Hlavní bílkoviny v moči - Major urinary proteins

Stužkový diagram myšího hlavního močového proteinu obsahující osm beta listů a čtyři alfa helixy.
Terciární struktura myšího hlavního močového proteinu. Protein má osm beta listů (žlutých) uspořádaných v beta sudu otevřeném na jednom konci, s alfa helixy (červenými) na amino- i karboxylových koncích. Struktura je vyřešena ze záznamu Protein Data Bank 1i04 . Najděte všechny instance tohoto proteinu v PDB

Hlavní močové proteiny ( Mups ), také známé jako α 2 u-globuliny , jsou podrodinou proteinů, které se v hojném množství nacházejí v moči a dalších sekretech mnoha zvířat. Mupy poskytují malý rozsah identifikačních informací o dárcovském zvířeti, pokud jsou detekovány vomeronazálním orgánem přijímajícího zvířete. Patří do větší rodiny proteinů známých jako lipokaliny . Mupy jsou kódovány shlukem genů , umístěných vedle sebe na jediném úseku DNA, který se velmi liší počtem druhů: od nejméně 21 funkčních genů u myší po žádný u lidí. Mup proteiny vytvářejí charakteristický tvar rukavice , zahrnující kapsu vázající ligand , která pojme specifické malé organické chemikálie.

Močové bílkoviny byly poprvé hlášeny u hlodavců v roce 1932, během studií Thomase Addise na příčinu proteinurie . Jsou to silné lidské alergeny a jsou do značné míry zodpovědné za řadu alergií na zvířata , včetně koček, koní a hlodavců. Jejich endogenní funkce u zvířete není známa, ale může zahrnovat regulaci výdeje energie. Jako sekretované proteiny však hrají více rolí v chemické komunikaci mezi zvířaty, fungují jako feromonové transportéry a stabilizátory u hlodavců a prasat. Mups mohou také působit jako samotné proteinové feromony. Bylo prokázáno, že podporují agresi u samců myší a jeden specifický protein Mup nacházející se v moči samců myší je sexuálně atraktivní pro samice myší. Mups mohou také fungovat jako signály mezi různými druhy : myši vykazují instinktivní reakci strachu při detekci Mups odvozených od predátorů, jako jsou kočky a krysy.

Objev

Fylogenetický strom hlavních genů proteinů moči u savců zobrazující 21 myších genů, 9 krysích genů, 3 koňské geny, 2 geny lemurů a po jednom genu od prasete, psa, orangutana, makaka, keře a vačice
Phylogeny z Mup kódujících sekvencí u savců. Opakovatelnost rekonstrukce byla testována bootstrapem . Zobrazí se vnitřní větve s podporou bootstrapu> 50%.

Lidé v dobrém zdravotním stavu vylučují moč, která je z velké části bez bílkovin. Lékaři a vědci se proto od roku 1827 zajímají o proteinurii , přebytek bílkovin v lidské moči, jako indikátor onemocnění ledvin . Aby lépe porozuměli etiologii proteinurie, pokusili se někteří vědci studovat tento jev u laboratorních zvířat . V letech 1932 až 1933 řada vědců, včetně Thomase Addise , nezávisle nahlásila překvapivé zjištění, že někteří zdraví hlodavci mají v moči bílkoviny. Teprve v 60. letech 20. století byly však hlavní močové proteiny myší a potkanů ​​poprvé podrobně popsány. Bylo zjištěno, že bílkoviny jsou primárně vyráběny v játrech mužů a vylučovány ledvinami do moči ve velkém množství (miligramy denně).

Protože byly pojmenovány, bylo zjištěno, že proteiny jsou odlišně exprimovány v jiných žlázách, které vylučují produkty přímo do vnějšího prostředí. Patří sem slzné , příušní , submaxilární , sublingvální , předkožkové a mléčné žlázy. U některých druhů, jako jsou kočky a prasata, se zdá, že Mups nejsou vůbec exprimovány v moči a nacházejí se hlavně ve slinách. Někdy se používá termín močové Mups (uMups) k rozlišení těch Mups exprimovaných v moči od těch v jiných tkáních.

Mup geny

V letech 1979 až 1981 se odhadovalo, že Mups jsou kódovány genovou rodinou 15 až 35 genů a pseudogenů u myši a odhadem 20 genů u potkanů. V roce 2008 byl stanoven přesnější počet genů Mup v řadě druhů analýzou sekvence DNA celých genomů .

