stringtranslate.com

СОД2

Супероксиддисмутаза 2, митохондриальная ( SOD2 ), также известная как марганцево-зависимая супероксиддисмутаза (MnSOD), представляет собой фермент , который у людей кодируется геном SOD2 на хромосоме 6. [5] [6] Родственный псевдоген был идентифицирован на хромосоме 1. Альтернативный сплайсинг этого гена приводит к появлению множественных вариантов транскриптов. [5] Этот ген является членом семейства железо-марганцевой супероксиддисмутазы. Он кодирует митохондриальный белок, который образует гомотетрамер и связывает один ион марганца на субъединицу. Этот белок связывается с побочными продуктами супероксида окислительного фосфорилирования и преобразует их в перекись водорода и двухатомный кислород . Мутации в этом гене были связаны с идиопатической кардиомиопатией (IDC), преждевременным старением, спорадическим заболеванием двигательных нейронов и раком. [5]

Структура

Ген SOD2 содержит пять экзонов, прерываемых четырьмя интронами , нехарактерный 5′-проксимальный промотор , который обладает богатой GC областью вместо TATA или CAAT, и энхансером во втором интроне. Проксимальная область промотора содержит несколько сайтов связывания для факторов транскрипции , включая специфический-1 ( Sp1 ), активаторный белок 2 ( AP-2 ) и ранний ответ роста 1 ( Egr-1 ). [6] Этот ген является митохондриальным членом семейства супероксиддисмутазы железа/марганца . [5] [7] Он кодирует белок митохондриального матрикса, который образует гомотетрамер и связывает один ион марганца на субъединицу . [5] [6] Сайт марганца образует тригональную бипирамидальную геометрию с четырьмя лигандами из белка и пятым лигандом растворителя. Этот растворяющий лиганд представляет собой гидроксид, который, как полагают, служит акцептором электронов фермента. Полость активного центра состоит из сети боковых цепей нескольких остатков, связанных водородными связями , простирающихся от водного лиганда металла. Следует отметить, что высококонсервативный остаток Tyr34 играет ключевую роль в сети водородных связей, поскольку нитрация этого остатка подавляет каталитическую способность белка. [8] Этот белок также обладает N-концевой митохондриальной лидерной последовательностью , которая направляет его в митохондриальный матрикс, где он преобразует реактивные формы кислорода, генерируемые митохондриями, из дыхательной цепи в H2. [6] Были охарактеризованы альтернативные варианты транскрипционного сплайсинга, кодирующие различные изоформы . [5]

Функция

Как член семейства супероксиддисмутаз железа/марганца , этот белок преобразует токсичный супероксид , побочный продукт митохондриальной цепи переноса электронов , в перекись водорода и двухатомный кислород . [5] Эта функция позволяет SOD2 очищать митохондриальные активные формы кислорода (ROS) и, как следствие, обеспечивать защиту от гибели клеток. [7] В результате этот белок играет антиапоптотическую роль против окислительного стресса , ионизирующего излучения и воспалительных цитокинов . [6]

Механизм переноса электронов, связанный с протоном SOD2 [9]

Механизм

SOD2 использует циклические реакции переноса электронов, сопряженные с протонами, для преобразования супероксида (O 2 •- ) либо в кислород (O 2 ), либо в перекись водорода (H 2 O 2 ), в зависимости от степени окисления металлического марганца и статуса протонирования активного центра.

Mn 3+ + O 2 •- ↔ Mn 2+ + O 2

Mn 2+ + O 2 •- + 2H + ↔ Mn 3+ + H 2 O 2

Протоны активного сайта были непосредственно визуализированы и показали, что SOD2 использует серию переносов протонов между остатками своего активного сайта на шаг переноса электронов. [9] Результаты демонстрируют использование необычной химии ферментом, которая включает глутамин, который циклически депротонируется и протонируется, и аминокислоты с pK a s, которые значительно отличаются от ожидаемых значений. Низкобарьерные и короткие прочные водородные связи, как видно, способствуют катализу, способствуя переносу протонов и стабилизации промежуточных продуктов способом, аналогичным способу некоторых каталитических триад Asp-Ser-His. [10]


