Vault (органелла)

Структура комплекса Vault из печени крысы

Vault, или цитоплазмати́ческий рибонуклеопротеи́н vault (с англ. — «свод»), — эукариотическая органелла, химически представляет собой рибонуклеопротеин. Под электронным микроскопом эти органеллы напоминают свод купола собора с осью симметрии 39-го порядка[1]. Функции vault плохо изучены, однако к настоящему времени имеются свидетельства об участии их в различных сигнальных путях клетки. Возможно, vault вовлечены в развитие явления множественной лекарственной устойчивости к противораковой химиотерапии. Они имеются во многих типах эукариотических клеток и высококонсервативны среди эукариот[2].

История изучения

[править | править код]

Vault были открыты и успешно выделены из печени крысы в 1986 году клеточным биологом Нэнси Кедерша (англ. Nancy Kedersha) и биохимиком Леонардом Ромом[англ.] (англ. Leonard Rome) из Школы Медицины Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе[3]. Первоначально vault были описаны как яйцевидные частицы, загрязнявшие препараты окаймлённых клатрином везикул. Частицы были выделены с помощью центрифугирования в градиенте плотности[англ.] сахарозы и электрофореза в агарозном геле. Оказалось, что они имеют симметричную бочонковидную структуру, похожую на свод готического собора, за что частицы и получили своё название (от англ. vault — свод). Первоначально размер vault был оценен в 35 × 35 × 65 нм³, но позднее с использованием методов криоэлектронной микроскопии он был уточнён до 41 × 41 × 72,5 нм³. Таким образом, vault являются самыми крупными из когда-либо описанных цитозольных неикосаэдрических нуклеопротеинов. Далее структура vault изучалась с помощью рентегноструктурного анализа и ядерного магнитного резонанса. В 2009 году структура vault из печени крысы была определена с разрешением 3,5 Å[4].

Структура vault

[править | править код]
Внешние изображения
Vault. Электронная микрофотография

Vault — самые крупные рибонуклеопротеиновые частицы. По размерам они примерно в 3 раза превосходят рибосому и весят около 13 МДа[5]. Vault состоят по большей части из белков, в связи с чем их трудно окрашивать стандартными методами. Белковая составляющая vault представлена множеством молекул главного белка vault[англ.] (MVP) (95,8 кДа), на долю которого приходится более 70 % всего белка в частице[6], а также белками VPARP (∼192 кДа) и TEP1[англ.] (∼291 кДа). Кроме того, в состав vault входят vault РНК (vРНК[англ.]) длиной 86—141 нуклеотидов[7]. Общая масса РНК в vault оценивается в ∼460 кДа[4].

Частица vault достигает около 670 Å в длину и имеет наибольший диаметр ∼400 Å. Стенка имеет толщину лишь в 15–25 Å; внутри неё находится полость длиной около 620 Å и максимальным диаметром ∼350 Å. Частица состоит из двух симметричных половин, каждая из которых состоит из трёх частей: тела, плечевого участка и шапочки. Тело содержит 78 копий 9 повторяющихся структурных доменов MVP (39 копий в каждой половине), сужающаяся часть сформирована связанными конец к концу структурными повторяющимися доменами R1. Высота плечевого участка составляет ∼25 Å, а диаметр ∼315 Å. Шапочки имеются на обоих концах частицы, и каждая из них содержит 39 копий домена шапочка-спираль (аминокислотные остатки MVP с Asp647 пр Leu802) и домена шапочка-кольцо (с Gly803 по Ala845). Высота шапочки составляет ∼155 Å, а внутренний и внешний диаметры домена шапочка-кольцо достигают ∼50 Å и ∼130 Å соответственно[4].

Структура MVP

MVP содержит 9 повторяющихся структурных доменов (R1—R9). Домены R8 и R9 состоят из пяти антипараллельных β-листов, обозначаемых S1, S2, S3, S4 и S5. В оставшихся семи доменах имеется два дополнительных β-листа (S2a и S2b), вставленных между S2 и S3. По некоторым данным, R1, как и R8 и R9, состоит из пяти антипараллельных β-листа, в то время как у R2 имеется два более длинных антипараллельных листа между S2 и S3. Каждый домен имеет гидрофобный кор[англ.]. Анализ аминокислотных последовательностей показал, что в R3 и R4, возможно, имеются два домена типа EF hand[англ.]. Дальнейшее изучение показало, что MVP взаимодействует с другими белками, такими как PTEN, через предполагаемые два домена EF hand при участии ионов Ca2+, впрочем, с этим согласуются не все экспериментальные данные[4].

