МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2008, том 42, № 5, с. 798-808
УДК 547.96
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ АМИЛОИДОВ: ФАКТЫ И ГИПОТЕЗЫ
© 2008 г. Л. Н. Миронова1*, А. И. Гогинашвили1, М. Д. Тер-Аванесян2
1Кафедра генетики и селекции Санкт-Петербургского государственного университета,
Санкт-Петербург, 199034 2Российский кардиологический научно-производственный комплекс Росмедтехнологий, Москва, 121552
Поступила в редакцию и принята к печати 07.02.2008 г.
Амилоиды - это белковые агрегаты фибриллярной формы, образование которых обусловлено полимеризацией молекул белка, сопровождающейся их конформационной перестройкой с формированием специфичной "кросс-Р"-структуры. Интерес к амилоидам связан в первую очередь с тем, что они являются причиной амилоидозов - обширной группы заболеваний человека и животных. Некоторые из этих заболеваний, обусловленные особой разновидностью амилоидов, называемых прионами, трансмиссивны. Прионные амилоиды описаны не только у млекопитающих, но и у низших эукариот, у которых они выступают в роли нехромосомно наследуемых детерминант. Несмотря на то, что образование амилоидов у человека и животных часто связано с развитием патологий, в последние годы накапливается все больше примеров, говорящих о том, что переход белков в амилоидную, в том числе в прионную, форму может иметь и биологическое значение. Анализу этих примеров, охватывающих широкий круг объектов - от бактерий до млекопитающих - посвящен настоящий обзор.
Ключевые слова: амилоиды, прионы млекопитающих, прионы дрожжей, амилоидозы млекопитающих, белковая наследственность, функции амилоидов.
BIOLOGICAL FUNCTIONS OF AMYLOIDS: FACTS AND HYPOTHESES, by L. N. Mironova1*, A. I. Goginashvili1, M. D. Ter-Avanesyan2 (^Department of Genetics and Selection, St. Petersburg State University, St. Petersburg, 199034 Russia; *e-mail: lmiron@mail.ru; 2Russian Cardiology Research and Production Center, Moscow, 121552 Russia). Amyloids are fibrous protein aggregates which arise due to polymerization of proteins accompanied by their conformational rearrangement and formation of a specific "cross-beta" structure. The interest to amyloids is caused by their relation to a vast group of human and animal diseases called amyloidoses. Some of these diseases caused by prions, a specific type of amyloids, are transmissible. Besides mammals, prion amyloids are described in lower eukaryotes, where they underlie non-chromosomal genetic determinants. Though in humans and animals amyloids are usually associated with pathologies, the increasing number of findings suggests that in some cases acquisition of amyloid or prion form by a protein may be of biological significance. Here, we summarize data on biological significance of prion and non-prion amyloids obtained in a wide range of species, from bacteria to mammals.
Key words: amyloids, mammalian prions, yeast prions, amyloid diseases, protein-based inheritance, functions of amyloids.
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИЯ АМИЛОИДОВ
Амилоиды - это нерастворимые белковые агрегаты, имеющие фибриллярную структуру, и устойчивые к действию протеаз. Амилоидные фибриллы представляют собой линейные полимеры, состоящие из нековалентно связанных между собой молекул белка. Эти полимеры растут за счет присоединения белковых мономеров к их концам; при этом процесс роста сопровождается обогащением присоединяемых мономеров Р-слоями, которые располагаются перпендикулярно оси полимеров (рис. 1).
* Эл. почта: lmiron@mail.ru
Для амилоидов характерно взаимодействие с некоторыми красителями, прежде всего, с конго красным и тиофлавином Т (см. обзор [1]).
Интерес к химической и физической природе амилоидов обусловлен, в первую очередь, их связью с обширной группой заболеваний человека и животных. Эти заболевания объединяют под общим названием амилоидозы. К числу наиболее известных заболеваний этого типа у человека относят амилоидозы центральной нервной системы (болезни Альцгеймера, Паркинсона, Гентингтона), а также сахарный диабет типа 2 и некоторые формы спи-номозжечковой атаксии и катаракты. Патологии, вызываемые накоплением амилоидов, называют
ММ
Амилоидная фибрилла
+
Молекулы белка в нативной конформации
Рис. 1. Схема образования амилоидных фибрилл.
иногда "конформационными" болезнями, поскольку они обусловлены нарушением процессов формирования пространственной структуры белка, специфичного для каждого заболевания или группы заболеваний [1]. Несмотря на общность молекулярных основ этих заболеваний, причины каждого из них могут различаться. В некоторых случаях накопление агрегированной формы белка приводит к физическому разрушению клеток и тканей. В других случаях гибель клеток происходит до образования видимых отложений амилоидного белка, из чего следует, что уже небольшие его олигомеры токсичны для клеток [2].
