Введение
Протамины – это небольшие, богатые аргинином ядерные белки, которые замещают гистоны на поздней стадии гаплоидной фазы сперматогенеза и считаются необходимыми для конденсации головки сперматозоида и стабилизации ДНК. Они могут обеспечивать более плотную упаковку ДНК в сперматозоиде, чем гистоны, но должны быть распакованы, прежде чем генетическая информация сможет быть использована для синтеза белка. Однако часть генома сперматозоида упакована гистонами (10–15% у человека и других приматов), которые предположительно связывают гены, важные для раннего эмбрионального развития. Протамины и протаминоподобные (PL) белки в совокупности известны как специфические для спермы ядерные основные белки (SNBPs). PL-белки занимают промежуточное положение по структуре между протомином и гистоном H1. C-концевой домен PL-белков может являться предшественником протомина у позвоночных.
Сперматогенез
Во время образования сперматозоидов протомин связывается с фосфатным остовом ДНК, используя богатый аргинином домен в качестве якоря. Затем ДНК складывается в тороид – структуру в форме кольца, хотя механизм этого процесса неизвестен. В ядре сперматозоида может содержаться до 50 000 тороидных структур, при этом каждый тороид содержит около 50 килобаз. Перед формированием тороида гистоны удаляются из ДНК переходными ядерными белками, чтобы протомин мог осуществить её конденсацию. Последствия этого изменения включают: 1) повышение гидродинамических свойств сперматозоида для улучшения его подвижности в жидкости за счет уменьшения размера головки; 2) снижение частоты повреждений ДНК; 3) удаление эпигенетических маркеров, возникающих при модификациях гистонов. Структура головки сперматозоида также связана с уровнем протамина. Было установлено, что соотношение протамина 2 к протамину 1 и переходным ядерным белкам изменяет форму головки сперматозоида у различных видов мышей, влияя на экспрессию протамина 2 посредством мутаций в промоторной области. Снижение этого соотношения повышает конкурентоспособность сперматозоидов у видов рода Mus. Однако необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, как это соотношение влияет на форму головки и оказывает ли моногамия влияние на этот отбор. Исследования на людях показывают, что мужчины с нарушенным балансом Prm1/Prm2 страдают от субфертильности или бесплодия. Протамин 2 кодируется в виде более длинного белка, требующего отщепления N-концевого фрагмента для приобретения функциональности. Протамин человека и шимпанзе подвергся быстрой эволюции.
Медицинское применение
При смешивании с инсулином протамины замедляют начало действия и увеличивают продолжительность действия инсулина (см. инсулин NPH). Протамин используется в кардиохирургии, сосудистой хирургии и интервенционной радиологии для нейтрализации антикоагулянтного эффекта гепарина. Нежелательные эффекты включают повышение давления в легочной артерии и снижение периферического артериального давления, потребления кислорода миокардом, сердечного выброса и частоты сердечных сокращений. Протамин сульфат является антидотом при передозировке гепарином, но возможна тяжелая аллергическая реакция. Укороченная версия протамина также действует как мощный антагонист гепарина, но с заметно сниженной антигенностью. Изначально он был получен в виде смеси, созданной путем термолизинового расщепления протамина, но впоследствии была выделена фактическая эффективная пептидная последовательность VSRRRRRRGGRRRR. Также был синтезирован аналог этого пептида. В генной терапии способность протаминсульфата конденсировать плазмидную ДНК, наряду с одобрением Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA), делает его перспективным кандидатом для повышения эффективности трансдукции как вирусными, так и невирусными методами доставки (например, с использованием катионных липосом). Протамин может применяться в качестве лекарственного средства для профилактики ожирения. Показано, что протамин препятствует увеличению массы тела и уровня липопротеинов низкой плотности у крыс на диете с высоким содержанием жиров. Этот эффект обусловлен ингибированием активности липазы – фермента, ответственного за переваривание и всасывание триацилглицеролов, что приводит к снижению всасывания пищевых жиров. При лечении крыс протомином повреждений печени не выявлено. Однако эмульгирование жирных кислот с длинной цепью для переваривания и всасывания в тонком кишечнике у людей происходит менее стабильно, чем у крыс, что может повлиять на эффективность протамина как лекарственного средства. Кроме того, пептидазы человека могут расщеплять протамин с разной скоростью, поэтому необходимы дополнительные исследования для определения способности протамина предотвращать ожирение у людей.
Распределение видов и изоформы
У мышей и людей есть одна форма протамина вследствие мутации в гене PRM2. У крыс, несмотря на наличие гена PRM2, экспрессия этого белка крайне низка из-за ограниченной транскрипции, обусловленной неэффективным промотором, а также из-за нарушения процессинга мРНК-транскрипта.
млекопитающие
Два человеческих протомина обозначаются PRM1 и PRM2. У мышей и людей PRM1, PRM2 и TNP2 расположены в консервативном геномном кластере. У эутериевых млекопитающих обычно присутствуют как PRM1, так и PRM2. Метатерии, напротив, имеют только гомолог P1. Первичная структура протамина P1, протамина, используемого для упаковки ДНК в сперматозоидах, у плацентарных млекопитающих обычно состоит из 49 или 50 аминокислот. Эта последовательность разделена на три отдельных домена: домен, богатый аргинином, для связывания ДНК, фланкированный более короткими пептидными последовательностями, содержащими преимущественно остатки цистеина. Домен, богатый аргинином, состоит из 3-11 аргининных остатков и консервативен между протаминами рыб и протамином 1 млекопитающих, демонстрируя примерно 60-80% идентичности последовательностей. Широко распространено мнение, что протамин формирует бета-структуры, которые затем сшиваются посредством дисульфидных связей (и потенциально дитирозиновых и цистеин-тирозиновых связей). Когда протамин P1 связывается с ДНК, цистеин из аминотерминала одного протамина P1 образует дисульфидные связи с цистеином из карбокситерминала другого протамина P1. Нейтрализуя заряд фосфатного остова, протамин позволяет ДНК более плотно скручиваться. Дисульфидные связи предотвращают диссоциацию протамина P1 от ДНК до тех пор, пока связи не будут восстановлены, когда сперматозоид проникает в яйцеклетку. Эти длинные протаминные полимеры затем могут оборачиваться вокруг ДНК в пределах большой канавки.