الوحدة الفرعية الأولى من إنزيم سيتوكروم سي أوكسيداز

إنزيم سيتوكروم سي أوكسيداز 1 ( COX1 )، المعروف أيضًا باسم سيتوكروم سي أوكسيداز 1 المشفر في الميتوكوندريا ( MT-CO1 )، هو بروتين يُشفّر بواسطة جين MT-CO1 في حقيقيات النوى . ^{[ 6 ]} يُسمى هذا الجين أيضًا COX1 أو CO1 أو COI . ^{[ 7 ]} يُعد سيتوكروم سي أوكسيداز 1 الوحدة الفرعية الرئيسية لمركب سيتوكروم سي أوكسيداز . في البشر، ارتبطت الطفرات في MT-CO1 باعتلال العصب البصري الوراثي لليبر (LHON)، وفقر الدم الأروماتي الحديدي المكتسب مجهول السبب ، ونقص المركب الرابع ، وسرطان القولون والمستقيم ، والصمم الحسي العصبي ، وبيلة ​​الميوغلوبين المتكررة . ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

يقع جين MT-CO1 في الإنسان بين زوجي النيوكليوتيدات 5904 و7444 على الجزء الثقيل (H) الغني بالجوانين من الحمض النووي للميتوكوندريا . وينتج عن هذا الجين بروتين بوزن 57 كيلو دالتون، يتكون من 513 حمضًا أمينيًا . ^{[ 11 ] [ 12 ]}

الوحدة الفرعية الأولى من إنزيم سيتوكروم سي أوكسيداز (CO1 أو MT-CO1) هي إحدى الوحدات الفرعية الثلاث المشفرة بواسطة الحمض النووي للميتوكوندريا (mtDNA) (MT-CO1، MT-CO2 ، MT-CO3 ) لإنزيم سيتوكروم سي أوكسيداز ، المعروف أيضًا باسم المركب الرابع . يُعد إنزيم سيتوكروم سي أوكسيداز ( EC 1.9.3.1 ) إنزيمًا رئيسيًا في عملية الأيض الهوائي، وهو الإنزيم الثالث والأخير في سلسلة نقل الإلكترون لعملية الفسفرة التأكسدية في الميتوكوندريا . ^{[ 6 ]}

تمثل إنزيمات أكسيداز الهيم-النحاس التي تضخ البروتونات الإنزيمات النهائية المسؤولة عن نقل الطاقة في سلاسل التنفس في بدائيات النوى وحقيقيات النوى . ويشارك المركز ثنائي النواة CuB-heme a3 (أو heme o)، المرتبط بالوحدة الفرعية الأولى الأكبر من إنزيمات أكسيداز السيتوكروم c واليوبيكوينول ( EC 1.10.3.10 )، بشكل مباشر في الربط بين اختزال الأكسجين وضخ البروتونات. ^{[ 13 ] [ 14 ]} وتُولد بعض إنزيمات الأكسيداز النهائية تدرجًا بروتونيًا عبر الغشاء البلازمي (في بدائيات النوى) أو الغشاء الداخلي للميتوكوندريا (في حقيقيات النوى).

يتكون المركب الإنزيمي من 3-4 وحدات فرعية (في بدائيات النوى) إلى 13 عديد ببتيد (في الثدييات)، ولا توجد في جميع مؤكسدات التنفس الهيمية النحاسية إلا الوحدة الفرعية المحفزة (المكافئة للوحدة الفرعية الأولى في الثدييات (COI)). ويشترك جميع أفراد هذه العائلة في وجود مركز ثنائي المعدن (يتكون من هيم عالي الدوران ونحاس B) بالإضافة إلى هيم منخفض الدوران، وكلاهما مرتبط بستة بقايا هيستيدين محفوظة بالقرب من الجانب الخارجي لأربعة امتدادات عبر الغشاء ضمن COI. ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]} وعلى عكس حقيقيات النوى، تتفرع سلسلة التنفس في بدائيات النوى إلى مؤكسدات طرفية متعددة. وتختلف المركبات الإنزيمية في تركيب الهيم والنحاس، ونوع الركيزة، وألفة الركيزة. وتسمح مؤكسدات التنفس المختلفة للخلايا بتخصيص أنظمتها التنفسية وفقًا لمجموعة متنوعة من ظروف النمو البيئية. ^{[ 13 ]}

