ОСНОВНОЙ БЕЛОК МИЕЛИНА: СТРУКТУРА, СВОЙСТВА

ЭЛЕКТРОННЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «APRIORI. CЕРИЯ: ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ»
УДК 577.112.(4+5)
ОСНОВНОЙ БЕЛОК МИЕЛИНА: СТРУКТУРА, СВОЙСТВА,
ИЗОФОРМЫ И ПОСТТРАНСЛЯЦИОННЫЕ МОДИФИКАЦИИ (ОБЗОР)
Ушакова Галина Александровна
д-р биол. наук
Жданкин Антон Евгеньевич
магистрант
Днепропетровский национальный университет им. О. Гончара
Днепропетровск (Украина)
[email protected]
Аннотация. Раскрываются основные функции миелиновой оболочки и данные по основному белку миелина. Рассматриваются структурная
организация и свойства белка, а также его основные изоформы у человека и разных животных. Акцентируется внимание на особенностях
посттрансляционных модификаций основного белка миелина.
Ключевые слова: миелин (миелиновая оболочка); основной белок
миелина;
изоформы
белка;
фосфорилирование;
ацетилирование.
1
метилирование;
№6
2014
MYELIN BASIC PROTEIN: STRUCTURE, PROPERTIES, ISOFORMS
AND POST-TRANSLATIONAL MODIFICATIONS (OVERVIEW)
Ushakova Galina Aleksandrovna
doctor of biology
Zhdankin Anton Yevheniiovych
undergraduate
Oles' Hochar Dnipropetrovsk National University, Dnipropetrovsk (Ukraine)
Abstract. The basic functions of the myelin sheath and the data for myelin basic protein are revealed. The structural organization and properties of
the protein, as well as its major isoforms of human and various animals are
examined. The characteristics of post-translational modifications of myelin
basic protein are accentuated.
Key words: myelin (myelin sheath); myelin basic protein; protein
isoforms; phosphorylation; methylation; acetylation.
Введение. Впервые миелин открыт в 1854 году немецким ученым
Рудольфом Вирховым, изучавшим экстракты тканей головного мозга
грызунов с помощью светового микроскопа. Но лишь с середины ΧΧ века стало известно, что миелин (миелиновая оболочка) представлена агломерацией цитоплазматических мембран глиальных клеток, покрывающих отростки (аксоны или нейриты) нейронов.
Функции миелиновой оболочки заключаются в:
•
ускоренном проведении волны нервного возбуждения;
•
построении опорного молекулярного матрикса нейритов и обеспечении их трофического роста;
2
•
поддержании струкутурно-функциональной динамичности систем
трансцеллюлярной коммуникации клеток.
Обмен белковых компонентов миелина существенно изменяется в
онтогенезе организма. Так, в головном мозге монгольских пещанок
(Meriones unguiculatus) и белых беспородных крыс линии Wistar уровень
экспрессии основного белка миелина следующий: у инфантильных и половозрелых особей он максимален, а при старении количество белка
уменьшается в 3-4 раза [1; 2].
Цель работы – охарактеризовать основные данные об основном белке миелина – специфическом компоненте миелиновой оболочки; обобщить данные относительно его изоформ и посттрансляционных модификаций.
Структура и свойства основного белка миелина. Основной (катионный) белок миелина (ОБМ) – моноспецифический белок миелиновой оболочки и главный поверхностный антиген плазматической мембраны олигодендроглиальных клеток ЦНС. Максимальная концентрация
ОБМ обнаружена в зоне главного периода. Главный период – это слой
компактного миелина, т.е. место с минимальным расстоянием контакта
мембран олигодендроцитов и аксона. Помимо этого характеризуется
также довольно высоким содержанием сфинголипидов.
При проведении электрофоретического анализа экстрактов миелиновой оболочки с использованием полиакриламидного геля и додецилсульфата натрия определяется до десяти полос (треков) данного белка.
Молекулам ОБМ свойственна способность к формированию нерастворимых комплексов с додецилсульфатом натрия при значениях рН выше
или ниже изоэлектрической точки белка [1].
Исследуемый протеин имеет молекулярную массу около 30 кДа и
находится в тесной связи со сфинголипидами (производные двухатомного спирта сфингозина) – сфингомиелином, сфингозинфосфорилхолином и церамид-1-фосфатом, а также с фосфатидилсерином (гликофос3
фолипид) и холестеролом (стероид) [1]. Молекула белка содержит в
своем составе около 170 аминокислотных остатков, из них 30 % заряженных и 52 % гидрофобных [2].
