Строение и функции белков Wnt по контролю клетки
Обновлено: 30.04.2024
Желудочный сок обладает свойством переваривать пищу, что связано с наличием в нем ферментов. Он содержит пепсин - фермент, расщепляющий белок.
ферментов является трипсин, находящийся в соке поджелудочной железы Образование нового белка в организме человека и животных идет беспрерывно, так как в течении всей жизни взамен отмирающих клеток крови, кожи, слизистой оболочки, кишечника и т. д. создаются новые, молодые клетки. Для того чтобы клетки организма синтезировали белок, необходимо, чтобы белки поступали с пищей в пищеварительный канал, где они подвергаются расщеплению на аминокислоты, и уже из всосавшихся аминокислот будет образован белок.
К полноценным белкам относятся преимущественно белки животного происхождения, кроме желатины, относящейся к неполноценным белкам. Неполноценные белки - преимущественно растительного происхождения. Однако некоторые растения (картофель, бобовые и др.) содержат полноценные белки. Из животных белков особенно большую ценность для организма представляют белки мяса, яиц, молока и др.
Белок-регулятор индивидуального развития управляет движением раковых клеток
Белок Wnt, универсальный регулятор индивидуального развития животных, придает полярность и способность к направленному движению не только клеткам развивающегося эмбриона или регенерирующей конечности, но и раковым клеткам. Эксперименты показали, что белок Wnt оказывает поляризующее воздействие на клетки даже в том случае, если они не контактируют с другими клетками и потому не имеют информации о своем положении относительно других клеток эмбриона или опухоли.
Регуляторный белок Wnt играет важнейшую роль в индивидуальном развитии животных. Известно, что он способен придавать полярность клеткам развивающегося эмбриона (или регенерирующей конечности), направлять их движение и влиять на ориентацию плоскости деления. Этот белок необходим, например, для развития конечностей у зародышей позвоночных, а также для регенерации (см.: Разгадан механизм регенерации конечностей, «Элементы», 27.11.2006). Он задает направление передне-задней оси эмбриона червя Caenorhabditis elegans: одна из клеток эмбриона (бластомер P2), выделяя белок Wnt, тем самым заставляет близлежащие клетки формировать задний конец тела червя. Если удалить бластомер P2, остальные клетки эмбриона образуют аморфный комок без передне-задней оси. Однако даже кратковременного контакта бластомера P2 с любой частью эмбриона достаточно, чтобы эта часть начала превращаться в хвост животного (см.: Развитие червей начинается с хвоста, «Элементы», 23.11.2006).
Биологи прикладывают большие усилия, чтобы разгадать механизм действия белка Wnt, однако он пока остается во многом неясным. В частности, до сих пор не удавалось точно установить, достаточно ли для поляризации клетки одного лишь присутствия белка Wnt в окружающей среде или необходим также контакт с другими зародышевыми клетками, благодаря которому данная клетка может определить свою позицию относительно других частей эмбриона.
Чтобы ответить на этот вопрос, американские биологи поставили ряд экспериментов по воздействию белка Wnt на изолированные, разрозненные клетки. Использовались клетки человеческой меланомы. Ранее было установлено, что белок Wnt активно синтезируется клетками злокачественных опухолей. Вполне логично было предположить, что этот универсальный регулятор индивидуального развития может направлять также и рост опухолей и образование метастазов.
Оказалось, что под воздействием белка Wnt в разрозненных, не контактирующих друг с другом клетках меланомы происходит активное перераспределение целого ряда белков, о которых ранее было известно, что они тем или иным образом участвуют в движении клеток, межклеточных взаимодействиях, а также в развитии злокачественных опухолей. Чтобы проследить за передвижениями различных белков внутри клетки, ученые либо метили их, присоединяя к соответствующим генам гены флуоресцирующих белков, либо определяли их локализацию при помощи меченых антител, избирательно связывающихся с тем или иным белком. Дело это очень трудоемкое, и исследователи, конечно, не могли проследить за всеми белками, имеющимися в клетке. Были проверены лишь наиболее «перспективные кандидаты», участие которых в регуляторных каскадах с участием Wnt или в направленных передвижениях клеток было установлено ранее (или хотя бы предполагалось).
