БИОХИМИЯ, 2015, том 80, вып. 9, с. 1356 - 1375
УДК 577.112.7
АМИЛОИДЫ: ОТ ПАТОГЕНЕЗА К ФУНКЦИИ*
Обзор
© 2015 А.А. Нижников12**, К.С. Антонец12, С.Г. Инге-Вечтомов1,2
1 Санкт-Петербургский государственый университет, кафедра генетики и биотехнологии, 199034 Санкт-Петербург; факс: +7(812)428-773, электронная почта: ant.nizhnikov@gmail.com
2 Санкт-Петербургский филиал Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН, 199034 Санкт-Петербург
Поступила в редакцию 03.03.15 После доработки 30.03.15
Амилоидами называют фибриллярные белковые агрегаты, имеющие кросс-бета структуру. Они являются предметом пристального внимания специалистов, начиная с середины двадцатого столетия. Это связано, прежде всего, с тем, что амилоиды ассоциированы с десятками неизлечимых патологий, называемых ами-лоидозами, которыми страдают сотни миллионов человек. Вместе с тем сейчас наблюдается смена парадигмы восприятия амилоидов как патогенов, связанная с все возрастающим пониманием их роли в качестве специфического варианта четвертичной структуры белка, необходимого для жизнедеятельности клетки. Так, функциональные амилоиды обнаружены во всех доменах живого мира и выполняют самые разнообразные роли: от образования биопленок у бактерий до регуляции долговременной памяти у животных. Многие прионы, т.е. белки, способные в одинаковых условиях существовать в двух и более конформациях, как минимум одна из которых обладает инфекционными свойствами, также обладают амилоидными свойствами. Существуют веские основания полагать, что известные к настоящему времени амилоиды составляют лишь небольшую долю от их реального числа. Настоящий обзор посвящен ретроспективному анализу ключевых этапов развития биологии амилоидов, приведших в последние десять лет, с одной стороны, к переосмыслению их биологического значения, а с другой — к развитию системной биологии амилоидов — амилоидомики.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: амилоид, прион, белок, бета-слой, дрожжи, амилоидомика, амилоидоз.
НЕОДНОЗНАЧНОСТЬ ПОНЯТИЯ «АМИЛОИД»
Несмотря на то, что изучением амилоидов занимаются сотни лабораторий по всему миру, общепринятое определение понятия «амилоид» до сих пор отсутствует. Во многом это связано с тем, что исследователи, изучавшие амилоиды на ранних этапах развития этого направления, считали таковыми только экстраклеточные фибриллярные белковые включения (преимущественно патологические), образующиеся в тканях человека и животных [1, 2]. Этот подход в ряде случаев используется и сейчас [3, 4].
Исследователи более позднего времени уже не ставили локализацию амилоидов во главу угла, но, по мере накопления данных, уделяли боль-
* Первоначально английский вариант рукописи был опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow), Papers in Press, BM 15-067, 26.07.2015.
** Адресат для корреспонденции.
ше внимания структурным свойствам амилоидных фибрилл. С этой позиции амилоиды могут быть определены как неветвящиеся белковые фибриллы, состоящие из мономеров, сочлененных преимущественно за счет водородных связей между бета-цепями межмолекулярных бета-слоев, расположенных перпендикулярно латеральной оси фибриллы. Такой вариант структуры фибриллы обычно называют «кросс-бета» [5]. Бета-слои в амилоидной фибрилле могут располагаться параллельно друг другу и в регистре (сходные аминокислоты соседних бета-цепей находятся друг над другом и соединены водородными связями) [6—8]. Такое расположение бета-слоев свойственно целому ряду амилоидов, но не всем. Так, установлено, что среди фибрилл, образуемых мутантным вариантом амилоидного пептида-бета человека (1—40 а.о.), присутствуют фибриллы как с параллельной, так и с антипараллельной ориентацией бета-цепей [9, 10], а некоторые короткие амилоидогенные пептиды образуют фибриллы с антипараллель-
ными бета-слоями [11, 12]. Фибриллы приона (инфекционного амилоидного белка) НЕТ-8 ас-комицета Ройоярота апзеппа, по-видимому, представлены специфическим вариантом укладки, называемым бета-спиралями [13]. Таким образом, тонкий анализ амилоидных фибрилл, образуемых различными белками, показывает их структурную разнородность, но позволяет заключить, что действительно универсальным свойством является кросс-бета структура. Следует уточнить, что в реальности амилоидные фибриллы организованы сложнее, поскольку состоят не из одного, а из нескольких белковых полимерных тяжей, называемых протофила-ментами, которые латерально связаны между собой водородными связями. При этом в центре фибриллы может быть полость, а протофила-менты располагаются не линейно, а закручиваются по спирали [14, 15].
