Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Белок млекопитающих, обнаруженный у человека.
Mammalian protein found in humans
Белок-предшественник амилоида бета (APP) — это интегральный мембранный белок, экспрессируемый во многих тканях и концентрирующийся в синапсах нейронов. Он функционирует как клеточный поверхностный рецептор и участвует в регуляции формирования синапсов, нейронной пластичности, антимикробной активности и экспорта железа. Кодируется геном APP и регулируется представлением субстрата. APP наиболее известен как молекула-предшественник, протеолиз которой приводит к образованию бета-амилоида (Aβ) — полипептида, содержащего от 37 до 49 аминокислотных остатков, чья амилоидная фибриллярная форма является основным компонентом амилоидных бляшек, обнаруживаемых в мозге пациентов с болезнью Альцгеймера.
Amyloid beta precursor protein (APP) is an integral membrane protein expressed in many tissues and concentrated in the synapses of neurons. It functions as a cell surface receptor and has been implicated as a regulator of synapse formation, neural plasticity, antimicrobial activity, and iron export. It is coded for by the gene APP and regulated by substrate presentation. APP is best known as the precursor molecule whose proteolysis generates amyloid beta (Aβ), a polypeptide containing 37 to 49 amino acid residues, whose amyloid fibrillar form is the primary component of amyloid plaques found in the brains of Alzheimer's disease patients.
Генетика
Белок-предшественник бета-амилоида – древний и высококонсервативный белок. У человека ген APP расположен на 21-й хромосоме и содержит 18 экзонов, занимающих 290 килобаз. У человека выявлено несколько альтернативно сплайсируемых изоформ АПП длиной от 639 до 770 аминокислот, при этом определенные изоформы преимущественно экспрессируются в нейронах; изменения в нейронном соотношении этих изоформ ассоциируются с болезнью Альцгеймера. Гомологичные белки обнаружены у других организмов, таких как Drosophila (дрозофила), C. elegans (нематода) и у всех млекопитающих. Бета-амилоидный регион белка, расположенный в трансмембранном домене, недостаточно консервативен между видами и не имеет очевидной связи с биологическими функциями АПП в его естественном состоянии. Например, несколько мутаций вне области Aβ, связанных с семейной формой болезни Альцгеймера, оказались способными значительно увеличивать продукцию Aβ. Мутация (A673T) в гене APP обеспечивает защиту от болезни Альцгеймера. Эта замена находится рядом с сайтом расщепления бета-секретазой и приводит к снижению образования бета-амилоида in vitro на 40%.
Amyloid beta precursor protein is an ancient and highly conserved protein. In humans, the gene APP is located on chromosome 21 and contains 18 exons spanning 290 kilobases. Several alternative splicing isoforms of APP have been observed in humans, ranging in length from 639 to 770 amino acids, with certain isoforms preferentially expressed in neurons; changes in the neuronal ratio of these isoforms have been associated with Alzheimer's disease. Homologous proteins have been identified in other organisms such as Drosophila (fruit flies), C. elegans (roundworms), and all mammals. The amyloid beta region of the protein, located in the membrane spanning domain, is not well conserved across species and has no obvious connection with APP's native state biological functions. For example, several mutations outside the Aβ region associated with familial Alzheimer's have been found to dramatically increase production of Aβ. A mutation (A673T) in the APP gene protects against Alzheimer's disease. This substitution is adjacent to the beta secretase cleavage site and results in a 40% reduction in the formation of amyloid beta in vitro.
