21-هيدروكسيلاز

إنزيم ستيرويد 21-هيدروكسيلاز هو بروتين يُشفّر في الإنسان بواسطة جين CYP21A2 . يعمل هذا البروتين كإنزيم يُهدرج الستيرويدات عند الموضع C21 من الجزيء. ^{[ 10 ] [ 11 ]} وتعتمد تسمية الإنزيمات على الركيزة التي تتفاعل معها والعملية الكيميائية التي تُجريها. على المستوى البيوكيميائي، يُشارك هذا الإنزيم في التخليق الحيوي لهرموني الغدة الكظرية ، الألدوستيرون والكورتيزول ، وهما هرمونان مهمان في تنظيم ضغط الدم ، وتوازن الصوديوم ، والتحكم في مستوى السكر في الدم . يقوم الإنزيم بتحويل البروجسترون و 17α-هيدروكسي بروجسترون إلى 11-ديوكسي كورتيكوستيرون و11 -ديوكسي كورتيزول ، على التوالي، ^{[ 12 ] [ 13 ]} ضمن المسارات الأيضية التي تؤدي في النهاية إلى تكوين الألدوستيرون والكورتيزول لدى البشر - وقد يؤدي نقص الإنزيم إلى تضخم الغدة الكظرية الخلقي .

إنزيم ستيرويد 21-هيدروكسيلاز هو أحد أفراد عائلة السيتوكروم P450 من إنزيمات أحادي الأكسجين التي تستخدم عامل مساعد هيم يحتوي على الحديد لأكسدة الركائز.

في البشر، يتمركز الإنزيم في أغشية الشبكة الإندوبلازمية لخلايا قشرة الغدة الكظرية ، ^{[ 14 ] [ 15 ]} ويُشفّر بواسطة جين CYP21A2 المجاور لجين CYP21A1P الكاذب ، الذي يتميز بدرجة عالية من التشابه في التسلسل. هذا التشابه يُصعّب تحليل الجين على المستوى الجزيئي، ويؤدي أحيانًا إلى طفرات فقدان الوظيفة نتيجة لتبادل الحمض النووي بين الجينات .

يُشفّر إنزيم ستيرويد 21-هيدروكسيلاز في البشر بواسطة جين CYP21A2، والذي قد يكون مصحوبًا بنسخة واحدة أو عدة نسخ من الجين الكاذب غير الوظيفي CYP21A1P ، ^{[ 20 ] [ 21 ]} ويتشارك هذا الجين الكاذب 98% من المعلومات الجينية في الإكسونات مع الجين الوظيفي الفعلي. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

تُعدّ الجينات الكاذبة شائعة في الجينومات، وتنشأ كشوائب أثناء عملية التضاعف. وعلى الرغم من أنها تُعتبر في كثير من الأحيان "حمضًا نوويًا غير وظيفي"، فقد أظهرت الأبحاث أن الاحتفاظ بهذه النسخ المعيبة قد يكون له دور مفيد، حيث يُساهم غالبًا في تنظيم الجينات الأصلية. ^{[ 24 ]}

في جينوم الفأر ، يُعدّ Cyp21a2 جينًا كاذبًا، بينما يُعدّ Cyp21a1 جينًا وظيفيًا. ^{[ 25 ]} أما في الدجاج والسمان ، فيوجد جين Cyp21 واحد فقط ، ويقع موضعه بين جين المُتمِّم C4 وجين TNX، إلى جانب جين Cenpa . ^{[ 26 ]}

يقع جين CYP21A2 في الإنسان على الكروموسوم 6، ضمن معقد التوافق النسيجي الرئيسي من النوع الثالث (MHC class III) [27]، بالقرب من جينات المكون 4 للمتممة C4A وC4B، وجين تيناسسين X، وجين STK19 . [ 28 ] يُعد معقد ^{التوافق النسيجي الرئيسي} من النوع الثالث المنطقة الأكثر كثافة جينية في الجينوم البشري ، إذ ^{يحتوي على العديد} من الجينات التي لم تُعرف وظائفها أو بنيتها حتى عام 2023. ^{[ 29 ] [ 27 ]}

