Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

СТРУКТУРНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ IGA1-ПРОТЕАЗ

Казеева Т.Н. 1, 2 Шевелев А.Б. 1, 3 Леонович О.А. 1 Фаизов Т.Х. 3 Белякова А.В. 3 Лебедева А.А. 4 Кузнецова Т.В. 4, 5 Маракасова Е.С. 5 Ермохина О.В. 5 Эпова Е.Ю. 3, 5 Дудорова М.Г. 1, 5 Соцкова Д.В. 2, 5 Волкова Е.А. 2 Терехина А.С. 2 Воронова Т.Ю. 6 Васильев И.А. 6
1 Институт полиомиелита и вирусных энцефалитов им. М.П. Чумакова РАМН
2 ФГБОУ ВПО «Набережночелнинский институт социально-педагогических технологий и ресурсов»
3 ФГУ «Федеральный центр токсикологической и радиационной безопасности животных»
4 Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН
5 ФГБОУ ВПО «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии им. К.И. Скрябина»
6 ФГБОУ ВПО «Курский государственный университет»
Обзор посвящен структурным и функциональным особенностям IgA1-специфичных протеаз патогенных микроорганизмов. Интерес к изучению структуры и функций данных протеаз вызван, прежде всего, их предполагаемой ролью в развитии различных инфекций. Основной функцией IgA1-протеаз принято считать деградацию секреторных антител на слизистых оболочках, что приводит к ослаблению иммунитета и к адгезии бактерий на эпителии. На основании анализа сходства «классических» IgA1-протеаз с их функциональными аналогами и структурными гомологами высказывается предположение о возможном влиянии IgA1-протеаз и на эффекторные механизмы, опосредованные сывороточными IgA.
IgA1-протеазы
менингит
Neisseria
Haemophilus
Streptococcus

  Введение

Ряд косвенных данных позволяет рассматривать IgA1-специфичные протеазы в качестве одного из факторов патогенности микроорганизмов. Основной целью нашего обзора является изучение структурных и функциональных особенностей данных ферментов, а также особенностей их взаимодействия с субстратом, что возможно позволит сформулировать новые гипотезы о роли IgA1-протеаз в подавлении иммунных реакций организма.

«Классические» IgА1-протеазы

IgA1-протеазы - ферменты, обладающие уникальной субстратной специфичностью, как в отношении изотипа антител (способность отличать IgA1 от IgA2), так и в отношении вида организма-хозяина (способность отличать IgA1 человека от IgA1 других видов млекопитающих). Общепринятой является точка зрения, что роль этих ферментов сводится к расщеплению S-IgA, которые в больших количествах присутствуют на слизистых оболочках и обеспечивают первую линию защиты от бактериальных патогенов. Деградация антител IgA1-протеазами, таким образом, ослабляет иммунитет слизистых, что приводит к адгезии бактерий на эпителии и колонизации ими слизистых [10].

Наиболее изученными природными продуцентами IgA1-протеаз являются грам-положительные бактерии - гемолитические стрептококи групп А и В и примыкающая к ним Gemella haemolysans, и грам-отрицательные патогены родов Neisseria и Haemophilus. IgA1-протеазы N. gonorrhoeae, N. meningitidis и H. influenzae принадлежат к классу химотрипсиноподобных сериновых протеаз, что подтверждается характерными особенностями первичной структуры и чувствительностью к диизопропилфторфосфату. Зрелый фермент этого структурного типа состоит из ~1000 а.о. и содержит последовательность активного сайта - VLGDSGSPLF, характерную для многих протеаз семейства химотрипсина [9, 10]. Яркой структурной особенностью IgA1-протеаз грам-отрицательных бактерий является способность к автономной транслокации через внешнюю мембрану, для чего они изначально синтезируются в виде белка-предшественника, несущего в своем составе так называемый транспортный β-домен. Согласно этому IgA1-протеазу нередко называют основоположником класса белков-аутотранспортеров грам-отрицательных бактерий. Среди представителей рода Haemophilus продуценты IgA1-протеаз обнаружены только среди серотипов, патогенных для человека [9]. Такие же выводы имели место и при изучении продукции IgA1-протеаз патогенными штаммами Neisseria. Подобные наблюдения служат главным основанием, позволяющим рассматривать способность к синтезу IgA1-протеаз в качестве значимого фактора патогенности.

