au plancher de l’hème (What makes a P450 tick 2013).

2. Trois motifs de régions/séquences courtes conservés dans la superfamille CYP (A Novel Thermostable Cytochrome P450 from Sequence-Based Metagenomics of Binh Chau Hot Spring as a Promising Catalyst for Testosterone Conversion 2020).

• (A/G)XXXT, localisée dans l'hélice I, contient la thréonine hautement conservée qui est un motif de liaison et d'activation de l'oxygène ( réaction 3).

Un résidu d'acide glutamique (E) juste avant ce motif dans les CYP4, i.e. EGHDTT dans le CYP4A11 humain, lié par covalence joue un rôle dans le positionnement du substrat pour la ω-hydroxylation, i.e. hydroxylation à l'extrémité méthyle des acides gras (The Crystal Structure of Cytochrome P450 4B1 (CYP4B1) Monooxygenase Complexed with Octane Discloses Several Structural Adaptations for ω-Hydroxylation 2017).

• EXXR contient de l'acide glutamique (E) et de l'arginine (R) conservés qui construisent un ensemble d'interactions de ponts salins qui forment la structure tertiaire finale des enzymes (39).
• FXXGXXXCXG est un domaine de liaison à l'hème qui contient de la phénylalanine, de la glycine et de la cystéine, les trois résidus les plus conservés de la superfamille CYP, dont la cystéine conservée joue le rôle de ligand axial de l'hème (Recent Structural Insights into Cytochrome P450 Function 2016).

3. Le site actif est profondément enfoui dans la structure et est relié à l'extérieur par un réseau complexe de canaux dans lesquels les substrats et les molécules d'O₂ entrent, les produits sortent et les molécules d'eau se déplacent.

Les boucles F/G sont particulièrement impliquées.

4. Enfin, les CYP microsomaux et mitochondriaux forment des oligomères :

• homomères comme CYP2C2,
• hétéromères comme par exemple, CYP1A2/CYP2B4 (Characterization of Interactions Among CYP1A2, CYP2B4, and NADPH-cytochrome P450 Reductase: Identification of Specific Protein Complexes 2018).

Ces différentes interactions fournissent une couche supplémentaire de régulation et jouent un rôle dans la spécificité du substrat.

Petit aparté sur l'hème

Vue d'ensemble

1. L’hème est un cofacteur contenant un atome de fer, servant à accueillir un gaz diatomique, ici l'O₂ au centre d’un large anneau organique appelé porphyrine.

• 

  La porphyrine porphyrine est constituée de quatre noyaux pyrroles (C₄H₄NCH3), chacun composé d'un atome d'azote et de quatre atomes de carbone
• L'atome de fer est fixé au centre de la porphyrine par les atomes d'azote.

Remarque : toutes les métalloporphyrines ne contiennent pas nécessairement un atome de fer.

2. Les hèmes sont présents, outre les cytochromes, dans :

• l'hémoglobine et la myoglobine,
• les catalases,
• l'hème peroxydase,
• l'oxyde nitrique synthase (NOS) endothéliale.

3. La structure des quatre hèmes les plus courants est représentée dans le tableau suivant.

Structure générale		Hème A	Hème B	Hème C	Hème O
	Formule	C49H56O6N4Fe	C34H32O4N4Fe	C34H36O4N4S2Fe	C49H58O5N4Fe
	C3	–CH(OH)CH2Far	–CH=CH2	–CH(cystein-S-yl)CH3	–CH(OH)CH2Far
	C8	–CH=CH2	–CH=CH2	–CH(cystein-S-yl)CH3	–CH=CH2
	C13	–CH=O	–CH3	–CH3	–CH3
	Far		Cystein-S-yl

Hème B des CYP

1. Le site catalytique des CYP abrite un cofacteur, l'hème b, situé entre les hélices I et L.

a. L'hème est lié de manière covalente à l’enzyme via l’atome de soufre d’un résidu cystéine conservé, situé dans la boucle située avant l'hélice L, qui agit comme ligand thiolate axial proximal pour le fer hémique (Recent Structural Insights into Cytochrome P450 Function 2016 et NO and Heme Proteins: Cross-Talk between Heme and Cysteine Residues 2023).

Cette ion thiolate occupe la cinquième position de coordination de l'hème, et une molécule d'eau occupe la sixième position à l'état de repos (Binding of cysteine thiolate to the Fe(III) heme complex is critical for the function of heme sensor proteins 2012).

b. Les portes d'eau coordonnées contrôlées par les chaînes latérales propionate, i.e. -CH2-CH2-COOH de l'hème et leurs partenaires de pont salin facilitent le mouvement de l'eau

c. Une paire acide/alcool conservée, importante pour le cycle actif du P450, est située sur l'hélice I (Structural insights into the role of the acid-alcohol pair of residues required for dioxygen activation in cytochrome P450 enzymes 2020).

2. L'oxydation des CYP est lié à la formation du composé I, i.e. espèce radicalaire de haute valence, i.e. cation fer (IV)-oxo-porphyrine π ( mécanisme catalytique).

• La région de renflement β hautement conservée (FXXGXXXCXG) contenant le ligand thiolate axial de cystéine est rigide de manière à maintenir une distance de liaison hydrogène de deux groupes NH peptidiques (observés dans tous les CYP).
• Ces liaisons hydrogène jouent un rôle dans le contrôle du potentiel rédox du fer héminique, qui serait trop faible pour une réduction par les partenaires rédox sans les liaisons hydrogène.

3. Toutefois, la polyvalence oxydative des CYP est probablement liée à leur plasticité, en particulier au sein du site actif, et à la capacité du cycle catalytique à être initié par l'entrée du substrat oxydable (Conformational Plasticity and Structure/Function Relationships in Cytochromes P450 2010).

D'autre part, des caractéristiques uniques au sein des sites actifs/canaux d'entrée de différentes enzymes CYP modulent la sélectivité des différents substrats et peuvent entraîner différents produits oxydés du même substrat. [51,59,60].

Domaine N-terminal

Le domaine N-terminal est principalement composé de quatre feuillets β, β1 (5 brins), β2 (2 brins), β3 (3 brins), β4 (2 brins) dans leurs structures, avec deux feuillets supplémentaires, β5 et β6, apparaissant parfois (Uncovering of cytochrome P450 anatomy by SecStrAnnotator 2021).

1. Les CYP du réticulum endoplasmique (RE) possèdent une hélice transmembranaire pour les ancrer dans la membranaire, bien que des régions du domaine catalytique y contribue aussi (The Effect of Force-Field Parameters on Cytochrome P450-Membrane Interactions: Structure and Dynamics 2020).

Cette ancre hélicoïdale traverse la bicouche membranaire et est reliée par un lien flexible à un grand domaine globulaire cytosolique qui plonge dans la membrane.

2. Les CYP mitochondriaux en sont dépourvues et leur liaison membranaire est facilitée par les régions hydrophobes et amphipathiques à la surface (The crystal structure of CYP24A1, a mitochondrial cytochrome P450 involved in vitamin D metabolism 2010).

3. L'extrémité N-terminale contient également une séquence peptidique signal pour le trafic vers le compartiment approprié qui, dans le cas des CYP mitochondriaux, est clivée pendant le transport.

Remarque : les CYP des procaryotes ne sont pas des protéines membranaires.

Réactions catalytiques des CYP