يقع جين CYP21A2 ضمن مجموعة جينات RCCX ( وهي اختصار يتألف من أسماء الجينات RP (الاسم السابق لكيناز السيرين/ثريونين STK19 )، ^{[ 30 ] [ 31 ]} وC4 و CYP21 و TNX )، ^{[ 32 ]} وهي أكثر مجموعات الجينات تعقيدًا في الجينوم البشري. ^{[ 33 ]} يتراوح عدد أجزاء RCCX بين جزء واحد وأربعة أجزاء في الكروموسوم الواحد ، ^{[ 30 ]} حيث تبلغ نسبة انتشارها حوالي 15% للوحدات الأحادية، و75% للوحدات الثنائية ( STK19-C4A-CYP21A1P-TNXA-STK19B-C4B-CYP21A2-TNXB )، ^{[ 31 ] [ 34 ]} و10% للوحدات الثلاثية لدى الأوروبيين. ^{[ 35 ]} يُعدّ التركيب الرباعي لوحدة RCCX نادرًا جدًا. ^{[ 36 ] [ 30 ] [ 35 ]} في التركيب الأحادي، تكون جميع الجينات وظيفية، أي مُشفِّرة للبروتين ، ولكن إذا كان عدد الوحدات اثنين أو أكثر، فستكون هناك نسخة واحدة فقط من كل جين وظيفي، أما الباقي فهي جينات كاذبة غير مُشفِّرة، باستثناء جين C4 الذي يحتوي دائمًا على نسخ نشطة. ^{[ 30 ] [ 35 ]}

نظراً للتشابه الكبير بين جين CYP21A2 وجين CYP21A1P الكاذب، وتعقيد موقع RCCX، يصعب إجراء التشخيص الجزيئي لـ CYP21A2 . قد يحتوي الجين الكاذب على تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة (SNP) المطابقة أو المشابهة لتلك الموجودة في الجين الوظيفي، مما يصعب التمييز بينهما. كما يمكن أن يتحد الجين الكاذب مع الجين الوظيفي، مُكَوِّناً جينات هجينة تجمع بين خصائص كليهما. قد يؤدي هذا الاتحاد إلى نتائج إيجابية أو سلبية خاطئة عند اختبار تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة في CYP21A2 . ^{[ 37 ]}

تعتمد تقنية تسلسل الجينوم الكامل على تقسيم الحمض النووي إلى أجزاء صغيرة، وتسلسلها، ثم تجميعها مرة أخرى بناءً على مناطق التداخل بينها. مع ذلك، ونظرًا للتشابه الكبير والتنوع الكبير بين جين CYP21A2 وجينه الكاذب، لا يمكن تحديد موقع الأجزاء بدقة على أي من نسختي الجين. قد يؤدي هذا الغموض إلى أخطاء أو فجوات في عملية التجميع، أو إلى فقدان بعض المتغيرات الموجودة في الجين. ^{[ 38 ] [ 37 ]}

تستخدم تقنية تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) في التشخيص الجزيئي بادئات انتقائية لتضخيم أجزاء محددة من تسلسل الحمض النووي (DNA) ذات الصلة بتشخيص أو الكشف عن مرض أو حالة معينة. إذا لم تُصمم البادئات بعناية، فقد ترتبط بكل من الجين الكاذب CYP21A2 والجين الكاذب CYP21A1P ، أو بأجزاء مختلفة من مجموعة جينات RCCX، مما يؤدي إلى نتائج إيجابية أو سلبية خاطئة. لذلك، يتطلب تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) الخاص بـ CYP21A2 استخدام بادئات خاصة بالموقع قادرة على التمييز بين الجين والجين الكاذب، وبين وحدات RCCX المختلفة. علاوة على ذلك، قد لا يتمكن تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) من الكشف عن المتغيرات المعقدة مثل تحويلات الجينات الكبيرة ، أو الحذف ، أو التضاعف ، وهي شائعة في حالة CYP21A2 . ^{[ 39 ] [ 40 ] [ 38 ]}

