6-formylindolo(3,2-b)karbazol
|
|
| Namn | |
|---|---|
|
Föredraget IUPAC-namn
5,11-dihydroindolo[3,2- b ]karbazol-6-karbaldehyd |
|
| Andra namn 6-formylindolo[3,2- b ]karbazol FICZ |
|
| Identifierare | |
|
3D-modell ( JSmol )
|
|
| ChEBI | |
| ChEMBL | |
| ChemSpider | |
|
PubChem CID
|
|
|
CompTox Dashboard ( EPA )
|
|
|
|
|
|
| Egenskaper | |
| C19H12N2O _ _ _ _ _ _ | |
| Molar massa | 284,318 g-mol -1 |
|
Om inte annat anges ges data för material i standardtillstånd (vid 25 °C [77 °F], 100 kPa).
|
|
6-Formylindolo[3,2- b ]karbazol ( FICZ ) är en kemisk förening med molekylformeln C 19 H 12 N 2 O. Det är en kväve heterocykel , med en extremt hög affinitet (K d = 7 x 10 −11 M) för bindning till arylkolvätereceptorn (AHR).
Det identifierades ursprungligen som ett fotooxiderat derivat av aminosyran tryptofan och föreslogs vara den endogena liganden av AHR. Senare visades också enzymatisk bildning av FICZ.
Förekomst
FICZ kan hittas i satser av tryptofan (Trp) och i vilken lösning som helst, inklusive cellodlingsmedia, som innehåller Trp, särskilt om de utsätts för ultraviolett ljus eller synligt ljus. I humana keratinocyter ( HaCaT -celler) odlade i Trp-berikat medium och sedan bestrålade med UVB kunde bildning av intracellulär FICZ också påvisas. På liknande sätt har FICZ identifierats och kvantifierats i Jurkat- celler odlade i L-Trp-berikat medium. FICZ identifierades först hos människor som sulfokonjugat , en typ av metaboliter av FICZ, genom användning av vätskekromatografi-masspektrometri , (LC/MS/MS). FICZ har identifierats i huden hos personer med sjukdomen vitiligo och i hudextrakt som härrör från patienter med de Malassezia -associerade sjukdomarna seborroisk dermatit (SD) eller pityriasis versicolor (PV). Malassezia -jäst är kommensala mikroorganismer som finns på huden hos många djur inklusive människor. När jästfärgen Malassezia furfur odlas på agar som innehåller Trp som den enda kvävekällan producerar den FICZ och en mängd andra indolderivat. Mag-tarmkanalen är en rik källa av mikroorganismer och en gynnsam miljö för bildandet av indoler och indolderivat. Även om FICZ i sig inte har identifierats på ett övertygande sätt i musens kolon, har prekursorerna till FICZ, t.ex. indol-3-pyruvat, indol-3-acetaldehyd (I3A) och tryptamin , hittats.
Biosyntes och mekanismer för bildning
Förutom den ljus- eller H2O2 - inducerade bildningen av FICZ har ett antal andra enzymatiska vägar identifierats för att omvandla Trp till FICZ via prekursorn I3A . Oxidativ deaminering av Trp med aromatiska aminosyraaminotransferaser (ArAT) eller L-aminooxidaser (LAAO), varav en är det IL4-inducerbara enzymet IL4I1, omvandlar Trp till indol-3-pyruvat, som efter dekarboxylering ger I3A. Enzymet aromatiskt L-aminosyradekarboxylas (AADC) ger tryptamin via dekarboxylering av Trp. Tryptamin kan deamineras oxidativt av monoaminoxidas (MAO-A och B) för att producera I3A. Efter inkubation efter deaminering av reaktionsblandningen i frånvaro av ett aktivt enzym genererat FICZ och dess oxidationsprodukt indolo[3,2- b ]karbazol-6-karboxylsyra (CICZ). Dessa icke-enzymatiska reaktioner gynnades av lågt pH eller ökad temperatur.
