2

Федеральное агентство по образованию

Пензенский государственный педагогический университет

им. В.Г. Белинского

Факультет Естественно-географический

Кафедра Биохимии

Дипломная работа

Исследование соотношения в мышцах С- и Х-белков в норме и при патологии

Студент _________________________________________ Швецов Ю.А.

подпись

Научный руководитель

Зав. лаб. ИТЭБ РАН, д.б.н., профессор______________Подлубная З.А.

подпись

Научный руководитель

доц. каф. биохимии, к.б.н.__________________________ Соловьев В.Б.

подпись

К защите допустить. Протокол № от «____» ___________200_г.

Зав. кафедрой _____________________________________ Генгин М.Т.

подпись

Пенза, 2008 г.

содержание

Список использованных сокращений……………………...………………….…4

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………...……..5

I. обзор литературы…………………………………………………...…………..8

Глава 1. САРКОМЕРНЫЕ ЦИТОСКЕЛЕТНЫЕ БЕЛКИ СЕМЕЙСТВА тайтинА…………………………………………………………………………….8

1.1 Структура молекулы тайтина и его функции…………….………………8

1.2 Структура и функции молекул С-белка, Х-белка и Н-белка……..…...10

1.3 Белки семейства тайтина в норме, при адаптации и патологии…….….14

Глава 2. Амилоидозы………………………………………..…….………….…16

2.1. Актуальность проблемы……………………………………………..…...16

2.2. История изучения амилоидозов….……………………………………....17

2.3. Современные представления о строении и формировании амилоидных фибрилл…………………………………………………………………………..19

2.4. Изучение амилоидных фибрилл in vitro……………………………...….25

2.5. Патологические проявления амилоидозов……………………………...30

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ………………………………………....32

II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ………………………………………....32

Глава 3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ…………………………………..……....33

3.1. Экспериментальный и клинический материал…………………...……..33

3.2. Выделение и очистка белковых препаратов…………………...………..33

3.2.1. Очистка С-белка, Х-белка и Н-белка…………...………..........………....35

3.2.2. Выделение тайтина из скелетных мышц………………………...……....35

3.3. Определение концентрации белковых препаратов…………………......34

3.4. Проверка чистоты белковых препаратов………………………...……...35

3.5. Условия формирования амилоидных фибрилл…………………...…….36

3.6. Микроскопические исследования……………………………...………...37

3.6.1 Электронная микроскопия……………………………………………......37

3.6.2. Поляризационная и флуоресцентная микроскопия………………..…...37

3.7. Спектральные методы……………………………………………...……..37

3.7.1. Метод кругового дихроизма…………………………………...………....37

3.7.2. Метод флуоресцентного анализа…………………………………...…....38

3.7.3. Спектрофотометрический метод……………………………..………….38

III. Результаты и обсуждение………………………..………………….……...40

Глава 4. образование амилоидных фибрилл белками семейства тайтина….40

4.1 Электронно-микроскопическое изучение агрегационных свойств молекул тайтина, Х-белка, С-белка и Н-белка скелетных мышц кролика…………………………………………………………..……………….40

4.2. Электронно-микроскопическое изучение агрегационных свойств Ав(25-35)-пептида в сравнении с агрегацией молекул Х-белка…………….47

4.3. Подтверждение амилоидной природы агрегатов, образуемых белками семейства тайтина (тайтина, Х-белка, С-белка и Н-белка) при их взаимодействии со специфическими красителями на амилоиды Конго красным и тиофлавином Т…………………………………………………......49

4.4. Изучение вторичной структуры тайтина и белков его семейства до и после образования амилоидных фибрилл ……………………....................….53

4.5. Скорость образования амилоидных фибрилл Х-белка..………...…..….55

4.6. Образование амилоидных фибрилл С-белком миокарда человека при ДКМП и С-белком миокарда кролика………………………..……………...…57

Список литературы………………………………………………………….....61

Список использованных сокращений

ДКМП дилатационная кардиомиопатия

ДСН додецилсульфат натрия

ДТТ дитиотреитол

КД круговой дихроизм

кДа килодальтон

КК Конго красный

ЛММ легкий меромиозин

МДа мегадальтон

мкм микрометр

нм нанометр

ТТ тиофлавин Т

УФ ультрафиолет

ЭГТА этиленгликоль бис- (в-аминоэтиловый эфир N,N,N,N-тетрауксусной кислоты)

ЭДТА этилендиаминтетраацетат

FnIII фибронектин-3-подобный домен

IgC2 иммуноглобулин-С2-подобный домен

PMSF фенилметилсульфонилфторид

л длина волны

м ионная сила

введение

Амилоидозы - большая группа конформационных заболеваний, которая характеризуется отложениями белка в виде нерастворимых фибрилл в разных органах и тканях, образующихся в результате наследственного или приобретенного нарушения сворачивания белков (Tan & Perys, 1994; Uversky & Fink, 2004). Их накопление разрушает структуру и функционирование органов и тканей, приводя к болезни и летальному исходу. Амилоидные отложения найдены при болезни Альцгеймера, Паркинсона, Дауна, диабете второго типа, наследственной амилоидной полинейропатии, системном амилоидозе и др. (Tan & Perys, 1994; Goedert, 2001; Dobson, 2001).