Структура
В последовательности APP обнаружен ряд различных структурных доменов, которые преимущественно сворачиваются самостоятельно. Внеклеточная область, значительно больше внутриклеточной, разделена на домены E1 и E2, соединенные кислым доменом (AcD); E1 содержит два субдомена, включая домен, подобный фактору роста (GFLD), и медь-связывающий домен (CuBD), тесно взаимодействующие друг с другом. Домен ингибитора серинпротеазы, отсутствующий в изоформе, дифференциально экспрессируемой в мозге, расположен между кислой областью и доменом E2. Полная кристаллическая структура APP пока не установлена; однако отдельные домены были успешно кристаллизованы, включая домен, подобный фактору роста, домен связывания меди и полный домен E1. Обычно APP расщепляется протеазами семейства секретаз; альфа-секретаза и бета-секретаза удаляют почти весь внеклеточный домен, высвобождая мембранно-связанные карбокси-терминальные фрагменты, которые могут быть связаны с апоптозом. Амилоидогенная обработка APP связана с ее присутствием в липидных плотах. Когда молекулы APP находятся в липидном плоту мембраны, они становятся более доступными и подвергаются дифференцированному расщеплению бета-секретазой, в то время как молекулы APP вне плота расщепляются дифференцированно неамилоидогенной альфа-секретазой. Активность гамма-секретазы также ассоциируется с липидными плотами. Роль холестерина в поддержании липидных плотов была предложена в качестве вероятного объяснения наблюдений, что высокий уровень холестерина и генотип аполипопротеина Е являются основными факторами риска болезни Альцгеймера.
A number of different structural domains that fold mostly on their own have been found in the APP sequence. The extracellular region, much larger than the intracellular region, is divided into the E1 and E2 domains, linked by an acidic domain (AcD); E1 contains two subdomains including a growth factor like domain (GFLD) and a copper binding domain (CuBD) interacting tightly together. A serine protease inhibitor domain, absent from the isoform differentially expressed in the brain, is found between acidic region and E2 domain. The complete crystal structure of APP has not yet been solved; however, individual domains have been successfully crystallized, the growth factor like domain, the copper binding domain, the complete E1 domain It is commonly cleaved by proteases in the secretase family; alpha secretase and beta secretase both remove nearly the entire extracellular domain to release membrane anchored carboxy terminal fragments that may be associated with apoptosis. The amyloidogenic processing of APP has been linked to its presence in lipid rafts. When APP molecules occupy a lipid raft region of membrane, they are more accessible to and differentially cleaved by beta secretase, whereas APP molecules outside a raft are differentially cleaved by the non amyloidogenic alpha secretase. Gamma secretase activity has also been associated with lipid rafts. The role of cholesterol in lipid raft maintenance has been cited as a likely explanation for observations that high cholesterol and apolipoprotein E genotype are major risk factors for Alzheimer's disease.
Биологическая функция
Хотя изначальная биологическая роль АПП представляет очевидный интерес для исследований болезни Альцгеймера, глубокое понимание её пока не достигнуто. Исследователи часто используют экспериментальные модели болезни Альцгеймера, чтобы лучше понять биологическую функцию АПП в патогенезе и развитии заболевания.
Although the native biological role of APP is of obvious interest to Alzheimer's research, thorough understanding has remained elusive. Experimental models of Alzheimer's disease are commonly used by researchers to gain better understandings about the biological function of APP in disease pathology and progression.
Соматическая рекомбинация
В нейронах человеческого мозга соматическая рекомбинация часто происходит в гене, кодирующем APP. Нейроны людей со спорадической болезнью Альцгеймера демонстрируют большее разнообразие гена APP вследствие соматической рекомбинации, чем нейроны здоровых людей. Кроме того, установлено, что взаимодействие между APP и кинезином специфично к пептидной последовательности APP. В недавнем эксперименте, включавшем транспорт пептидно-конъюгированных цветных бусин, контрольные бусины были конъюгированы с одной аминокислотой – глицином, таким образом, чтобы они имели ту же терминальную карбоксильную группу, что и APP, но без промежуточной последовательности из 15 аминокислот, указанной выше. Контрольные бусины не перемещались, что продемонстрировало, что терминальный фрагмент COOH пептидов недостаточен для осуществления транспорта.
In neurons of the human brain, somatic recombination occurs frequently in the gene that encodes APP. Neurons from individuals with sporadic Alzheimer's disease show greater APP gene diversity due to somatic recombination than neurons from healthy individuals. Additionally, it has been shown that the interaction between APP and kinesin is specific to the peptide sequence of APP. In a recent experiment involving transport of peptide conjugated colored beads, controls were conjugated to a single amino acid, glycine, such that they display the same terminal carboxylic acid group as APP without the intervening 15 amino acid sequence mentioned above. The control beads were not motile, which demonstrated that the terminal COOH moiety of peptides is not sufficient to mediate transport.
