Введение
Протеинокодирующий ген вида Homo sapiens. Холиноацетилтрансфераза (обычно обозначаемая как ChAT, иногда CAT) — это фермент трансфераза, ответственный за синтез нейромедиатора ацетилхолина. ChAT катализирует перенос ацетильной группы от кофермента ацетил-КоА к холину с образованием ацетилхолина (ACh). ChAT содержится в высокой концентрации в холинергических нейронах как в центральной нервной системе (ЦНС), так и в периферической нервной системе (ПНС). Как и большинство белков нервных окончаний, ChAT синтезируется в теле нейрона и транспортируется к нервному окончанию, где его концентрация максимальна. Обнаружение ChAT в нервной клетке позволяет классифицировать эту клетку как "холинергический" нейрон. У человека фермент холиноацетилтрансфераза кодируется геном CHAT.
Choline acetyltransferase (commonly abbreviated as ChAT, but sometimes CAT) is a transferase enzyme responsible for the synthesis of the neurotransmitter acetylcholine. ChAT catalyzes the transfer of an acetyl group from the coenzyme acetyl CoA to choline, yielding acetylcholine (ACh). ChAT is found in high concentration in cholinergic neurons, both in the central nervous system (CNS) and peripheral nervous system (PNS). As with most nerve terminal proteins, ChAT is produced in the body of the neuron and is transported to the nerve terminal, where its concentration is highest. Presence of ChAT in a nerve cell classifies this cell as a "cholinergic" neuron. In humans, the choline acetyltransferase enzyme is encoded by the CHAT gene.
История
Холиноацетилтрансфераза была впервые описана Дэвидом Нахмансоном и А. Л. Мачадо в 1943 году. Немецкий биохимик Нахмансон изучал процесс проведения нервных импульсов и использование энергии в химических реакциях в клетках, развивая работы нобелевских лауреатов Отто Варбурга и Отто Мейерхофа о ферментации, гликолизе и сокращении мышц. Основываясь на предыдущих исследованиях, показавших, что "воздействие ацетилхолина на структурные белки" отвечает за нервные импульсы, Нахмансон и Мачадо исследовали происхождение ацетилхолина. Был выделен фермент из мозга и нервной ткани, который формирует ацетилхолин. Формирование происходит только в присутствии аденозинтрифосфата (АТФ). Этот фермент был назван холиноацетилтрансферазой. Впоследствии, в 1951 году, был открыт ацетил-КоА, который в то время назывался "активным ацетатом". Трехмерная структура ChAT, выделенной из крыс, была установлена лишь спустя почти 60 лет, в 2004 году.
Структура
3D-структура ChAT была определена с помощью рентгеновской кристаллографии. Холин связан в активном центре ChAT посредством нековалентных взаимодействий между положительно заряженной аминогруппой холина и гидроксильной группой Tyr552, а также водородной связью между гидроксильной группой холина и остатком гистидина His324. Субстрат холин помещается в углубление внутри ChAT, а ацетил-КоА – в углубление на поверхности белка. Трехмерная кристаллическая структура показывает, что ацетильная группа ацетил-КоА прилегает к карману связывания холина, минимизируя расстояние между донором и акцептором ацетильной группы.
Гомология
ChAT высоко консервативен в геномах животных. Особенно высокая степень сходства последовательностей наблюдается среди млекопитающих. Например, последовательности ChAT человека и кошки (Felis catus) идентичны на 89%. С Drosophila сходство последовательностей составляет около 30%.
Формы ЧАТ
Существует две формы ChAT: растворимая и мембранно-связанная. Растворимая форма составляет 80–90% от общей активности фермента, а мембранно-связанная – оставшиеся 10–20%. Однако долгое время ведутся споры о том, каким образом последняя форма ChAT связана с мембраной. Мембранно-связанная форма ChAT ассоциирована с синаптическими везикулами.