Клиническое значение

Фермент SOD2 является важным компонентом в апоптотической сигнализации и окислительном стрессе , в первую очередь как часть пути митохондриальной смерти и апоптоза кардиомиоцитов. [11] Запрограммированная клеточная смерть является отдельным генетическим и биохимическим путем, необходимым для метазоа. Неповрежденный путь смерти необходим для успешного эмбрионального развития и поддержания нормального гомеостаза тканей. Апоптоз оказался тесно переплетенным с другими важными клеточными путями. Идентификация критических контрольных точек в пути клеточной смерти дала фундаментальные знания для базовой биологии, а также предоставила рациональные цели для новых терапевтических средств. В нормальных эмбриологических процессах или во время повреждения клетки (например, ишемически-реперфузионное повреждение во время сердечных приступов и инсультов ) или во время развития и процессов при раке апоптотическая клетка претерпевает структурные изменения, включая сморщивание клетки, блеббинг плазматической мембраны, ядерную конденсацию и фрагментацию ДНК и ядра . За этим следует фрагментация в апоптотические тельца, которые быстро удаляются фагоцитами , тем самым предотвращая воспалительную реакцию. [12] Это режим гибели клеток, определяемый характерными морфологическими, биохимическими и молекулярными изменениями. Сначала он был описан как «усадочный некроз», а затем этот термин был заменен на апоптоз, чтобы подчеркнуть его роль, противоположную митозу в кинетике тканей. На более поздних стадиях апоптоза вся клетка становится фрагментированной, образуя ряд апоптотических телец, ограниченных плазматической мембраной, которые содержат ядерные и/или цитоплазматические элементы. Ультраструктурный вид некроза совершенно иной, основными признаками являются набухание митохондрий, разрушение плазматической мембраны и клеточный распад. Апоптоз происходит во многих физиологических и патологических процессах. Он играет важную роль во время эмбрионального развития как запрограммированная гибель клеток и сопровождает множество нормальных инволюционных процессов, в которых он служит механизмом удаления «нежелательных» клеток.

Риск рака

Многочисленные исследования сообщали о связях между полиморфизмами SOD2 и риском рака, но результаты были противоречивыми. Обновленный метаанализ таких исследований показал, что полиморфизмы SOD2 связаны с развитием неходжкинской лимфомы , рака легких и колоректального рака . [13]

Роль в окислительном стрессе

В частности, SOD2 играет ключевую роль в высвобождении активных форм кислорода (ROS) во время окислительного стресса, вызванного ишемией-реперфузией, в частности, в миокарде в рамках сердечного приступа (также известного как ишемическая болезнь сердца ). Ишемическая болезнь сердца, которая возникает в результате окклюзии одной из основных коронарных артерий , в настоящее время по-прежнему является основной причиной заболеваемости и смертности в западном обществе. [14] [15] Во время ишемии-реперфузии высвобождение ROS вносит существенный вклад в повреждение и смерть клеток посредством прямого воздействия на клетку, а также посредством апоптотических сигналов. Известно, что SOD2 обладает способностью ограничивать пагубные эффекты ROS. Таким образом, SOD2 важна для ее кардиопротекторных эффектов. [16] Кроме того, SOD2 участвует в кардиопротекции от ишемии-реперфузионного повреждения, например, во время ишемического прекондиционирования сердца. [17] Хотя известно, что большой выброс ROS приводит к повреждению клеток, умеренное высвобождение ROS из митохондрий, которое происходит во время нелетальных коротких эпизодов ишемии, может играть значительную запускающую роль в путях передачи сигнала ишемического прекондиционирования, приводя к уменьшению повреждения клеток. Было даже отмечено, что во время этого высвобождения ROS SOD2 играет важную роль, регулируя апоптотическую сигнализацию и гибель клеток.

