Дисциплина Медицинская биохимия. Принципы измерительных технологий в биохимии. Патохимия, диагностика. Биохимия злокачественного роста». Часть 3

Синуклеины представляют собой семейство растворимых белков, общих для позвоночных животных, прежде всего выраженных в нервной ткани и некоторых опухолях.

Семейство синуклеина включает три известных белка: альфа-синуклеин, бета-синуклеин и гамма-синуклеин. Интерес к семейству синуклеинов начался, когда было обнаружено, что альфа-синуклеин мутировался в нескольких семействах с аутосомно-доминантной болезнью Паркинсона [2].

Все синуклеины имеют в целом высококонсервативный альфа-спиральный липидсвязывающий мотив со сходством с липидсвязывающими доменами класса А2 сменных аполипопротеинов. Члены семейства Synuclein не встречаются вне позвоночных, хотя они имеют некоторое консервативное структурное сходство с растительными «поздними эмбрионами» белками [1].

Нормальные клеточные функции не определены ни для одного представителя synuclein белков. Некоторые данные указывают на роль в регулировании мембраны стабильности и/или оборота. Мутации в альфа synuclein связаны с ранним началом семейной болезни Паркинсона и белка агрегатов аномально в болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, Леви тела болезни и других нейродегенеративных заболеваний. [3] [4 гамма synuclein белков в опухоли груди является маркером для прогрессии опухоли. [5] [6]

Alpha-synuclein InterPro: IPR002460 Beta-synuclein InterPro: IPR002461 Гамма-синуклеин InterPro: IPR002462

Альфа-синуклеин - это белок, широко представленный в мозге человека. [5] Меньшие количества встречаются в сердце, мышцах и других тканях [5]. В мозге альфа-синуклеин встречается главным образом в пресинаптических терминалях [5]. Внутри этих структур альфа-синуклеин взаимодействует с фосфолипидами [6] и белками [5]. Пресинаптические терминали высвобождают нейротрансмиттеры из синаптических везикул. Высвобождение нейротрансмиттеров передает сигналы между нейронами и имеет решающее значение для нормальной функции мозга [5]. 
Хотя функция альфа-синуклеина не совсем понятна, исследования показывают, что он играет роль в поддержании трофики синаптических везикул в пресинаптических терминалах путем кластеризации синаптических пузырьков [7]. Это также может помочь регулировать высвобождение допамина, который имеет решающее значение для контроля начала и прекращения добровольных и непроизвольных движений. [5] 
Человеческий альфа-синуклеиновый белок состоит из 140 аминокислот и кодируется геном SNCA. [8] [9] [10] Было показано, что фрагмент альфа-синуклеина, известный как неабета-компонент (NAC) амилоида болезни Альцгеймера, изначально обнаруженный в обогащенной амилоидом фракции, является фрагментом его белка-предшественника NACP [8] Позднее было установлено, что NACP является человеческим гомологом синуклеина Torpedo. Поэтому NACP теперь называют человеческим альфа-синуклеином

Альфа-синуклеин прежде всего обнаруживается в нейронной ткани, составляя до 1% всех белков в цитозоле клеток головного мозга [11]. Он преимущественно экспрессируется в неокортексе, гиппокампе, субстанциальной нигре, таламусе и мозжечке. Это преимущественно нейронный белок, но также может быть обнаружен в нейроглиальных клетках. В меланоцитарных клетках экспрессия белка SNCA может регулироваться MITF (Фактор транскрипции, связанный с микрофтальмой, также известный как основной белок 32 спиральной спирали класса E или bHLHe32, представляет собой белок, который у человека кодируется геном MITF. MITF представляет собой базовый фактор транскрипции типа лейциновой застежки-молнии с спираль-петлей-спиралью, связанный с линейной регуляцией путей многих типов клеток, включая меланоциты, остеокласты и тучные клетки [5]. Термин «специфический для линии», поскольку он относится к MITF, означает гены или признаки, которые встречаются только в определенном типе клеток. Поэтому MITF может участвовать в перераспределении сигнальных каскадов, которые специально необходимы для выживания и физиологической функции предшественников нормальных  клеток. [6].)

