БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ, 2007, том 24, № 2, с. 115-125
== ОБЗОРЫ =
УДК 577.151.05; 577.334
ПЕРЕКИСЬ ВОДОРОДА И ПЕРОКСИРЕДОКСИНЫ В РЕДОКС-РЕГУЛЯЦИИ ВНУТРИКЛЕТОЧНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ
© 2007 г. М. Ф. Быстрова, Е. Н. Буданова
Институт биофизики клетки РАН, Пущино 142290, ул. Институтская, д. 3, Факс: (4967) 330509, e-mail: bistrova@icb.psn.ru Поступила в редакцию 12.09.2006 г.
Перекись водорода генерируется в клетках в ответ на взаимодействие цитокинов и факторов роста с мембранными рецепторами и участвует в редокс-регуляции разнообразных сигнальных каскадов. Механизм редокс-регуляции основан на посттрансляционной окислительно-восстановительной модификации белков. Мишенями перекиси водорода являются тиоловые группы остатков цистеина с низкими рКа, входящие в состав активных центров ключевых сигнальных ферментов. Распространение Н202-сигнала в клетке осуществляется при участии бифункциональных белков пероксире-доксинов. В обзоре рассматриваются критерии, по которым H2O2 может быть отнесена к семейству сигнальных молекул, так называемых вторичных посредников. Обсуждается вопрос, как токсичная молекула, способная к неспецифическому окислению и повреждению всех классов биомолекул, может быть носителем специфической информации в процессе внутриклеточной сигнализации.
Редокс-сигнализацией называется процесс трансакции сигнала, при котором передача информации осуществляется путем окислительно-восстановительной модификации хотя бы одного из участников сигнального каскада путем химической реакции с активными формами кислорода, играющими при этом роль вторичных посредников. Эта реакция должна быть обратимой при нормальных физиологических условиях и/или катализироваться ферментами [1]. Хотя многие исследователи считают доказанным, что перекись водорода вовлечена в генерацию различных физиологических ответов, все еще существует некоторый скептицизм относительно того, может ли Н202 играть роль вторичного посредника. В данном обзоре рассматриваются редокс-чувствительные белки клетки и механизмы редокс-регуляции внутриклеточной сигнализации, а также обсуждаются критерии, по которым Н202 подходит или не подходит на роль вторичного посредника. Часть обзора посвящена недавно открытому семейству бифункциональных белков пе-роксиредоксинов, которые являются внутриклеточными сенсорами Н202 и главными регуляторами ее сигнальной активности.
Перекись водорода образуется в процессе нормального метаболизма во всех аэробных клетках. Молекула перекиси водорода реакционна сама по себе, а главное - она легко взаимодействует с ионами металлов в реакции Фентона, образуя еще более деструктивный гидроксил-радикал, экстремально токсичный для всех классов биомолекул. Тем не менее в норме клетки избегают токсических эффектов Н202 благодаря антиоксидантным системам, обеспечивающим распад Н202. В эти системы входят ферменты окислительно-восстано-
вительных циклов глутатиона и тиоредоксина, ка-талаза, метионин-сульфоксидредуктаза [2], а-ке-тоновые кислоты [3] и различные изоформы пероксиредоксинов [4]. Во многих публикациях Н202 называется нежелательным продуктом аэробного метаболизма и упоминается исключительно в контексте деструктивной активной формы кислорода, повреждающей биоструктуры и участвующей в патогенезе ряда заболеваний. Однако в последние годы появились убедительные свидетельства в пользу участия Н202 в регуляции различных процессов, необходимых для нормального функционирования здоровой клетки, таких как клеточный рост, дифференцировка, клеточная подвижность, адгезия [5]. Накапливаются данные о важной роли Н202 в модуляции активности различных сигнальных молекул, в том числе фос-фатаз, киназ, протеаз, ионных каналов и транспортеров, факторов транскрипции и контроля клеточного цикла.
