Глиальная кислая фибриллярная белка (GFAP): структура, функции и роль в ЦНС

Введение

Белок промежуточного филамента типа III

Глиальный фибриллярный кислый белок (GFAP) — белок, кодируемый геном GFAP у человека. Это белок промежуточного филамента (IF) типа III, который экспрессируется во многих типах клеток центральной нервной системы (ЦНС), включая астроциты и клетки эпендимы в процессе развития. Также было обнаружено, что GFAP экспрессируется в гломерулах и перитубулярных фибробластах, полученных из почек крыс, клетках Лейдига яичка у хомяков и людей, кератиноцитах человека, остеоцитах и хондроцитах человека, а также в звездчатых клетках поджелудочной железы и печени крыс. GFAP тесно связан с тремя другими неэпителиальными представителями семейства IF типа III: виментином, десмином и периферином, которые участвуют в структуре и функции цитоскелета клетки. Считается, что GFAP способствует поддержанию механической прочности астроцитов и формы клеток, однако его точная функция остается недостаточно изученной, несмотря на многочисленные исследования, в которых он используется в качестве клеточного маркера. Белок был назван и впервые выделен и охарактеризован Лоуренсом Ф. Энгом в 1969 году. У человека он локализуется на длинном плече 17-й хромосомы.

Структура

Промежуточные филаменты типа III содержат три домена: головной, стержневой и хвостовой. Специфическая последовательность ДНК для стержневого домена может различаться у разных промежуточных филаментов типа III, но структура белка остается высоко консервативной. Этот стержневой домен обвивается вокруг стержневого домена другой филаменты, образуя димер, при этом N-концевые и C-концевые участки каждой филаменты выровнены. Филаменты типа III, такие как GFAP, способны образовывать как гомодимеры, так и гетеродимеры; GFAP может полимеризоваться с другими белками типа III. GFAP и другие белки промежуточных филаментов типа III не могут собираться с кератинами – промежуточными филаментами типов I и II: в клетках, экспрессирующих оба типа белков, формируются две отдельные сети промежуточных филаментов, что может обеспечивать специализацию и повышенную вариабельность. Для формирования сетей начальные димеры GFAP объединяются в ступенчатые тетрамеры, которые являются основными субъединицами промежуточного филамента. Поскольку одни лишь стержневые домены in vitro не образуют филаменты, для формирования филаментов необходимы не спиральные головной и хвостовой домены.

Функция в центральной нервной системе

GFAP экспрессируется в центральной нервной системе в астроцитах, а концентрация GFAP варьируется в разных областях ЦНС, причём самые высокие уровни обнаружены в продолговатом мозге, шейном сегменте спинного мозга и гиппокампе. Он участвует во многих важных процессах ЦНС, включая межклеточное взаимодействие и функционирование гематоэнцефалического барьера. Показано, что GFAP играет роль в митозе, регулируя сеть филаментов в клетке. Во время митоза наблюдается увеличение количества фосфорилированного GFAP и перемещение этого модифицированного белка к расщелительной борозде. В работе участвуют различные наборы киназ: киназа cdc2 активна только на переходе фазы G2, в то время как другие GFAP-киназы активны исключительно в расщелительной борозде. Эта локальная специфичность обеспечивает точную регуляцию распределения GFAP между дочерними клетками. Исследования также показали, что мыши с нокаутом по гену GFAP подвержены множественным дегенеративным процессам, включая аномальную миелинизацию, ухудшение структуры белого вещества и функционально-структурные нарушения гематоэнцефалического барьера. Эти данные свидетельствуют о необходимости GFAP для выполнения многих критических функций в ЦНС. Предполагается, что GFAP играет роль во взаимодействии астроцитов и нейронов, а также в межклеточной коммуникации. In vitro, при использовании антисмысловой РНК, астроциты, лишённые GFAP, не формируют отростки, обычно присутствующие у нейронов. Исследования также показали, что клетки Пуркинье у мышей с нокаутом по гену GFAP не имеют нормальной структуры, и эти мыши демонстрируют дефицит в экспериментах по обучению, таких как тест с моргательным рефлексом. Биохимические исследования GFAP выявили фосфорилирование, зависимое от MgCl2 и/или кальция/кальмодулина, в различных сериновых или треониновых остатках под действием PKC и PKA – двух киназ, важных для цитоплазматической трансдукции сигналов. Эти данные подчеркивают важность GFAP для межклеточной коммуникации. Также было показано, что GFAP играет важную роль в восстановлении после повреждений ЦНС, в частности, в формировании глиальных рубцов в различных областях ЦНС, включая глаз и мозг.

