Галектины — это класс белков, которые специфически связываются с β-галактозидными сахарами, такими как N -ацетиллактозамин (Galβ1-3GlcNAc или Galβ1-4GlcNAc), которые могут быть связаны с белками либо посредством N-связанного , либо посредством O-связанного гликозилирования . Их также называют лектинами S-типа из-за их зависимости от дисульфидных связей для стабильности и связывания углеводов. У млекопитающих было обнаружено около 15 галектинов, кодируемых генами LGALS, которые пронумерованы последовательно. У людей были идентифицированы только галектины-1, -2, -3, -4, -7, -7B, -8, -9, -9B, 9C, -10, -12, -13, -14 и -16. [1] Галектин-5 и -6 обнаружены у грызунов, тогда как галектин-11 и -15 обнаружены только у овец и коз. Члены семейства галектинов также были обнаружены у других млекопитающих , птиц , амфибий , рыб , нематод , губок и некоторых грибов . В отличие от большинства лектинов они не связаны с мембраной, а являются растворимыми белками с внутри- и внеклеточными функциями. Они имеют различные, но перекрывающиеся распределения [2] , но в основном находятся в цитозоле , ядре , внеклеточном матриксе или в кровотоке. Хотя многие галектины должны секретироваться, у них нет типичного сигнального пептида, необходимого для классической секреции . Механизм и причина этого неклассического пути секреции неизвестны. [2]
Существует три различных формы структуры галектина: димерная, тандемная или химерная. Димерные галектины, также называемые прототипическими галектинами, являются гомодимерами, состоящими из двух идентичных субъединиц галектина, которые связаны друг с другом. Галектины, которые попадают в эту категорию, — это галектин-1, -2, -5, -7, -10, -11, -14 и -15. Тандемные галектины содержат по крайней мере два отдельных домена распознавания углеводов (CRD) в одном полипептиде, поэтому считаются по своей сути двухвалентными. CRD связаны с небольшим пептидным доменом. Тандемные галектины включают галектин-4, -6, -8, -9 и -12. Последний галектин — это галектин-3, который является единственным галектином, обнаруженным в категории химер у позвоночных. Галектин-3 имеет один CRD и длинный нелектиновый домен. Галектин-3 может существовать в мономерной форме или может связываться через нелектиновый домен в многовалентные комплексы вплоть до пентамерной формы. [3] Это позволяет галектину-3 эффективно связывать различные лиганды и образовывать адгезивные сети. Образование мультимеров зависит от концентрации. Когда галектин-3 находится в низкой концентрации, он является мономерным и, вероятно, ингибирует адгезию. Он связывается с адгезивными белками, такими как интегрины , и блокирует дальнейшее связывание с другими клетками или внеклеточным матриксом. Когда концентрации галектина-3 высоки, он образует большие комплексы, которые способствуют адгезии, образуя мостики между клетками или клетками и внеклеточным матриксом. Было обнаружено множество изоформ галектинов из-за различных вариантов сплайсинга . Например, галектин-8 имеет семь различных мРНК, кодирующих как тандемные, так и димерные формы. Тип экспрессируемого галектина-8 зависит от ткани. [4] Галектин-9 имеет три различные изоформы, которые различаются длиной линкерной области. [4]
Домен распознавания углеводов галектина (CRD) состоит из бета-слоя, состоящего примерно из 135 аминокислот . Два слоя слегка изогнуты, 6 нитей образуют вогнутую сторону, а 5 нитей — выпуклую. Вогнутая сторона образует канавку, в которой может связываться углеводный лиганд, и которая достаточно длинная, чтобы удерживать линейный тетрасахарид . [5]
Галектины в основном связываются с гликанами, содержащими галактозу и ее производные. Однако физиологически им, вероятно, потребуется лактоза или N -ацетиллактозамин для значительно более сильного связывания. Как правило, чем длиннее сахар, тем сильнее взаимодействия. Например, галектин-9 связывается с цепями полилактозамина с более сильным сродством, чем с мономером N -ацетиллактозамина. Это связано с тем, что между сахаром и связывающим карманом может происходить больше ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Связывание углеводов не зависит от кальция, в отличие от лектинов C-типа. Сила связывания лиганда определяется рядом