1.2 Этиология и патогенез заболевания или состояния (группы заболеваний или состояний)

Биотин (витамин H или B7) - это водорастворимый витамин, принадлежащий к комплексу B. Биотин поступает в организм алиментарным путем из рациона и, возможно, в результате синтетической активности желудочно-кишечной микрофлоры. Молекула биотина состоит из гетероциклического кольца с прикрепленных к нему с алифатической стороны карбоксильных групп. Биотин служит коферментом для четырех карбоксилаз: пируваткарбоксилаза (ПК), пропионил КоА карбоксилаза (ПКК), -метилкротонил КоА карбоксилаза (МКК) и ацетил КоА карбоксилаза (АКК). Эти ферменты участвуют в важнейших реакциях промежуточного метаболизма клетки и играют важную роль в глюконеогенезе, синтезе жирных кислот и катаболизме аминокислот [1]. Так, ПК катализирует карбоксилирование пирувата до оксалоацетата (один из ключевых этапов глюконеогенеза, липогенеза и биосинтеза нейротрансмиттеров); АКК катализирует первую стадию биосинтеза жирных кислот (карбоксилирование ацетил-КоА в малонил-КоА), ПКК катализирует карбоксилирование пропионил-КоА в малонил-КоА в метаболизме аминокислот с разветвленной цепью и некоторых жирных кислот; МКК катализирует карбоксилирование 3-метилкротонил-КоА в 3-метилглутаконил-КоА в метаболизме лейцина и изовалериановой кислоты [2]. АКК функционирует главным образом в цитоплазме, тогда как другие четыре голокарбоксилазы функционируют в митохондриях и на внешней митохондриальной мембране.

Каждая из карбоксилаз, для которых биотин является ковалентно связанным кофактором, синтезируется в виде неактивного апофермента, который далее биотинилируется посредством двух частичных реакций, катализируемых ферментом синтетазой голокарбоксилаз. Биотинсодержащие продукты деградации - биоцитин (-N-биотинил-L-лизин) и биотиниловые пептиды - подвергаются действию биотинидазы, которая расщепляет амидную связь между лизином и биотином [3]. Освобожденный биотин рециркулируется и поступает в пул свободного биотина (рис. 1).

Нарушение функции карбоксилаз приводит к накоплению промежуточных субстратов ферментных реакций, контролируемых карбоксилазами. Эти субстраты и их производные оказывают токсическое воздействие на ЦНС и другие ткани, приводя к развитию метаболического ацидоза и вторичной гипераммониемии.

В цикле утилизации биотина у человека есть два основных дефекта: недостаточность биотинидазы (НБ) и недостаточность синтетазы голокарбокислаз (НСГ). Оба заболевания приводят к МНК. НСГ (OMIM 253270), также известная как ранняя (неонатальная) МНК, представляет собой нарушение биотинилирования. НБ (OMIM 253260), также известная как поздняя (ювенильная) МНК, представляет собой нарушение рециркуляции биотина. Дефицит отдельных карбоксилаз встречается редко.

Биотинидаза - белок, состоящий из 543 аминокислот, весом 85 кДа [3]. Кодирующий его ген BTD локализован на коротком плече 3 хромосомы (3p25) и состоит из 4 экзонов и 3 интронов. Общая длина кодирующей последовательности - 1629 пар нуклеотидов [4]. На сегодняшний день известно по меньшей мере о 165 патогенных мутациях в BTD [5]. Наиболее частыми мутациями являются делеция семи нуклеотидов со вставкой трех нуклеотидов c.98_104delGCGGCTGinsTCC (p.Cys33Phefs*36), которая встречается у 60% пациентов с НБ [6], и миссенс-мутация c.1612C > T (p.Arg538Cys) [7]. Обе мутации в гомозиготном или компаунд-гетерозиготном состоянии приводят к тотальной НБ. Также довольно часто встречаются миссенс-вариант c.1368A > C (p.Gln456His); Q456H) и вариант c.1330G > C (p.Asp444His; D444H), которые приводят к полной НБ [8]. Компаунд-гетерозигота c.1330G > C; c.511G > A (p.D444H; A171T) снижает активность биотинидазы на 52% и вместе с вариантами p.Cys33Phefs*36, p.Gln456His и p.Arg538Cys составляет 65% всех случаев НБ [9, 10].

Рисунок 1. Цикл биотина.

Свободный биотин, основным источником которого является пища, активно транспортируется через кишечную мембрану и гематоэнцефалический барьер. Этот свободный пул биотина обеспечивает биотином различные апокарбоксилазы (пируваткарбоксилазу (ПК), ацетил-КоА-карбоксилазу (АКК), пропионил-КоА-карбоксилазу (ПКК) и бета-метилкротонил-КоА-карбоксилазу (МКК)). Синтетаза голокарбоксилаз собирает активные голокарбоксилазы, ковалентно связывая биотин с их активными центрами. Голокарбоксилазы важны для глюконеогенеза, синтеза жирных кислот и катаболизма нескольких аминокислот с разветвленной цепью. Далее голокарбоксилазы протеолитически расщепляются до биоцитина или небольших биотинил-пептидов. Эти соединения расщепляются биотинидазой с образованием лизина и свободного биотина, которые могут поступать в пул свободного биотина, тем самым рециркулируя витамин. АТФ = аденозинтрифосфат.

Синтетаза голокарбоксилаз - белок, состоящий из 726 аминокислот, весом 81 кДа. Кодирующий его ген HLCS локализован на длинном плече 21 хромосомы (21q22) и состоит из 11 экзонов [1]. Общая длина кодирующей последовательности - 240 пар нуклеотидов. В литературе известно по меньшей мере о 35 патогенных вариантах гена HLCS [1]. Одним из частых вариантов является c.1522C > T (p.Arg508Trp; p.R508W), обнаруженный в Таиланде, Китае, Франции, Иране и США [11]. В Японии превалируют патогенные варианты c.710T4C (p.Leu237Pro) и c.780delG (p. G261VfsX20) [12], а в Китае - c.1088T > A (V363D) [13].

Также было показано, что лизиновые остатки гистонов H3 и H4 биотинилируется с помощью синтетазы голокарбоксилаз (in vivo) и биотинидазы (in vitro). Биотинилированные гистоны, вероятно, участвуют в важных биологических функциях, таких как подавление экспрессии генов (сайленсинг), конденсация хроматина, репарация ДНК и пролиферация клеток [14]. Однако, количество биотинилированных гистонов in vivo, согласно исследованиям, составляет < 0,001%, что ставит их физиологическое значение под сомнение [15].