Ш БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, 2013, том 39, № 4, с. 383-399
ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ
УДК 577.152.111.03
КОМПАРТМЕНТАЛИЗАЦИЯ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ, ОПОСРЕДОВАННЫХ АКТИВНЫМИ ФОРМАМИ КИСЛОРОДА
© 2013 г. В. В. Белоусов*, **, Г. Н. Ениколопов**, ***, Н. М. Мишина*, #
*ФГБУНИнститут биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН,
117997, Москва, ГСП-7, ул. Миклухо-Маклая, 16/10
** Московский физико-технический институт, 141700, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер., 9
*** Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, 11724, New York
Поступила в редакцию 31.10.2012 г. Принята к печати 18.12.2012 г.
Локализация сигнальных молекул вблизи их мест действия является центральным принципом клеточной передачи сигнала. Колокализация многокомпонентных сигнальных комплексов осуществляется через белковые каркасы, которые позволяют достичь большей специфичности, чем в случае простой диффузии того же набора участников процесса. Пероксид водорода, образующийся в результате реакции дисмутации супероксид-аниона в клетках в ответ на активацию мембранных рецепторов, участвует в регуляции сигнальных каскадов. Мишенями пероксида служат тиоловые группы остатков цистеина, имеющие низкие значения рКа и расположенные в активных центрах ферментов. Обсуждаются вопросы локализации различных МАОРН-оксидазных комплексов, продуцирующих активные формы кислорода (АФК), и подчеркивается, что локализация сигнальных молекул вблизи их мест действия является центральным принципом клеточной передачи сигнала. Представлены данные, полученные с помощью исследований локальной продукции АФК с использованием генетически кодируемых флуоресцентных индикаторов ("НуРег"), напрямую свидетельствующие об ограничении распространения АФК в клетке.
Ключевые слова: активные формы кислорода, пероксид водорода, компартментализация, ЫЛБРН-ок-сидаза, внутриклеточная передача сигнала, НуРег.
БО1: 10.7868/80132342313040052
АКТИВНЫЕ ФОРМЫ КИСЛОРОДА КАК ВТОРИЧНЫЕ МЕССЕНДЖЕРЫ
В данном обзоре мы позволим себе ввести два термина, облегчающих подачу материала. Термин "внутриклеточная передача сигнала" заменен на более краткий вариант "сигналинг". Альтернативным вариантом могло бы послужить слово "сигнализация", но, к сожалению, в русском языке оно
прочно ассоциировано с понятиями, далекими от биохимии. Словосочетание "окислительно-восстановительный" заменено на емкое "редокс" (от англ. redox = reduction-oxidation). Таким образом, вместо словосочетания "окислительно-восстановительная внутриклеточная передача сигнала", отражающего центральную тему обзора, использован термин "редокс-сигналинг".
Сокращения: AT1R — рецептор ангиотензина II первого типа (angiotensin receptor type 1); Cav1 — кавеолин-1; EGF — эпи-дермальный фактор роста (epidermal growth factor); FRET — Фeрстеровский резонансный перенос энергии (Forster resonance energy transfer); GSH/GSSG — глутатион восстановленный/окисленный (глутатиондисульфид); IL-1P — интерлей-кин-1р (Interleukin 1 Р); IL-1R1 —рецептор 1 интерлейкина-1 (Interleukin 1 receptor, type I); IKK — киназа IkB (IkB kinase); IKKK — киназа IKK; MAPK — митогенактивируемая протеинкиназа, МАР-киназа (mitogen activated protein kinase); MyD88 — белок первичного ответа миелоидной дифференцировки (88) (Myeloid differentiation primary response gene (88)); NADPH — никотинамидадениндинуклеотидфосфат; NF-kB — ядерный транскрипционный фактор kB (nuclear factor kappa-light-chain enhancer of activated B cells); Nox — NADPH-оксидаза (NADPH oxidase); OxyR-RD — регуляторный домен транскрипционного фактора OxyR; PDGF — тромбоцитарный фактор роста (platelets derived growth factor); PIP3 — фосфатидилинозит-3,4,5-трифосфат; PI-3K — фосфатидилинозит-3-киназа; Prx — пероксиредоксин; PTEN — гомолог фосфатазы и тензина (phosphatase and tensin homolog); PTP-1B — тирозинфосфатаза 1B; Rac — малая GTP-аза семейства Rac (Ras-related C3 botu-linum toxin substrate); RTK — тирозинкиназный рецептор; Src — клеточный гомолог онкогена v-Src вируса саркомы Рауса; TNFa — фактор некроза опухолей альфа (tumor necrosis factor alpha); TRAF — фактор, ассоциированный с рецептором фактора некроза опухолей (TNF receptor-associated factor); Trx(SH)2/TrxSS — тиоредоксин восстановленный/окисленный; YFP — желтый флуоресцентный белок (yellow fluorescent protein); cpYFP —круговой пермутант YFP (circularly permutated YFP); АФК — активные формы кислорода; ГМК — гладкомышечные клетки; ПМ — плазматическая мембрана; ЭК — эндотели-альные клетки; ЭР — эндоплазматический ретикулум.