Kemiska synteser
Indolo[3,2- b ]karbazolerna har studerats intensivt som syntetiska mål på grund av deras olika biologiska effekter och många tillämpningar inom materialkemi. Den dubbla Fischer-indoliseringen för syntes av modersystemet indolo[3,2-b]karbazol rapporterades först av Robinson 1963 och har sedan dess använts för syntes av FICZ och relaterade strukturer. En mer praktisk och gram-skala syntes av FICZ har rapporterats med användning av lätt tillgängliga och kommersiellt erhållbara utgångsmaterial såsom 1-(fenylsulfonyl)-1H-indol och 1-(fenylsulfonyl)-1H-indol-3-karbaldehyd. För att nå grammängder i flerstegssyntesen av denna ringslutna karbazol med låg löslighet (FICZ) ersattes den slutliga reningen genom kolonnkromatografi med ett kristallisationssteg istället.
AHR-bindning och geninduktion
När AHR-liganden FICZ med hög affinitet binder till receptorn, som är en ligandberoende transkriptionsfaktor , sker aktivering av många målgener . Den mest välstuderade av dessa målgener är cytokrom P450 (CYP) 1A1. CYP är en superfamilj av enzymer involverade i metabolismen av ett stort antal både endogena och exogena föreningar. Den första kemiska föreningen som identifierades som en AHR-ligand med hög affinitet var 2,3,7,8-tetraklordibenso -p -dioxin (TCDD). CYP-induktionen av TCDD upprätthålls medan induktionen av FICZ är övergående på grund av dess snabba metaboliska nedbrytning av CYP1A1.
Ämnesomsättning
I de första analyserna av metabolismen av FICZ användes humant rekombinant CYP1A1-enzym och S9-fraktioner framställda från råttlever och mus Hepa-1-celler. Tre HPLC-fraktioner som representerar FICZ-metaboliter förekom med tiden i den behandlade S9 härrörande från vildtypscellerna medan inga metaboliter detekterades i S9 från celler som saknade CYP1A1. I de ytterligare analyserna av de CYP1A1-härledda metaboliterna två monohydroxylerade FICZ-metaboliter (2- och 8-hydroxiindolo[3,2- b ]karbazol-6-karboxaldehyd) och tre dihydroxylerade metaboliter (2,8-, 2,10- och 4 ,8-dihydroxiindolo[3,2- b ]karbazol-6-karboxaldehyd) identifierades med LC-MS och nukleär magnetisk resonansspektroskopi (NMR-spektroskopi) och metaboliternas kemiska struktur bekräftades genom kemiska analyser. Kinetiska studier med human rekombinant CYP1A1, -1A2 och -1B1 uttryckta i E. coli visade att den katalytiska effektiviteten ( var specificitetskonstant kcat / Km ) 5–50 gånger högre för FICZ än för standardsubstraten 7-etoxiresorufin och 7-metoxiresorufin och minst 5000 gånger högre jämfört med hydroxylering av östrogener. Den katalytiska effektiviteten för FICZ som ett CYP1A1-substrat ( k cat / Km för på 8,1x10 7 M −1 s −1 ) ligger nära diffusionsgränsen och därmed är FICZ ett utmärkt CYP1A1-substrat, men är också ett mycket bra substrat CYP1A2 och CYP1B1. De mono- och dihydroxylerade metaboliterna av FICZ är föremål för ytterligare metaboliska förändringar av glukuronid- och sulfatkonjugat. Sulfotransferas (SULT)-katalyserade reaktioner resulterade i en mer uttalad minskning av de hydroxylerade FICZ-metaboliterna än glukuronidering . Ytterligare studier med humana rekombinanta SULT visade att SULT1A1, -1A2, -1B1 och -1E1 uppvisade hög katalytisk effektivitet och 2-hydroxylerad FICZ var mer effektivt konjugerad än den 8-hydroxylerade FICZ. Med en k cat / Km . på 1,1x10 7 M −1 s −1 med 2-OH-FICZ som substrat uppvisade SULT1A2 ett högre värde än för något annat substrat Även dihydroxylerade FICZ-metaboliter omvandlas till disulfosyraestrar men i en långsammare hastighet med mellanliggande bildning av monosulfokonjugat, varav en identifierades i human urin.
