Биологи исследовали механизмы влияния модификаций белков на апоптоз

Сотрудники факультета фундаментальной медицины МГУ имени М.В. Ломоносова описали молекулярные механизмы влияния посттрансляционных модификаций белков семейства каспаз на процесс их активации и протекание программируемой клеточной гибели — апоптоза. Результаты исследования опубликованы в журнале Trends in Cell Biology. Организм всех известных живых существ постоянно требует очистки от «лишних» клеток, которые уже выполнили свою функцию или стали опасны в результате повреждений генетического материала, вызываемых, например, различными токсическими веществами, ультрафиолетовой радиацией и другими причинами. Самоуничтожение таких потенциально опасных клеток известно как процесс программируемой гибели клеток, один из видов которого — апоптоз. «Нарушения в механизме запуска и протекания апоптоза приводят к самым нежелательным последствиям для организма. Так, избыточная клеточная смерть уничтожает нейроны, приводя наш мозг в состояние, при котором сначала теряется кратковременная память, а потом и долговременная, страдает крупная и мелкая моторика, развиваются психозы. Развитие болезни Альцгеймера, Паркинсона, бокового амиотрофического склероза, хореи Хантингтона в той или иной степени связано с повышенной апоптотической гибелью клеток. Кроме того, чрезмерная гибель может вызывать гематологические, иммунные, метаболические заболевания. Однако один из самых печальных примеров заболеваний, связанных с нарушениями апоптоза, характеризуется его недостаточностью. Клетка, получившая мутацию, в норме должна запустить процесс самоуничтожения, но слабый контроль и нарушения в апоптотических механизмах вызывают появление злокачественных образований», — говорит профессор Борис Животовский, руководитель лаборатории исследования механизмов апоптоза, в которой была выполнена работа. Запуск и протекание апоптотических процессов на молекулярном уровне обеспечивают специальные белки-ферменты — цистеиновые протеазы, или каспазы. В норме эти ферменты существуют в виде неактивной проформы и должны претерпеть ряд расщеплений для формирования активного тетрамера. Сигналом для запуска программы самоуничтожения клетки может стать огромное количество разнообразных стимулов: связывание определенных молекул с «рецепторами смерти» на поверхности клетки, повреждение ДНК, накопление неправильно свернутых белков, отсутствие питательных веществ, появление в клетке активных форм кислорода, нагревание. Все вышеуказанные факторы способствуют запуску серии последовательных реакций активации каспаз, или каспазному каскаду. Понимание деталей процессов регуляции каспаз тесно связано с возможностью рационально манипулировать апоптозом с целью получения терапевтических преимуществ. Вся цепочка реакций начинается с расщепления так называемых инициаторных каспаз, которые активируют эффекторные каспазы. Появление активных протеаз в клетке приводит к разрушению большинства клеточных структур, деградации ядра и распаду клетки на апоптотические тельца. Однако эта сложная система требует тщательного контроля, поскольку случайная активация каспаз может привести к печальным последствиям для клетки. «Многие белки и секретируемые пептиды претерпевают различные структурные изменения в результате посттрансляционных модификаций (ПТМ), то есть после завершения их синтеза рибосомами. Посттрансляционные модификации заключаются в ковалентной модификации белков после завершения их синтеза рибосомами. Данный процесс играет ключевую роль в создании гетерогенности белков, в исключении идентичных белков, их деградации, тканеспецифичных механизмов действия и регуляции их активности. Благодаря ПТМ один белок может выполнять разные функции в клетке одного и того же организма. Таким образом, ПТМ создает дополнительный тонкий уровень регуляции функции белка, позволяющий более динамично реагировать на изменения, происходящие в клетке. Модификации происходят в эндоплазматическом ретикулуме и аппарате Гольджи. Например, специальные белки — киназы — переносят остатки фосфорной кислоты на определенный аминокислотный остаток в молекуле каспазы, что приводит к изменению структуры белка и ингибированию или, наоборот, активации его функций. Фосфорилирование каспаз, подробно проанализированных в опубликованной работе, приводит в подавляющем большинстве случаев к изменению конформации активного центра и, соответственно, ингибирует активность этих белков, подавляя тем самым процесс апоптоза», — отметил соавтор статьи Алексей Замараев. Для написания статьи ученые провели анализ более 250 источников, который выявил основные типы посттрансляционных модификаций с классификацией их на отдельные типы. Особое внимание уделялось тому, в каких условиях происходят такие модификации и к чему они приводят — к активации или, наоборот, к ингибированию действия каспаз. Помимо литературной работы, был проведен сравнительный биоинформатический анализ аминокислотных последовательностей каждой каспазы у позвоночных и беспозвоночных организмов. Кроме того, проведено сравнение участков посттрансляционных модификаций на основании третичной структуры белка. Такой анализ помог не только выявить консервативные аминокислотные остатки, которые подвергаются модификациям, но и предсказать новые. Более того, биоинформатический анализ позволил сделать заключение о высокой схожести некоторых сайтов фосфорилирования каспаз у эволюционно далеких организмов. На основе полученных данных стало возможным предсказать новые, не описанные в литературе сайты модификации каспаз. Кроме того, полученные данные могут быть использованы для дизайна специфических ингибиторов либо активаторов, способных регулировать активность каспаз, для применения в лечении болезней, таких как нейродегенеративные и раковые заболевания, связанные с дисфункциями этих протеаз. «На сегодняшний день существуют противораковые препараты, блокирующие активность определенных групп киназ (ферментов, осуществляющих посттрансляционное фосфорилирование), — так называемые ингибиторы тирозинкиназ (например, Afatinib, Bosutinib и т. д.). Данные препараты подавляют активность разных групп тирозинкиназ, стимулирующих рост злокачественных клеток. При этом запускается путь апоптоза, приводящий к активации каспаз. Кроме того, в настоящее время для лечения некоторых гематологических опухолей рекомендовано применение препарата Venetoclax (ABT-199), который подавляет функцию антиапоптотических белков и также вызывает активацию каспаз. Несколько фармацевтических фирм работает над созданием нового класса лекарств — ингибиторов киназ, которые будут способны негативно влиять на активность каспаз, подавляя тем самым апоптоз, что необходимо для лечения нейродегенеративных заболеваний», — заключает Галина Копеина, одна из участниц проекта.