Ш
БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, 2014, том 40, № 6, с. 703-711
УДК 577.152.34
ОСОБЕННОСТИ ЭКСПРЕССИИ ИММУННЫХ ПРОТЕАСОМ В РАЗВИТИИ ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ У КРЫС
© 2014 г. А. Ш. Орлова, Ю. В. Люпина#, С. Б. Абатурова, Н. П. Шарова
ФГБУНИнститут биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН,
119334, Москва, ул. Вавилова, 26 Поступила в редакцию 04.05.2014 г. Принята к печати 28.05.2014 г.
Формирование центральной нервной системы в онтогенезе и ее функционирование во взрослом организме млекопитающих находятся под контролем универсальной протеолитической убикви-тин-протеасомной системы. Цель настоящей работы — изучение динамики экспрессии иммунных протеасом в сравнении с динамикой химотрипсинподобной и каспазаподобной активностей (ХПА и КПА) протеасом и экспрессией транскрипционного фактора /И268 в структурах головного мозга (коре, гиппокампе и стволе мозга) в эмбриональном (Э19 и Э21 дни эмбрионального развития) и раннем постнатальном (П1, П3, П4, П5, П7 и П15 дни постнатального развития) развитии у крыс. ХПА и КПА в осветленных гомогенатах структур головного мозга крыс определяли по результатам гидролиза коммерческих флуорогенных олигопептидов 8ис-ЬЬУУ-АМС и /-ЬЬО-АМС соответственно. Содержание конститутивных — Р1, Р5, и иммунных — ЬМР7, ЬМР2 субъединиц протеасом, а также их регуляторов РА700 и РА28, и транскрипционного фактора /И268 оценивали с помощью Вестерн-блоттинга. В коре и гиппокампе мозга отмечено повышение экспрессии иммунной субъединицы ЬМР7 в период активного формирования биохимической медиаторной структуры нейронов П7—П15. В коре мозга в этот период повышались ХПА и КПА. Во всех изученных структурах мозга содержание иммунной субъединицы ЬМР2 значительно увеличивалось в период П7—П15. Содержание протеолитической конститутивной субъединицы Р1 во всех структурах снижалось на П4 относительно П1 и повышалось на П15 до уровня П1. Вместе с тем, уровень экспрессии протео-литической конститутивной субъединицы Р5 протеасом в коре, гиппокампе и стволе увеличивался начиная с Э21 и достигал максимальных значений на П3, П5 и П1, соответственно, с резким снижением на П7 во всех структурах. Экспрессия иммунной ЬМР2 и конститутивной р1-субъединиц в период резкого скачка на П15 во всех структурах повышалась одновременно с содержанием иммунной субъединицы ЬМР7. Кроме того, показана положительная взаимосвязь повышенной экспрессии регулятора РА28 и конститутивной субъединицы Р5 в гиппокампе в период П3—П5 и в стволе мозга в период П1—П5. В период постнатального развития П7—П15 в изученных отделах мозга увеличение экспрессии иммунных ЬМР2- и ЬМР7-субъединиц и ХПА протеасом сопряжено с экспрессией транскрипционного фактора /И268. Вероятно, иммунные протеасомы играют важную роль в регуляции ключевых биохимических процессов раннего онтогенеза центральной нервной системы и необходимы для возникновения и реализации синаптической пластичности в изученных структурах головного мозга у крыс.
Ключевые слова: иммунные протеасомы, регуляторы протеасом, центральная нервная система, транскрипционный фактор Zif268, крыса.
БОТ: 10.7868/80132342314060116
ВВЕДЕНИЕ
Синаптическая пластичность считается важным условием адаптивных изменений мозга. Исследование молекулярных механизмов пластичности мозга является приоритетным направлением в нейробиологии. Известно, что при патогенезе
Сокращения: AMC — 7-amido-4-methylcoumarin; Suc — сукцинил; Z — бензилоксикарбонил; П1—П15 — дни постнатального развития; УПС — убиквитин-протеасомная система; ЦНС — центральная нервная система; Э19—Э21 — дни эмбрионального развития.
# Автор для связи (тел.: +7 (499) 135-88-47; факс: +7 (499) 135-80-12; эл. почта: yulial@bk.ru).
развития в наибольшей степени страдают отделы конечного мозга, вносящие исключительный вклад в осуществление когнитивных функций [1]. В связи с этим в настоящей работе приводятся данные эмбрионального и раннего постнатального развития коры и гиппокампа, которым принадлежит ведущая роль в осуществлении организации движения и реализации процесса обучения [2, 3], а также ствола мозга, содержащего ядра жизненно важных центров у млекопитающих.
Контроль клеточного протеома развивающегося и зрелого организмов млекопитающих обеспечивается убиквитин-протеасомной системой
(УПС) и шаперонами [4—б]. Протеасомы представляют собой высокомолекулярные мульти-протеазные 20S- и 26S-субкомплексы, различающиеся субъединичным составом, субстратной специфичностью и функциями. Из всего многообразия выделяются два основных пула протеа-сом: 26S- и 20S-протеасомы. К первому пулу относятся собственно 26S-протеасомы, состоящие из протеолитического 20S "ядра" и двух регуля-торных 19S-субчастиц (PA700), и смешанные протеасомы, у которых одна из 19S-субчастиц замещена на другой регулятор (РА28, РА200). Пул 26S-протеасом регулирует многочисленные клеточные процессы посредством АТР-зависимого гидролиза убиквитинилированных белков [7, 8]. Значительное число поврежденных белков гидро-лизуется 20S-протеасомами независимо от убик-витина [9].
По имеющемуся набору протеолитически активных субъединиц пулы 26S^ 20S-протеасом млекопитающих могут быть разделены на две группы: конститутивные и иммунные [10]. Иммунные протеасомы содержат каталитические субъединицы LMP7 (ß5i, Low molecular mass protein 7), LMP2 (ß1i, Low molecular mass protein 2) и MECL1 (ß2i, Multicatalytic endopeptidase complex subunit 1) вместо каталитических субъединиц X (ß5), Y (ß1) и Z (ß2) конститутивных протеасом. Замена конститутивных субъединиц на иммунные происходит в процессе сборки новых протеасом. Субъединицы LMP2 и MECL1 встраиваются совместно, но независимо от субъединицы LMP7. Включение субъединицы LMP7 во вновь образующуюся протеасому, хотя и облегчается наличием LMP2 и MECL1, но может осуществляться в их отсутствие [11].
Таким образом, формируются три подтипа иммунных протеасом, которые выявлены в ряде органов млекопитающих: подтип, содержащий все иммунные каталитические субъединицы; подтип, содержащий субъединицы LMP2 и MECL1, и подтип, обладающий только LMP7 [12—14]. Синтезирующиеся в клетке аномальные и чужеродные белки подвергаются протеолизу иммунными протеасо-мами с образованием потенциальных антигенных олигопептидов со специфическим C-концом, содержащим остатки гидрофобных аминокислот или аргинина [15]. Гексамерный комплекс PA28 (состоящий из а- и ß-субъединиц) активирует протеасомы, усиливая продукцию эпитопов для главного комплекса гистосовместимости класса 1 (MHC I, Major Histocompatibility Complex I). Антигенные олигопептиды длиной 8—10 а.о. соединяются в цитоплазме с белками-транспортерами (TAP1 и TAP2, Transporter Associated with Antigen Presentation), переносятся в эндоплазматическую сеть, где связываются с молекулами MHC I и выносятся вместе с ними на поверхность клетки в составе трансмембранного пузырька [7, 16—18]. Иммун-
ные протеасомы принимают участие в адаптивном Т-клеточном иммунном ответе, пролиферации и дифференцировке клеток различных систем организма [19, 20]. Иммунные протеасомы были обнаружены в микроглии, составляющей 5—10% от общего количества клеток в ЦНС мозга и выполняющей антигенпредставляющую функцию в ЦНС [21]. В нейронах MHC I локализован постсинаптически и пресинаптически [22] и регулирует синаптическую функцию нейронов, их морфологию в процессе развития и в ответ на снижение нейрональной активности [23, 24].
Известно, что у млекопитающих до 90% клеточных белков (не только короткоживущих, но и большинства долгоживущих) подвергается гидролизу в протеасомах. Эффективное убиквитини-лирование поврежденных, денатурированных или инактивированных белков и последующее их направление в 268-протеасомы позволяют удалять из клетки потенциально токсичные или нефункциональные продукты и генерировать олигопептиды для представления их совместно с адгезивными молекулами другим клеткам, обеспечивая возникновение новых синаптических связей и управляя иммунными реакциями организма [25]. Интересно, что большинство генов, активируемых при воспалении, индуцированном введением липополисаха-рида, находится под контролем УПС [26—28]. Выключение гена PSMD13 подавляет экспрессию АТР-независимой субъединицы 268-протеасом и приводит к снижению воспалительных медиаторов 1кВа (Inhibitor of Nuclear Factor kappa B alpha) и NF-kB (Nuclear Factor kappa B) в липополисахарид-стимулированных клетках BV2 микроглии. [28]. По-видимому, протеасомы являются не только основным фактором защиты протеома клеток, в том числе и клеток ЦНС плода, от повреждающего действия патогенных факторов, но также важны для установления синаптических связей и нейрональных сетей развивающегося мозга.
Важную роль в функционировании ЦНС млекопитающих играет транскрипционный фактор Zif268 (EGR1, Early Growth Response Protein 1). Показана положительная корреляция между экспрессией транскрипционного фактора Zif268 и увеличением пула протеасом и их активности [29]. Кроме того, транскрипционный фактор Zif268 индуцируется в процессе обучения и запоминания [30—32], а также вовлечен в регуляцию синтеза некоторых синаптических белков (си-напсин, нерофиламенты, ARC (Activity Regulated, Cytoskeleton Associated Protein), семейство белков Homer), нейросекреторных белков (проэнкефа-лин, BDNF (Brain Derived Neurotrophic Factor), NGF (Nerve Growth Factor), TGF-beta (Transforming Growth Factor-beta), PNMT (Phenylethanolamine N-methyltransferase), холин-ацилтрансфераза, IL-2 (Interleukin 2) и адгезивных молекул (рецептор клеточной адгезии CD44, фибронектин) [33].
Цель настоящей работы — исследование динамики экспрессии иммунных субъединиц протеа-сом в сравнении с их ХПА и КПА и экспрессией транскрипционного фактора Zif268 в структурах головного мозга (коре, гиппокампе и стволе мозга) в эмбриональном (Э19 и Э21 дни) и раннем постнатальном (П1, П3, П4, П5, П7, П15 дни) развитии у крыс.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Конститутивные и иммунные протеасомы в коре, гиппокампе и стволе мозга крыс в периоды раннего онтогенеза
Содержание субъединиц и регуляторов активности протеасом в пробах осветленных гомогена-тов изученных структур мозга живо
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.