БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 4, с. 829-832
ПИСЬМА В РЕДАКЦИЮ =
УДК 577.353.2
О РОЛИ ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ ТАЙТИНА В РАЗВИТИИ МЫШЕЧНОЙ АТРОФИИ
© 2015 г. Н.Н. Салмов*, Ю.В. Грицына*, А.Д. Уланова* **, И.М. Вихлянцев*, З.А. Подлубная* **
*Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН,
142290, Пущино Московской области, Институтская ул., 3; **Пущинский государственный естественно-научный институт, 142290, Пущино Московской области, просп. Науки, 3 E-mail: vikhlyantsev@iteb.ru Поступила в p едакцию 20.05.15 г.
На основании проведенных нами pанее экспериментов по изучению изменений содержания тайтина и уровня его фосфорилирования в скелетных мышцах, атрофированных в условиях космического полета, при зимней спячке, а также вследствие развития алкоголь-индуцируемых нарушений сделано предположение, что увеличение степени фосфорилирования тайтина приводит к повышению протеолитической деградации этого белка, что вносит вклад в развитие атрофии скелетных мышц.
Ключевые слова: скелетные мышцы, изоформы тайтина (титина/коннектина), фосфорилирование, Pro-Q Diamond.
Предположение, которое легло в основу данной публикации, было сделано на основании проведенных нами ранее экспериментов по изучению изменений содер жания тайтина и уровня его фосфорилирования в скелетных мышцах, атрофированных в условиях космического полета [1], при зимней спячке [2], а также вследствие развития алкоголь-индуцируемых нарушений [3,4]. Полученные результаты позволили сделать предположение, что увеличение степени фосфорилирования тайтина приводит к повышению протеолитической деградации этого белка, что вносит вклад в развитие атр офии скелетных мышц. В р аботе пр едставлено краткое описание литературных данных, а также результатов наших исследований, поддерживающих это пр едположение.
Тайтин (титин/коннектин) - гигантский белок саркомерного цитоскелета поперечно-полосатых мышц позвоночных (см. [5,6]). Молекулярные массы изоформ интактного тайтина-1 (Т1) составляют 3000-3800 кДа [6]. Молекулы тайтина длиной более 1 мкм перекрывают половину саркомера от М-линии до Z-диcка, формируя третью филаментную систему в мио фибриллах. В А-зоне саркомера тайтин связан с толстыми (миозиновыми) нитями. Эта часть молекулы, получившая название Т2 (м.м. ~2000 кДа), состоит из иммуноглобулин-подобных (1§С2) и фибронектин-подобных (Рп111) доме-
нов c в-складчатой структурой, а также содержит киназный домен (TK), расположенный вблизи М-линии саркомера [6]. В I-зоне сарко-мер а молекула тайтина состоит из дистальной, центральной и проксимальной последовательностей иммуноглобулин-подобных (IgC2) доменов, а также содержит уникальные N2B-, N2A-и PEVK-последовательности [6]. Некоторые участки молекулы тайтина в этой зоне сарко-мер а взаимодействуют с тонкими (актиновыми) нитями, однако большая часть его молекулы проходит свободно, формируя эластичное со -единение между концами миозиновых нитей и Z-диском. На каждую миозиновую нить в половине саркомера приходится шесть молекул тайтина [7], N-концы которых перекрываются в Z-диске, а C-концы - в М-линии саркомера.
Тайтин - полифункциональный белок, уча -ствующий в поддержании высокоупорядочен-ной саркомерной структуры [8], запуске и регуляции актин-миозинового взаимодействия [5,9]. Как сенсор растяжения и напр яжения (ме-ханосенсор) тайтин, связываясь со многими белками в саркомере и объединяя их в единую сеть, играет важную роль в пр оцессах внутриклеточной сигнализации [6]. Известна способность этого белка фосфорилироваться in vivo [10]. Открыты сайты фосфор илир ования тайтина в М-линии, I-зоне и Z-диске саркомера [6,11] и обнаружено много потенциальных участков
830
САЛМОВ и др.
для фосфорилирования его молекулы [6]. Получены данные о том, что циклин-зависимая PK-2 и ERK1/2 киназы фосфорилируют уникальные последовательности (XSPXR, KSP) молекулы тайтина, расположенные в Z-диске и М-линии саркомера [12-14], протеинкиназы А (PKA) [15-19], G (PKG) [19,20], С (PKCб) [21], киназа, регулируемая экстраклеточным сигналом, 2 (ERK2) [22] и Са2+/кальмодулин-зависи-мая киназа (CaMKI^) [23,24] фосфорилируют участки молекулы тайтина, расположенные в I-зоне саркомера. Показано, что фосфорилиро -вание/дефосфорилирование PEVK- и К2Б-по-следовательностей тайтина сердечной мышцы изменяют эластичность его молекул, что приводит к изменению обусловленной тайтином пассивной жесткости кардиомиоцитов и мышцы в целом (для ссылок см. [6]), что, в свою очередь, играет важную р оль в регуляции сократительной активности миокарда. Известны данные о фосфор илир овании PEVK-участка молекулы тайтина скелетных мышц [25], однако функциональная роль этих изменений неясна.
