БИОХИМИЯ, 2009, том 74, вып. 3, с. 293 - 308
УДК 577.27
ГАНГЛИОЗИД GM3 И ЕГО БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ
Обзор
© 2009 г. Н.В. Проказова*, Н.Н. Самовилова, Е.В. Грачева, Н.К. Голованова
Институт экспериментальной кардиологии Российского кардиологического научно-производственного комплекса Росздрава, 121552 Москва, 3-я Черепковская ул., 15а; факс: (495)414-6699, электронная почта: prokazova@cardio.ru
Поступила в редакцию 04.07.08 После доработки 18.09.08
Рассмотрены метаболизм, топология и возможные механизмы регуляции клеточного содержания ганглио-зида вМ3. Обсуждаются биологические функции ганглиозида вМ3, а именно участие в клеточной диффе-ренцировке, пролиферации, онкогенезе и апоптозе.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ганглиозид вМ3, вМЗ-синтаза, метаболизм, клеточная дифференцировка, пролиферация, онкогенез, апоптоз.
Ганглиозид ОМ3 — самый простой и первый в метаболическом ряду семейства гликосфинголи-пидов, содержащих сиаловые кислоты (М-ацетил-и М-гликолил-нейраминовые кислоты и их О-ацильные производные) (схема 1). Доля ганглио-зидов в суммарных клеточных липидах, за исключением таковых в тканях центральной нервной системы, незначительна (1—2%). ОМ3 — Основной ганглиозид большинства экстраневральных тканей позвоночных, и его содержание разнообразно (табл. 1) [1—23]. Будучи метаболическим предше-
Принятые сокращения: ГФИ — гликозилфосфати-дилинозит; ДНМ — детергентнерастворимый материал; МОГ — микродомены, обогащенные ганглиозидами; ПЦР — полимеразная цепная реакция; CDK — циклинзависимая киназа; Cer — церамид; CRE — cAMP-ответный элемент; CREB — белок, связывающийся с cAMP-ответным элементом; EGF — эпидермальный фактор роста; ERK — экстраклеточно-регулируемая протеинкиназа; FAK — киназа фокальной адгезии; FGF — фактор роста фиброблас-тов; Gal — галактоза; Glc — глюкоза; LacCer — лактозилце-рамид; MAPK — митогенактивируемая протеинкиназа; Neu3 — сиалидаза плазматических мембран; NeuAc (SA) — N-ацетилнейраминовая (сиаловая) кислота; PDGF — фактор роста тромбоцитов; PDMP — D-1-трео-1-фенил-2-де-каноиламино-3-морфолино-1-пропанол; PI3K — фосфа-тидилинозит-3-киназа; PKA, PKB/Akt, PKC — протеинки-назы А, В/Akt, C соответственно; РРРР — D-1-трео-^фе-нил-2-пальмитоиламино-3-пироллидино-1-пропанол; SAP — сапозин; TNF-a — фактор некроза опухоли-a; VEGF — фактор роста сосудистого эндотелия.
* Адресат для корреспонденции и запросов оттисков.
ственником более сложных природных ганглио-зидов, ОМ3 контролирует их содержание в клетках и тканях. ОМ3 в качестве одного из основных компонентов входит в состав рафтов плазматических мембран. Поэтому в последние годы активно изучается механизм регуляции метаболизма и биологических функций этого ганглиозида.
МЕТАБОЛИЗМ GM3
Биосинтез. Структура углеводных цепей ганглиозидов определяется специфичностью гликозилтрансфераз по отношению к липидно-му субстрату, а также их локализацией в различных отделах аппарата Гольджи, где происходит гликозилирование. Эти условия приводят к тому, что в углеводных цепях ганглиозидов высших животных и человека представлено только несколько строго определенных олигосахарид-ных последовательностей [24—26] (схема 2). Среди них лактоза Оаф1—4С1е, всегда связанная с церамидом (лактозилцерамид (ЬаеСег)), является основным гликолипидным ядром во всех ганглиозидах лакто- и ганглиосерии. После сиалирования лактозилцерамида, т.е. образования ОМ3, происходит дальнейшее наращивание углеводной цепи с образованием ганглиози-дов а-, Ь- и е-серий (в дальнейшем мы будем называть их «ганглиозиды», схема 2) [27].