Общие и периферические изоформы ChAT
Существует две изоформы ChAT, обе кодируются одной и той же последовательностью. Общий тип ChAT присутствует как в ЦНС, так и в ПНС. Периферический тип ChAT преимущественно экспрессируется в ПНС у человека и возникает в результате пропуска экзонов (экзоны 6–9) во время посттранскрипционной модификации. Поэтому аминокислотная последовательность очень похожа, однако отсутствуют части последовательности, присутствующие в другой изоформе. Эта изоформа была обнаружена в 2000 году на основе наблюдений, что антитела к ChAT, полученные из мозга, не окрашивали периферические холинергические нейроны так, как нейроны мозга. Этот механизм сплайсинга генов, приводящий к различиям, наблюдался у различных видов, включая позвоночных млекопитающих и беспозвоночных моллюсков, что позволяет предположить, что этот механизм дает некоторое еще не выявленное эволюционное преимущество.
Функция
Холинергические системы участвуют в многочисленных неврологических функциях. Нарушения в некоторых холинергических нейронах могут объяснять расстройства, возникающие при болезни Альцгеймера. Белок, кодируемый этим геном, синтезирует нейромедиатор ацетилхолин. Ацетилхолин воздействует на два класса рецепторов в центральной нервной системе – мускариновые и никотиновые, каждый из которых участвует в различных физиологических ответах. Роль ацетилхолина в никотиновых рецепторах все еще изучается. Вероятно, он вовлечен в пути вознаграждения и подкрепления, что подтверждается вызывающей привыкание природой никотина, который также связывается с никотиновыми рецепторами. Мускариновое действие ацетилхолина в ЦНС связано с процессами обучения и памяти. Потеря холинергической иннервации неокортекса ассоциируется с потерей памяти, что наблюдается в тяжелых случаях болезни Альцгеймера. В периферической нервной системе холинергические нейроны участвуют в контроле висцеральных функций, таких как, в частности, сокращение сердечной мышцы и функции желудочно-кишечного тракта. Он часто используется в качестве иммуногистохимического маркера для мотонейронов.
Мутации
Мутанты ChAT были выделены у нескольких видов, включая C. elegans, Drosophila и человека. Большинство нелетальных мутантов с фенотипом, отличным от дикого типа, проявляют некоторую активность, но значительно меньшую, чем у дикого типа. У C. elegans несколько мутаций в ChAT были отслежены до гена cha 1. Все мутации приводят к значительному снижению активности ChAT. В некоторых случаях потеря активности может составлять более 98%. Фенотипические эффекты включают замедленный рост, уменьшение размеров тела, нарушение координации движений и отсутствие чувствительности к ингибиторам холинэстеразы. Изолированные температурно-чувствительные мутанты Drosophila оказались летальными. До наступления смерти пораженные мухи демонстрируют изменения в поведении, включая неконтролируемые движения и изменения в активности электроретинограммы. Ген человека, ответственный за кодирование ChAT, – CHAT. Мутации в гене CHAT связаны с врожденным миастеническим синдромом, заболеванием, приводящим к общему дефициту двигательной функции и слабости. Дополнительные симптомы включают фатальное апноэ. Из десяти выделенных мутантов у одного полностью отсутствует активность, у восьми наблюдается значительное снижение активности, а функция одного неизвестна.
Болезнь Альцгеймера
Болезнь Альцгеймера (БА) характеризуется нарушениями памяти и когнитивных функций. Концентрации ацетилхолина и ChAT значительно снижены в неокортексе и гиппокампе головного мозга. Хотя потеря клеток и дисфункция холинергических нейронов рассматриваются как факторы, способствующие развитию болезни Альцгеймера, они обычно не считаются первичным фактором в развитии этого заболевания. Предполагается, что агрегация и отложение бета-амилоидного белка нарушает метаболизм нейронов и дополнительно повреждает холинергические аксоны в коре головного мозга и холинергические нейроны в базальном переднем мозге.
Амиотрофический латеральный склероз
Амиотрофический латеральный склероз (АЛС) – одно из наиболее распространенных заболеваний двигательных нейронов. При АЛС отмечается значительная потеря иммунореактивности к ChAT. Предполагается, что холинергическая функция вовлечена в неконтролируемое повышение внутриклеточной концентрации кальция, причина которого до сих пор не установлена.
Наркотики
Неостигмин метилсульфат, антихолинэстеразный препарат, использовался для воздействия на ChAT. В частности, было показано, что применение неостигмина метилсульфата оказывает положительное действие при врожденном миастеническом синдроме. Воздействие эстрадиола было показано увеличивающим уровень ChAT у самок крыс.