Из-за его цитопротекторных эффектов повышенная экспрессия SOD2 была связана с повышенной инвазивностью метастазов опухоли . [7] Его роль в контроле уровней ROS также связана со старением , раком и нейродегенеративными заболеваниями . [8] Мутации в этом гене были связаны с идиопатической кардиомиопатией (IDC), спорадическим заболеванием двигательных нейронов и раком. Общий полиморфизм, связанный с большей восприимчивостью к различным патологиям, обнаружен в последовательности митохондриального лидера (Val9Ala). [18] Мыши, у которых отсутствует Sod2, умирают вскоре после рождения, что указывает на то, что неконтролируемые уровни супероксида несовместимы с жизнью млекопитающих. [19] Однако мыши с 50% дефицитом Sod2 имеют нормальную продолжительность жизни и минимальные фенотипические дефекты, но страдают от повышенного повреждения ДНК и повышенной заболеваемости раком. [20] В одном исследовании было показано, что у Drosophila melanogaster повышенная экспрессия Sod2 увеличивает максимальную продолжительность жизни на 20% [21] и на целых 37% в другом исследовании [22] .

Исследования дрожжей

У диких почкующихся дрожжей Saccharomyces cerevisiae фрагментация ядерной ДНК увеличивалась в 3 раза во время старения клеток, тогда как при отсутствии SOD2 фрагментация ядерной ДНК увеличивалась в 5 раз во время старения. [23] Продукция активных форм кислорода также увеличивалась с возрастом клеток, но в большем количестве в мутантных клетках SOD2, чем в клетках дикого типа. У делящихся дрожжей Schizosaccharomyces pombe дефицит SOD2 резко увеличивал старение клеток и снижал жизнеспособность клеток в стационарной фазе цикла роста. [24]

Роль в беспозвоночных

Значительная роль SOD2 в управлении окислительным стрессом делает его существенным компонентом митохондрий. В результате SOD2, подобно SOD1 и SOD3, высококонсервативен как у позвоночных, так и у беспозвоночных. В исследовании Multiple Measures of Functionality демонстрирует прогрессивное снижение параллельным, стохастическим образом у мутантов Drosophilla Sod2. [25] У мутантов SOD2 наблюдался каскад ухудшений в системах органов. Эти ухудшения не были линейными, то есть одна система органов выходила из строя, а затем другая, скорее наоборот, ухудшения были параллельными, то есть в любой момент времени поражались различные системы. Накопление ROS у мух действительно сыграло существенную роль в воздействии на системы органов мух таким образом, что, хотя не все наблюдаемые мухи получили постоянные повреждения, наблюдаемые повреждения были похожи на те, которые связаны со старением у зрелых плодовых мушек. [20] Ткани, которые поражаются в связи с дефектом SOD2 у беспозвоночных, — это мышцы, сердце и мозг. Воздействие ROS на эти ткани приводит не только к потере клеточной функции в большинстве случаев, но и к существенной потере продолжительности жизни. [21] Хотя роль SOD2 в управлении окислительным стрессом является общепринятой как для позвоночных, так и для беспозвоночных, ее необходимость была поставлена ​​под сомнение в исследовании, проведенном на Caenorhabditis elegans ( C. elegans ). Корреляция между отсутствием дефекта SOD2 и потерей продолжительности жизни и функции в целом понятна, однако было обнаружено, что удаление некоторых из пяти членов семейства SOD, включая SOD2, привело к увеличению продолжительности жизни у мутанта C. elegans по сравнению с диким типом. [26]

Исследования на животных

Когда животные тренируются с относительно высокой рабочей скоростью, тренировка упражнений способствует увеличению активности MnSOD миокарда. Повышенная активность MnSOD необходима для достижения оптимальной защиты, вызванной тренировками, как от сердечных аритмий, вызванных ишемией/реперфузией (IR), так и от инфаркта. Используя антисмысловой олигонуклеотид против MnSOD для предотвращения увеличения активности MnSOD миокарда, вызванного ExTr, было показано, что увеличение активности MnSOD миокарда необходимо для обеспечения защиты, вызванной тренировками, от инфаркта миокарда, вызванного IR. [27] Используя подход подавления гена MnSOD, сообщили, что предотвращение увеличения MnSOD миокарда, вызванного ExTr, привело к потере защиты, вызванной тренировками, от аритмий, вызванных IR. [28]

В мышиной модели митохондриальный окислительный стресс , вызванный дефицитом SOD2, способствовал клеточному старению и фенотипам старения в коже, включая увеличение двуцепочечных разрывов ДНК [29] (см. теорию повреждения ДНК при старении ). Потеря эпидермального SOD2 у мышей вызывала клеточное старение , которое необратимо останавливало пролиферацию фракции кератиноцитов. [30] У старых мышей дефицит SOD2 задерживал закрытие ран и уменьшал толщину эпидермиса.

