БИОХИМИЯ, 2015, том 80, вып. 9, с. 1315 - 1333
УДК 547.995.15+577.151
ГИАЛУРОНОВАЯ КИСЛОТА -«СТАРАЯ» МОЛЕКУЛА С «НОВЫМИ» ФУНКЦИЯМИ: БИОСИНТЕЗ И ДЕПОЛИМЕРИЗАЦИЯ ГИАЛУРОНОВОЙ КИСЛОТЫ У БАКТЕРИЙ И В ТКАНЯХ ПОЗВОНОЧНЫХ, В ТОМ ЧИСЛЕ В ПРОЦЕССАХ КАНЦЕРОГЕНЕЗА
Обзор
© 2015 Р.Н. Цепилов1*, А.В. Белодед2
1 Институт эпидемиологии и микробиологии им. почетного академика Н.Ф. Гамалеи РАМН, 123098Москва; факс: +7(499)193-6183, электронная почта: biorad@gamaleya.org
2 Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, 125047Москва; факс: +7(495)495-2379, электронная почта: biotech@muctr.ru
Поступила в редакцию 07.11.14 После доработки 27.02.15
Гиалуроновая кислота — эволюционно древняя молекула, часто встречающаяся в тканях позвоночных и в капсулах некоторых бактерий. В обзоре представлены современные данные о строении, свойствах и биологических функциях гиалуроновой кислоты у млекопитающих и бактерий рода Streptococcus. Рассмотрены различные аспекты биосинтеза и деградации гиалуроновой кислоты; описаны метаболический путь биосинтеза и ферменты синтеза и расщепления гликозаминогликана, дана характеристика генов гиалуронат-синтаз позвоночных и бактерий. Особое внимание обращено на механизмы проявления биологического действия гиалуроновой кислоты, на взаимодействие полисахарида и различных белков. Описаны известные сигнальные пути с участием гиалуроновой кислоты. Нарушение метаболизма гиалуроновой кислоты, изменения молекулярной массы биополимера, гиалуронидазной активности и изоформ фермента часто сопровождают процессы канцерогенеза. Рассмотрено взаимодействие клеток и гиалуроновой кислоты межклеточного матрикса, которое может иметь значение в процессах малигнизации. Обсуждается предполагаемая роль высокомолекулярной гиалуроновой кислоты в устойчивости голого землекопа к онкологическим заболеваниям и протекторная роль гиалуроновой кислоты у бактерий.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: гиалуроновая кислота, гиалуронатсинтазы, гиалуронидазы, гиаладгерины, голый землекоп, бактерии рода Streptococcus.
ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ И ИЗУЧЕНИЯ ГК
В 2014 г. исполнилось 80 лет со дня открытия гиалуроновой кислоты (ГК). Первое упоминание о необычном полисахариде было сделано в работе Мейера и Палмера, опубликованной в «Journal of Biological Chemistry» [1]. Из стекловидного тела бычьего глаза они выделили кислый полисахарид с крайне высокой молекуляр-
Принятые сокращения: ГК — гиалуроновая кислота; УГШ — углеводно-голодный шок; HAS — бактериальная гиалуронатсинтаза; HAS(1—3) — гиалуронатсинтазы позвоночных; has(1-3) — гены гиалуронатсинтаз позвоночных; hasABC — оперон биосинтеза гиалуроновой кислоты у бактерий; HYAL-(1—4), HYAL-P1 и PH20 — гиалуронидазы человека; hylA — ген стрептококковой гиалуронатлиазы.
* Адресат для корреспонденции.
ной массой. И именно эти авторы предложили название «гиалуроновая кислота» («hyaluronic acid»: от «hyaloid» — стекловидный и «uronic acid» — уроновая кислота). В настоящий момент в англоязычной литературе более широкое распространение получает термин гиалуронан (hyaluronan), применяемый для обозначения всех форм ГК и ее солей — гиалуронатов.
На протяжении всего времени, прошедшего с момента открытия, интерес к ГК в научном мире не ослабевал. Но лишь через 20 лет после выхода первой статьи (несмотря на неподдельный интерес, выказанный к тому времени во всем мире к гликозаминогликанам) полная структура и мономерный состав ГК были окончательно установлены. Решение проблемы было связано, в первую очередь, с исследованием действия на ГК бактериальных гиалуронатлиаз
и тестикулярных гиалуронидаз, а также с дальнейшим развитием гликобиологии. Тот же Мейер опубликовал в «Nature» в 1954 г. результаты исследования продуктов расщепления ГК [2], в статье также приведена структурная формула дисахарида, являющегося продуктом расщепления ГК стрептококковой гиалуронатлиазой (рис. 1).
ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ГК
По своему химическому строению ГК относится к группе кислых мукополисахаридов или гликозаминогликанов. Молекула ГК построена из регулярно чередующихся остатков Б-глюку-роновой кислоты и ^-ацетил-Б-глюкозамина. Аминосахар в молекуле ГК соединен с Б-глюку-роновой кислотой р-(1—>4) гликозидной связью, а глюкуроновая кислота с аминосахаром Р-(1—3) гликозидной связью (рис. 1). Таким образом, ГК — это анионный (в области физиологических значений рН), линейный полисахарид, молекулярная масса которого может различаться в зависимости от источника и метода выделения и составляет обычно 105—107 Да [3—5] или до 25 000 (и более) повторяющихся дисахаридных остатков. Другие химически родственные ГК гликозами-ногликаны, например, хондроитинсульфат, ке-ратансульфат, гепарансульфат имеют гораздо меньшую молекулярную массу и представлены многочисленными изомерами в силу наличия сульфатированных групп, количество и расположение которых в молекуле может существенно варьироваться. Тогда как ГК, выделенная из различных источников, всегда химически идентична, различаясь лишь молекулярной массой и практически никогда не связана с белками кова-лентно.