Альфа-синуклеин в растворе считается внутренне неупорядоченным белком, то есть ему не хватает единой стабильной трехмерной структуры [20]. Однако в 2014 году все большее число сообщений указывает на наличие частичных структур или в основном структурированных олигомерных состояний в структуре раствора альфа-синуклеина даже в отсутствие липидов. Эта тенденция также подтверждается большим числом измерений одиночной молекулы (оптического пинцета) на одиночных копиях мономерного альфа-синуклеина, а также ковалентно принудительных димеров или тетрамеров альфа-синуклеина [21].

Альфа-синуклеин специфически регулируется в дискретной популяции пресинаптических терминалов головного мозга. Было показано, что альфа-синуклеин значительно взаимодействует с тубулином [23] и что альфа-синуклеин может иметь активность как потенциальный связанный с микротрубочками белок, такой как тау [24]. 

Недавние данные свидетельствуют о том, что альфа-синуклеин функционирует как молекулярный шаперон в образовании комплексов SNARE. [25] [26] В частности, он одновременно связывается с фосфолипидами плазматической мембраны через свой N-концевой домен и синаптобревин-2 через его С-концевой домен с повышенным значением во время синаптической активности [27]. Действительно, все больше доказательств того, что альфа-синуклеин участвует в функционировании аппарата нейронов Гольджи и транспорте везикул [28]. 

Видимо, альфа-синуклеин необходим для нормального развития когнитивных функций. Нокаутные мыши с целевой инактивацией экспрессии альфа-синуклеина демонстрируют нарушение пространственного обучения и рабочей памяти [29].

Были собраны экспериментальные данные о взаимодействии альфа-синуклеина с мембраной и его участии в мембранном составе и обороте. Дрожжевой скрининг генов показал, что несколько генов, которые имеют дело с липидным обменом, играют роль в токсичности альфа-синуклеина [30]. И наоборот, уровни экспрессии альфа-синуклеина могут влиять на вязкость и относительное количество жирных кислот в липидном бислое

Известно, что альфа-синуклеин непосредственно связывается с липидными мембранами, связывая их с отрицательно заряженными поверхностями фосфолипидов [31]. Альфа-синуклеин образует расширенную спиральную структуру на малых однослойных везикулах [32]. Было обнаружено преимущественное связывание с небольшими везикулами [33]. Связывание альфа-синуклеина с липидными мембранами оказывает комплексное воздействие на последнее, изменяя структуру бислоя и приводя к образованию мелких везикул [34]. Показано, что альфа-синуклеин изгибает мембраны отрицательно заряженных везикул фосфолипидов и образует трубочки из крупных липидных везикул [35]. Используя крио-ЭМ, было показано, что это мицеллярные трубки диаметром ~ 5-6 нм [36]. Также показано, что альфа-синуклеин образует липидные диски, подобные аполипопротеинам [37]. Исследования также показали возможную антиоксидантную активность альфа-синуклеина в мембране

Агрегированные состояния альфа-синуклеина проникают в мембрану липидных везикул [39]. Они образуются при взаимодействии с пероксидированными полиненасыщенными жирными кислотами (PUFA), но не с мононенасыщенными жирными кислотами [40], а связывание переходных металлов, стимулирующих окисление липидов, таких как железо или медь, провоцирует олигомеризацию альфа-синуклеина [41]. Агрегированный альфа-синуклеин обладает специфической активностью для пероксидированных липидов и индуцирует аутоокисление липидов в богатых PUFA мембранах как нейронов, так и астроцитов, снижая резистентность к апоптозу [42]. Липидное аутоокисление ингибируется, если клетки предварительно инкубируются с усиленным изотопом ПНЖК (D-PUFA). [43]

Первичная структура альфа-синуклеина обычно делится на три различных домена: 

Остатки 1-60: амфипатическая N-концевая область, в которой преобладают четыре повторения с 11 остатками, включая консенсусную последовательность KTKEGV. Эта последовательность имеет структурную альфа-спиральную склонность, сходную с аполипопротеинами-связывающими доменами [44]. 

Остатки 61-95: центральная гидрофобная область, которая включает область неамилоида-β (NAC), участвующую в агрегации белка [8] 

Residues 96-140: сильнокислотный и пролин-богатый регион, который не имеет четкой структурной склонности

Автопротеолитическая активность.

