Биохимики разобрались с поведением особых белков нервной системы в условиях окислительного стресса
Нейрональные кальциевые сенсоры - семейство белков нервной системы, связывающих ионы кальция. Эти белки принимают участие в множестве кальций-зависимых сигнальных каскадов в нейронах, регулируя их жизнедеятельность: рост, выживание в условиях стресса, восприятие и передачу нервного импульса, а также процессы синаптической пластичности, лежащие в основе механизмов обучения и памяти.
Общей для нейрональных кальциевых сенсоров особенностью является наличие редокс-чувствительных остатков цистеина. При накоплении в клетке окисляющих агентов (т.е. при окислительном стрессе) подобные остатки могут образовывать дисульфидную (образующуюся при участии двух тиоловых групп) связь с такой же аминокислотой в другой молекуле белка, что приводит к образованию дисульфидных димеров. По своим свойствам такие димеры могут существенно отличаться от исходной (мономерной) формы белка и оказывать влияние на биохимические процессы, происходящие в нейронах в стрессовых условиях. Группа ученых из МГУ, ИБХ РАН, ИБП РАН и Сеченовского университета впервые продемонстрировала формирования таких димеров в случае нейронального кальциевого сенсора 1 (NCS-1). С подробностями исследования можно ознакомиться в журнале International Journal of Molecular Sciences. Исследование поддержано грантами Российского фонда фундаментальных исследований и Российского научного фонда.
NCS-1 считается эволюционным родоначальником семейства нейрональных кальциевых сенсоров: он присутствует во многих нейронах и управляет огромным разнообразием внутриклеточных процессов. Свою функцию NCS-1 осуществляет посредством связывания с “мишенями” - другими сигнальными белками (например, трансмембранными ионными каналами или рецепторами нейромедиаторов из семейства GPCR) - в ответ на приток ионов кальция в клетку. Таким образом при участии NCS-1 выстраивается ответ клетки на кальциевые сигналы, которые играют ключевую роль в передаче информации в нервной системе. Возможное влияние окислительного стресса на функцию NCS-1 может кардинальным образом изменить работу этих сигнальных путей. Особенно критичным это может быть для светочувствительных нейронов сетчатки глаза (палочек и колбочек), а также других клеток сетчатки, которые крайне восприимчивы и к колебаниям уровня кальция, и к окислительным повреждениям.
Впервые димер NCS-1 был обнаружен авторами работы случайно: в ходе рутинной процедуры очистки белка обнаружился комплекс, соответствующий по массе двум молекулам NCS-1, который распадался при добавлении реагентов, восстанавливающих серу. Последующие исследования подтвердили, что димер NCS-1 образуется в живых клетках в ответ на окислительный стресс, и что клетка стремится предотвратить его накопление с помощью внутренних механизмов антиоксидантной защиты. При неконтролируемом накоплении димера NCS-1 (например, при сбое в работе протеасомы - системы утилизации белков) он образует еще более крупные формы (агрегаты), которые, по-видимому, являются токсичными для нейронов: их образование коррелирует с массовой гибелью клеток. Даже в отсутствие агрегатов димер NCS-1 обладает измененной функцией: в частности, он намного (примерно в 20 раз) эффективнее взаимодействует с одной из своих “мишеней” - белком GRK1, специфической протеинкиназой родопсина (основного светочувствительного рецептора палочек сетчатки), и значительно сильнее, чем мономер, подавляет ее активность. Фосфорилирование родопсина при участии GRK1 служит для снижения его чувствительности к повторному возбуждению и для релаксации фоторецепторной клетки после прохождения сигнала, необходимой для ее нормальной жизнедеятельности. Результат вмешательства димера NCS-1 в этот процесс пока остается невыясненным, но авторы предполагают, что он может быть пагубным для клетки.
Для уточнения возможной структуры димера NCS-1 сотрудники ИБХ РАН провели компьютерное моделирование. В результате была обнаружена наиболее вероятная конфигурация, при которой может образовываться дисульфидная связь между цистеинами двух отдельных молекул белка. Интересно, что димер является ассиметричным, причем часть центров, предназначенных для связывания кальция, в одной молекуле белка “заблокирована” второй молекулой. Это должно мешать попаданию ионов кальция в эти центры, что хорошо согласуется с экспериментальными данными, полученными в работе.
Наконец, поскольку окислительный стресс нередко сопровождается выбросами ионов цинка и, как следствие, повышением его концентрации в нейронах до токсичного для клетки уровня, было решено исследовать влияние цинка на образование дисульфидного димера NCS-1. Оказалось, что цинк стимулирует накопление димера NCS-1 в клетках и таким образом тоже осуществляет вклад в реакцию нейронов на окислительный стресс. При этом в норме NCS-1 способен связать три иона цинка на одну молекулу белка, а при окислении - только три иона цинка на димер, т.е. чувствительность белка к цинку тоже оказывается затронута окислительной регуляцией.
В дальнейшем планируется уточнить физиологическую роль димеров NCS-1 и других нейрональных кальциевых сенсоров в механизмах нейродегенеративных заболеваний сетчатки, в частности, возрастной макулярной дегенерации и глаукомы, являющихся одними из ведущих причин слепоты в мире.