# Автор для связи (+7 (499) 724-81-22; факс: +7 (495) 330-70-56; эл. почта: natsafr@yandex.ru).
В случае классического рецепторного сигналима в ответ на взаимодействие лиганда с рецептором в клетке продуцируется диффундирующий вторичный мессенджер, который передает сигнал путем взаимодействия со своей мишенью. Подобный механизм одновременно способствует и распространению сигнала в пространстве за счет быстрой диффузии мессенджера, и амплификации сигнала, так как многие вторичные мессенджеры продуцируются ферментативным путем в большом количестве в ответ на стимул. Как правило, вторичные мессенджеры — это маленькие диффундирующие молекулы, которые способны быстро активировать белки-эффекторы (например, протеинкиназы, фосфатазы, ионные каналы) путем связывания с ними или их химической модификации.
Наиболее хорошо изученными вторичными мессенджерами являются циклические нуклеоти-ды (сАМР, сОМР), разнообразные липиды (ино-зитфосфаты, эйкозаноиды) и ионы (Са2+, Zn2+). В целом, вторичные мессенджеры характеризуются специфичностью по отношению к своей мишени, а также, в большинстве случаев, ограниченным распространением в пределах места продукции.
Исторически сложилось мнение, что активные формы кислорода (АФК) являются побочными продуктами окислительного метаболизма и не имеют специфической функции. Однако открытие участия АФК в регуляции многих сигнальных путей позволило предполагать, что их внутриклеточная продукция — это ответ клеток на окружающие стимулы [1].
Основным свойством вторичного мессендже-ра является специфичность по отношению к эффектору, участвующему в сигнальном пути. Специфичность действия АФК может достигаться как за счет кинетики реакций, осуществляемых ими, так и за счет пространственных отношений между мессенджером и мишенью. Однако зачастую при обсуждении сигнальных механизмов не учитывается кинетика реакций АФК с потенциальными мишенями в условиях конкуренции с ферментами антиоксидантной системы. Какие же именно АФК способны играть роль вторичных мессенджеров?
Супероксидный анион-радикал (далее супероксид) 02. окисляет тиолы до тиил-радикала, который далее может инициировать радикальную цепную реакцию. Однако константа скорости этой реакции относительно небольшая (~103 М-1 с-1, рН 7.4) [2]. В действительности, окисление тиолов супероксидом скорее представляет собой реакцию
с гидроперекисным радикалом Н 02 (протониро-ванной формой 02-, р^а для О2 — 4.7), чем с самим 02 . При рН 7.0 константа скорости реакции
окисления тиолов супероксидом становится незначительной по сравнению с константами скорости ферментативных реакций для цитоплазмати-ческих и митохондриальных супероксиддисмутаз (более 109 M—1 с-1) [3]. Супероксид, продуцируемый различными изоформами NADPH-оксидазы (Noxl, Nox2 и др.), имеет возможность принять участие в сигналинге, однако внутри клетки супероксид под действием супероксиддисмутаз мгновенно дисмутирует в Н2О2. Таким образом, наиболее вероятная сигнальная роль супероксида in vivo — это быть предшественником Н2О2.
Однако может оказаться, что сигнальная функция супероксида недооценена. Существует группа белков, претендующих на роль внутриклеточных сенсоров супероксида, а именно некоторые Ре282-содержащие белки, в которых один из ионов железа, составляющих кластер, обращен в водную фазу (Fe2S* -белки). Такой ион может легко подвергаться окислению супероксидом, что вызывает разрушение кластера Fe2 S* и, как следствие, изменение конформации белка. Наиболее изученными "рецепторами" супероксида подобного рода являются белки SoxR из Escherichia coli [4—6] и аконитазы [7—9]. В условиях окислительного стресса Fe2 S* -содержащий белок SoxR в цитоплазме E. coli подвергается окислению супероксидом, в результате чего кластерное соединение теряет целостность. Белок, изменив конформа-цию, запускает транскрипцию ряда генов, в том числе гена супероксиддисмутазы. Подобным образом окисляется и железо кластера Fe4 S* аконитаз (другое название цитоплазматической аконитазы — IRPl, iron regulatory protein). IRP1 с разрушенным кластером приобретает способность связываться с РНК, содержащей участок IRE (iron responsive element), и подавлять трансляцию ряда белков, в числе которых ферритины, митохондриальная аконитаза и транскрипционный фактор HIF-2a.
По сути, механизм супероксидопосредованно-го переключения функций белков, в составе которых обнаружены кластерные соединения типа
Fe2S* , может оказаться универсальным путем передачи сигналов, связанных с энергетическими функциями клетки, поскольку многие белки-хе-латоры ионов металлов переменной валентности задействованы в транспорте электронов от окисляемых субстратов к конечным акцепторам.
Гидроксил-радикал OH* крайне реакционно-способен и не обладает специфичностью в реакциях практически ни с одной из органических молекул. Гидроксил-радикал образуется в качестве вторичного продукта свободнорадикальных реакций с участием супероксида и пероксида водорода. Поэтому эта молекула не рассматривается в качестве мессенджера.
Синглетный кислород (102) продуцируется в клетках неферментативным путем, поэтому пока нет никаких данных о времени и месте его специфической продукции - характерных критериев вторичного мессенджера. Кроме того, до сих пор не обнаружено ни одного физиологического процесса окисления с участием синглетного кислорода, что также делает маловероятным его рассмотрение в качестве сигнальной молекулы.
Пероксид водорода — единственный из АФК, благодаря контролируемым ферментативным процессам своей продукции и деградаци
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.