БИОХИМИЯ, 2006, том 71, вып. 8, с. 1050 - 1061
УДК 577.152.6
УБИКВИТИН-ПРОТЕИНЛИГАЗА ПАРКИН: РОЛЬ В РАЗВИТИИ БОЛЕЗНИ ПАРКИНСОНА
Обзор
© 2006 г. О.А. Бунеева, А.Е. Медведев*
НИИ биомедицинской химии им. В.Н. Ореховича РАМН, 119121 Москва, Погодинская ул. 10; факс: (495)245-0857, электронная почта: alexei.medvedev@ibmc.msk.ru
Поступила в редакцию 11.04.06
Паркин — белок, кодируемый одноименным геном и обладающий убиквитин-протеинлигазной активностью. В настоящем обзоре рассмотрены доменная структура, субстратная специфичность, субклеточная локализация и механизмы регуляции активности паркина. Проанализированы данные по влиянию различных мутаций гена паркина на структуру и функции этого белка, а также результаты экспериментов in vivo с мутантными по гену паркина животными. Более полное понимание особенностей биохимии паркина и его компартментализации позволят разработать новые подходы в терапии как наследственных, так и спорадических случаев болезни Паркинсона.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: паркин, болезнь Паркинсона, протеасома, убиквитинирование, убиквитин-проте-инлигаза, митохондрии.
Болезнь Паркинсона (БП), впервые описанная Джеймсом Паркинсоном в 1817 г., — одно из самых распространенных нейродегенеративных заболеваний человека. БП страдает около 1% населения старше 65 лет и 4—5% — в возрасте старше 85 лет [1, 2]. Типичные клинические проявления БП — брадикинезия, тремор, мышечная ригидность и общее снижение двигательной активности. Причиной этих симптомов является избирательное угнетение дофаминер-гических нейронов черной субстанции среднего мозга (substantia nigra), приводящее к критическому снижению уровня дофамина в полосатом теле [3]. Заместительная терапия предшественниками дофамина на некоторое время помогает
Принятые сокращения: БП — болезнь Паркинсона; МАО — моноаминоксидаза; ЭПР — эндоплазматический ретикулум; UCL-L1 — убиквитин-С-концевая гидролаза L1 (ubiquitin carboxy-terminal hydrolase L1); CDCrel-1 — белок, контролирующий клеточное деление (Cell Division Control-related protein); CHIP — белок, взаимодействующий с С-концевым остатком Hsp 70 (C-terminus Hsp 70-interacting protein); Hsp 70 — белок теплового шока c молекулярной массой 70 кДа (Heat shock protein 70); IBR-учас-ток — участок, расположенный между двумя RING-доме-нами (in-between RING-участок); Pael-R — паркинсвязы-вающий белок ЭПР (parkin-associated endothelial-like receptor); RING — really interesting gene; UBL-домен — домен, подобный убиквитину (ubiquitin-like domain); UPD-домен — уникальный домен паркина (unique parkin domain). * Адресат для корреспонденции и запросов оттисков.
снять двигательные нарушения, но в большинстве случаев БП неуклонно прогрессирует вплоть до самой смерти пациента [4].
Несмотря на сходные клинические проявления и их невропатологические причины, БП — довольно гетерогенное заболевание. Большинство случаев заболевания, по-видимому, спорадические, хотя существует и генетическая предрасположенность к БП. Наследование болезни Паркинсона в результате определенного генетического дефекта, передающегося из поколения в поколение, вероятно, составляет менее 10% всех случаев БП [5], однако, выявление ответственных за развитие этого заболевания генов позволяет по-новому взглянуть на его патогенез и открывает широкие перспективы в исследовании экспрессируемых белков [4, 6, 7]. Один из таких генов — ген паркин, открытый японскими исследователями в 1998 году. Он кодирует одноименный белок, принимающий участие в про-теасомной деградации внутриклеточных белков.
Диагностический признак болезни Паркин-сона — дистрофические невриты (невриты Леви) и характерные эозинофильные цитоплазмати-ческие включения округлой формы (так называемые тельца Леви (Lewy bodies)) [8]. Тельца Леви находят в оставшихся дофаминергических нейронах черной субстанции, нейронах коры головного мозга и базальных ядер переднего мозга [9]. Содержимое телец Леви представляет собой
«венчик» белковых фибрилл диаметром 10—15 нм, расходящихся из «размытой» липопротеиновой сердцевины, сформированной гранулами и фи-ламентами. Основной компонент этих образований — пресинаптический белок а-синуклеин. Тельца Леви иммунореактивны также по отношению к убиквитину — белку, играющему ключевую роль в процессах протеолитической деградации белков в клетке. По-видимому, причиной появления телец Леви и невритов Леви является накопление в цитоплазме белковых агрегатов в результате повреждения убиквитин-про-теасомной системы [3].
СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРОТЕАСОМЫ
Протеасомы представляют собой специфическим образом организованные надмолекулярные комплексы, осуществляющие энергозависимый протеолиз (рис. 1). Эти мультисубъеди-ничные структуры обнаружены в цитоплазме, перинуклеарном пространстве и ядре всех эука-риотических клеток [10].
Полиубиквитинированные белки в протеа-сомах расщепляются до пептидов и аминокислот, а полиубиквитиновая цепь распадается, и молекулы убиквитина высвобождаются для осуществления следующего цикла.
