УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2008, том 128, № 5, с. 467-480
УДК 577.15; 616.894-053.9:616-092.9
БИОХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ Р-АМИЛОИДНЫХ ПЕПТИДОВ
В КЛЕТКАХ МОЗГА
© 2008 г. Е. А. Косенко, Ю. Г. Каминский
Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Пущино, Московская область
Рассмотрены современные данные о происхождении и свойствах AP-пептидов, их влиянии на разнообразные метаболические процессы в клетках мозга. Основное внимание уделено митохондриаль-ным, цитоплазматическим, ядерным и лизосомным ферментам, на которые воздействуют AP-пеп-тиды.
Р-Амилоидный пептид (ЛР-пептид) - это низкомолекулярный белок, компонент амилоидных отложений, известных как внеклеточные сениль-ные бляшки, которые вызывают медленную дегенерацию нейронов в мозге при болезни Альц-геймера [98].
Болезнь Альцгеймера (БА) представляет собой наиболее распространенное прогрессирующее нейродегенеративное заболевание, которое приводит к резкому ухудшению качества жизни и к гигантским экономическим нагрузкам на медицинскую помощь в странах, имеющих необходимые ресурсы и готовых их использовать на благо населения. Клинически болезнь характеризуется нарушением памяти и когнитивных функций, наличием (посмертно) в головном мозге сенильных бляшек и нейрофибриллярных клубков. Болезнью поражены приблизительно 15 миллионов человек в мире, и ожидается, что их количество к 2050 году утроится [44]. Все более актуальна необходимость разработки терапии или превентивных мероприятий. В настоящее время не существует ни определенных диагностических средств [73], ни эффективной прижизненной терапии, так что каждый пациент обречен на умирание.
Более того, такая драматическая тенденция диктует расширение знаний по теории БА и связанных с нею явлений в организме. Не может быть достигнуто своевременного лечения в таких масштабах без проведения много более масштабных фундаментальных исследований.
Главным убийцей клеток мозга при БА считается ЛР-пептид. Несмотря на огромную работу по характеристике действия Лр-пептидов, молекулярный механизм этого действия далек от полного выяснения.
ЧТО ТАКОЕ Лр-ПЕПТИД?
ЛР-пептид - это обычный растворимый метаболит, обнаруживаемый в здоровом организме повсеместно: в плазме крови, ткани мозга, спин-
номозговой жидкости, моче, других органах и тканях, клетках и жидкостях [98]. Особенность его в том, что его молекулы могут "слипаться" в цитотоксичные фибриллы. Однако у грызунов (на которых обычно проводятся экспериментальные работы) ЛР-пептид не обладает способностью образовывать молекулярные агрегаты - такие, как растворимые олигомеры и нерастворимые бляшки [12].
ТИПЫ Лр-ПЕПТИДОВ
Физико-химические свойства AP-пептида не предопределены. Он подобен белку-хамелеону: может состоять или не состоять из одних и тех же аминокислот с одним и тем же их количеством. Иначе говоря, AP-пептид не один, но является представителем целого класса белков, отличающихся между собой структурой и функцией. Например, AP-пептид человека (Swiss-Prot P05067), как и коровий (Swiss-Prot Q28053), свиной (Swiss-Prot P79307) AP-пептиды и аналогичный пептид шимпанзе [34], по своей структуре отличен от AP-пептидов мыши [117] или крысы (Swiss-Prot P08592).
Если заглянуть в каталог фирмы Sigma Chemical Co. за 2006-2007 годы, можно увидеть множество AP-пептидов, имеющихся в наличии и предлагаемых к продаже. Эти пептиды составлены из разных количеств аминокислотных остатков: 112, 1-16, 1-20, 1-28, 1-38, 1-40, 1-42, 1-43, 10-20, 10-35, 12-28, 15-20, 17-28, 17-40, 22-35, 25-35, 34-42 - с молекулярными массами (ММ) от 1200 до 4600.
