Введение

Белки млекопитающих, обнаруженные у человека. Остеопонтин (OPN), также известный как костный/сиалопротеин I (BSP 1 или BNSP), ранняя активация Т-лимфоцитов (ETA 1), секретируемый фосфопротеин 1 (SPP1), 2ar и устойчивость к рикетсиям (Ric), – это белок, кодируемый у человека геном SPP1 (секретируемый фосфопротеин 1). Мышиный ортолог – Spp1. Остеопонтин является SIBLING (гликопротеин), впервые идентифицированным в 1986 году в остеобластах. Префикс «остео» указывает на экспрессию белка в костной ткани, хотя он также экспрессируется и в других тканях. Суффикс «понтин» происходит от латинского слова «pons», означающего «мост», и отражает роль остеопонтина как связывающего белка. Остеопонтин – это внеклеточный структурный белок и, следовательно, органический компонент кости. Ген содержит 7 экзонов, имеет длину 5 килобаз и у человека локализуется на длинном плече 4-й хромосомы в области 22 (4q1322.1). Белок состоит примерно из 300 аминокислотных остатков и содержит около 30 углеводных остатков, включая 10 остатков сиаловой кислоты, которые присоединяются к белку в процессе посттрансляционной модификации в аппарате Гольджи. Белок богат кислотными аминокислотами: 30–36% составляют остатки аспарагиновой или глутаминовой кислоты.

Структура

OPN — это белок внеклеточного матрикса с высоким отрицательным зарядом, подвергающийся интенсивному фосфорилированию и не имеющий выраженной вторичной структуры, являясь внутренне неупорядоченным белком. Ген OPN состоит из 7 экзонов, 6 из которых содержат кодирующую последовательность. Первые два экзона содержат 5'-нетранслируемую область (5'-УТР). Экзоны 2, 3, 4, 5, 6 и 7 кодируют 17, 13, 27, 14, 108 и 134 аминокислоты соответственно.

Изоформы

ОПН полной длины (OPN FL) может быть модифицирован расщеплением тромбином, что приводит к обнажению криптической последовательности SVVYGLR на расщепленной форме белка, известной как OPN R (рис. 1). Этот расщепленный тромбином OPN (OPN R) обнажает эпитоп для интегральных рецепторов α4β1, α9β1 и α9β4. Эти интегральные рецепторы присутствуют на ряде иммунных клеток, таких как тучные клетки, нейтрофилы и Т-клетки, а также экспрессируются моноцитами и макрофагами. При связывании с этими рецепторами клетки используют несколько путей передачи сигналов для запуска иммунных ответов. OPN R может быть дополнительно расщеплен карбоксипептидазой B (CPB) путем удаления C-терминального аргинина, образуя OPN L. Функция OPN L в значительной степени неизвестна. По-видимому, внутриклеточный вариант OPN (iOPN) участвует в ряде клеточных процессов, включая миграцию, слияние и подвижность. Внутриклеточный OPN генерируется с использованием альтернативного сайта инициации трансляции на той же молекуле мРНК, которая используется для генерации внеклеточной изоформы. Этот альтернативный сайт инициации трансляции расположен ниже N-терминальной сигнальной последовательности, направляющей белок в эндоплазматическую сеть, что позволяет цитоплазматической трансляции OPN. Установлено, что различные виды рака человека, включая рак молочной железы, экспрессируют сплайс-варианты OPN. Специфичными для рака сплайс-вариантами являются остеопонтин a, остеопонтин b и остеопонтин c. В остеопонтине b отсутствует экзон 5, а в остеопонтине c – экзон 4. Остеопонтин синтезируется преостеобластами, остеобластами, остеоцитами, одонтобластами, некоторыми клетками костного мозга, гипертрофическими хондроцитами, дендритными клетками, макрофагами, гладкими мышцами, миобластами скелетных мышц, эндотелиальными клетками, а также внекостными (не костными) клетками внутреннего уха, мозга, почек, децидуальной оболочки и плаценты. Синтез остеопонтина стимулируется кальцитриолом (1,25-дигидроксивитамином D3).

