10755-1277-1-PB
.pdfОБЗОРЫ
УДК 577.112.389.4
Химические и функциональные аспекты посттрансляционной модификации белков
Д. Г. Кнорре, Н.В. Кудряшова, Т.С. Годовикова* Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, 630090, Новосибирск, просп. ак. Лаврентьева, 8
*E-mail: godov@niboch.nsc.ru
Реферат В обзоре рассмотрены химические и функциональные аспекты посттрансляционной модификации белков, получаемые присоединением различных групп к боковым радикалам аминокислотных остатков полипептидного остова белков. Описаны основные простетические группы и на примере пиридоксалевого катализа показано взаимодействие этих групп и апофермента в каталитическом акте. Значительное внимание уделено участию посттрансляционной модификации белков в регуляции биохимических процессов в живых организмах, в особенности роль протеинкиназ и взаимосвязанных с ними фосфатаз. Описаны реакции метилирования и ацетилирования и их роль в «гистоновом коде», управляющем на стадии транскрипции экспрессией генома. Рассмотрены процессы модификации белков объемными гидрофобными радикалами и их значение для функционирования белков, связанных с мембранами. Большое внимание уделено процессам гликозилирования белков, ведущего к образованию гликопротеинов. Приведены основные процессы неферментативной модификации белков – гликирование, гомоцистеинилирование и дезамидирование остатков амидов дикарбоновых кислот.
Ключевые слова: белки, ферменты, посттрансляционная модификация, простетические группы, фосфорилирование, регуляция, передача сигналов, ацилирование, алкилирование, убиквитилирование, гистоновый код, неферментативная модификация.
Список сокращений: CoA – кофермент А, EGFR – рецептор эпидермального фактора роста, JNK – Jun N-terminal kinase (N-концевая киназа Jun), SAPK – Stress Activated Protein Kinase (протеинкиназа, активируемая стрессом), МАРК – мутаген-активируемая протеинкиназа, ИФ – инозитолтрифосфат, ДАГ
– диацилглицерин, JAK – «Янус-киназы», STAT (от англ. Sinal Transducer and Activator of Transcription – переносчик сигнала и активатор транскрипции), Fyn, Lck – нерецепторные тирозинкиназы семейства Src, Ub – остаток убиквитина, УПБ – убиквитин-подобный белок, Ras, Rab, Rho – продукты протоонкогенов ras, rab, rho, участвующие в процессах роста и дифференцировки клеток, SАМ – S-аденозилметионина, PARP – поли(ADP-рибозо)полимераза, VRAP – теломераза, обнаруженная в составе «vault»-частиц, GSH – глутатион, HIF – фактор, индуцируемый при гипоксии, Gla – γ-карбоксиглутаминовая кислота, AGE – advanced glycation end products (продукты конечного гликирования белков), CML – Nε карбоксиметил лизин, CEL – Nε карбоксиэтил лизин, HSA – человеческий сывороточный альбумин, GFP – green fluorescent protein (зеленый флуоресцирующий белок), РIMT – протеинизоаспартил-О- метилтрансфераза, DNT – дермонекротический токсин.
Введение |
именно второй группе процессов посттрансляционной мо- |
Матричный биосинтез полипептидных цепей на рибосо- |
дификации белков. |
мах в большинстве случаев не приводит непосредствен- |
Существуют четыре основные группы функций белков, |
но к функционально значимому белку. Образовавшаяся |
требующих посттрансляционной модификации боковых |
полипептидная цепь должна претерпеть некоторые до- |
радикалов. Для проявления функциональной активности |
полнительные химические превращения, в подавляющем |
ряда белков необходимо наличие в их составе определен- |
большинстве случаев ферментативные, уже вне рибосомы. |
ных ковалентно связанных с полипептидной цепью просте- |
Так как эти превращения происходят после того, как счи- |
тических групп, как правило, сложных органических мо- |
тана информация, привнесенная матричной РНК (мРНК), |
лекул, непосредственно участвующих в проявлениях этой |
т.е. закончена трансляция мРНК, то эти дополнительные |
активности. К такому типу модификаций относится превра- |
процессы получили название посттрансляционной моди- |
щение каталитически неактивных апобелков в ферменты. |
фикации. |
Другая важная группа посттрансляционных модификаций |
Можно выделить две основные группы процессов пост- |
обеспечивает регуляцию биохимических процессов, изме- |
трансляционной модификации белков. Одна из них – это |
няя (в предельном случае включая или выключая) актив- |
протеолитические процессы, главным образом представ- |
ность фермента. Еще одна большая группа модификаций |
ляющие собой расщепление определенных пептидных |
вводит в белки метки, обеспечивающие определенную вну- |
связей, которое приводит к отщеплению части образовав- |
триклеточную локализацию белков, в т.ч. направление их |
шихся пептидных фрагментов. Вторая группа – это про- |
в протеосомы для последующего переваривания. Наконец, |
цессы, которые приводят к химической модификации бо- |
некоторые процессы посттрансляционной модификации |
ковых радикалов аминокислотных остатков, как правило, |
непосредственно или косвенно отвечают за формирование |
не затрагивающих полипептидного остова. Их химическая |
определенной пространственной структуры белка. |
природа и функциональное значение весьма разнообразны. |
|
При этом каждый тип модификации характерен для опре- |
Модификация белков путем |
деленных групп аминокислотных остатков. В результате |
присоединения простетических групп |
этих процессов протеома клетки или организма по числу |
В некоторых случаях конечной стадией биосинтеза функ- |
ее компонентов на порядки превосходит число генов, ко- |
ционального активного белка является ковалентное при- |
дирующих белки протеомы. Настоящий обзор посвящен |
соединение простетической группы, участвующей в фор- |
32 | Acta naturae | № 3 2009
ОБЗОРЫ
Рис. 1. Схема первой стадии реакции переаминирования, катализируемой аспартат аминотрансферазой
мировании активного центра фермента [1, 2]. В табл. 1 |
Кофермент в трансаминазе присутствует не в виде сво- |
приведены структурные формулы продуктов модифика- |
бодного альдегида, а в виде внутреннего альдимина с боко- |
