научная статья по теме РОЛЬ ИОНОВ ЦИНКА И СТРУКТУРНОГО ПОЛИМОРФИЗМА ?-АМИЛОИДА В ИНИЦИАЦИИ БОЛЕЗНИ АЛЬЦГЕЙМЕРА Биология

Текст научной статьи на тему «РОЛЬ ИОНОВ ЦИНКА И СТРУКТУРНОГО ПОЛИМОРФИЗМА ?-АМИЛОИДА В ИНИЦИАЦИИ БОЛЕЗНИ АЛЬЦГЕЙМЕРА»

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2015, том 49, № 2, с. 249-263

= ОБЗОРЫ

УДК 577.29:616.01/-099:616.8-00

РОЛЬ ИОНОВ ЦИНКА И СТРУКТУРНОГО ПОЛИМОРФИЗМА Р-АМИЛОИДА В ИНИЦИАЦИИ БОЛЕЗНИ АЛЬЦГЕЙМЕРА

© 2015 г. А. А. Куликова, А. А. Макаров, С. А. Козин*

Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук, Москва, 119991

Поступила в редакцию и принята к печати 17.11.2014 г.

Агрегация р-амилоидного пептида (Ар) лежит в основе развития болезни Альцгеймера. В обзоре рассмотрены основные стадии образования и агрегации Ар. Приведены данные, подчеркивающие важное значение взаимодействия ионов цинка с металлсвязывающим доменом 1—16 Ар как молекулярного процесса, приводящего к агрегации Ар. Проанализированы результаты изучения природных модификаций металлсвязывающего домена Ар, определяющих его структурный полиморфизм. Обсуждаются перспективы исследования этих модификаций с целью установления механизма патогенной агрегации Ар.

Ключевые слова: болезнь Альцгеймера, р-амилоид, цинк, агрегация, олигомеризация, димеризация, структурный полиморфизм, металлсвязывающий домен, посттрансляционные модификации, мутации.

THE ROLE OF ZINC IONS AND STRUCTURAL POLYMORPHISM OF p-AMYLOID IN THE ALZHEIMER'S DISEASE INITIATION, by A. A. Kulikova, A. A. Makarov, S. A. Kozin* (Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences, Moscow, 119991 Russia; *e-mail: kozinsa@ gmail.com). Aggregation of p-amyloid peptide (Ap) underlies the development of Alzheimer's disease. Here we review the main stages of Ap formation and aggregation. We highlight the importance of interaction of zinc ions with the metal-binding domain 1—16 of Ap as a molecular mechanism that leads to Ap aggregation. We analyze recent studies of the native modifications of the Ap metal-binding domain that determine its structural polymorphism. The prospects for further studies of these modifications aimed at revealing the pathogenic mechanism of Ap aggregation are discussed.

Keywords: Alzheimer's disease, p-amyloid, zinc, aggregation, oligomerization, dimerization, structural polymorphism, metal-binding domain, post-translational modifications, mutations.

DOI: 10.7868/S002689841502007X

ВВЕДЕНИЕ

Неправильное сворачивание белков, приводящее к их патологической агрегации, лежит в основе развития ряда нейродегенеративных заболеваний — протеинопатий [1], особое место среди которых занимает болезнь Альцгеймера (БА) [2]. БА клинически характеризуется постепенным ухудшением памяти, изменением поведения, нарушением внимания, восприятия, мышления, постепенной потерей социальных навыков и языковой функции [3—6]. БА — самая распространенная причина старческой деменции, диагностируемая примерно у 11% лиц старше 65 лет и 32% — старше 85 лет [7, 8]. Увеличение продолжительности жизни делает БА одной из основных проблем, с которой в ближайшем будущем столкнется здраво-

охранение развитых стран. В 2010 г. во всем мире насчитывалось 36 млн. человек с диагнозом БА, а к 2050 г. это число может достигнуть 115 млн. [9]. БА — это многофакторное заболевание. Несмотря на активные исследования в настоящее время не существует ни молекулярной диагностики ранних стадий заболевания, ни лекарственных средств, эффективных при БА. Единственные доступные на данный момент лекарственные средства — ингибиторы ацетилхолинэстеразы и ме-мантин — лишь временно снимают симптомы, но не предотвращают развитие патологии. Для направленного поиска терапевтических средств и эффективной диагностики БА необходимо выявить молекулярные механизмы, лежащие в основе патогенеза этого заболевания.

Принятые сокращения: БА — болезнь Альцгеймера; Aß — ß-амилоид; APP (Amyloid Precursor Protein) — белок-предшественник амилоида; ЦСЖ — цереброспинальная жидкость.

* Эл. почта: kozinsa@gmail.com

Изменение метаболизма Ав: повышение концентрации Ав, увеличение соотношения Ав(1—42)/Ав(1—40), нарушение деградации Ав

Олигомеризация Aß и образование диффузных бляшек

Влияние растворимых димеров на синаптическую пластичность

Нарушение распределения белка тау, нарушение его фосфорилирования и дефосфорилирования

Олигомеризация белка тау

Дисфункция и гибель нейронов

Vi

Деменция, клинически характеризующаяся включениями амилоидных бляшек и нейрофибриллярных клубков

Рис. 1. "Амилоидная гипотеза" возникновения и развития БА. Согласно этой гипотезе ключевым фактором в инициации патогенного каскада БА является изменение метаболизма АР под действием целого ряда факторов, что ведет к его олигомеризации и образованию диффузных бляшек. Олигомеризация АР влияет на пластичность нейронов и приводит к нарушению фосфорилирования белка тау, которое, в свою очередь, ведет к накоплению нейрофибриллярных клубков, разрушению внутренней структуры нейронов и нейрональной дисфункции.