Ассоциация ОБМ с другим белком миелина – липофилином – формируется с помощью гидрофобных ван-дер-ваальсовых стерических
взаимодействий нековалентной природы. Липофилин (протеолипидный
белок) содержит высокогидрофобный трансмембранный домен, содержащий остатки монокарбоновых аминокислот – лейцина, валина, изолейцина, ароматических монокарбоновых аминокислот – фенилаланина
и тирозина, а также производного β-индолилпропионовой кислоты –
триптофана [3; 4].
В полипептидной цепи ОБМ человека с помощью рентгеноструктурного анализа обнаружено полиморфизм аминокислотных остатков в 4449-м положениях. К примеру, в положении 46 цепи белка локализован
глициновый остаток, а в 47-м – сериновый. Вариабельность этих аминокислот имеет место при различных нейродегенеративных заболеваниях.
При анализе образцов миелиновой оболочки, взятых у больных рассеянным склерозом (multiple sclerosis) наблюдается полная замена остатков серина на глициновые в положениях 44-49 полипептидной цепи ОБМ
[5]. Также показано, что после введения лабораторным крысам в полость второго желудочка головного мозга высокоочищенного препарата
ОБМ развиваются симптомы, сходные с клинической картиной перивентрикулярного варианта рассеянного склероза. Подобная симптоматика
лежит в основе экспериментального аллергического энцефаломиелита [1].
С помощью рентгеноструктурного анализа показана достаточно высокая степень гомологии – около 80-90 % аминокислотных остатков в
полипептидной цепи основного белка миелина у разных видов животных
практически одинаковы [2]. Например, аминокислотные последовательности ОБМ человека и быка отличаются остатками аминокислот в нескольких положениях, в то время как структура ОБМ крысы и человека
4
различается положением 40 аминокислотных остатков в середине полипептидной цепи (118-157-й остатки) [1; 6].
Основной белок миелина содержит значительное количество (примерно 25 %) основных аминокислот (аргинин, лизин и гистидин), равномерно распределенных по всей длине полипептидной цепи. Это обусловливает достаточно высокое значение изоэлектрической точки белка
(pI = 12-13), что приводит к возникновению электростатических взаимодействий между белком и анионными группами мембранных липидов [5].
Как описано выше, рассматриваемый белок имеет значительное сродство к липидам. Будучи поликатионом, формирует стабильные комплексы с
анионными липидами. Несмотря на то, что степень связывания ОБМ макисимальна при взаимодействии с кислыми липидами, она также достаточно
выражена и в отношении цвиттер-ионных липидов, особенно сфингомиелина. Белок также взаимодействует с фосфатидилэтаноламином при рН
7,2, в то время как последний находится в цвиттер-форме [2; 7].
При формировании комплексов основного белка миелина с большинством анионных фосфолипидов играют роль как гидрофобные, так и
электростатические взаимодействия. Наиболее выраженное стабилизирующее влияние ОБМ на липиды мембраны проявляется при его интеграции в липидный бислой. Методом рентгеноструктурного анализа показано, что при формировании миелина происходит погружение большей части молекул белка в слой головок липидов [8].
Изоформы белка. Для молекул ОБМ в головном мозге различных
животных доказано существование нескольких изоформ, образованных
путем альтернативного сплайсинга единого предшественника. К примеру, для основного белка миелина человека открыто три изоформы с молекулярными массами 21.5 кДа, 18.5 кДа и 17.5 кДа соответственно. При
этом ген ОБМ человека располагается на 18-й хромосоме и имеет три
промоторные области, из которых начинается считывание генетической
информации. Первая изоформа белка кодируется семью экзонами.
5
В результате делеции двух экзонов синтезируется белок с молекулярной
массой 18.5 кДа, состоящий из 168 аминокислотных остатков. При кодировании третьей изоформы с молекулярной массой 17.5 кДа пять экзонов подвергаются делеции [2; 9; 10].
Для разных видов млекопитающих также продемонстрировано
наличие нескольких изоформ белка в мозге. Основной белок миелина
крысы включает в себя четыре изоформы с молекулярными массами
21.5, 18.5, 17.0 и 14.0 кДа соответственно. Интересно, что изоформы
белка с молекулярными массами 21.5 и 18.5 кДа кодируются экзонами,
комплементарными человеческим, за небольшим различием в структуре
нуклеотидных последовательностей. При экспрессии третьей изоформы
белка (Мr = 17.0 кДа) делеции подвергается 6-й экзон. Делеция 2-го и 6го экзонов наблюдается при кодировании четвертой изоформы белка (Мr
= 14.0 кДа). Эти изоформы ОБМ крысы не имеют человеческих аналогов. Кроме того, доказано наличие изоформ белка с молекулярными
массами 21.5, 18.5, 17.0 и 14.0 кДа соответственно в ткани мозга мышей
[8]. Гены ОБМ у большинства грызунов также, как и у человека, расположены на 18-й хромосоме.