С помощью моноклонового антитела 6E10 и комбинированного метода масс-спектроскопии с усиленной поверхностью времяпролетной лазерной десорбцией/ионизацией образца (SELDI-TOF-MS) в спинномозговой жидкости здоровых лиц и пациентов с БА обнаружены многочисленные разновидности AP-пептида: AP2-14, AP1-17, AP1-18,
467
3*
Aß1-33, Aß1-34, Aß1-37, Aß1-38, Aß1-39, Aß1-40 и Aß1-42
[74].
Вводимый внутривенно мышам Aß1-40 быстро деградирует в организме с периодом полураспада в 2.5-3 мин; уже через 5 мин после введения в желчи обнаруживаются такие конечные продукты, как Aß6-39, Aß 1-33, Aß4-36, Aß6-20, Aß3-35, Aß4-37, Aß1 -37 Aß1 -38 Aß1 -39 Aß 1-40 [39].
Все аминокислоты, составляющие Aß-пепти-ды, представлены L-формами, поскольку D-ами-нокислоты не подвергаются протеолитическим преобразованиям в мозге [30].
ПРОИСХОЖДЕНИЕ Aß-ПЕПТИДОВ
После долгих изысканий, дискуссий и соглашений была окончательно принята точка зрения, в соответствии с которой Aß-пептиды являются осколками большого белка-предшественника амилоидов (APP) и происходят из APP в результате посттрансляционного протеолиза, или процес-синга [98].
Каждый Aß-пептид - не только одиночный продукт, но и глубоко случайный, не всегда образуемый протеолитический продукт. Чтобы понять это более детально, следует подробно рассмотреть метаболические пути APP.
Хотя БА возникает спорадически в 95% случаев [46] или даже более чем в 98% случаев [16], исследования процессинга APP основываются на данных, полученных на генетическом уровне, т.е. на статических данных.
Ген APP человека кодирует три главных изо-формы APP695, APP751 и APP770 [67] и семь минорных изоформ (APP305, APP639, APP677, APP696, APP714, APP733, APP752) (Swiss-Prot P05067). Первая изоформа, APP695, - преобладающая форма в нервных тканях, APP751 и APP770 широко экспрессируются в клетках, отличных от нервных клеток, а T-лимфоциты наиболее богаты изоформой APP751. Структурно APP695 отличается от APP770 отсутствием фрагмента 290364, а APP751 - отсутствием фрагмента 346-364. Негласно предполагается, что все три изоформы APP являются участниками одного и того же про-цессинга.
Рис. 1 иллюстрирует схематически структуру APP770 человека и его внутренних фрагментов, рис. 2 - процессинг APP.
APP770 является трансмембранным гликопро-теидом типа I (один раз пересекающим клеточную мембрану) с ММ86943 Да, длиной в 770 аминокислотных остатков, из которых 1-699 находятся вне клетки (нумерация от N-конца), 700-723 в мембране и 724-770 в цитоплазме. Он может расщепляться либо а-секретазой по связи Lys687-Leu688, либо альтернативно ß-секретазой по связи Met671-Asp672; затем отщепленные продукты мо-
гут далее расщепляться у-секретазоп по трем связям: Val711-Ile712, Ala713-Thr714 и Leu720-Val721, - на рис. 1 обозначенным у(1), у(2) и у(3). СеПчас неизвестно, может ли у-секретаза как-то воздеПство-вать на целыП APP, которыП не был подвержен предварительно расщеплению другими секрета-зами.
