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.

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.