268-протеасома содержит два регуляторных 198-комплекса, расположенных по краям каталитического ядра — 208-протеасомы, состоящей из субъединиц, обладающих протеолитической активностью, а также структурных и регулятор-ных субъединиц (обладающих АТРазной активностью) [10]. Всего в состав 208-протеасомы входит 28 субъединиц, организованных в два внешних и два внутренних кольцевых слоя. Вместе они образуют полую цилиндрическую структуру, внутри которой и происходит протео-лиз [11, 12]. 208-протеасомы содержат более десяти различных типов субъединиц, которые делятся на два семейства а и р. Наружные кольца образованы а-субъединицами, а внутренние — Р-субъединицами. В экспериментах in vitro показано, что каждое кольцо из семи р-субъеди-ниц содержит активные центры с различной первичной субстратной специфичностью: хи-мотрипсино-, трипсино- и каспазоподобной. Каталитически активным остатком каждого из активных центров является N-концевой остаток треонина [13].
В цитоплазме протеасомы ассоциированы с центросомами, сетью цитоскелета и внешней поверхностью эндоплазматического ретикулума; в ядре они присутствуют в нуклеоплазме, но не в
ядрышке [12]. В результате нарушения протео-литической функции протеасомы накапливаются в этих областях клетки, образуя так называемые агресомы, провоцирующие апоптоз [14].
Убиквитин-протеасомная система чрезвычайно важна для поддержания жизнеспособности и нормального функционирования клетки, так как именно в протеасомах с участием убик-витина происходит деградация большинства клеточных белков [15, 16], кроме мембранных и внеклеточных белков, которые в результате эн-доцитоза попадают в лизосомы и разрушаются там [10]. В протеасомах расщепляются аномальные (неправильно свернутые и/или мутантные) белки. Белки, поврежденные в результате действия токсинов, ионов тяжелых металлов, теплового шока или окислительного стресса также подвергаются протеасомной деградации (если их структура не может быть восстановлена с помощью шаперонов) [12]. Таким образом, убик-
Рис. 1. Строение протеасомы и взаимодействие с ней пар-кина. 208-иротеасома представлена в виде цилиндрической структуры, внутри которой происходит протеолиз. Она образована двумя внешними кольцевыми слоями, состоящими из семи а-субъединиц, и двумя внутренними кольцевыми слоями из семи Р-субъединиц. К 208-протеа-соме присоединены два мультисубъединичных регуляторных 1^-комплекса. Все вместе они образуют 268-протеа-сому. Полиубиквитинированные субстраты взаимодействуют с паркином в районе ЯШв-пальцевого участка, а 1^-протеасомный комплекс — в районе ИБЬ-домена (см. далее в тексте). Паркин обозначен горизонтальным цилиндром, разделенным на домены, субстрат — затемненным овалом, а остатки убиквитина — маленькими затемненными кружками
витин-протеасомная система является не менее значимой, чем семейство шаперонов, силой, защищающей эукариотическую клетку от накапливания нерастворимых агрегатов дефектных белков [10].
УБИКВИТИН И ЕГО РОЛЬ В ПРОТЕАСОМНОЙ ДЕГРАДАЦИИ БЕЛКОВ
Убиквитин, один из основных компонентов этой протеолитической системы, — белок с молекулярной массой 8 кДа, состоящий из 76 аминокислотных остатков и встречающийся во всех эукариотических клетках. Наряду с участием в процессах протеолиза, убиквитин, модифицируя различные белки-мишени, играет роль во многих внутриклеточных процессах: регуляции экспрессии генов, регуляции клеточного цикла и деления, ответе на стресс, репарации ДНК, импорте белков в митохондрии, сборке рибосом, апоптозе и других [17]. Однако наиболее полно изучена роль убиквитина в протеолизе белков [7, 18].
Участие убиквитина в протеасомной деградации белков заключается в их мечении путем ковалентного присоединения полиубиквитино-вой цепи (в отличие от моноубиквитинирова-ния при выполнении убиквитином других функций, не связанных с протеолитической деградацией [12]). Процесс полиубиквитиниро-вания протекает в три этапа под действием последовательно вступающих в действие ферментов (см. рис. 2). Сначала убиквитин-активирую-щий фермент Е1 в присутствии АТР присоединяет убиквитин по С-концевому остатку глицина; при этом образуется макроэргическое тио-эфирное производное. Далее убиквитин переносится на убиквитин-конъюгирующий фермент Е2 с образованием еще одной тиоэфирной связи. Конечный этап протекает с участием Е3 — убиквитин-протеинлигазы, которая катализирует перенос убиквитина на s-аминогруппу остатка лизина белка-мишени. Далее активированные молекулы убиквитина присоединяются к остаткам лизина 48 предыдущего убиквитина, таким образом формируется полиубиквитино-вая цепь. Для эффективного мечения белка-мишени (то есть для узнавания его протеасомой) необходимо, чтобы к нему были присоединены минимум четыре молекулы убиквитина [12].
Вначале белковые субстраты присоединяются своими полиубиквитиновыми цепями к 19S-регуляторному комплексу. Эта структура содержит АТРазы, которые разворачивают глобулярные белки и передают их далее на 20S-протеасо-
му. Когда активированный таким образом белок подвергается деградации, полиубиквитиновая цепь высвобождается и
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.