МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2014, том 48, № 2, с. 223-231
= ОБЗОРЫ
УДК 577.21
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ БЕЛКОВЫЙ КОМПЛЕКС NAC (NASCENT POLYPEPTIDE ASSOCIATED COMPLEX)
© 2014 г. Г. Л. Коган*, В. А. Гвоздев*
Институт молекулярной генетики Российской академии наук, Москва 123182 Поступила в редакцию 25.10.2013 г.
Принята к печати 29.10.2013 г.
Обзор посвящен рассмотрению функций комплекса NAC (nascent polypeptide-associated complex) и его отдельных субъединиц. NAC — это консервативный гетеродимерный белок, обнаруживаемый в геномах всех эукариот, от дрожжей до человека. NAC состоит из а- и ß-субъединиц, димеризующихся благодаря взаимодействию NAC-доменов, обратимо связывается с рибосомой и контактирует с новосинтезиро-ванным полипептидом, защищая его от протеолиза и способствуя укладке полипепидной цепи. Мутации и делеции генов, кодирующих субъединицы NAC, летальны на ранних стадиях развития многоклеточных эукариот. NAC участвует в сборке и транспорте de novo синтезированных белков и в биогенезе рибосом. Димер а-субъединиц NAC связывает РНК и ДНК, выполняет функции фактора транскрипции. ß-Субъединица взаимодействует с каспазой-3, участвуя в регуляции апоптоза. Гетеродимерные варианты NAC можно рассматривать как шапероны, вовлеченные в ответ клетки и организма на стрессовые воздействия, а также как регуляторы апоптоза. Гены, кодирующие ß-субъединицу NAC, быстро эволюционируют. В процессе эволюции возможны дупликации этих генов, которые характеризуются ткане-специфичной экспрессией и кодируют ß-субъединицы с разным числом повторяющихся аминокислотных последовательностей — вероятных сайтов разрезания каспазой-3. NAC — яркий пример белка (moonlighting protein), выполняющего многообразные биологические функции.
Ключевые слова: КАС-комплекс, новосинтезированный полипептид, КАС-домен, трансляция, шапе-рон, кофакторы транскрипции, апоптоз, сперматогенез.
MULTYFUNCTIONAL PROTEIN COMPLEX NAC (NASCENT POLYPEPTIDE ASSOCIATED COMPLEX), by G. L. Kogan, V. A. Gvozdev (Institute of Molecular Genetics, Russian Academy of Sciences, Moscow, 123182 Russia; e-mail: gvozdev@img.ras.ru, gkogan@img.ras.ru). The functions of the evolutionary conservative complex NAC (Nascent polypepetide Associated Complex) and its subunits are discussed. The het-erodimeric nAc protein contains a- and p-subunits and is found to be reversibly bounded to the ribosome in all eukaryotes, from yeast to humans. NAC contacts the nascent polypeptide and protects it from proteolysis. NAC participates in polypeptide chain folding and modulates protein secretion and transmembrane protein formation. Mutations and deletions of genes, encoding NAC subunits are lethal in early development of multicellular eukaryotes. NAC is involved in the ribosome biogenesis. The p-subunit interacts with caspase-3 and may be involved in the regulation of the apoptotic pathway. The variants of NAC proteins can be considered as chaperone complexes, involved in the response of the cell and the organism to stress factors, as well as regulators of apo-ptosis. The genes encoding p-subunits are rapidly evolved, their duplications cause the formation of tissue specific p-subunit variants with a different number of putative caspase cleavage sites. The homodimer of a-sub-units is shown to be the RNA/DNA binding protein and acts as a transcriptional cofactor. The diversity in the functioning of NAC is a prime example of a protein that performs a variety of biological functions (moonlighting protein).
Keywords: NAC, nascent polypeptide-associated complex, NAC-domain, transcriptional cofactor, apoptosis, chaperone, spermatogenesis.