Еще один вариант определения амилоидов исходит не из структуры, но из уникальных физических свойств амилоидов. Первым из них является то, что истинно амилоидные фибриллы связывают аффинный к бета-слоям краситель конго красный [16, 17], что вызывает двойную рефракцию в поляризованном свете [18]. Второе состоит в том, что анализируемые на предмет амилоидных свойств белковые агрегаты должны иметь фибриллярную структуру и демонстрировать при двумерной рентгеновской дифракции характерную картину, также названную «кросс-бета» [19]. Определение амилоида в качестве фибриллярного белкового агрегата, демонстрирующего кросс-бета картину при рентгенострук-турном анализе и двойное лучепреломление в поляризованном свете при окрашивании конго красным, также вполне допустимо, хотя описывает не причину, а следствие: оба этих свойства амилоидов возникают из-за наличия у них кросс-бета структуры. Есть и другие особенности, которыми обладает, по крайней мере, существенная доля известных амилоидов (для ряда амилоидов эти свойства просто не проверяли). Наиболее важными из них являются устойчивость амилоидных агрегатов к ионным детергентам [20—22], а также способность связывания флуоресцентных красителей: тиофлавина-Т [23—25] и -8 [26]. В целом можно заключить, что наиболее четким и отражающим причинно-следственную связь является определение амилоида в качестве фибриллярного белкового агрегата, имеющего кросс-бета структуру.
Медицинская значимость амилоидов как летальных патогенов, некоторые из которых обладают и инфекционными свойствами, в настоящее время не вызывает сомнений. Вместе с тем целый ряд открытий преимущественно послед-
него десятилетия привел к полному переосмыслению их биологической роли. В настоящее время амилоиды представляются уже не только летальными патогенами, но и одним из вариантов четвертичной структуры белка, необходимым, в некоторых случаях, для реализации ключевых биологических функций. Настоящий обзор посвящен ретроспективному анализу основных этапов и событий в биологии амилоидов, которые привели в последнее десятилетие, с одной стороны, к пониманию их функциональной значимости, а с другой — заложили фундамент для возникновения системной биологии амилоидов — амилоидомики. Описываемые в работе основные открытия, а также их связь с числом и функциями известных амилоидов, показаны на рисунке. Данные по биоразнообразию патологических и функциональных амилоидов, а также прионов, суммированы в табл. 1—3 соответственно.
ПАТАНАТОМИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ АМИЛОИДОЗОВ (XIX век — настоящее время)
Патологические изменения внутренних органов, являющиеся следствием некоторых ами-лоидозов, известны уже очень давно. Так, Роберт Кайл сообщает [27], что, возможно, первое описание пораженного амилоидозом органа в литературе относится к 1639 г. и сделано в книге «Responsionum and Curationum Medicinalium» медика и драматурга Николао Фонтано (настоящая фамилия Фонтейн) [28]. Фонтано описывает аутопсию подростка, селезенка которого сильно увеличена и содержит крупные белые включения. Чуть позже Томас Бартолин сообщает об аутопсии женщины, чья селезенка была так изменена, что ее можно было с трудом разрезать ножом, а при резке раздавался звук, сходный с тем, что слышен при распиливании древесины [27, 29]. Антуан Порталь, по-видимому, был первым, кто сообщил об амилоидозе печени (1789 г.) [27], а в 1842 г. Карл фон Рокитанс-кий установил, что больные сифилисом, туберкулезом или с ртутным отравлением могут иметь печень, сильно увеличенную в результате инфильтрации серого материала («восковая» печень) [30].
Симптоматические проявления некоторых амилоидозов, особенно нейродегенеративных, также известны уже на протяжении долгого времени. Одним из первых амилоидозов, на который есть достоверные ссылки, является «скрепи» или «почесуха» — летальный инфекционный нейродегенеративный амилоидоз овец, вы-
№ К о
X
к к
ЬР
н о
со о
и а
2015
2005
1990
1980
1970
1950
1900
1850
1600
а
Биология амилоидов
б
2015
2002 Первый амилоид прокариот
2000 Первый
функциональный
амилоид
1994 Прионы дрожжей
1971 Первый
патологический
амилоид
1959 Описание куру
Л О.
ю о о г
1772 Описание скрэли оеец
1639 Предположительно первое описание амилоидоза
£3 I
I
з: х га ш О
г
I сх
■
Функциональные амилоиды
2013 Первый метод лротеомного скрининга амилоид-формирующих белков
2003 Полуденатурирующий гель-электрофорез
2000 Алгоритм поиска амияоидогенных участков по обогащенносги О и N
х
о ^
из
5
О
га
а
Ч
1998 Тверодофазный ЯМР, параллельная и в регистре • архитектура
1982 Устойчивость к детергентам и протеиназам
1971 Расшифровка поел едо ветел ьност и первых амилоидов
1968 Метод Праса
1968 Рентгеновская дифракция, к росс-бе та структура 1964 Дифференциальное центрифугирование
1959 Демонстрация фибриллярных свойств
Прионы ^И
2010
Эу к ар йоты, кроме человека
Патогенные амилоиды
30
32
2000
1922 Связывание амилоидами конго красного
1859 Белковая природа амилоидов
22 "
,1
.22
1980
1854 Окрашивание йодом, Термин "амилоид"_
I
1842 Первое достоверное анатомическое описание амилоидоза
3
оо
а
к
*
а
а *
о и
£
к> о
Схема, иллюстрирующая ключевые достижения в области биологии амилоидов, а также связь этих открытий с числом и функциями известных амилоидов, а — Вертикальными стрелками обозначены направления развития биологии амилоидов, горизонтальными — отмечены даты и ключевые события; б — динамика распределения идентифицированных амилоидов по функциональной и патогенно
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.