Плечевой участок (с Pro520 по Val646) сворачивается в один α/β-глобулярный домен с 4 антипараллельными бета-листами на одной стороне и четырьмя α-спиралями на другой. По-видимому, именно в плечевом участке находятся элементы, отвечающие за взаимодействие vault с липидными рафтами[4].

Домен шапочка-спираль сворачивается в α-спираль из 42 витков, которая укладывается в суперспираль. Домен шапочка-кольцо расположен на конце шапочки и формирует U-образную структуру со спиральными элементами на обоих концах[4].

vРНК располагаются в шапочках на концах частиц vault. Белок TEP1, по-видимому, располагается в верху плоской части шапочки, где его участок WD40 repeat[англ.] формирует структуру типа кольцевой β-пропеллер[англ.]. N-концевая часть TEP1 содержит 4 повторяющихся домена неясного функционального назначения, РНК-связывающий домен и ATP/GTP-связывающий домен. Было показано, что TEP1 взаимодействует с теломеразной РНК[англ.] и различными человеческими vРНК. VPARP располагаются в основном в шапочке vault[4].

В следующей таблице обобщены основные сведения о компонентах vault[8].

Компонент Характеристика Локус Положение и взаимодействия в vault Функции
MVP 96 копий белка составляют основную массу vault. Способны самособираться в vault. Не имеют функций вне vault 16p11.2 Тело и шапочка vault, нет необходимых партнёров Структурная; управляют связыванием с сигнальными белками
VPARP Слабая поли(ADP-рибоза)-полимераза, лишь частично связана с vault 13q11 Шапочка, непосредственно связываются с N-концевой частью MVP Каталитическая: поли(ADP)-рибозилирование MVP
TEP1 Связывается с теломеразой и vault; не необходим для теломеразы 14q11.2 Шапочка, непосредственное связывание с MVP Каталитическая: сборка vРНК-мишеней в vault
vРНК hgv1—3, hgv4 не экспрессируется; лишь частично связаны с vault 5q33.11
Xp11.22		 Шапочка, связываются с TEP1 Неструктурная, функции плохо изучены

Функции

[править | править код]

Широкое распространение vault и их эволюционная консервативность говорят в пользу наличия у этих органелл важных биологических функций, хотя о них известно очень мало. Ничего не известно об изначальных функциях vault в клетках протистов. Тем не менее, имеется несколько предположений относительно роли vault в клетках млекопитающих[4]. В частности, отмечено, что vault особенно много в тканях и клетках, связанных с очисткой организма, например, макрофагах[9].

Была высказана гипотеза, что vault служат главными «пробками» в ядерных поровых комплексах. Иммунофлуоресцентный анализ с использованием антител против vault показал, что в изолированных ядрах клеток печени крысы vault располагались на поверхности ядерной мембраны. Иммуноэлектронная микроскопия с использованием вторичных антител[англ.], конъюгированных с золотом, показала, что в изолированных ядрах vault ассоциированы с ядерными поровыми комплексами. Поэтому, возможно, vault могут принимать участие в нуклеоцитоплазматическом транспорте[4].

В 2005 году было высказано предположение, что человеческие vРНК hvg1 и hvg2 могут связываться с противораковым препаратом митоксантроном, а также играть важную роль в экспорте токсичных соединений. Впрочем, другое исследование показало, что нарушение работы гена MVP у мышей не приводило к повышению чувствительности к цитостатическим препаратам. Более того, мыши дикого типа и мыши, дефектные по MVP, демонстрировали одинаковый ответ на доксорубицин. В ходе ещё одного исследования было показано, что нокдаун MVP при помощи малых интерферирующих РНК не влиял на удаление доксорубицина из ядра. Кроме того, повышение экспрессии MVP у хемочувствительных клеток не повышало устойчивости к препаратам. Эти результаты говорят в пользу того, что MVP и vault не вносят непосредственный вклад в устойчивость к цитостатическим агентам[4].