تُعدّ تقنية ساوثرن بلوت ، المستخدمة للكشف عن تسلسل الحمض النووي وتحديد كميته في عينات الحمض النووي، محدودةً في تحليل جين CYP21A2 . فهي تستغرق وقتًا طويلاً وتتطلب كمية كبيرة من الحمض النووي عالي الجودة، مما يحدّ من استخدامها في التشخيص الروتيني. كما تنطوي هذه التقنية على مخاطر بيولوجية إشعاعية، مما يثير مخاوف تتعلق بالسلامة ويجعلها مُرهقةً للعمالة. ولا تستطيع تقنية ساوثرن بلوت الكشف عن مواقع الالتحام في الجينات الهجينة. ويُعدّ جين CYP21A2 عرضةً لعدم التطابق وإعادة الترتيب، مما يُنتج أنواعًا مختلفة من التغيرات المعقدة، بما في ذلك تغيرات عدد النسخ ، والتحويلات الجينية الكبيرة ، والإضافات / الحذوفات الصغيرة ، وتغيرات النوكليوتيدات المفردة (SNP). ولا تستطيع تقنية ساوثرن بلوت الكشف عن جميع هذه الأنواع من التغيرات في آنٍ واحد. إضافةً إلى ذلك، تتطلب هذه التقنية تحليلًا جينيًا للوالدين، وهو أمر ليس ممكنًا أو عمليًا دائمًا. ^{[ 38 ] [ 41 ]}

لذا، يتطلب تحليل جين CYP21A2 بدقة استخدام طريقة أكثر تخصصًا وحساسية، مثل التسلسل المستهدف طويل القراءة ، الذي يُتيح تسلسل أجزاء أطول من الحمض النووي، وبالتالي الحصول على معلومات أكثر دقة حول بنية الجين وتنوعه. مع ذلك، لا تتوفر هذه الطريقة على نطاق واسع، كما أنها غير مُيسّرة التكلفة للاستخدام السريري. ^{[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]}

إنزيم ستيرويد 21-هيدروكسيلاز هو أحد أفراد عائلة السيتوكروم P450 من إنزيمات أحادي الأكسجيناز ، ويتكون البروتين من 494 حمضًا أمينيًا بوزن جزيئي يبلغ 55000. ويُظهر هذا الإنزيم تشابهًا بنسبة 28% كحد أقصى مع إنزيمات P-450 الأخرى التي دُرست. ^{[ 45 ]}

يحتوي البروتين، من الناحية البنيوية، على لبٍّ محفوظ تطوريًا يتألف من أربع حزم من حلزونات ألفا (تكمن أهمية هذا الحفظ الجيني في إثبات الأهمية الوظيفية لهذا الجانب من بنية البروتين). إضافةً إلى ذلك، يحتوي على حلزونين ألفا إضافيين، ومجموعتين من صفائح بيتا ، وحلقة ربط عامل الهيم المساعد . ^{[ 46 ]} تتكون كل وحدة فرعية في الإنزيم البشري من 13 حلزون ألفا و9 خيوط بيتا ، والتي تطوى لتشكل بنية ثلاثية الأبعاد تشبه المنشور المثلثي . ^{[ 12 ]}

تقع مجموعة الهيم الحديدية (III) التي تحدد الموقع النشط في مركز كل وحدة فرعية. يرتبط الإنزيم البشري بركيزة واحدة في كل مرة. ^{[ 12 ]} في المقابل، يستطيع الإنزيم البقري، المعروف جيدًا، الارتباط بركيزتين. ^{[ 47 ]} يتشارك الإنزيم البشري والبقري في 80% من تسلسل الأحماض الأمينية ، لكنهما يختلفان بنيويًا، لا سيما في مناطق الحلقات، ويتضح ذلك أيضًا في عناصر البنية الثانوية . ^{[ 12 ]}

