Строение и функции гепарансульфат-протеогликанов (ГСПГ)
• Гепарансульфат-протеогликаны являются подгруппой протеогликанов, содержащих цепи гликозаминогликана - гепарансульфата
• Большинство гепаран сульфатов относится к двум семействам протеогликанов, связанных с мембранами, к синдеканам и глипиканам
• Гепарансульфаты состоят из сочетаний более чем 30 субъединиц различных сахаров, обеспечивающих большое разнообразие структур и функций этих протеогликанов
• Гепарансульфат-протеогликаны клеточной поверхности экспрессируются во многих типах клеток и связываются более чем с 70 различными белками
• Гепарансульфат-протеогликаны функционируют как корецепторы таких растворимых белков, как факторы роста, и таких нерастворимых белков, как белки внеклеточного матрикса. Кроме того, они способствуют интернализации некоторых белков
• Генетические исследования на дрозофиле показали, что гепарансульфат-протеогликаны участвуют в процессах развития и в передаче сигналов от факторов роста
Гепарансульфат-протеогликаны (ГСПГ) представляют собой сердцевинные белки таких протеогликанов которые связаны с гепарансульфатом (ГС), представляющим собой гликозаминогликан (ГАГ). ГС, главным образом, присутствует в двух семействах мембраносвязанных протеогликанов в синдеканах (представляющих собой трансмембранные белки, богатые пролином) и в глипиканах (глобулярные богатые цистеином белки, слабо связанные с плазматической мембраной через гликозилфосфати-дилинозитол).
Поскольку после сборки протеогликаны остаются связанными с поверхностых клеток, они играют критическую роль в регуляции адгезии клеток к другим компонентам внеклеточного пространства, включая структурные белки, сигнальные молекулы и другие клетки. В данном разделе мы вначале рассмотрим возможные структуры ГСПГ, а затем приведем биохимические и генетические доказательства их связи с различными функциями клетки.
Как показано на рисунке ниже, синтез гепарансульфат-протеогликана (ГСПГ) начинается с присоединения сахара ксилозы к гидроксильной группе боковой цепи аминокислоты серина, находящейся в структуре сердцевинного белка. Однако таким образом модифицируются не все остатки серина, а только те, которые находятся в определенной последовательности аминокислот, узнаваемой ферментом ксилоза-трансферазой. Большинство ГСПГ содержат 3-7 сахарных остатка. После присоединения первого остатка ксилозы быстро присоединяются три других остатка, и образуется «линкерный тетрасахарид», обладающий структурой серин-ксилоза-галактоза-галактоза-глюкуроновая кислота. После этого к глюкуроновой кислоте присоединяется еще один остаток ксилозы.
ГСПГ связываются со многими внеклеточными белками
и контролируют разнообразные биологические функции.
Для завершения синтеза гепарансульфат-протеогликана (ГСПГ) необходимо еще четыре этапа, и участие, по крайней мере, 14 различных ферментов, некоторые из которых показаны на рисунке ниже. Во-первых, 50-150 копий дисахарида, N-ацетилглюкозамин-глюкуроновой кислоты (GlcNAc-GlcA), с помощью полимеразы гепарансульфата присоединяются к остатку ксилозы, находящемуся на конце линкерного тетрасахарида, в то время как сердцевинный белок проходит по аппарату Гольджи. Во-вторых, другие ферменты модифицируют некоторые из GlcNAc сахаров (находящихся в области специфических последовательностей аминокислот), замещая их N-ацетильные группы на сульфатные. В-третьих, некоторые сахара GlcA в цепи подвергаются эпимеризации с образованием идуроновой кислоты.
Наконец, перед тем как протеогликан покидает аппарат Гольджи, к идуроновой кислоте и к оставшимися немодифицированными сахарам GlcNAc присоединяются дополнительные сульфатные остатки. (Наиболее полно сульфатированная форма ГС называется гепарин, который представляет собой естественный антикоагулянт и используется в клинике.)
В результате всех модификаций сахаров образуется множество структурных вариантов ГСПГ. Благодаря пяти структурным модификациям возможно образование 32 различных дисахаридных «строительных блоков». Эти блоки создают большую структурную сложность цепей ГС, чем это характерно для белков, многообразие которых обеспечивается 20 различными аминокислотами. Поскольку у одной молекулы ГСПГ может образоваться много разных форм ГС, клетки одномоментно могут экспрессировать различные формы ГСПГ. Эти молекулы сворачиваются, образуя несколько различающиеся нативные структуры, и, таким образом, они проявляют различную способность к связыванию внеклеточных белков.
Неудивительно поэтому, что гепарансульфат-протеогликан (ГСПГ) специфически связываются с более чем 70 внеклеточными белками, некоторые из которых перечислены на рисунке ниже. Во многих случаях связывание лиганда зависит от специфической последовательности сахаров в цепях ГС. Функции связывания ГСПГ подразделяются на три типа:
• ГСПГ могут являться корецепторами таких растворимых белков, как факторы роста. Эта функция обеспечивается стабилизацией связывания ростового фактора со своим рецептором, что приводит к увеличению локальной концентрации ростового фактора на поверхности клетки и тем самым усиливает клеточный ответ на определенную концентрацию лиганда. Например, такое взаимодействие происходит между синдеканами, фактором роста фибробластов (FGF) и его рецептором.
• ГСПГ могут усиливать интернализацию некоторых растворимых белков, например липопротеинов низкой плотности.
• ГСПГ могут функционировать как корецепторы таких нерастворимых белков, как структурные белки внеклеточного матрикса или рецепторы, участвующие в адгезии клеток. Это помогает установить связь между внеклеточным доменом рецептора и актино-вым цитоскелетом, тем самым сохраняя структурную целостность межклеточной среды (из-за слабой связи с плазматической мембраной, глипиканы не выполняют этой третьей функции).
Доказательства в пользу существования взаимодействий между гепарансульфат-протеогликаном (ГСПГ) и их лигандами в основном были получены в экспериментах по связыванию in vitro и с использованием коиммунопреципитации. Однако проведение таких экспериментов осложняется тем фактом, что бывает трудно выделить в больших количествах какой-либо один тип ГСПГ, и их интенсивные посттрансляционные модификации затрудняют попытки вызвать в клетках их гиперэкспрессию. Гораздо более мощным инструментом для исследования роли ГСПГ в развитии и в возникновении заболеваний является генетический аналиа
Одним из лучших объектов для генетических экспериментов является плодовая мушка, Drosophila melanogaster. Для исследования роли ГСПГ в развитии Drosophila выводят мух, содержащих мутации или в сердцевинных белках ГСПГ, или в ферментах превращения сахаров, необходимых для синтеза ГС. Эти мухи имеют такой же фенотип, как и мухи с мутациями в генах факторов роста или в их рецепторах, включая утрату активности ключевых ферментов, связанных с рецепторами. Экспрессия дополнительных копий рецепторов факторов роста дикого типа спасает мышей с мутациями в ГСПГ.
Это позволяет уверенно предполагать, что два фенотипических признака связаны друг с другом. Аналогичные исследования проводятся на мышах.
ГСПГ действуют как рецепторы факторов роста, ферментов и белков внеклеточного матрикса.