Регулирование

Регулирование экспрессии гена остеопонтина изучено не полностью. Различные типы клеток могут различаться по своим регуляторным механизмам гена OPN. Экспрессия OPN в костной ткани происходит преимущественно в остеобластах и остеоцитах (костеобразующих клетках), а также в остеокластах (костеразрушающих клетках). Транскрипционные факторы Runx2 (также известные как Cbfa1) и osterix (Osx) необходимы для экспрессии OPN. Runx2 и Osx связываются с промоторами генов, специфичных для остеобластов, таких как Col1α1, Bsp и Opn, и повышают транскрипцию. Гипокальциемия и гипофосфатемия (состояния, стимулирующие клетки проксимальных канальцев почек к выработке кальцитриола (1α,25-дигидроксивитамин D3)) приводят к увеличению транскрипции, трансляции и секреции OPN. Это связано с наличием высокоспецифичного элемента ответа на витамин D (VDRE) в промоторе гена OPN. Экспрессия остеопонтина (OPN) модулируется антигеном яиц Schistosoma mansoni. Антигены яиц Schistosoma mansoni непосредственно стимулируют экспрессию профиброгенной молекулы остеопонтина (OPN), а системные уровни OPN тесно коррелируют с тяжестью заболевания, что позволяет рассматривать его в качестве потенциального биомаркера заболеваемости. Исследование влияния применения празиквантела на системные уровни OPN и отложение коллагена в печени при хроническом шистосомозе у мышей показало, что лечение празиквантелом значительно снижает системные уровни OPN и отложение коллагена в печени, что указывает на то, что OPN может быть надежным инструментом для мониторинга эффективности PZQ и регрессии фиброза. Стимуляция экспрессии OPN также происходит при воздействии на клетки провоспалительных цитокинов, классических медиаторов острого воспаления (например, фактор некроза опухоли α [TNFα], интерлейкин 1β [IL 1β]), ангиотензина II, трансформирующего фактора роста β (TGFβ) и паратгормона (PTH), хотя детальное понимание механизмов этих регуляторных путей пока отсутствует. Гипергликемия и гипоксия также известны как факторы, повышающие экспрессию OPN.

Апоптоз

ОПН является важным антиапоптотическим фактором во многих ситуациях. ОПН блокирует активационно-индуцированную гибель клеток макрофагов и Т-клеток, а также фибробластов и эндотелиальных клеток, подвергающихся воздействию вредных стимулов. ОПН предотвращает неапоптотическую гибель клеток при воспалительном колите.