Таблица 1. Содержание ганглиозида вМ3 в некоторых тканях человека
Ткани Ганглиозиды вМ3, % суммарного содержания ганглиозидов Способ определения содержания вМ3 Источники
Печень 214-220* 90-91,6 ТСХ и колориметрия [1-3]
Почки 30-60* 74 то же [1, 4]
Селезенка 200-300* - » [1, 5]
Плацента 100-200* - » [1, 6]
Мышцы ТСХ и [1, 7, 8]
скелетные мышцы 50-80* 70 иммуноокрашивание
сердце - 50
Кожа 30-35* - ТСХ и колориметрия [1, 9]
Фибробласты кожи 6 мкг/106 кл. 77 то же [10]
Жировая ткань 10-15* 80-90 » [1, 11]
Аорта 46* 82 » [12, 13]
Сыворотка крови 6-8 нмоль/мл** 57-67 » [14]
Клетки крови ТСХ, колориметрия [15-18]
эритроциты 1,3 мкг/мг белка 14 и ВЭЖХ
тромбоциты 0,6 мкг/мг белка 90 то же
лимфоциты - 72 »
Щитовидная железа 120* 48 » [1, 19]
Надпочечники 0,2 мг 55,8 » [20]
Молоко человека 10 мг/л** 27 ТСХ и колориметрия [21, 22]
Мозг человека то же [1, 23]
кора 3000-3500* -
белое вещество 1000* 4,1
серое вещество - 3,8
Примечание. Прочерк — отсутствие данных.
* нмоль липидсвязанной БА на 1 г сырой ткани. ** Количество липидсвязанной БА.
вМ3-Синтаза (БТ I, БТ3Са1 V, СМР-№иАе:лактозилцерамид-а2,3-сиалилтрансфе-раза, ЕС 2.4.99.9), которая катализирует перенос №иАе с СМР-№иАе на концевой остаток галактозы лактозилцерамида, является ключевым ферментом биосинтеза ганглиозидов (схема 2). Как и все сиалилтрансферазы млекопитающих, ОМ3-синтаза относится к типу II трансмембранных гликопротеинов, которые локализованы в аппарате Гольджи [28, 29].
ОМ3-Синтаза уникальна в БТ3Са1-подсе-мействе известных в настоящее время сиалил-трансфераз благодаря своей геномной организации [28]. Необходимо отметить, что эта сиалил-трансфераза и сиалилтрансфераза ганглиозида ОБ3 высокоспецифичны по отношению к ли-пидному субстрату, в то время как другие сиалил-трансферазы могут сиалировать несколько ли-пидных субстратов.
Из-за крайне низкого содержания сиалил-трансфераз классические методы выделения их из тканей млекопитающих и других высших животных не позволяют определить аминокислотную последовательность или получить специфичные антитела к этим ферментам. Методом аффинной хроматографии с использованием иммобилизованного лактозилцерамида и антител к частично очищенному ферменту из печени и мозга крыс было выделено несколько микрограммов ОМ3-синтазы [30, 31].
