6-Formylindolo(3,2-b)karbazol
|
|
| Nazwy | |
|---|---|
|
Preferowana nazwa IUPAC
5,11-dihydroindolo[3,2- b ]karbazolo-6-karbaldehyd |
|
| Inne nazwy 6-Formylindolo[3,2- b ]karbazol FICZ |
|
| Identyfikatory | |
|
Model 3D ( JSmol )
|
|
| CHEBI | |
| CHEMBL | |
| ChemSpider | |
|
Identyfikator klienta PubChem
|
|
|
Pulpit nawigacyjny CompTox ( EPA )
|
|
|
|
|
|
| Nieruchomości | |
| C19H12N2O _ _ _ _ _ _ | |
| Masa cząsteczkowa | 284,318 g·mol -1 |
|
O ile nie zaznaczono inaczej, dane podano dla materiałów w stanie normalnym (przy 25°C [77°F], 100 kPa).
|
|
6-Formylindolo[3,2- b ]karbazol ( FICZ ) jest związkiem chemicznym o wzorze cząsteczkowym C 19 H 12 N 2 O. Jest heterocyklem azotu , wykazującym niezwykle wysokie powinowactwo (K d = 7 x 10-11 M) do wiązania z receptorem węglowodorów arylowych (AHR).
Pierwotnie zidentyfikowano go jako fotoutlenioną pochodną aminokwasu tryptofanu i zasugerowano, że jest endogennym ligandem AHR. Później pokazano również enzymatyczne tworzenie FICZ.
Występowanie
FICZ można znaleźć w partiach tryptofanu (Trp) iw każdym roztworze, w tym w pożywkach do hodowli komórkowych, zawierających Trp, zwłaszcza jeśli są wystawione na działanie światła ultrafioletowego lub światła widzialnego. W ludzkich keratynocytach ( HaCaT ) hodowanych w pożywce wzbogaconej w Trp, a następnie naświetlanych UVB można było również wykazać tworzenie wewnątrzkomórkowego FICZ. Podobnie FICZ zidentyfikowano i oznaczono ilościowo w Jurkat hodowanych w pożywce wzbogaconej w L-Trp. FICZ został po raz pierwszy zidentyfikowany u ludzi jako sulfokoniugaty , rodzaj metabolitów FICZ, za pomocą chromatografii cieczowej ze spektrometrią mas (LC/MS/MS). FICZ został zidentyfikowany w skórze osób z chorobą bielactwa oraz w ekstraktach skóry pochodzących od pacjentów z chorobami związanymi z Malassezia , łojotokowym zapaleniem skóry (SD) lub łupieżem pstrym (PV). Drożdżaki Malassezia to mikroorganizmy komensalne występujące na skórze wielu zwierząt, w tym ludzi. Gdy drożdże Malassezia furfur hoduje się na agarze zawierającym Trp jako jedyne źródło azotu, wytwarza FICZ i wiele innych pochodnych indolu. Przewód pokarmowy jest bogatym źródłem mikroorganizmów i środowiskiem sprzyjającym powstawaniu indoli i pochodnych indoli. znaleziono prekursory FICZ, np. indolo-3-pirogronian, indolo-3-acetaldehyd (I3A) i tryptaminę .
Biosynteza i mechanizmy powstawania
Oprócz indukowanego światłem lub H2O2 tworzenia FICZ, zidentyfikowano szereg innych szlaków enzymatycznych przekształcających Trp w FICZ poprzez prekursor I3A . Oksydacyjna deaminacja Trp przez aminotransferazy aminokwasów aromatycznych (ArAT) lub L-aminooksydazy (LAAO), z których jedną jest enzym IL4I1 indukowany przez IL4, przekształca Trp w indolo-3-pirogronian, który po dekarboksylacji daje I3A. Enzym aromatyczna dekarboksylaza L-aminokwasu (AADC) daje tryptaminę poprzez dekarboksylację Trp. Tryptamina może być utleniająco deaminowana przez oksydazę monoaminową (MAO-A i B) w celu wytworzenia I3A. Po inkubacji po deaminacji mieszaniny reakcyjnej w nieobecności aktywnego enzymu otrzymano FICZ i produkt jego utleniania, kwas indolo[3,2- b ]karbazolo-6-karboksylowy (CICZ). Tym reakcjom nieenzymatycznym sprzyjało niskie pH lub podwyższona temperatura.