Известно много белков, образующих амилоидные фибриллы, таких как тау-белок, Ав-пептид, ацилфосфатаза, миоглобин, амилин, транстиретин и другие (Guijarro et al., 1998; Chiti et al., 1999; Fandrich et al., 2001; Uversky & Fink, 2004). Несмотря на различие в белках-предшественниках амилоидов, образуемые ими амилоидные фибриллы имеют общие свойства: в-складчатую структуру с отдельными в-слоями, ориентированными параллельно главной оси фибриллы; нерастворимость in vivo; специфическое связывание с красителями Конго красным и тиофлавином Т (Klunk et al., 1989; Krebs et al., 2005). Важно отметить, что белки-предшественники амилоидов претерпевают трансформацию типа "б-спираль - в-складчатость", необходимую для образования амилоидных фибрилл (Uversky & Fink, 2004).

К сожалению, процессы, лежащие в основе аномальной агрегации белка и ее патологического проявления при болезнях, изучены еще недостаточно. Выяснение молекулярных механизмов амилоидозов, установление белковой природы депозитов и их свойств, развитие терапевтических методов лечения и предупреждения этих заболеваний, а также разработка их прижизненной диагностики являются актуальными задачами. Успешное решение этих задач во многом зависит от фундаментальных знаний амилоидогенеза: выяснения свойств амилоидов разных белков, знания факторов, регулирующих их образование и разрушение, их эффектов на жизнедеятельность разных клеток и т.д. В наибольшей мере это относится к мышечным амилоидозам как к наименее изученным. Амилоидные отложения найдены при кардиомиопатиях, миокардитах и миозитах в мышцах и кровеносных сосудах, однако их белковая природа до сих пор неизвестна.

Данная работа посвящена изучению способности белков семейства тайтина формировать амилоидные фибриллы. В настоящее время известна большая группа белков семейства тайтина (тайтин, С-белок, Х-белок, Н-белок и другие), относящихся к саркомерным белкам поперечно-полосатых мышц позвоночных. Они связаны с миозин-содержащими (толстыми) нитями и составляют 15% от общего количества белка в саркомере. С-белок в быстрых волокнах скелетных мышц и его изоформа Х-белок в медленных волокнах (Yamamoto & Moos, 1983; Starr & Offer, 1983) располагаются на поверхности толстых нитей с периодом 43 нм (Bennett et al., 1986; Soteriou et al1., 1993), связываясь одновременно с тайтином и миозином. Тайтин является продольным элементом саркомерного цитоскелета поперечно-полосатых мышц позвоночных.

Исследования показали, что тайтин и белки его семейства могут выполнять разные функции в саркомере. Предполагается, что они играют существенную роль в миогенезе при сборке толстых нитей и формировании структуры саркомера, участвуют в регуляции актин-миозинового взаимодействия при мышечном сокращении и в процессах сигнализации. Наличие 90% в-складчатой структуры в этих белках создает возможность формирования ими амилоидов. Изучение способности белков семейства тайтина формировать амилоидные фибриллы представляет большой интерес в связи с их возможным участием в развитии амилоидозов. Ранее при изучении агрегационных свойств белков, связанных в саркомере с миозиновыми нитями, было обнаружено, что один из них (Х-белок) образует in vitro спирально скрученные ленточные фибриллы (Bennett et al., 1985). Авторы указали на визуальное сходство этих структур с амилоидными фибриллами, образуемыми Ав-пептидом в мозге при болезни Альцгеймера. Однако разные структурные параметры фибрилл Х-белка заставили авторов сомневаться в этом предположении и, возможно, поэтому тестирование их на амилоидогенность не было проведено. Эти наблюдения и высокое содержание в-складчатой структуры стимулировали наше исследование амилоидной природы агрегатов, образуемых Х-белком и другими саркомерными белками семейства тайтина.