GFAP is expressed in the central nervous system in astrocyte cells, and the concentration of GFAP differs between different regions in the CNS, where the highest levels are found in medulla oblongata, cervical spinal cord and hippocampus. It is involved in many important CNS processes, including cell communication and the functioning of the blood brain barrier. GFAP has been shown to play a role in mitosis by adjusting the filament network present in the cell. During mitosis, there is an increase in the amount of phosphorylated GFAP, and a movement of this modified protein to the cleavage furrow. There are different sets of kinases at work; cdc2 kinase acts only at the G2 phase transition, while other GFAP kinases are active at the cleavage furrow alone. This specificity of location allows for precise regulation of GFAP distribution to the daughter cells. Studies have also shown that GFAP knockout mice undergo multiple degenerative processes including abnormal myelination, white matter structure deterioration, and functional/structural impairment of the blood–brain barrier. These data suggest that GFAP is necessary for many critical roles in the CNS. GFAP is proposed to play a role in astrocyte neuron interactions as well as cell cell communication. In vitro, using antisense RNA, astrocytes lacking GFAP do not form the extensions usually present with neurons. Studies have also shown that Purkinje cells in GFAP knockout mice do not exhibit normal structure, and these mice demonstrate deficits in conditioning experiments such as the eye blink task. Biochemical studies of GFAP have shown MgCl2 and/or calcium/calmodulin dependent phosphorylation at various serine or threonine residues by PKC and PKA which are two kinases that are important for the cytoplasmic transduction of signals. These data highlight the importance of GFAP for cell cell communication. GFAP has also been shown to be important in repair after CNS injury. More specifically for its role in the formation of glial scars in a multitude of locations throughout the CNS including the eye and brain.

Автоиммунная астроцитопатия GFAP

В 2016 году было описано воспалительное заболевание центральной нервной системы, связанное с антителами к GFAP. У пациентов с аутоиммунной GFAP-астроцитопатией развивался менингоэнцефаломиелит с воспалением мозговых оболочек, ткани головного мозга и спинного мозга. Примерно в трети случаев заболевание ассоциировалось с различными онкологическими заболеваниями, и у многих пациентов также обнаруживались другие аутоантитела к компонентам центральной нервной системы. Менингоэнцефалит является наиболее частым клиническим проявлением аутоиммунной GFAP-астроцитопатии, согласно опубликованным клиническим наблюдениям. Заболевание также может проявляться в сочетании с энцефаломиелитом и паркинсонизмом.

