Kurkime ateitį drauge!

 

Prof. Vida Mildažienė, Dr. Zita Naučienė

 

Naujienos apie baltymus – daugiadarbiai ir betvarkiai baltymai

 

 Šiuo metu sparčiai tobulėja baltymų skirstymo, jų sekos nustatymo ir identifikavimo metodai, vadinami proteomikos metodais. Dabartinis genominių tyrimų etapas vadinamas proteomika. Tai yra mokslas, įgalinantis tam tikru laiko momentu nustatyti visų ląstelės baltymų raišką, visas jų atmainas, modifikacijas, jų kiekybę, vietą ir funkciją ląstelėje, taip pat sąveikas su kitais baltymais ar kitomis molekulėmis. Tokie tyrimai buvo neįsivaizduojami, kol nebuvo ištobulinti masių spektrometrai ir bioinformatikos metodai.    

            Proteomikos metodai padėjo atskleisti iki tol nežinomų dalykų ir paneigti tam tikras dogmas apie baltymus. Viena iš tokių ilgai vyravusių dogmų buvo „vienas genas, vienas baltymas, viena funkcija“.  Netikėtas proteomikos atradimas yra tai, kad daugelis baltymų yra daugiafunkciai.    

Baltymai yra viena iš daugiausiai funkcijų atliekančių biologinių molekulių klasių. Be jų sunkiai įmanomas bent vienas ląstelės vyksmas. Pagrindinė molekulinės biologijos dogma iš esmės teigia, kad DNR ir RNR yra būtinos tam, kad lanksčiai užtikrintų ląstelės baltymų raišką ir jos kitimus, atsakant į įvairius signalus. Tačiau vadovėliuose labai retai aprašomi atvejai, kad vienas konkretus baltymas galėtų turėti daugiau nei vieną funkciją. Vienas iš daugiau žinomų pavyzdžių buvo mitochondrijų citochromo c dvilypis vaidmuo. Pirmiausiai buvo nustatyta, kad šis mažas, turintis hemą tarpmembraninės erdvės baltymas yra judrus mitochondrijų kvėpavimo grandinės elektronų nešiklis. Labai sunkiai patikėta, jog šis baltymas, suveikus tam tikram signalui, gali iš mitochondrijų išeiti į citozolį ir aktyvinti kaspazes, sudarydamas didelę oligomerinę apoptozomą. Taigi, energijos apykaitai svarbus baltymas, pakeitęs vietą ląstelėje įgauna visai kitą fukciją ir veikia kaip ląstelės savižudybės kelio dalyvis.

Tokia baltymo savybė buvo apibūdinama sunkiai į lietuvių kalbą išverčiamu anglišku terminu „moonlighting“. Tai yra tipiškas socialinės sąvokos prasmės perkėlimas į ląstelės biologijos sritį. Sąvoka taikoma apibūdinti žmones, kurie dirba kelis skirtingus darbus, pavyzdžiui, dieną dirba vieną darbą, naktį – kitą. Arba tuos, kurie keičia darbą priklausomai nuo sezono.  Atsižvelgiant į tai, kad sunku rasti lietuvišką atitikmenį žodžiui „moonlighting“, tokius žmones ar baltymus galime vadinti tiesiog daugiadarbiais. 

Pradėjus taikyti proteomikos metodus, mokslininkai pastebėjo, kad dažnai jų tiriamas signalo perdavimo kelio baltymas ar su DNR sąveikaujantis transkripcijos veiksnys yra tapatus jau seniai žinomam medžiagų apykaitos fermentui. Dabar sukaupta inforamcija verčia daryti išvadą, kad daugiadarbystė baltymų pasaulyje yra daugiau taisyklė, negu išimtis. Pavyzdžiui, septyni iš dešimties glikolizės fermentų – daugiadarbiai (1 pav.), ir tik vienam iš trikarboksirūgščių ciklo fermentų – malato dehidrogenazei iki šiol nenustatyta kokios nors papildomos funkcijos (2 pav.).

