НЕЙРОХИМИЯ, 2013, том 30, № 1, с. 5-21
= ОБЗОРЫ =
УДК 577.23А
ФОСФОДИЭСТЕРАЗА 2,3-ЦИКЛИЧЕСКИХ НУКЛЕОТИДОВ (СКРаза) КАК МИШЕНЬ ПРИ НЕЙРОДЕГЕНЕРАТИВНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЯХ
© 2013 г. Ю. Л. Бабурина, О. В. Крестинина, Т. С. Азарашвили*
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и экспериментальной
биофизики Российской академии наук
В настоящем обзоре рассмотрены структура, свойства, пост-трансляционные модификации и функционирование фосфодиэстеразы 2',3'-циклических нуклеотидов СМРазы, локализованной в миелине ЦНС и в Шванновских клетках, а также неизвестные ранее свойства этого белка, идентифицированного нами в митохондриях мозга. Суммированы данные по локализации СМРазы в клетке, специфичности ее субстратов, свойства М- и С-концов молекулы, взаимодействие с белками-партнерами и нуклеиновыми кислотами. Описана роль СМРазы в процессе старения и при нейро-дегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера и рассеянный склероз, с акцентом роли митохондрий в этих процессах.
Ключевые слова: митохондрии, фосфодиэстераза, нейродегенерация, старение.
DOI: 10.7868/S1027813312040036
Проблемы нейродегенерации представляют в настоящее время не только медико-биологическую проблему, с точки зрения понимания патогенеза таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера, Паркинсона, синдрома Дауна, рассеянного склероза и процесса старения, но отражают и социальную проблему, поскольку в мире растет популяция людей более старого возраста и людей, подверженных нейродегенеративным заболеваниям в работоспособном возрасте. Уход за такими больными и их лечение требует значительных финансовых затрат, которые ложатся бременем на все общество. Следовательно, выяснение механизмов, лежащих в основе нейродегенерации и нейропротекции, способствующих выявлению мишеней для эффективного и направленного воздействия, и создание стратегии для разработки лекарственных нейропротекторных препаратов является не только медико-биологической, но и социальной проблемой. В настоящем обзоре рассматриваются как известные, так и вновь обнаруженные свойства и функции одного из белков, экспрессирующегося как в центральной нервной системе (ЦНС), так и в периферической нервной системе (ПНС), который потенциально мог бы служить мишенью для нейропротекции. Таким белком является 2',3'-циклонуклеотид-3'-Фосфодиэстераза СМРаза, локализованная в олигодендроцитах и Шванновских клетках.
* Адресат для корреспонденции: 142290, Московская область, Пущино, ул. Институтская, д. 3, e-mail: azartam@yandex.ru.
2',3'-циклонуклеотид-3'-фосфодиэстераза (СМРаза, ЕС 3.1.4.37) — белок, осуществляющий гидролиз циклических нуклеотидов до соответствующих монофосфатов (2'-нуклеотидов). СМРаза — это белок, входящий в состав миелино-вых оболочек, которые являются высокоорганизованными многослойными мембранными структурами, состоящими из специализированного набора белков и липидов. Среди миелиновых белков мажорными компонентами являются три белка: протеолипид (РЬР), основной миелиновый белок (МБР) и СМРаза, составляющие 40, 30 и 4% соответственно по весу от общего белка ЦНС. В ПНС уровень СМРазы составляет около 10% от ее содержания в ЦНС [1]. СМРаза была первым ферментом, обнаруженным в миелине, поскольку, ранее считали, что миелин энзиматически инертен [2]. Ферментативная активность СМРазы (рис. 1) была определена также в клетках бычьей селезенки и поджелудочной железы [3]. Наибольшая активность была найдена в белом веществе мозга. Высокое содержание СМРазы в миелине и в олигоденд-роцитах было выявлено в биохимических [4] и им-муногистохимических экспериментах [5].
ЛОКАЛИЗАЦИЯ СМРазы В ОЛИГОДЕНДРОЦИТАХ
Из-за высокого содержания СМРазы в олиго-дендроцитах ее считают маркерным белком этих клеток, поэтому изучение фермента и его локализацию проводили, в основном, используя олиго-
2',3'-cAMP
2',3'-cGMP
2',3'-cCMP
nh2 I 2 *cs
N CH I II
HO-CH
H
O'
N
H
O
\zO
ho-ch
nh2 I 2
N C 1 I II CH
HC*-CV
N 2-Ov
H
2 H
OwO
<Ar
+ H2O
CNP
nh2 I 2
n*cv\
I II CH
N N HO~CH2 O
H
H
-O-P-O"
II
O
б
Рис. 1. Ферментативная активность СМРазы. а — примеры субстратов СМРазы. б — схема гидролиза циклонуклеотидов на примере 2',3'-сАМР.
дендроциты. Самым первым белком, который экспрессируется при дифференциации олиго-дендроцитов, является СМРаза, и ее синтез продолжается потом в течение всей жизни [6].
