Аполипопротеин B: Ген, функции и роль в развитии сердечно-сосудистых заболеваний.

Введение

Ген, кодирующий белок, у вида Homo sapiens.

Аполипопротеин B (ApoB) — это белок, кодируемый геном у человека. Он широко используется для оценки риска атеросклеротических сердечно-сосудистых заболеваний.

Функция

Аполипопротеин B является основным аполипопротеином хиломикронов, VLDL, Lp(a), IDL и частиц LDL (LDL, обычно известный как "плохой холестерин" применительно как к болезням сердца, так и к сосудистым заболеваниям в целом), который отвечает за перенос молекул жира (липидов), включая холестерин, по всему организму ко всем клеткам во всех тканях. Хотя все функциональные роли ApoB в частицах LDL (и всех более крупных) остаются в некоторой степени неясными, он является основным организующим белком – ключевым компонентом сложной оболочки, окружающей и переносящей молекулы жира внутри частиц – и абсолютно необходим для их формирования. Также установлено, что ApoB на частице LDL выступает в роли лиганда для рецепторов LDL в различных клетках организма (то есть, проще говоря, ApoB сигнализирует о готовности частиц, несущих жир, проникнуть в клетки, имеющие рецепторы ApoB, и доставить содержащиеся в них жиры). Высокие уровни ApoB, особенно в сочетании с повышенной концентрацией частиц LDL, являются основным фактором развития атеросклеротических бляшек, вызывающих сосудистые заболевания (атеросклероз), которые обычно впервые проявляются симптомами в виде ишемической болезни сердца, инсульта и множества других осложнений, распространяющихся по всему организму, после десятилетий прогрессирования. Существуют убедительные доказательства того, что концентрация ApoB, и особенно результаты NMR-анализа (специфичного для определения концентрации частиц LDL), являются более точными показателями физиологических процессов, приводящих к сосудистым и сердечным заболеваниям, чем общий холестерин или холестерин ЛПНП (как долгое время рекомендовалось NIH, начиная с начала 1970-х годов). Однако, главным образом из-за исторических причин, связанных со стоимостью и сложностью, холестерин и расчетный холестерин ЛПНП по-прежнему остаются наиболее часто используемыми липидными тестами для оценки риска атеросклероза. ApoB регулярно измеряется с помощью иммуноанализов, таких как ELISA или нефелометрия. Усовершенствованные и автоматизированные методы NMR позволяют проводить дифференциацию между различными частицами ApoB.

Генетические нарушения

Высокие уровни ApoB связаны с сердечными заболеваниями. Гипобеталипопротеинемия – генетическое заболевание, которое может быть вызвано мутацией в гене ApoB, APOB. Абеталипопротеинемия обычно вызвана мутацией в гене MTP, MTP. Мутации в гене APOB100 также могут вызывать семейную гиперхолестеринемию – наследственную (аутосомно-доминантную) форму метаболического нарушения, гиперхолестеринемию.

Исследования на мышах

В качестве модельных организмов в исследовании ApoB использовались мыши, поскольку они экспрессируют эквивалентный белок, известный как мышиный ApoB (mApoB). У мышей с повышенной экспрессией mApoB наблюдается повышение уровня ЛПНП и снижение уровня ЛПВП. Мыши, содержащие только одну функциональную копию гена mApoB, демонстрируют противоположный эффект, будучи устойчивыми к гиперхолестеринемии. Мыши, не имеющие функциональных копий гена, нежизнеспособны.

Молекулярная биология

Белок встречается в плазме в двух основных изоформах, ApoB48 и ApoB100. Первая изоформа синтезируется исключительно в тонком кишечнике, а вторая – в печени. ApoB100 является самым крупным белком группы apoB, состоящим из 4563 аминокислот.

Роль в инсулинорезистентности

Избыточное производство аполипопротеина B может приводить к липид-индуцированному стрессу эндоплазматического ретикулума и инсулинорезистентности в печени.