Постепенно, шаг за шагом, вырисовалась следующая картина. Под воздействием белка Wnt на одном из концов клетки довольно быстро — в течение нескольких минут — образуется сложный молекулярный комплекс, который авторы назвали W-RAMP (Wnt5a-mediated receptor-actin-myosin polarity structure). Одним из участников комплекса является белок MCAM (melanoma cell adhesion molecule) — рецептор из семейства иммуноглобулинов, который играет важную роль в развитии меланомы. Подобные рецепторы регулируют межклеточные контакты и взаимодействия и могут принимать участие, например, во внедрении раковых клеток в ткани организма, что ведет к образованию метастазов. В состав комплекса W-RAMP входит целый ряд других белков, и в том числе структуры, образованные актином и миозином — белками, обеспечивающими подвижность клетки.
После того как на одном из полюсов клетки образуется комплекс W-RAMP, аппарат Гольджи перемещается к противоположному полюсу (известно, что у поляризованных движущихся клеток аппарат Гольджи обычно находится впереди). Там, где формируется комплекс W-RAMP, клеточная мембрана начинает сокращаться, втягиваться внутрь. Клеточное ядро при этом смещается вперед — тем самым запускается процесс медленного движения клетки в сторону, противоположную той, на которой сформировался комплекс W-RAMP.
Под воздействием белка Wnt на одном из концов клетки меланомы формируется молекулярный комплекс W-RAMP (светлое пятно, отмеченное красной стрелкой). Вскоре после этого, на 9-й минуте эксперимента, происходит втягивание мембраны. Фото из обсуждаемой статьи в Science
Таким образом, под воздействием белка Wnt клетки меланомы приобретают полярность. У них образуется передний и задний конец, и они начинают куда-то ползти. В каком именно месте клетки возникнет комплекс W-RAMP и куда в конечном итоге поползет клетка — зависит уже не от белка Wnt, а от других факторов, в частности от градиента концентраций белков-цитокинов, таких как CXCL12.
Исследователи заметили, что комплексы W-RAMP иногда образуются также и в клетках, не обработанных белком Wnt. Этого следовало ожидать, поскольку, как говорилось выше, раковые клетки сами синтезирует некоторое количество Wnt. Дополнительные эксперименты показали, что если в клетках меланомы отключить ген белка Wnt, «самопроизвольное» образование комплексов W-RAMP полностью прекращается — и снова начинается, если обработать клетки белком Wnt.
Данное исследование представляет собой важный шаг к пониманию механизма действия белка Wnt — ключевого регулятора индивидуального развития, который к тому же играет важную роль в регенерации и канцерогенезе. Стало ясно, что белок Wnt способен поляризовать клетки и стимулировать их направленное перемещение даже в том случае, если клетки не контактируют друг с другом и поэтому не могут ничего «знать» о своем положении относительно других клеток эмбриона, регенерирующей конечности или раковой опухоли.
Источник: Eric S. Witze, Elizabeth S. Litman, Gretchen M. Argast, Randall T. Moon, Natalie G. Ahn. Wnt5a Control of Cell Polarity and Directional Movement by Polarized Redistribution of Adhesion Receptors // Science. 2008. V. 320. P. 365-369.
Строение и функции белков
Белки (протеины) составляют 50% от сухой массы живых организмов.
Белки состоят из аминокислот. У каждой аминокислоты есть аминогруппа и кислотная (карбоксильная) группа, при взаимодействии которых получается пептидная связь, поэтому белки еще называют полипептидами.
Структуры белка
Первичная - цепочка из аминокислот, связанных пептидной связью (сильной, ковалентной). Чередуя 20 аминокислот в разном порядке, можно получать миллионы разных белков. Если поменять в цепочке хотя бы одну аминокислоту, строение и функции белка изменятся, поэтому первичная структура считается самой главной в белке.
Вторичная - спираль. Удерживается водородными связями (слабыми).
Третичная - глобула (шарик). Четыре типа связей: дисульфидная (серный мостик) сильная, остальные три (ионные, гидрофобные, водородные) - слабые. Форма глобулы у каждого белка своя, от нее зависят функции. При денатурации форма глобулы меняется, и это сказывается на работе белка.
Четвертичная - имеется не у всех белков. Состоит из нескольких глобул, соединенных между собой теми же связями, что и в третичной структуре. (Например, гемоглобин.)
Денатурация
Это изменение формы глобулы белка, вызванное внешними воздействиями (температура, кислотность, соленость, присоединение других веществ и т.п.)
- Если воздействия на белок слабые (изменение температуры на 1°), то происходит обратимая денатурация.