Протеазы стрептококков S. sanguis, S. pneumoniae и др., а также Gemella haemolysans, принадлежат к классу металлопротеиназ: их активность полностью подавляется ЭДТА [6]. Для данного класса протеаз характерно наличие домена, обогащенного тандемно повторенной последовательностью LPNTG. Этот домен выполняет функцию заякоривания секретированного за пределы цитоплазмы фермента на поверхности пептидогликановой клеточной стенки бактерии-хозяина. Каталитический центр металлозависмой IgA1-протеазы содержит типичный Zn2+-связывающий мотив HEMTH и дополнительный остаток Glu, расположенный в 20 а.о. к С-концу от ключевого His. Наличие генов IgA1-протеаз у стрептококков групп А и В имеет повсеместный характер и не зависит от вирулентности конкретного штамма. В то же время, заметна корреляция на физиологическом уровне: высокая продукция IgA1-протеаз более характерна для высоко вирулентных штаммов основная масса штаммов видов S. sanguis, S. pyogenes, а также S. pneumoniae, чем для представителей нормальной микрофлоры верхних дыхательных путей. Таким образом, имеющиеся эпидемиологические данные, представленные рядом ученых, позволяют говорить о важной адаптивной роли IgA1-протеаз для патогенных микроорганизмов.

Структурные гомологи IgA1-протеаз

Говоря о структурных гомологах IgA1-протеаз грам-отрицательных бактерий, необходимо обратиться к группе так называемых белков-аутотранспортеров из энтеробактерий: Escherichia coli и Shigella flexneri [1, 2]. Будучи представителями того же подкласса Gammaproteobacteria, что и Haemophilus, Enterobacteriaceae значительно отличаются от них по среде обитания. Энтеробактерии, как правило, населяют кишечник человека и животных, проявляя при этом большую или меньшую склонность к образованию токсинов, что может приводить к развитию пищевых токсикоинфекций или истинных эпидемически значимых кишечных инфекций. Инвазивность и эпидемическая опасность штаммов энтеробактрий даже в пределах одного вида очень различается [4]. Белки-аутотранспортеры являются атрибутом наиболее опасных в эпидемическом отношении штаммов энтеробактрий, способных проникать во внутреннюю среду организма [8]. Например, белки Pic и EspP выделены из штаммов E. coli и S. flexneri, вызывающих кишечный геморрагический синдром, EspC - из энтеропатогенных E. coli, Sat - из E. coli, выделенных от урологических больных, Tsh - E. coli, вызывающих геморрагический колит у птиц, SepA - из штаммов S. flexneri, выделенных из крови больных септическим шоком. Искусственно полученные мутанты S. flexneri, лишенные гена sepA, проявляли сниженную по сравнению с исходным штаммом вирулентность при экспериментальном заражении кролика [3]. Высокая адаптивная значимость IgA1-протеазоподобных аутотранспортеров энтеробактерий подтверждается и геномной локализацией их генов: почти все они находятся на плазмидах.

Несмотря принадлежность IgA1-протеазоподобных аутотранспортеров энтеробактерий к протеазам и явную гомологию всей их последовательности с сериновыми IgA1-протеазами, субстратная специфичность этих ферментов не связана с IgA1 человека. Так, например, EspC расщепляет связь Arg-Arg, Sat - Ala-Ala-Leu и Tyr-Leu-Val, а SepA - Val-Pro-Phe, Ala-Ala-Pro-Phe, Ala-Pro-Leu. В качестве естественных субстратов этих ферментов можно назвать пепсин, муцин, фактор свертывания крови V, спектрин [1].