 

 

1 pav. Kitos glikolizės fermentų funkcijos (adaptuota iš Sriram G. ir kt. Am. J. Human. Genet., 76, 911-924, 2005)

 

 

2 pav. Kitos trikarboksirūgščių ciklo fermentų funkcijos (adaptuota iš Sriram G. ir kt. Am. J. Human. Genet., 76, 911-924, 2005)

 

Pirmoje lentelėje pateikti duomenys liudija, koks masiškas reiškinys yra baltymų daugiadarbystė.

1 lentelė. Baltymai, kurių nustatyta daugiau nei viena funkcija

Eil.nr


Pirmiausiai nustatytas kaip

Vėliau nustatyti aktyvumai

1

Baltymų disulfidizomerazė, PDI (58 kDa)

Prolilo hidroksilazės subvienetas
Tiroksiną jungiantis baltymas
Peptidus jungiantis baltymai (nesavitai sekai)
Oligosacharilo transferazės subvienetas
Triglicerolių pernašos baltymo subvienetas
Į tioredoksiną panašus aktyvumas

2

Piruvato kinazė (58 kDa)

T3-jungiantis baltymas

3

Lipidų pernašos baltymas (58 kDa)

Sterolių pernašos baltymas 2

4

Fermodulinas (58 kDa, HMGKoA reduktazės slopiklis)

Fe-jungiantis baltymas (mažo giminingumo)

5

Peptidil-prolil cis-trans izomerazė, PPI (17 kDa)

ciklofilinas

ciklosporiną A- jungiantis baltymas

6

Gliceraldehido 3-fosfato dehidrogenazė (37 kDa)

 \

Acil fosfatazė

Esterase

ADP-ribozilinimas

Mikrovamzdelius jungiantis baltymas

Baltymų kinazė

Uracil-DNR glikozilazė

t-RNA- jungiantis baltymas (savitai sekai)

Amyloidinį baltymą (Amy c)- jungiantis baltymas

Membraną jungiantis baltymas

7

Lęšiuko kristalinai

 

 

– alfa

Panašus į šaperono aktyvumas6

 

– delta

Arginino sukcinato liazė

 

– epsilon

Laktato dehidrogenazė B

 

– eta

Aldehido dehidrogenazė

 

– lambda

Hidroksiacil KoA dehidrogenazė

 

– mu

Ornitino ciklodeaminazė

 

– rho

NADPH-chinono reduktazė

 

– tau

Enolazė

 

– sigma

GSH-S-transferazė

8

Akonitazė (su Fe-S sankaupa, mitochondrijų ir citozolio)

Geležies atsako elementą (IRE) jungiantis baltymas (be Fe sankaupos; citozolyje egzistuoja kartu su aktyvia akonitazės forma)

9

Izocitrato dehidrogenazė

 

 

Mitochondrijų, nuo NAD-priklausoma

Mitochondrijų iRNR jungiantis baltymas

 

Citosolio, nuo NADP-priklausoma

NADH dekavanadato reduktazė

10

Laktoferinas (Fe-jungiantis, 80 kDa)

Ribonukleazė

11

Mitochondrijų F1-ATPazės a-subvienetas, 57 kDa)

Peroksisomų šiluminio šoko baltymas

12

Peroksidazė (nuo Mn-priklausomas N. crassa baltymas)

Šiluminio šoko baltymas

13

Atskiri nepersidengiantys aktyvieji centrai

 

 

Pseudomonas švirkšto baltymas

Oksigenazė ir dioksigenazė

 

Mitochondrijų signalo peptidazė

Du kataliziniai subvienetai su skirtingais savitumais

 

Amilazė/tripsino slopiklis

Nepriklausomas abiejų aktyvumų slopinimas

14

 

Leukocitų antigenas CD 38 (46 kDa)

NAD-glikohidrolazė

ADP-ribozės ciklazė

Ciklinės ADP-ribozės hidrolazė

15

Plazminės membranos Put A prolino dehidrogenazė

DNR jungiantis citoplazmos transkripcijos represorius

16

Citozolio fosfogliukozės izomerazė

Neuroleukinas, autokrininis judėjimo veiksnys, užląstelinis diferenciacijos ir brendimo tarpininkas