- Если воздействие сильное (100°), то денатурация необратимая. При этом разрушаются все структуры белка.
Функции белков
Их очень много, например:
- Ферментативная (каталитическая) - белки-ферменты ускоряют химические реакции за счет того, что активный центр фермента подходит к веществу по форме, как ключ к замку (комплементарность, специфичность).
- Строительная (структурная) - клетка, если не считать воду, состоит в основном из белков.
- Защитная - антитела борются с возбудителями болезней (иммунитет).
Дополнительные материалы
Задания части 1
Выберите один, наиболее правильный вариант. Водородные связи между СО- и NН-группами в молекуле белка придают ей форму спирали, характерную для структуры
1) первичной
2) вторичной
3) третичной
4) четвертичной
Выберите один, наиболее правильный вариант. Четвертичная структура молекулы белка образуется в результате взаимодействия
1) участков одной белковой молекулы по типу связей S-S
2) нескольких полипептидных нитей, образующих клубок
3) участков одной белковой молекулы за счет водородных связей
4) белковой глобулы с мембраной клетки
Выберите один, наиболее правильный вариант. Последовательность и число аминокислот в полипептидной цепи - это
1) первичная структура ДНК
2) первичная структура белка
3) вторичная структура ДНК
4) вторичная структура белка
Выберите один, наиболее правильный вариант. Первичная структура белка образована связью
1) водородной
2) макроэргической
3) пептидной
4) ионной
Выберите один, наиболее правильный вариант. В основе образования пептидных связей между аминокислотами в молекуле белка лежит
1) принцип комплементарности
2) нерастворимость аминокислот в воде
3) растворимость аминокислот в воде
4) наличие в них карбоксильной и аминной групп
2. Выберите три верных ответа из шести и запишите цифры, под которыми они указаны. Выберите только особенности строения белковой молекулы.
1) содержит атомы фосфора
2) состоит из аминокислот
3) мономеры удерживаются пептидными связями
4) состоит из одинаковых по строению мономеров
5) изменяет форму под действием температуры
6) четвертичная структура состоит из нескольких молекул
3. Выберите три верных ответа из шести и запишите цифры, под которыми они указаны. Какие из перечисленных ниже признаков относятся к характеристикам молекул белков?
1) состоят из нуклеотидов
2) выполняют только структурную и двигательную функции
3) могут иметь форму глобулы
4) содержат в составе азот и серу
5) всегда нерастворимы в воде
6) являются нерегулярными полимерами
Выберите три верных ответа из шести и запишите цифры, под которыми они указаны. Какие из перечисленных ниже веществ относятся к белкам?
1) крахмал
2) коллаген
3) фибриноген
4) тестостерон
5) гемоглобин
6) сахароза
БЕЛКИ КРОМЕ
1. Все перечисленные признаки, кроме двух, можно использовать при описании яичного белка альбумина. Определите два признака, «выпадающие» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) состоит из аминокислот
2) пищеварительный фермент
3) денатурирует обратимо при варке яйца вкрутую
4) мономеры связаны пептидными связями
5) молекула образует первичную, вторичную и третичную структуры
БЕЛКИ КРОМЕ РИС
1. Перечисленные ниже признаки, кроме двух, используются для описания строения, функций изображенного органического вещества. Определите два признака, «выпадающие» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) имеет структурные уровни организации молекулы
2) входит в состав клеточных стенок
3) является биополимером
4) служит матрицей при трансляции
5) состоит из аминокислот
2. Все перечисленные ниже признаки, кроме двух, используются для описания изображённой на рисунке структуры. Определите два признака, «выпадающие» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) вторичная структура молекулы белка
2) удерживается только пептидными связями
3) определяется методом рентгеноструктурного анализа
4) представляет собой глобулу
5) может выполнять ферментативные функции
3. Все перечисленные ниже характеристики, кроме двух, используют для описания изображенной на рисунке молекулы органического вещества клетки. Определите две характеристики, «выпадающие» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) денатурация
2) репликация
3) транскрипция
4) аминокислоты
5) водородные связи
СТРУКТУРЫ БЕЛКА
Установите соответствие между характеристикой и структурой белка: 1) первичная, 2) третичная. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) молекула в форме глобулы или фибриллы
Б) строгая последовательность аминокислотных остатков
В) аминокислотные остатки соединены только пептидными связями
Г) имеет дисульфидные мостики между радикалами аминокислот
Д) при ее разрушении наступает необратимая денатурация
Е) пространственная конфигурация полипептидной цепи
Установите последовательность событий при образовании структур белка, начиная с наименьшего уровня организации белковой молекулы. Запишите в таблицу соответствующую последовательность цифр.