Экспорт железа
Другой взгляд на болезнь Альцгеймера представлен исследованием на мышах, которое показало, что APP обладает ферроксидазной активностью, подобной церулоплазмину, облегчая экспорт железа посредством взаимодействия с ферропортином; представляется, что эта активность блокируется цинком, захваченным накопленным Aβ при болезни Альцгеймера. Гипотеза о том, что APP обладает ферроксидазной активностью в своем E2-домене и способствует экспорту Fe(II), возможно, неверна, поскольку предполагаемый ферроксидазный центр APP, расположенный в E2-домене, не проявляет ферроксидазную активность. Поскольку APP не обладает ферроксидазной активностью в пределах своего E2-домена, механизм модуляции APP выброса железа из ферропортина подвергся пристальному изучению. Одна из моделей предполагает, что APP стабилизирует белок ферропортина в плазматической мембране клеток, тем самым увеличивая общее количество молекул ферропортина на мембране. Эти транспортеры железа затем могут быть активированы известными ферроксидазами млекопитающих (например, церулоплазмином или гефаэстином).
A different perspective on Alzheimer's is revealed by a mouse study that has found that APP possesses ferroxidase activity similar to ceruloplasmin, facilitating iron export through interaction with ferroportin; it seems that this activity is blocked by zinc trapped by accumulated Aβ in Alzheimer's. The hypothesis that APP has ferroxidase activity in its E2 domain and facilitates export of Fe(II) is possibly incorrect since the proposed ferroxidase site of APP located in the E2 domain does not have ferroxidase activity. As APP does not possess ferroxidase activity within its E2 domain, the mechanism of APP modulated iron efflux from ferroportin has come under scrutiny. One model suggests that APP acts to stabilize the iron efflux protein ferroportin in the plasma membrane of cells thereby increasing the total number of ferroportin molecules at the membrane. These iron transporters can then be activated by known mammalian ferroxidases (i. e. ceruloplasmin or hephaestin).
Гормональная регуляция
Белки-предшественники амилоида β (AβPP) и все связанные с ними секретазы экспрессируются на ранних стадиях развития и играют ключевую роль в эндокринологии репродукции – дифференциальная обработка AβPP секретазами регулирует пролиферацию эмбриональных стволовых клеток человека (hESC), а также их дифференцировку в нейронные предшественники (NPC). Гормон беременности – хорионический гонадотропин человека (hCG) повышает экспрессию AβPP и пролиферацию hESC, в то время как прогестерон направляет обработку AβPP по неамилоидогенному пути, что способствует дифференцировке hESC в NPC. AβPP и его продукты расщепления не стимулируют пролиферацию и дифференцировку постмитотических нейронов; напротив, сверхэкспрессия как дикого типа, так и мутантного AβPP в постмитотических нейронах индуцирует апоптотическую гибель после их повторного вхождения в клеточный цикл. Предполагается, что потеря половых стероидов (включая прогестерон), но повышение уровня лютеинизирующего гормона, взрослого эквивалента hCG, после менопаузы и во время андропаузы стимулирует продукцию амилоида β и повторное вхождение постмитотических нейронов в клеточный цикл.
The amyloid β precursor protein (AβPP), and all associated secretases, are expressed early in development and play a key role in the endocrinology of reproduction – with the differential processing of AβPP by secretases regulating human embryonic stem cell (hESC) proliferation as well as their differentiation into neural precursor cells (NPC). The pregnancy hormone human chorionic gonadotropin (hCG) increases AβPP expression and hESC proliferation while progesterone directs AβPP processing towards the non amyloidogenic pathway, which promotes hESC differentiation into NPC. AβPP and its cleavage products do not promote the proliferation and differentiation of post mitotic neurons; rather, the overexpression of either wild type or mutant AβPP in post mitotic neurons induces apoptotic death following their re entry into the cell cycle. It is postulated that the loss of sex steroids (including progesterone) but the elevation in luteinizing hormone, the adult equivalent of hCG, post menopause and during andropause drives amyloid β production and re entry of post mitotic neurons into the cell cycle.