I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Глава 1. САРКОМЕРНЫЕ ЦИТОСКЕЛЕТНЫЕ БЕЛКИ СЕМЕЙСТВА ТАЙТИНА

Сократительным аппаратом мышечной клетки является миофибрилла, которая состоит из наименьших сократительных единиц - саркомеров. Саркомеры расположены друг за другом вдоль оси миофибриллы. Каждый саркомер содержит упорядоченную систему цитоскелетных и сократительных белков и имеет длину 2.5-3.0 мкм (Squire, 1981; Шубникова и др. 2001). Основными сократительными белками саркомера являются миозин, актин и тайтин. Молекулы актина образуют тонкие (актиновые) нити, в состав которого входят также тропомиозин и тропонин. Толстые нити скелетных мышц кроме миозина содержат также другие белки, такие как тайтин, С-белок, Х-белок, Н-белок и др. (рис. 1).

Рис.1. Модифицированная схема саркомера (Gregorio et al., 1999).

1.1 Структура молекулы тайтина и его функции

Тайтин (= коннектин, титин) - гигантский эластичный белок скелетных и сердечных мышц млекопитающих (Maruyama et al., 1977; Wang et al., 1979) с молекулярным весом более 3 МДа (Labeit & Kolmerer, 1995). Он был открыт независимо двумя группами исследователей методом ДСН-гель-электрофореза (Wang et al., 1979; Maruyama et al., 1981). Тайтин является третьим по количеству (после актина и миозина) компонентом саркомера поперечно-полосатых мышц позвоночных. Молекулы тайтина длиной около 1 мкм и шириной 3-4 нм (Trinick et al., 1984; Itoh et al., 1986; Nave et al., 1989; Soteriou et al., 1993; Suzuki et al., 1994; Houmeida et al., 1995; Tskhovrebova & Trinick, 1997) перекрывают половину саркомера от М-линии до Z-линии (рис. 1), простираясь через I- и А-диски саркомера, формируя третью филаментную систему в миофибриллах (Fьrst et al., 1988). NH2-концы молекулы тайтина из смежных саркомеров перекрываются в Z-линии, а СООН-концы перекрываются в М-линии. На каждую половину саркомера приходится по шесть молекул тайтина, которые объединены в А-диске саркомера (Trinick 1981; Liversage et al., 2001) и, предположительно, разделяются на пары или на индивидуальные молекулы в I-диске саркомера (Funatsu et al., 1993).

Исследования последних лет показали, что этот гигантский полипептид имеет различное строение в разных зонах саркомера, что вносит свой вклад в их архитектуру и функционирование. Бульшая часть (~90%) молекулы тайтина состоит из повторяющихся иммуноглобулин-С2-подобных (IgС2) и фибронектин-3-подобных (FnIII) доменов (Labeit & Kolmerer, 1995) с в-складчатой структурой, содержащих около ста аминокислотных остатков (Improta et al., 1996; Muhle-Goll et al., 1998) (рис. 2). Кроме этих доменов тайтин содержит уникальные последовательности, расположенные по всей длине его молекулы: киназный домен вблизи М-линии саркомера; два участка связывания с кальпаиновой протеазой (р94) в I-диске и М-линии саркомера, а также эластичные N2B, N2A и PEVK элементы в I-диске саркомера. В концевых областях молекулы тайтина расположены фосфорилируемые участки.

1.2 Структура и функции молекул С-белка, Х-белка и Н-белка

Предположение о присутствии белков немиозиновой природы в структуре толстых, или миозин-содержащих нитей на основании электронно-микроскопических и рентгеновских исследований высказывались давно (Draper & Hodge 1949; Franzini-Armstrong & Porter 1964; Pepe 1967; Hanson et al., 1971), однако до начала 70-х годов природа этих белков была неизвестна. С-белок, Х-белок и Н-белок были обнаружены с помощью ДСН-гель-электрофореза как минорные примеси в препаратах миозина скелетных мышц кролика (Starr & Offer, 1971). В настоящее время эти белки охарактеризованы, и их количество в саркомере составляет около 5% от массы миозина.

С-белок впервые был выделен из скелетных мышц кролика (Offer et al., 1973). Его количество составляет около 2% от массы миофибрилл и около 4% от массы толстой нити.

Показана способность сердечного С-белка фосфорилироваться разными протеинкиназами в условиях in vivo и in vitro (Jeacocre & England, 1980; Hartzell & Titus, 1982; Hartzell & Glass, 1984; Hartzell, 1985; Lim et al., 1985; Gautel et al., 1995; Mohamed et al., 1998). Молекулярный вес С-белка скелетных мышц по данным ДСН-гель-электрофореза 135 кДа (Yamamoto & Moos, 1983; Starr & Offer, 1983), а по данным анализа нуклеотидной последовательности генов, кодирующих этот белок, составляет 128.1 кДа (Weber et al., 1993). Аминокислотный состав белка характеризуется довольно высоким содержанием пролина, что коррелирует с низким содержанием б-спирали в его молекуле. Методом седиментации показано, что С-белок связывается с высоким сродством с миозином (Callaway & Bechtel, 1981; Yamamoto & Moos, 1983). Электронно-микроскопические исследования подтвердили это связывание для С-белка: он декорирует реконструируемые миозиновые нити и паракристаллы легкого меромиозина (ЛММ) in vitro (Moos et al., 1975; Starr & Offer, 1978; Safer & Pepe, 1980; Фрейдина и др., 1980; Подлубная, 1981; Podlubnaya et al., 1990). Показана способность С-белка связываться с актином (Moos et al., 1976; Moos et al., 1978; Moos, 1981; Фрейдина и др., 1980) и тайтином (Koretz et al., 1993; Soteriou et al., 1993; Fьrst et al., 1992; Freiburg & Gautel, 1996). При снижении ионной силы ниже физиологических значений (м ? 0.1).