FICZ/AHR/CYP1A1 återkopplingsslinga
Redan på 1980-talet föreslog Nebert och medarbetare att en återkopplingsslinga som involverar en endogen AHR-ligand som också är ett substrat för CYP1A1 reglerar denna signalering. FICZ hämmar CYP1A1-aktivitet, men hämningen är övergående eftersom FICZ är ett så exceptionellt bra substrat för CYP1A1-enzymet och därigenom genererar en regulatorisk AHR-återkopplingsslinga. Det finns flera substanser, både exogena och endogena, som kan hämma CYP1A1 och indirekt leda till en ackumulering av FICZ i cellen och en efterföljande aktivering av AHR och induktion av CYP1A1. Detta återkopplingssystem är väsentligt för den fysiologiska funktionen av AHR-signaleringen, eftersom AHR reglerar balansen mellan stillastående och proliferation av ett stort antal celler, såsom intratymiska stamceller, såväl som hematopoetiska, pulmonella och neuro- epitelstamceller.
Fysiologiska funktioner förmedlade av FICZ
Självförnyelse och differentiering av stam-/faderceller
AHR verkar spela viktiga roller i normal embryonal utveckling och reversibel repression av receptorn är avgörande för att upprätthålla pluripotensen hos embryonala stamceller (ESC). Det har visat sig att expansionen av tidiga hematopoetiska stamceller från murina stamceller främjas genom nedreglering av AHR-signalering genom det RNA-bindande proteinet Musashi-2 och 200 nM FICZ vänder denna effekt. Vidare förstärktes expansionen av mänskliga inducerade pluripotenta stamceller (iPSC) av AHR-hämmaren CH223191. Däremot, genom att tillämpa ett nytt, pluripotent stamcellsbaserat in vitro-odlingssystem, visades det att den potenta AhR-liganden FICZ resulterade i en exponentiell expansion (600-faldig ökning) av iPSC-härledda hematopoetiska stamceller (HP) populationer . Dessutom resulterade FICZ-behandling under längre perioder (60 dagar) i en progressiv erytroidspecifikation och mognad av HP-cellerna. Olika effekter av AHR och FICZ i cancerceller och cancerstamceller ( CSC) har också beskrivits.
Immunsvar
AHR är involverad i regleringen av T-hjälpar 17-cell (Th17) och regulatorisk T-cell (Treg) differentiering, vilket är av betydelse för behandling av autoimmunitet, infektioner och cancer. AHR-aktivering av FICZ kan främja utvecklingen av Th17-celler som orsakar inflammation och autoimmunitet, men också främja en expansion av Treg-cellpopulationen och därigenom stimulera immunsuppressiva aktiviteter. Med hänsyn till snabb metabolisk nedbrytning av FICZ verkar det inte finnas någon inneboende skillnad i effekterna av FICZ och TCDD på T-cellsdifferentiering och T-cellsmedierade adaptiva immunsvar som ursprungligen rapporterades. På liknande sätt kan FICZ stimulera eller hämma cytokinproduktion och mognad och homeostas av mastceller in vitro, såväl som anafylaktiska svar in vivo, beroende på dos och tidpunkt för exponering.