Расщепление APP а- или Р-секретазоП ведет к образованию и высвобождению во внеклеточное пространство растворимых фрагментов APPs-а и APPs-Р и удержанием мембраносвязанных C-кон-цевых фрагментов (CTF) С83 и С99 (см. рис. 2) [67]. СледующиП шаг процессинга С83 у-секрета-зоП по связи Val711-Ile712 или Ala713-Thr714 дает пептид P3(40) (аминокислотные остатки 688-711) или P3(42) (остатки 688-713). Это - главныП сек-реторныП и неамилоидогенныП путь. Расщепление С99 у-секретазоП приводит к высвобождению AP-пептидов AP1-40 (аминокислотные остатки 672-711) и Ap1-42 (аминокислотные остатки 672713) - основных амилоидных компонентов амилоидных бляшек, и цитоплазматических фрагментов y-CTF(57) и y-CTF(59) соответственно. Недавнее обнаружение разного деПствия специфического ингибитора цистеиновых протеаз E-64d на продукцию AP1-40 и AP1-42 в трансфектных по APP клеточных культурах позволило предположить, что два AP-пептида могут генерироваться при деПствии двух различных протеаз, названных у40- и у42-секретазами соответственно [36]. Кроме того, цитоплазматическиП фрагмент y-CTF(50) высвобождается у третьего центра деПствия у-секретазы, Leu720-Val721. Пептиды AP1-40 и Ap1-42 могут самоассоциироваться в нерастворимые фибриллы и в таком виде становятся неПро-токсичными. Фибриллы AP1-42 преобладают на поверхности неПрона, тогда как AP1-40 - в кровеносных сосудах мозга.
На APP деПствуют также каспазы. Расщепление каспазоП-3, -6, -8 или -9 по связи Asp739-Ala740 приводит к образованию цитотоксичного пептида С31 и ускоряет продукцию AP-пептидов. Цито-токсичные y-CTF и продукты расщепления APP каспазами, например С31, тоже вовлекаются в гибель неПронов при БА.
AP-пептид человека (Swiss-Port P05067), а также AP-пептиды коровы (Swiss-Prot Q28053), свиньи (Swiss-Prot P79307) и шимпанзе [34] с аминокислотными остатками R676, Y681 и H684 (нумерация от N-конца APP) отличны от AP-пептидов мыши [117] и крысы (Swiss-Prot P08592), имеющих другие остатки: G676, F681 и R684.
Таким образом, если несколько молекул APP находятся в водном растворе, содержащем а-, Р-, у-секретазу и каспазу-3, -6, -8 или -9, следует ожидать, что будет образована смесь всевозможных фрагментов, а именно APPs-а, APPs-Р, C99, C83, y-CTF(57), y-CTF(59), y-CTF(50), Ap^, Ap^,
АРР
Вне клетки
Мембрана
Цитозоль
N
671-672 687-688 699 700 711-714 723-724 739-740
770
Каспаза 3(6, 8, 9)) C
Рис. 1. Схематическая диаграмма APP770, его внутренних фрагментов и пептидных связей, расщепляемых a-, ß- и у-секретазами. Числа в скобках у обозначения пептида означают его размер (в аминокислотных остатках), а интервал между числами - положение пептидного фрагмента вдоль последовательности APP. Другие обозначения: CTF -С-концевой фрагмент; a, ß и у - a-, ß- и у-секретазы; С83 и С99 - мембраносвязанные С-концевые фрагменты APP, отщепляемые а- и ß-секретазами соответственно; APPs-a и APPs-ß - растворимые N-концевые фрагменты APP, отщепляемые а- и ß-секретазами, соответственно; y-CTF - С-концевой фрагмент, отщепляемый у-секретазой. Здесь и далее числа у аминокислотных остатков означают их номера в полипептидной цепи APP.
Неамилоидогенный путь APP(86943 Да) Амилоидогенный путь
Рис. 2. Схема процессинга АРР770. Подробности в тексте. УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ том 128 < 5 2008
P3(42), P3(40) и C31. Конечно, в соответствии с современными знаниями (рис. 2), только два типа AP могут быть образованы в мозге и других тканях: AP1-40 и AP1-42.
Перечисленные ранее разновидности AP-пеп-тидов являются, как правило, фрагментами AP1-42
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.