Биоминерализация

OPN относится к семейству секретируемых кислых белков (SIBLINGs, Small Integrin Binding LIgand N Glycosylated proteins), члены которого содержат большое количество отрицательно заряженных аминокислот, таких как Asp и Glu. OPN также имеет множество консенсусных участков последовательности для посттрансляционного фосфорилирования остатков Ser с образованием фосфосерина, что обеспечивает дополнительный отрицательный заряд. Непрерывные участки с высоким отрицательным зарядом в OPN были идентифицированы и названы мотивом polyAsp (полиаспартиновая кислота) и мотивом ASARM (мотив, богатый кислыми серином и аспартатом), причем последний содержит несколько сайтов фосфорилирования. Этот общий отрицательный заряд OPN, в сочетании с его специфическими кислыми мотивами и тем фактом, что OPN является внутренне неупорядоченным белком, позволяющим формировать открытые и гибкие структуры, обеспечивает сильное связывание OPN с ионами кальция, доступными на поверхности кристаллов различных биоминералов. Такое связывание OPN с различными типами биоминералов на основе кальция – такими как фосфат кальция в костях и зубах, карбонат кальция в отокониях внутреннего уха и скорлупе птичьих яиц, и оксалат кальция в камнях в почках – действует как ингибитор минерализации, стабилизируя переходные фазы минеральных предшественников и непосредственно связываясь с поверхностями кристаллов, что регулирует рост кристаллов. OPN является субстратом для ряда ферментов, действие которых может модулировать ингибирующую минерализацию функцию OPN. PHEX (фосфатрегулирующий эндопептидазный гомолог, сцепленный с X-хромосомой) является одним из таких ферментов, который интенсивно расщепляет OPN, а инактивирующие мутации гена (при X-сцепленной гипофосфатемии, XLH) приводят к нарушенной обработке OPN, в результате чего ингибирующий OPN не расщепляется и накапливается во внеклеточном матриксе костей (и зубов), локально способствуя развитию остеомаляции (мягких гипоминерализованных костей) и одонтомаляции (мягких зубов), характерных для XLH. OPN также экспрессируется в местах патологической, эктопической кальцификации – например, при уролитиазе. OPN закрепляет остеокласты на поверхности костей, где он иммобилизуется благодаря своим свойствам связывания минералов, что позволяет впоследствии использовать его RGD-мотив для связывания остеокластов с интегранами для прикрепления и миграции клеток. Органическая часть кости составляет около 20% сухого веса и включает, помимо остеопонтина, коллаген I типа, остеокальцин, остеонектин и щелочную фосфатазу. Коллаген I типа составляет 90% массы белка. Неорганической частью кости является минерал гидроксиапатит, Ca10(PO4)6(OH)2. Потеря костной массы может привести к остеопорозу, поскольку кости истощаются в кальции, если он не поступает с пищей. OPN инициирует процесс развития бахромчатых оборков остеокластами для начала резорбции кости. OPN содержит RGD-мотив, связывающий интеграны.

Активация клеток

Активированные Т-клетки под воздействием IL-12 дифференцируются в Th1-тип, продуцируя цитокины, включая IL-12 и IFNγ. OPN подавляет продукцию Th2-цитокина IL-10, что приводит к усилению Th1-ответа. OPN влияет на клеточный иммунитет и обладает Th1-цитокиновыми функциями. Он усиливает продукцию иммуноглобулинов и пролиферацию В-клеток.

Химотаксис

OPN играет важную роль в привлечении нейтрофилов при алкогольной болезни печени. OPN важен для миграции нейтрофилов in vitro. Кроме того, OPN привлекает воспалительные клетки к суставам при артрите в модели коллагеноиндуцированного артрита, используемой для изучения ревматоидного артрита. Недавнее исследование in vitro, проведенное в 2008 году, показало, что OPN играет роль в миграции тучных клеток. В этом исследовании культивировали тучные клетки с нокаутом по гену OPN и отметили снижение уровня хемотаксиса в этих клетках по сравнению с тучными клетками дикого типа. Также было обнаружено, что OPN действует как хемотактический фактор для макрофагов. У резус-макак OPN препятствует выходу макрофагов из мест их скопления в мозге, что свидетельствует о повышенном уровне хемотаксиса.

Иммунная система

OPN связывается с несколькими интегральными рецепторами, включая α4β1, α9β1 и α9β4, экспрессируемые лейкоцитами. Эти рецепторы хорошо известны своей ролью в клеточной адгезии, миграции и выживании этих клеток. Остеопонтин (OPN) экспрессируется в различных иммунных клетках, включая макрофаги, нейтрофилы, дендритные клетки, микроглию, а также T- и B-лимфоциты, с разной кинетикой. Сообщается, что OPN действует как иммуномодулятор различными способами. Во-первых, он обладает хемотаксическими свойствами, способствуя привлечению клеток к очагам воспаления. Он также функционирует как адгезионный белок, участвуя в прикреплении клеток и заживлении ран. Кроме того, OPN опосредует активацию клеток и продукцию цитокинов, а также способствует выживанию клеток, регулируя апоптоз. Однако другие исследователи не смогли воспроизвести это наблюдение. Было установлено, что OPN играет роль и в других аутоиммунных заболеваниях, таких как аутоиммунный гепатит, аллергические заболевания дыхательных путей и рассеянный склероз.

