• Нейрональные молекулы клеточной адгезии (NCAM) экспрессируются только в нейронах и в основном принимают участие в межклеточной гомотипической адгезии, а также функционируют в качестве сигнальных рецепторов
• В нейронах экспрессируются три разных типа белков NCAM, которые являются продуктами альтернативного сплайсинга единственного гена
• Некоторые NCAM ковалентно модифицируются путем присоединения к ним длинных цепей полисиаловой кислоты (PSA), что ослабляет гомотипическое связывание. Ослабление адгезии может играть важную роль в процессе развития нейронов при образовании и разрыве контактов между ними
Хотя такие белки, как кадгерины и интегрины, для выполнения своих функций должны связываться с внеклеточными ионами кальция, это не имеет места для всех белков клеточной адгезии. Основной класс белков адгезии, независимых от кальция, представляют собой нейрональные молекулы клеточной адгезии (NCAM). Они в основном функционируют в качестве рецепторов межклеточной адгезии, хотя также способны связываться с гепарансульфат протеогликанами. NCAM экспрессируются только в нейронах. Они расположены в местах контактов между соседними клетками органов центральной и периферической нервной системы, особенно в нервных волокнах.
В нервных клетках экспрессируются три различных белка NCAM, которые являются продуктами альтернативного сплайсинга единственного гена. Эти белки относятся к суперсемейству иммуноглобулинов (Ig) и содержат характерный структурный элемент, известный под названием домен иммуноглобулина. Домен включает примерно 100 аминокислот, которые образуют петлю, имеющую форму двух b-слоев.
Как показано на рисунке ниже, все три NCAM на амино-конце содержат пять таких петель Ig-доменов, а также два домена фибронектина типа III. NCAM-180 и NCAM-140 (цифры обозначают размер молекулы в килодальтонах) содержат по одному трансмембранному домену и различаются С-концевыми цитоплазматическими участками. Напротив, NCAM-120 своим гликозилфосфатидилинозитоловым концом прикрепляется к клеточной поверхности. Все три формы NCAM могут диссоциировать с поверхности клеток — NCAM-180 и NCAM-140 за счет протеолиза, NCAM-120 при действии фосфолипаз — и высвобождаться в виде растворимых молекул, диффундирующих в спинномозговую жидкость и плазму. Растворимые NCAM способствуют адгезии нейронов и образованию нейритов (представляющих собой аксоны).
NCAM клеточной поверхности могут функционировать в качестве сигнальных рецепторов, связываясь со специфической областью на рецепторах фактора роста фибробластов. Образование на поверхности клеток таких латеральных ассоциатов приводит к открытию кальциевых каналов, по-видимому, в результате протекания сигнальных процессов с участием фосфолипазы С, диацилглицерина и арахидоновой кислоты. По крайней мере, одна форма NCAM, NCAM-140, также связывается с тирозинкиназой нерецепторного происхождения — p59fyn, которая обеспечивает связь рецептора с активацией киназы фокальной адгезии. Таким образом, рецепторы NCAM активируют те же сигнальные процессы, которые активируют и другие рецепторы. Эти процессы подробно не изучены.
После образования в эндоплазматическом ретикулуме, на пути к поверхности клеток, NCAM подвергаются различным посттрансляционным модификациям, которые происходят в аппарате Гольджи. Эти модификации включают фосфорилирование, сульфатирование и гликозилирование. К наиболее значительной из этих модификаций относится добавление к молекуле длинных линейных цепей, состоящих из сиаловых кислот. Они называются полисиаловые кислоты (PSA) и присоединяются к N-сахарам, расположенным на двух аспарагиновых остатках пятого домена Ig.
NCAM образуются как в виде мембраносвязанных, так и растворимых белков различной величины.
Представлена доменная организация NCAM. Внеклеточные участки молекулы NCAM могут модифицироваться при добавлении полисиаловой кислоты (PSA),
которая присоединяется к остатку аспарагиновой кислоты при прохождении белка по секреторному пути (представлена модель трансмембранной формы PSA-NCAM, размером 140 кДа).