До недавнего времени не имелось данных об активности ОМ3-синтазы в тканях человека. Основным объектом исследования активности ОМ3-синтазы человека были клетки миелоидной лейкемии человека НЬ60 и некоторые другие (К562, Кв-1, МЬ-1, НО, и937) опухолевые клетки (см. подразд. «Клеточная дифференцировка») и фибробласты после нескольких пассажей в куль-
; Водородные С4 -С5-трано Амидная Параллельно ориентирование
; связи двойная связь связь углеводородные цепи
Плотно упакованная церамидная часть в липидном бислое
Поверхность раздела вода-липидный бислой
а
Схема 1. Структурная формула ганглиозида вМ3 (а); функциональные группы церамида, определяющие конформацию молекулы вМ3 в мембране (б)
—--Й1е-Сйг ^—-- Саг
дат
еа1-<31с-Ссс
СНР-МшАс СНР-МииАс СиР-КЧтЛ^
-+ Са1 -в I с-Сег-*^а1-<31с-ссг
ш ^ вмз ш. £ ооз
зтш ^ етз
СЁНЧАо-ОаКЛс-Сег вА СМ2
аа1МАс-ЗвТ-С1с-С вг 5А
¿А
I
|
ЙА
з'а
ЪТ2
ОаГГП
СаНЗа1ИАс-Сэ1-е1с-Саг {раНЗа1НАс-еэ1-<31с-Се1 £ЗаНЗаШАс-<£э1-С1с-Сег
от
зл ео1ь
СГ1с
I
зХ
Са1-еа11ЧАс-Са1-С[с-Сег Са1-Оа1МАс-йа1-е1с-Сйг С^ИЗа1МАс-^эЬС1с-Сег ЗА ЁА 001а ^ СТ1Ь 001с
&Л|
I
ЙА I
5ТУ
йаЕ-Оа[МАа-Са1-е[с-Сег СаМЗа1МАс-ев1-С51о-Се:г <За1-Са1МАс-С5а1-С31с-Сег ЗА ¿А ет1а ^А ЗА еа1Ь ЗА ^А СР1С
¡ЗА ЗА ЗА за ЗА
ВА
Э-Сврия
Ь-Сэрия
с-Ойршч
Схема 2. Биосинтез ганглиозидов а-, Ь- и е-серий. Сег - Церамид, БА - сиаловая кислота, БТ I - вМ3-синтаза, БТ II -вБ3-синтаза, БТ III - вТ3-синтаза, БТ IV - вБ1а-синтаза, БТ V - вТ1а-синтаза, в1еТ - в1еСег-синтаза, ва1Т I -ЬаеСег-синтаза, ваГГ II - вМ1-синтаза, ваШАе-Т - М-ацетилгалактозиламинилтрансфераза, вМ2-синтаза
туре [32]. Недавно высокая активность СМ3-синтазы была обнаружена в интактных моноцитах периферической крови человека [33].
Прогресс в молекулярном клонировании генов сиалилтрансфераз, в том числе и синтезирующих ганглиозиды, позволил предсказать аминокислотную последовательность этих ферментов и изучить регуляторный механизм их экспрессии. В настоящее время кДНК СМ3-синтазы выделена из ряда объектов и установлено, что экспрессия ее гена зависит от типа ткани с преобладанием в мозге, мышцах, семенниках и плаценте [34—39].
Благодаря успехам в клонировании гена, кодирующего СМ3-синтазу, появилась возможность получать рекомбинантный белок фермента как в виде полной его последовательности, так и в виде фрагмента. В последние годы в нашей лаборатории для исследования локализации СМ3-синтазы в интиме аорты человека при атеросклерозе были получены поликлональные антитела к клонированному фрагменту СМ3-синтазы человека с аминокислотной последовательностью, которая имела минимальное сходство с последовательностями других сиалилтранс-фераз [40]. Поликлональные антитела к такому рекомбинантному белку способны узнавать СМ3-синтазу среди других сиалилтрансфераз, которые, как упомянуто выше, помимо специфических аминокислотных последовательностей содержат высококонсервативные участки.
Изучение структурной организации гена СМ3-синтазы и функционирования его промоторов необходимо для понимания механизмов регуляции содержания СМ3 в тканях и клетках. Ген СМ3-синтазы человека расположен во второй хромосоме и состоит из девяти экзонов с кодирующей областью в экзонах 4—9 [41]. Анализ нуклеотидной последовательности 5'-фланкирующей области показал отсутствие в ней общепринятых транскрипционных повторов [41]. Функциональный анализ 5'-флан-кирующей области с помощью метода нестабильной экспрессии показал, что область от —177 до —83 от сайта инициации транскрипции представляет собой основной промотор, необходимый для осуществления транскрипции гена СМ3-синтазы в клетках нейробластомы и гепатомы человека. В НЬ60-клетках область от —143 до —136 содержит сайт связывания СЯЕВ и функционирует как промотор, индуцируемый форболовым эфиром. Таким образом, повышение экспрессии СМ3-синтазы под действием форболового эфира и вследствие этого повышение клеточного содержания ОМ3 опосредовано связыванием СЯЕВ с промоторной областью гена [42, 43].
Различные пути проведения сигналов (РКА, РКС, стрессактивируемая протеинкиназа/е^ип М-терминальная киназа, р38 МАРК) могут активировать связывание СЯЕВ с СЯЕ на ДНК и регулировать транскрипцию путем его фосфо-рилиров
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.