يمكن العثور على اختلافات في إنزيم 21-هيدروكسيلاز الستيرويدي في جميع الفقاريات . ^{[ 48 ]}

ظهر إنزيم CYP21 لأول مرة في الحبليات قبل حدوث التمايز بين الحبليات القاعدية والفقاريات. ^{[ 49 ]} يوفر سمك الجريث البحري، وهو نوع مبكر من الأسماك عديمة الفك التي نشأت منذ أكثر من 500 مليون سنة، رؤى قيّمة حول تطور وظهور إنزيم CYP21 . يفتقر سمك الجريث البحري إلى إنزيم 11β-هيدروكسيلاز المسؤول عن تحويل 11-ديوكسي كورتيزول إلى كورتيزول كما هو الحال في الثدييات. وبدلاً من ذلك، يعتمد على 11-ديوكسي كورتيزول، وهو ناتج تفاعل يحفزه إنزيم CYP21، كهرمون جلوكوكورتيكويد أساسي ذي خصائص معدنية قشرية. يشير هذا إلى وجود مسار إشارات كورتيكوستيرويدي معقد وعالي التخصص ظهر منذ نصف مليار سنة على الأقل خلال المراحل المبكرة لتطور الفقاريات. ^{[ 50 ]}

في الفقاريات، مثل الأسماك والبرمائيات والزواحف والطيور والثدييات، يشارك إنزيم Cyp21 في التخليق الحيوي للجلوكوكورتيكويدات والمينيرالوكورتيكويدات، ولذلك، يُعد إنزيم Cyp21 ضروريًا لتنظيم الاستجابة للضغط النفسي، وتوازن الكهارل، وضغط الدم، والجهاز المناعي، والتمثيل الغذائي في الفقاريات. ^{[ 51 ]}

يُعدّ جين Cyp21 محفوظًا نسبيًا بين الثدييات، ويُظهر بعض الاختلافات في بنيته وتعبيره وتنظيمه. ^{[ 51 ]} تمتلك قرود المكاك الريسوسي وإنسان الغاب نسختين من جين Cyp21 ، بينما يمتلك الشمبانزي ثلاث نسخ، ومع ذلك، فإن الجين الكاذب ( CYP21A1P ) موجود فقط لدى البشر بين الرئيسيات. ^{[ 52 ]}

يتواجد إنزيم ستيرويد 21-هيدروكسيلاز في الميكروسومات الموجودة في أغشية الشبكة الإندوبلازمية داخل قشرة الغدة الكظرية . ^{[ 10 ]} وهو أحد ثلاثة إنزيمات سيتوكروم P450 ميكروسومية مُنتجة للستيرويدات، والآخران هما ستيرويد 17- هيدروكسيلاز وأروماتاز . ^{[ 53 ]}

بخلاف الإنزيمات الأخرى من عائلة السيتوكروم P450 الفائقة التي تُعبَّر عنها في أنسجة متعددة، مع أعلى نسبة تعبير في الكبد، فإن إنزيم ستيرويد 21-هيدروكسيلاز، إلى جانب ستيرويد 11β-هيدروكسيلاز وإنزيم ألدوستيرون سينثاز ، يُعبَّر عنه بشكل حصري تقريبًا في الغدة الكظرية لدى البالغين. ^{[ 54 ] [ 55 ]}

اعتبارًا من عام 2023،الموقع الخلوي الرئيسي للبروتين المشفر في الخلايا البشرية غير معروف، وهو قيد التحليل الخلوي. ^{[ 56 ]}

يقوم إنزيم ستيرويد 21-هيدروكسيلاز بهدرجة الستيرويدات عند الموضع C21. ^{[ 13 ]} الستيرويدات هي مجموعة من المركبات العضوية الطبيعية والمصنعة، وتشترك جميعها في بنية أساسية رباعية الحلقات. يحفز هذا الإنزيم التفاعل الكيميائي الذي تُضاف فيه مجموعة الهيدروكسيل (-OH) إلى الموضع C21 من جزيء الستيرويد الحيوي . يقع هذا الموضع على سلسلة جانبية من الحلقة D.