Immunbarriärhomeostaser
AHR uttrycks i hög grad i celler i immunbarriärorganen, såsom hud, lungor, tarm och slemhinneepitel, såväl som i placentan. AHR-brist möss har färre intestinala medfödda lymfoida celler (ILC), som är den dominerande källan till interleukin 22 (IL-22) och de överlever inte infektion av tarmpatogenen Citrobacter rodentium . Samma författare rapporterade att hos vildtypsmöss ökade FICZ produktionen av IL-22 av ILC. I en annan studie minskade dagliga ip-injektioner av 100 μg x kg -1 FICZ till vuxna möss dramatiskt deras dödlighet efter infektion med tarmpatogenen Listeria monocytogenes . Stockinger och medarbetare visade att effektiv metabolisk clearance av FICZ hos möss som överuttrycker Cyp1a1 i tarmepitelet ledde till ett pseudo-AHR-bristtillstånd och när de infekterades med Citrobacter rodentium uppvisade dessa djur markant minskat antal grupp 3 ILC och Th17 celler och dukade snabbt under. Omvänt, hos möss som saknade CYP1A1, eller när CYP1A1 hämmades, observerades ett ökat skydd mot tarminfektion. Sammansättningen av den murina kommensala mikrobiotan påverkar känsligheten för gastrointestinala infektioner och inducerad kolit och specifika komponenter i denna mikrobiota främjar produktionen av AHR-ligander vilket resulterar i skydd mot tarmskador inducerade av dextransulfatnatrium (DSS). Monteleone och medarbetare rapporterade att möss injicerade med FICZ skyddades mot kolit i flera experimentella modeller av kolit. Dessutom förhindrade administrering av anti-IL-22 den antiinflammatoriska effekten av FICZ, vilket visar att den terapeutiska effekten av FICZ åtminstone delvis förmedlas av IL-22. Effekten av AhR-ligander för att vända inflammatoriska svar visades också i en klinisk miljö. FICZ-behandling av lamina propria mononukleära celler från patienter med Crohns sjukdom resulterade i minskat IFN-y- uttryck och uppreglering av IL-22. Lamor och medarbetare visade att möss med dysbiotisk mikrobiota på grund av deras brist på kaspasrekryteringsdomän 9 ( CARD9 ) producerade lägre nivåer av endogena AHR-agonister och återhämtade sig sämre från DSS-inducerad kolit. När 1 μg FICZ injicerades ip en dag efter DSS-administrering minskade svårighetsgraden av kolit hos dessa djur signifikant. Det defekta kolonuttrycket av IL-22 och gener som kodar för antimikrobiella proteiner i Card9 KO-möss kunde också vändas av FICZ.
FICZ verkar också vara involverad i den fysiologiska regleringen av Th2-medierad immunitet i lungan. In vitro hämmade FICZ markant den lipopolysackarid- och ovalbumininducerade proliferationen av T-celler. FICZ undertryckte likaså pulmonell Th2-typ cytokinproduktion i en musmodell av ovalbumininducerad allergisk astma.
Dynamisk AHR-signalering spelar nyckelroller i hudens immunitet . När fulltjockleksbiopsier från lesional hud hos patienter med psoriasis exponerades för FICZ, nedreglerades 29 gener som tillhörde psoriasis-transkriptomet. En senare murin studie bekräftade att FICZ minskade IL-17-uttryck och minskade svårighetsgraden av psoriasis. På liknande sätt kan FICZ och AHR vara involverade i etiologin av kutan systemisk lupus erythematosus och atopisk dermatit . Det finns också bevis för en viktig fysiologisk roll för FICZ i uttrycket av IL-22 i huden. Upptaget av Trp och intracellulär ackumulering av FICZ i hudens γδ T-celler regleras av aktiveringsmarkören CD69 i kombination med det aromatiska aminosyra-transportörkomplexet LAT1-CD98. Dessa resultat avslöjade vikten av Trp-upptag för AHR-beroende utsöndring av IL-22 av γδ T-celler under utvecklingen av psoriasis.
Toxiciteten hos FICZ
Höga nivåer av FICZ kan utöva ROS-beroende toxicitet, medan låga nivåer tillfälligt kan höja lokala nivåer av ROS/Ca 2+ och därigenom främja cellulär anpassning, överlevnad och spridning. FICZ har visat sig vara potent embryotoxisk mot fiskar och fåglar. Zebrafiskembryon visade en dramatiskt ökad dödlighet och allvarlig toxicitet av FICZ när CYP1A1 hämmades. FICZ är också en endogen kromofor som vid nanomolära koncentrationer potentierar fotooxidativ stress. FICZ fototoxicitet kan vara ett värdefullt verktyg för att eliminera hudcancerceller