Использование масс-спектрометрии с ионной подвижностью высокого разрешения (IMS-MS) на очищенном от HPLC альфа-синуклеине in vitro показало, что альфа-синуклеин является аутопротеолитическим (самопротеолитическим), генерируя множество мелких фрагменты с молекулярной массой при инкубации [45]. Было обнаружено, что в белке 14,46 кДа образуются многочисленные более мелкие фрагменты, в том числе фрагменты 12,16 кДа (аминокислоты 14-133) и 10,44 кДа (40-140), образованные с помощью C- и N-концевого усечения и С-концевой фрагмент 7,27 кДа (72 -140). Фрагмент 7,27 кДа, который содержит большую часть области NAC, агрегируется значительно быстрее, чем полноразмерный альфа-синуклеин. Возможно, что эти автопротеолитические продукты играют роль промежуточных или кофакторов в агрегации альфа-синуклеина in vivo.

Классически считающийся неструктурированный растворимый белок, не мутированный α-синуклеин образует стабильно сложный тетрамер, который сопротивляется агрегации [46]. Это наблюдение, хотя оно было воспроизведено и распространено несколькими лабораториями [47] [48] [49], по-прежнему остается предметом дискуссий на местах из-за противоречивых сообщений. [50] [51] [52] Тем не менее, альфа-синуклеиновые агрегаты образуют нерастворимые фибриллы в патологических состояниях, характеризующихся телами Леви, такими как болезнь Паркинсона, деменция с телами Леви и множественная атрофия системы. [53] [54] Эти расстройства известны как синуклеинопатии. Альфа-синуклеин является основным структурным компонентом фибрилл тела Леви. Иногда тела Леви содержат тау-белок [55], однако альфа-синуклеин и тау составляют два отличительных подмножества нитей в одних и тех же телах включения [56]. Альфа-синуклеиновая патология также встречается как в спорадических, так и в семейных случаях с болезнью Альцгеймера [57].

Определенные участки альфа-синуклеинового белка могут играть определенную роль в тауопатиях [70]. 

Прионная форма белка альфа-синуклеина может быть причинным средством для  множественной системной атрофии (Shy–Drager syndrome).

Эти расстройства известны как синуклеинопатии. Альфа-синуклеин является основным структурным компонентом фибрилл тела Леви. Иногда тела Леви содержат тау-белок [55], однако альфа-синуклеин и тау составляют два отличительных подмножества нитей в одних и тех же телах включения [56]. Альфа-синуклеиновая патология также встречается как в спорадических, так и в семейных случаях с болезнью Альцгеймера [57].

Клиническая значимость

Положительное α-Synuclein окрашивание тела Леви у пациента, у которого была болезнь Паркинсона. Классически считающийся неструктурированный растворимый белок, не мутированный α-синуклеин образует стабильно сложный тетрамер, который сопротивляется агрегации [46]. Это наблюдение, хотя оно было воспроизведено и распространено несколькими лабораториями [47] [48] [49], по-прежнему остается предметом дискуссий на местах из-за противоречивых сообщений. [50] [51] [52] Тем не менее, альфа-синуклеиновые агрегаты образуют нерастворимые фибриллы в патологических состояниях, характеризующихся телами Леви, такими как болезнь Паркинсона, деменция с телами Леви и множественная атрофия системы. [53] [54] Эти расстройства известны как синуклеинопатии. Альфа-синуклеин является основным структурным компонентом фибрилл тела Леви. Иногда тела Леви содержат тау-белок [55], однако альфа-синуклеин и тау составляют два отличительных подмножества нитей в одних и тех же телах включения [56]. Альфа-синуклеиновая патология также встречается как в спорадических, так и в семейных случаях с болезнью Альцгеймера [57].

Механизм агрегации альфа-синуклеина неопределен. Имеются данные о структурированном промежуточном состоянии, богатом бета-структурой, которая может быть предшественником агрегации и, в конечном счете, тел Леви [58]. Одномолекулярное исследование в 2008 году предполагает, что альфа-синуклеин существует как смесь неструктурированных, альфа-спиральных и бета-листовых конформеров в равновесии. Мутации или условия буфера, которые, как известно, улучшают агрегацию, сильно увеличивают популяцию бета-конформера, поэтому это может быть конформацией, связанной с патогенной агрегацией [59]. Одна из теорий состоит в том, что большинство агрегатов альфа-синуклеина расположены в пресинапсе в виде небольших отложений, которые вызывают синаптическую дисфункцию [60]. К числу стратегий лечения синуклеопатий относятся соединения, которые ингибируют агрегацию альфа-синуклеина. Было показано, что небольшая молекула куминальдегида ингибирует фибриллирование альфа-синуклеина [61]. В этих расстройствах участвовал вирус Эпштейна-Барра [62].