С помощью рентгеноструктурного анализа ГК и ее солей и применения методов лазерного светорассеивания и ЯМР при исследовании растворов ГК обнаружено, что полимер может принимать множество разнообразных конфор-маций в соответствии с выбранными условиями исследования: ионным окружением, концентрацией, температурой и т.д. Молекула ГК может изгибаться и формировать левую одинарную и двойную спирали или даже образовывать мно-гонитевые или плоские структуры [6—9], чему, возможно, способствуют образующиеся водородные связи и возникающие гидрофобные взаимодействия. Используя рентгеноструктурный анализ, Аткинс [10] показал, что и №-соль, и К-соль ГК существуют в виде двойных спиралей. Дэа [11] обнаружил, что двойные спирали
состоят из левых антипараллельных спиральных нитей. Гусс [12] и Уинтер [13] также предполагали наличие в структуре ГК участков двойной спирали в присутствии двухвалентных катионов. Клиланд [14—16] установил наличие подвижных колец в молекуле ГК с мол. массой более 100 кДа при средней ионной силе и нейтральных значениях рН раствора. Дарк с соавт. [17], используя ЯМР, обнаружили, что доля жесткой структуры в молекуле ГК составляет 50—70%. Это объяснялось наличием суперспиралей, состоящих из жестких сегментов, соединенных подвижными участками. При этом вяз-коэластичные свойства растворов объясняли образованием динамической сетчатой структуры из жестких сегментов. Исследования, проведенные Рибитч, Шурц и Рибитч [18] методами вискозиметрии и лазерного светорассеивания в комбинации с рентгеноструктурным анализом, позволили установить, что наряду с двойной спиральной структурой существуют сверхспира-лизованная конформация, отдельные участки плотного микрогеля, а с возрастанием концентрации ГК в растворе образуется межмолекулярная сетка.
Электронная микроскопия показывает, что сетчатая структура для растворов высокомолекулярной ГК (мол. масса 1 МДа и более) образуется уже при очень низких концентрациях [6, 19]. Сеть из молекул ГК высокой молекулярной массы на электронных микрофотографиях с роторным напылением не демонстрирует концов молекул. Сеть имеет как бы бесконечную протя-
Рис. 1. Структурная формула молекулы ГК и дисахарида — конечного продукта ее расщепления стрептококковой гиалуронатлиазой. Связи, атакуемые ферментом, показаны тонкими стрелками
женность в растворе. В противоположность этому низкомолекулярная ГК хотя и формирует сеть, но образованные ячеистые сетки имеют островную структуру, где отдельные участки отделены друг от друга существенными промежутками [6].
Важным моментом является то, что данные сети упорядочены. Электростатическое отталкивание карбоксильных групп и, в противовес ему, водородные связи между атомом водорода ацетамидной группы и кислородом карбоксильной группы и гидрофобное взаимодействие с участием пиранозных колец моносахаридных звеньев делают наиболее энергетически выгодной антипараллельную структуру межмолекулярной сети ГК. Это может иметь большое значение в межклеточной коммуникации и организации, например, в процессах морфогенеза. К тому же было обнаружено, что конкретная принимаемая молекулой ГК in vivo структура зависит от гидродинамических условий, химического окружения и присутствия специфически связывающихся с ГК биополимеров. Так, наиболее протяженные цепи, волокна и сети могут формироваться в узком межклеточном пространстве, а свободные кольцевые и клубковые формы встречаются в жидких соединительных тканях. Тяжелые цепи и протяженные сети более уместны в тесном околоклеточном пространстве или у межклеточной ГК. Следовательно, структуру ГК in vivo следует рассматривать как продукт конформационного репертуара ГК и локального влияния окружения.
НАЛИЧИЕ ГК У РАЗЛИЧНЫХ ОРГАНИЗМОВ
Как уже отмечалось, ГК была выделена из стекловидного тела глаза быка [1]. Впоследствии было показано, что ГК в тех или иных концентрациях встречается в составе почти всех тканей и жидкостей человека и других млекопитающих [20]. При анализе литературных данных выясняется, что ГК встречается в различных тканях всех позвоночных животных [21—25], геном которых, как оказалось, содержит ген(ы) синтеза ГК, в первую очередь, гены гиалуронат-синтаз [26—29].
В то же время ГК у представителей эволюци-онно более древних организмов, например, простейших, губок, кишечнополостных, червей, членистоногих и иглокожих, а также некоторых примитивных хордовых отсутствует. По-видимому, это указывает на возникновение способности к синтезу ГК (появлению гена гиалу-ронатсинтазы) у одной эволюционирующей
ветви хордовых. Тем более удивительным кажется факт обнаружения и выделения в чистом виде ГК у некоторых представителей двустворчатых моллюсков, например, Mytilus galloprovin-cialis и Amussium pleuronectus [30, 31]. Последнее, однако, требует дополнительного подтверждения, поскольку еще не описаны ферменты синтеза ГК и гены, их кодирующие у моллюсков.
И еще более интересным оказывается факт наличия гена гиалуронатсинтазы у вируса PBCV-1 (Paramecium bursaria C
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.