1) Образование дисульфидных связей между глобулами.
2) Образование ионных связей между разными α-спиралями одной полипептидной цепи.
3) Образование водородных связей между витками α-спирали.
4) Образование аминокислотной цепи.
5) Присоединение олигосахарида к белку с четвертичной структурой.
ДЕНАТУРАЦИЯ
1. Экспериментатор добавил немного соды к раствору пепсина, который находился в оптимальной среде для протекания реакции гидролиза белка. Как изменится:
А) кислотность раствора,
Б) активность фермента,
В) специфичность фермента?
Для каждой величины определите соответствующий характер её изменения: 1) увеличилась 2) уменьшилась 3) не изменилась. Цифры в ответе могут повторяться.
2. Экспериментатор поместил в два стакана с водным раствором пепсина куриный белок. Затем в первый стакан он добавил слабый раствор соляной кислоты с температурой 35°С, а во второй стакан - слабый раствор соляной кислоты с температурой 65°С. Как через десять минут изменится содержание белка
А) в первом стакане,
Б) во втором стакане,
В) в третьем стакане?
Для каждой величины определите соответствующий характер её изменения: (1) увеличилась, (2) уменьшилась, (3) не изменилась. Цифры в ответе могут повторяться.
РЕГУЛЯТОРНАЯ - СТРУКТУРНАЯ
Установите соответствие между характеристикой и функцией белка, которую он выполняет: 1) регуляторная, 2) структурная
А) входит в состав центриолей
Б) образует рибосомы
В) представляет собой гормон
Г) формирует мембраны клеток
Д) изменяет активность генов
ФЕРМЕНТАТИВНАЯ
1. Все приведенные ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания ферментов. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) входят в состав клеточных мембран и органоидов клетки
2) играют роль биологических катализаторов
3) имеют активный центр
4) оказывают влияние на обмен веществ, регулируя различные процессы
5) специфические белки
2. Выберите три верных ответа из шести и запишите цифры, под которыми они указаны. Ферменты - это вещества, которые
1) вырабатываются в железах внутренней секреции
2) являются белками
3) поступают в организм, как правило, вместе с пищей
4) являются в организме источником энергии
5) ускоряют протекание химических реакций
6) у человека выполняют свои функции при температуре около 36 градусов
ФУНКЦИИ БЕЛКОВ
Выберите три верных ответа из шести и запишите цифры, под которыми они указаны. Функциями белков в организме человека являются
1) строительная
2) передача наследственных признаков
3) защитная
4) запасающая
5) ферментативно-каталитическая
6) хранение генетической информации
ФУНКЦИИ БЕЛКОВ КРОМЕ
Все перечисленные характеристики используют для описания функций белков. Определите две характеристики, «выпадающие» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) регуляторная
2) двигательная
3) рецепторная
4) образуют клеточные стенки
5) служат коферментами
Рассмотрите рисунок с изображением полипептида и укажите (А) уровень его организации, (Б) форму молекулы и (В) вид взаимодействия, поддерживающий эту структуру. Для каждой буквы выберите соответствующий термин или соответствующее понятие из предложенного списка.
1) первичная структура
2) вторичная структура
3) третичная структура
4) взаимодействия между нуклеотидами
5) металлическая связь
6) гидрофобные взаимодействия
7) фибриллярная
8) глобулярная
Рассмотрите схему химического вещества. Укажите (А) название класса органических веществ, (Б) уровень организации полимерной молекулы и (В) название мономеров, из которых состоит данная молекула. Для каждой буквы выберите соответствующий термин из предложенного списка.
1) ДНК
2) белок
3) альфа-спираль
4) вторичная структура
5) третичная структура
6) аминокислоты
7) нуклеотиды
8) рибоза
Рассмотрите рисунок с изображением полипептида. Укажите (А) уровень его организации, (Б) мономеры, которые его образуют, и (В) вид химических связей между ними. Для каждой буквы выберите соответствующий термин или соответствующее понятие из предложенного списка.
1) первичная структура
2) водородные связи
3) двойная спираль
4) вторичная структура
5) аминокислота
6) альфа-спираль
7) нуклеотид
8) пептидные связи
Проанализируйте таблицу «Уровни организации белка». Для каждой ячейки, обозначенной буквой, выберите соответствующий термин из предложенного списка.