ции боковых радикалов аминокислот при ковалентном при- |
вой аминогруппой лизина (Lys-258). Связанный с ферментом |
соединении некоторых коферментов к белкам, а также тип |
имин обеспечивает более быстрый путь протекания реакции, |
реакций, в которых принимают участие соответствующие |
чем свободный пиридоксальфосфат [2–4]. Именно структура |
простетические группы. |
определяет более высокую активность иминов по сравнению |
Большинство приведенных простетических групп оста- |
с соответствующими альдегидами. Более основной азот ими- |
ются ковалентно связанными с апоферментом на про- |
нов протонируется гораздо сильнее, чем кислород карбо- |
тяжении всего каталитического процесса. Исключением |
нильной группы (рис. 1, (3)). В результате переноса протона |
являются лишь пиридоксалевые ферменты, у которых |
от α-NН +-группы субстрата на атом N-альдимина пиридок- |
при функционировании на определенном этапе происходит |
3 |
сальфосфата образуются требуемые для протекания реак- |
|
демодификация белка, а именно замена связи пиридок- |
ции катионная форма кофермента и одновременно депрото- |
сальфосфата с аминогруппой лизина апофермента на связь |
нированная аминокислота (3). Кроме того, иминный углерод |
кофермента с аминокислотой-субстратом. Динамическая |
более электрофилен, чем карбонильный, следователь- |
модель процессов для реакций, катализируемых трансами- |
но, он легче атакуется депротонированной аминогруппой |
назами, была предложена М.Я. Карпейским и В.И. Ивано- |
α-аминокислоты (рис. 1, (4)). Увеличение электрофильности |
вым в 1969 г. [3]. Немного позднее авторами [4] была вы- |
данного центра обеспечивается также через взаимодействие |
двинута интересная гипотеза, согласно которой фосфатная |
азота гетероцикла с остатком аспартата фермента (водо- |
и метильная группы кофермента служат своего рода осью, |
родная связь с остатком Asp-222). Таким образом, промежу- |
вокруг которой пиридоксаль может поворачиваться, об- |
точный фермент-имин способствует быстрому образованию |
разуя или фермент-иминные или субстрат-иминные кова- |
ковалентного промежуточного соединения между субстра- |
лентные структуры. Данные рентгеноструктурного анализа |
том и коферментом. |
подтвердили и конкретизировали вывод о многоточечном |
На приведенном примере пиридоксалевого катализа |
характере связывания пиридоксальфосфата. |
видно, что наряду с простетической группой в каталитиче- |
В качестве иллюстрации можно привести механизм дей- |
ском акте важную роль играет и апофермент, т.е. последний |
ствия пиридоксалевого фермента аспартат аминотрансфе- |
нельзя рассматривать только как носитель каталитической |
разы (К.Ф.2.6.1.1), катализирующей реакцию переаминиро- |
группы. Это, конечно, касается и других простетических |
вания между оксалоацетатом и глутаматом (рис. 1). |
групп. |
№ 3 2009 | Acta naturae | 33
ОБЗОРЫ
Таблица 1. Основные простетические группы, участвующие в реакциях биокатализа
Название кофермента |
Структура производного простетической группы |
Классы ферментов. |
|
|||||||||||||
Тип реакции, в которой участвует простетическая |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
группа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
Карбоксилазы. |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
HN NH |
К.Ф. 6.4.1.2; 6.4.1.3. |
|
||||||
Биотин |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Карбоксилирование. |
на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
NH |
(CH2)4 |
|
|
|
|
|
Перенос одноуглеродного фрагмента в виде СО2 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
ацетилCoA, пропионилСоА и другие органические |
|||
|
|
|
(CH2)4 |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
молекулы. |
|
|||||
|
NH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH |
|
|
CO |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
(CH2)4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ацилтрансферазы. |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
S |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
NH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К.Ф. 2.3.1.12. |
||||||||
Липоат |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Окисление-восстановление. Перенос углеродных |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
фрагментов на СоА через восстановительное аци- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(CH2)4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лирование липоамида в процессах окислительного |
||||||||||||
|
|
|
|
NH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CO |
|
|
|
|
|
|
|
декарбоксилирования α-кетокислот. |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
NH |
|
|
|
|
|
|
|
NH |
|
|
SH |
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ацилтрансферазы. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пантотенат |
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К.Ф. 2.3.1.85. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
-O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Трансацилирование. |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
P |
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Перенос ацильного фрагмента от одного фермента |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мультферментного комплекса к другому. |
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
CH2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
NH |
|
|
|
|
|
CH |
|
|
|
|
CO |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Пиридоксаль фосфат |
|
|
|
|
|
|
|
HC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
Аминотрансферазы. |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К.Ф.2.6.1. |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
HO |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Трансаминирование аминокислот. |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(CH2)4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
NH |
|
|
|
CH |
|
CO |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