факторов: многовалентностью как лиганда, так и галектина, длиной углевода и способом представления лиганда в домене распознавания углеводов. Различные галектины имеют различные специфичности связывания для связывания олигосахаридов в зависимости от ткани, в которой они экспрессируются, и функции, которой они обладают. Однако в каждом случае галактоза необходима для связывания. Эксперименты по кристаллизации галектинов в комплексе с N -ацетиллактозамином показывают, что связывание возникает из-за водородных связей между гидроксильными группами углерода-4 и углерода-6 галактозы и углерода-3 N -ацетилглюкозамина (GlcNAc) и боковыми цепями аминокислот в белке. Они не могут связываться с другими сахарами, такими как манноза , поскольку этот сахар не поместится внутри домена распознавания углеводов без стерических препятствий . Благодаря природе связывающего кармана галектины могут связывать терминальные сахара или внутренние сахара внутри гликана. Это позволяет создавать мостики между двумя лигандами в одной и той же клетке или между двумя лигандами в разных клетках. [6]
Галектины — это большое семейство с относительно широкой специфичностью. Таким образом, они обладают широким спектром функций, включая посредничество во взаимодействиях между клетками, адгезию между клетками и матриксом и трансмембранную сигнализацию . Их экспрессия и секреция хорошо регулируются, что позволяет предположить, что они могут экспрессироваться в разное время в ходе развития. [6] Не существует серьезных дефектов, когда отдельные гены галектинов удаляются в моделях мышей с нокаутом . Это связано с тем, что существует существенное перекрытие основных функций. Список функций галектинов обширен, и маловероятно, что все они были обнаружены. Ниже описаны несколько основных функций.
Галектины отличаются тем, что они могут регулировать гибель клеток как внутриклеточно, так и внеклеточно. Внеклеточно они сшивают гликаны снаружи клеток и передают сигналы через мембрану, чтобы напрямую вызывать гибель клеток или активировать нисходящие сигналы, запускающие апоптоз . [7] Внутриклеточно они могут напрямую регулировать белки, которые контролируют судьбу клеток. Многие галектины играют роль в апоптозе:
Галектин-3 играет важную роль в отрицательной регуляции активации рецепторов Т-клеток (TCR). Сшивание рецепторов Т-клеток и других гликопротеинов галектином-3 на мембране Т-клеток предотвращает кластеризацию TCR и в конечном итоге подавляет активацию. Это предотвращает аутоактивацию. Эксперименты на трансгенных мышах с дефицитом N -ацетилглюкозаминтрансферазы V (GnTV) увеличили восприимчивость к аутоиммунным заболеваниям . [6] GnTV — это фермент, необходимый для синтеза полилактозаминовых цепей, которые являются лигандом для галектина-3 на рецепторах Т-клеток. Этот нокаут означает, что галектин-3 не может предотвратить аутоактивацию TCR, поэтому Т-клетки гиперчувствительны. Также в иммунной системе было доказано, что галектины действуют как хемоаттрактанты для иммунных клеток и активируют секрецию воспалительных цитокинов . [3]
Галектины могут как способствовать, так и ингибировать адгезию, опосредованную интегрином. Для усиления адгезии, опосредованной интегрином, они создают поперечные связи между двумя гликанами на разных клетках. Это сближает клетки, и происходит связывание интегрина. Они также могут препятствовать адгезии, связываясь с двумя гликанами на одной клетке, что блокирует сайт связывания интегрина [9] . Галектин-8 специфичен для гликанов, связанных с интегрином, и играет прямую роль в адгезии, а также активирует каскады сигнализации, специфичные для интегрина. [10]
Галектин-1 и галектин-3, как ни странно, связываются с ядерными рибонуклеопротеиновыми комплексами, включая сплайсосому . [11] Исследования показали, что галектин-1 и -3 являются необходимыми факторами сплайсинга , поскольку удаление галектинов с помощью аффинной хроматографии с лактозой привело к потере активности сплайсинга. [12] Похоже, что способность галектинов к сплайсингу не зависит от их специфичности связывания сахара. Исследования направленного мутагенеза в домене распознавания углеводов удаляют связывание гликана, но не предотвращают ассоциацию со сплайсосомой.