Олигодендроциты — клетки нейроглии, локализующиеся в ЦНС. Каждый олигодендроцит имеет множество отростков, каждый из которых, продуцируя миелин, обволакивает собой часть какого-либо аксона. В результате один олиго-дендроцит может быть связанным с несколькими нейронами, обеспечивая изоляцию аксона, и, как следствие ее — возможность быстрого сальтатор-ного проведения нервных импульсов. Миелино-вая оболочка, образованная одним олигодендро-цитом, заканчивается, и начинается оболочка от другого олигодендроцита. Обнаженная часть аксона между двумя соседними оболочками называется перехватом Ранвье. Проведение электрических импульсов по аксону происходит сальта-торно, т.е. потенциал действия перескакивает от перехвата к перехвату. В ПНС аксоны миелини-зируются шванновскими клетками, которые формируют миелиновую оболочку вокруг периферического аксона таким же образом, как и олиго-
дендроцит вокруг центрального, с одним различием — каждая шванновская клетка миели-низирует только один аксон [7—10].
Среди белков миелина выделяют так называемые внутренние (intrinsic), которые прочно связаны с мембраной, проходя сквозь нее, и внешние (extrinsic) белки, которые расположены поверхностно и связаны слабее. Таким образом, миелиновая бислойная мембрана обеспечивает эффективную изоляцию аксона, высокое сопротивление и быстрое проведение нервного импульса по аксонам, предотвращая продольное распространение импульса. По миелинизирован-ным волокнам импульс проводится приблизительно в 5—10 раз быстрее, чем по немиелинизи-рованным [7, 11].
Ферментативная активность СМРазы очень высока в спинном мозге, костном мозге, зрительном нерве, в корпус коллозум (мозолистом теле, с очень высоким содержанием миелина). Более низкая активность фермента определена в обонятельных долях головного мозга и мозжечке [12]. В изолированных культивируемых клетках высокая ферментативная активность СМРазы найдена в
олигодендроцитах, а низкая активность замечена в астроцитах и фибробластах [13]. СМРаза была обнаружена и в ПНС, где уровень ее экспрессии был гораздо ниже, по сравнению с ЦНС. Методом иммунофлуоресценции показано, что в шванновских клетках СМРаза локализована в основном на внутренней стороне плазматической мембраны [14]. В экспериментах, выполненных на генетически модифицированных мышах, у которых экспрессия гена СЫРазы в олигодендроци-тах была увеличена в 6 раз, было показано существенное увеличение миелиновых мембран и образование внутримиелиновых вакуолей.
В миелин-формирующих клетках с высоким содержанием СМРазы было обнаружено, что фермент концентрируется на цитоплазматиче-ской стороне всех поверхностей мембран и включается в миграцию или экспансию мембран во время образования миелина.
Миелиновые мембраны в олигодендроцитах с высокой экспрессией СЫРазы были дефицитны по основному миелиновому белку (МБР).
Клетки олигодендроцитов с повышенной экспрессией СЫРазы, созревали раньше при развитии олигодендроцитов, и это могло приводить к более раннему максимуму экспрессии генов основных миелиновых белков (МБР) и миелиново-го протеолипида (РЬР) [15, 16].
Хотя СМРаза считается белком, ассоциированным с миелином, экспрессия этого белка была обнаружена и в культуре нейронов и в нейронах мозга, что позволило предположить возможное взаимодействие СМРазы с белками, специфичными для нейронов. Миелин защищает аксон от повреждений, поэтому разрушение сигналов между аксоном и глиальными клетками лежит в основе аксональной дегенерации. Это было установлено в экспериментах, проводимых на генетически модифицированных мышах с выключенным геном СЫРазы. Было обнаружено, что у но-каутных животных нарушается аксо-глиальное взаимодействие в ЦНС. Это указывает на участие СМРазы в поддержании целостности аксона [17].
Другой важной функцией СМ Разы является регуляция процессов роста и развития олигоденд-роцитов и их отростков [18].
Кроме фосфодиэстеразной активности, СМРаза обладает и другими ферментативными активностями, такими как 5'-полинуклеотидазная активность, пирофосфатазная, киназная, а также АТР и ГТФ гидролазные активности [19—22]. Их роль в функционировании белка пока не установлена.
ЛОКАЛИЗАЦИЯ СМРазы В КЛЕТКЕ
Исследования локализации СМРазной активности внутри клеток ткани ЦНС и внутри культивируемых олигодендроцитов с использованием
специфических анти- CNP антител показали присутствие СМРазы в плазматической мембране и в эндоплазматическом ретикулуме. Биохимические и иммуногистохимические работы дают основания считать, что СМРаза является белком периферического типа, ассоциированным с мембраной (подобно основному белку миелина, MBP), погруженным в гидрофобный липидный бислой. Было найдено, что время полужизни СМРазы намного короче, по сравнению с внутренним (intrinsic) интегральным мембранным белком — миелиновым протеолипидом [23]. CN-Раза синтезируется на свободных или на мем-бранно-связанных рибосомах [24]. Биохимические и иммунофлуоресцентные эксперименты, выполненные на олигодендроцитах и на клетках глиомы С6, показали, что каталитические домены и большинство антигенных мест белка расположены в основном внутри клетки, однако значительное количество СМРазы расположено в отростках олигодендроцитов, а также на периферии клеток [25—27]. Подобное внутриклеточное распределение фермента отмечается и для шваннов-ских клеток ПНС [14, 28]. СМРаза была детектирована и в немиелиновых клетках эритроцитов [29, 30], и в клетках нейробластомы (В104) [31].
СТРУКТУРА СМРазы
СМРазу обычно выделяют из делипидирован-ного белого вещества мозга или из целого мозга, экстрагируя фермент раствором, содержащим гу-анидинхлорид или детергенты. Фермент проявляет тенденцию к преципитации уже на первых стадия
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.