Вакуольдық АТФаза: Көлікші ақуыз кешендерінің отбасысы

Кіріспе

Транспорттық ақуыз кешендерінің отбасы

Вакуольдік типтегі АТФаза (V АТФаза) – эукариотты организмдерде өте кең таралған, эволюциялық тұрғыдан көне фермент, және әртүрлі функцияларды атқарады. V АТФазалар жасуша ішіндегі органеллалардың кең спектрін қышқылдандырады және көптеген жасуша түрлерінің плазмалық мембраналары арқылы протондарды сорғылайды. V АТФазалар АТФ гидролизінен алынған энергияны эукариоттық жасушалардың жасуша ішіндегі және плазмалық мембраналары арқылы протон тасымалдаумен байланыстырады. V АТФаза, АТФ синтетазаның кері полярлы нұсқасы ретінде қарастырылады, себебі АТФ синтетаза протон градиентінің энергиясын пайдаланып АТФ өндіреді. Ал V АТФаза АТФ гидролизінен алынған энергияны протон градиентін жасау үшін пайдаланатын протон сорғысы болып табылады. Археялық типтегі АТФаза (A АТФаза) – археяларда кездесетін, көбінесе АТФ синтетазасы ретінде жұмыс істейтін АТФазалардың туысқан тобы. Ол V АТФазамен бірге V/A АТФаза кладын құрайды. Екі топтың көпшілігі протондарды тасымалдайды, бірақ кейбірлері натрий иондарын пайдалануға бейімделген.

В-АТФ-фазалардың рөлі

V АТФазалар көптеген органеллалардың мембраналарында, мысалы эндосомалар, лизосомалар және секреторлық везикулаларда кездеседі, онда олар осы органеллалардың функциясы үшін өте маңызды әртүрлі рөлдерді атқарады. Мысалы, V АТФазалар тудырған ашытқының вакуолалық мембранасындағы протондық градиент, антипортерлік жүйе арқылы вакуолаға кальцийдің сіңуін қамтамасыз етеді. Нейрондық жасушалардағы синапстық трансмиссияда V АТФаза синапстық везикулаларды қышқылдандырады. Норадреналин V АТФаза арқылы везикулаларға енеді. V АТФазалар бүйректің интеркаляцияланған жасушалары, остеокластар (сүйек резорбциялайтын жасушалар), макрофагтар, нейтрофилдер, сперматозоидтар, жәндіктердің ортаңғы ішек жасушалары және кейбір ісік жасушалары сияқты кең ауқымдағы жасушалардың плазмалық мембраналарында да табылады. Плазмалық мембранадағы V АТФазалар pH гомеостазы, байланысты тасымалдау және ісіктің метастаздануы сияқты процестерге қатысады. Сперматозоидтың акросомалық мембранасындағы V АТФазалар акросоманы қышқылдандырады. Бұл қышқылдандыру, жұмыртқаның плазмалық мембранасын тесіп өтуге қажетті протеазаларды белсендіреді. Остеокласт плазмалық мембранасындағы V АТФазалар сүйек бетіне протондарды сорғылайды, бұл сүйек резорбциясы үшін қажет. Бүйректің интеркаляцияланған жасушаларында V АТФазалар протондарды зәрге сорғылайды, бұл бикарбонаттың қанға қайта сіңуіне мүмкіндік береді. Сонымен қатар, токсиндерді жеткізу, вирус кіруі, мембранаға бағыттау, апоптоз, цитоплазмалық pH реттелуі, протеолитикалық процестер және ішкі жасушалық жүйелерді қышқылдану сияқты көптеген басқа да биологиялық процестер V АТФазалардың маңызды функциялары болып табылады. V АТФазалар жасуша морфогенезінің дамуында да маңызды рөл атқарады. Ферменттің каталитикалық (A) субъединикті кодтайтын vma1 генінің бұзылуы, Neurospora crassa саңырауқұлағының өсу қарқынын, дифференциациялануын және тірі қалу қабілетін нашарлатады.

