Введение
Класс ферментов
Нуклеозиддифосфаткиназы (НДФК, также НДФ-киназы, (поли)нуклеотидные киназы и нуклеозидные дифосфокиназы) – это ферменты, катализирующие обратимый обмен концевым фосфатом между различными нуклеозиддифосфатами (НДФ) и трифосфатами (НТФ) с образованием нуклеотидтрифосфатов. Многие НДФ выступают в роли акцепторов, а НТФ – в роли доноров фосфатной группы. Общая реакция, протекающая по механизму «пинг-понг», выглядит следующим образом: XДФ + YТФ ⇌ XТФ + YДФ (где X и Y обозначают различные азотистые основания). Активность НДФК поддерживает равновесие между концентрациями различных нуклеозидтрифосфатов, например, при преобразовании гуанозинтрифосфата (ГТФ), образующегося в цикле лимонной кислоты (цикле Кребса), в аденозинтрифосфат (АТФ). Другие функции включают пролиферацию, дифференцировку и развитие клеток, передачу сигналов, G-белок-связанные рецепторы, эндоцитоз и экспрессию генов.
Структура
NDPK — это гомогексамерные белки, состоящие из мономеров длиной примерно 152 аминокислоты и имеющие теоретический вес 17,17 кДа. Комплекс обнаруживается в митохондриях и растворимой цитоплазме клеток.
Ингибирование AMPK
NDPK обычно потребляет АТФ, наиболее распространенный клеточный нуклеотид, и запасает нуклеотиды. Однако потребление АТФ неизбежно влияет на клеточный энергетический баланс, что влечет за собой регуляцию АМФ-активированной протеинкиназы (АМФК). АМФК выступает в роли сенсора энергии и регулирует пути метаболизма АТФ, включая или исключая пути ее генерации. Благодаря этой активности, АМФК может непосредственно ингибировать NDPK посредством фосфорилирования. В частности, NDPK поддерживает производство нуклеотидов в условиях высокой энергии и низкого стресса клетки. Однако это возможно только при инактивации АМФК, поскольку состояния низкой стрессоустойчивости клетки, характеризующиеся высоким уровнем АТФ, запускают активацию АМФК, которая в конечном итоге снижает активность NDPK путем фосфорилирования сериновых остатков.
Прокариотические системы
У большинства прокариотов фермент NDPK является тетрамерным. Его наличие было зарегистрировано у ряда патогенных микроорганизмов. Функция NDPK изучалась у Escherichia coli, Bacillus subtilis, Salmonella typhimurium, Microccocus luteus и Myxococcus xanthus. Прокариотическая NDPK формирует функциональный гомотетрамер. Активность нуклеозиддифосфаткиназы заключается в переносе γ-фосфата нуклеозидтрифосфата (NTP) на нуклеозиддифосфат (NDP), где N1 и N2 могут быть рибо- или дезоксирибонуклеозидами. Этот процесс происходит через высокоэнергетическое фосфогистидиновое промежуточное соединение. Помимо участия в синтезе пиримидиновых нуклеотидов, прокариотическая NDPK также вовлечена в несколько метаболических циклов. Также было обнаружено, что NDPK может функционировать как белковая гистидинкиназа, включающая обратимое фосфорилирование гистидина в качестве известного регуляторного сигнала. Однако у большинства прокариотов уровни экспрессии NDPK связаны с ростом, развитием и дифференцировкой клеток организма, особенно бактерий.
Функция гена Nm23
Хотя биомолекулярный механизм действия гена Nm23 в клетках в настоящее время неизвестен, как и у большинства прокариот, уровни экспрессии нуклеозиддифосфаткиназы (NDPK) определяют рост и дифференцировку клеток.
Эукариотические системы
У человека существует как минимум четыре ферментативно активные изоформы NDPK: NDPK A, NDPK B, NDPK C и NDPK D. Все четыре изоформы обладают очень схожими структурами и могут объединяться в любые комбинации, образуя функциональные гексамеры NDPK. Предполагается, что NDPK участвует в трансмембранной передаче сигналов в эукариотических клетках.