Мутантные мыши с дефицитом SOD2, специфичным для соединительной ткани , имели сокращенную продолжительность жизни и преждевременное начало фенотипов, связанных со старением, таких как потеря веса, атрофия кожи, кифоз (искривление позвоночника), остеопороз и дегенерация мышц. [31]

Было обнаружено, что повышенная экспрессия SOD2 увеличивает продолжительность жизни у мышей. [32]

Взаимодействия

Было показано, что ген SOD2 связывает :

Было показано, что белок SOD2 взаимодействует с HIV-1 Tat и HIV-1 Vif. [33]

Ссылки

  1. ^ abc GRCh38: Ensembl выпуск 89: ENSG00000112096 – Ensembl , май 2017 г.
  2. ^ abc GRCm38: Ensembl выпуск 89: ENSMUSG00000006818 – Ensembl , май 2017 г.
  3. ^ "Human PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  4. ^ "Mouse PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  5. ^ abcdefg "Ген Энтреза: SOD2 супероксиддисмутаза 2, митохондриальная".
  6. ^ abcdefghijklm Becuwe P, Ennen M, Klotz R, Barbieux C, Grandemange S (декабрь 2014 г.). «Супероксиддисмутаза марганца при раке груди: от молекулярных механизмов регуляции генов до биологического и клинического значения». Free Radical Biology & Medicine . 77 : 139–151. doi : 10.1016/j.freeradbiomed.2014.08.026. PMID  25224035.
  7. ^ abc Pias EK, Ekshyyan OY, Rhoads CA, Fuseler J, Harrison L, Aw TY (апрель 2003 г.). "Дифференциальные эффекты экспрессии изоформы супероксиддисмутазы на апоптоз, вызванный гидропероксидом, в клетках PC-12". Журнал биологической химии . 278 (15): 13294–301. doi : 10.1074/jbc.M208670200 . PMID  12551919.
  8. ^ ab Perry JJ, Hearn AS, Cabelli DE, Nick HS, Tainer JA, Silverman DN (апрель 2009 г.). «Вклад человеческой супероксиддисмутазы марганца тирозина 34 в структуру и катализ». Биохимия . 48 (15): 3417–24. doi :10.1021/bi8023288. PMC 2756076. PMID  19265433 . 
  9. ^ ab Azadmanesh J, Lutz WE, Coates L, Weiss KL, Borgstahl GE (апрель 2021 г.). «Прямое обнаружение сопряженных переносов протонов и электронов в супероксиддисмутазе марганца человека». Nature Communications . 12 (1): 2079. Bibcode :2021NatCo..12.2079A. doi : 10.1038/s41467-021-22290-1 . PMC 8024262 . PMID  33824320. 
  10. ^ Agback P, Agback T (июль 2018 г.). «Прямое доказательство наличия водородной связи с низким барьером в каталитической триаде сериновой протеазы». Scientific Reports . 8 (1): 10078. Bibcode :2018NatSR...810078A. doi :10.1038/s41598-018-28441-7. PMC 6031666 . PMID  29973622. 
  11. ^ Danial NN, Korsmeyer SJ (январь 2004). "Смерть клеток: критические контрольные точки". Cell . 116 (2): 205–19. doi : 10.1016/s0092-8674(04)00046-7 . PMID  14744432. S2CID  10764012.
  12. ^ Керр Дж. Ф., Уайли АХ, Карри АР (август 1972 г.). «Апоптоз: базовое биологическое явление с широким спектром последствий в кинетике тканей». British Journal of Cancer . 26 (4): 239–57. doi :10.1038/bjc.1972.33. PMC 2008650. PMID 4561027  . 
  13. ^ Kang SW (2015). «Ген супероксиддисмутазы 2 и риск рака: данные обновленного метаанализа». Int J Clin Exp Med . 8 (9): 14647–55. PMC 4658836. PMID  26628947 . 
  14. ^ Мюррей CJ, Лопес AD (май 1997). «Альтернативные прогнозы смертности и инвалидности по причинам 1990-2020: глобальное исследование бремени болезней». Lancet . 349 (9064): 1498–504. doi :10.1016/S0140-6736(96)07492-2. PMID  9167458. S2CID  10556268.
