ОБЗОРЫ
УДК 575.1, 612.744.2, 612.76
РОЛЬ PGC-1a В РЕГУЛЯЦИИ МЕТАБОЛИЗМА СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ
© 2013 г. И. И. Ахметов1, 2, В. А. Рогозкин1
1 Санкт-Петербургский НИИ физической культуры 2 Поволжская государственная академия физической культуры, спорта и туризма, Казань
Поступила в редакцию 27.06.2012 г.
Цель обзора — представить современное понимание роли РОС-1а в регуляции метаболизма скелетных мышц, а также описать результаты исследований по изучению ассоциации полиморфизма гена РРЛЯОС1Л с мышечной деятельностью человека.
Ключевые слова: ген, полиморфизм, РОС-1а, метаболизм, скелетные мышцы. БО1: 10.7868/80131164613030028
Аэробные и анаэробные возможности человека относятся к количественным признакам, развитие, формирование и проявление которых контролируется системами полигенов с аддитивными эффектами. Нормальное функционирование транскрипционного аппарата мышечной клетки осуществляется посредством слаженной работы огромного числа различных коактиваторов, ген-специфических и общих факторов транскрипции [1]. С этим связан интерес исследователей к изучению генов-регуляторов, белковые продукты которых относятся к транскрипционным факторам из семейства ядерных рецепторов, активируемых пролифераторами пероксисом (PPAR) (PPARA, PPARG, PPARD и гены семейства их коактивато-ров — PGC-1), координирующих экспрессию десятков генов, регулирующих жировой и углеводный обмены. Семейство коактиваторов PGC-1 рассматривается как второй класс коактиваторов и состоит из трех белков: PGC-1a, PGC-1p и PGC-родственный коактиватор (PGC) [2].
Наиболее важное место отводится белку PGC-1a, который принимает участие в координации многих метаболических реакций в мышечной клетке. Белок PGC-1a активирует широкий ряд транскрипционных факторов, включающих PPAR, ядерные респираторные факторы (NRF), митохондриальный транскрипционный фактор A (TFAM), миоцит-повышающие факторы (MEF), эстроген-подобный рецептор (ERR), a и р рецепторы эстрогена, фарнезил Х рецептор (FXR), пре-гнан X рецептор (PXR), ядерный фактор печени 4 (HNF-4), X рецептор печени (LXR), рецептор ти-реоидного гормона, ретиноидные рецепторы, глюкокортикоидный рецептор, транскрипционный белок FOXO1, транскрипционный репрес-сорный белок YY1 и др. [3, 4].
Цель обзора — представить современное понимание роли РОС-1а в регуляции метаболизма скелетных мышц, а также описать результаты исследований по изучению ассоциации полиморфизма гена РРЛЛОС1Л с мышечной деятельно -стью.
Структура белка PGC-1a и механизм его действия
Белок PGC-1a молекулярной массой 91027 Да содержит 798 аминокислот и разделен на несколько функциональных доменов (рис. 1). Домен активации включает 180 аминокислотных остатков, следующий за ним домен репрессии — 223 аминокислотных остатка.
Белок PGC-1a выполняет функции транскрипционного коактиватора посредством физического взаимодействия с транскрипционными факторами и прямо связывается функциональными доменами с ДНК. Так, N-концевая часть белка содержит два мотива LXXLL, которые взаимодействуют с разными ядерными рецепторами гормонов, в том числе с HNF4a, GR и ERRa. Результаты анализа кристаллической структуры комплекса, образованного при связывании домена активации PGC-1a и домена PPAR, показали, что между первым мотивом LXXLL белка PGC-1a и сайтом коактивации PPAR образуются устойчивые гидрофобные и полярные связи. Первый мотив LXXLL PGC-1a обладает способностью связываться и активировать PPAR. Формирование комплекса между доменом активации PGC-1a и лиганд-связывающим доменом ERR вызывает значительные конформационные изменения, приводящие к компактности и стабильности бинарного комплекса [5]. Таким образом, при взаимодействии с ERR домен активации PGC-1a ста-
GCN5 TIP60
AMPK
180
p38MAPK SIRT 403
АХМЕТОВ, РОГОЗКИН AMPK
AKT/PKB
)LXXLL LXXLL CBP/p300
LLXYL
NRF1
ядерные корепрессоры репрессоры p160
MEF2C
Домен активации Домен репрессии RS свя РНК зывания
MET
FOXO1 TRAP
MAT1/RNAпроцессинг-факторы YY1
Рис. 1. Архитектура PGC-1 транскрипционного комплекса.
новится более прочным и плотным, что способствует активации транскрипционного комплекса. В других частях молекулы белка происходит связывание с транскрипционным фактором TKA1 в районе 200—400 аминокислотных остатков, MEF2C в районе 400—565 аминокислотных остатков, и FOXO1 и YY1 в С-концевой части белка.