DOI: 10.7868/S0026898414020098
Интерес к изучению белкового комплекса NAC (nascent polypeptide-associated complex) определяется его функциями как компонента аппарата трансляции и трансляционного шаперона [1—4].
* Эл. почта: gvozdev@img.ras.ru; gkogan@img.ras.ru
Однако конкретные молекулярные механизмы участия NAC в этих процессах еще предстоит выяснить. Нарушения экспрессии субъединиц NAC наблюдаются при таких заболеваниях человека,
как болезнь Альцгеймера, синдром Дауна, синдром приобретенного иммунодефицита и опухоли различного типа [5—11]. Гетеродимерный NAC эукариот, состоящий из а- и ß-субъединиц, был впервые описан как связанный с рибосомой белковый комплекс, который взаимодействует с но-восинтезированным полипептидом, оберегая его от протеолиза, до полного окончания трансляции и формирования зрелой белковой структуры [1]. Этот комплекс отсутствует у прокариот, но у ар-хей появляется гомодимерный комплекс а-субъ-единиц NAC [12]. Гетеродимерный NAC обнаружен у дрожжей [13, 14] и многоклеточных эукариот. Это жизненно важный белок у многоклеточных: мутации и делеции генов ß-субъединицы NAC у мыши и нематоды приводят к гибели эмбрионов на ранней стадии развития [15, 16]. Подавление синтеза ß-субъединицы NAC с помощью РНК-интерференции в культуре клеток дрозофилы и человека сопровождается апоптозом [17]. Cайленсинг гена, кодирующего ßNAC, приводит к нарушению морфогенеза растений [18, 19].
NAC участвует в биогенезе рибосом, сборке и транспорте синтезируемых белков [3, 20, 21], действуя как модулятор белкового синтеза и ключевой регулятор внутриклеточного белкового го-меостаза (протеостаза) [8, 22—24]. Взаимодействие комплекса NAC с новосинтезированными полипептидами и участие в трансляции позволяет рассматривать этот комплекс как компонент белкового синтеза и котрансляционного фолдин-га белков [3]. Однако функции субъединиц NAC не ограничиваются регуляцией синтеза и гомео-стаза белков.
В представленном кратком обзоре рассмотрены и обсуждены функции субъединиц комплекса NAC, связанные с синтезом, созреванием и ко-трансляционным транспортом белка, а также роль этого комплекса как трансляционного шаперона, отвечающего на стрессовые воздействия. Кроме того, обсуждаются представления о других функциях комплекса NAC, не связанных непосредственно с синтезом белка, а также роль гомодиме-ра а-субъединицы как кофактора транскрипции. Наконец, приведены результаты изучения эволюции генов ß-субъединицы комплекса, полученные авторами настоящей статьи.
NAC-ДОМЕН И СУБЪЕДИНИЦЫ aNAC И ßNAC
Клетки прокариот не содержат субъединиц NAC, а у архей отсутствует гомолог ßNAC и обнаруживается только одна субъединица, aeNAC, соответствующая aNAC эукариот [25]. Гомодимер субъединиц аеNAC взаимодействует с рибосомами и является функциональным аналогом гетероди-мера NAC эукариот, содержащего гомологичные друг другу а- и ß-субъединицы [26]. Дупликация
предкового гена и последующая дивергенция привели, вероятно, к появлению в геноме эукариот генов этих субъединиц [12]. Субъединицы а и ß различаются своими N- и С-концевыми последовательностями и содержат в средней части полипептидной цепи гомологичный консервативный NAC-домен (PF01849-NAC), состоящий из 61 аминокислотного остатка (рисунок). Несмотря на сравнительно низкое сходство аминокислотной последовательности субъединиц aeNAC, aNAC и ßNAC (уровень идентичности между аеNAC и aNAC человека составляет 28%, а между аеNAC и ßNAC — 26%), часть аминокислот, определяющих пространственную структуру NAC-домена, консервативна у различных организмов — от дрожжей до человека. Определены пространственные структуры гомодимера аеNAC и aß-гетеродимера [12]. Гетеродимеры NAC имеют структуру ß-бо-чонка, образованную шестью антипараллельными ß-тяжами двух субъединиц. Предложены модели структуры гомодимеров каждой из субъединиц, выявлена высокая степень сходства пространственных структур гомо- и гетеродимеров NAC со структурой гомодимера аеNAC [27], из которых наибольшим сходством обладает гомодимер субъединиц aNAC человека.