Құрылымы

Ашытқы V АТФазасы ең жақсы сипатталған. Функционалды V АТФаза кешенін құрайтын кем дегенде он үш кішібірлік бар, ол екі доменнен тұрады. Кішібірліктер Vo доменіне (мембранамен байланысты кішібірліктер, суретте кіші әріптермен) немесе V1 доменіне (перифериялық байланысты кішібірліктер, суретте үлкен әріптермен) жатады. V1 сегіз АХ кішібірлікті қамтиды, оларда каталитикалық А және В кішібірліктерінің үш данасы, статорлық E және G кішібірліктерінің үш данасы және реттеуші С және H кішібірліктерінің бір данасы бар. Сонымен қатар, V1 доменінде D және F кішібірліктері бар, олар ротордың орталық осін құрайды. V1 доменінде тіндік ерекшеліктері бар B, C, E және G изоформалары бар. B1 изоформасындағы мутациялар адамда дистальді бүйрек түтікшесінің ацидозы және сенсориневральды есіту қабілетінің жоғалтуына әкеледі. Vo доменінде алты түрлі кішібірлік бар: a, d, c, c', c" және e. c сақинасының стехиометриясы әлі де талқыланып отыр, темекі мүйіз құртының (Manduca sexta) V АТФазасы үшін ондық құрамдылық болжанып отыр. Сүтқоректілердің Vo доменінде a және d кішібірліктерінің тіндік ерекшеліктері бар, ал ашытқы V АТФазасында a кішібірлігінің екі органеллалық ерекшеліктері бар: Vph1p және Stv1p. А3 изоформасындағы мутациялар нәрестелік қатерлі остеопетозға, ал А4 изоформасындағы мутациялар дистальді бүйрек түтікшесінің ацидозына, кейбір жағдайларда сенсориневральды саңыраулыққа әкеледі. V1 домені АТФ гидролизіне, ал Vo домені протонның транслокациясына жауапты. А кішібірлігіндегі катализдік нуклеотид байланыс орындарында АТФ гидролизі D және F кішібірліктерінен тұратын орталық сабақтың айналуын қозғайды, бұл өз кезегінде c кішібірліктерінен тұратын барабанның айналуын қозғайды. V АТФазаның күрделі құрылымы M. Sexta және ашытқы кешендерінің құрылымын зерттеу арқылы анықталды, олар бір бөлшекті криоэлектрондық микроскопия және теріс бояу әдістерімен шешілді. Бұл құрылымдар V АТФазаның 3 статорлық желісі бар екенін көрсетті, олар C, H және a кішібірліктерінен тұратын тығыздық сақинасымен байланысқан. Бұл сақина V1 және Vo домендерін бөліп тұрғанымен, F, D және d кішібірліктерінен тұратын орталық ротор осімен өзара әрекеттеспейді. АТФ-тың катализдік АВ домендерінде гидролизденуі нәтижесінде пайда болған орталық ротор осінің айналуы c кішібірліктерінен тұратын барабанның a кішібірлігінің басынан өтуіне әкеледі, бұл мембрана арқылы протон тасымалын қозғайды. Джонсон әр гидролизделген АТФ үшін транслокацияланған екі протонның стехиометриясын ұсынды. Ашытқы V АТФазасының құрылымдық кішібірліктеріне қоса, құрастыруға қажетті байланысты белоктар анықталды. Бұл байланысты белоктар Vo доменінің құрастырылуы үшін маңызды және Vma12p, Vma21p және Vma22p деп аталады. Үш белоктың екеуі, Vma12p және Vma22p, оның құрастырылуы мен жетілуіне көмектесу үшін Vph1p (a кішібірлігімен) уақытша байланысатын кешенді құрайды. Vma21p Vo кішібірліктерінің құрастырылуын үйлестіреді, сондай-ақ Vo доменін Гольджи аппаратына тасымалдау үшін везикулаларға жіберуді қамтамасыз етеді.

The yeast V ATPase is the best characterized. There are at least thirteen subunits identified to form a functional V ATPase complex, which consists of two domains. The subunits belong to either the Vo domain (membrane associated subunits, lowercase letters on the figure) or the V1 domain (peripherally associated subunits, uppercase letters on the figure). The V1 includes eight subunits, A H, with three copies of the catalytic A and B subunits, three copies of the stator subunits E and G, and one copy of the regulatory C and H subunits. In addition, the V1 domain also contains the subunits D and F, which form a central rotor axle. The V1 domain contains tissue specific subunit isoforms including B, C, E, and G. Mutations to the B1 isoform result in the human disease distal renal tubular acidosis and sensorineural deafness. The Vo domain contains six different subunits, a, d, c, c', c", and e, with the stoichiometry of the c ring still a matter of debate with a decamer being postulated for the tobacco hornworm (Manduca sexta) V ATPase. The mammalian Vo domain contains tissue specific isoforms for subunits a and d, while yeast V ATPase contains two organelle specific subunit isoforms of a, Vph1p, and Stv1p. Mutations to the a3 isoform result in the human disease infantile malignant osteopetrosis, and mutations to the a4 isoform result in distal renal tubular acidosis, in some cases with sensorineural deafness. The V1 domain is responsible for ATP hydrolysis, whereas the Vo domain is responsible for proton translocation. ATP hydrolysis at the catalytic nucleotide binding sites on subunit A drives rotation of a central stalk composed of subunits D and F, which in turn drives rotation of a barrel of c subunits relative to the a subunit. The complex structure of the V ATPase has been revealed through the structure of the M. Sexta and Yeast complexes that were solved by single particle cryo EM and negative staining, respectively. These structures have revealed that the V ATPase has a 3 stator network, linked by a collar of density formed by the C, H, and a subunits, which, while dividing the V1 and Vo domains, make no interactions with the central rotor axle formed by the F, D, and d subunits. Rotation of this central rotor axle caused by the hydrolysis of ATP within the catalytic AB domains results in the movement of the barrel of c subunits past the a subunit, which drives proton transport across the membrane. A stoichiometry of two protons translocated for each ATP hydrolyzed has been proposed by Johnson. In addition to the structural subunits of yeast V ATPase, associated proteins that are necessary for assembly have been identified. These associated proteins are essential for Vo domain assembly and are termed Vma12p, Vma21p, and Vma22p. Two of the three proteins, Vma12p and Vma22p, form a complex that binds transiently to Vph1p (subunit a) to aid its assembly and maturation. Vma21p coordinates assembly of the Vo subunits as well as escorting the Vo domain into vesicles for transport to the Golgi.

V1

V АТФ-тазаның V1 домені АТФ гидролизі жүретін орын. Vo доменінен өзгеше, V1 домені суға жақын (гидрофильді).

C бөлімшесінің функциясы

С- суббұрышы V АТФазаның құралуын бақылауда маңызды рөл атқарады, ферменттің каталитикалық (V1) және мембраналық (VO) секторларын біріктіретін икемді статор ретінде қызмет етеді. Суббұрыш С-нің АТФаза кешенінен бөлінуі V1 және Vo субкешендерінің ыдырауына әкеледі, бұл жасушаларда V АТФаза белсенділігін бақылаудың маңызды механизмі болып табылады. Қорытындысы, жоғары электрохимиялық градиент және төмен pH құру арқылы ферментке көбірек АТФ өндіруге күш беріледі.

E, G бөлімшелері

Бұл байланысты кішібірліктер А/В АТФ-азаның сабақтарын құрайды. Олар жиналуға маңызды және қызмет ету кезінде итергіш ретінде жұмыс істей алады. E-нің A/B-ге қосылуы үшін қақпағы бар, ал G-де қақпақ жоқ. Олар, мүмкін, геннің дупликациялануы арқылы бір белоктан пайда болған.

H кіші бірлігі

H бөлімшесі тек қана қызметке қатысады, құрастыруға емес. Бұл кіші бірлік бос V1 бөлімшелерінің тежегіш ретінде де әрекет етеді; V1 және Vo бөлінген кезде ATP гидролизін тоқтатады.

Қарау

Vo домені протон тасымалдауға жауапты. F типті АТФ синтазасынан өзгеше, Vo домені көбінесе протондарды олардың концентрация градиентіне қарсы тасымалдайды. Vo доменінің айналуы протондардың қозғалысын V1 доменімен үйлестіреді, ал V1 домені АТФ гидролизіне жауапты. Vo домені гидрофобты және бірнеше ажыратылатын субъединицалардан тұрады.

c бөлімше

F типті АТФ синтетазасына ұқсас, V АТФазаның трансмембраналық аймағы протонның транслокациясына негізінен жауапты мембрана арқылы өтетін суббірліктерден тұратын сақинаны қамтиды. Алайда, F типті АТФ синтетазасынан өзгеше, V АТФазаның c сақинасында бірнеше байланысты суббірліктер бар; ашытқы сияқты саңырауқұлақтарда үш байланысты суббірлік (әр түрлі стехиометриямен) кездеседі, ал көптеген басқа эукариоттарда екеуі бар.

V-ATPase құралы

Ашытқы V АТФазалары, H және c суббұрындықтарын кодтайтын гендерден басқа, кез келген суббұрындықтарды кодтайтын гендер жойылғанда құрастырылмайды. H суббұрындығы болмаса, құрастырылған V АТФаза белсенді болмайды, ал c суббұрындығының жоғалуы ферменттік белсенділіктің бұзылуына әкеледі. Алайда, in vivo импульстік іздеу эксперименттері Vo және V1 суббұрындықтары арасындағы, атап айтқанда a және B суббұрындықтары арасындағы ерте байланыстарды көрсетті, бұл суббұрындықтардың келісімді құрастыру процесінде бір кешенді қадамдық түрде құрастыратынын ұсынады.

V-АТФ эволюциясы

Ата-бабалар гендерін қайта жаңғырту деп аталатын салыстырмалы түрде жаңа техника V АТФазаның эволюциялық тарихына жаңа жарық сырға салды. Екі түрлі белоктан тұратын ата-бабалық форманың V АТФаза құрылымы үш түрлі белоктан тұратын саңырауқұлақтар нұсқасына қалай эволюцияға ұшырағаны көрсетілді. V типті АТФаза археялардың (сондай аталған) А типті АТФ синтетазасына ұқсас, бұл факт эукариоттардың археялардан шыққандығын қолдайды (эоцит гипотезасы сияқты, сондай-ақ Lokiarchaeota қараңыз). АТФазаның А типіне ие кейбір археялардың және бактериялардың кейбір туыстарының сирек кездесуі горизонтальді гендердің тасымалдануының нәтижесі деп есептеледі.