Роль в липопротеинах и атеросклерозе

ApoB100 содержится в липопротеинах, синтезируемых печенью (VLDL, IDL, LDL). Важно отметить, что на каждую липопротеиновую частицу печеночного происхождения приходится одна молекула ApoB100. Следовательно, используя этот факт, можно количественно оценить количество частиц липопротеинов, определяя общую концентрацию ApoB100 в кровотоке. Поскольку на каждую частицу приходится ровно одна молекула ApoB100, концентрация ApoB100 отражает количество частиц. Этот же метод можно применить к отдельным классам липопротеинов (например, к ЛПНП), что позволяет подсчитывать и их. Хорошо известно, что уровень ApoB100 связан с ишемической болезнью сердца и является более точным предиктором этого заболевания, чем концентрация холестерина ЛПНП. Причина в том, что концентрация холестерина ЛПНП не отражает фактическое количество частиц, а холестерин не может растворяться или перемещаться в воде без частиц-переносчиков. Простой способ понять это – тот факт, что ApoB100, по одной молекуле на частицу, отражает фактическую концентрацию частиц липопротеинов (независимо от их содержания холестерина или других липидов). Таким образом, можно понять, что количество липопротеиновых частиц, содержащих ApoB100 и способных доставлять липиды в стенки артерий, является ключевым фактором, определяющим развитие атеросклероза и сердечных заболеваний. Это можно объяснить тем, что большое количество липопротеиновых частиц, особенно ЛПНП, приводит к конкуренции за рецептор ApoB100 (то есть рецептор ЛПНП) периферических клеток. Такая конкуренция увеличивает время пребывания частиц ЛПНП в кровотоке, что повышает вероятность их окисления и/или других химических модификаций. Эти модификации могут снизить способность частиц к захвату классическим рецептором ЛПНП и/или усилить их взаимодействие с так называемыми "рецепторами-поглотителями". В результате частицы ЛПНП направляются к этим рецепторам-поглотителям, которые обычно находятся на макрофагах. Макрофаги, перегруженные холестерином, известны как "пенистые клетки", которые являются характерной чертой атеросклеротических поражений. Помимо этого механизма образования пенных клеток, увеличение уровня химически модифицированных частиц ЛПНП может также привести к повреждению эндотелия, вызванному токсическим воздействием модифицированного ЛПНП на сосудистый эндотелий, а также его способностью привлекать иммунные клетки и активировать тромбоциты. Исследование INTERHEART показало, что соотношение ApoB100/ApoA1 более эффективно предсказывает риск сердечного приступа у пациентов, перенесших острый инфаркт миокарда, чем отдельные измерения ApoB100 или ApoA1. (ApoA1 – основной белок ЛПВП). В общей популяции этот вопрос остается неясным, хотя в недавнем исследовании ApoB оказался наиболее сильным маркером риска сердечно-сосудистых событий. Для снижения уровня аполипопротеина B рекомендуется средиземноморская диета.

ApoB100 is found in lipoproteins originating from the liver (VLDL, IDL, LDL). Importantly, there is one ApoB100 molecule per hepatic derived lipoprotein. Hence, using that fact, one can quantify the number of lipoprotein particles by noting the total ApoB100 concentration in the circulation. Since there is one and only one ApoB100 per particle, the number of particles is reflected by the ApoB100 concentration. The same technique can be applied to individual lipoprotein classes (e. g. LDL) and thereby enable one to count them as well. It is well established that ApoB100 levels are associated with coronary heart disease, they are a far better predictor of it than are LDL C concentrations. Reason: LDL C does not reflect actual particle concentrations & cholesterol cannot dissolve or move (in water) without particles to carry it. A simple way to understand this observation is the fact that ApoB100, one per particle, reflects actual lipoprotein particle concentration (independent of their cholesterol, or other lipid content). In this way, one can understand that the number of ApoB100 containing lipoprotein particles which can carry lipids into the artery walls is a key determinant, driver of atherosclerosis and heart disease. One way to explain the above is to consider that large numbers of lipoprotein particles, and, in particular, large numbers of LDL particles, lead to competition at the ApoB100 receptor (i. e. LDL receptor) of peripheral cells. Since such competition will prolong the residence time of LDL particles in the circulation, it may lead to greater opportunity for them to undergo oxidation and/or other chemical modifications. Such modifications may lessen the particles' ability to be cleared by the classic LDL receptor and/or increase their ability to interact with so called "scavenger" receptors. The net result is the shunting of LDL particles to these scavenger receptors. Scavenger receptors typically are found on macrophages, with cholesterol laden macrophages being better known as "foam cells". Foam cells characterize atherosclerotic lesions. In addition to this possible mechanism of foam cell generation, an increase in the levels of chemically modified LDL particles may also lead to an increase in endothelial damage. This occurs as a result of modified LDL's toxic effect on vascular endothelium as well as its ability both to recruit immune effector cells and to promote platelet activation. The INTERHEART study found that the ApoB100 / ApoA1 ratio is more effective at predicting heart attack risk, in patients who had had an acute myocardial infarction, than either the ApoB100 or ApoA1 measure alone. (ApoA1 is the major HDL protein.) In the general population this remains unclear although in a recent study ApoB was the strongest risk marker for cardiovascular events. A Mediterranean diet is recommended as a means of lowering Apolipoprotein B.