1) глобула
2) двойная спираль
3) эфирные
4) гидрофильные
5) пептидные
6) нитчатая
7) вторичная
8) четвертичная
Биохимия, как следует из названия, это химия живого, наука о химических процессах, протекающих в живом организме. Поскольку структурной единицей живых систем является клетка, можно предложить и такое определение: биохимия, как наука, изучает химические компоненты живых клеток, а также, реакции и процессы, в которых они участвуют. Таким образом, биохимия включает в себя всю молекулярную биологию, отдельные области органической химии, биологии клетки и физиологии. Это сложная наука, пытающаяся разгадать самую большую тайну - тайну жизни. Как любая другая наука, биохимия подчиняется общим законам логики и у неё есть свой язык - язык формул. Знание химического алфавита и начальную грамотность вам постарались привить наши коллеги с органической химии. Теперь Вам предстоит научиться понимать этот язык и обьясняться на нем. Экзамен будет устный, в форме собеседования по вопросам, предложенным в билете.
Если Вы пришли сюда с целью стать врачами, примите без обсуждения и сомнения утверждение, что нельзя стать грамотным специалистом без знания биохимии. Биохимические реакции лежат в основе любого патологического процесса. Биохимия в практической медицине дает возможность:
· Выявить причину заболевания
· Предложить рациональный и эффективный путь лечения
· Разработать методики массового обследования с целью ранней диагностики
· Следить за ходом болезни
· Контролировать эффективность лечения
Что касается организации учебного процесса:
Учебный курс биохимии разбит на несколько крупных тем, каждая завершается итоговой контрольной работой. В 1-м семестре три темы. По результатам посещаемости и результатам контрольных работ вы получаете «зачтено». Во втором семестре одна большая тема и две с рубежными контрольными работами. В конце учебного года проставляется «зачтено» по итогам 2-го семестра. Основанием для недопуска к экзамену является наличие неотработанных пропущенных занятий. Экзамен состоит из двух частей - тестирования и собеседования по билету.
Строение и функции белков.
Белки или протеины - высокомолекулярные органические вещества, молекулы которых построены из аминокислот.
Каталитическая функция. В биологических системах практически все реакции протекают при участии специфических белков - ферментов. Ферменты способны повышать скорость реакции в миллионы раз. В настоящее время выявлено несколько тысяч ферментов. Примеры: трипсин, каталаза.
Транспортная функция. Транспорт многих молекул и ионов в крови осуществляется при участии белков (все, что не растворяется в воде, транспортируется в комплексе с белками). Так, жирные кислоты переносятся альбумином, ионы железа - специфическим белком - трансферрином.
Сократительная функция. Мышечные белки - актин и миозин обеспечивают процесс сокращения.
Структурная функция. Такие белки как коллаген, эластин, кератин обусловливают механическую прочность тканей.
Защитная функция. Иммуноглобулины обеспечивают процесс узнавания и обезвреживания микроорганизмов и чужеродных клеток. Интерфероны замедляют размножение вирусов.
Рецепторная функция. Восприятие информации, поступающей в клетку извне, происходит при участии белков-рецепторов. Например светочувствительный белок сетчатки глаза - родопсин, рецепторы, связывающие гормоны или медиаторы.
Регуляторная функция. Значительную группу регуляторных молекул - гормонов составляют вещества белковой природы (инсулин, соматотропин, гормоны гипоталамуса); гистоны участвуют в регуляции синтеза ДНК и РНК.
Все белки и пептиды построены из мономеров - аминокислот.
Каждая аминокислота содержит в своем составе амино- и карбоксильную группы, расположенные при одном атома углерода, который называется α-углеродным атомом. Альфа-углеродный атом имеет ещё 2 заместителя - атом водорода и группу атомов - радикал.
Свойства аминокислот, входящих в состав белков:
а) все они являются α-аминокислотами. В организме встречаются также аминокислоты с другим расположением радикала (например γ-аминомасляная кислота), но в состав белков они не входят;
б) так как во всех аминокислотах, кроме глицина, α-углеродный атом связан с четырьмя различными заместителями, то этот атом является асимметрическим и аминокислоты обладают оптической активностью (способны вращать плоскость поляризованного света)
в) аминокислоты, содержащие асимметрический углеродный атом, принадлежат к L-стереохимическомуряду. D-изомеров аминокислот в белках организма
нет;
г) в нейтральных водных растворах аминокислоты находятся в виде биполярных ионов (цвиттер-ионов) и проявляют как кислотные, так и основные свойства.
