БИОХИМИЯ, 2014, том 79, вып. 7, с. 782 - 801
УДК 612.127
ВТОРИЧНЫЕ БИОХИМИЧЕСКИЕ И МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ПРИ ЛИЗОСОМАЛЬНЫХ БОЛЕЗНЯХ НАКОПЛЕНИЯ
Обзор
© 2014 Д. Алрой1, Ч. Гарганта2, Г. Видершайн3*
1 Университет Тафтса, Медицинский Центр, медицинский факультет, отдел патологии, 800 Washington Street, Бостон, MA 02111;
E-mail: joseph.alroy@tufts.edu 2 Университет Тафтса, Медицинский Центр, лаборатория метаболизма, 800 Washington Street, Бостон, MA 02111;
E-mail: CGarganta@tuftsmedicalcenter.org
3 Бостонский колледж, биологический факультет, 140 Commonwealth Avenue, Chestnut Hill, MA 02467; fax: 617-552-2011, E-mail: gherman.wiederschain@bc.edu
Поступила в редакцию 20.03.14
К настоящему времени описано более 50 примеров наследственных лизосомальных заболеваний накопления (lysosomal storage disorders — LSD). Большинство этих заболеваний вызвано недостаточностью определенных гидролаз/гликозидаз и последующим накоплением в лизосомах не поддающихся гидролизу угле-водсодержащих соединений. В результате такого накопления происходит гипертрофия лизосом, и это является характерной чертой измененных клеток при LSD. Представляет большой интерес изучение биохимических и клеточных параметров этого процесса для понимания «жизни» лизосом в нормальном состоянии и при LSD. В данном обзоре освещены различные биохимические и морфологические изменения, наблюдаемые во время развития LSD, которые являются чрезвычайно важными для многих метаболических процессов внутри различных клеток и тканей людей, подверженных этим заболеваниям. Представленные в работе данные будут полезны для разработки новой комплексной стратегии метаболической коррекции LSD.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: лизосомы, лизосомальные болезни накопления, аутофагия, патогенетические каскады, внутриклеточная деградация биомолекул, недостаточность лизосомальных ферментов и белковых кофакторов, метаболическая коррекция.
Лизосомальные болезни накопления (lysosomal storage diseases — LSD) образуют группу различных заболеваний, возникающих по причине недостаточности определенного гидролитического лизосомального фермента или, в некоторых случаях, в связи с недостатком лизосомаль-ных белков, не являющихся ферментами, но участвующих в катализе или биогенезе лизосом. Эти аномальные сдвиги приводят к многочисленным метаболическим или морфологическим изменениям, таким как накопление не поддающихся деградации продуктов метаболизма, нарушение поглощения, сортировки и переваривания внутриклеточных и внеклеточных субстратов и высвобождение продуктов перева-
* Адресат для корреспонденции.
ривания. Нарушение процесса деградации вызывает различные патогенетические каскады, такие как изменение гомеостаза кальция, окислительный стресс, воспаление, изменения во внутриклеточном движении липидов, аутофагия, напряжение в эндоплазматическом ретику-луме и аутоиммунный ответ [1]. Увеличивающееся накопление в лизосомах недеградируемых метаболитов приводит к нарушению функционирования клеток и тканей и мультисистемной патологии [2].
Целью данного обзора является освещение особенностей вторичных метаболических и морфологических последствий для поврежденных клеток и их влияния на развитие заболевания, диагностику и возможные способы лечения.
НОРМАЛЬНОЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ЛИЗОСОМ
Лизосомы представляют собой мембраносвя-занные органеллы, содержащие гидролитические ферменты и различные транспортные белки [3]. Лизосомы перерабатывают как внутриклеточные, так и внеклеточные молекулы и необходимы для осуществления иммунного ответа и удаления стареющих органелл. Продукты действия лизосомальных гидролаз, в том числе такие мономерные структуры, как аминокислоты, моносахариды и др., экспортируются в ци-тозоль для ресинтеза внутриклеточных и внеклеточных макромолекул или могут быть использованы в качестве источника энергии при голодании [4].
Лизосомы содержат более 60 растворимых гидролитических ферментов, включая гликози-дазы, липазы, нуклеазы, фосфолипазы, протеа-зы, защитные белки/катепсин A и трансмембранные белки [5]. Ферменты лизосом синтезируются в шероховатом эндоплазматическом ре-тикулуме (ЭР) и переносятся через мембрану ЭР в их цистерны в результате зависимого от ^-кон-цевой сигнальной последовательности процесса транслокации. При нахождении в цистернах ЭР они подвергаются .N-гликозилированию, и от них отщепляется сигнальная последовательность. В мембранах комплекса Гольджи лизосо-мальные ферменты приобретают Man-6-фос-фатную группу, которая при этом выступает в качестве маркерной группы для распознающего ее специфического рецептора, Мап-6-фосфат-ного рецептора, ответственного за доставку ли-зосомальных ферментов в позднюю эндосому, где происходит диссоциация комплекса рецепторов и ферментов. Мап-6-фосфатные рецепторы рециклизуются на мембранах Гольджи и плазматических мембранах, а поздние эндосо-мы с находящимися в них лизосомальными ферментами превращаются в лизосомы с кислыми значениями pH. Далее в этих клеточных структурах происходит созревание лизосомаль-ных ферментов в результате частичного протео-лиза, фолдинга и агрегации [6—9].