Х-белок содержится в грубых препаратах С-белка, выделенного из миозина хроматографией на ДЕАЕ-сефадексе (Starr & Offer 1982). Был разработан метод разделения Х- и С-белков с помощью колоночной хроматографии на гидроксиапатите (Starr & Offer 1982; Starr et al., 1979). Молекула Х-белка представляет собой гибкую ниточку длиной около 30-35 нм и диаметром 3-4 нм (Bennett et al., 1985). Молекулярный вес Х-белка скелетных мышц кролика по данным ДСН-гель-электрофореза составляют и 145-152 кДа (Yamamoto & Moos 1983; Starr & Offer 1983), а по данным анализа нуклеотидной последовательности генов, кодирующего этот белок, составляют 126.5 кДа (Weber et al., 1993).

Аминокислотный состав характеризуется высоким содержанием пролина, что соответствует низкому (4%) содержанию б-спирали.

Н-белок выделен из скелетных мышц кролика, точнее - из грубых препаратов С-белка, хроматографией на гидроксиапатите (Starr & Offer, 1982; 1983). Он составляет 0.3-0.4% от миофибриллярной массы. Молекула Н-белка содержит одну полипептидную цепь с молекулярным весом по данным ДСН-гель-электрофореза ~ 69-74 кДа (Starr & Offer, 1983), а по данным другого метода ~ 86 кДа (Vaughan et al., 1993). Молекулярный вес Н-белка скелетных мышц цыпленка и человека по данным анализа нуклеотидной последовательности генов, кодирующего этот белок, составляет 58.4 кДа и 51.9 кДа, соответственно (Vaughan et al., 1993). Аминокислотный состав Н-белка сходен с аминокислотным составом С-белка, но отличается от последнего более высоким содержанием пролина и аланина и более низким содержанием аспарагиновой кислоты, валина и лизина (Yamamoto, 1984). Молекула Н-белка содержит около 4% б-спирали (Starr & Offer, 1983). Н-белок взаимодействует с миозином и с актином (Starr & Offer, 1983).

Белки семейства тайтина могут участвовать в сборке толстых нитей и стабилизации их структуры. Известно, что С-белок, также как и тайтин (Wang & Wright, 1988), появляется в мышечной клетке на ранних стадиях миофибриллогенеза (Bahler et al., 1985). Имеются также данные о влиянии тайтина, С-белка и Х-белка на формирование миозиновых нитей in vitro (Koretz, 1979; Miyahara & Noda, 1980; Koretz et al., 1982; Вихлянцев 2005). Вероятно, что С-белок (вместе с тайтином) участвует в сборке и стабилизации структуры толстых нитей. Исследования in vitro показали, что Н-белок влияет на связывание С-белка с миозином (Yamamoto, 1984). Показано связывание С-белка и тайтина с актином в условиях in vitro. Предполагается, что физиологическое значение этого связывания в саркомерах скелетных мышц заключается в регуляции актин-миозинового взаимодействия. В экспериментах in vitro показано, что тайтин и С-белок активируют АТФазу актомиозина. Это влияние может быть обусловлено как модифицирующим действием С-белка и тайтина на миозиновый мостик, так и прямым их взаимодействием с актином (Moos et al., 1978, 1980; Moos, 1981; Muhle-Goll et all., 2001; Moolman-Smook et al., 2002; Squire et al., 2003). Х-белок и Н-белок также могут быть вовлечены в процесс мышечного сокращения, ингибируя АТФ-азную активность актомиозина (Yamamoto, 1984, Вихлянцев, 2005). В поддержку предположения о регуляторной роли С-белка в сократительной активности являются данные о фосфорилировании С-белка сердечной мышцы. В ранних исследованиях было показано, что уровень фосфорилирования С-белка в интактном сердце коррелирует со скоростью релаксации мышцы (Hartzell & Glass, 1984). In vitro фосфорилирование сердечного С-белка приводило к снижению его активирующего эффекта на АТФазу АМ (Hartzell, 1985). На основе полученных данных автором было сделано предположение, что С-белок участвует в механизме расслабления сердечной мышцы. Однако результаты дальнейших исследований показали, что фосфорилирование С-белка модулирует процесс сокращения сердечной мышцы, увеличивая доступность миозиновых головок к актину (Weisberg & Winegrad, 1996, 1998; Kunst et al., 2000; McClellan et al., 2001; Kulikovskaya et al., 2003; McClellan et al., 2004; Flashman et al., 2004). Действительно, согласно последним данным фосфорилирование сердечного С-белка приводит к усилению сократительной активности мышцы (Stelzer et al., 2006).