В 2013-2015 гг. в нашей лабор атор ии было проведено несколько независимых экспериментов, направленных на изучение изменений со -держания тайтина и уровня его фосфорилиро-вания в скелетных мышцах, атр офированных в условиях космического полета, зимней спячки, а также при моделир овании алкогольной мио-патии [1-4]. Было обнаружено, что развитие атрофических изменений в мышцах полетных мышей и хронически-алкоголизированных крыс сопровождалось уменьшением содержания тай-тина, а также увеличением уровня фосфорили-рования этого белка, что зарегистрировано с использованием флуоресцентного красителя Pro-Q Diamond на фосфатные группы белков в геле. В частности, 15%-ное снижение веса m. gastromemius полетных мышей сопровождалось уменьшением в 1,2 р аза содержания Т1 и увеличением в 1,3 и 3,3 раза степени фосфорили-рования Т1 и Т2 соответственно [1]. В атро-фированной (на 30%) m. soleus крыс после 6-месячной хронической алкоголизации также наблюдалось снижение содержания Т1 (в 1,4 раза) и увеличение степени фосфорилиро -вания Т1 (в 1,2 раза) и Т2 (в 2 раза) [3,4]. Более высокий уровень фосфорилирования Т2 в сравнении с Т1 можно объяснить увеличением количества фосфорилированных сайтов прежде всего в Т2-участке интактной молекулы тайти-на. Подобных изменений в содержании тайтина и степени его фосфорилирования не было об-нар ужено в скелетных мышцах бурого медведя (Ursus arctos) в период зимнего сна, в течение которого, как известно [26], наблюдаются ат-
рофические изменения в скелетной мускулатур е. В частности, в т. gastrocnemius спящего бурого медведя не наблюдалось снижения содер жания Т1 и увеличения ур овня фосфорилирования этого белка [2]. Напротив, зарегистрировано даже незначительное снижение степени фосфорилирования как изоформ Т1, так и Т2-фрагментов в икроножной мышце спящего медведя [2]. Аналогичные результаты были получены нами и при исследовании сезонных изменений содержания и уровня фосфорилирования тайтина в m. longissimus dorsi зимнеспящих длиннохвостых сусликов Spermophilus undulatus (неопубликованные данные). Анализ полученных результатов позволяет нам предположить, что повышение степени фосфорилирования тайти-на, в основном в Т2-участке молекулы, увеличивает его чувствительность к протеолизу. Это приводит к уменьшению содержания интактно-го Т1, что вносит вклад в развитие мышечной атрофии, сопровождающейся, например, при функциональной разгрузке такими негативными последствиями, как нарушение саркомерной структуры [27] и сократительной способности мышц [27,28]. Данное пр едположение не лишено оснований. Известно, что тайтин является субстратом кальций-зависимых протеаз кальпаи-нов [29]. Высказано пр едположение, что оборот мышечных белков в саркомере начинается с расщепления кальпаинами тайтина и других белков толстых и тонких нитей с последующей деградацией фрагментов по убиквитин-протеа-сомному пути [29]. Известно, что степень чувствительности белков к протеолизу кальпаина-ми зависит от уровня фосфорилирования белкового субстрата. Например, показано, что PKA-опосредованное фосфорилирование тро-понина-I снижает его чувствительность к деградации ц-кальпаином, тогда как фосфорилирование тропонина-I протеинкиназой С наоборот повышает его чувствительность к протео-лизу вышеуказанным ферментом [30]. Литера -тур ные данные об изменении чувствительности тайтина к протеолизу кальпаинами в зависимости от ур овня его фосфорилирования отсутствуют. Однако известны р езультаты исследований, выполненных с использованием моно-клональных антител к фосфосерину pS26, которые показали, что трехкратное увеличение степени фосфор илир ования PEVK-участка тай-тина в четырехглавой мышце бедра пациентов с синдромом Элерса-Данлоса сопровождалось снижением (на ~20%) содер жания этого белка [31]. Pезультаты других исследований выявили изменения с противоположной направленностью. В частности, обнаружено, что снижение (на 20%) уровня фосфорилирования тайтина не
О РОЛИ ФОС ФОРИЛИРОВАНИЯ ТАЙТИНА
831
сопровождалось уменьшением его содержания в атрофированной (на 16%) m. tibialis anterior мышей в условиях реальной невесомости [1]. Сопоставление этих данных указывает на то, что повышение ур овня фосфорилирования тай-тина увеличивает его чувствительность к про -теолизу. Описанные выше результаты наших исследований не противоречат данному предположению.
Таким образом, мы полагаем, что повышенная протеолитическая деградация тайтина при развитии атрофии скелетных мышц является следствием гиперфосфорилирования этого белка, в основном Т2-участка его молекулы. С нижение содер жания тайтина приводит к дальнейшему развитию мышечной атрофии, сопро -вождающейся такими негативными последствиями, как нар ушение саркомерной стр уктуры и сократительной способности мышц.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты №№ 13-04-00281, 14-0400112, 14-04-32171, 14-04-32240, 14-04-92116).
СПИС ОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. A. Ulanova, Y. Gritsyna, I. Vikhlyantsev, et al., Biomed. Res. Int. 2015:104735, doi: 10.1155/2015/104735 (2015).
2. Н. Н. Салмов, И. М. Вихлянцев, А. Д. Уланова и др., Биохимия 80, 412 (2015).
3. Ю. В. Грицына, Н. Н. Салмов, И. М. Вихлянцев и др., Молекуляр. биология 47, 996 (2013).
4. Н. Н. Салмов, Ю. В. Грицына, А. Д. Уланова и др., в сб. Рецепция и внутриклеточная сигнализация, под ред. В.П. Зинченко и А.В. Бережнова (2015), т. 1, с. 296.
5. И.
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.