Подводя итог рассмотрению роли IgA1-протеазоподобных аутотранспортеров энтеробактерий в патогенезе, можно высказать предположение, что их приуроченность к относительно редко встречающимся высокоинвазивным штаммам E. coli может рассматриваться в качестве косвенного свидетельства участия в выживании патогена во внутренней среде макроорганизма. Можно предполагать, что аутотранспортеры вносят вклад в инактивацию ударных механизмов иммунной системы за счет протеолиза, участвуют в механическом экранировании патогенов от этих систем или же выполняют функцию рецептора, ориентирующего патоген в пределах макроорганизма. Можно предположить, что эти функции в той или иной мере присущи и истинным IgA1-протеазам, продуценты которых сталкиваются с проблемами, аналогичными инвазивным энтеробактериям, в процессе транслокации из очага первичной инфекции слизистая дыхательных путей во вторичный очаг, ликвор головного мозга.

Функциональные аналоги IgA1-протеаз

К числу близких функциональных аналогов «классических» металлозависимых и химотрипсиноподобных IgA1-протеаз относятся ферменты из бактерий класса Bacteroidetes: из рода Prevotella порядок Bacteroidales и рода Capnocytophaga порядок Flavobacteriales. C точки зрения организации каталитического центра ферменты из этого источника принадлежат к классу тиол-зависимых протеаз. Обращает на себя внимание, что, как и в случае с грам-положительными и грам-отрицательными продуцентами «классических» IgA1-протеаз, представители класса Bacteroidetes, синтезирующие IgA1-протеазы, относятся к двум отдаленным группам, в то время, как близкие родственники каждой из них лишены этого признака. Отсюда можно сделать вывод, что сходство адаптивных приспособлений бактерий родов Prevotella и Capnocytophaga обусловлено сугубо экологическим фактором: обе группы являются анаэробами, населяющими десневые карманы человека и приматов. При этом оба рода представлены 5 - 8 видами, все представители которых синтезирют IgA1-протеазы с однотипными свойствами. Таким образом, и в случае бактерий класса Bacteroidetes можно наблюдать признаки горизонтального переноса генов IgA1-протеаз между отдаленными по происхождению таксонами [7].

Субстратная специфичность тиоловых протеаз бактерий класса Bacteroidetes изучена слабо, так как в отличие от гемолитических стерптококков, Neisseria и Haemophilus, наряду с IgA1-протеазой они синтезируют другие ферменты, эффективно расщепляющие IgG, IgM и другие субстраты. В результате препараты высокоочищенных IgA1-протеаз из этого источника недоступны. В отличие от продуцентов «классических» IgA1-протеаз, Prevotella и Capnocytophaga не склонны вызывать менингит, но в некоторых случаях выделяются из содержимого гнойных абсцессов десны, напоминая в этом отношении золотистый стафилококк. Приведенные данные позволяют предполагать, что IgA1-протеазы бактерий этого типа служат преимущественно для обеспечения адгезии продуцирующих их бактерий на поверхности зубной ткани или парадонта, не будучи причастными к проникновению бактерий во внутреннюю среду организма.

Особенности субстратной специфичности IgA1-протеаз

Большинство известных IgA1-протеаз расщепляет только одну постпролиновую пептидную связь, образованную карбоксильной группой Thr или Ser, двойного октапептида Thr-Pro-Pro-Thr-Pro-Ser-Pro-Ser в шарнирной области IgA1 человека. Первичная специфичность фермента заключается в способности расщеплять только одну связь в пределах двойного октапептида шарнирной области целостной молекулы IgA1. Получающиеся фрагменты при этом аналогичны продуктам частичного протеолиза IgG пепсином: Fab и Fc [6].

Хотя участок расщепления субстрата всеми IgA1-протеазами расположен в главном шарнире молекулы субстрата и никогда не затрагивает связи Ser-Pro или Thr-Pro в других ее частях, первичная специфичность IgA1-протеаз из различных источников достаточно разнообразна. Таким образом, по типу субстратной специфичности IgA1-протеазы и их структурные гомологи можно разделить на три типа. К первой группе можно отнести истинные IgA1-протеазы из грам-отрицательных патогенов и стрептококков, обладающие тем или иным типом катализа и расщепляющие одну из постпролиновых связей двойного октапептида в шарнирном регионе IgA1 человека. Ко второй группе ферментов можно отнести протеазы из C. ramosum и, возможно, Prevotella и Capnocytophaga, которые расщепляют связи Pro221-Val222 и Pro223-Ser224 соответственно, расположенные в шарнире IgA до двойного октапептида. К третьей группе ферментов можно отнести сериновые протеазы со способностью к аутотранспорту из бактерий семейства Enterobacretiaceae - E. coli, S. flexneri и Camplylobacteri jejuni, которые проявляют явную структурную гомологию с генами истинных IgA1-протеаз, но не обладают способностью расщеплять IgA1.