ТИОЛОВЫЕ ГРУППЫ БЕЛКОВ ЯВЛЯЮТСЯ СЕНСОРАМИ Н202 В КЛЕТКЕ
В последние годы в научной литературе появилось понятие окислительно-восстановительной (или редокс) регуляции процесса внутриклеточной сигнализации, которая базируется на посттрансляционной окислительной модификации белков и где перекиси водорода отводится роль вторичного посредника в трансдукции разнообразных сигналов [6-9]. Мишенями перекиси водорода являются вполне определенные молекулярные структуры, а именно сульфгидрильные, или тиоловые, SH-груп-пы белковой молекулы, принадлежащие боковым цепям остатков цистеина [10]. Тиоловые группы белков подвергаются в мягких условиях окисле-
нию с образованием сульфеновой кислоты (SOH), а также меж- или внутримолекулярных дисуль-фидных связей, которое сопровождается конфор-мационными изменениями в молекуле белка [7, 10]. Окислительно-восстановительные превращения SH-групп существенных цистеинов сигнальных белков до сульфенатов и дисульфидов и, более того, - даже до сульфинатов (как это происходит, например, у пероксиредоксинов) являются обратимыми [11]. Нужно отметить, что обратимость реакций является необходимым условием того, чтобы они были сигнальными. Более жесткое окисление тиоловой группы до сульфоната приводит к необратимой модификации белка. Скорость и характер окисления SH-групп зависят от концентрации реагентов, рН, температуры, рКа, важным фактором также является пространственное расположение SH-групп в белке (т.е. их доступность) и их микроокружение. К настоящему времени считается доказанным, что SH-группы играют роль сенсора концентрации перекиси водорода в клетке [5]. Наиболее убедительным свидетельством в пользу существования редокс-сенсо-ров является открытие фактора транскрипции OxyR, который запускает в бактериальных клетках экспрессию генов антиоксидантных ферментов в ответ на окислительный стресс и тем самым контролирует защитный ответ бактерий на летальные дозы Н202 [12]. Н202 окисляет тиоловую группу молекулы OxyR до сульфеновой кислоты с последующим образованием внутримолекулярной дисульфидной связи (Cys199-Cys208). Это изменяет конформацию OxyR и переводит его в активное состояние. В некоторых публикациях OxyR даже называют рецептором перекиси водорода [12, 13]. Наиболее известными редокс-чувствительными эукариотическими факторами транскрипции являются №-кВ (ядерный фактор транскрипции кВ), АР-1 (протеин-активатор 1), NPR1 (неэкспрессор генов, относящихся к патогенезу), ША (фактор теплового шока 1), р53 [1, 7, 14, 15]. Причем у эу-кариот обе ступени активации фактора транскрипции - и аккумуляция в ядре, и ДНК-связывающая активность - могут быть редокс-зависимыми. Известно, что повышение уровня Н202 в дрожжевых клетках стимулирует синтез как минимум 115 белков, что является доказательством существования Н202-управляемой регуляции экспрессии генов [16, 17]. Многие редокс-чувствительные белки активируются в результате олигомеризации, которая индуцируется окислением тиоловых групп с последующим формированием межмолекулярных или внутримолекулярных дисульфидов. Примером могут служить белки теплового шока Шр33 и Шр70 [18, 19]. В неактивном состоянии №р33 представляет собой мономер, молекула которого содержит 4 консервативные SH-группы, связанные с атомом цинка, который маскирует сайт связывания с субстратом и блокирует димеризацию
белка. Окисление №р33 сначала приводит к образованию двух внутрицепочечных дисульфидных связей и сопутствующему освобождению атома цинка. Затем внутрицепочечные дисульфиды реорганизуются в две межцепочечные дисульфидные связи, образование которых активирует белок, приводя к его взаимодействию с субстратом. Молекула №р70 также содержит SH-группу. Ее окисление с последующим образованием смешанной межцепочечной дисульфидной связи с молекулой глутатио-на приводит к активации шаперонной активности №р70. Существуют доказательства, что некоторые ионные каналы также являются редокс-чувствительными. Так, например, аллостерическая активация Slo1 Са2+-зависимых калиевых каналов модулируется окислением тиоловых групп (Сys430 и Сys911), расположенных на С-конце полипептидной цепи [20].
Н202 МОДУЛИРУЕТ АКТИВНОСТЬ ТИРОЗИНОВЫХ ПРОТЕИНКИНАЗ И ФОСФАТАЗ
Одним из основных механизмов трансдукции сигнала с поверхности клетки в ядро является цепь реакций фосфорилирования - дефосфорилирова-ния клеточных белков по боковым цепям остатков тирозина и в меньшей степени серина и треонина. Агонист (например, гормон или фактор роста) может вызвать фосфорилирование белков напрямую через активацию тирозиновых протеинкиназ (ТК) и/или опосредованно путем инактивации тирозиновых фосфатаз (ТФ). И ТК, и ТФ содержат в составе полипептидных цепей консервативные тио-ловые группы. Анализ генома человека показал, что семейство ТФ насчитывает около 100 представителей, и все они содержат в каталитическом центре абсолютно консервативную тиоловую группу остатка цистеина, окисление которой инактивиру-ет фермент; поэтому все сигнальные каскады, содержащие ТФ, являются редокс-чувствительными [21]. Согласно [22, 23], перекись водорода в микромолярных концентрациях (<50 мкМ) способна достаточно быстро (с константой скорости 10-20 М-1 с-1) инактивировать некоторые ТФ, в том числе тирозинфосфатазы 1B, LAR и VHR. Причем было доказано, что мишенью H2O2 служит тиоловая группа каталитического центра, обратимо окисляемая в ходе реакции до сульфената [22, 23]. В отличие от классических ТФ, низкомолекулярные ТФ, фосфатазы двойственной специфичности и фосфатазы подсемейства cdc25C содержат вторую тиоловую группу в активном центре, поэтому их окисление приводит к генерации внутрицепочечных дисульфидов, способных затем восстанавливаться в присутствии редуцирующих тиоловых компонентов клетки [24]. Обратимое окисление ТФ индуцируется различными экстраклеточными лигандами (инсулин, факторы роста,
некоторые митогены), чье взаимодействие с рецепторами приводит к кратковременной внутриклеточной генерации Н202. То, что Н202, генерируемая в клетках в ответ на факторы роста, приводит к обратимому окислению и инактивации ТФ, впервые было показано для ТФ 1В в 1998 г. [25], а затем для низкомолекулярной ТФ [26] и фосфата-зы SHP-2 [27].
Баланс между фосфолирированием и дефосфо-лирированием тирозина в клетке определяется скоординированным действием ферментов-антагонистов ТФ и ТК. При ин
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.