Белки всех видов живых существ, от бактерий до человека, построены из одного и того же стандартного набора 20 аминокислот, которые называют протеиногенными. Все эти аминокислоты отличаются друг от друга радикалами, или боковыми цепями. Белковые аминокислоты можно классифицировать, основываясь на полярности их радикалов. Их можно разделить на 2 группы:
1) аминокислоты с неполярными радикалами - углеводородными цепями алифатического или ароматического рядов;
2) аминокислоты с полярными радикалами, в состав которых входят группировки, содержащие атомы кислорода, азота или серы. Среди них различают:
а) полярные незаряженные радикалы, не диссоциирующие в нейтральной среде при рН 7,0;
б) отрицательно заряженные радикалы, принимающие при рН 7,0 форму аниона;
В) положительно заряженные радикалы, принимающие при рН 7,0 форму катиона.
Важнейшие стрелочники клеток организма: белки Wnt
Обзор
Дилемма стрелочника
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Говорят «стрелочник во всем виноват», а ведь он только выполняет переданную команду: скажут ему «переводи стрелку», он и направит поезд по другому пути, а не скажут — так он и не переведет. Таким же образом действуют и сигнальные молекулы нашего организма, в том числе в сигнальном пути Wnt. Задача этих биомолекул — передать «приказы» клеток-«начальников» клеткам-«подчиненным».
Конкурс «био/мол/текст»-2012
Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2012 в номинации «Лучший обзор».
Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific.
Введение от редакции
Wnt-путь — один из важнейших молекулярных сигнальных путей, который регулирует эмбриональное развитие и дифференцировку клеток. Весь путь назван по имени одного из лигандов, который активирует путь в клетках — Wnt. Это сокращение произошло от слияния названий двух генов — Wg + Int. Прототип гена был открыт у дрозофилы, где мутация в гене Wg (wingless) подавляла развитие крыльев. Гомологичный ген у позвоночных — Int — связан с развитием раковых опухолей.
На сегодняшний день известно, что Wnt-путь регулирует развитие многих органов во время эмбриогенеза и отвечает за билатеральную симметрию организма. Его функции — все то, что формирует из массы эмбриональных клеток сформированный организм. У взрослых особей нарушения Wnt-пути ведут к повышенному риску раковых заболеваний. Также недавние работы показали важную роль компонентов Wnt в пролиферации и дифференциации стволовых клеток.
Гликопротеины Wnt — это семейство секретируемых клетками сигнальных молекул, которые участвуют в координации поведения клеток в организме. Эти белки, открытые еще в начале 1980-х в качестве маркеров многих видов раковых заболеваний, оказались ключевыми регуляторами эмбрионального развития, процессов регенерации, роста костей, дифференцировки стволовых клеток и массы других процессов, связанных с морфогенезом и определением клеточной судьбы.
Структура Wnt белков
Структура белков семейства Wnt напоминает кисть руки (рис. 1; [1]). Роль большого пальца играет аминоконцевой домен, состоящий из пучка α-спиралей, стабилизированных пятью дисульфидными мостиками. «Указательный палец» — карбоксиконцевой домен, включающий два β-тяжа, поддерживаемых шестью дисульфидными мостиками. «Ладонь» обладает высокой гибкостью, обеспечивая конформационную подвижность белка. Кроме этого, к «большому пальцу» ковалентно присоединяется пальмитолеиновая жирная кислота, необходимая для взаимодействия с транспортными белками. Присоединение остатка жирной кислоты называется ацилированием, и зависит оно от другой модификации участка «ладони» — гликозилирования. Без него становится невозможным взаимодействие с транспортными белками и, следовательно, секреция.
Рисунок 1. Структура Wnt. а — Объемная модель Wnt8. Желтым цветом обозначены гликозилированные участки. б — Вторичная структура Wnt. Оранжевым цветом обозначены и пронумерованы 22 остатка цистеина, которые образуют парные дисульфидные мостики. Розовым цветом обозначена ковалентно присоединенная ацильная группа: жирная кислота.