CH |
|
|
|
|
CH2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
NH |
|
|
|
CH3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH3 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
Цитохром с оксидаза. |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Гем |
|
H3C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
К.Ф. 1.9.3.1. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
- |
|
Окисление-восстановление. |
|
O C |
|
CH2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Перенос электронов в мембране митохондрий при |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
CH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Fe |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
окислительном фосфорилировании. |
|||||||||||
NH |
|
S |
CH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
O- |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
H3C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
CH |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
аденозин
OO
-O P O P O
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
O |
Оксидоредуктазы. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
FAD |
|
|
|
|
|
|
рибитил |
|
|
|
К.Ф. 1.3.99.1. |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Окисление-восстановление. |
|
|
N |
|
|
N |
|
CH |
2 |
|
N |
N O |
Окисление группы –СН2-СН2− до транс−СН=СН− |
|||||
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H2C |
|
|
|
|
H3C |
|
|
|
|
|
NH |
|
||||
|
|
|
|
|
|
N |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
NH |
|
CH |
|
CO |
|
|
|
|
|
O |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
34 | Acta naturae | № 3 2009
ОБЗОРЫ
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сигнальная |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
молекула |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Рецептор (в мембране) |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
G-белок |
|
|
|
|
|
|
|
Аутофосфорилирование |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рецептора |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Каскад |
||||
|
|
|
|
|
|
Фермент |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
фосфорилирования |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
(аденилатциклаза, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
белков |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
гунилатциклаза, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Рис. 2. Структура фосфорилированных аминокислотных фрагментов |
|
|
|
|
фосфорилаза С) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
2-й посредник |
|
|
|
|
|
Активация ферментов |
||||||||||||
|
|
|
|
(цАМФ, цГМФ, Ca2+ИФ3, |
|
|
|
и факторов транскрипции |
||||||||||||||||
Регуляция активности ферментов |
|
|
|
|
|
ДАГ, NO) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
фосфорилированием |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Главную роль в осуществлении реакций, которые отвечают |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
за перестройку всех процессов внутри клетки, приводящих, |
|
|
|
|
Протеинкиназы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
в конце концов, к ее делению или гибели, играет большая |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
группа специальных ферментов – протеинкиназ (подкласс |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
фосфотрансфераз, К.Ф. 2.7.), присоединяющих фосфатные |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Фосфорилирование |
|
|
|
|
|
|
|
|
Изменение |
|
|
||||||||||
группы к боковым радикалам аминокислот различных бел- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
белков |
|
|
|
|
|
количества белков |
|
||||||||||||
ков [5–12]. Донором фосфата во всех таких реакциях являет- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(ферментов) |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ся γ-фосфат АТР. Различают киназы, присоединяющие фос- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
фат к аминокислоте тирозину (тирозинкиназы, К.Ф. 2.7.10.2) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
или к аминокислотам треонину и серину (серин-треонин- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
Изменение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
киназы, К.Ф. 2.7.11.1) [5]. У бактерий, растений и грибов ши- |
функциональной активности |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
роко распространены гистидиновые киназы, которые ра- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ботают как часть двухкомпонентной системы сигнальной |
Рис. 3. Основные этапы передачи сигналов с помощью фосфорили- |
|||||||||||||||||||||||
трансдукции [13]. Остаток неорганического фосфата, при- |
||||||||||||||||||||||||
рования белков. ИФ – инозитолтрифосфат, ДАГ – диацилглицерин |
||||||||||||||||||||||||
соединенный к собственному остатку гистидина, затем пере- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
носится на остаток аспартата белка-мишени. Фосфорилиро- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вание аспартата приводит к дальнейшей передаче сигнала |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[13]. На рис. 2 приведены структуры продуктов фосфорили- |
В структуре мембранных рецепторов можно выделить |
|||||||||||||||||||||||
рования аминокислотных остатков в белках [1]. |
три функционально разных участка. Первый домен (до- |
|||||||||||||||||||||||
Согласованная регуляция взаимодействия многокле- |
мен узнавания) расположен в N-концевой части полипеп- |
|||||||||||||||||||||||
точного организма осуществляется путем высвобождения |
тидной цепи на внешней стороне клеточной мембраны; |
|||||||||||||||||||||||
специальных молекул (гормонов, цитокинов и т.п.), кото- |
он содержит гликозилированные участки и обеспечивает |
|||||||||||||||||||||||
рые вызывают сигнальный каскад в клетках-мишенях. |
узнавание и связывание сигнальной молекулы. Второй до- |
|||||||||||||||||||||||
В тех случаях, когда сигнал вызывает изменение уровня |
мен – трансмембранный. У рецепторов одного типа, сопря- |
|||||||||||||||||||||||
экспрессии определенных генов, конечным звеном каска- |
женных с G-белками, он состоит из 7 плотно упакованных |
|||||||||||||||||||||||
да оказываются факторы транскрипции [14–18]. Клетки- |
α-спиральных полипептидных последовательностей. У ре- |
|||||||||||||||||||||||
мишени отличают соответствующую сигнальную моле- |
цепторов другого типа трансмембранный домен включа- |
|||||||||||||||||||||||
кулу от множества других молекул благодаря наличию |
ет только одну α-спирализованную полипептидную цепь. |
|||||||||||||||||||||||
на клетке-мишени соответствующего белка-рецептора со |
Третий (цитоплазматический) домен создает химический |
|||||||||||||||||||||||
специфическим центром связывания с сигнальной молеку- |
сигнал в клетке, который сопрягает узнавание и связыва- |
|||||||||||||||||||||||
лой. Одни рецепторы располагаются на поверхности кле- |
ние сигнальной молекулы с определенным внутриклеточ- |
|||||||||||||||||||||||
точной мембраны, другие, внутриклеточные, локализованы |
ным ответом. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
в цитозоле или ядре клетки. На схеме (рис. 3) представ- |
Цитоплазматический участок ряда рецепторов на вну- |
|||||||||||||||||||||||
лены основные этапы передачи, например, гормональных |
тренней стороне мембраны обладает тирозинкиназной ак- |
|||||||||||||||||||||||
сигналов через мембранные рецепторы, на отдельных ста- |
тивностью. Например, связывание гормона инсулина с мем- |
|||||||||||||||||||||||
диях которых активность ферментов регулируется через |
бранным рецептором, который является тирозинкиназой |
|||||||||||||||||||||||
их модификацию путем фосфорилирования. |
и имеет центр фосфосфорилирования, инициирует ауто- |
№ 3 2009 | Acta naturae | 35
ОБЗОРЫ
|
|
Сигнальная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сигнальная |
|
Сигнальная |
||
|
|
молекула |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
молекула |
|
молекула |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
Димер |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рецептор |
|
|
|
|
рецептора |
|
|
|
|
|
|
|
Рецептор |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мембрана
|
|
JAK |
|
|
|
JAK* |
|
|
|
JAK* |
JAK |
|
|
JAK* |
JAK* |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ATP ATP
STAT STAT
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
STAT |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
STAT |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Ядро |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
STAT |
|
STAT |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Димер STAT |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
JAK* |
|
|
JAK* |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ДНК |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ATP |
|
|
|
|
|
|
|
ATP |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
STAT |
STAT |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мРНК |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4. Схема передачи сигнала через мембранные рецепторы, ассоциированные с JAK
фосфорилирование и последующее фосфорилирование субстратов рецептора и других белков [10]. Рецептор эпидермального фактора роста (EGFR) относится к семейству рецепторов фактора роста, которые связывают внеклеточные белковые лиганды и обладают также тирозинкиназными активностями [14]. После связывания лиганда рецептор димеризуется, происходит самофосфорилирование по пяти остаткам тирозина на С-конце рецептора, и белок приобретает внутриклеточную тирозинкиназную активность. Последующая активность EGFR связана с инициацией каскада сигнальной трансдукции, при которой активируются митоген-активируемые протеинкиназы, протеинкиназа В, JNK (Jun N-terminal kinase) или Stress Activated Protein Kinase (SAPK) – семейство МАР-киназ. Это приводит
ксинтезу ДНК и пролиферации [11, 12, 18–20]. Цитоплазматические участки других рецепторов (гор-
мона роста, пролактина, цитокинов и др.) сами не проявляют тирозинкиназную активность, а ассоциируются с другими цитоплазматическими протеинкиназами (т.н. «Янус-киназами», или киназами семейства JAK), которые их фосфорилируют и, таким образом, активируют [11, 18]. Отличительной чертой семейства Янус-киназ среди всех тирозинкиназ млекопитающих является существование тандема киназного (JH1) и псевдокиназного (JH2) доменов. Наличие последнего и определяет название Янус-киназ, поскольку они среди всех тирозинкиназ млекопитающих имеют псевдокиназный домен, т.е. как двуликий Янус эти киназы также имеют «два лица». В псевдокиназном домене, хотя он и имеет полное сходство с киназными доменами, полностью отсутствуют остатки, отвечающие за фосфотрансферазную активность. Функция данного домена, по-видимому, заключается в регуляции каталитической активности.
Связывание сигнальных молекул с рецепторами, как предполагают, приводит к запуску сигнализации посредством гомоили гетеродимеризации субъединиц рецептора, которые устанавливаются напротив Янус-киназ, что вызывает аутофосфорилирование последних и приводит к повышению их каталитической активности. После активации Янус-киназ они фосфорилируют субъединицы рецептора по остаткам тирозина, в результате чего рецептор связывается с другими белками, например с переносчиками сигнала и активаторами транскрипции STAT (от англ. Sinal Transducer and Activator of Transcription). Эти белки (STAT) затем фосфорилируются с помощью Янускиназ, образуют димеры, транспортируются в ядро, где, связываясь со специфическими участками ДНК, участвуют в регуляции транскрипции (рис. 4).
Митоген-активируемые киназы (МАРК, К.Ф. 2.7.11.24) отвечают на внеклеточные стимулы (митогены) и регулируют многие клеточные процессы (экспрессию генов, деление, дифференцировку и апоптоз) [11, 17–20]. Такой сигнальный МАР-каскад консервативен для эукариот от дрожжей до млекопитающих.