Аллергия и астма

Остеопонтин в последнее время связывают с аллергическим воспалением и астмой. Экспрессия Opn значительно повышена в эпителиальных и субепителиальных клетках легких у пациентов с астмой по сравнению со здоровыми людьми. Экспрессия OPN также повышается в легких мышей с аллергическим воспалением дыхательных путей. Более того, недавно было показано, что экспрессия OPN повышена при астме у людей, связана с изменениями, происходящими при ремоделировании, и ее субепителиальная экспрессия коррелирует со степенью тяжести заболевания. Также сообщалось об увеличении уровня OPN в супернатанте мокроты у курящих астматиков, а также в жидкости бронхоальвеолярного лаважа и ткани бронхов у курящих контрольной группы и пациентов с астмой.

Колит

ОПН повышен при воспалительных заболеваниях кишечника (ВЗК). Экспрессия Opn значительно увеличена в кишечных иммунных и неиммунных клетках, а также в плазме пациентов с болезнью Крона (БК) и язвенным колитом (ЯК), равно как и в толстой кишке и плазме мышей с экспериментальным колитом. Повышенные уровни Opn в плазме связаны с тяжестью воспаления при БК, а определенные гаплотипы гена Opn (Spp1) модифицируют восприимчивость к БК. Opn также играет провоспалительную роль при колитах, индуцированных TNBS и декстрансульфатом натрия (DSS) – моделях ВЗК на мышах. Opn был обнаружен в высокой степени экспрессированным в специфическом подмножестве дендритных клеток (ДЦ), происходящих из мезентериальных лимфатических узлов (МЛУ) мышей, и обладает выраженной провоспалительной активностью в отношении колита. Дендритные клетки играют важную роль в развитии воспаления кишечника у людей с ВЗК и у мышей с экспериментальным колитом. Экспрессия Opn этим воспалительным подмножеством ДЦ МЛУ критически важна для их патогенного действия при колите. ОПН сверхэкспрессируется при различных видах рака, включая рак легких, рак молочной железы, колоректальный рак, рак желудка, рак яичников, папиллярную карциному щитовидной железы, меланому и плевральную мезотелиому; ОПН способствует развитию как гломерулонефрита, так и тубулоинтерстициального нефрита; и ОПН обнаруживается в атеросклеротических бляшках в артериях. Таким образом, манипулирование уровнями ОПН в плазме может быть полезным при лечении аутоиммунных заболеваний, метастазирования рака, остеопороза и некоторых форм стресса. Он экспрессируется в виде одного из трех вариантов сплайсинга в PDAC, при этом остеопонтин a экспрессируется почти во всех PDAC, экспрессия остеопонтина b коррелирует с выживаемостью, а остеопонтин c – с метастатическим заболеванием. Хотя точные механизмы сигналинга остеопонтина в PDAC неизвестны, он связывается с CD44 и интегранами, запуская такие процессы, как прогрессирование опухоли и ингибирование комплемента. Остеопонтин также стимулирует метастазирование, инициируя высвобождение фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) и матричной металлопротеиназы (MMP), что ингибируется при подавлении экспрессии остеопонтина. Этот процесс также стимулируется никотином, который является предполагаемым механизмом, объясняющим повышенный риск развития рака поджелудочной железы у курильщиков. Остеопонтин исследуется в качестве маркера рака поджелудочной железы. Было показано, что он превосходит CA19.9 в дифференциальной диагностике IPMN [80] и резецируемого PDAC от панкреатита. Разрабатываются антитела к остеопонтину, включая hu1A12, который ингибировал метастазирование в исследовании in vivo, а также в комбинации с анти-VEGF-антителом бевацизумабом. По крайней мере, одно клиническое исследование изучает использование остеопонтина в качестве маркера внутриопухолевой гипоксии. Однако этот маркер остается недостаточно изученным. Остеопонтин также вовлечен в избыточное образование рубцовой ткани, и был разработан гель для ингибирования его действия. AOM1, моноклональное антитело к остеопонтину, разработанное компанией Pfizer, Inc. для ингибирования остеопонтина, показало перспективность в предотвращении прогрессирования крупных метастатических опухолей в мышиных моделях НПМЛ. Несмотря на то, что Opn способствует метастазированию и может использоваться в качестве биомаркера рака, последние исследования описывают новые защитные функции молекулы в отношении врожденных клеточных популяций во время развития опухоли. В частности, поддержание пула клеток-натуральных киллеров (NK) с оптимальной иммунной функцией имеет решающее значение для защиты организма от образования раковой опухоли. Исследование, опубликованное в PNAS, показало, что iOpn является важным молекулярным компонентом, ответственным за поддержание функционального расширения NK-клеток. Отсутствие iOPN приводит к неспособности поддерживать нормальную численность NK-клеток и увеличению гибели клеток после стимуляции цитокином IL-15. NK-клетки с дефицитом OPN не могут успешно пройти фазу сокращения иммунного ответа, что приводит к нарушению экспансии долгоживущих NK-клеток и дефектным реакциям на опухолевые клетки. Кроме того, плазмоцитоидные дендритные клетки (pDC) защищают от меланомы, и этот эффект опосредован IFN типа I. Исследование, опубликованное в JCB, показало, что специфический фрагмент (SLAYGLR) белка Opn может повысить "пригодность" pDC для защиты от развития меланомы. Это достигается путем активации новой α4-интегрин/IFN β оси, которая не зависит от MyD88 и функционирует через PI3K/mTOR/IRF3 путь.