Секреция Wnt
Предполагается, что присоединение необходимого для секреции Wnt остатка жирной кислоты осуществляет ацилтранферраза эндоплазматического ретикулума Поркупин (PORCN), так как делеция этого гена нарушает секрецию Wnt (рис. 2; [4]). После ацилирования Wnt распознается белками аппарата Гольджи — трансмембранным рецептором GPR177 (широко известным как Wntless (Wls)), «белками-грузчиками» p24, которые переносят Wnt от эндоплазматического ретикулума на поверхность клетки (рис. 3; [5]) и транспортным белком Swim, который поддерживает растворимость и сигнальную активность компллекса Wnt/Wls [6].
Рисунок 2. Биогенез и секреция Wnt. Молекулы Wnt в процессе созревания в эндоплазматическом ретикулуме подвергаются гликозилированию, а затем ацилированию. Затем в сопровождении белка Wntless из аппарата Гольджи они попадают в секреторные везикулы, внутри которых пересекают плазматическую мембрану, после чего секретируются. Wntless извлекается из отработанных секреторных везикул и переносится обратно в аппарат Гольджи с помощью комплекса Retromer.
Рисунок 3. Канонический путь Wnt-сигнализации. «Рабочим телом» канонического пути является β-катенин: в неактивном состоянии его мало, а в активном — много, и он активирует транскрипцию в ядре.
Неактивное состояние: в отсутствии взаимодействия между Wnt и рецептором LRP5/6 количество цитоплазматического β-катенина малó за счет «деградационного комплекса», состоящего из белков APC, казеинкиназы и гликоген-синтезы-киназы GSK3, расположенных на «платформе» белка Аксин. С помощью этого комплекса цитоплазматический β-катенин фосфорилируется, а затем подвергается убиквитилированию белком β-TrCP, что приводит к его деградации с помощью протеасомы.
Активированное состояние: Wnt-сигнал начинается с образования комплекса Wnt с LRP5/6 и рецептором Фрайззлед (Frizzled), что приводит к активации белка Dishevelled. Это ингибирует «деградационный комплекс» и «выключает» убиквитилирование β-катенина. В результате накапливающийся в цитоплазме свободный β-катенин [16] проникает в ядро и активирует транскрипцию с помощью транскрипционных факторов TCF/LEF и ряда других.
Регуляция пути Wnt: с секретируемыми молекулами Wnt непосредственно связываются их антагонисты: Wnt-ингибирующий фактор (WIF) и Фрайззлед-узнающий белок 1 (sFRP). Кроме того, для предотвращения образования комплекса Фрайззлед—Wnt—LRP, c белками LRP5/LRP6 могут связаться DKK и склеростин. Белки Shisa, захватив рецептор Фрайззлед, мешают ему выйти на поверхность клетки. Если Wnt образует комплекс с LRP5/6 и Фрайззлед, сигнализация активируется. Белок R-spondin 2 (RSPO), стабилизируя рецепторы Фрайззлед и LRP5/6, повышает сигнализацию по пути Wnt. В эндоплазматическом ретикулуме для созревания LRP5/6 необходим сопровождающий белок MESD.
Мембранные рецепторы Wnt
Для того чтобы воздействовать на клетку-мишень, Wnt должен связаться с клеточными рецепторами. В качестве таких рецепторов на поверхности клетки выступают трансмембранный белок Фрайзлед Frizzled (Fz) и липопротеиды низкой плотности LRP5/LRP6. Связаться с ними молекуле Wnt активно мешают различные антагонисты, которым противостоят агонисты (рис. 3). Помимо этих рецепторов Wnt может связываться с рецепторными тирозинкиназами Ror и Ryk . Ror, связавшись с Wnt5a, фосфорилирует белок Дишевеллед и таким образом контролирует морфогенез тканей, тогда как Ryk, фосфорилируя мембранный белок Vangl2, контролирует полярность клетки.
Кстати, Frizzled и уже упомянутый рецептор GPR177 относятся к семейству рецепторов GPCR, за исследование которых в 2012 году была вручена Нобелевская премия по химии [7]. Рецепторные тирозинкиназы также представляют важный класс сигнальных рецепторов мембраны клетки (см., например, [8]). — Ред.
Механизмы воздействия Wnt на клетку
По традиции механизмы воздействия Wnt на клетку подразделяют на:
- канонический (β-катенин—зависимый) путь, который, в конечном счете, контролирует программы генной экспрессии, связанные с определением судьбы клетки и морфогенезом [9];
- неканонические (β-катенин—независимые) пути [10], которые регулируют полярность клетки, стимулируя реорганизацию цитоскелета [11], [12] и метаболизм кальция [13].