Активность серин/треонин протеинкиназ регулируется несколькими событиями, например, повреждениями ДНК, а также некоторыми химическими сигналами, в т.ч. сАМР, сGMP, диацилглицеролом, Ca2+ кальмодулином [5, 8, 21–24]. Данные протеинкиназы фосфорилируют остатки серина или треонина в консенсусных последовательностях, которые образуют фосфоакцепторный сайт. Эта последовательность остатков аминокислот в молекуле субстрата позволяет осуществлять контакт каталитической щели протеинкиназы с фосфорилируемой областью, что делает киназу специфичной не к какому-либо определенному
36 | Acta naturae | № 3 2009
ОБЗОРЫ
Рис. 5. Схема введения остатка (остатков) убиквитина в белоксубстрат. Е1-SH – убиквитин-активирующий фермент, Е2-SH – убиквитин-переносящий белок, Е3 – убиквитин-протеин лигаза. Ub
– остаток убиквитина
субстрату, а к специфичному семейству белков с одинаковыми консенсусными последовательностями. В то время как каталитические домены этих протеинкиназ высококонсервативны, последовательности узнавания отличаются, обусловливая узнавание разных субстратов. К протеинкиназам, регулируемым вторичными посредниками гормонального сигнала, относятся протеинкиназы А, В, С, G, кальмодулинзависимые протеинкиназы и др.
Реакция фосфорилирования может происходить не по одному положению в молекуле белка, а по множеству сайтов, при этом фосфорилированию подвергаются функциональные группы различных остатков аминокислот [25– 28]. Множественное фосфорилирование характерно, например, для РНК-полимеразы II эукариот (К.Ф. 2.7.7.6) [28]. У этого фермента С-концевой домен большой субъединицы содержит большое количество (у млекопитающих 52 копии, у дрожжей – 26–27 копий) повторяющихся гептапептидных последовательностей консенсусного состава Tyr-Ser- Pro-Thr-Ser-Pro-Ser. Множественное фосфорилирование этих повторов по остаткам серина и треонина способствует связыванию с ферментом большого числа транскрипционных факторов элонгации и ассоциированных с ними белков, что необходимо для перехода фермента из преинициирующего транскрипционного комплекса в устойчивый элонгирующий комплекс [29], обеспечивающий движение РНК-полимеразы по ДНК в составе хроматина.
Ацетилирование белков
Одним из широко представленных видов посттрансляционной модификации белков, имеющих важное регуляторное значение, является ацетилирование [30–38]. Реакция проходит по ε-аминогруппам остатков лизина, донором ацетильных групп является ацетилкофермент А. При этом исчезает положительный заряд, что приводит к перераспределению заряда всей белковой молекулы, увеличению гидрофобности и размера боковой цепи модифицированной аминокислоты. Это, в частности, служит сигналом связывания с гистонами транскрипционных факторов и ассоциированных белков, т.е. инициации процесса транскрипции. Существенную роль в этом связывании играет наличие в ацетилируемых белках т.н. бромодомена, консервативного модуля из 110 аминокислотных остатков [30, 31].
Процесс наиболее полно изучен на примере гистонов [32–38]. Селективное ацетилирование некоторых остатков лизина обеспечивает специфичное сродство хроматина к определенным факторам транскрипции и, таким образом, предопределяет, какие гены будут экспрессироваться.
Поэтому распределение точек ацетилирования по гистонам и по их аминокислотным остаткам является важным фактором регуляции транскрипции хроматина, и обычно рассматривается один из элементов «гистонового кода», регулирующего этот процесс. В целом под «гистоновым кодом» подразумевается весь набор модификаций аминокислотных остатков в N- и C-концевых последовательностях гистонов (фосфорилирование, ацетилирование, метилирование, ADP-рибозилирование), определяющий функциональное состояние гена в отношении процессов репликации и транскрипции [33–38].
Разные формы гистон-ацетилтрансферазы (К.Ф. 2.3.1.48) катализируют ацетилирование остатков лизина, расположенных в строго специфических позициях в составе белка. Так, в октамерном ядре нуклеосомы, содержащем по две копии гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4, существует 30 консервативных остатков лизина в N-концевой части белка, способных ацетилироваться (остатки в положениях 5, 9 в Н2А,
остатки 5, 12, 15, 20 в Н2В, остатки 9, 14, 18, 23, 27 в Н3,
иостатки 5, 8, 12, 16) [39]. В зависимости от количества
иместа расположения модифицированной аминокислоты получается огромное число комбинаций распределения ацетилированных остатков, что играет важную роль
вфункционировании хроматина. Например, ацетилирование остатка Lys-18 в гистоне Н3 дрожжей Saccharomyces cerevisiae является основным признаком активной транскрипции хроматина – с этим модифицированным остатком связывается наибольшее количество транскрипционных факторов. Для активации транскрипции генов интерферона β в клетках человека необходимо ацетилирование Lys-8
вгистоне Н4 и Lys-14 в гистоне Н3 [39].
Найдено, что ацетилирование остатков лизина в С-концевых участках белков защищает белок от модификации убиквитином, увеличивая время жизни и функционирования данного белка [40].
Ацилирование белков остатками высших жирных кислот
Из процессов модификации остатками высших жирных кислот чаще всего встречаются миристоилирование – введение остатка СН3–(СН2)12–СО– по аминогруппе N-концевого глицина [1, 41, 42] и пальмитоилирование –
введение остатка СН3–(СН2)14–СО– по SH-группе остатка цистеина [1, 43, 44]. В обоих случаях ацилирование осу-
ществляется соответствующим ацилкоферментом А, образующимся в качестве промежуточного продукта при окислительной деструкции более длинных жирных кислот.