Syntezy chemiczne
Indolo[3,2- b ]karbazole były intensywnie badane jako cele syntetyczne ze względu na ich różnorodne efekty biologiczne i liczne zastosowania w chemii materiałowej. Podwójna indolizacja Fischera do syntezy układu macierzystego indolo[3,2-b]karbazolu została po raz pierwszy opisana przez Robinsona 1963 i od tego czasu została zastosowana do syntezy FICZ i struktur pokrewnych. Opisano bardziej praktyczną syntezę FICZ w skali gramowej przy użyciu łatwo dostępnych i możliwych do uzyskania w handlu materiałów wyjściowych, takich jak 1-(fenylosulfonylo)-1H-indol i 1-(fenylosulfonylo)-1H-indolo-3-karbaldehyd. W celu osiągnięcia gramowych ilości w wieloetapowej syntezie tego karbazolu o zamkniętym pierścieniu o niskiej rozpuszczalności (FICZ), końcowe oczyszczanie metodą chromatografii kolumnowej zastąpiono etapem krystalizacji.
Wiązanie AHR i indukcja genów
Kiedy ligand AHR FICZ o wysokim powinowactwie wiąże się z receptorem, który jest ligandowym czynnikiem transkrypcyjnym , następuje aktywacja wielu docelowych genów. Najlepiej zbadanym z tych docelowych genów jest cytochrom P450 (CYP) 1A1. CYP to nadrodzina enzymów biorących udział w metabolizmie dużej liczby zarówno endogennych, jak i egzogennych związków. Pierwszym związkiem chemicznym uznanym za ligand AHR o wysokim powinowactwie była 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo -p -dioksyna (TCDD). Indukcja CYP przez TCDD jest podtrzymywana, podczas gdy indukcja przez FICZ jest przejściowa z powodu jego szybkiej degradacji metabolicznej przez CYP1A1.
Metabolizm
W pierwszych analizach metabolizmu FICZ wykorzystano ludzki rekombinowany enzym CYP1A1 oraz frakcje S9 przygotowane z komórek wątroby szczura i mysiej Hepa-1. Trzy frakcje HPLC reprezentujące metabolity FICZ występowały z czasem w traktowanym S9 pochodzącym z komórek typu dzikiego, podczas gdy nie wykryto żadnych metabolitów w S9 z komórek z niedoborem CYP1A1. W dalszych analizach metabolitów pochodzących z CYP1A1 wykazano dwa monohydroksylowane metabolity FICZ (2- i 8-hydroksyindolo[3,2- b ]karbazolo-6-karboksyaldehyd) oraz trzy metabolity dihydroksylowane (2,8-, 2,10- i 4 ,8-dihydroksyindolo[3,2- b ]karbazolo-6-karboksyaldehyd) zidentyfikowano metodą LC-MS i spektroskopii jądrowego rezonansu magnetycznego (spektroskopia NMR), a budowę chemiczną metabolitów potwierdzono analizami chemicznymi. Badania kinetyczne z Km użyciem ludzkich rekombinowanych CYP1A1, -1A2 i -1B1 eksprymowanych w E. coli wykazały, że wydajność katalityczna ( stała specyficzności kcat / ) była 5–50-krotnie wyższa dla FICZ niż dla standardowych substratów 7-etoksyresorufiny i 7-metoksyresorufiny i co najmniej 5000-krotnie wyższy w porównaniu z hydroksylacją estrogenów. Wydajność katalityczna dla FICZ jako substratu CYP1A1 ( k cat / K m 8,1x10 7 M -1 s -1 ) jest bliska granicy dyfuzji, a zatem FICZ jest doskonałym substratem CYP1A1, ale jest również bardzo dobrym substratem dla CYP1A2 i CYP1B1. Mono- i dihydroksylowane metabolity FICZ podlegają dalszym przemianom metabolicznym do koniugatów glukuronidowych i siarczanowych. sulfotransferazę (SULT) skutkowały wyraźniejszą redukcją hydroksylowanych metabolitów FICZ niż glukuronidacja . Dalsze badania z użyciem ludzkich rekombinowanych SULT wykazały, że SULT1A1, -1A2, -1B1 i -1E1 wykazywały wysoką wydajność katalityczną, a 2-hydroksylowany FICZ był skuteczniej sprzęgany niż 8-hydroksylowany FICZ. Przy a k cat / Km równym 1,1x10 7 M -1 s -1 z 2-OH-FICZ jako substratem, SULT1A2 wykazywał wyższą wartość niż jakikolwiek inny substrat. Również dihydroksylowane metabolity FICZ są przekształcane w estry kwasu disiarkowego, ale wolniej, z pośrednim tworzeniem monosulfokoniugatów, z których jeden zidentyfikowano w ludzkim moczu.