БОЛЕЗНЬ АЛЬЦГЕЙМЕРА

Характерные патологические признаки БА — накопление внеклеточных амилоидных бляшек и внутриклеточных нейрофибриллярных клубков в головном мозге больных, сопровождающееся воспалительным процессом, повреждением нейронов и синапсов [10, 11]. Основным компонентом амилоидных бляшек являются агрегированные формы Р-амилоида (АР), а нейрофибриллярных клубков — гиперфосфорилированный белок тау. Гистопатологические включения обоих типов обладают нейротоксическим эффектом [12, 13], поэтому вопрос о том, какой процесс первичен — агрегация Ар или гиперфосфорилированного белка тау — вызывает широкую дискуссию. Согласно ведущей "амилоидной гипотезе" (рис. 1), ключевая роль в инициации БА отводится агрегации неправильно свернутого Ар в димеры и олигомеры, а затем в нерастворимые амилоидные бляшки [14—16]. Агрегация Ар влечет за собой комплекс

патологических процессов, таких как нарушение синаптической передачи и межклеточной коммуникации [17—19], активация микроглии и астро-цитов [20, 21], нарушение нейронального ионного гомеостаза и окислительный стресс [22], мито-хондриальная дисфункция [23]. Основной вклад в развитие БА, особенно на ранних стадиях заболевания, вносят растворимые олигомеры Ар [17, 24]. Выделенные из кортекса растворимые димеры Ар индуцируют гиперфосфорилирование белка тау и деградацию нейронов [25], а растворимые олигомеры Ар нарушают структуру синапсов и приводят к их дисфункции [17]. Последующее преобразование растворимых низкомолекулярных олигомеров в нерастворимые высокомолекулярные фибриллы, из которых формируются амилоидные бляшки, сегодня рассматривается как элемент защитного механизма, способствующий удалению токсичных агентов [1, 26]. Эти продукты уже не обладают прямым нейротокси-ческим эффектом и депонируются в межклеточном пространстве.

ß-АМИЛОИД, ПРОТЕОЛИТИЧЕСКИЙ

ПРОЦЕССИНГ БЕЛКА APP, МУТАЦИИ, АССОЦИИРОВАННЫЕ С БОЛЕЗНЬЮ АЛЬЦГЕЙМЕРА

Пептид Aß продуцируется в процессе нормального клеточного метаболизма, секретируется в межклеточное пространство и циркулирует в цереброспинальной жидкости (ЦСЖ) и крови [27, 28]. Длина Aß варьирует от 36 до 43 аминокислотных остатков [29]. Наиболее распространенные формы Aß состоят из 40 (Aß(1—40)) и 42 (Aß(1—42)) аминокислотных остатков. Aß образуется в результате процессинга белка APP (Amyloid Precursor Protein) (рис. 2). APP, мембранный белок типа I, представлен почти во всех типах клеток и сконцентрирован в синапсах нейронов. В результате альтернативного сплайсинга образуются несколько изоформ APP; три основные изоформы состоят из 695, 751 и 770 аминокислотных остатков. Изоформы из 751 или 770 остатков экспрессируются в клетках всего организма, в том числе в нейронах. Уровень изоформы из 695 остатков повышен в нейронах и понижен в других типах клеток [4]. APP и две его гомологичные формы — APLP 1 и APLP 2 (APP-Like Proteins), вместе формируют небольшое семейство белков с важными физиологическими функциями в перинатальном и постнатальном развитии, а также в межклеточной коммуникации [30]. Однако APLP не содержат последовательности пептида Aß, таким образом, APP является единственным источником пептидов Aß в головном мозге [31]. Физиологическая роль самого пептида Aß не установлена. Выделяют следующие возможные функции Aß: изменение ионного транс-

Рис. 2. Схема образования AP в результате протеолитического процессинга белка предшественника AP — APP (amyloid precursor protein). Существуют два пути процессинга APP: амилоидогенный (а) и неамилоидогенный (б). а — В амило-идогенном пути белок APP сначала расщепляется Р-секретазой, в результате чего образуются пептид sAPPp (secreted APPP) и ассоциированный с клеточной мембраной белок CTF-P (C-terminal fragment). Затем белок CTF-P при участии у-секретазы расщепляется на пептид AP и внутриклеточный домен белка APP — белок AICD (amyloid precursor protein intracellular domain). б — В неамилоидогенном пути белок APP сначала расщепляется а-секретазой, в результате чего образуются пептид sAPPa и ассоциированный с клеточной мембраной белок CTF-a. Затем белок CTF-a при участии у-секретазы расщепляется на пептид p3(17—42) и белок AICD. Пептид AP(1—16) выделен белым цветом, пептид p3(17—42) — горизонтальной штриховкой, остальные участки белка APP обозначены темно-серым. Обозначены N- и C-концы белка APP.

AICD CTF-P APP APP CTF-a AICD

Внутриклеточное пространство

порта [32], активация киназ [33], регуляция транспорта холестерина [34], защита от индуцируемого металлами окислительного разрушения [35], обучение и память [36], регуляция транскрипции генов, ассоциированных с развитием БА [37], участие в системе врожденного иммунитета [38].

Образование AP по "амилоидогенному пути" процессинга APP начинается с N-концевого расщепления APP Р-секретазой (рис. 2а), в результате которого высвобождается эктодомен APP — sAPPp (secreted APPP), и образуется связанный с мембраной C-концевой фрагмент — CTF-P (C-terminal fragment). Затем у-секретаза разрезает CTF-P внутри мембраны, что приводит к высвобождению AP в межклеточное пространство [4]. APP может расщепляться и по "неамилоидогенному пути", на первом этапе которого а-секретаза разрезает последовательность AP между остатками Lys16 и Leu17, препятствуя тем самым образованию полноразмерных пептидов

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.

Показать целиком