Было показано, что цитоплазматический галектин-8 и галектин-9 контролируют mTOR ( mTORC1 ) и PRKAA (AMPK) в ответ на повреждение лизосомальной мембраны. [13] Лизосомальная перфорация и другие повреждения эндомембраны могут быть вызваны различными агентами, такими как некоторые химические вещества, дающие осмотически активные продукты, кристаллический кремний , возможно, амилоидные агрегаты и цитоплазматические органические или неорганические кристаллы, а также внутриклеточные микробные патогены, такие как Mycobacterium tuberculosis ; такое повреждение можно смоделировать с использованием мембранопроницаемых дипептидных предшественников, которые полимеризуются в лизосомах. В состоянии покоя, гомеостатических условиях галектин-8 взаимодействует с mTOR , который в своем активном состоянии находится на цитозольной (цитофациальной) стороне лизосомальных мембран. Однако в условиях повреждения лизосом, приводящих к воздействию экзофациально, т. е. люменально, ориентированных гликанов ( гликопротеинов и гликолипидов ), галектин-8 распознает цитофациальные гликаны, открытые из-за повреждения мембраны, и высвобождает mTOR . Вместо этого галектин-8 теперь связывается с комплексом mTOR-регулятор, расположенным на лизосомальной мембране, включая SLC38A9 , LAMTOR1 и RRAGA / RRAGB (RagA/B). Этот комплекс теряет сродство к mTOR, вызывая инактивацию mTOR и его транслокацию из лизосомы в цитозоль. Реагирующий на повреждение комплекс, содержащий галектин-8 , SLC38A9 , LAMTOR1 и RRAGA / RRAGB , известен как GALTOR. [13] Галектин-3 и галектин-8 также взаимодействуют с рецептором-регулятором аутофагии TRIM16 , который собирает аппарат инициации аутофагии на поврежденных лизосомах, [14] тогда как галектин-8 также взаимодействует с рецептором аутофагии CALCOCO2 (NDP52), распознающим поврежденную сальмонеллой вакуоль. [9]
Функциональные роли галектинов в клеточном ответе на повреждение мембраны расширяются, например, галектин-3 привлекает ESCRT к поврежденным лизосомам, чтобы лизосомы могли быть восстановлены. [15] Это происходит до того, как аутофагия индуцируется для восстановления эндосом и лизосом , чтобы они не были удалены аутофагией .
Галектины широко распространены, широко распространены по всему телу и имеют некоторые отличительные функции. Именно из-за этого они часто вовлечены в широкий спектр заболеваний, таких как рак , ВИЧ , аутоиммунные заболевания , хроническое воспаление , реакция «трансплантат против хозяина» (GVHD) и аллергические реакции . Наиболее изученные и охарактеризованные механизмы относятся к раку и ВИЧ, которые описаны ниже.
Наиболее изученным галектином с точки зрения рака является галектин-3. Данные свидетельствуют о том, что галектин-3 играет значительную роль в процессах, связанных с возникновением опухолей , включая трансформацию в злокачественную форму, метастазирование и повышенные инвазивные свойства опухолевых клеток. [16] [17] Существуют некоторые существенные доказательства того, что галектин-3 участвует в развитии рака, поскольку он взаимодействует с онкогенами, такими как Ras , и активирует нисходящую сигнализацию, которая способствует пролиферации. Он также может регулировать некоторые белки клеточного цикла , такие как циклин E и c-myc , что может придавать ему дополнительные опухолеобразующие свойства. [16] Концентрация галектина-3 повышена в кровотоке пациентов с некоторыми типами рака, включая рак молочной железы . Он также был идентифицирован связанным с гликанами на поверхности клеток рака молочной железы. У онкологических пациентов, у которых рак метастазировал, галектин-3 еще выше, что предполагает, что этот галектин играет решающую роль в метастазировании. [18] Галектин-3 также связывается с MUC-1 , очень большим трансмембранным муцином , который на раковых клетках изменяет экспрессию с длинного ядра 2 типа O-гликозилирования на более короткое ядро 1 типа O-гликозилирования. Гликаны ядра 2 заканчиваются галактозой или сиаловой кислотой, тогда как ядро 1 разветвлено и имеет потенциал для больших углеводных расширений. Высокие уровни MUC-1 связаны с плохим прогнозом и повышенным потенциалом метастазирования. Этот связанный с раком MUC-1 является естественным лигандом для галектина-3. [18] В нормальных клетках MUC-1 имеет отчетливую поляризацию и действует как защитный барьер вокруг клетки, уменьшая межклеточные взаимодействия. В клетках рака молочной железы предполагается, что галектин-3 имеет высокое сродство к связанному с раком MUC-1, вызывая деполяризацию и разрушая защитный щит клетки. Это обнажает небольшие молекулы адгезии на поверхности клетки, которые взаимодействуют с адгезионными белками на стенках эндотелиальных клеток , такими как E-селектин , способствуя интравазации в кровоток. [18] Эксперименты показывают, что сверхэкспрессия одного MUC-1 недостаточна для увеличения метастатического потенциала, и на самом деле она подавляет проникновение опухолевых клеток в кровоток. Для этого требуется присутствие активированного галектина-3 в дополнение к MUC-1 для увеличения инвазивных и метастатических свойств рака. [18] Это подтверждается другими исследованиями, показывающими, что ингибирование галектина-3 в клетках рака молочной железы человека теряет их злокачественность in vitro . [16]Это может дать ключ к разработке терапевтических средств для лечения рака, таких как ингибиторы галектина-3.