Ряд недавних исследований показал участие vault в различных сигнальных путях клетки, и количество таких путей постоянно растёт. На дрожжевой двугибридной системе было показано, что MVP может связываться с PTEN — белком-супрессором опухолей, который дефосфорилирует[англ.] фосфатидилинозитол-3,4,5-трифосфат[англ.], отрицательно регулируя сигнальный путь фосфоинозитид-3-киназы/протеинкиназы В. N-концевой фосфоинозитид-связывающий мотив и домен С2 PTEN могут взаимодействовать с MVP. MVP является субстратом для тирозинфосфатазы[англ.] SHP-2[англ.], содержащей домен SH2[англ.]* (Src homology 2), и служит белком скэффолда[англ.] в сигнальном пути эпидермального фактора роста (EGF). Оказалось, что SH2-домены SHP-2 связывались с MVP, фосфорилированным по остаткам тирозина, и это связывание усиливалось под действием EGF. Таким образом, MVP функционирует как белок скэффолда для SHP-2 и киназ, регулируемых внеклеточно, и регуляция фосфорилирования MVP через SHP-2 может иметь важное значение для выживания клетки. Кроме того, было показано взаимодействие между MVP и доменом SH2 Src в клетках желудка человека и клетках рака желудка 253J. Иммунопреципитация и иммунофлуоресцентный анализ показали, что EGF усиливал взаимодействие между MVP и Src, и оно блокировалось под действием ингибитора Src PP2[англ.]. EGF также стимулирует перемещение MVP из ядра в цитозоль и околоядерную зону цитоплазмы, где MVP колокализуется с Src. Предполагается роль MVP как нового регулятора Src-опосредованных сигнальных каскадов. Было установлено, что MVP является белком, индуцируемым интерфероном γ (IFN-γ): в ответ на IFN-γ наблюдалось значительное повышение уровня мРНК и самого белка MVP. Эта активация вовлечена во взаимодействие STAT1 и сайта, активируемого IFN-γ, в проксимальном промоторе MVP. Кроме того, IFN-γ значительно повышал темпы трансляции MVP. Показано, что vault могут взаимодействовать с эстрогеновыми рецепторами при связывании с эстрадиолом и вместе с рецепторами переносятся в ядро[10]. Согласно последним данным, vault и MVP могут взаимодействовать с инсулиноподобным фактором роста 1, HIF1A, а также затрагивать два главных процесса репарации двуцепочечных разрывов в ДНК: негомологичное соединение концов и гомологичную рекомбинацию[11]. Таким образом, частицы vault функционируют как центральные платформы взаимодействия в клеточных сигнальных каскадах[4].

VRARP, другой белок, входящий в состав vault, является поли(ADP-рибоза)-полимеразой[6].

Необычная структура и своеобразная динамика vault, а также их крупный размер наводят на мысль, что, возможно, vault функционируют как природные наноконтейнеры для ксенобиотиков, нуклеиновых кислот и белков. Ведутся работы по разработке рекомбинантных vault, в частности, по обеспечению взаимодействия vault с поверхностными клеточными рецепторами и заключению в них разнообразных грузов[12].

В следующей таблице обобщены основные сведения о белках, с которыми взаимодействуют vault[8].

Белок Характеристика Локус Взаимодействие с vault Функции, связанные с vault
PTEN Белок-супрессор опухолей, главная ингибиторная фосфатаза пути PI3K. Главный субстрат PIP3 10q23.3 MVP (N-конец), Ca2+-зависимое взаимодействие Усиление ядерных функций PTEN
SHP-2 Протеинтирозинфосфатаза; активатор роста, опосредованного рецепторными тирозинкиназами (RTK) 3q13.13 MVP (зависимое от фосфорилирования MVP взаимодействие) Стимулирование EGRF-опосредованной MAPK-активности
Erk2[англ.] Митоген-активируемая тирозинкиназа; главный передатчик RTK-опосредованных сигналов пролиферации 22q11.22 MVP (зависимое от фосфорилирования MVP взаимодействие) Стимулирование EGRF-опосредованной MAPK-активности
Src (Прото)онкоген, тирозинкиназа 20q11.2 MVP (зависимое от фосфорилирования MVP взаимодействие) Стимулирование EGRF-опосредованной MAPK-активности
COP1[англ.] E3 убиквитинлигаза, у позвоночных разрушает c-Jun[англ.] и p53 1q25.1—1q25.2 MVP (фосфорилирование MVP, уменьшающееся от УФ-излучения) Подавляет EGF-опосредованную активацию MAPK
Эстрогеновый рецептор Ядерный рецептор[англ.] гормона эстрадиола, индуцирует лиганд-зависимую транскрипцию генов-мишеней 6q25.1 MVP (гормонзависимое взаимодействие) Ядерный импорт и активация эстрогенового рецептора
La РНК-связывающий белок[англ.] Связывает и защищает 3'-концевые элементы UUU(OH) транскриптов, синтезированных РНК-полимеразой III 2q31.1 vРНК Защита vРНК