В основе канонического пути Wnt-сигнализации лежит стабилизация цитоплазматического белка β-катенина (рис. 3). В отсутствие сигнала β-катенин не активен и быстро деградирует. Когда клетки активируются Wnt, скорость деградации β-катенина снижается. Избежавший деградации β-катенин накапливается в цитоплазме и входит в ядро.
В ядре β-катенин, захватив ядерные белки BCL9 и пигопус (Pygopus), взаимодействует с белками TCF/LEF, превращая их в мощные активаторы транскрипции. TCF/LEF являются многофукциональными белками, которые, обладая способностью избирательно связываться с определенными последовательностями ДНК и с определенными белками-активаторами, «принимают решение», какие из генов будут активированы сигналом Wnt [14]. Обнаружено, что связь между β-катенином и TCF4, необходимая для такой активации, может быть нарушена ресвератролом. Это позволяет предположить, что ресвератрол, являющийся флавоноидом кожицы черного винограда и получаемого из него вина, может быть использован в качестве безвредного лекарства для подавления сигнала Wnt при раковых заболеваниях [15].
Влияние Wnt-сигнализации на клеточный цикл и пролиферацию клеток
Появляется все больше доказательств сложной взаимосвязи канонического пути Wnt-сигнализации и клеточного цикла. Компоненты сигнального каскада Wnt действуют непосредственно на формирование митотического веретена. Так, например, у излюбленного модельного организма молекулярных биологов — червячка C. elegans — сигнализация Wnt вызывает асимметрию митотического веретена, приводящую к асимметричному распределению β-катенина [17]. Более того, сигнализация Wnt сильно активируется в митозе, свидетельствуя о том, что «митотическая Wnt-сигнализация» играет важную роль в организации программы клеточного деления и таким образом способствует клеточной пролиферации [18].
Стволовые клетки в основном характеризуются двумя свойствами: способностью к самообновлению и дифференцировке в различные типы клеток . Эти процессы регулируются различными факторами роста, в том числе белками Wnt [19]. Накопленные данные показывают, что сигнальный путь Wnt/β-катенина играет ключевую роль в поддержании плюрипотентности, а также в процессах перепрограммирования соматических клеток. В то же время сигнализация Wnt/β-катенин играет важную роль и в процессе дифференцировки.
Дифференцировка и де-дифференцировка стволовых клеток — также предмет Нобелевской премии 2012 года (по физиологии и медицине): «Нобелевская премия по физиологии и медицине (2012): индуцированные стволовые клетки» [20]. См. также [21], [22]. — Ред.
Обнаружено, что добавление белка Wnt или же, наоборот, ингибитора Wnt (малой молекулы IWP2) снижает неоднородность популяции клеток. При этом образуются либо клетки со стабильно высоким уровнем синтеза Wnt, либо клетки с низким уровнем синтеза Wnt. При дифференцировке эмбриональные клетки с высоким уровнем синтеза Wnt преимущественно образуют энтодермальные и сердечные клетки, а с низким — в первую очередь нейроэктодермальные клетки [23]. Знание того, что сигнализация Wnt на ранних стадиях дифференцировки повышает, а на поздних стадиях наоборот угнетает развитие сердца, позволило путем правильной стратегии использования малых молекул и механизмов сигнализации Wnt получить in vitro из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека кардиомиоциты с недостижимой до сих пор эффективностью — до 98% [24]!
Перспективы
Вот уже 30 лет как ежегодно появляется огромное количество статей, так или иначе затрагивающих тему сигнализации Wnt. Такое пристальное внимание к этой теме вполне заслуженно, потому что «вездесущая» молекула Wnt регулярно преподносит сюрпризы. Так, например, выяснилось, что β-катенин, избежавший деградации благодаря активации Wnt-сигнала, активирует синтез ферментативной субъединицы теломеразы (TERT) в стволовых и раковых клетках. В этом ему помогает один из транскрипционных факторов плюрипотенции — Klf4, направляющий его на промотор гена Tert [25]. Как известно, теломераза — фермент, поддерживающий длину теломеров в противовес их укорочению, приводящему к старению клетки [26]. Поэтому открытие роли Wnt в стабилизации теломер может помочь как борьбе с раковыми заболеваниями, так и борьбе со старением.
Читайте также: