Протамины — это небольшие ядерные белки , богатые аргинином , которые заменяют гистоны на поздних стадиях гаплоидной фазы сперматогенеза и считаются необходимыми для конденсации головок сперматозоидов и стабилизации ДНК . Они могут обеспечить более плотную упаковку ДНК в сперматозоиде , чем гистоны, но их необходимо распаковать, прежде чем генетические данные можно будет использовать для синтеза белка. Однако часть генома сперматозоидов упакована гистонами (10-15% у человека и других приматов), которые, как полагают, связывают гены, необходимые для раннего эмбрионального развития. [1]
Протамин и протаминоподобные (PL) белки вместе известны как специфичные для сперматозоидов ядерные основные белки (SNBP). Белки PL занимают промежуточное положение по структуре между протамином и гистоном H1 . С-концевой домен PL может быть предшественником протамина позвоночных. [2]
Во время образования спермы протамин связывается с фосфатным остовом ДНК, используя богатый аргинином домен в качестве якоря. Затем ДНК сворачивается в тороид , О-образную структуру, хотя механизм этого не известен. Сперматозоид может содержать в своем ядре до 50 000 тороидальных структур, каждый тороид содержит около 50 тысяч оснований. [4] Прежде чем образуется тороид, гистоны удаляются из ДНК переходными ядерными белками , так что протамин может конденсировать их. Эффектами этого изменения являются 1) увеличение гидродинамики сперматозоидов для лучшего прохождения жидкости за счет уменьшения размера головки 2) уменьшение частоты повреждений ДНК 3) удаление эпигенетических маркеров, возникающих при модификациях гистонов. [5]
Структура головки спермия также связана с уровнем протамина. Было обнаружено, что соотношение протамина 2 к протамину 1 и переходным ядерным белкам изменяет форму головки сперматозоида у различных видов мышей за счет изменения экспрессии протамина 2 посредством мутаций в его промоторной области. Было обнаружено, что уменьшение этого соотношения повышает конкурентоспособность сперматозоидов у видов Mus . Однако необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, как это соотношение влияет на форму головы и влияет ли моногамия на этот выбор. Исследования показывают, что у людей мужчины с несбалансированным уровнем Prm1/Prm2 являются субфертильными или бесплодными. [6] Протамин 2 кодируется как более длинный белок, которому необходимо расщепить N-конец, прежде чем он станет функциональным. Протамин человека и шимпанзе претерпел быструю эволюцию. [7]
При смешивании с инсулином протамины замедляют начало и увеличивают продолжительность действия инсулина (см. Инсулин НПХ ). [8]
Протамин используется в кардиохирургии, сосудистой хирургии и интервенционной радиологии для нейтрализации антисвертывающего действия гепарина . Побочные эффекты включают повышение давления в легочной артерии и снижение периферического артериального давления, потребления кислорода миокардом, сердечного выброса и частоты сердечных сокращений. [9]
Протамина сульфат является антидотом при передозировке гепарина , но может возникнуть тяжелая аллергия. [10] Версия протамина с укороченной цепью также действует как мощный антагонист гепарина, но с заметно сниженной антигенностью . Первоначально он был получен в виде смеси, полученной путем расщепления протамина термолизином [11] , но с тех пор фактическая эффективная часть пептида VSRRRRRRGGRRRR
была выделена. [12] Также был произведен аналог этого пептида. [13]
В генной терапии способность протамина сульфата конденсировать плазмидную ДНК, а также его одобрение Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) сделали его привлекательным кандидатом для увеличения скорости трансдукции как вирусными [14], так и невирусными (например, с использованием катионных липосом). ) [15] опосредованные механизмы доставки.
Протамин может использоваться как лекарство для предотвращения ожирения. Было показано, что протамин сдерживает увеличение массы тела и липопротеинов низкой плотности у крыс с высоким содержанием жиров. Этот эффект возникает за счет ингибирования активности липазы , фермента, ответственного за переваривание и всасывание триацилглицерина , что приводит к снижению всасывания пищевых жиров. При лечении крыс протамином не было обнаружено повреждений печени. Однако эмульгирование длинноцепочечных жирных кислот для переваривания и всасывания в тонком кишечнике менее постоянно у людей, чем у крыс, что будет варьировать эффективность протамина как лекарственного средства. Кроме того, человеческие пептидазы могут разлагать протамин с разной скоростью, поэтому необходимы дальнейшие исследования для определения способности протамина предотвращать ожирение у людей. [16]
Мыши, люди [1] и некоторые рыбы имеют два или более разных протамина, тогда как сперма быка и кабана [17] содержит одну форму протамина из-за мутации в гене PRM2. У крысы, хотя ген PRM2 присутствует, экспрессия этого белка чрезвычайно мала из-за ограниченной транскрипции из-за неэффективного промотора в дополнение к измененному процессингу транскрипта мРНК. [18]
Два человеческих протамина обозначаются PRM1 и PRM2 . У мышей и людей PRM1, PRM2 и TNP2 расположены в консервативном кластере генов . [19]
У млекопитающих Etherian обычно есть как PRM1, так и PRM2. С другой стороны, метатерийцы имеют только гомолог P1. [20]
Примеры протаминов из рыбы:
Протамин рыб обычно короче, чем у млекопитающих, и содержит большее количество аргинина. [20]
Первичная структура протамина P1, протамина, используемого для упаковки ДНК в клетках спермы, у плацентарных млекопитающих обычно состоит из 49 или 50 аминокислот. Эта последовательность разделена на три отдельных домена: богатый аргинином домен для связывания ДНК, фланкированный более короткими пептидными последовательностями, содержащими в основном остатки цистеина. Богатый аргинином домен состоит из 3-11 остатков аргинина и консервативен между последовательностями протамина рыб и протамина 1 млекопитающих при примерно 60-80% идентичности последовательностей. [1]
После трансляции структура протамина Р1 немедленно фосфорилируется по всем трем вышеупомянутым доменам. Еще один раунд фосфорилирования происходит, когда сперматозоид попадает в яйцеклетку, но функция этого фосфорилирования неясна. [1]
Точная вторичная и третичная структура протамина точно неизвестна, но с 1970-х годов было опубликовано несколько предложений. [22] [23] [1] [24] [25] [20] [26] Широкий консенсус заключается в том, что протамин образует структуры бета-цепи, которые затем сшиваются через дисульфидные связи (и потенциально дитирозиновые и цистеин-тирозиновые связи). [25] [20] Когда протамин P1 связывается с ДНК, цистеин на аминоконце одного протамина P1 образует дисульфидные связи с цистеином на карбокси-конце другого протамина P1. Нейтрализуя заряд основной цепи, протамин позволяет ДНК более плотно скручиваться. [3] [26] Дисульфидные связи предотвращают диссоциацию протамина P1 от ДНК до тех пор, пока связи не разрушатся, когда сперматозоид попадает в яйцеклетку. [1] Эти длинные полимеры протамина могут затем обернуться вокруг ДНК внутри большой бороздки. [1] [23]