27 различных мембраносвязанных белков являются важнейшими компонентами лизосом [2]. Среди них выделяются ассоциированный с лизосомами мембранный белок 1 (lysosomal-associated membrane protein 1 — LAMP-1) и три различных формы LAMP-2 [10], транспортные белки, переносящие в том числе нуклеозиды [11], цистин, свободные сиаловые кислоты и протонный насос, необходимый для поддержания кислой среды внутри лизосом.
ЭТИОЛОГИЯ И МЕХАНИЗМЫ LSD
Большинство LSD наследуется в связи с недостаточностью одной из лизосомальных гидролаз, белков мембран или транспортных белков. В редких случаях они возникают в результате лечения, например, катионными амфифильными лекарствами (табл. 1). К настоящему моменту выявлено 58 генетически наследуемых LSD, и для большинства из них идентифицированы многочисленные мутации. В табл. 2 приведены отдельные случаи LSD, являющихся результатом недостатка и/или отсутствия ферментов, активаторных или мембранных белков, различные примеры выявленных мутаций для каждого заболевания, основные накапливающиеся продукты и органы, подвергающиеся воздействию со стороны накапливающихся продуктов [12]. Первичные изменения характеризуются нарушением функций лизосом и накоплением непереваренных молекул субстратов. Клинические проявления зависят от типа вовлеченных в процесс клеток и органов и остаточной ферментативной активности.
Степень катаболизма субстрата, т.е. количество накапливаемого материала, зависит от остаточной активности фермента и тяжести клинических проявлений этих заболеваний [13, 14]. Основную группу LSD составляют гликозидозы, развивающиеся в результате наследственной недостаточности какой-либо гликозидазы/гидро-лазы из-за накопления в лизосомах продуктов углеводной природы. Термин «гликозидозы» предназначен для обозначения заболеваний, при которых имеет место первичное накопление сложных углеводов и углеводсодержащих соединений. Некоторые виды мукополисахаридозов связаны с недостаточной активностью сульфа-таз, которые формально не являются собственно гликозидазами. Однако недостаточное отщепление сульфатных остатков от концов углеводных цепей гликоконъюгатов в конечном итоге приводит к накоплению гликозаминогликанов в связи с блокирующим действием других ферментов, ответственных за последовательное отщепление моносахаридных единиц с нередуцирующего конца гликановой цепи. Таким образом, термин «гликозидозы» является достаточно емким понятием и обычно используется для классификации большой группы заболеваний на основе двух параметров: недостаточная активность фермента (наиболее часто это относится к гликози-дазам) и природа первичного продукта накопления — гликан/гликоконъюгат [15—17].
Гликозидозы были описаны врачами еще до понимания молекулярных механизмов их раз-
Таблица 1. Классификация лизосомальных болезней накопления на основе механизмов, вызывающих недостаточность активности гидролаз или аномальное накопление внутри лизосом
Механизмы
Примеры
Заболевания, при которых отсутствует синтез иммунологически определяемого фермента; включает условия, когда структура генов сильно нарушена
Заболевания, при которых синтезируются каталитически неактивные полипептиды, мутация может также затронуть стабильность полипептида или его транспорт
Заболевания, при которых каталитически активный фермент синтезируется, но не поступает в лизосомы
Заболевания, при которых каталитически активный фермент синтезируется, однако фермент нестабилен в предшественниках лизосом или в лизосомах
Болезни, при которых отсутствуют активаторные белки (сапонины) липид-деградирующих гидролаз
Болезни, при которых структурный ген гидролазы не нарушен, но имеется мутация гена(ов), кодирующих посттрансляционную модификацию гидролазы
Болезнь из-за нарушения транспорта в лизосомы
Нарушение или отсутствие слияния эндосом и лизосом из-за мутации в гене, кодирующем лизосомальный мембранный белок 2
Заболевание вследствие пониженного транспорта продуктов деградации из лизосом (например, свободные сиаловые кислоты, свободный цистеин)
Болезни, вызванные избыточным поступлением субстрата
Болезни, при которых недостаточная активность лизосомальных ферментов вызвана токсичным действием нейтральных или синтетических ингибиторов лизосомальных ферментов
Болезни, ассоциированные с утратой канала хлора CIC-7 в поздних эндосомах и лизосомах
незрелые формы гликопротеинов, гликолипидов, гликогена или болезни накопления липидов и мукополисахаридов
почти зрелые или зрелые формы гликопротеинов, гликолипидов, гликогена или болезни накопления липидов и мукополисахаридов
болезнь 1-клеток, полидистрофия псевдо-Гурлера
галактосиалидоз
вариант АВ GM2-ганглиозидоза, варианты болезней Гоше и Фарбера, ювенильный вариант метахро-матической лейкодистрофии
множественная недостаточность сульфатазы
муколипидозIV болезнь Данона
болезнь Салла, сиалидоз подростков и цистиноз
некоторые случаи хронической миелоцитной лейкемии, серповидно-клеточной анемии и та-лассемии, ассоциированные с Гоше-подоб
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.