لقد ثبت أن إنزيم كينول أوكسيداز في البكتيريا الحقيقية مشتق من إنزيم سيتوكروم سي أوكسيداز في البكتيريا موجبة الجرام، وأن إنزيم كينول أوكسيداز في البكتيريا القديمة له أصل مستقل. وتشير أدلة كثيرة إلى أن بكتيريا الزائفة (المعروفة أيضًا باسم البروتيوكتيريا أو البكتيريا الأرجوانية) اكتسبت إنزيم كينول أوكسيداز من خلال انتقال جيني أفقي من البكتيريا موجبة الجرام . ^{[ 13 ]}

يوجد إنزيم مختزل لأكسيد النيتريك ذو صلة ( EC 1.7.99.7 ) في أنواع البكتيريا القديمة والبكتيريا الحقيقية التي تقوم بنزع النتروجين، وهو عبارة عن ثنائي غير متجانس من السيتوكرومين b و c. ويمكن أن يعمل فينازين ميثوسلفات كمستقبل. وقد أشير إلى أن الوحدات الفرعية التحفيزية لأكسيداز السيتوكروم c قد تطورت من إنزيمات مختزلة قديمة لأكسيد النيتريك كانت قادرة على اختزال كل من النيتروجين والأكسجين. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

ترتبط الطفرات في هذا الجين لدى البشر باعتلال العصب البصري الوراثي لليبر (LHON)، وفقر الدم الأروماتي الحديدي المكتسب مجهول السبب ، ونقص المركب الرابع ، وسرطان القولون والمستقيم ، والصمم الحسي العصبي ، وبيلة ​​الميوغلوبين المتكررة . ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

• سيتوكروم سي أوكسيداز من النوع cbb3، الوحدة الفرعية الأولى InterPro : IPR004677 
• سيتوكروم أو يوبيكوينول أوكسيداز، الوحدة الفرعية الأولى InterPro : IPR014207 
• سيتوكروم aa3 كينول أوكسيداز، الوحدة الفرعية I InterPro : IPR014233 
• سيتوكروم سي أوكسيداز، الوحدة الفرعية الأولى، النوع البكتيري InterPro : IPR014241 

يُعدّ جين MT-CO1 من الجينات التي تُستخدم غالبًا كعلامة جينية لتحديد أنواع الحيوانات. ويُناسب تسلسل جين MT-CO1 هذا الدور نظرًا لسرعة معدل طفراته التي تُمكّنه من التمييز بين الأنواع المتقاربة، فضلًا عن كونه محفوظًا بين أفراد النوع الواحد. وعلى عكس الاعتراض الرئيسي الذي أثاره المشككون بأن اختلافات تسلسل MT-CO1 ضئيلة جدًا بحيث لا يُمكن رصدها بين الأنواع المتقاربة، يُلاحظ عادةً تباين في التسلسل يزيد عن 2% بين الأنواع الحيوانية المتقاربة، ^{[ 30 ]} مما يُشير إلى فعالية هذه العلامة الجينية لمعظم الحيوانات. مع ذلك، فإن معدل تطور MT-CO1 بطيء جدًا في معظم النباتات البذرية ، إن لم يكن جميعها. وقد اقتُرح أيضًا أن يكون MT-CO1 جينًا أفضل من ITS (المنطقة الجينية الأكثر شيوعًا في الترميز الجيني للفطريات) لتحديد أنواع الفطريات في التربة . ^{[ 31 ]}

يُعبَّر عن بروتين MT-COI، المعروف أيضًا باسم CCOI، عادةً بمستويات عالية في سيتوبلازم خبايا القولون في الأمعاء الغليظة البشرية . ومع ذلك، غالبًا ما يُفقد بروتين MT-COI في خبايا القولون مع التقدم في العمر لدى البشر، كما أنه غالبًا ما يغيب في العيوب الموضعية التي تؤدي إلى سرطان القولون، وكذلك في أجزاء من سرطانات القولون. ^{[ 32 ]}

يتميز السطح الداخلي الظهاري للقولون بوجود انغمادات تُعرف باسم خبايا القولون. وتتخذ هذه الخبايا شكل أنابيب اختبار مجهرية سميكة الجدران، مع وجود ثقب مركزي يمتد على طول الأنبوب ( تجويف الخبايا ). تُظهر الصورة في هذا المقطع أربعة مقاطع نسيجية، اثنان منها مقطوعان بشكل عرضي على المحور الطولي للخبايا، واثنان آخران مقطوعان بشكل موازٍ للمحور الطولي.