  15. ^ Braunwald E, Kloner RA (ноябрь 1985). «Реперфузия миокарда: палка о двух концах?». Журнал клинических исследований . 76 (5): 1713–9. doi :10.1172/JCI112160. PMC 424191. PMID  4056048 . 
  16. ^ Маслов Л.Н., Нарыжная Н.В., Подоксенов Ю.К., Прокудина Е.С., Горбунов А.С., Чжан И, Пей ЖМ (январь 2015 г.). «[Активные формы кислорода являются триггерами и медиаторами повышения толерантности сердца к воздействию ишемии-реперфузии]». Российский физиологический журнал имени И.М. Сеченова / Российская академия наук . 101 (1): 3–24. ПМИД  25868322.
  17. ^ Liem DA, Honda HM, Zhang J, Woo D, Ping P (декабрь 2007 г.). «Прошлый и настоящий курс кардиопротекции против ишемически-реперфузионного повреждения». Журнал прикладной физиологии . 103 (6): 2129–36. doi :10.1152/japplphysiol.00383.2007. PMID  17673563. S2CID  24815784.
  18. ^ Muller FL, Lustgarten MS, Jang Y, Richardson A, Van Remmen H (август 2007 г.). «Тенденции в теориях окислительного старения». Free Radical Biology & Medicine . 43 (4): 477–503. doi :10.1016/j.freeradbiomed.2007.03.034. PMID  17640558.
  19. ^ Li Y, Huang TT, Carlson EJ, Melov S, Ursell PC, Olson JL, Noble LJ, Yoshimura MP, Berger C, Chan PH, Wallace DC, Epstein CJ (декабрь 1995 г.). «Дилированная кардиомиопатия и неонатальная летальность у мутантных мышей с отсутствием супероксиддисмутазы марганца». Nature Genetics . 11 (4): 376–81. doi :10.1038/ng1295-376. PMID  7493016. S2CID  10900822.
  20. ^ ab Van Remmen H, Ikeno Y, Hamilton M, Pahlavani M, Wolf N, Thorpe SR, Alderson NL, Baynes JW, Epstein CJ, Huang TT, Nelson J, Strong R, Richardson A (декабрь 2003 г.). «Пожизненное снижение активности MnSOD приводит к увеличению повреждений ДНК и более высокой заболеваемости раком, но не ускоряет старение». Physiological Genomics . 16 (1): 29–37. doi :10.1152/physiolgenomics.00122.2003. PMID  14679299.
  21. ^ ab Curtis C, Landis GN, Folk D, Wehr NB, Hoe N, Waskar M, Abdueva D, Skvortsov D, Ford D, Luu A, Badrinath A, Levine RL, Bradley TJ, Tavaré S, Tower J (2007). "Транскрипционное профилирование MnSOD-опосредованного продления жизни у Drosophila выявляет общую для вида сеть генов старения и метаболизма". Genome Biology . 8 (12): R262. doi : 10.1186/gb-2007-8-12-r262 . PMC 2246264 . PMID  18067683. 
  22. ^ Sun J, Folk D, Bradley TJ, Tower J (июнь 2002 г.). «Индуцированная сверхэкспрессия митохондриальной Mn-супероксиддисмутазы продлевает продолжительность жизни взрослых Drosophila melanogaster». Genetics . 161 (2): 661–72. doi :10.1093/genetics/161.2.661. PMC 1462135 . PMID  12072463. 
  23. ^ Muid KA, Karakaya HÇ, Koc A (февраль 2014 г.). «Отсутствие активности супероксиддисмутазы вызывает фрагментацию ядерной ДНК в процессе старения». Biochem. Biophys. Res. Commun . 444 (2): 260–3. doi :10.1016/j.bbrc.2014.01.056. hdl : 11147/5542 . PMID  24462872.
  24. ^ Ogata T, Senoo T, Kawano S, Ikeda S (январь 2016 г.). «Дефицит митохондриальной супероксиддисмутазы ускоряет хронологическое старение у делящихся дрожжей Schizosaccharomyces pombe». Cell Biol. Int . 40 (1): 100–6. doi : 10.1002/cbin.10556 . PMID  26507459. S2CID  205563521.