N-концевой остаток глицина [42, 45] появляется в белке после отщепления N-концевого остатка метионина, с которого начинается трансляция. Введение миристильной группы катализируется миристоилСоА:протеин N-миристоилтрансферазой (К.Ф. 2.3.1. 97) [46, 47]. Образование амидной связи между остатками глицина и миристата является необратимым процессом. Введение остатка миристоила изменяет липофильность белковой молекулы и способствует слабому и обратимому взаимодействию белка с фосфолипидными мембранами или гидрофобными доменами других белков. Подобное взаимодействие необходимо для участия в процессах сигнализации, апоптозе, внеклеточном транспорте белков. Примерами миристили-
№ 3 2009 | Acta naturae | 37
ОБЗОРЫ
Рис. 6. Тандем из нескольких остатков убиквитина, связанный субстратом. Номера соответствуют остаткам аминокислот, которые участвуют в модификации субстрата (Gly76) и в формирова-
нии тандема (Gly76 и Lys48)
рованных белков могут служить протеинкиназа А и один из основных структурных белков вируса иммунодефицита человека – GAG [45, 48]. Как правило, модификация миристиновой кислотой действует в комплексе с другими механизмами регуляции функционирования белков.
Достаточно часто вслед за модификацией миристатом по N-концевому глицину имеет место присоединение остатка пальмитиновой кислоты по остатку цистеина с образованием тиоэфирной связи [1, 43, 45, 49]. Эта модификация в отличие от миристилирования является обратимой
– существуют ферментативные системы, катализирующие как пальмитирование остатков цистеина, так и их депальмитирование [50].
Результаты введения остатка пальмитиновой кислоты те же, что и при модификации глицина миристатом – увеличение липофильности белковой молекулы. Это облегчает взаимодействие с мембранами и прохождение через них, а наличие обратной реакции депальмитоилирования делает возможным участие в регуляции активности белка на различных стадиях развития клетки и проведения сигнала в клетку. Пальмитоилированию подвергаются в основном белки, участвующие в сигнализации: G-белки (малые G-белки семейства Ras, α-субъединица гетеротримерных G-белков), нерецепторные тирозинкиназы семейства Src (Fyn, Lck) [43, 45, 47, 51].
Убиквитилирование белков
Важное биологическое значение имеет ацилирование белков активированной С-концевой карбоксильной группой остатка глицина убиквитина (8 кДа), состоящего из 76 аминокислотных остатков [52–59]. Главная, хотя и не единственная функция этого процесса заключается во введении метки в белки, подлежащие уничтожению. К ним относятся различные поврежденные белки и нормальные белки, которые должны выполнять свою функцию в определенной
фазе развития клетки, и присутствие их за пределами этой фазы нежелательно.
Конъюгация белка-мишени с убиквитином включает три стадии. Первая стадия представляет собой активацию карбоксильной группы убиквитина с помощью убиквитинактивирующего фермента E1 и АТР с образованием убиквитил-АМР. На второй стадии остаток убиквитина переносится на SH-группу убиквитин-переносящего белка Е2. На третьей стадии убиквитин-протеин лигаза Е3 катализирует перенос убиквитильного остатка на белковый субстрат с образованием амидной связи между С-концевым остатком глицина убиквитина G76 и остатком лизина белка-мишени (субстрата). Модифицированный остатком убиквитина белок подвергается протеолизу в протеасомах или лизосомах [57].
Если Е1 представлен в клетке единственным ферментом, то фермент Е2 в клетках млекопитающих имеет уже 20–40 изоформ, а для Е3 фермента существуют сотни изоферментов, различающихся природой белкового субстрата. Часто для узнавания ферментом Е3 необходима предварительная модификация белка-мишени различными способами: фосфорилирование (Ser/Thr, Tyr), гидроксилирование (Pro), гликозилирование (Asn), аминоацилирование
N-конца [54].
На молекулу белка-мишени может переноситься как один остаток убиквитина, так и несколько. На схеме (рис. 5) такой продукт обозначен как субстрат-Ubn. При полиубиквитилировании субстрата фрагмент убиквитин, непосредственно связанный с белком-мишенью, ацилируется по остаткам Lys-29, Lys-48 или Lys-63 С-концевым остатком глицина следующей молекулы убиквитина [53, 60–63]. При образовании ковалентного аддукта у присоединенного фрагмента убиквитина сохраняется способность к конъюгированию вышеназванных лизинов со следующего остатком убиквитина, что, в конечном итоге, приводит к полиубиквитилированию белка-субстрата (рис. 6).
Степень убиквитилирования конъюгата влияет на его биологические функции. Так, для эффективной деградации белков в протеасомах необходимо тетраубиквитилирование по Lys29 или Lys48 в зависимости от белкамишени. Неправильно свернутые белки и большинство коротко живущих белков формируют тандем остатков убиквитина со связями по Lys48 [59]. Моноубиквитилирование протекает в основном по многочисленным остаткам лизина в белке-мишени случайным образом. Оно, например, происходит при переходе от анафазы к метафазе во время митоза, когда необходимо «выключить» белки, участвующие в анафазе [59]. Моноубиквитилирование гистона Н2В человека требуется для метилирования гистона Н3, что, в свою очередь, является важным для перестройки структуры хроматина и активации транскрипции «молчащих» генов [35]. Образование тандемов из нескольких остатков убиквитина по Lys63, связанных с фактором процессивности ДНК-полимеразы PCNA (ядерном антигене клеточной пролиферации), существенно для пострепликативной репарации ДНК [59, 61].