1.3. Белки семейства тайтина в норме, при адаптации и патологии

Структурно-функциональные свойства белков семейства тайтина в норме описаны выше. Эти белки являются важными компонентами сократительного аппарата мышечной клетки, участвуя в построении и стабилизации структуры саркомера. Влияние белков семейства тайтина на АТФазу актомиозина указывает на их важную регуляторную функцию в норме.

Поведение белков семейства тайтина при адаптации рассматривается на примере гибернации (зимней спячки). Показано, что у гибернирующего животного уменьшается площадь поперечного сечения мышечных волокон. Изменения структурно-функциональных свойств миозин-содержащих нитей скелетных мышц вносят вклад в подавление двигательной активности животного при зимней спячке (Лукоянова и др., 1996). В скелетных мышцах гибернирующих животных обнаружено снижение активирующего влияния тайтина и С-белка и увеличение ингибирующего влияния Х-белка на ферментативные и регуляторные свойства миозина (Вихлянцев и др., 2000; 2002).

Поскольку причину развития ДКМП большинство исследователей видит в повреждении сократительных структур миокарда, а условия микрогравитации приводят к "гипогравитационному мышечному синдрому" (Гуровский и др., 1975; Nemirovskaya et al., 2002), становится вполне понятным пристальное внимание исследователей к этим патологическим состояниям. Показано, что пребывание в условиях моделируемой микрогравитации приводит к уменьшению количества тайтина и Х-белка в m. soleus крыс и человека, что, наряду с другими изменениями в мышечном аппарате, будет вносить вклад в развитие "гипогравитационного мышечного синдрома" (Вихлянцев и др., 2006). Увеличение содержания тайтина в миокарде левого желудочка человека при ДКМП приводит к снижению уровня пассивного напряжения одиночных миофибрилл и волокон, что отражается на сократительной функции сердца (Макаренко и др., 2002, Макаренко, 2004).

Данные, полученные при исследовании свойств полифункциональных белков семейства тайтина в норме, при адаптации и заболеваниях дают основание предполагать, что изменения их структурно-функциональных характеристик может вносить вклад в развитие патологических процессов в мышцах. Выяснение роли тайтина, Х-белка, С-белка и Н-белка в патогенезе разных болезней является чрезвычайно актуальной задачей. В данной работе объектом нашего внимания являлись амилоидозы и, в частности, амилоидные свойства этих белков in vitro.

Глава 2. Амилоидозы

2.1. Актуальность проблемы

Амилоидозы - болезни, которые характеризуются отложениями нерастворимых фибрилл белка (амилоидных фибрилл) в разных органах и тканях, образующихся в результате наследственного или приобретенного нарушения сворачивания белков. Амилоидные отложения играют центральную роль в патогенезе болезней, от которых страдают миллионы пациентов (болезнь Альцгеймера, Паркинсона, Дауна, диабет II типа, наследственная амилоидная полинейропатия, системные амилоидозы, прионные амилоидозы и др.) (Uversky & Fink, 2004). Однако, процессы, лежащие в основе аномальной агрегации белка и ее патологического проявления при болезнях, изучены еще недостаточно.

Амилоидоз широко распространен среди многих представителей животного мира. Описаны первичные (идиопатические), вторичные (приобретенные), наследственные и старческие его формы (Виноградова, 1980). Амилоидные отложения могут достигать килограммов (как, например, фибриллярные скопления лизоцима в печени). Они найдены также в сердечной мышце при кардиомиопатиях, миокардитах и в скелетных мышцах при миозитах (Барсуков и др., 2005). При миокардитах (воспалительное поражение сердечной мышцы) амилоид имеет вид россыпи. Возможно тотальное поражение сердца или только предсердий, только желудочков или клапанов. При кардиопатическом амилоидозе амилоид откладывается в эндо-, мио- и эпикарде. Отложения амилоида в сердце приводят к резкому увеличению его размеров (амилоидная кардиомегалия). Оно становиться очень плотным, миокард приобретает сальный вид ("резиновый миокард"). Миозит с включенными тельцами (амилоидами) сопровождается изнурительными мышечными болями. Амилоидные отложения обнаружены в скелетных мышцах, в миокарде, и по ходу межмышечной соединительной ткани, а также в стенках сосудов и нервах. Мышцы становятся плотными, полупрозрачными (Виноградова, 1980).

