БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, 2012, том 38, № 5, с. 515-523
ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ
УДК 577.25
ПРЕДШЕСТВЕННИКИ НЕИРОТРОФИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ И ИХ ПРОПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ КАК МОДУЛЯТОРЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ активности зрелых форм
© 2012 г. Л. М. Рафиева#, А. В. Шубин, Е. В. Гасанов
Институт молекулярной генетики РАН, 123186 Москва, пл. академика Курчатова, 2 Поступила в редакцию 27.09.2011 г. Принята к печати 21.11.2011 г.
В обзоре рассмотрены проблемы созревания нейротрофических факторов, роль их предшественников (пронейротрофинов) и вклад удаляемых при созревании элементов (пропоследовательностей) в биологические функции данных факторов роста.
Ключевые слова: нейротрофины, пронейротрофины, нейротрофические факторы, пропоследователь-ность, фолдинг.
ВВЕДЕНИЕ.
НЕЙРОТРОФИНЫ
Нейротрофины — семейство факторов роста, играющих ключевую роль в регуляции развития и функционирования центральной и периферической нервной системы. Они влияют на пролиферацию и дифференцировку нейрональных и гли-альных клеток, необходимы для поддержания жизнеспособности и функционирования нейронов, обладают нейропротекторным действием, а также влияют на передачу и изменение синапти-ческого сигнала (синаптическая пластичность).
До недавнего времени нейротрофины были описаны только для позвоночных [1]. Четыре нейротрофических фактора — N0^ ВЭМР, N^3 и N^4/5 — встречаются у млекопитающих, птиц и земноводных, а факторы МТ-6 и МТ-7 — у рыб. Но недавно появились данные об обнаружении первых нейротрофических факторов беспозвоночных [2—4]. Белки ЭМТ1, 8ра121е (8р2) и DNT2/spz5, имеющие схожие с нейротрофинами функциональные и структурные признаки, были найдены у дрозофилы, а позднее и у других насекомых [4]. Также подобные нейротрофинам белки были обнаружены у моллюска Ьушпава stagnalis и морского ежа [2, 3, 5]. Таким образом, семейство нейротрофинов на сегодняшний день включает в себя более десяти белков и постоянно пополняется. Наиболее изученными из них являются нейротрофины позвоночных N0^ BDNF и МТ-3.
В большинстве экспериментов по исследованию нейротрофических факторов были исполь-
Сокращения: BDNF — нейротрофический фактор головного мозга; NGF — фактор роста нервов; — нейротрофический фактор. # Автор для связи (тел.: +7 (499) 196-18-53; факс: +7 (499) 196-02-21; эл. почта: rafieva1m@gmai1.com).
зованы нейротрофины человека, мыши и крысы, уровень гомологии которых составляет более 90%. Поэтому большинство существующих в настоящее время данных о функционировании ней-ротрофинов представляет собой совокупность результатов, полученных при работе с этими тремя представителями класса млекопитающих, а все наблюдаемые на каждой из моделей эффекты автоматически подразумеваются у остальных.
Общей чертой всех нейротрофинов является то, что они синтезируются в клетке в виде протяженных предшественников — препронейротро-финов, имеющих в своем составе ^-концевой сигнальный пептид, необходимый для внутриклеточного транспорта и последующей секреции нейротрофического фактора [6], пропоследова-тельность и последовательность зрелого нейро-трофина, которая, как полагали долгое время, определяет весь спектр биологической активности данных факторов роста (рис. 1). Данные об активности предшественников нейротрофинов появились сравнительно недавно. Большинство существующих на сегодня данных по экспрессии и секреции факторов роста не учитывают форму секретируемого нейротрофина, поскольку оценка проводилась либо по уровню мРНК, в случае оценки экспрессии, либо с использованием антител к зрелому белку, при оценке экспрессии и секреции [7—12]. Часто такие антитела способны взаимодействовать как со зрелой, процессированной формой, так и с предшественником. Лишь в последние годы стали появляться данные, позволяющие судить об активности той или иной формы нейротрофических факторов по отдельности [13].
По современным представлениям, эффекты нейротрофических факторов реализуются через связывание с тремя типами клеточных рецепторов. К первому типу относятся высокоспецифичные
120
80
40
0
40 . I .
80
120
□
0 1 А
лидерныи пептид зрелая часть
«_и
□
пропептид
ВБОТ
МТ-3
Рис. 1. Структурная организация предшественников нейротрофинов N0^ ВБМБ, N^-3: стрелками указаны саИты процессинга, черными треугольниками — сайты гликозилирования. За точку начала нумерации (+1) принят М-конце-вой остаток зрелого белка.
тирозинкиназные рецепторы Тгк, ко второму — рецептор р75 и к третьему — рецептор сортилин. Биологические эффекты, в зависимости от того или иного лиганд-рецепторного взаимодействия, могут быть прямо противоположными — от повышения жизнеспособности клеток нервной ткани (взаимодействие зрелых нейротрофинов с рецепторами Тгк или р75) [13—18] до индукции клеточной смерти (взаимодействие пронейротрофинов одновременно с рецепторами сортилином и р75) [13, 19—21]. Таким образом, пронейротрофины и зрелые белки способны оказывать противоположные эффекты на клетки, а процессинг в таком случае может служить своего рода механизмом регуляции функциональной активности нейро-трофических факторов. Такой спектр активности нейротрофических факторов на клетки нервной системы делает их изучение интересным как с точки зрения молекулярной биологии, так и медицины.