تُظهر معظم خبايا القولون البشري في الصور تعبيرًا عاليًا عن صبغة MT-COI البنية البرتقالية. مع ذلك، تفتقر جميع خلايا بعض خبايا القولون إلى صبغة MT-COI، فتظهر بيضاء في الغالب، مع لونها الرئيسي المتمثل في التلوين الأزرق الرمادي لأنوية الخلايا على الجدران الخارجية للخبايا. وقد أظهر غريفز وآخرون ^{[ 25 ]} أن نقص MT-COI في خبايا القولون يعود إلى طفرات في جين MT-COI. وكما هو موضح في اللوحة (ب)، يبدو أن جزءًا من الخلايا الجذعية لثلاث خبايا يحمل طفرة في MT-COI، بحيث تُشكّل 40% إلى 50% من الخلايا الناشئة عن تلك الخلايا الجذعية جزءًا أبيض في منطقة المقطع العرضي.

في البشر، تقل نسبة الخلايا المعوية التي تفتقر إلى بروتين MT-COI عن 1% قبل سن الأربعين، ثم تزداد خطيًا مع التقدم في العمر. ^{[ 32 ]} في المتوسط، تصل نسبة الخلايا المعوية التي تفتقر إلى بروتين MT-COI إلى 18% لدى النساء و23% لدى الرجال في سن 80-84 عامًا. ^{[ 32 ]} غالبًا ما تنشأ أورام القولون في منطقة من الخلايا المعوية تحتوي على تجمع كبير (يصل إلى 410 خلية) من الخلايا التي تفتقر إلى بروتين MT-COI. في سرطانات القولون، قد تصل نسبة الخلايا السرطانية التي تفتقر إلى بروتين MT-COI إلى 80%. ^{[ 32 ]}

كما هو موضح في اللوحتين (ج) و(د)، يتراوح طول الخبايا بين 75 و110 خلايا تقريبًا. ويبلغ متوسط ​​محيط الخبايا 23 خلية. ^{[ 33 ]} وبناءً على هذه القياسات، يتراوح عدد الخلايا في الخبايا بين 1725 و2530 خلية. وذكر تقرير آخر أن عدد الخلايا في كل خبايا القولون يتراوح بين 1500 و4900 خلية. ^{[ 34 ]}

يشير وجود تجاويف متكررة تفتقر إلى بروتين MT-COI بشكل شبه كامل في خلاياها التي يتراوح عددها بين 1700 و5000 خلية إلى عملية انتقاء طبيعي. ومع ذلك، فقد ثبت أيضًا أن نقص هذا البروتين في تجويف معين، نتيجة طفرة أولية في الحمض النووي للميتوكوندريا، قد يحدث أحيانًا بشكل عشوائي. ^{[ 35 ] [ 36 ]} ومع ذلك، فإن التكرار الملحوظ لنقص بروتين MT-COI في العديد من التجاويف ضمن ظهارة القولون يدل على أن غياب هذا البروتين يوفر على الأرجح ميزة انتقائية.

يُشفّر جين MT-COI بواسطة كروموسوم الميتوكوندريا . توجد نسخ متعددة من هذا الكروموسوم في معظم الميتوكوندريا، عادةً ما بين نسختين وست نسخ لكل ميتوكوندريون. ^{[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]} إذا حدثت طفرة في جين MT-COI في أحد كروموسومات الميتوكوندريون، فقد يحدث انفصال عشوائي للكروموسومات أثناء انشطار الميتوكوندريا لتكوين ميتوكوندريا جديدة. وهذا قد يؤدي إلى ظهور ميتوكوندريون يحتوي بشكل أساسي أو حصري على كروموسومات تحمل طفرة في جين MT-COI.