Низкомолекулярные изоформы ОБМ образуются путем делеции
участка хромосомы, кодирующей аминокислотные последовности в области С-конца [4]. Показано наличие изоформ с молекулярной массой
21.5 кДа в мозге барана (Ovis aries), не являющихся предшественниками
низкомолекулярных изоформ белка. Кроме того, белок с молекулярной
массой 13.5 кДа был идентифицирован в мозге серебряного карася
(Carassius gibelio) [2; 13].
Полностью расшифрована аминокислотная последовательность
для 18.5 кДа-изоформы белка человека, морской свинки и свиньи. Проведены исследования по определению аминокислотной последовательности ОБМ кролика, быка и шимпанзе (Pan troglodytes) [2].
6
Посттрансляционные модификации ОБМ. С помощью методов
рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии показано, что
молекула ОБМ состоит из одной полипептидной цепи, имеющих 3-4 αспиральных домена (α-сегменты – α1, α2, α3 и/или α4) и 1-2 β-складчастых
листа. Третичная структура белка имеет глобулярную конформацию,
обеспечивающую функциональную активность всей молекулы. При этом
аминокислоты, расположенные в центральной части полипептидной цепи, а также на N-конце, химически модифицированны [2; 12].
Одной из наиболее важных посттрансляционных модификаций ОБМ
является фосфорилирование треониновых и сериновых остатков, катализируемое митоген-активируемой (МАР-киназой) и другими киназами олигодендроцитов. Этот процесс осуществляется на разных этапах онтогенеза высших позвоночных, однако, как правило, преобладает в раннем постнатальном развитии организма. Фосфорилирование повышает химическую устойчивость ОБМ к действию протеолитических ферментов, таких
как трипсин, приводящих к деградации белковой молекулы [2; 5; 10; 12].
Фосфорилированный белок обеспечивает структурную компактизацию липидных рафтов в пределах зоны компактного миелина, выполняя
при этом роль молекулярного адаптера (посредника) межклеточных взаимодействий типа «олигодендроцит-олигодендроцит» и «олигодендроцит-аксон». В условиях in vitro MAP-опосредованное фосфорилирование
18.5 кДа-изоформы по остаткам треонина в 92- и 95-положениях полипептидной цепи модулирует миелиногенез (усиливает миелинопродукцию олигодендроглиобластов), ускоряет клеточную дифференциацию
олигодендроцитов и повышает степень компактизации сегментов миелиновой оболочки. Тре-92- и Тре-95-остатки расположены в богатых
пролином участках полипептидной цепи белка (полипролиновые мотивы
II типа, подобные по структуре к SH3-домену многих адгезивных белков
и
пролиновому
домену
тирозинкиназы
7
Fyn)
[12].
Схематическое
изображение первичной структуры основного белка миелина мыши
представлено на рис. 1.
Рис. 1. Фрагменты первичной структуры 18.5 кДа-изоформы
ОБМ мыши (168 аминокислотных остатков)
При этом пролиновые участки ассоцированы с α2-сегментом молекулы ОБМ. Поэтому α2-сегмент и полипролиновый мотив – основные
сайты модуляции структурно-функциональных свойств белка [12].
В живом организме вышеупомянутая «цепь» событый включается
при индукции рецептора тирозинкиназного типа Fyn (Fyn-тирозинкиназа)
химическими агентами – нейрогенином II [11], нейрегулинами, фактором
роста нервов (NGF), интерлейкином-1α и др. Рецептор локализован в
цитоплазматической мембране олигодендроцитов и при изменении своей конформации аутофосфорилируется и фосфорилирует специальные
транскрипционные факторы (например, Olig-2). Последние передают генерируемый сигнал в ядерный аппарат ДНК, активируя экспрессию генов МАР-киназы. Параллельно экспрессируются гены ОБМ. Синтезированный и созревший белок поддается фосфорилированию МАР-киназой,
ацетилированию MBP-ацетилазой и впоследствие транспортируется на
экстрацеллюлярную поверхность мембраны олигодендроцитов, где переходит в функционально активную форму [12].
Другая важная посттрансляционная модификация белка – метилирование. Происходит под контролем аргинин-N-метилтрансферазы II
8
(PMRT), локализованой в цитоплазме олигодендроцитов. Метилируется
аргининовый остаток (107-положение) по азоту NH2-группы гуанидинового радикала. Могут метилироваться также N-атомы NH-группы и αаминогруппы, как показано на рис. 2.