17

Citozolio timidino fosforilazė

 

Užląstleinis endotelio ląstelių Platelet-derived augimo veiksnys PDGF

18

Karbinolamino dehidratazė

Kepenų ląstelių branduolio transkripcijos veiksnio HNF-1a dimerizacijos kofaktorius DKoH

19

E. coli tioredoksinas

T7 -DNR polimerazės subvienetas (heterodimerinis)

20

E. coli aspartato receptoriusi

Maltozę jungiančio baltymo receptorius (kita jungimo vieta)

21

PMS2 neatitikties taisymo fermentas

Kraujo ląstelių baltymas, lemiantis antikūnų variabiliosios grandinės hipermutacijas

22

Cistinės fibrozės transmembranio laidumo kanalo valdiklis CFTR, nuo cAMP priklausomas Cl- kanalas

Epitelio natrio jonų kanalą valdantis baltymas

23

Transmembraninis daugavaisčio atsparumo nešiklis
(MDR ATPazė, p-glikobaltymas)

Cell swelling ion channel regulator protein

24

Trombinas (kraujo krešėjimo kaskados pepetidazė)

Ląstelės paviršiaus receptoriaus PAR-1 (susijusio su G baltymu) ligandas

25

Timidylato sintetazė

 Savo iRNR jungiantis baltymas, slopina transliaciją

26

Biotin-5 -adenylate synthetase (E. coli)

Bio operono represorius

27

Nuo ATP priklausoma mitochondrijų LON peptidazė

Mitochondrijų šaperonas

28

Ftsh baltymas (lengvina bakterijų baltymų pernašą per membraną)

Nuo ATP priklausoma metalopeptidazė

29

Afg 31/Rcalp baltymas (lengvina
F0F1-ATPazės susirinkimą)

Peptidazę, skaido neteisingai sulankstytus baltymus

30

 3 juostos baltymas (eritrocitų plazminės membranos anijonų nešiklis

Glikolizė slopinantis baltymas (N galo domenas jungia aldolazę, gliceraldehido 3-fosfato dehidrogenazę ir fosfofruktokinazę

31

L-Aspariginazė

Nitrilazė (3-diazo-4-okso-L-norvalinas ®  N2)

32

A-Esterazė

Fosfotriesterazė

33

Karboanhidrazė-III

Esterazė, fosfotriesterazė, fosfo monoesterazė

34

Chimotripsinas

fosfotriesterazė; acilina savo His57

35

Citozino metiltransferazė

Citosino deamininimas

36

Mioglobinas

Tioanizolio sulfoksidinimas

37

Pepsinas A

Fenilsulfito hidrolizė

38

Fitazė (rūgščioji fosfatazė)

Sulfoksidinimas (nuo vanadato priklausoma peroksidacijos reakcija)

39

Serumo albuminas

Esterazė (p-nitrofenilacetatiniai substratai)

40

Ureazė

Fosforamidato hidrolizė

41

Adenylato kinazė

Sulfurylo pernaša nuo ADP-sulfato akceptoriams

42

Šarminė fosfatazė

Sulfatazė; fosfodiesterazė (substratai: sulfatas ir
p-nitrophenolio fosfato esteriai)

43

Arilsulfatazė A

Ciklinė fosfodiesterazė (cAMP hidrolizė)

44

Aspartato aminotransferazė

b-Eliminavimas

 

 

Sulfato iš L-serino-O-sulfato

 

 

chlorido iš b-chlor-L-alanino

 

 

 b-karbosigrupės iš aspartato

45

Piruvato oksidazė

Acetohidroksirūgščių sintetazė

46

Chloroperoksidazė (nuo vanadžio priklausoma)

Fosfomonoesterazė (p-nitrofenilfosfato hidrolizė)

47

RNR-jungiantys fermentai7

 

 

Katalazė

savo iRNR

 

Dihidrofolato reduktazė

savo iRNR

 

Glutamato dehidrogenazė

citochromo oksidazės iRNA

 

