Протеасомы в судьбе злокачественной опухоли
Наталья Петровна Шарова, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник, заведует лабораторией биохимии Института биологии развития им.Н.К.Кольцова РАН. Область научных интересов — механизмы функционирования ДНК-полимераз в онтогенезе, количественные и качественные изменения про-теасом в развитии организма и при злокачественном перерождении клетки.
Н.П.Шарова
Может ли исчезнуть уже поразившая организм злокачественная опухоль? Вряд ли кому-нибудь вопрос покажется риторическим, хотя и до сих пор большинство онкологических больных считают себя обреченными. В течение многих лет ученые исследуют механизмы возникновения и развития злокачественных опухолей, разрабатывают терапевтические методы, которые позволили бы остановить рост новообразований. Несмотря на то, что в этой области достигнуты определенные успехи, пока лишь удается задержать рост опухолей на более или менее длительное время. Вместе с тем известны случаи самопроизвольного исчезновения опухолей у людей и животных. Это значит, что в раковых клетках был запущен апоптоз (запрограммированная клеточная гибель) либо благодаря молекулярным механизмам внутри самих клеток, либо под действием иммунной системы. В обоих случаях должны существовать «спусковые крючки», нажав на которые, можно заставить злокачественные клетки повернуть на путь гибели. Если обнаружить такие «спусковые крючки», не исключено, что в дальнейшем можно будет найти и способы на них нажимать.
Скорее всего, подобные «спусковые крючки» нужно искать среди ферментативных систем, которые осуществляют и (или)
© Шарова Н.П., 2008
регулируют не один, а многие клеточные процессы. К числу таких систем прежде всего относятся протеасомы — сложные, состоящие из многих субъединиц белковые комплексы, чье назначение в клетке — расщеплять, «выводить из игры» в нужное время и в нужном месте важнейшие, но ставшие уже бесполезными белковые компоненты [1]. Протеасомы контролируют все клеточные процессы, устраняя (когда это необходимо клетке) белки, которые в этих процессах участвуют или их регулируют. Более того, про-теасомы необходимы и для работы иммунной системы. Как правило, эти протеолитические частицы расщепляют белок-мишень после его специального мечения — присоединения к нему цепочки из нескольких (не менее четырех) молекул белка убиквитина. По такому своеобразному ярлыку, маркеру, про-теасомы распознают белок, подлежащий уничтожению.
Во многих работах, посвященных изучению механизмов злокачественной трансформации клеток, придается большое значение нарушениям, которые случаются в процессе мечения белков убиквитином. Якобы только на этом этапе происходят основные события, связанные с расщеплением (гидролизом) белков протеасомами. Считалось, что маркированный таким способом белок-субстрат автоматически уничтожается в протеасоме — машинке «для рубки» белков на части. Так ли на самом деле? Ведь разрушение белков протеасомами — один из основных механизмов, обеспечивающих регуляцию жизнедеятельности клетки. Протеасомы регулируют различные процессы и в злокачественно перерожденной клетке. Что же в ней происходит с теми многими формами весьма сложных про-теолитических частиц, которые известны к настоящему времени? Ответ мы попытались най-
Схема строения протеасом.
ти, проведя исследования разных форм протеасом и их субъединиц в экспериментальных опухолях грызунов. О результатах этой работы и пойдет речь, но прежде рассмотрим — схематично — структуру и функции множественных форм протеа-сом с учетом новых данных, полученных за последние несколько лет.
Контролеры и мусорщики
Разные формы протеасом отличаются составом субъединиц, спецификой гидролиза белков и, следовательно, физиологической ролью в клетке*. Все многообразие протеасом мы намеренно свели к двум основным — 26S- и 20S— формам. Наиболее просто организованная 20S-ча-стица состоит из четырех собранных в стопку колец двух типов (а-р-р - а), каждое из которых образовано семью белковыми субъединицами. Два внутренних р-кольца имеют по три протеолитические субъединицы: одна расщепляет белки подобно ферменту химотрипсину, другая — как каспаза, третья — как трипсин. Активные центры этих субъединиц обращены внутрь протеасомы, в протеоли-тическую камеру, так что белки-мишени могут быть гидролизо-ваны, только если попадут в нее. Внешние а-кольца служат своеобразными гидрофобными «пробками», которые закрывают вход в протеолитическую камеру за счет ^концевых участков каждой из семи субъединиц. Вход туда открывается с помощью регуляторных субчастиц 19S, которые присоединяются с двух сторон к 20S-«ядру», образуя 26S-протеасомы. К ним же относят и гибридные формы, у которых одна из 19S-субчас-тиц замещена на другой регулятор (РА28, РА200). Благодаря 19S- комплексу 26S-протеасомы распознают белки с прикрепленным убиквитином, связыва-
* Подробнее об этом см. [1].
ются с ними, отщепляют убик-витиновую цепочку, расплетают белковый субстрат и проталкивают его в протеолитическую камеру за счет энергии, освобождаемой при гидролизе АТФ (этот процесс осуществляется шестью субъединицами того же 19S-комплекса). Следовательно, именно весь набор 26S-протеа-сом расщепляет маркированные убиквитином белки и контролирует многочисленные клеточные процессы, в которых эти белки участвуют [2]. Поэтому 26S-протеасомы можно назвать главными контролерами всех событий в клетке.
Другая форма — 20S-протеа-сома — не только образует резерв для формирования более сложной 26S-частицы, но и выполняет самостоятельные функции в клетке. Как показали исследования последних лет, 20S-протеасома уничтожает поврежденные окислением белки, причем для этого не требуется ни убиквитин, ни АТФ [3]. Такие белки могут «открывать» гидрофобные «пробки» 20S-протеа-сом своими гидрофобными участками, которые выпячиваются наружу при повреждении структуры. Выходит, у 20S-протеасом другая роль — главных мусор-
щиков в клетке, а не контролеров. В этом их основное различие, хотя рабочий механизм весьма схож — расщепление белковых молекул.
Участницы иммунных реакций
Если 26S- и 20S-протеасомы условно принять за два вида, то, по аналогии с биологическими видами, они должны состоять из популяций, только молекулярных. Так и есть на самом деле. В полном клеточном наборе каждого вида протеасом млекопитающих имеется группа конститутивных частиц и иммунных**. Их структурное отличие — в спектре протеолитичес-ки активных субъединиц. Иммунные протеасомы содержат в Р-кольцах каталитические субъединицы LMP7 (Р50, LMP2 (РП) и MECL1 (Р2^, тогда как в конститутивных протеасомах это X (Р5), Y (Р1) и Z (Р2). Расщеп-
** Конститутивные частицы синтезируются в обычном, нормальном состоянии клеток, а иммунные, как считалось первоначально, только в ответ на действие у-интерферона. Впоследствии выяснилось, что оба типа частиц существуют в норме, но их названия менять не стали.
ИММУНИТЕТ
/\
АДАПТИВНЫЙ
(включается в ответ на появление антигенов)
физические (анатомические) барьеры физиологические барьеры воспаление
(повышение проницаемости сосудов, накопление клеток в месте инфекции или физического повреждения)
фагоцитоз
(поглощение и переваривание корпускулярных частиц, в том числе микроорганизмов и погибших эндогенных клеток, нейтрофилами, моноцитами и макрофагами)
натуральные киллеры ^^клетки)
осуществляют быстрое разрушение чужеродных пролиферирующих клеток
ЕСТЕСТВЕННЫЙ
(не зависит от антигенной специфичности агрессивных агентов)
I
гуморальный
В-лимфоциты
дифференцируются
и
плазматические клетки
секретируют антитела, которые связываются с растворимыми антигенами, способствуя фагоцитозу
клеточный
Т-лимфоциты CD8
дифференцируются
и
Т-киллеры
распознают чужеродные или измененные свои клетки и разрушают их
макрофаги
Типы иммунитета. Цветом выделено Т-клеточное звено, с которым связана активность иммунных протеасом.
активируются Т-хелперами 1 и превращаются в цитотоксические клетки
ляя чужеродные белки — му-тантные, опухолевые или вирусные, — иммунные протеасомы образуют из них в несколько раз больше антигенных эпито-пов (т.е. олигопептидов длиной 8—10 аминокислотных остатков и с «правильным» С-кон-цом), чем конститутивные частицы. Поставляя антигенные эпитопы, в лимфоидных (органах иммунной системы) и не-лимфоидных (всех остальных) органах протеасомы выполняют разные функции [4], правда, все связанные с активностью Т-кле-ток иммунной системы.
Подробные, известные на сегодня, молекулярные события вряд ли увлекут неспециалиста, но в общих чертах их необходимо представить.
Образование «флажка бедствия». Если в организме появляются дефектные клетки, например зараженные вирусом, опухолевые или клетки, начав-
шие продуцировать мутантные белки, иммунная система такие клетки уничтожает. Но прежде всего она должна распознать объект своего нападения. Распознавание происходит по «флажку бедствия», который выбрасывается на поверхность клетки. Формирование «флажков» начинают иммунные протеасомы. Они расщепляют чужеродные белки в дефектной клетке любого органа и образуют из них антигенные эпитопы. Эти антигены-пептиды соединяются в цитоплазме со специальными транспортными белками (TAP1 и TAP2; Transporter Associated with Antigen Presentation — транспортер, связанный с предъявлением антигена) и переносятся в эндоплазматичес-кую сеть. Там они взаимодействуют с молекулами главного комплекса гистосовместимости (ГКГ) класса I и выносятся вместе с ними на поверхность клет-
ки в составе трансмембранных пузырьков. Такие структуры и играют роль опознавательных «флажков бедствия». Циркулирующие с кровью и (или) лимфой клетки иммунной системы — Т-киллеры — обнаруживают с помощью рецептора и ко-рецептора «флажки бедствия» на клетках-мишенях и направляют их на путь апоптоза, т.е. по сути убивают их, недаром называются киллерами.
Превращение наивного Т-лимфоцита в Т-киллера Прежде чем Т-киллер станет Т-киллером, способным проявлять цитотоксическую активность, ему еще надо в него превратиться из наивного Т-лим-фоцита. В этом процессе также участвуют иммунные протеасо-мы. Осуществляе
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.