Сейчас известно несколько убиквитин-подобных белков (УПБ), которые были объединены в семейство убик-
витина: сам убиквитин, Nedd8, Sumo, Fat10, ISG15, Urm1,
38 | Acta naturae | № 3 2009
ОБЗОРЫ
Рис. 7. Структуры алкилированных боковых радикалов аминокислот белка
S-аденозин-L-метионин
(AdoMet)
S-аденозин-L-гомоцистеин
(AdoHcy)
Монометил-Lys
Lys (или Arg)
Рис. 8. Метилирование остатков лизина метилтрансферазами
Hub1 и др. [53, 56–59, 62, 64] Эти белки в разной степени гомологичны убиквитину по аминокислотной последовательности и обладают подобной пространственной структурой. Наличие в клетке большого числа УПБ отражает их включение в различные чрезвычайно разнородные процессы, протекающие в клетке. Так, Sumo участвует в транспорте веществ в ядро, в регуляции транскрипции, сегрегации хромосом; ISG15 функционирует в системе иммунного ответа; Nedd8 – в переходе клетки от мейоза к митозу; Urm1 – в росте клеток при высоких температурах [59].
Шапероны, взаимодействуя с синтезированными и не получившими правильной пространственной структуры полипептидами, выступают кофакторами ферментов убиквитилирования, т.к. содержат убиквитин-узнающий домен. После модификации белка-мишени убиквитином они эскортируют убиквитилированный белок в протеасому, где шапероны диссоциируют из комплекса, происходит высвобождение цепей убиквитина, АТР-зависимая денатурация белка-мишени и деградация его протеазами внутри протеасомы до мелких пептидов.
Алкилирование белков
Распространенной группой посттрансляционной модификации является алкилирование. К этому типу модификации относятся метилирование по остаткам лизина и аргинина [26, 30, 33–38, 39, 65–72] и изопренилирование (введение по боковому радикалу цистеина остатков фарнезила и ге-
ранилгеранила) [47, 73–80] (рис. 7).
Метилирование белков в живых организмах происходит путем переноса СН3-групп от S-аденозилметионина по реакции (рис. 8) и катализируется ферментами метилтранс-
феразами [1, 65, 67].
В случае лизина в реакциях, катализируемых различными метилтрансферазами, возможно образование моно-, ди-, триметиллизинов, в случае аргинина – моно- и диметиларгининов [65]. Полученные соединения отличаются размерами модифицированного остатка и степенью гидрофобности.
Метилирование белков наиболее изучено на примере модификации гистонов. Гистон-метилтрансферазы обладают высокой специфичностью по отношению к природе аминокислотного остатка (гистон-лизинметилтрансферазы (К.Ф. 2.1.1.43) и гистон-аргининметилтрансферазы (К.Ф. 2.1.1.125)
иположению остатка в полипептидной цепи [1, 65]. Метилирование остатков лизина в гистонах играет важную роль в упомянутом выше «гистоновом коде» [33–36, 38]. Наиболее охарактеризованные положения метилирования в гистонах – это Lys4 и Lys9 в гистоне Н3. Кроме указанных остатков, в гистоне Н3 могут метилироваться выступающие над поверхностью нуклеосомы Lys27, Lys36, Arg2, Arg17
иArg26, а в гистоне Н4 – Arg3 [33, 34, 67, 70].
Было показано, что в гистоне Н3 триметилированный Lys4 необходим для активации процесса транскрипции, а диметилированный Lys4 обнаружен как в активном, так и в неактивном гене [33, 34, 70]. Так, гетерохроматиновый белок 1 (НР1), взаимодействуя с триметилированным Lys9 в гистоне Н3 через свой хромодомен (домен, узнающий алкилированные аминокислотные остатки), вызывает
№ 3 2009 | Acta naturae | 39
ОБЗОРЫ
Аминооксидаза
Гистондеметилаза, аскорбат
Рис. 9. Реакция деметилирования ди- и монометилированных остатков лизина в гистонах, катализируемая ФАД-зависимой аминооксидазой
(вверху), и три-,
ди- и монометилированных остатков лизина в гистонах, катализируемая гистондеметилазой, функционирующей в присутствии кофакторов – ионов Fe2+, α-кетоглутарата и аскорбата (внизу)
локальную конденсацию хроматина и привлекает к сборке активного транскрипционного комплекса другие белковые факторы [26, 30, 33, 67, 70].
До самого последнего времени считалось, что метилирование остатков лизина является необратимым процессом [1]. Но совсем недавно были выделены ферменты, катализирующие удаление метильных групп с остатков лизина и аргинина, т.е. установлено, что и эта посттрансляционная модификация является динамичной. Деметилирование лизина является окислительным процессом и может катализироваться или ФАД-зависимой полиаминоксидазой, или лизин-специфичной деметилазой, функционирующей как диоксигеназа в присутствии кофакторов – ионов Fe2+,
α-кетоглутарата и аскорбата (К.Ф. 1.5.3.4) [37, 65, 66, 82, 83].
Схема процесса приведена на рис. 9.
Деметилирование остатка модифицированного аргинина осуществляет ядерная пептидиларгинин деиминаза (К.Ф. 3.5.3.15), превращающая метилированный аргинин в цитруллин [66] (рис. 10).