Уже сейчас амилоидозы - главная причина смерти после сердечно-сосудистых и раковых заболеваний. Диагностика большинства из них посмертная. Генезис этого заболевания, при котором возможно поражение любых органов и тканей и, следовательно, возникновение разнообразной клинической симптоматики, остается до конца не изученным. Возможно, причиной является спонтанное развитие амилоидоза, или наследственная передача болезни. Патогенез амилоидоза не уточнен, клинические проявления весьма пестрые и не всегда четко очерчены, лечение малоэффективно и редко диагностируется при жизни. Выяснение молекулярных механизмов амилоидозов, установление белковой природы депозитов и их свойств, развитие терапевтических методов лечения и предупреждения этих заболеваний, а также разработка их прижизненной диагностики являются актуальными задачами.

2.2. История изучения амилоидозов

Первое описание амилоидоза у человека относится к XVII веку, когда Боне сообщил результаты наблюдения больного с абсцессом печени и громадной селезенкой, содержащей множество белых камней (саговая селезенка). Дальнейшую историю изучения амилоидоза можно разделить на три этапа. Начало первого этапа связано с именем венского патолога Рокитанского (1842 г.), открывшего "сальную болезнь", развивающуюся у больных туберкулезом, сифилисом, риккетсиозами. Позже, как выяснил Меккель (1853 г.), "сальная", или "холестериновая" болезнь обычно является второй болезнью и может поражать многие органы. В 1854 г. немецкий физиолог Вирхов на основании характерного прокрашивания патологических структур мозга йодом, решил, что образующиеся массы имеют углеводную природу - "подобны крахмалу" и ввел термин "амилоид", происходящий от латинского "амилум" и от греческого "амилон". Через несколько лет Фридрайх и Кекуле на основании химического анализа доказали белковую природу амилоидного вещества, однако термин "амилоид", "амилоидоз" сохранился до настоящего времени. Второй этап изучения амилоидоза относится к 20-м годам XX столетия, когда Бенхольд (1922 г.) предложил окраску амилоида Конго красным, обнаружив эффект двойного лучепреломления в поляризованном свете. Этот эффект указывает на тот факт, что амилоидные образования представляют собой упорядоченные микроскопические структуры. Данный метод впоследствии стал первым диагностическим тестом для определения амилоидов в клинической практике. В 1959 г. Коген и Калкинс с помощью электронной микроскопии установили, что все типы амилоида человека и экспериментальных животных имеют фибриллярную структуру (Sipe & Cohen, 2000). Амилоид оказался образованием, в котором фибриллярные белки связаны с полисахаридами и другими компонентами. Приблизительно с 60-х годов начался третий этап в изучении амилоидозов, совпавший с бурным развитием техники, в том числе и медицинской. Благодаря использованию электронной микроскопии, спектральных, иммунологических, химических, разнообразных клинических методов удалось получить много данных о природе и свойствах амилоида и его ультраструктуре. Было показано, что амилоидные отложения во многих органах человека и животных имеют сходную фибриллярную структуру: фибриллы 6-13 нм в диаметре и длиной 100 нм - 1.6 мкм. Фибрилла может состоять из двух и большего количества нитей (протофибрилл), соприкасающихся или перекручивающихся друг с другом (Shirahama & Cohen, 1967; Suzuki & Terry, 1967). С помощью рентгеноструктурного анализа и инфракрасной микроскопии показано, что для амилоидных фибрилл при всех известных вариантах амилоидоза характерна складчатая упаковка полипептидных цепей, именуемая в-складчатой структурой (Glenner et al., 1974).

2.3. Современные представления о строении и формировании амилоидных фибрилл

Амилоидные отложения состоят из фибриллярных белков связанных с полисахаридами и другими компонентами. Физико-химические особенности амилоида определяют его тинкториальные свойства, выявляемые при использовании красителя Конго красного, тиофлавина Т или S.

Таким образом, термин "амилоидоз" объединяет болезни, которые характеризуются отложением белковых масс, имеющих фибриллярную ультраструктуру и обладающих двойным лучепреломлением в поляризованном свете. Значительный прогресс в выяснении структурных свойств амилоидных фибрилл был сделан с помощью рентгеновской дифракции фибриллярного материала, выделенного из биологических тканей, а также сформированного in vitro (Blake et al., 1996; Blake & Serpell, 1996; Sunde & Blake, 1997). Эти исследования показали, что все амилоидные фибриллы имеют в-складчатую структуру с отдельными в-слоями, ориентированными параллельно главной оси фибриллы. Это означает, что белок-предшественник амилоидов, не имеющий такой структуры, подвергается молекулярным перестройкам.