Laktato dehidrogenazė

homopolimerinę RNR

48

V. faba sėklų lektinas

a-galaktozidazė

49

Ne-histoninis baltymas BA

Glutationo-S-transferazė

50

LDL apobaltymas B-100

Fosfolipazė A2

51

retikuliocito  endosomų H+-ATPazė

Geležį jungiantis baltymas

52

HEK 293 ląstelių G-baltymo bg-subvienetai

MAP kinazės aktyvikliai

54

Lipoamido dehidrogenazė (nuo NAD priklausomo  piruvato
dehidrogenazės komplekso dalis

Zn-aktyvinama NADPH-ubichinono reduktazė

55

Širdies arterijų citochromas P450 2C

Nuo endotelio priklausomo hiperpoliarizacjos veiksnio (EDHF) sintazė

56

Ceruloplazminas, vario pernaša ir saugojimas

 

Plazmos feroksidazė (geležies homeostazė);

Askorbato oksidazė;

Organinių substratų skaidymas;

Antioksidacinė apsauga;

Prooksidacinis aktyvumas;

NO oksidacija (nitrozotiolu apykaita).

57

Hemoglobinas

Azoto oksido aktyvinama dioksigenazė

 

Šie pavyzdžiai akivaizdžiai liudija apie dogmos vienas genas-vienas baltymas-viena funkcija žlugimą. Dabar jau įrodyta kad didžioji dauguma klasikinių medžiagų apykaitos fermentų papildomai dirba kaip transkripcijos veiksniai, struktūriniai baltymai (pvz., akies lęšiuko baltymai), diferenciacijos ir brendimo, apoptozės, endocitozės, augimo, DNR pažaidų taisymui ar struktūros palaikymui svarbūs veiksniai. Kai kurie baltymai gyvena ne dvigubą, bet keturgubą ar dar sudėtingesnį gyvenimą…

Šis naujas požiūris į baltymų daugiafunkciškumą paaiškina, kodėl taip sudėtinga prognozuoti vieno geno mutacijų padarinius ląstelėms. Juk tam tiktro fermento funkciją ląstelėje dažnai vertinama atsižvelgiant į tai, kokius padarinius sukelia padidinta arba sumažinta jo raiška. Labai populiarūs yra taip vadinamieji knock-out mutantų tyrimai. Ar gali tyrėjas racionaliai interpretuoti galimus tokių mutacijų padarinius, jeigu baltymas turi 6-7 funkcijas. Be to, niekas negali užtikrinti, kad visos tam tikro baltymo funkcijos jau yra žinomos.

Kyla klausimas, kokie mechanizmai gali užtikrina tokią vieno baltymo funkcijų įvairovę. Šiuo metu manoma, kad tai gali būti:

  • Baltymas gali įgauti kitą funkciją, pasikeitus jo vietai ląstelėje (pvz., citochromas c);

  • Baltymas gali skirtingas funkcijas atlikti skirtingais aktyviaisiais centrais;

  • Baltymo funkcija gali priklausyto nuo to, kuriose ląstelėse jis ekspresuojamas (pvz., nervų ląstelių vidaus  neurofilinas gali būti ląstelės paviršiaus receptorius; endotelio ląstelėse šis baltymas jungia kraujagyslių augimo veiksnį ir perduoda signalus naujoms kraujo ląstelėms, o nervų aksonuose jis yra semaforino III ligandas, padeda nukreipti aksomus);

  • Baltymas gali keisti funkciją priklausomai nuo metabolitų koncentracijos (pvz., baltymas PutA yra fermentas prolino dehidrogenazė, esant daug substrato Pro; ir veikti kaip DNR jungiantis baltymas, esant mažai Pro);

  • Baltymo funkcija gali priklausyti  nuo to, ar jis veikia laąstelės viduje, ar išorėje ( pvz., fosfogliukozės izomerazė ląstelės viduje  katalizuoja 2-ąją glikolizės reakciją, o  ląstelės išorėje veikia trejopai : 1. neuroleukinas (brandina B ląsteles, gemalo nugaros neuronų išlikimo veiksnys; 2. autokrininis judėjimo veiksnys; 3. Brandina žmogaus mielomos leukemijos ląsteles;

  • Baltymo funkcija gali pasikeisti, jam sąveikaujant su kitais baktymais ar įsijungus į oligomerinių kompleksų sudėtį.

