ш
УДК 577.22
P4-ATP-аза Atp8b1/FIC1: СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ В НОРМЕ И ПАТОЛОГИИ
© 2015 г. Т. В. Корнеенко*, Н. Б. Пестов*, И. А. Оккельман*, Н. Н. Модянов**, М. И. Шахпаронов*, #
*Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова, Москва, Россия **Департамент физиологии и фармакологии, Университет Толидо, Колледж Медицины, Толидо, Огайо, США Поступила в редакцию 04.04.2014 г. Принята в печать 16.06.2014 г.
Р4-АТР-азы — чрезвычайно интересное семейство среди АТР-аз Р-типа, поскольку их основная функция — перенос фосфолипидов, в частности фосфатидилсерина, из наружного монослоя мембраны во внутренний. Изоформы Р4-АТР-аз в определенной степени взаимозаменимы, но особенности тканеспецифичной экспрессии их генов, а также внутриклеточной локализации белков и путей их регуляции приводят к тому, что при нарушении структуры определенных изоформ на уровне целого организма могут развиваться достаточно тяжелые патологические состояния. Среди Р4-АТР-аз особое место занимает продукт гена АТР8В1, так как для этого гена известен ряд точечных мутаций, которые вызывают тяжелые наследственные заболевания: две формы наследственного холестаза (болезнь Байлера и доброкачественный рецидивирующий внутрипеченочный холестаз) с экстрапеченочными симптомами, такими как нейросенсорная глухота, пневмония, нарушение работы потовых желез, отставание в развитии. Физиологическая функция белка А1р8Ъ1/Р1С1 известна в общих чертах — он отвечает за транспорт некоторых фосфолипидов (фосфатидилсерин, кардиолипин) из наружного монослоя плазматической мембраны во внутренний. Хорошо установлено, что нарушение асимметрии мембраны из-за недостаточной активности А1р8Ъ1/Р1С1 приводит к гибели волосковых клеток внутреннего уха, нарушению транспорта желчных кислот в клетках печени и развитию цирроза. Вероятно также, что недостаточная активность А1р8Ъ1/Р1С1 предрасполагает и к повышенной чувствительности к бактериальным инфекциям. Нужно отметить, что до сих пор недостаточно изучены пути регуляции активности А1р8Ъ1/Р1С1 т угто. Это предполагает перспективность исследований данного белка с целью лучшего понимания молекулярных процессов, предопределяющих развитие патологий и выявления новых потенциальных терапевтических мишеней.
Ключевые слова: АТР8В1, АТР-аза, фосфолипиды, холестаз.
DOI: 10.7868/S0132342315010078
СЕМЕЙСТВО АТР-АЗ Р4, ИХ РОЛЬ В АСИММЕТРИИ ЛИПИДНОГО БИСЛОЯ
Асимметрия фосфолипидов в плазматической мембране — фундаментальная черта эукариотиче-ской клетки. Причем внутренний слой плазматической мембраны (цитоплазматический, обращенный в цитоплазму) обогащен фосфатидилсе-рином (ФС), фосфатидилэтаноламином (ФЭ) и фосфатидилинозитом, в то время как экзоплаз-матический, наружный для мембраны, содержит
Сокращения: ПСВХ — прогрессирующий семейный внутрипеченочный холестаз, progressive familiar intrahepatic cholestasis type, PFIC1; ДРВХ — доброкачественный рецидивирующий внутрипеченочный холестаз, benign recurrent intrahepatic cholestasis, BRIC; ЖК — желчные кислоты; ПМ — плазматическая мембрана; ЭР — эндоплазматический ретикулум.
#Автор для связи (тел.: +7(495) 330-65-56, эл. почта: shakhparonov@gmail.com).
в основном гликосфинголипиды и фосфатидилхо-лин. Асимметричное распределение фосфолипидов, сфинголипидов и свободных стеролов в бислое плазматической мембраны обеспечивает тонкую регуляцию проницаемости мембраны [1]. Кроме того, экспозиция ФС наружу клетки — важный фактор для, например, фагоцитоза опухолевых клеток [2], ФС является хорошим маркером апоптоза.
В транспорт фосфолипидов между монослоями биологической мембраны вовлечены три класса белков: скремблазы, Р4-АТР-азы (флип-пазы), и АВС-транспортеры (флоппазы) [3] (рис. 1). Р4-АТР-азы производят флиппирование, перенося ФС и другие липиды из наружного монослоя во внутренний. Под действием различных сигналов может происходить активация выравнивания концентраций фосфолипидов между двумя слоями, этот процесс называется скрем-
Флиппаза Флоппаза Скрамблаза
2+
Са
Рис. 1. Ферменты, ответственные за перемещение липидов между монослоями биологических мембран.
Atp8b1
CDC50
NH
Цитоплазма
Рис. 2. Схема укладки полипептидной цепи А1р8Ъ1 в мембране в комплексе с CDC50.
блинг. Важно, что скремблазы не являются АТР-зависимыми, а активируются при повышении внутриклеточного кальция [4]. Гликопротеин Р, а также транспортеры АВСР1, АЭСР2, РВСЭ4, FDCG1 способны осуществлять флоппирование: транспортировать сфинголипиды, холестерин, и ФХ из внутреннего монослоя в наружный по неизвестному пока механизму [5].
Р4-АТР-азы имеют все консервативные домены, характерные для АТР-аз Р-типа: обращенные в цитоплазму N и С-концевые участки, 10 трансмембранных столбов и большую высококонсервативную цитоплазматическую область. Эта область организована в три домена: Р-домен, содержащий сайт фосфорилирования, нуклеотидсвязывающий ^домен и А-домен [6] (рис. 2). Интересно, что для Р4-АТР-аз до сих пор неизвестно, требуется ли свя-
зывание какого-либо внутриклеточного лиганда для инициирования реакционного цикла.
Основной функцией АТР-аз Р4-типа, считают транслокацию фосфолипидов внутри цитоплаз-матической мембраны, так называемый флип-флоп-перенос (флиппирование), который, как и у всех ATP-аз Р-типа, сопряжен с процессом гидролиза ATP. Стехиометрия транспорта: 1 молекула ATP на 1 молекулу липида [7]. Предложен механизм выбора фосфолипидов и их транспорта c помощью АТР-аз Р-типа IV [8], определено более десятка остатков, непосредственно принимающих участие в транспорте фосфолипидов. Эти остатки не входят в сайты узнавания катионов у ионтранспортирующих ATP-аз, а находятся в районе трансмембранных сегментов 1—4. Один кластер локализован с наружной стороны ПМ (сегменты ТМ1, LL1-2, ТМ2, LL-4), где фосфоли-
Р4-АТР-аза Atp8b1/FIC1: СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА
5
пиды изначально подвергаются селекции, и этот кластер формирует "входные ворота". Второй кластер располагается на ТМ3 и ТМ4 рядом с ци-тозольной стороной мембраны, формируя "выходные ворота" для фосфолипидов [8].
Значение мембранных белков семейства Р4-АТР-аз трудно переоценить, поскольку дисфункции этих белков ассоциированы с дефектами развития у животных и несколькими патологиями человека. Важное место среди АТР-аз типа Р4 занимает Atp8b1 [8], также способная к переносу ФС и ФЭ, а, возможно, и других липидов.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ПОДСЕМЕЙСТВА Р4-АТР-АЗ,
К КОТОРОМУ ПРИНАДЛЕЖИТ АТР8В1
Итак, белковый продукт гена ATP8B1 принадлежит к семейству IV АТР-аз Р-типа (Р4-АТР-азы), которые представлены во всех эукариотических клетках, но отсутствуют у прокариот. Р4-АТР-азы важны для животных самых разных видов, например, потеря Р4-АТР-азы ТАТ-1 у нематоды Cae-norhabditis elegans приводит к потере экспонирования фосфатидилсерина на клеточной поверхности и нарушению клиренса апоптотических клеток [9].
В геноме человека имеется 14 генов АТР-аз типа Р4, которые можно разделить на несколько семейств и выделить подсемейства. Интересующее нас семейство II включает АТР-азы Atp8a1/Drs2, которые играют важную роль во внутриклеточном везикулярном транспорте [10, 11]. Внутри этого семейства легко выделить подсемейство Atp8b, например, в 2003 г. были идентифицированы два близких гомолога гена ATP8B1: ATP8B2 и ATP8B3 [12], белковые продукты которых на 53 и 45% идентичны по аминокислотной последовательности белку Atp8b1 соответственно.
Молекулярная эволюция Р4-АТР-аз подсемейства Atp8b (также называемого IIB, ID, 1b и т.д. [13]) проанализирована нами для известных геномов животных (рис. 3). Рис. 3а демонстрирует, что у всех метазойных животных (возможно, и у их общего предка) имеются АТР-азы подсемейств Atp8a и Atp8b, как правило, по одной изоформе каждого типа, хотя разнообразие белков может увеличиваться за счет альтернативного сплайсинга. С другой стороны, потеря ATP8A у кишечнополостных и губок, а ATP8B — у плоских червей вероятно указывает на их частичную функциональную взаимозаменяемость.
При рассмотрении эволюции Atp8b у хордовых (рис. 3б) обращает на себя внимание наличие одной изоформы у ланцетника и асцидии (как и у беспозвоночных) и одновременно — радиация генов, приведшая к образованию пяти изоформ у позвоночных. При этом все пять присутствуют
как у латимерии, так и у тетрапод (т.е., очевидно, присутствовали и у их общего предка — Багсор1еп-gii, а, возможно, и ранее — у Те1еоз1от1, хотя время происхождения АТР8В4 неясно). Достаточно надежно можно утверждать, что гены АТР8В1 и АТР8В3 родственны друг другу, а АТР8В2 родственен АТР8В4 (причем их общий предок родственен АТР8В5), что указывает на их происхождение путем дупликации предковых форм. При рассмотрении эволюционных изменений исследуемых генов у различных представителей тетрапод бросается в глаза потеря отдельных функциональных генов, за исключением АТР8В1, что может служить осторожным указанием на особую важность функции соответствующего белка. Как ныне хорошо известно, у лучеперых рыб после ответвления саргановых произошла дупликация генома, что затрудняет анализ эволюции множественных изоформ.
Отдельное древо (рис. 3в) указывает на то, что в настоящее время о древней дупликации свидетельствует наличие двух копий АТР8В5 и АТР8В2, в то время как гены других изоформ не дуплици-рованы. Особенностями А1р8Ъ рыб также являются быстрая эволюция АТР8В3 и потеря некоторых генов у различных видов. Филогенетический анализ генов АТР8В млекопитающих (рис. 3г) выявляет наличие всех пяти изоформ у большинства представителей и потерю 2-й и 4-й изоформ у утконоса (обычное явление для этого вида животных). Обращает на себя внимание также относительно быстрая эволюция генов АТР8В3 и АТР8В5, что является типичным для генов, экспрессирую-щихся преимущественно в семенниках. Любопытным фактом является псевдогенизация АТР8В5 у человекообразных обезьян: у гиббона присутствует полноценная копия, в то время как в геномах орангутана, гориллы и шимпанзе наблюдается расширение делеции функционального региона (поэтому статус соответствующих белков не ясен), а у человека ген сохраняет свою активность,
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.