Сердечная недостаточность

Остеопонтин экспрессируется минимально в нормальных условиях, но быстро накапливается при ухудшении функции сердца. В частности, он играет центральную роль в ремоделировании в ответ на инфаркт миокарда и значительно повышается при гипертрофической (ГКМ) и дилатационной кардиомиопатии (ДКМ).

Болезнь Паркинсона

ОПН играет роль в окислительном и нитрозирующем стрессе, апоптозе, митохондриальной дисфункции и экзитотоксичности, которые также вовлечены в патогенез болезни Паркинсона. У пациентов с болезнью Паркинсона (БП) были исследованы концентрации ОПН в сыворотке крови и спинномозговой жидкости (СМЖ), и было показано, что уровни ОПН в этих биологических жидкостях повышены у пациентов с БП.

Болезни и травмы мышц

Накапливаются данные, свидетельствующие о том, что остеопонтин играет несколько ролей в заболеваниях скелетных мышц, таких как мышечная дистрофия Дюшенна. Остеопонтин описан как компонент воспалительной среды дистрофических и поврежденных мышц, а также было показано, что он усиливает фиброз диафрагмы у стареющих дистрофических мышей. Недавнее исследование выявило, что остеопонтин определяет тяжесть заболевания у пациентов с мышечной дистрофией Дюшенна. В ходе этого исследования было установлено, что мутация в промоторе гена остеопонтина, известная как причина низкой экспрессии остеопонтина, связана со снижением возраста наступления потери способности к передвижению и уменьшением мышечной силы у пациентов с мышечной дистрофией Дюшенна.

Остеоартрит тазобедренного сустава

У пациентов с идиопатическим остеоартритом тазобедренного сустава наблюдалось повышение уровня ОПН в плазме крови. Кроме того, выявлена корреляция между уровнем ОПН в плазме и степенью тяжести заболевания.

Имплантация оплодотворенной яйцеклетки

ОПН экспрессируется в клетках эндометрия в процессе имплантации. Под воздействием прогестерона, вырабатываемого яичниками, ОПН значительно повышается, способствуя этому процессу. Эндометрий должен пройти децидуализацию – процесс изменений, которым он подвергается для подготовки к имплантации, что приводит к прикреплению эмбриона. Эндометрий содержит стромальные клетки, которые дифференцируются, создавая оптимальную среду для прикрепления эмбриона (децидуализация). ОПН является важным белком для пролиферации и дифференцировки стромальных клеток, а также связывается с рецептором αvβ3, помогая в адгезии. ОПН, наряду с децидуализацией, в конечном итоге обеспечивает успешную имплантацию раннего эмбриона. Нокаут гена ОПН приводит к нестабильности прикрепления на материнско-плодном интерфейсе.