Добавление PSA существенно меняет форму и функции NCAM. Поскольку сиаловые кислоты несут отрицательный заряд, их цепи распространяются в стороны от молекулы белка, притягивают к себе катионы, и, подобно цепям гликозаминогликанов в протеогликанах, связываются с молекулами воды. Присоединение PSA к NCAM оказывает наиболее сильное влияние на адгезивную функцию рецепторов. В основном мембраносвязанные NCAM связываются с такими же рецепторами, расположенными на соседних клетках. Подробности механизма этого гомофильного связывания неизвестны, однако в нем принимают участие Ig-домены на амино-концевых участках каждого рецептора.
Согласно представлениям современной модели, все пять Ig-доменов рецепторов NCAM перекрываются, что приводит к формированию сильной и прочной адгезии между примыкающими клетками. Однако рецепторы PSA-NCAM перекрываются неполностью, вероятно, из-за большого объема гидратации и отрицательного заряда на цепях PSA. Это вызывает отталкивание Ig-доменов комплементарных рецепторов, расположенных на примыкающих клетках. В результате клетки, содержащие PSA-NCAM, менее прочно связываются друг с другом, чем клетки, в которых NCAM не модифицирован PSA.
В чем заключаются преимущества существования сильно и слабо связывающихся форм одного и того же рецептора? Вспомним, что в процессе развития клетки должны расти и проявлять подвижность с тем чтобы возможно было формирование тканей. В течение этого периода клетки неоднократно образуют между собой контакты и разрушают их. Это особенно характерно для таких клеток, как нейроны, которые в зрелом организме должны сформировать множественные и в высшей степени специфичные межклеточные контакты.
Поэтому для развивающихся нейронов крайне необходимы межклеточные взаимодействия, которые осуществляются с участием PSA-NCAM и характеризуются низким сродством, но высокой специфичностью.
Прямые подтверждения того, что PSA необходимы для контроля развития нейронов, получить крайне трудно, однако несколько групп данных говорят в пользу этого предположения:
• Иммуногистохимическими методами с применением антител, специфичных к NCAM, содержащим и не содержащим цепи PSA, показано, что около 30% NCAM в клетках мышиных эмбрионов содержат PSA, причем в клетках взрослых животных это количество снижается до 10%.
• Два фермента, принимающие участие в образовании PSA, полисиалилтрансфераза и сиалилтрансфераза-X экспрессируются, главным образом, в эмбриональной нервной ткани.
• Нарушение функций PSA-NCAM в процессе развития животных или с помощью ферментов, отщепляющих PSA, или антител, блокирующих PSA-NCAM, вызывает формирование пороков развития головного мозга.
• Аналогичные дефекты обнаруживаются у мышей с нокаутом генов NCAM.
NCAM также могут играть важную роль в структурных перестройках нейронов, происходящих у взрослых животных. Поскольку они участвуют в перестройке нейронных связей, PSA-NCAM могут отвечать за физическое ремоделирование головного мозга, происходящее в процессах запоминания и обучения. В под держку этого предположения свидетельствуют данные о том, что у грызунов уровень PSA-NCAM после обучения увеличивается, и отщепление PSA от NCAM (при действии эндосиалидазы) снижает скорость и точность выполнения тестов памяти.
Немодифицированные NCAM связываются между собой посредством пяти Ig-доменов, что обеспечивает прочную адгезию.
NCAM, модифицированный при присоединении PSA, связывается только с двумя Ig-доменами,
и это снижает прочность адгезии.
В присутствии PSA нарушается перекрывание молекул селектинов,
что приводит к слабой адгезии в процессе развития организма.
У взрослых организмов не происходит присоединения PSA к селектинам,
и, таким образом, у них обеспечивается прочность межклеточных взаимодействий.