Клиническое значение

[править | править код]

Рак

[править | править код]

В 1990-х годах появились сообщения о том, что vault могут быть непосредственно вовлечены в развитие множественной лекарственной устойчивости в раковых клетках. Оказалось, что белок, связанный с множественной устойчивостью и известный под названием LRP (англ. Lung Resistance-related Protein — белок, связанный с множественной устойчивостью в лёгких) на самом деле является человеческим MVP. В ходе другого исследования связь между vault и множественной лекарственной устойчивостью была показана на клетках человеческого рака толстой кишки SW-620. Обработка SW-620 бутиратом натрия[англ.] увеличивала экспрессию MVP и приводила к устойчивости к доксорубицину, винкристину, грамицидину D и паклитакселу. Трансфекция клеток рибозимами, специфичными к MVP, подавляла эти активности[4].

Свой вклад в развитие множественной лекарственной устойчивости могут вносить и vРНК. В 2009 году было установлено, что некодирующие vРНК могут процессироваться в малые vРНК (svРНК) при участии Dicer, которые далее функционируют путём РНК-интерференции подобно микроРНК[13]: svРНК связываются с белком семейства Argonaute и отрицательно регулируют экспрессию CYP3A4 — фермента, участвующего в метаболизме ксенобиотиков[англ.][14].

В последние годы накапливаются свидетельства того, что vault связаны с функционированием систем репарации ДНК в клетке, поэтому, возможно, они вносят свой вклад в нечувствительность к не только химиотерапии, но и радиотерапии рака[11].

Инфекционные заболевания

[править | править код]

В 2007 году две исследовательские группы сообщили об участии vault в ответе на инфекции. Оказалось, что в человеческих B-клетках, заражённых вирусом Эпштейна — Барр, наблюдались повышенные уровни vРНК, которые, возможно, участвуют в защите от вируса и/или транспортных механизмах. Кроме того, было показано, что при заражении эпителиальных клеток лёгких человека бактерией Pseudomonas aeruginosa MVP быстро рекрутировался в липидные рафты, где участвует в механизмах усиления врождённого иммунного ответа. Мыши MVP−/− имели в 3,5 раза больше бактерий на грамм лёгочной ткани, чем мыши дикого типа, и чаще умирали от инфекции, вызванной P. aeruginosa[4].

Эволюционная консервативность

[править | править код]

Vault были описаны у млекопитающих, земноводных, птиц, а также слизевика Dictyostelium discoideum[2]. Согласно информации из базы данных Pfam, гомологи белков, входящих в состав vault, выявлены у инфузории Paramecium tetraurelia, кинетопластид, многих позвоночных, актинии Nematostella vectensis, моллюсков, Trichoplax adhaerens, плоских червей (в частности, Echinococcus granulosus) и хоанофлагеллят[15].

У ряда эукариотических организмов не было обнаружено гомологов белков vault. Среди них такие модельные организмы, как растение Arabidopsis thaliana, нематода Caenorhabditis elegans, плодовая мушка Drosophila melanogaster и пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae[16]. Однако, несмотря на эти исключения, высокая степень сходства vault у различных организмов говорит о том, что эти органеллы имеют некоторое эволюционное значение[2]. Согласно последним данным, последний общий предок эукариот имел vault, однако впоследствии они были утрачены у ряда групп, в том числе грибов, насекомых и, возможно, растений[9].