يُعد هذا الإنزيم أحد أفراد عائلة السيتوكروم P450 الفائقة من إنزيمات أحادي الأكسجين . تحفز إنزيمات السيتوكروم P450 العديد من التفاعلات المشاركة في استقلاب الأدوية وتخليق الكوليسترول والستيرويدات والدهون الأخرى .

يُعد إنزيم ستيرويد 21-هيدروكسيلاز ضروريًا للتخليق الحيوي للكورتيزول والألدوستيرون . ^{[ 57 ] [ 58 ]}

مخطط التفاعل الذي يوضح عملية الهيدروكسيل للبروجسترون (أعلى) و 17α-هيدروكسي بروجسترون (أسفل)

إنزيم ستيرويد 21-هيدروكسيلاز هو إنزيم سيتوكروم P450 يتميز بتخصصه في الركائز وكفاءته التحفيزية العالية نسبيًا . ^{[ 48 ]}

على غرار إنزيمات السيتوكروم P450 الأخرى، يشارك إنزيم ستيرويد 21-هيدروكسيلاز في دورة التحفيز للسيتوكروم P450 ، ويتفاعل مع مختزلة NADPH - P450 في عملية نقل إلكترون واحد . يتميز إنزيم ستيرويد 21-هيدروكسيلاز بتخصصه العالي في هيدروكسلة البروجسترون و17-هيدروكسي بروجسترون. ويتناقض هذا التخصص بشكل ملحوظ مع إنزيم P450 ذي الصلة التطورية والوظيفية، 17-هيدروكسيلاز ، الذي يمتلك نطاقًا واسعًا من الركائز. ^{[ 59 ]}

تم وصف التفاعل الكيميائي الذي يحفز فيه إنزيم 21-هيدروكسيلاز الستيرويدي إضافة مجموعة الهيدروكسيل (-OH) إلى الموضع C21 من البروجسترون ، 17α-هيدروكسي بروجسترون و21 -ديوكسي كورتيزون ^{[ 60 ] لأول مرة في عام 1952. [ 61 ]}

صنّفت الدراسات التي أُجريت على الإنزيم البشري المُعبَّر عنه في الخميرة في البداية 17-هيدروكسي بروجستيرون باعتباره الركيزة المفضلة لإنزيم 21-هيدروكسيلاز الستيرويدي، ^{[ 59 ] [ 62 ] [ 63 ]} ومع ذلك، فقد أظهر تحليل لاحق للإنزيم البشري المُنقّى قيمة K_{_M} أقل وكفاءة تحفيزية أكبر للبروجستيرون مقارنةً بـ 17-هيدروكسي بروجستيرون. ^{[ 12 ]}

تبلغ الكفاءة التحفيزية لإنزيم ستيرويد 21-هيدروكسيلاز في تحويل البروجسترون لدى البشر حوالي 1.3 × 10⁷ مول⁻¹ ثانية⁻¹ عند 37 ^درجة مئوية ^. هذه ^{الكفاءة} تجعله أكثر إنزيمات P450 كفاءةً تحفيزيةً من بين تلك التي تم الإبلاغ عنها حتى الآن، وأكثر كفاءةً تحفيزيةً من إنزيم ستيرويد 21-هيدروكسيلاز البقري ذي الصلة الوثيقة. ^{[ 14 ]} يُعتقد أن كسر رابطة CH لتكوين جذر كربوني أولي هو الخطوة المحددة لمعدل الهيدروكسيل. ^{[ 12 ]} 

• إنزيم تكوين الستيرويد
• نقص إنزيم السيتوكروم P450 أوكسيدوريدوكتاز

تتضمن هذه المقالة نصًا من المكتبة الوطنية الأمريكية للطب ، وهو متاح للعموم .