Болезненные состояния

Существует множество расстройств, связанных с нарушением регуляции GFAP, и повреждение может вызывать деструктивные реакции глиальных клеток. Глиальный рубец является следствием ряда нейродегенеративных заболеваний, а также травм, приводящих к повреждению нервной ткани. Рубец формируется в результате взаимодействия астроцитов с фиброзной тканью для восстановления глиальных границ вокруг центрального ядра повреждения и частично обусловлен повышением регуляции GFAP. Другим заболеванием, напрямую связанным с GFAP, является болезнь Александра, редкое генетическое расстройство. Его симптомы включают умственную и физическую отсталость, деменцию, увеличение головного мозга и головы, спастичность (скованность рук и/или ног) и судороги. Клеточный механизм заболевания заключается в наличии цитоплазматических включений, содержащих GFAP и белки теплового шока, известные как волокна Розенталя. Показано, что мутации в кодирующей области GFAP способствуют накоплению волокон Розенталя. Предполагается, что некоторые из этих мутаций негативно влияют на формирование цитоскелета, а также увеличивают активность каспазы 3, что приводит к усилению апоптоза клеток с этими мутациями. Таким образом, GFAP играет важную роль в патогенезе болезни Александра. Важно отметить, что сообщалось о снижении экспрессии некоторых изоформ GFAP в ответ на острую инфекцию или нейродегенерацию. Гликопротеин gp120 вирусной оболочки ВИЧ-1 может непосредственно ингибировать фосфорилирование GFAP, а уровни GFAP могут снижаться в ответ на хроническую инфекцию ВИЧ-1, ветряной оспой (varicella zoster) и псевдобешенством. Снижение экспрессии GFAP наблюдалось при синдроме Дауна, шизофрении, биполярном расстройстве и депрессии. Обычно высокая концентрация GFAP в ЦНС вызвала большой интерес к GFAP как к биомаркеру в крови при острой травме головного и спинного мозга при различных механизмах заболеваний, таких как черепно-мозговая травма и цереброваскулярные заболевания. Повышенные уровни GFAP в крови также обнаруживаются при нейровоспалительных заболеваниях, таких как рассеянный склероз и нейромиелит оптический, заболевание, поражающее астроциты.

There are multiple disorders associated with improper GFAP regulation, and injury can cause glial cells to react in detrimental ways. Glial scarring is a consequence of several neurodegenerative conditions, as well as injury that severs neural material. The scar is formed by astrocytes interacting with fibrous tissue to re establish the glial margins around the central injury core and is partially caused by up regulation of GFAP. Another condition directly related to GFAP is Alexander disease, a rare genetic disorder. Its symptoms include mental and physical retardation, dementia, enlargement of the brain and head, spasticity (stiffness of arms and/or legs), and seizures. The cellular mechanism of the disease is the presence of cytoplasmic accumulations containing GFAP and heat shock proteins, known as Rosenthal fibers. Mutations in the coding region of GFAP have been shown to contribute to the accumulation of Rosenthal fibers. Some of these mutations have been proposed to be detrimental to cytoskeleton formation as well as an increase in caspase 3 activity, which would lead to increased apoptosis of cells with these mutations. GFAP therefore plays an important role in the pathogenesis of Alexander disease. Notably, the expression of some GFAP isoforms have been reported to decrease in response to acute infection or neurodegeneration. The HIV 1 viral envelope glycoprotein gp120 can directly inhibit the phosphorylation of GFAP and GFAP levels can be decreased in response to chronic infection with HIV 1, varicella zoster, and pseudorabies. Decreases in GFAP expression have been reported in Down's syndrome, schizophrenia, bipolar disorder and depression. The generally high abundance of GFAP in the CNS has led to a great interest in GFAP as a blood biomarker of acute injury to the brain and spinal cord in different types of disease mechanisms, such as traumatic brain injury and cerebrovascular disease. Elevated blood levels of GFAP are also found in neuroinflammatory diseases, such as multiple sclerosis and neuromyelitis optica, a disease targeting astrocytes.

Взаимодействия

Было показано, что глиальный фибриллярно-кислотный белок взаимодействует с MEN1 и PSEN1.

Изоформы

Хотя GFAP-альфа – единственная изоформа, способная к гомомерной сборке, GFAP имеет 8 различных изоформ, которые идентифицируют различные подпопуляции астроцитов в мозге человека и грызунов. К этим изоформам относятся GFAP kappa, GFAP +1 и наиболее изученная на данный момент GFAP delta. GFAP delta, по-видимому, связана с нейральными стволовыми клетками (НСК) и может быть вовлечена в миграцию. GFAP+1 – это антитело, которое распознает две изоформы. Несмотря на то, что астроциты, положительные по GFAP+1, предположительно не являются реактивными астроцитами, они демонстрируют широкий спектр морфологий, включая отростки длиной до 0,95 мм (наблюдаемые в мозге человека). Экспрессия астроцитов, положительных по GFAP+1, связана с возрастом и развитием патологии болезни Альцгеймера.