Способность PGC-1a взаимодействовать с различными транскрипционными факторами дает возможность координировать и регулировать экспрессию генов в скелетных мышцах в ответ на внешние воздействия, например, физические нагрузки. Молекулярные механизмы, посредством которых PGC-1a осуществляет экспрессию генов, изучены недостаточно. Автономная активация транскрипции наблюдается в N-концевой части белка, где обнаружено присоединение к этому домену двух коактиваторов с ацетилтранс-феразной активностью, SRC-1 и CBP/p300, и двух дополнительных транскрипционных комплексов GCN5 и TIP60 также с ацетилтрансферазной активностью, контролирующих метаболизм глюкозы [6]. С-концевая часть белка содержит SR мотив и РНК-связывающий домен, где происходит взаимодействие с белками, участвующими в про-цессинге РНК [7]. Кроме того в этой части белка происходит взаимодействие с комплексом TRAP, способным инициировать транскрипцию [8]. В молекуле белка имеется 13 лизиновых аминокислотных остатков, способных подвергаться ацети-лированию, в шести участках происходит фосфо-рилирование и в нескольких — метилирование. Эти ковалентные модификации, осуществляемые ферментами ацетилирования, фосфорили-рования и метилирования, вызывают конформа-ционные изменения активности PGC-1a и при-
водят к перемещению белка из цитоплазмы в ядро с образованием активных транскриптов с другими коактиваторами и последующим взаимодействием с хроматином.
Как видно из рис. 2, при выполнении физической нагрузки в скелетной мышце на РОС-1а действует ряд факторов по разным сигнальным путям. Они включают передачу нервных импульсов и усиление притока ионов Са2+, гормональные воздействия, сокращения мышечных волокон и механический стресс, метаболические запросы, связанные с потреблением энергии. Все это приводит, во-первых, к увеличению экспрессии гена, кодирующего РОС-1а (РРЛЯОСЫ) и, во-вторых, к посттрансляционной модификации синтезированного белка РОС-1а.
В скелетных мышцах регуляция метаболизма происходит с участием нескольких сигнальных путей, которые включают Са2+-зависимый путь, реактивные формы кислорода, окись азота, АМФ-зависимую протеинкиназу (АМРК) и р38-МАРК. Эти сигнальные пути контролируют экспрессию сократительных белков, ангиогенез, ми-тохондриальный биогенез и другие метаболические реакции, связанные с адаптацией организма к физическим нагрузкам. Регуляторная сеть р38-МАРК/РОС-1а участвует в индуцированном физическими нагрузками ангиогенезе и митохон-дриальном биогенезе, но не в трансформации миофибрилл.
Участие белка РОС-1а в метаболических процессах регулируется не только изменениями экспрессии гена, но также несколькими видами ко-валентных модификаций, которые включают фосфорилирование [9, 10], ацетилирование [11, 12], метилирование [13], убиквинирование [2],
Нервные импульсы: ацетилхолин
Ca+
Механический стресс: p38 MAPK
ampT
ATP^
^•AMPK
Метаболические потребности NADt NADH^
Гормональные сигналы:
— адреналин
— тиреоидный гормон
— кортикостероиды
Гипоксия
Сокращение миофибрилл
Рис. 2. Основные факторы, действующие на РОС-1а в скелетных мышцах при выполнении физической нагрузки.
сумоилирование [14] и ацетилглюкозаминирова-ние [15]. Так, в экспериментах in vitro показано, что p38-MAPK фосфорилирует аминокислотные остатки серина и треонина (Thr262, Ser265 и Thr298). Это приводит к увеличению содержания белка и повышает стабильность с периода жизни 2.3 часа до 6.3 часа [9]. Другой фермент АМРК фосфорилирует аминокислотные остатки в положениях Thr177 и Ser538, что также делает белок PGC-1a более активным [10, 16].
Фермент ацетилтрансфераза (GCN5) катализирует перенос ацетильной группы с ацетил-СоА на лизиновые аминокислотные остатки белка PGC-1a. В молекуле PGC-1a имеется 13 участков, которые подвергаются ацетилированию. Кроме фермента GCN5 в процессе ацетилирова-ния могут принимать участие и другие ацетил-трансферазы — SRC-1 и СВР/р300, но их вклад существенно меньше, и основное ацетилирование PGC-1a выполняет GCN5. Следует отметить, что активность GCN5 в свою очередь регулируется коактиватором стероидного рецептора (SRC-3), который связывается с ферментом и изменяет его активность. Ацетилированный белок PGC-1a перемещается из цитоплазмы в ядро и связывается с транскипционным репрессором — рецептор-вза-имодействующим белком 140 [11]. Далее происходит деацетилирование PGC-1a ферментом NAD+-зависимой деацетилазой SIRT, и образуется активный комплекс с хроматином [17]. В опытах на клеточных культурах С2С12 показано, что фосфорилирование АМРК готовит PGC-1a к деацетилированию SIRT. При этом вызываемое АМРК увеличение NAD приводит к активации
SIRT [9]. Это указывает на то, что AMPK, SIRT и PGC-1a вместе являются центральными игроками в регуляции метаболизма, и их роль усиливается во время физической активности человека. Модель активации белка PGC-1a в скелетной мышце представлена на рис. 3.
Последовательность событий выглядит следующим образом. Белок PGC-1a в цитоплазме фос-форилируется AMPK или p38-MAPK с последующей транслокацией в ядро. Активность фермента SIRT 1 увеличивается под влиянием AMPK, физических упражнений и пищевых факторов [18]. SIRT1 деацетилирует белок PGC-1a в ядре [19]. Фосфорилированный, но деацетилированный белок PGC-1a увеличивает транскрипцию мито-хондриальных генов и приводит к усилению биогенеза митохондрий [20] (рис. 3).
Активность фермента SIRT1 регулируется изменением концентрации субстрата NAD, которая повышается под действием фермента никотина-мид-фосфорибозилтрансферазы (NAMPT), катализирующего синтез NAD из никотинамида. Активность NAMPT регулируется ферментом AMPK [21]. В условиях мышечной деятельности повышается концентрация NAD, что усиливает активность SIRT. Аналогичн
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.