Pętla sprzężenia zwrotnego FICZ/AHR/CYP1A1
Już w latach 80. Nebert i współpracownicy zaproponowali, że pętla sprzężenia zwrotnego obejmująca endogenny ligand AHR, który jest również substratem dla CYP1A1, reguluje tę sygnalizację. FICZ hamuje aktywność CYP1A1, ale hamowanie jest przejściowe, ponieważ FICZ jest tak wyjątkowo dobrym substratem dla enzymu CYP1A1, a tym samym generuje regulacyjną pętlę sprzężenia zwrotnego AHR. Istnieje kilka substancji, zarówno egzogennych, jak i endogennych, które mogą hamować CYP1A1 i pośrednio prowadzić do gromadzenia się FICZ w komórce, a następnie aktywacji AHR i indukcji CYP1A1. Ten system sprzężenia zwrotnego jest niezbędny dla fizjologicznej funkcji sygnalizacji AHR, ponieważ AHR reguluje równowagę między spoczynkiem a proliferacją dużej liczby komórek, takich jak komórki progenitorowe wewnątrz grasicy, a także hematopoetyczne, płucne i neuro- nabłonkowe komórki macierzyste.
Funkcje fizjologiczne, w których pośredniczy FICZ
Samoodnawianie i różnicowanie komórek macierzystych/progenitorowych
Wydaje się, że AHR odgrywa ważną rolę w prawidłowym rozwoju embrionalnym, a odwracalna represja receptora jest niezbędna do utrzymania pluripotencji embrionalnych komórek macierzystych (ESC). Wykazano, że ekspansja wczesnych progenitorowych mysich hematopoetycznych komórek macierzystych jest promowana przez regulację w dół sygnalizacji AHR przez białko wiążące RNA Musashi-2, a 200 nM FICZ odwraca ten efekt. Ponadto ekspansja indukowanych przez człowieka pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC) została wzmocniona przez inhibitor AHR CH223191. W przeciwieństwie do tego, stosując nowy, pluripotencjalny system hodowli in vitro oparty na komórkach macierzystych, wykazano, że silny ligand AhR FICZ spowodował wykładniczą ekspansję (600-krotny wzrost) hematopoetycznych komórek progenitorowych pochodzących z iPSC (HP) populacje . Ponadto traktowanie FICZ przez dłuższy czas (60 dni) skutkowało postępującą specyfikacją erytroidalną i dojrzewaniem komórek HP. Opisano również różne skutki AHR i FICZ w komórkach nowotworowych i nowotworowych komórkach macierzystych (CSC).
Odpowiedzi immunologiczne
AHR bierze udział w regulacji różnicowania limfocytów T pomocniczych 17 (Th17) i regulatorowych limfocytów T (Treg), co ma znaczenie w leczeniu autoimmunizacji, infekcji i nowotworów. Aktywacja AHR przez FICZ może promować rozwój komórek Th17 powodujących zapalenie i autoimmunizację, ale także promować ekspansję populacji komórek Treg, a tym samym stymulować działania immunosupresyjne. Biorąc pod uwagę szybką metaboliczną degradację FICZ, wydaje się, że nie ma wewnętrznej różnicy w wpływie FICZ i TCDD na różnicowanie komórek T i adaptacyjne odpowiedzi immunologiczne za pośrednictwem komórek T, jak pierwotnie podano. Podobnie FICZ może stymulować lub hamować produkcję cytokin oraz dojrzewanie i homeostazę komórek tucznych in vitro, jak również reakcje anafilaktyczne in vivo, w zależności od dawki i czasu ekspozycji.