  25. ^ Piazza N, Hayes M, Martin I, Duttaroy A, Grotewiel M, Wessells R (2009). «Множественные измерения функциональности демонстрируют прогрессивное снижение параллельным, стохастическим образом у нулевых мутантов Drosophila Sod2». Biogerontology . 10 (5): 637–48. doi :10.1007/s10522-008-9210-2. PMC 2800787 . PMID  19148770. 
  26. ^ Van Raamsdonk JM, Hekimi S (февраль 2009 г.). «Удаление митохондриальной супероксиддисмутазы sod-2 увеличивает продолжительность жизни у Caenorhabditis elegans». PLOS Genetics . 5 (2): e1000361. doi : 10.1371/journal.pgen.1000361 . PMC 2628729. PMID  19197346 . 
  27. ^ Ямашита Н., Хосида С., Оцу К., Асахи М., Кузуя Т., Хори М. (1999). «Упражнения обеспечивают прямую двухфазную кардиозащиту посредством активации супероксиддисмутазы марганца». Журнал экспериментальной медицины . 189 (11): 1699–706. doi :10.1084/jem.189.11.1699. PMC 2193084. PMID  10359573 . 
  28. ^ Hamilton KL, Quindry JC, French JP, Staib J, Hughes J, Mehta JL, Powers SK (2004). «Лечение антисмысловыми препаратами MnSOD и защита от аритмий, вызванная физическими упражнениями». Free Radical Biology & Medicine . 37 (9): 1360–8. doi :10.1016/j.freeradbiomed.2004.07.025. PMID  15454275.
  29. ^ Velarde MC, Flynn JM, Day NU, Melov S, Campisi J (январь 2012 г.). «Митохондриальный окислительный стресс, вызванный дефицитом Sod2, способствует клеточному старению и фенотипам старения в коже». Aging (Albany NY) . 4 (1) : 3–12. doi :10.18632/aging.100423. PMC 3292901. PMID  22278880. 
  30. ^ Velarde MC, Demaria M, Melov S, Campisi J (август 2015 г.). «Плейотропные возрастные эффекты митохондриальной дисфункции на эпидермальные стволовые клетки». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 112 (33): 10407–12. Bibcode : 2015PNAS..11210407V. doi : 10.1073/pnas.1505675112 . PMC 4547253. PMID  26240345 . 
  31. ^ Трейбер Н., Майти П., Сингх К., Кон М., Кейст А.Ф., Ферчиу Ф, Санте Л., Фрезе С., Блох В., Креппель Ф., Кочанек С., Синдрилару А., Ибен С., Хегель Дж., Онмахт М., Клаас Л.Е., Игнатиус А, Чунг Дж.Х., Ли М.Дж., Камениш Ю., Бернебург М., Николаус Т., Браунштейн К., Сперфельд А.Д., Людольф А.К., Бривиба К., Влашек М., Флорин Л., Анхель П., Шарффеттер-Кочанек К. (апрель 2011 г.). «Фенотип ускоренного старения у мышей с условным дефицитом митохондриальной супероксиддисмутазы в соединительной ткани». Стареющая клетка . 10 (2): 239–54. doi : 10.1111/j.1474-9726.2010.00658.x. PMID  21108731. S2CID  46458295.
  32. ^ Hu D, Cao P, Thiels E, Chu CT, Wu GY, Oury TD, Klann E (март 2007 г.). «Долгосрочная потенциация гиппокампа, память и долголетие у мышей с повышенной экспрессией митохондриальной супероксиддисмутазы». Neurobiol Learn Mem . 87 (3): 372–84. doi :10.1016/j.nlm.2006.10.003. PMC 1847321. PMID 17129739  . 
  33. ^ Woollard SM, Bhargavan B, Yu F, Kanmogne GD (июнь 2014 г.). «Дифференциальные эффекты белков Tat, полученных из подтипов ВИЧ-1 B и рекомбинантного CRF02_AG, на микрососудистые эндотелиальные клетки человеческого мозга: последствия для дисфункции гематоэнцефалического барьера». Журнал мозгового кровотока и метаболизма . 34 (6): 1047–59. doi :10.1038/jcbfm.2014.54. PMC 4050250. PMID  24667918 . 

Дальнейшее чтение