Галектин-8, который увеличивает адгезию, опосредованную интегрином, как было показано, подавляется при некоторых видах рака. [4] Это приносит пользу раку, поскольку взаимодействие интегрина с внеклеточным матриксом предотвращает метастазирование. Однако исследования рака легких продемонстрировали повышенную адгезию к галектину-8 с повышенным метастатическим потенциалом, что может быть обусловлено повышенной поверхностной экспрессией и активацией интегрина α3β1. [17]
Было показано, что галектин-8 играет особую роль в оценке целостности эндосом. После того, как патогены, такие как бактерии или вирусы, поглощаются клетками, они обычно пытаются выйти из эндосомы, чтобы получить доступ к питательным веществам в цитозоле. Галектин-8 специфически связывается с гликозилированием, обнаруженным в эндосоме, и привлекает адаптерную молекулу CALCOCO2 , которая активирует антибактериальную аутофагию. [9] Было показано, что галектин-3, галектин 8 и галектин-9 играют дополнительные роли в аутофагии как посредством контроля mTOR (галектин-8) и AMPK (галектин-9), [13] так и в качестве фактора (галектин-3) в сборке комплекса инициатора ULK1 - Beclin 1 - ATG16L1 на TRIM16 во время повреждения эндомембраны. [14]
Было показано, что галектин-1 усиливает ВИЧ-инфекцию из-за своей специфичности связывания галактозы. ВИЧ преимущественно инфицирует CD4 + T-клетки и другие клетки иммунной системы, обездвиживая адаптивную иммунную систему . ВИЧ - это вирус , который инфицирует CD4 + клетки посредством связывания своего вирусного комплекса гликопротеинов оболочки , который состоит из gp120 и gp41 . Гликопротеин gp120 содержит два типа N-гликанов, высокоманнозные олигомеры и цепи N -ацетиллактозамина на триманнозном ядре. [19] Высокоманнозные олигомеры являются патоген-ассоциированным молекулярным паттерном (PAMPs) и распознаются лектином C-типа DC-SIGN, обнаруженным на дендритных клетках . Цепи N -ацетиллактозамина являются лигандами для галектина-1. [20] Галектин-1 экспрессируется в тимусе. В частности, он в изобилии секретируется клетками Th1 . [8] [19] В своей нормальной функции галектин-1 связывается с гликанами на корецепторе CD4 Т-клеток для предотвращения аутореактивности. Когда присутствует ВИЧ, галектин связывает корецептор CD4 и лиганды gp120, тем самым облегчая инфицирование ВИЧ Т-клетки. Галектин-1 не является необходимым для ВИЧ-инфекции, но помогает ей, ускоряя кинетику связывания между gp120 и CD4. Знание механизма между галектином и ВИЧ может предоставить важные терапевтические возможности. Ингибитор галектина-1 можно использовать в сочетании с антиретровирусными препаратами для снижения инфекционности ВИЧ и повышения эффективности препарата . [21] Галектин-3 связывает TRIM5α , цитозольный фактор рестрикции против ВИЧ, действующий во время разоблачения капсида ВИЧ, хотя точную роль этой ассоциации еще предстоит определить. [22] Несколько галектинов связывают другие TRIM [22], некоторые из которых, как известно, способствуют ограничению противовирусной активности.
Инфекция Trypanosoma cruzi сердечных клеток, причина поражения сердца при болезни Шагаса , снижается галектином–1, который также может защищать от апоптоза инфицированных кардиомиоцитов . [23] Бенатар и др. (2015) также продемонстрировали, однако, что мышиные кардиомиоциты, инфицированные T. cruzi, снижают концентрацию поверхностного поли- N-ацетиллактозамина , лиганда галектина-1, в их N- и O -связанных гликанах, возможно, создавая «устойчивый к Gal-1 гликофенотип». [23]