УДК 57.052
ЭВОЛЮЦИЯ И МЕХАНИЗМЫ РЕАЛИЗАЦИИ РЕГУЛЯТОРНОЙ СИСТЕМЫ БЕЛКОВ СЕМЕЙСТВА МАКРОГЛОБУЛИНОВ
© 2013 г. В. Н. Зорина, Н. А. Зорин
Государственное бюджетное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования «Новокузнецкий государственный институт усовершенствования врачей» Минздрава России, Новокузнецк
E-mail: macroglobulin@yandex.ru
Представлена информация об эволюции, структуре и механизмах реализации регуляторной системы белков семейства макроглобулинов, включающей в себя альфа-2-макроглобулин и другие белки семейства, их рецепторы, лиганды и факторы, регулирующие их синтез и экспрессию. Продемонстрировано, что большая часть компонентов системы возникла более 500 миллионов лет назад и обнаруживается у большинства форм жизни от бактерий и беспозвоночных, до приматов. Количество представителей семейства в циркуляции и количество субъединиц в их молекулах может варьировать у различных видов, однако базовая структура субъединицы, механизмы взаимодействия с лигандами и рецепторами практически не различаются. Данный механизм взаимодействия крайне примитивен, основан на конформационных изменениях молекулы и изменении изоэлектрической точки комплекса макроглобулин-лиганд или макроглобулин-рецептор, однако особенности его реализации гарантируют его надежность, эффективность и позволяют участвовать в самых разнообразных функциях организма.
Ключевые слова: белки семейства макроглобулинов, альфа-2-макроглобулин, LRP, межклеточные взаимодействия, эволюция белков, биорегуляция.
ВВЕДЕНИЕ
Считается общепринятым, что молекулярные системы регуляции межклеточных взаимодействий эволюционировали от простого к сложному, достигая пика своего развития у позвоночных. В процессе эволюции формировались все более сложные, узко специфичные системы, чутко реагирующие на малейшее внешнее или внутреннее воздействие и направленные на наиболее эффективную и адресную реакцию организма. Однако по мере усложнения механизма и сужения его специализации, значительно возрастало и количество дефектов в его функционировании, а также, зачастую, снижалась скорость реакции. К примеру, немедленно реагирующая на воздействие система врожденного неспецифического иммунитета существует более 1,5 млрд. лет, вполне эффективно функционируя как у членистоногих и червей, так и у млекопитающих, в то время как развившийся около 0,5 млрд. лет назад адаптивный иммунитет, свойственный рыбам, амфибиям, рептилиям, птицам и млекопитающим, несмотря на большую специфичность при распознавании, нуждается в определенном времени для формирования ответа, сложном механизме селекции, отличается значительным количеством сбоев
(от отсутствия реакции на патоген, до формирования аутоиммунной патологии) и, по сути, не может существовать сам по себе (Ярилин, 2010). Таким образом, значительная часть сложных и относительно новых механизмов молекулярной регуляции, развившихся в процессе эволюции, является лишь хрупкой и капризной надстройкой на общем фундаменте древней системы, отличающейся меньшей специфичностью, но полифункциональностью, надежностью и простотой.
Необходимо отметить, что у многих живых организмов ряд молекулярных механизмов при внутреннем взаимодействии и при реакции на внешнее воздействие действительно однотипен и не претерпел кардинальных изменений в процессе эволюции (Armstrong, 2006; Ottaviani et al., 2007; Stavitsky, 2007; Su et al., 2007; Savan et al., 2009). При этом значительная часть подобных реакций и взаимодействий осуществляется, либо контролируется регуляторной системой белков семейства макроглобулинов. Данная группа белков появилась в жидких средах древних беспозвоночных более 0,5-0,7 млрд. лет назад (Armstrong, 2006; Zorin et al. 2006) и с тех пор относительно мало изменилась, не считая минорных вариаций аминокислотного состава у отдельных представителей.
Известно, что представители семейства участвуют в самых разнообразных реакциях, включая воспаление (Liang et al., 2011), первичную защиту организма от патогенной инвазии (Armstrong, Quigley 1999), развитие беременности (Tayade et al., 2005), регуляцию апоптоза клеток (De Souza et al., 2008) и т.п. Однако, для осуществления разнонаправленной химической регуляции широкого спектра биологических процессов, свойств одного белка, даже такого полифункционального как представителя семейства макроглобулинов (Armstrong, Quigley 1999; Birkenmeier, 2001), явно недостаточно. В этой связи, целью данной работы была попытка систематизации представлений об эволюции и механизмах взаимодействия различных компонентов общей регуляторной системы белков семейства макроглобулинов (РСМ) осуществляющей подобную регуляцию, к которой условно можно отнести:
- белки семейства макроглобулинов;
- факторы, модулирующие свойства макроглобулинов путем изменения их конформационного строения и доступности сайтов связывания с рецепторами на их поверхности;
- биологически активные лиганды макроглобулинов;
- рецепторы макроглобулинов на поверхности клеток и их внутренних органелл;
- факторы, регулирующие экспрессию рецепторов макроглобулинов;
- факторы кодирующие и регулирующие биосинтез компонентов РСМ.