На сегодняшний день известно более 20 белков, образующих амилоидные фибриллы in vivo и участвующих в патогенезе амилоидозов (таблица 2), а также белки, амилоиды которых изучены только in vitro (таблица 3) (Uversky & Fink 2004). Ав-пептид, инсулин, лизоцим, транстиретин, амилин, хантингтин, тау-белок, б-синуклеин, миоглобин, и другие различаются между собой по аминокислотным последовательностям, вторичным и третичным структурам. Однако, несмотря на это, образованные ими амилоидные фибриллы имеют в-складчатую структуру. Эксперименты in vitro со многими белками показали, что перед образованием амилоидов структура их молекул должна претерпевать трансформацию типа «б-спираль - в-складчатость», что, как правило, требует длительной инкубации и жестких условий, несовместимых с условиями in vivo: низкие значения рН, высокие температуры, добавление ряда веществ, не присутствующих в клетке и т.п., Белки-предшественники амилоидов могут иметь в-структуру, или б-спираль или содержать обе структуры. Переход растворимой формы прионного белка в фибриллярную сопровождается уменьшением содержания б-спирали и увеличением в-структуры. Ав-пептид при образовании амилоидных фибрилл также претерпевает трансформацию структуры от б-спирали к в-структуре. Все эти данные указывают на то, что белки, вторичная структура которых представлена б-спиралью, претерпевают трансформацию типа "б-спираль - в-структура" до или во время образования фибрилл. Однако процесс фибрилообразования не всегда требует перехода б-спирали в в-структуру. Так, белок транстиретин представляет собой тетрамер, где каждая субъединица содержит только в-структуру, а молекула б-синуклеина в нативной форме представляет собой развернутую структуру. К таким белкам можно отнести и исследуемые нами белки семейства тайтина, содержащие >90% в-cкладчатости.

Таблица 2.

Амилоидогенные белки и пептиды участвующие в патогенезе амилоидозов (см. ссылки в обзоре Uversky & Fink 2004).

Продолжение таблицы 2.

Таблица 3.

Амилоидогенные белки и пептиды, к настоящему времени не связанные с болезнями (см. ссылки в обзоре Uversky & Fink 2004).

Процесс олигомеризации и фибриллообразования происходит при взаимодействии молекул белка за счет электростатических, водородных и гидрофобных взаимодействий с образованием димеров - начальных строительных блоков (рис. 4). Например, значительный вклад в фибриллогенез Ав-пептида вносят гидрофобные взаимодействия. Дальше димеры олигомеризуются в тетрамеры, октамеры и т. д. с образованием протофибрилл шириной 2-3 нм и длиной до 200 нм. Эти образования накапливаются в лаг-фазе, характерной для кинетики фибриллообразования. Окончание лаг-фазы связано с образованием протофибриллами фибрилл диаметром 7-8 нм. События, происходящие в лаг-фазе, представляют большой интерес, так как именно на этой стадии с помощью микроскопа можно наблюдать кинетику фибриллогенеза, а также морфологию постепенно формирующихся агрегатов (т. е. динамику процесса) (Zerovnik, 2002). Причем, один и тот же белок может образовывать амилоидные агрегаты разной морфологии, т. е. обладать полиморфизмом, как например, Ав(1-40)-пептид, который образует зрелые структуры разного типа (рис. 5), такие как "ветвящиеся", "спиральные" и "ленточные" (Goldsbury et al., 2000). Полиморфизм был показан и для других белков, таких как амилин (Goldsbury et al., 1997), кальцитонин (Bauer et al., 1995), инсулин (Jimenez et al., 2002).

Рис. 4. Образование амилоидных фибрилл: (а) - нативная структура белка, (б) - промежуточное состояние, в котором части полипептидной цепи находятся в ненативной конформации, (в) - полностью развернутое состояние, (г) - образование межмолекулярного в-слоя, опосредованное развернутыми областями приводит к олигомеризации белка, (д) -дальнейшее образование в-складчатой структуры, (е) - образование протофибрилл, (ж) -формирование зрелых фибрилл (Jobansson, 2003).

Чемберлейн в 2000 г. показал, что фибриллы, образованные различными белками, обладают сходными структурными свойствами: все они образованы из протофибриллярных нитей, имеющих 2-5 нм в диаметре и содержащих от двух до пяти в-слоев. При этом размеры протофибрилл никак не связаны с количеством аминокислотных остатков белка-предшественника фибриллообразования. Так протофибриллы SH3 домена, включающего 90 аминокислотных остатков, состоят из двух в-слоев, а лизоцим, состоящий из 130 аминокислотных остатков, образует протофибриллярные нити, содержащие четыре в-слоя (Chamberlain et al., 2000).