Классификация амилоидозов сложна и неоднозначна: выделяют системные (поражаются многие органы) и органоспецифичные амилоидозы, первичные амилоидозы (накопление амилоидов приводит к заболеванию) и вторичные (накопление амилоидов обусловлено каким-то другим заболеванием). Наконец, амилоидозы разделяют на неинфекционные и инфекционные (прионные) [3]. Идентификация инфекционных амилоидов, или прионов, у млекопитающих и последовавшее за этим обнаружение прионных наследственных детерминант у низших эукариот стали заметными событиями в биологии и медицине во второй половине 20-го века.
Таким образом, амилоидогенез - это феномен, встречающийся в разных формах у представителей различных систематических групп. Широкое распространение получила точка зрения, согласно ко-
торой амилоидная конформация белка всегда связана с потерей его функции и с развитием патологических процессов в клетках и тканях. Вместе с тем, в последнее время описано довольно много примеров, свидетельствующих о том, что амилоидная структура может быть функциональной формой белка. Известны также случаи, когда признак, приобретаемый клеткой в результате возникнования амилоидной формы какого-то белка, является адаптивным. Примеры такого рода охватывают широкий круг организмов - от бактерий до млекопитающих [1, 4].
АМИЛОИДЫ БАКТЕРИЙ
У грамотрицательной бактерии Escherichia coli обнаружены амилоидные фибриллы, образующие матрикс вокруг клеток (рис. 2). Эти фибриллярные внеклеточные структуры, названные "curli", участвуют в образовании бактериями биопленок, колонизации новых субстратов, в клеточной адгезии [5, 6] и представляют собой полимерную форму белка CsgA. Фибриллы "curli" характеризуются высоким содержанием ß-слоев, они связывают специфические для амилоидов красители конго красный и тио-флавин Т. Белок CsgA образует амилоидные фибриллы и in vitro [7]. За образование этих фибрилл отвечают олигопептидные повторы в белке CsgA, содержащие остатки глицина, глутамина, аспараги-на и ароматических аминокислот [8]. Фибриллы, подобные "curli", образует и другой представитель сем. Enterobacteriaceae - Salmonella spp. Такие фиб-
Рис. 2. Клетка E. coli, окруженная фибриллами "curli"
(фото любезно предоставлено М. Чэпменом, Университет Мичигана, США).
риллы, известные как "tafi", состоят из мономеров белка AgfA - гомолога CsgA, и проявляют амилоидные свойства, аналогичные свойствам "curli" [9]. К настоящему времени структуры, подобные "curli", обнаружены и у других бактерий [10].
Поверхность спор и воздушных гиф, образуемых актинобактерией Streptomyces coelicolor, обладает гидрофобными свойствами. Эти свойства определяют восемь поверхностных белков ChpA, ChpB, ..., ChpH, получивших общее название Чаплины [11]. Чаплины образуют фибриллы, обогащенные ß-слоями, и сходным с амилоидами образом взаимодействуют с тиофлавином Т. Поверхностный гидрофобный слой позволяет гифам преодолевать границу между водной и воздушной фазами, предотвращает склеивание гиф в воздушной среде, а также обеспечивает прикрепление спор к поверхностям, обладающим гидрофобными свойствами [6]. Таким образом, основные свойства амилоидов -жесткость структуры и способность к самосборке -могут использоваться бактериями для создания специализированных поверхностных структур.
Другой пример использования амилоидной формы белка связан с бактериями рода Xanthomonas -патогенами растений, в частности, табака. Патогенные свойства этих бактерий обусловлены особыми белками, названными харпинами. Проникая в межклеточное пространство, харпины вызывают гибель окружающих клеток, дестабилизируя неизвестным пока образом клеточные мембраны. Показано, что биологическая активность одного из этих белков, HpaG, связана с переходом из непатогенного нативного состояния в патогенное фибриллярное, при этом фибриллы HpaG обогащены ß-слоями и по своим физическим свойствам сходны с амилоидами [12]. С помощью мутационного и делеционного анализа в белке HраG выявлены а-спиральные участ-
ки, реорганизация которых в форму Р-слоев сопровождает образование фибрилл. Хотя причины токсичности амилоидной формы HpaG пока неясны, предполагается, что они могут быть сходны с механизмами, лежащими в основе токсичности амилоидов, которые вызывают нейродегенеративные заболевания млекопитающих.
НЕПАТОГЕННЫЕ АМИЛОИДЫ ЭУКАРИОТ
Непатогенные амилоиды можно найти и у эука-риотических организмов, причем они часто связаны с образованием защитных поверхностных структур. Так, например, низкомолекулярные белки, относящиеся к гидрофобинам класса I, образуют плотные гидрофобные монослои на поверхности спор и плодовых тел некоторых грибов [13]. У аскомицета Neurospora crassa гидрофобин EAS образует полимерные фибриллы, которые имеют много общего с амилоидами: для них характерно высокое содержание Р-слоев и связывание конго красного [14]. Таким образом, несомненна функциональная аналогия между гидрофобинами грибов и чаплинами бактерий: белки обоих классов обеспечивают гидрофобные свойства поверхности клеток, образуя амилоидные структуры.
Другим примером использования амилоидных структур для выполнения защитных функций может служить хорион (оболочка яйца) у бабочки An-theraea polyphemus. В составе хориона выделяют около 200 небольших белков, относящихся к дв
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.