В данном обзоре будет рассмотрен вклад про-пептидов нейротрофических факторов в модификацию структуры и свойств данных факторов роста.
СТРУКТУРА ПРЕДШЕСТВЕННИКОВ НЕЙРОТРОФИНОВ
На сегодняшний день для большого количества секреторных белков показано наличие про-последовательности (чаще ^-концевой) в составе изначально синтезирующегося предшественника. Пропептиды могут выполнять множество функций, которые так или иначе модулируют ак-
тивность зрелого белка: например, участвуя в фолдинге "зрелой" части предшественника, про-последовательность несет шапероноподобные функции [22]. Чаще всего пропептиды проявляют ингибиторные свойства, а также принимают участие в секреции белка [23, 24]. Подобные свойства можно предполагать и в случае про-частей нейротрофических факторов.
Ген, кодирующий фактор роста нервов (МОБ) человека, расположен на 1-й хромосоме и кодирует единственную изоформу данного белка [25]. Ген, кодирующий нейротрофический фактор головного мозга (ВБМБ) человека, расположен на 11-й хромосоме и дает начало 18-ти альтернативно сплайсированным мРНК, отличающимся областью, кодирующей сигнальный пептид, и 5'-не-транслируемой частью [26]. Ген фактора МТ-3 человека расположен на 12-й хромосоме и кодирует 2 изоформы нейротрофина, также отличающихся размером сигнальной последовательности. Таким образом, при экспрессии нейротрофических факторов всегда формируется единственная комбинация пропептида и зрелой части.
Аминокислотные последовательности зрелых, процессированных нейротрофинов N0^ ВБМБ и МТ-3 характеризуются высокой гомологией — более 55%, тогда как уровень гомологии пропеп-тидов соответствующих факторов значительно ниже: 20—25%. На основе большей дивергенции структуры можно предполагать и большие функциональные различия между про-частями различных нейротрофинов. Например, пропептиды содержат различное количество сайтов гликози-
Рис. 2. Особенности пространственной структуры нейротрофических факторов: (а) Структура биологически активного NGF мыши: разными оттенками серого показаны два протомера в составе димера. (б) Порядок замыкания дисуль-фидных связей в молекуле зрелого нейротрофина NGF (протомера): буквами "С" обозначены остатки цистеина и указаны их номера в аминокислотной последовательности зрелого белка.
лирования: два — в составе пропоследовательно-сти N0^ и по одному — у про-частей BDNF и N^3 (рис. 1). Помимо этого, различия касаются содержания основных аминокислот и, следовательно, зарядов пропептидов. Пропептид NGF — самый основный по своему составу. Про-часть BDNF — единственная из всех, изоэлектрическая точка которой лежит в кислой области. Насыщение основными остатками определяет и различное количество возможных сайтов распознавания для воздействия специфических пропротеинкон-вертаз, или, как их еще называют, сайтов процес-синга. Предшественник NGF содержит три таких сайта, про^Т-3 — два, а про-BDNF всего один, расположенный между пропептидом и зрелой частью (рис. 1).
Рентгеноструктурный анализ зрелых нейро-трофинов показал, что эти белки имеют сходную пространственную организацию. Имеются также данные рентгеноструктурного анализа, позволяющие расшифровать структуры комплексов некоторых нейротрофинов с рецепторами [27—30]. Функционально активной формой нейротрофи-на является нековалентно связанный димер, который образован двумя протомерами, ориентированными "голова к голове" (рис. 2) [31, 32].
Несмотря на активные попытки, кристаллизовать предшественник нейротрофина на сегодняшний день так и не удалось, как предполагают, ввиду высокой подвижности структуры его пропоследовательности [33]. Известны данные биофизических исследований (КД-спектроско-пия, метод протон-дейтериевого обмена) изолированного пропептида NGF человека, а также предшественника этого нейротрофина [33—35], показывающие неупорядоченность структуры пропептида в отсутствие зрелой части. Однако во всех этих экспериментах в качестве экспрессион-
ной системы использовалась культура клеток E. coli, из чего следует, что область пропоследова-тельности во всех случаях не была гликозилиро-вана, что не полностью соответствует структуре, существующей в природе.
Исследования, направленные на изучение олигомерной организации пропептида нейротрофина человека (аналитическое ультрацентрифугирование, кросс-сшивка глутаровым альдегидом), показали, что этот пептид в условиях экспериментов существует в форме мономера [34, 35]. В то же время, имеющиеся на сегодняшний день данные, полученные сходными методами, позволяют утверждать, что нативный про-NGF, также как и зрелый фактор, существует в растворе в ди-мерной форме [36, 37].
Хотя пространственная организация ни одного из предшественников нейротрофинов сегодня не известна, имеются результаты исследований раствора предшественника нейротрофина NGF мыши методом малого углового рассеяния рентгеновских лучей [33]. С ис
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.