يحتاج الميتوكوندريون الذي يحمل في معظمه كروموسومات متحولة في جين MT-COI إلى انحياز انتقائي إيجابي ليصبح النوع السائد من الميتوكوندريونات في الخلية (خلية ذات تجانس بلازمي ناقص في جين MT-COI ). يوجد ما بين 100 إلى 700 ميتوكوندريون في كل خلية، وذلك تبعًا لنوع الخلية. ^{[ 38 ] [ 39 ]} علاوة على ذلك، يتميز الميتوكوندريون بدوران سريع نسبيًا، بحيث يمكن للميتوكوندريون الذي يحمل كروموسومات متحولة في جين MT-COI ولديه انحياز انتقائي إيجابي أن يصبح النوع السائد من الميتوكوندريونات في الخلية في وقت قصير. يتراوح متوسط ​​عمر النصف للميتوكوندريا في الجرذان، تبعًا لنوع الخلية، بين 9 و24 يومًا، ^{[ 40 ]} وفي الفئران حوالي يومين. ^{[ 41 ]} من المرجح أن يكون عمر النصف للميتوكوندريا في البشر مسألة أيام إلى أسابيع.

قد تتنافس خلية جذعية في قاعدة إحدى خبايا القولون، والتي تعاني من نقص كبير في بروتين MT-COI، مع الخلايا الجذعية الأخرى البالغ عددها 4 أو 5 خلايا للسيطرة على مكانها. في هذه الحالة، ستعاني جميع خلايا خبايا القولون، التي يتراوح عددها بين 1700 و5000 خلية، من نقص في بروتين MT-COI، كما هو موضح في بعض الخبايا في اللوحات أ، ب، د من الصورة.

يمكن أن تتكاثر خلايا القولون عن طريق الانشطار، كما هو موضح في الشكل (ج)، حيث تنشطر خلية لتكوين خليتين، وفي الشكل (ب) حيث يبدو أن خلية واحدة على الأقل تنشطر. تتواجد معظم الخلايا التي تفتقر إلى بروتين MT-COI في تجمعات (مجموعات من الخلايا) مع وجود خليتين أو أكثر متجاورتين تفتقران إلى هذا البروتين (انظر الشكل (د)). ^{[ 32 ]} يوضح هذا أن مجموعات الخلايا التي تفتقر إلى هذا البروتين غالباً ما تنشأ، وبالتالي فمن المرجح وجود انحياز انتقائي إيجابي سمح لها بالانتشار في ظهارة القولون البشري.

ليس من الواضح سبب وجود تحيز انتقائي إيجابي لنقص إنزيم MT-COI. أحد الاقتراحات ^{[ 32 ]} هو أن نقص MT-COI في الميتوكوندريا يؤدي إلى انخفاض إنتاج الأكسجين التفاعلي (وانخفاض الضرر التأكسدي)، مما يوفر ميزة انتقائية في التنافس مع الميتوكوندريا الأخرى داخل الخلية نفسها لتوليد تجانس بلازمي لنقص MT-COI. اقتراح آخر هو أن الخلايا التي تعاني من نقص في إنزيم سيتوكروم سي أوكسيداز تكون مقاومة للاستماتة، وبالتالي أكثر عرضة للبقاء. يرتبط MT-COI بالاستماتة لأن إنزيم سيتوكروم سي أوكسيداز النشط يؤكسد السيتوكروم سي، الذي بدوره ينشط البروكاسباز 9، مما يؤدي إلى الاستماتة. ^{[ 42 ]} قد يساهم هذان العاملان في شيوع نقص MT-COI في خبايا القولون مع التقدم في العمر أو أثناء التسرطن في القولون البشري.

ضمن مُركّب MITRAC (وسيط تجميع تنظيم الترجمة الميتوكوندرية لأكسيداز السيتوكروم سي) ، يتفاعل البروتين المُشفّر مع COA3 و SMIM20 / MITRAC7 . يُؤدي هذا التفاعل مع SMIM20 إلى تثبيت MT-CO1 المُصنّع حديثًا ومنع تحلّله المُبكر . [ ^{43 ] بالإضافة} إلى ذلك، يتفاعل مع TMEM177 بطريقة تعتمد على COX20 . ^{[ 44 ] [ 9 ] [ 10 ]}