IVD — ключевой фермент в расщеплении лейцина, который превращает изовалерил-КоА в 3-метилкротонил-КоА. Если IVD работает неправильно, в организме накапливается токсичная изовалериевая кислота, и развивается изовалериаовая ацидемия (IVA) — тяжелое наследственное заболевание. Оно вызывает рвоту, нарушает кислотно-щелочной баланс и повреждает нервную систему. Хотя мутации в гене IVD давно известны как причина IVA, изучить механизм работы фермента было сложно из-за его изменчивой структуры и особенностей связывания субстратов.

Ученые смогли очистить IVD и с помощью криоэлектронной микроскопии получили его 3D-структуру в свободном состоянии и в комплексе с субстратами — изовалерил-КоА и бутирил-КоА. Оказалось, что человеческий IVD состоит из четырех частей (тетрамер), а каждая его субъединица образует U-образный канал для субстрата, собранный из спиралей и складчатых участков. Такая конструкция позволяет ферменту работать только с короткими разветвленными молекулами, отсеивая слишком длинные.

Криоэлектронная микроскопия (крио-ЭМ) — метод, позволяющий увидеть структуру биомолекул в почти естественном состоянии. Белки быстро замораживают при -180°C, чтобы они не теряли форму, а затем снимают под микроскопом с разных ракурсов. Компьютер объединяет тысячи снимков в 3D-модель.

Результаты опубликованы в издании Research.

IVD относится к семейству ацил-КоА-дегидрогеназ (ACAD), но в отличие от ACADM, который расщепляет прямые цепи из 6-12 атомов углерода, IVD специализируется на коротких разветвленных (C4-C6). В чем разница? В активном центре IVD есть две лейциновые «пробки» (L127 и L290), которые сужают проход и не пропускают молекулы длиннее C7. У ACADM вместо них стоят другие аминокислоты (T121 и V284), и его карман более открыт. Кроме того, у ACADM есть объемные тирозин (Y400) и глутамат (E401), которые ограничивают боковое движение субстратов, а у IVD на их месте — гибкие глицин (G406) и аланин (A407), что позволяет работать с разветвленными цепями.

Главный катализатор реакции — глутамат E286: он отрывает водород от субстрата, а кофермент FAD стабилизирует тетрамер за счет связей с T200, R312 и E411. Мутации, связанные с болезнью (например, A314V или E411K), нарушают связывание FAD или деформируют субстратный карман, снижая активность фермента на 80% и больше. Например, при мутации E411K отрицательно заряженный глутамат заменяется на положительно заряженный лизин, из-за чего FAD плохо держится, а вся структура IVD становится нестабильной. Эти данные помогают точнее диагностировать IVA и прогнозировать тяжесть болезни.

Теперь, когда структура IVD известна, можно разрабатывать лекарства, которые будут стабилизировать мутантный фермент — например, воздействуя на участок связывания FAD или субстратный карман. Кроме того, связь «мутация → структура → функция» позволяет подбирать персонализированное лечение.

Это исследование не только раскрывает механизмы работы IVD, но и дает инструменты для борьбы с редкой, но опасной болезнью.

Главная ценность работы — в переходе от абстрактных генетических данных к конкретным структурным механизмам. Теперь мы понимаем, почему определенные мутации вызывают тяжелые формы IVA, а другие — легкие. Это:

• Повышает точность диагностики — можно предсказать, как поведет себя мутация, даже если она раньше не встречалась.
• Открывает путь к терапии — зная структуру, можно искать молекулы, которые «починят» дефектный фермент. Например, стабилизаторы для мутаций, нарушающих связывание FAD.
• Объясняет избирательность фермента — теперь ясно, почему IVD не работает с длинными цепями, и это поможет в разработке аналогов для биотехнологий.

Однако исследование не ответило на ключевой вопрос: как именно E286 катализирует отрыв водорода? Описана его роль, но не динамика процесса. Для разработки лекарств важно понять, как движутся электроны и протоны в активном центре. Без этого трудно создать препараты, модифицирующие катализ.

Ранее ученые выяснили, как организм восстанавливается после стресса.