Предполагается, что основная консервативная функция NAC-домена связана с образованием димеров. Гетеродимерный комплекс a- и ß-субъ-единиц значительно стабильнее гомодимерного [28], и в присутствии субъединицы ßNAC гомодимер aNAC не образуется [27, 29]. Субъединицы aNAC и аеNAC содержат консервативный C-кон-цевой домен UBA, не связанный с образованием димеров [12]. Домен UBA представляет собой субстрат для убиквитинирования (полиубиквитини-рования), обеспечивающего расщепление модифицированного белка протеасомами [30]. Предполагается, что a-субъединица NAC, связанная с новосинтезированным неструктурированным полипептидом в составе гетеродимерного комплекса, выполняет функцию подавления котранс-ляционного убиквитинирования новосинтезиро-ванного белка, конкурируя за систему убиквитини-рования [31].
NAC И ТРАНСЛЯЦИЯ
Гетеродимер NAC связан с рибосомой и взаимодействует с новосинтезированным белком [1, 22]. Детали этих взаимодействий остаются пока неисследованными. Показано, что на рибосому приходится одна молекула гетеродимера [32], причем с рибосомой и новосинтезированным полипептидом взаимодействуют обе субъединицы гетероди-мера NAC [33]. Первые 23 N-концевых остатка ßNAC вносят основной вклад в обеспечение связи с рибосомой в сайте, сформированном рибосом-ными белками Rpl31/Rpl17 [33]. Предполагается,
CG18313
CG32601
CAB56149
CG3644
ICD-1
CAA52200
EGD1
BTT1
CG18313
CG32601
CAB56149
CG3644
ICD-1
CAA52200
EGD1
BTT1
CG18313
CG32601
CAB56149
CG3644
ICD-1
CAA52200
EGD1
BTT1
-------mdf:
-------mdf:
-------мы re:
-------ММАЕ;
MDSKAIAERI
--mketimnq:
—MPIDQEKL. --MPVDQEK:
20 QNMEEVV ■KKMESAV .MTV
:klqaqv ! ACQEHV ÜLQAQV IKLSAMN :KLSAAN
ШМШ5ЮШШ
120
IGGKGSMRR iggkgs:-:br tMkgtvrr
IGGKGT L: RR IGGKGTFRR IGGKGT,1, RR VS(=T?:RKLM V^TRRKIN
ТГШШЯЯГ
40
60
NAC-домен
80
KKRTPSVAi HKRNPSF-i KKAVHKTN1 KKIVHSTPJ KKVIHKTAi KKVVHRTA1 KAGSSAGAi KGNLYNNNE
AT AK Iplkw
АЕ AM HPLRN
ST KR GVNS
SS KK SVWT
SN KK SVTH
FS KK GVKH
SQ AK HAVT
АЁ Hg HPMT
ISC-pTELTIEFTDSSE I;: ■■: I QHVTjtE Fils RE
ipaBeSvnSfkdSV-IPGIEBVHIIKNDGT' i :■■;: i e ev tra i kd|gt IsgIeIvnm ftnqgt
IDHVAEAHI' VKCDGf"
i:-::vaeamffkkngk
100
V VF PKV|G ISANG LL WN DFVRKS 'LTKPKV GTPPNSFFWS DLVRKS IFIUPKVQASIAAHTWWS SPQ---
IhpmnpkaI aslpthtfait hge---
:hfnhpkvqtsvpantfsvt sad---
:HFK:iPKV ASLAANTFTIT HAE---
FIOKVGVQVAAÜHNTSVFY L PQ---
¡HFNS
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.