  • Konformacinė baltymų įvairovė: nepriklausomai nuo ligando jungimo, galima daugiau kaip viena baltymo konformacija.

Paskutiniosios baltymo daugiadarbiškumo priežasties rekordininkai, be abejonės yra baltymai, priklausantys neseniai atrastai bestruktūrių arba betvarkių baltymų klasei. Studijuodami biochemiją spėjome tvirtai išmokti apie baltymų tretinės struktūros svarbą ir žinojome apie dvi pagrindines tvarkingų baltymų struktūros atmainas – spiralę ir -klostę. Teko girdėti, kad įvairūs baltymai turi skirtingą santykinį šių struktūrų kiekį, o kartais net būdavo minima, kad tam tikrų baltymų molekulėse tarp čių struktūrų yra nedidelės neapibrėžtos struktūros jungimosios atkarpos.

Dabar mums visiems tenka „suspausti žinias“ ir į tvarkingų baltymų kompaniją priimti bestruktūrius baltymus, kuriems natūraliai būdinga kraštutinė konformacijų įvairovė. Angliškai jie vadinami IUPs - Intrinsically Unstructured Proteins arba dar kitaip – natively unfolded proteins). Jų savybės (http://iupred.enzim.hu/):

  • IUP įgauna įvairias konformacijas, priklausomai nuo baltymų, su kuriais sąveikauja;

  • IUP susilanksto jungimosi su partneriais metu  (apjungtas jungimasis ir lankstymasis).

  • Nors IUP nėra didelis, jungimosi paviršius didelis, nes IUP jungiasi ištemptos formos.

  • Žinoma >100 IUPsų – jie svarbūs genų raiškai, signalo perdavimui ir šaperonų veiklai. Tarp jų nėra fermentų.

  • ~10% baltymų yra visiški IUPsai

  • ~40% eukariotų baltymų turi bent vieną ilgą (>50 am.r.) bestruktūrę sritį.

Tas pats IUPsas gali turėti priešingą poveikį partnerio aktyvumui, nes (i) prie partnerio IUPs gali jungtis, būdamas dviejų skirtingų konformacijų; (ii) IUPs gali veikti kaip šaperonas, kuris sukelia parterio konformacijos pusiausvyros (akt/inakt) pasikeitimą; (iii) IUPs gali jungti partnerius tos pačios srities alternatyviomis konformacijos formomis;

Eukariotai turi daugiau betvarkių baltymų (2 lentelė).

2 lentelė. Juo organizmas sudėtingesnis, juo daugiau jis turi IUPs

IUPs turi tam tikrų aminorūgščių sekos ir struktūros ypatumų. Jie yra nedideli, ištęstos struktūros ir nelinkę sudaryti globulių baltymai. Į IUPs sudėtį įeina santykinai daugiau  turinčių krūvį ir mažiau hidrofobinių aminorūgščių (3 pav.)

 

3 pav. Vidutinis IUPs krūvis didesnis, o hidrofobiškumas –

mažesnis už tvarkingos struktūros baltymų.

Taigi baltymų pasaulis skyla į tvarkingus, numatomos struktūros, įgaunančius pastovią tretinę struktūrą ir turinčius mažiau funkcijų baltymus (4 pav.). Ypatingas galvos skausmas, o gal ir džiaugsmas proteomikos tyrėjams yra IUPs grupės baltymai, kurie gali turėti labai daug funkcijų, priklausomai nuo aplinkos konteksto – PTM, sąveikų, ligandų, pH, jonų ir t.t.

4 pav. Atsižvelgiant į struktūros ir funkcijos sąryšį, baltymai gali būti skirstomi į dvi grupes. Tvarkingos struktūros baltymams šis sąryšis yra vienareikšmiškas, o IUPs funkcijų tyrimai greičiausiai dar atskleis daug įdomių netikėtumų.

 

 


Naturales Scientiae Omnibus