Таким образом, метилирование-деметилирование наряду с ацетилированием-деацетилированием определенных аминокислотных остатков в гистонах является одним из основных факторов регуляции активации или репрессии генов.
Изопренилирование белков
Некоторые случаи посттрансляционной модификации представляют собой введение по функциональной группе цистеина остатков изопреноидов – олигомеров, построенных из остатков изопрена – фарнезила и геранилгеранила (рис. 11). Модификация белков этими радикалами катализируется соответственно протеинфарнезил- и протеингеранилгеранил трансферазами, соответственно К.Ф. 2.5.1.58 и К.Ф. 2.5.1.59 или К.Ф. 2.5.1.60 (геранилгеранилтрансферазы
I и II типа). Ферменты I типа катализируют перенос геранилгеранильного остатка на остаток цистеина в С-концевой последовательности белка Суs-А-А-Х, а II типа – на последовательности Суs-Суs-Х-Х, Х-Х-Суs-Суs или Х-Суs-Х- Суs [47, 73–80], где А – остаток небольшой алифатической аминокислоты, Х – различные аминокислоты.
Изопренилированию подвергаются белки семейств Ras, Rab, Rho (продукты протоонкогенов ras, rab, rho, участвующие в процессах роста и дифференцировки клеток), центромерные белки, γ-субъединицы гетеротримерных G-белков, шапероны, тирозинфосфатазы [47, 73, 75, 78, 79, 81]. В С-концевой последовательности белков семейства Ras обнаружен мотив Суs-А-А-Х, где Х – аминокислотный остаток, определяющий специфичность фермента: Leu, Phe, Met – в случае геранилгеранилтрансферазы I типа; Ala, Gln, Ser, Met, Phe – в случае фарнезилтрансферазы [47, 74, 78, 79]. Ферменты, переносящие изопренильные остатки, являются металлоэнзимами, содержащими один ион Zn2+ на димерную молекулу фермента. Ион цинка активирует тиольную группу цистеина для нуклеофильной атаки изопренильной группы [73]. Введением изопренильной
Рис. 10. Реакция деметилирования модифицированных остатков аргинина, катализируемая ядерной пептидиларгинин деиминазой
(PAD4) [58]
40 | Acta naturae | № 3 2009
ОБЗОРЫ
Рис. 11. Реакция переноса остатка изопреноида от пирофосфата
на остаток цистеина апобелка. n = 2 – остаток фарнезила, n = 3 – остаток геранилгеранила
группы по остатку цистеина в мотиве Суs-А-А-Х, как правило, не заканчивается модификация белка-мишени (Ras, Rho), а наблюдается дальнейший процессинг: протеолитическое удаление Суs-А-А-Х-протеазой трипептида А-А-Х с С-конца и карбоксиметилирование остатка изопренилцистеина ферментом изопренилцистеинкарбоксиметил трансферазой (К.Ф. 2.1.1.100) [84–87] (рис. 12).
В случае GTPаз семейства Rab, вблизи С-конца обнаружен мотив Сys-Сys-Х-Х, оба цистеиновых остатка которого могут подвергаться дальнейшей модификации остатками геранилгеранила с помощью протеин-геранилгеранилтрансферазы II типа, что вводит
вмолекулу белка два липидных якоря [74, 75]. Такой белок, обладая большим сродством к липидным мембранам, служит уникальным местом опознавания для определенных белок-белковых взаимодействий.
Белки семейства Rab участвуют во внутриклеточном везикулярном транспорте, циркулируя между мембраной клетки и цитозолем. Обратимая ассоциация белка с клеточной мембраной в строго определенном месте осуществляется как раз за счет изопренильных остатков, введенных
вэти белки [75, 84].
Поскольку 20–30 % случаев онкологических заболеваний человека связано с мутациями белков семейства Ras, ферменты, модифицирующие эти белки изопренильными остатками, могут служить мишенями для противоопухолевых препаратов [73, 79].
Гликозилирование белков
Важную роль для функционирования эукариот играет процесс гликозилирования белков, который протекает по ОН-группам остатков серина или треонина (О-гликозилирование) и функциональной группе бокового радикала аспарагина (N-гликозилирование) (рис. 13).
N-гликозилирование белков происходит по карбоксамидному атому азота остатка аспарагина в последовательности Asn-X-Ser/Thr. Образование N-гликозидов начинается в эндоплазматическом ретикулуме с катализируемого олигосахарилтрансферазой (К.Ф. 2.4.1.119) переноса на белок разветвленного тетрадекасахаридного фрагмента (Glc3Man9(GlcNAc)2), донором которого служит углеводсодержащий долихолпирофосфат.
Огромное многообразие гликопротеинов обеспечивается последующим процессингом связанного с белком тетра-
Рис. 12. Изопренилирование белка Ras: 1 – введение остатка фарнезила по остатку цистеина в последовательности Сys-А- А-Х (А – небольшой алифатический аминокислотный остаток, а Х – Leu, Phe, Met); 2 – удаление трипептида А-А-Х с помощью Rasконвертирующего фермента, представляющего собой СysААХ-эндопептидазу;
3 – карбоксиметилирование остатка изопренилцистеина с помощью изопренилцистеинкарбоксиметилтрансферазы [86]
№ 3 2009 | Acta naturae | 41