Homeostazy bariery immunologicznej
AHR ulega silnej ekspresji w komórkach narządów bariery immunologicznej, takich jak skóra, płuca, jelita i nabłonek błony śluzowej, a także w łożysku. Myszy z niedoborem AHR mają mniej jelitowych wrodzonych komórek limfoidalnych (ILC), które są dominującym źródłem interleukiny 22 (IL-22) i nie przeżywają zakażenia patogenem jelitowym Citrobacter rodentium. Ci sami autorzy donieśli, że u myszy typu dzikiego FICZ zwiększył produkcję IL-22 przez ILC. W innym badaniu codzienne wstrzyknięcia ip 100 μg x kg -1 FICZ dorosłym myszom radykalnie zmniejszyły ich śmiertelność po zakażeniu patogenem jelitowym Listeria monocytogenes . Stockinger i współpracownicy wykazali, że skuteczny klirens metaboliczny FICZ u myszy z nadekspresją Cyp1a1 w nabłonku jelita prowadził do stanu pseudo-AHR, a po zakażeniu Citrobacter rodentium zwierzęta te wykazywały znacznie zmniejszoną liczbę ILC grupy 3 i komórek Th17 i szybko uległ. I odwrotnie, u myszy pozbawionych CYP1A1 lub gdy CYP1A1 był hamowany, obserwowano zwiększoną ochronę przed infekcją jelitową. Skład mysiej mikrobioty komensalnej wpływa na podatność na infekcje przewodu pokarmowego i indukowane zapalenie jelita grubego, a specyficzne składniki tej mikroflory sprzyjają produkcji ligandów AHR, co skutkuje ochroną przed uszkodzeniem jelit wywołanym przez sól sodową siarczanu dekstranu (DSS). Monteleone i współpracownicy poinformowali, że myszy, którym wstrzyknięto FICZ, były chronione przed zapaleniem jelita grubego w kilku eksperymentalnych modelach zapalenia jelita grubego. Ponadto podawanie anty-IL-22 zapobiegło przeciwzapalnemu działaniu FICZ, wykazując, że efekt terapeutyczny FICZ jest przynajmniej częściowo pośredniczony przez IL-22. Wpływ ligandów AhR na odwracanie reakcji zapalnych wykazano również w warunkach klinicznych. Leczenie FICZ blaszki właściwej od pacjentów z chorobą Leśniowskiego-Crohna spowodowało zmniejszenie ekspresji IFN-γ i zwiększenie ekspresji IL-22. Lamas i współpracownicy wykazali, że myszy z dysbiotyczną mikroflorą z powodu braku domeny rekrutacyjnej kaspazy 9 ( CARD9 ) wytwarzały niższe poziomy endogennych agonistów AHR i gorzej regenerowały się po zapaleniu okrężnicy wywołanym przez DSS. Gdy 1 μg FICZ wstrzyknięto dootrzewnowo jeden dzień po podaniu DSS, ciężkość zapalenia okrężnicy u tych zwierząt znacznie się zmniejszyła. Również wadliwa ekspresja IL-22 w okrężnicy i geny kodujące białka przeciwdrobnoustrojowe u myszy Card9 KO mogą zostać odwrócone przez FICZ.
Wydaje się również, że FICZ bierze udział w fizjologicznej regulacji odporności za pośrednictwem Th2 w płucach. In vitro FICZ wyraźnie hamował proliferację limfocytów T indukowaną przez lipopolisacharydy i albuminę jaja kurzego. FICZ również hamował wytwarzanie cytokin typu Th2 w płucach w mysim modelu astmy alergicznej wywołanej albuminą jaja kurzego.
Dynamiczna sygnalizacja AHR odgrywa kluczową rolę w odporności skóry . Kiedy biopsje pełnej grubości ze zmienionej skóry pacjentów z łuszczycą zostały wystawione na FICZ, 29 genów należących do transkryptomu łuszczycy zostało obniżonych. Późniejsze badanie na myszach potwierdziło, że FICZ zmniejsza ekspresję IL-17 i zmniejsza nasilenie łuszczycy. Podobnie FICZ i AHR mogą być zaangażowane w etiologię skórnego tocznia rumieniowatego układowego i atopowego zapalenia skóry . Istnieją również dowody na ważną fizjologiczną rolę FICZ w ekspresji IL-22 w skórze. Wychwyt Trp i wewnątrzkomórkowa akumulacja FICZ w komórkach T γδ skóry jest regulowana przez marker aktywacji CD69 w połączeniu z kompleksem transporter aminokwasów aromatycznych LAT1-CD98. Wyniki te ujawniły znaczenie wychwytu Trp dla zależnego od AHR wydzielania IL-22 przez limfocyty T γδ podczas rozwoju łuszczycy.
Toksyczność FICZ
Wysokie poziomy FICZ mogą wywierać toksyczność zależną od ROS, podczas gdy niskie poziomy mogą przejściowo podnosić lokalne poziomy ROS/Ca2 + , promując w ten sposób adaptację, przeżycie i proliferację komórek. FICZ okazał się silnie embriotoksyczny dla ryb i ptaków. Zarodki danio pręgowanego wykazały dramatycznie zwiększoną śmiertelność i ciężką toksyczność FICZ, gdy CYP1A1 został zahamowany. FICZ jest również endogennym chromoforem, który w stężeniach nanomolowych nasila stres fotooksydacyjny. Fototoksyczność FICZ może być cennym narzędziem w eliminacji komórek raka skóry