Взаимодействия

Было показано, что ApoB взаимодействует с apo(a), PPIB, рецептором кальцитонина и HSP90B1.

Регулирование

Экспрессия APOB регулируется цис-регуляторными элементами в 5'- и 3'- некодирующих областях (UTR) гена APOB.

Редактирование РНК

МРНК, кодирующая этот белок, подвергается редактированию РНК, специфичному для замены цитидина на уридин (C на U). ApoB100 и ApoB48 кодируются одним и тем же геном, однако различия в транслируемых белках обусловлены не альтернативным сплайсингом, а тканеспецифическим редактированием РНК. Редактирование мРНК ApoB было первым примером редактирования, обнаруженным у позвоночных. Редактирование мРНК ApoB происходит у всех плацентарных млекопитающих. Редактирование происходит посттранскрипционно, так как вновь синтезируемые полинуклеотиды не содержат отредактированных нуклеозидов.

Тип

Редактирование ApoB мРНК от C к U требует комплекса редактирования или голофермента (эдитозома), состоящего из C-U редактирующего фермента Apolipoprotein B mRNA редактирующего фермента, каталитического полипептида 1 (ApoBEC 1), а также других вспомогательных факторов. ApoBEC 1 – это белок, который у человека кодируется геном APOBEC1. [1] Он является членом семейства цитидиндеаминаз. Одного ApoBEC 1 недостаточно для редактирования ApoB мРНК и требуется, по крайней мере, один из этих вспомогательных факторов – фактор комплементации APOBEC1 (A1CF) – для осуществления редактирования. A1CF содержит 3 неидентичных повтора. Он действует как субъединица, связывающая РНК, и направляет ApoBEC 1 к ApoB мРНК ниже по течению от отредактированного цитидина. Известно, что другие вспомогательные факторы также входят в состав голофермента. Некоторые из этих белков были идентифицированы: CUG-связывающий белок 2 (CUGBP2), SYNCRIP (глицин-аргинин-тирозин-богатый белок, связывающий РНК, GRY RBP), гетерогенный ядерный рибонуклеопротеин (hnRNP) C1 (HNRNPC), ApoBEC 1-связывающие белки ABBP1 (HNRNPAB), ABBP2, KH-тип белка, регулирующего сплайсинг (KHSRP), Bcl 2-ассоциированный афаноген 4 (BAG4) и вспомогательный фактор (AUX)240. Все эти белки были идентифицированы с помощью детекционных анализов, и было показано, что они взаимодействуют с ApoBEC 1, A1CF или ApoB РНК. Функция этих вспомогательных белков в комплексе редактирования неизвестна. Помимо редактирования ApoB мРНК, ApoBEC 1-эдитозома также редактирует мРНК NF1. Редактирование мРНК ApoB является наиболее изученным примером этого типа C-U редактирования РНК у человека.