У людей
В эукариотических системах роль NDK заключается в синтезе нуклеозидных трифосфатов, отличных от АТФ. Гамма-фосфат АТФ переносится на бета-фосфат NDP посредством механизма "пинг-понг", с использованием фосфорилированного активного промежуточного соединения, что приводит к синтезу таких продуктов, как UTP. NDK обладает активностью нуклеозидной дифосфаткиназы, серин/треонин-специфической белковой киназы, геранил- и фарнезилпирофосфаткиназы, гистидинкиназы и 3'-5'-экзонуклеазы. Его функции вовлечены в пролиферацию, дифференцировку и развитие клеток, а также в экспрессию генов в клетках человека. NDK также играет роль в развитии нервной системы, включая формирование нейронных структур и определение судьбы клеток. Кроме того, NDPK участвует в процессах передачи сигналов и эндоцитозе G-белок-связанных рецепторов, осуществляя перенос фосфатной группы на Gβ-субъединицы и превращая GDP в GTP. Это повышение концентрации GTP вблизи Gα-субъединиц вызывает активацию Gα-субъединиц для G-белковой сигнализации. Помимо сигнализации, NDPK участвует в регуляции K+-каналов, клеточной секреции и производстве клеточной энергии.
В растениях
Биохимические реакции, катализируемые NDP-киназой у растений, аналогичны процессам, описанным у человека, поскольку происходит аутофосфорилирование за счет АТФ и ГТФ. Помимо этого, у растений существует четыре типа изоформ NDPK. Цитозольный NDPK I типа участвует в метаболизме, росте и реакциях на стресс у растений. NDPK II типа концентрируется в хлоропластах и предположительно участвует в процессе фотосинтеза и управлении окислительным стрессом, однако его функция пока не установлена однозначно.
Болезни, связанные с NDPK
Десять параллоговых генов кодируют белки NDPK, которые разделены на две группы. Первая группа кодирует белки, обладающие функциями NDPK. Гены второй группы кодируют различные другие белки, демонстрирующие низкую или отсутствующую активность NDPK. В первой группе один из генов, названный NM23, был идентифицирован как первый белок-супрессор метастазирования, и его ген Nm23 проявлял сниженную активность в метастатических клетках. В другом эксперименте человеческий Nm23 культивировали с раковыми клетками и наблюдали ингибирование метастазирования. Уровень белка NM23 был обратно пропорционален метастатическому потенциалу для человеческих солидных опухолей. Однако, другие типы опухолей, такие как рак яичников, нейробластома и гематологические злокачественные новообразования, демонстрировали повышенные уровни NM23 в образцах пациентов. Таким образом, для полного понимания разнообразия результатов необходимо разобраться в биологической основе семейства генов Nm23.
Сердечно-сосудистые заболевания
Nme2, один из генов NDPK, ассоциирован с функциями сердечно-сосудистой системы. Ген Nme2 известен тем, что образует комплекс с бета-субъединицей гетеротримерного G-белка в клетках сердца и регулирует сократимость сердца. Существует две функции Nme2, обеспечивающие такую регуляцию: одна – это активность гистидинкиназы, заключающаяся в фосфорилировании каналов для регулирования проницаемости, а другая – структурная функция, связанная с формированием кавеол. Нарушение взаимодействия Nme2 с кавеолином привело к снижению скорости сердечной сократимости. Кроме того, дальнейшие исследования на рыбах-зебрах показали, что истощение NDPK оказывает негативное влияние на функцию сердца.
Nme1 и Nme2 в качестве подавляющих метастазы
Велось множество дискуссий о том, отвечает ли ген NM23 за подавление или активацию метастазирования. Две противоречивые точки зрения по этому вопросу оставались неясными и неопределенными на протяжении всех исследований НДПК. Однако недавние эксперименты стали предоставлять доказательства того, что NM23 является супрессором метастазирования. Nme2 был идентифицирован как ген, подавляющий метастазы, с использованием технологии тканевых чипов и иммуногистохимии. При избыточной продукции продуктов гена Nme2 в клетках рака желудка наблюдалось снижение пролиферации, миграции и инвазии этих раковых клеток. Культуры клеток показали, что Nme2 влияет на клетки рака желудка, но остается вопрос о том, что регулирует активность Nme2 в различных типах рака. Nme1 был обнаружен в большом количестве в малометастатических подлиниях клеток меланомы. Кроме того, трансфекция Nme1 в высокометастатическую линию меланомы значительно снизила метастазирование. Эта теория была также протестирована на мышах: мыши с дефицитом Nme1 формировали больше метастазов в легких, чем мыши дикого типа, что демонстрирует подавляющую активность этого гена. Инвазия рака происходит из-за изменений в клеточной адгезии и вызывается изменениями в экспрессии генов при эпителиально-мезенхимальном переходе (EMT). Удивительно, но многие молекулы адгезии, факторы подвижности, сигнальные пути, протеолитические события, признаки EMT и другие транскрипционные программы были связаны с белками Nme1. Эти белки прерывают метастазирование, связываясь с белками, способствующими метастазированию. Белки Nme1 связываются с вирусными белками, онкогенами и другими факторами, стимулирующими метастазирование. Связывание может быть опосредованным через сигнальный комплекс.