Рис. 2. Сайты метилирования аргинина
Донором метильных групп служит S-аденозилметионин – аденозиннуклеотидное производное аминокислоты метионина. Наибольшая интенсивность метилирования характерна для ранних постнатальных этапов развития животных (у мышей и крыс – это 10-11-е постнатальные
сутки и 1-й месяц жизни). В зрелом возрасте степень метилирования
ОБМ снижается и в старческом возрасте сводится к минимуму в связи с
тотальной репрессией генов аргинин-N-метилтрансферазы [13].
Третий вид модификации ОБМ – ацетилирование N-конца при помощи МАР-ацетилазы. В зрелых олигодендроцитах выделяют несколько
изоформ фермента, каждая из которых экспрессируется в разные периоды онтогенеза. При ацетилировании фермент переносит ацетильную
группу CH3COO- с ацетил-коэнзима А на NH2-конец полипептидной цепи,
что приводит к образованию N-ацетил-ОБМ. Такая модифицированная
изоформа белка устойчива к действию аминопептидаз. Внутримолеку-
9
лярные аминогруппы лизина и аргинина также могут ацетилироваться
эндо-N-ацетилазами, но в меньшей степени [2].
Все вышеохарактеризованные посттрансляционные модификации
ОБМ играют решающую роль для приобретения белком нативной формы, что важно при миелиногенезе и проведении нервного возбуждения.
Заключение. На основе изложенного материала можно заключить,
что основной белок миелина является одним из ключевых структурнофункциональных компонентов миелиновой оболочки. Важность изучения
этого белка позволяет оценить возрастные изменения миелина, а также
использовать его в качестве маркера при скриннинге демиелинизирующих заболеваний человека.
Список использованных источников
1. Buttermore E.D., Thaxton C.L., Bhat M.A. Organization and maintenance
of molecular domains in myelinated axons // J. Neurosci. Res. 2013.
№ 123. Р. 1015-1021.
2. Harauz G., Boggs J.M. Myelin Management by the 18.5-kDa and 21.5kDa Classic Myelin Basic Protein Isoforms // J. Neurochem. 2013.
№ 145. Р. 987-990.
3. Carnegie P.R. Amino acid sequence of the encephalitogenic basic protein from human myelin // Biochem. J. 1971. V. 123. № 1. Р. 57-67.
4. Orellana J.A., Saez J.C., Giaume C. et al. Glial hemichannels and their
involvement in aging and neurodegenerative diseases // Reviews in the
neurosciences. 2012. V. 23. № 2. Р. 163-177.
5. Meier-Ruge W., Iwangoff P., Sandoz P. et al. Neurochemical findings in
the aging brain // Advances in biochemical psychopharmacology. 2010.
V. 23. № 4. Р. 323-338.
10
6. Rübsamen R., Gutowski M., Langkau J. et al. Growth of central nervous
system auditory and visual nuclei in the postnatal gerbil (Meriones unguiculatus) // J. Comp. Neurol. 1994. V. 346. № 2. Р. 289-305.
7. Harauz G., Ladizhansky V., Boggs J.M. Structural polymorphism and
multifunctionality of myelin basic protein // Biochemistry. 2009. № 48.
Р. 8094-8104.
8. Kolotushkina E., Pivneva T., Skibo G. et al. Ultrastructural features of
demyelination process in the model of multiple sclerosis // Eur. J. Neurosci. 2000. V. 12. Suppl. 11. P. 220.
9. Nawaz S., Schweitzer J., Jahn O. et al. Molecular evolution of myelin
basic protein, an abundant structural myelin component // Glia. 2013.
V. 61. № 8. Р. 1364-1377.
10. Yarim G.F., Yarm M., Çiftci G. et al. Myelin basic protein profile of central nervous system in experimentally induced demyelination and remyelination [Deneysel demiyelinasyon ve remiyelinasyonda merkezi sinir sistemini n miyelin temel protein profili] // Turkish J. of Biochemistry. 2013.
V. 38. № 4. P. 451-456.
11. Xu X.-L., Xie Q.-S., Pan H.-S. et al. Neurogenin 2 gene-regulated
Schwann cells differentiate into neurons // Chinese J. of Tissue Engineering Research. 2013. V. 17. № 49. P. 8590-8595.
12. Vassall Kenrick A., Bessonov Kyrylo, De Avila Miguel et al. The Effects
of Threonine Phosphorylation on the Stability And Dynamics of the
Central Molecular Switch Region of 18.5-kDa Myelin Basic Protein //
PLoS ONE. 2013. V. 8. № 7. Р. 681-695.
13. Huang J., Vogel G., Almazan G. et al. Type II arginine methyltransferase
PRMT5 regulates gene expression of inhibitors of differentiation/DNA
binding Id2 and Id4 during glial cell differentiation // J. Biol. Chem. 2011.
V. 286. № 52. Р. 44424-44432.
11