Примечания

[править | править код]
  1. ↑ Tanaka H., Kato K., Yamashita E., Sumizawa T., Zhou Y., Yao M., Iwasaki K., Yoshimura M., Tsukihara T. The structure of rat liver vault at 3.5 angstrom resolution. (англ.) // Science (New York, N.Y.). — 2009. — Vol. 323, no. 5912. — P. 384—388. — doi:10.1126/science.1164975. — PMID 19150846. [исправить]
  2. ↑ 1 2 3 Kedersha N. L., Miquel M. C., Bittner D., Rome L. H. Vaults. II. Ribonucleoprotein structures are highly conserved among higher and lower eukaryotes. (англ.) // The Journal of cell biology. — 1990. — Vol. 110, no. 4. — P. 895—901. — PMID 1691193. [исправить]
  3. ↑ Kedersha N. L., Rome L. H. Isolation and characterization of a novel ribonucleoprotein particle: large structures contain a single species of small RNA. (англ.) // The Journal of cell biology. — 1986. — Vol. 103, no. 3. — P. 699—709. — PMID 2943744. [исправить]
  4. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Tanaka H., Tsukihara T. Structural studies of large nucleoprotein particles, vaults. (англ.) // Proceedings of the Japan Academy. Series B, Physical and biological sciences. — 2012. — Vol. 88, no. 8. — P. 416—433. — PMID 23060231. [исправить]
  5. ↑ Kedersha N. L., Heuser J. E., Chugani D. C., Rome L. H. Vaults. III. Vault ribonucleoprotein particles open into flower-like structures with octagonal symmetry. (англ.) // The Journal of cell biology. — 1991. — Vol. 112, no. 2. — P. 225—235. — PMID 1988458. [исправить]
  6. ↑ 1 2 Kickhoefer V. A., Siva A. C., Kedersha N. L., Inman E. M., Ruland C., Streuli M., Rome L. H. The 193-kD vault protein, VPARP, is a novel poly(ADP-ribose) polymerase. (англ.) // The Journal of cell biology. — 1999. — Vol. 146, no. 5. — P. 917—928. — PMID 10477748. [исправить]
  7. ↑ van Zon A., Mossink M. H., Scheper R. J., Sonneveld P., Wiemer E. A. The vault complex. (англ.) // Cellular and molecular life sciences : CMLS. — 2003. — Vol. 60, no. 9. — P. 1828—1837. — doi:10.1007/s00018-003-3030-y. — PMID 14523546. [исправить]
  8. ↑ 1 2 Berger W., Steiner E., Grusch M., Elbling L., Micksche M. Vaults and the major vault protein: novel roles in signal pathway regulation and immunity. (англ.) // Cellular and molecular life sciences : CMLS. — 2009. — Vol. 66, no. 1. — P. 43—61. — doi:10.1007/s00018-008-8364-z. — PMID 18759128. [исправить]
  9. ↑ 1 2 Daly T. K., Sutherland-Smith A. J., Penny D. In silico resurrection of the major vault protein suggests it is ancestral in modern eukaryotes. (англ.) // Genome biology and evolution. — 2013. — Vol. 5, no. 8. — P. 1567—1583. — doi:10.1093/gbe/evt113. — PMID 23887922. [исправить]
  10. ↑ Abbondanza C., Rossi V., Roscigno A., Gallo L., Belsito A., Piluso G., Medici N., Nigro V., Molinari A. M., Moncharmont B., Puca G. A. Interaction of vault particles with estrogen receptor in the MCF-7 breast cancer cell. (англ.) // The Journal of cell biology. — 1998. — Vol. 141, no. 6. — P. 1301—1310. — PMID 9628887. [исправить]
  11. ↑ 1 2 Lara P. C., Pruschy M., Zimmermann M., Henríquez-Hernández L. A. MVP and vaults: a role in the radiation response. (англ.) // Radiation oncology (London, England). — 2011. — Vol. 6. — P. 148. — doi:10.1186/1748-717X-6-148. — PMID 22040803. [исправить]
  12. ↑ Llauró A., Guerra P., Irigoyen N., Rodríguez J. F., Verdaguer N., de Pablo P. J. Mechanical stability and reversible fracture of vault particles. (англ.) // Biophysical journal. — 2014. — Vol. 106, no. 3. — P. 687—695. — doi:10.1016/j.bpj.2013.12.035. — PMID 24507609. [исправить]
  13. ↑ Persson H., Kvist A., Vallon-Christersson J., Medstrand P., Borg A., Rovira C. The non-coding RNA of the multidrug resistance-linked vault particle encodes multiple regulatory small RNAs. (англ.) // Nature cell biology. — 2009. — Vol. 11, no. 10. — P. 1268—1271. — doi:10.1038/ncb1972. — PMID 19749744. [исправить]
  14. ↑ Entrez Gene: cytochrome P450.
  15. ↑ Major Vault Protein repeat Pfam family. Дата обращения: 30 сентября 2015. Архивировано из оригинала 16 июня 2012 года.
  16. ↑ Rome L., Kedersha N., Chugani D. Unlocking vaults: organelles in search of a function. (англ.) // Trends in cell biology. — 1991. — Vol. 1, no. 2-3. — P. 47—50. — PMID 14731565. [исправить]

Литература

[править | править код]

Ссылки

[править | править код]