V-АТФ-фаза белсенділігін реттеу

V АТФазалар конканамицин (CCA) және балифомицин А1 сияқты макролид антибиотиктерімен нақты тежеледі. V АТФаза активтілігінің тірі организмдегі реттелуі V1 доменінің Vo доменінен қайтымды ажырауы арқылы жүзеге асырылады. Алғашқы құрастырылғаннан кейін, жәндік Manduca sexta және ашытқы V АТФазалары глюкозадан 2-5 минутқа айырылғаннан кейін еркін Vo және V1 домендеріне қайтымды түрде ыдырай алады. V АТФазалардың ыдырауы мен қайта құрастырылуы үшін жаңа ақуыз синтезі қажет емес, бірақ толық микротубулалық желі қажет.

Остеопетроз

Остеопетроз – остеокластикалық сүйек резорбциясында кемшілік болатын тұқым қуалайтын аурулар тобының жалпы атауы. Адамдарда доминантты және рецессивті остеопетроз кездеседі. Аутосомдық доминантты остеопетроз ересектерде жеңіл белгілермен көрінеді, олардың сүйектері шағыл болғандықтан жиі сүйек сынуларына ұшырайды. Адамдарда рецессивті остеопетрозға себеп болатын үш ген анықталды. Бұл гендердің барлығы сүйек резорбциясы үшін қажетті протонның түзілуі мен шығарылу жолдарына тікелей қатысады. Бір ген – карбоангидраза II (CAII), оның мутациясы бүйрек түтікшесінің ацидозымен (3-түрі) остеопетрозға әкеледі. Хлоридтік канал ClC7 генінің мутациясы да доминантты және рецессивті остеопетрозға соқтырады. Адамдарда остеокластарда табылған V АТФазаның а3 изоформасының суббірлігінде 26 мутация анықталды, бұл аутосомдық рецессивті остеопетрозбен сипатталатын сүйек ауруына әкеледі.

Дистальді бүйрек түтіктерінің ацидозы (dRTA)

Бүйректегі протон секрециясындағы V АТФаза белсенділігінің маңыздылығын мұрагерлік ауру – дистальды бүйрек түтікшелі ацидозы көрсетеді. Барлық жағдайларда бүйрек түтікшелі ацидозы жүйелік pH-ты реттейтін қалыпты бүйрек механизмдерінің жетіспеушілігінен туындайды. Бүйрек түтікшелі ацидозының төрт түрі бар. 1-тип – дистальды бүйрек түтікшелі ацидозы, ол бүйрек қабыршақ жинағыш түтікшесінің мочаны pH 5-тен төмен қышқылдандыру қабілетінің жетіспеушілігінен болады. Аутосомалық рецессивті dRTA-сы бар кейбір пациенттерде сенсорлы-жүйкелік есту қабілетінің төмендеуі байқалады. Осы типтегі RTA-ның тұқым қуалаушылығы V АТФазаның B1 изоформасының немесе a4 изоформасының, немесе Cl/HCO3 алмастырғышы 3-жолақтың (AE1 деп те аталады) мутацияларынан туындайды. V АТФазаның B1 изоформасындағы он екі түрлі мутация және a4 изоформасындағы жиырма төрт түрлі мутация дистальды бүйрек түтікшелі ацидозына (dRTA) алып келеді. Ауру балалық жаста басталады және бұлшық әлсіздігі баяу дамиды, әдетте аяқтардан басталады, ал кейбір науқастар қарт жаста мүгедектер арбасына мұқтаж болуы мүмкін. Vma21 ақуызы V АТФазаның құралуына көмектеседі, ал XMEA-мен байланысты мутациялар V АТФаза белсенділігінің төмендеуіне және лизосомалық pH-тың жоғарылауына әкеледі.

Номенклатура

Vo термині кіші әріпті "o" (сан "нөл" емес) төменгі индексте жазылады. Бұл "o" олигомицинды білдіреді, ол F АТФазадағы гомологты аймаққа байланысады. NCBI базасындағы адам гендерінің белгіленуінде "o" әрпінің орнына "нөл" саны қолданылатынын атап өткен жөн. Мысалы, Vo адамның c суббөлігінің гені NCBI гендік деректер базасында "ATP6V0C" (нөлмен) деп тізімделген, ал емес "ATP6VOC" (o әрпімен). Көптеген ғылыми еңбектерде де осы қателік кездеседі.