2.4. Изучение амилоидных фибрилл in vitro

Первоначально, амилоидные фибриллы изучали, выделяя их из пораженных амилоидных отложений. В настоящее время для изучения амилоидных фибрилл, а также амилоидогенеза их формируют in vitro. Открытие того, что амилоидные фибриллы формируют не только белки, связанные с амилоидозами, значительно расширило эту область исследования (Dobson, 1999). Было показано, что при подходящих условиях образовывать амилоидные фибриллы in vitro могут многие белки, такие как лизоцим, миоглобин, Ав пептид, амилин, тау-белок, хангтингтин, мышечная ацилфосфатаза и др. (Uversky & Fink 2004).

Отмечено, что амилоидогенные белки обладают различными способностями к формированию амилоидов, что отражается также в различной скорости этого процесса. Например, мышечная ацилфосфатаза человека способна формировать аморфные агрегаты после первых часов инкубации и только через 45 дней появляются пучки фибрилл (Chiti et al., 1999) (рис. 6). Ав(1-40)-пептид после 4 часов инкубации образует аморфные агрегаты, и только после 48 часов - длинные фибриллы (Qahwash et al., 2003), а образование фибрилл б-лактальбумина занимает несколько дней (Goers et al., 2002).

За скоростью амилоидогенеза наблюдают с помощью классического амилоидного красителя тиофлавина Т, который специфически взаимодействует с амилоидными фибриллами (Krebs et al., 2005). При взаимодействии тиофлавина Т с амилоидными фибриллами происходит увеличение интенсивности флуоресценции красителя при спектрофлуорометрических измерениях и наблюдается желто-зеленая флуоресценция при флуоресцентно-микроскопических исследованиях. Молекула красителя состоит из бензтиазольного и аминобензольного колец свободно вращающихся вокруг общей С-С связи. Кребс и соавторы показали, что молекула тиофлавина Т связывается с амилоидными фибриллами специфически (Krebs et al., 2005). Они предположили, что связывание происходит в "каналах", которые тянутся вдоль в-слоев (рис. 7). Более того, тиофлавин Т связывается с амилоидными фибриллами так, что их молекулы параллельны друг другу и расположены вдоль длинной оси фибриллы (Krebs et. al., 2005). Было показано, что причиной возрастания интенсивности флуоресценции тиофлавина Т при его связывании с амилоидными фибриллами является жесткость окружения, препятствующая повороту бензтиазольного и аминобензольного колец молекулы друг относительно друга в возбужденном состоянии (Воропай и др., 2003).

Другой амилоидный краситель Конго красный также специфически взаимодействует с амилоидными фибриллами (Klunk et al., 1989). Конго красный - сульфонированый азокраситель с гидрофобной центральной частью, состоящей из бифенильной группы, расположенной между отрицательно заряженными концами молекулы красителя (рис. 8). При связывании Конго красного с амилоидными фибриллами наблюдается зеленое двойное лучепреломление в поляризационном микроскопе, и это свойство делает Конго красный наиболее используемым красителем для диагностики амилоидов. В спектральных исследованиях регистрируется сдвиг спектра поглощения Конго красного в состоянии, связанном с амилоидными фибриллами, в длинноволновую область спектра, а именно от ~490 нм к ~500 нм.

Рис. 8. Модель связывания Конго красного с амилоидными фибриллами. Показан антипараллельный слой, где каждая пятая цепочка белка имеет одинаковое N-C направление. Поэтому, молекула Конго красного может связываться с таким же типом аминокислоты в обеих полипептидных цепях (первой и пятой, как указано на рисунке). Следующая молекула красителя сможет связаться с третьей и седьмой цепочкой и т.д. (Klunk et al., 1989).

Связывание амилоидных фибрилл с Конго красным зависит от структуры амилоидных фибрилл, а именно от наличия в-складчатой структуры с отдельными в-слоями. Кланк и соавторы предложили модель связывания амилоидных фибрилл с Конго красным посредством связей между двумя отрицательно заряженными сульфоновыми группами Конго красного и двумя положительно заряженными аминокислотными остатками двух отдельных белковых молекул, которые определенным образом ориентированы в в-складчатой структуре фибрилл, образованной посредством бок о бок расположенных отдельных молекул (Klunk et al., 1989). Это означает, что белковые цепочки расположены на расстоянии 4.7 Е. Более того, каждая пятая цепочка расположена от первой на расстоянии 19 Е. Это, приблизительно, соответствует расстоянию между сульфоновыми группами КК (рис. 8). Данная модель показывает специфичность взаимодействия Конго красного с амилоидными фибриллами.

2.5. Патологические проявления амилоидозов

К на ...........