БЕЛКИ СЕМЕЙСТВА МАКРОГЛОБУЛИНОВ И ФАКТОРЫ, МОДУЛИРУЮЩИЕ ИХ СВОЙСТВА
Собственно сами молекулы белков семейства (альфа-2-макроглобулин и гомологи) демонстрируют значительную эволюционную консервативность за более чем 0,5 млрд. лет существования (Armstrong, 2006; Zorin et al. 2006). Их основной структурный компонент - субъединица - состоит из 1470 аминокислотных остатков, что соответствует относительной молекулярной массе около 180 кДа. Различные представители макроглобулинов в животном мире (белки семейства обнаружены у ракообразных, моллюсков, рыб, амфибий, рептилий, клещей, насекомых, птиц и млекопитающих) обычно содержат от 1 до 4 субъединиц. У мышевидных грызунов структурная субъединица делится практически пополам, вследствие чего число субъединиц возрастает до 8 (Zorin et al., 2006).
Каждая субъединица макроглобулинов содержит от 1 до 4 атомов цинка. Именно ионы металлов играют важную роль в формировании нативной молекулы белка, связывая между собой отдельные субъединицы. Показано, что полумолекулы тетрамерных и димерные макроглобулины связаны ковалентно через ионы цинка (Petersen, 1993; Mocchegiani et al., 1999). Полумолекулы же образуют тетрамеры посредством связей хелат-ной природы.
Каждая субъединица содержит гидрофобный участок из 16 аминокислотных остатков (Webb et al., 2000). Это участок способствует достаточно прочной фиксации различных соединений - от мелких пептидов до крупных макромолекул на поверхности субъединицы, что и позволяет макроглобулинам осуществлять транспортировку и презентацию весьма широкого спектра биологически активных веществ (Webb et al., 2000; Birkenmeier, 2001; Bond et al., 2007).
Еще одной особенностью субъединицы макроглобулинов является наличие замаскированного тиолового эфира, позволяющего ковалентно присоединять ряд биогенных аминов и ферментов класса гидролаз (Birkenmeier, 2001; Armstrong, 2006). Тиоэфир расположен в глубине полости-ловушки. После расщепления пептидной цепи -зоны приманки, маскирующей ловушку, фермент попадает внутрь и ковалентно фиксируется тиоэфиром, но не утрачивает своих литических свойств, сохраняя способность расщеплять субстраты, проникающие в ловушку (Petersen, 1993; Zorin et al., 1995). Экспрессия тиоэфира способствует конформационной перестройке (уплотнению) молекул макроглобулинов. При этом степень выраженности подобного уплотнения регулируется размерами соединений, захваченных ловушкой. Так максимальное уплотнение наблюдается при реакции с метиламином, в то время как крупная молекула плазмина даже полностью не помещается в ловушке (Kolodziej et al., 1998). Данное уникальное свойство придает молекулам макроглобулинов широкий спектр вариантов пространственной ориентации гидрофобных участков, что обеспечивает дополнительные возможности для захвата лигандов, не реагирующих с нативными (нетрансформированными гидролазами) молекулами (Birkenmeier, 2001; Mettenburg et al., 2005).
БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ЛИГАНДЫ МАКРОГЛОБУЛИНОВ
Спектр молекул, присоединяемых и транспортируемых макроглобулинами исключительно широк. В число лигандов, связываемых гидро-
фобным участком, входят биогенные амины, простагландины, кинины, стероидные половые гормоны, пептидные гормоны, практически все известные цитокины (включая факторы роста и некроза), ферменты различных классов, некоторые белки (Birkenmeier, 2001; Liu et al., 2001; Armstrong, 2006). Для многих из них макроглобулины являются единственно возможными носителями, позволяющими доставить лиганд к клетке и обеспечить взаимодействие с рецепторами (Webb et al., 2000; Birkenmeier, 2001; Zorina et al., 2007). Внутриловушечный тиоловый эфир позволяет ковалентно присоединять ряд биогенных аминов и ферментов класса гидролаз (Birkenmeier, 2001; Armstrong, 2006). Кроме того, эти белки могут связывать надмолекулярные комплексы, компоненты генома, вирусы (Birkenmeier, 2001; Zorina et al., 2007).
При этом в животном мире большая часть ли-гандов макроглобулинов имеет столь же древнее происхождение, что и сами макроглобулины. Так гидролазы вирусов и бактерий, а также экзотоксины бактерий возникли свыше полумиллиона лет назад (Armstrong, 2006). Любопытно, что, несмотря на значительную изменчивость и склонность к мутациям инфекционных патогенов, эво-люционно консервативные гидрофобные участки и внутренние тиоловые эфиры макроглобулинов до сегодняшнего дня остаются эффективным средством их связывания и нейтрализации при инвазии.
Большая часть известных на сегодняшний день цитокинов, также транспортируемых макроглобулинами, имеется в организме беспозвоночных, что свидетельствует об их весьма древнем происхождении. При сопоставлении генов этих регуляторных белков оказалось, что процент совпадения аминокислотных последовательностей в них варьирует на 45-100%, независимо от вида изучаемых животных (Wu et al., 2008; Iha et al., 2009; Savan et al., 2009). Это правило характерно для интерлейкинов, интерферонов, факторов р
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.