IgA1-протеазы обладают исключительной селективностью по отношению к субстрату: первичная специфичность, как уже упоминалось, проявляется в расщеплении связей полноразмерного IgA1 человека в пределах двойного октапептида шарнирной области, а вторичная - в том, что расщеплению подвергаются только IgA человека класса 1 [10]. Так белки, обогащенные остатками Pro и Thr, например, кроличьи IgA полностью устойчивы к действию протеаз. Синтетические пептиды, содержащие связь Pro-Thr, также практически невосприимчивы к протеолитической атаке IgA1-протеазами. Изменение в аминокислотной последовательности шарнирной области существенно влияет на каталитическую эффективность протеаз, о чем говорят, в частности, эксперименты с химерными молекулами IgA. [10].

Очевидно, что для распознавания и эффективного расщепления природного субстрата, IgA1-протеазам не достаточно предъявить только уникальную последовательность шарнирного региона. Исследования с использованием рекомбинантных иммуноглобулинов IgA1 с шарнирным регионом типа IgA2 и IgG2 с шарнирным регионом IgA1 показали, что, хотя шарнирный регион необходим для распознавания и расщепления IgA1-протеазами, будучи встроен в IgG2, он оказывается недоступен для расщепления ими. Таким образом была показана необходимость гомологичных Сa2 и Сa3 доменов в структуре Fc-фрагмента. Эти данные позволяют провести некую гомологию при взаимодействии IgA1-протеаз, IgA-связывающих белков патогенных бактерий и эндогенного рецептора CD89 с молекулами IgA человека: при взаимодействии IgA1-протеаз с IgA1 Сa2 и Сa3 домены также играют ключевую роль, то есть структура Fc-фрагмента вносит существенный вклад в связывание с ферментом. Можно говорить и о том, что IgA1-протеазы содержат пространственно разнесенные каталитический сайт и аллостерический активаторный сайт и что связывание Fc-домена IgA является первым шагом в формировании фермент-субстратного комплекса. Приведенные данные позволяют предполагать, что тот участок IgA, который обусловливает аллостерическую активацию IgA1-протеаз, может соседствовать или полностью совпадать с сайтами для IgA-связывающих белков из гемолитических стрептококков и стафилококков, а также для эндогенного рецептора CD89.

Заключение

Анализируя представленные данные о структурных и функциональных особенностях IgA1-протеаз патогенных микроорганизмов и их гомологах, нельзя рассматривать эти ферменты только как механизм, обеспечивающий нормальную колонизацию бактерий на эпителии хозяина, в частности, и потому, что активность IgA1-протеаз патогенов была экспериментально выявлена в биологических средах пациентов с заболеваниями, причиной которой являются обсуждаемые нами микроорганизмы. Можно предполагать, что IgA1-протеазы могут эффективно деградировать и сывороточные IgA1, приводя к отмене опосредованных ими эффекторных функций, таких, например, как взаимодействие с CD89 [5].

Рецензенты:

  • Алешин В.В., д.б.н., ведущий научный сотрудник Государственного учреждения Научно-исследовательский институт физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, г. Москва.
  • Ляпустин В.Н., д.б.н., ст.н.с., зав. отделением криогенного хранения культур клеток и коллекционных штаммов вирусов ИПВЭ им. М.П. Чумакова РАМН, г. Москва.

Библиографическая ссылка

СТРУКТУРНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ IGA1-ПРОТЕАЗ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 1. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=5096 (дата обращения: 17.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074