В редких случаях семейных форм болезни Паркинсона существует мутация в гене, кодирующем альфа-синуклеин. До сих пор идентифицированы пятиточечные мутации: A53T, [63] A30P, [64] E46K, [65] H50Q, [66] и G51D. [67] Сообщалось, что некоторые мутации влияют на стадии инициации и амплификации процесса агрегации [68]. Геномное дублирование и трехкратное увеличение гена, по-видимому, являются редкой причиной болезни Паркинсона в других линиях, хотя чаще встречаются, чем точечные мутации [69]. Следовательно, определенные мутации альфа-синуклеина могут привести к образованию амилоидоподобных фибрилл, которые способствуют болезни Паркинсона.

Определенные участки альфа-синуклеинового белка могут играть определенную роль в тауопатиях [70].

Прионная форма белкового альфа-синуклеина может быть причинным агентом для атрофии множественной системы болезни [71] [72] [73]

Механизм токсичности α-синуклеина. Центральная панель показывает основной путь для агрегации белка. Мономерный α-синуклеин изначально разворачивается в растворе, но также может связываться с мембранами в α-спиральной форме. Кажется вероятным, что эти два вида существуют в равновесии внутри клетки, хотя это недоказано. Из работы in vitro ясно, что разворачиваемый мономер может агрегировать сначала на небольшие олигомерные виды, которые могут быть стабилизированы с помощью β-листовых взаимодействий, а затем в более высокомолекулярные нерастворимые фибриллы. В клеточном контексте есть некоторые свидетельства того, что присутствие липидов может способствовать образованию олигомеров: α-синуклеин может также образовывать кольцевые, пореподобные структуры, которые взаимодействуют с мембранами. Отложение α-синуклеина в патологические структуры, такие как тела Леви, вероятно, является поздним событием, которое происходит в некоторых нейронах. С левой стороны находятся некоторые из известных модификаторов этого процесса. Электрическая активность в нейронах изменяет ассоциацию α-синуклеина с везикулами и также может стимулировать полоподобную киназу 2 (PLK2), которая была показана фосфорилировать α-синуклеин при Ser129. Было предложено также задействовать другие киназы. Как и фосфорилирование, усечение через протеазы, такие как кальпаны и нитрование, вероятно, через оксид азота (NO) или другие виды реакционноспособного азота, которые присутствуют во время воспаления, все модифицируют синуклеин, так что он имеет более высокую тенденцию к агрегации. Добавление убиквитина (показанного как черное пятно) к телам Леви, вероятно, является вторичным процессом осаждения. Справа находятся некоторые из предложенных клеточных мишеней для опосредованной α-синуклеином токсичности, которые включают (сверху вниз) транспорт ER-golgi, синаптические везикулы, митохондрии и лизосомы и другие протеолитические механизмы. В каждом из этих случаев предлагается, чтобы α-синуклеин имел пагубные последствия, перечисленные ниже каждой стрелкой, хотя в настоящее время неясно, является ли какое-либо из них необходимым или достаточным для токсичности в нейронах. Cookson Molecular Neurodegeneration 2009 4: 9 doi: 10.1186 / 1750-1326-4-9

Синуклеинопатии 

(также называемые α-Synucleinopathies) являются нейродегенеративными заболеваниями, характеризующимися аномальным накоплением агрегатов белка альфа-синуклеина в нейронах, нервных волокнах или глиальных клетках [1]. Одна из преобладающих гипотез заключается в том, что смерть допаминергических клеток является непосредственной причиной функционального дефицита [2]. Однако было показано, что введение экзогенного α-SYN в модели животных-грызунов вызывает функциональный дефицит, предшествующий гибели клеток [2]. 

Существует три основных типа синуклеопатии: болезнь Паркинсона, слабоумие с телами Леви и множественная атрофия системы. [1] Другие редкие расстройства, такие как различные нейроакустические дистрофии, также имеют α-синуклеиновые патологии [1]. 

Поскольку каждая из синуклеинопатий имеет отчетливый набор симптомов, прогнозов и проблем управления, было высказано предположение, что термин «имеет мало практической ценности как диагностический термин для клинициста». [3] 

Synucleinopathies могут иногда перекрываться с tauopathies, возможно, из-за взаимодействия между белками синуклеина и тау [4]. [5]