Местоположение

Несмотря на то, что транскрипт длиной в 14 000 остатков, для редактирования нацелен лишь один цитидин. В пределах мРНК ApoB обнаружена последовательность из 26 нуклеотидов, необходимая для редактирования, известная как мотив редактирования. Эти нуклеотиды (6662–6687) были признаны существенными в ходе экспериментов по сайт-специфическому мутагенезу. Важной областью, расположенной на 4–5 нуклеотидов ниже по течению от сайта редактирования, является 11-нуклеотидный участок этой последовательности, известный как последовательность закрепления. Между отредактированным нуклеозидом и этой последовательностью закрепления находится область, называемая спейсерным элементом, на расстоянии 2–8 нуклеотидов. Также имеется регуляторная последовательность 3′ к сайту редактирования. Считается, что активный центр ApoBEC 1, каталитический компонент редактирующего голофермента, связывается с AU-богатым участком последовательности закрепления, используя ACF для связывания комплекса с мРНК. Отредактированный цитидиновый остаток расположен в нуклеотиде 6666 в экзоне 26 гена. Редактирование в этом месте приводит к изменению кодона с кодона глутамина (CAA) на кодон стоп (UAA) в той же рамке считывания. Предполагается, что вторичная структура, формируемая мРНК ApoB, обеспечивает контакт между остатком, подлежащим редактированию, и активным центром APOBEC1, а также связывание ACF и других вспомогательных факторов, связанных с редактосомой.

Регулирование

Редактирование ApoB мРНК у человека регулируется в зависимости от ткани, при этом ApoB48 является основным белком ApoB в тонкой кишке человека. В меньших количествах оно происходит в толстой кишке, почках и желудке, наряду с нередактированной версией. Редактирование также регулируется на этапах развития: нередактированная версия транслируется только на ранних стадиях, но отредактированная форма увеличивается по мере развития в тканях, где редактирование возможно. Показано, что уровни редактирования ApoB мРНК изменяются в ответ на изменения в диете, воздействие алкоголя и уровни гормонов.

Сохранение

Редактирование ApoB мРНК также происходит у мышей и крыс. В отличие от людей, у мышей и крыс редактирование происходит в печени с частотой до 65%. У птиц и видов более низкого порядка оно не наблюдается.

Структура

Редактирование приводит к изменению кодона, создавая стоп-кодон в открытой рамке считывания, что приводит к трансляции усеченного белка ApoB48. Этот стоп-кодон обуславливает трансляцию белка, лишенного карбоксильного конца, содержащего LDLR-связывающий домен. Полный белок ApoB100, состоящий почти из 4500 аминокислот, присутствует в VLDL и LDL. Поскольку многие участки ApoB100 находятся в амфипатическом состоянии, структура некоторых его доменов зависит от липидного окружения. Однако известно, что в LDL он сохраняет общую структуру, имеющую пять основных доменов. Недавно впервые структура LDL при температуре тела человека в нативном состоянии была определена с использованием криоэлектронной микроскопии с разрешением 16 ангстрем. Общая укладка ApoB100 была подтверждена, и была картирована некоторая неоднородность в локальной структуре его доменов.

Функция

Редактирование ограничено транскриптами, экспрессируемыми в тонком кишечнике. Эта укороченная версия белка выполняет функцию, специфичную для тонкого кишечника. Основная функция полноразмерного ApoB100, экспрессируемого в печени, заключается в роли лиганда для активации LDL R. Однако редактирование приводит к образованию белка, лишенного этой области связывания с LDL R. Это изменяет функцию белка, и укороченный белок ApoB48 приобретает специфические функции, связанные с тонким кишечником. ApoB48 идентичен аминотерминальным 48% ApoB100. Функция этой изоформы заключается в абсорбции жиров в тонком кишечнике и участии в синтезе, сборке и секреции хиломикронов. Эти хиломикроны транспортируют пищевые липиды в ткани, а оставшиеся хиломикроны вместе с ассоциированными остаточными липидами через 2–3 часа поглощаются печенью посредством взаимодействия аполипопротеина Е (ApoE) с липопротеиновыми рецепторами. Это доминирующий белок ApoB в тонком кишечнике большинства млекопитающих. Он является ключевым белком в экзогенном пути метаболизма липопротеинов. Кишечные белки, содержащие ApoB48, метаболизируются в частицы остатков хиломикронов, которые поглощаются рецепторами к остаткам.