Hlodavci

Bodový graf ukazující různé vzorce vlastní podobnosti v rámci prvních pěti genů myšího klastru Mup
Bodový graf zobrazující soběpodobnost v myši MUP clusteru. Hlavní úhlopříčka představuje zarovnání sekvence sama se sebou; čáry mimo hlavní diagonálu představují podobné nebo opakující se vzory v klastru. Vzor se liší mezi starší, periferní třídy A a novější, centrálním třídy B MUPS .

Myší referenční genom má nejméně 21 odlišných genů Mup (s otevřenými čtecími rámci ) a dalších 21 Mup pseudogenů (s čtecími rámci narušenými nesmyslnou mutací nebo neúplnou duplikací genu ). Všechny jsou seskupeny, uspořádané vedle sebe napříč 1,92 megabází DNA na chromozomu 4. 21 funkční geny byly rozděleny do dvou podtříd založených na pozici a podobnosti sekvencí: 6 periferní třídy A MUPS a 15 centrálních třídy B MUPS . Centrální shluk genů Mup třídy B tvořený řadou sekvenčních duplikací z jednoho z Mupů třídy A. Jelikož jsou všechny geny třídy B navzájem téměř totožné, vědci došli k závěru, že k těmto duplikacím došlo v evoluci myší velmi nedávno. Opakující se struktura těchto centrálních genů Mup skutečně znamená, že jsou pravděpodobně nestabilní a jejich počet se může u divokých myší lišit . Mupy třídy A se od sebe navzájem více liší, a proto pravděpodobně budou stabilnější, starší geny, ale jaké funkční rozdíly třídy mají, nejsou známy. Podobnost mezi geny ztěžuje studium oblasti pomocí současné technologie sekvenování DNA . V důsledku toho je klastr genu Mup jednou z mála částí celé genomové sekvence myší se zbývajícími mezerami a další geny mohou zůstat neobjeveny.

Krysí moč také obsahuje homologní močové proteiny; ačkoli původně dostali jiné jméno, α2 u - globuliny , od té doby se jim začalo říkat krysí Mups. Krysy mají 9 odlišných genů Mup a dalších 13 pseudogenů seskupených do 1,1 megabáze DNA na chromozomu 5. Podobně jako u myší je shluk tvořen vícenásobnou duplikací. K tomu však došlo nezávisle na duplikacích u myší, což znamená, že oba druhy hlodavců rozšířily své genové rodiny Mup odděleně, ale paralelně .

Nonrodents

Většina ostatních studovaných savců, včetně prasat, krav, koček, psů, keřů, makaků, šimpanzů a orangutanů, má jediný gen Mup. Někteří však mají rozšířený počet: koně mají tři geny Mup a lemuři šedé myši mají alespoň dva. Hmyz, ryby, obojživelníci, ptáci a vačnatci zřejmě narušili syntézu v chromozomální poloze genového klastru Mup, což naznačuje, že genová rodina může být specifická pro placentární savce. Lidé jsou jediní placentární savci, u nichž se zjistilo, že nemají žádné aktivní Mup geny; místo toho mají jeden pseudogen Mup obsahující mutaci, která způsobuje překlepy , čímž je nefunkční.

Funkce

Transportní proteiny

Pásový diagram myšího hlavního močového proteinu s malým chemickým ligandem ve vazebné kapse.
Myší hlavní močové proteiny vážou 2-sek-butyl-4,5-dihydrothiazol (SBT), myší feromon. Beta barel tvoří kapsu, ve které je molekula SBT pevně svázána. Struktura je vyřešena z 1MUP .

Mups jsou členy velké rodiny nízkomolekulárních (~ 19  kDa ) proteinů známých jako lipokaliny . Mají charakteristickou strukturu osmi beta listů uspořádaných v anti-paralelním beta sudu otevřeném na jedné straně, s alfa helixy na obou koncích. V důsledku toho vytvářejí charakteristický tvar rukavice, zahrnující kapsu podobnou šálku, která s vysokou afinitou váže malé organické chemikálie. Řada těchto ligandů se váže na myší Mup, včetně 2-sek-butyl-4,5-dihydro thiazolu (zkráceně SBT nebo DHT), 6-hydroxy-6-methyl-3- heptanonu (HMH) a 2,3 dihydro -exo-brevicomin (DHB). Všechno jsou to chemikálie specifické pro moč, u kterých bylo prokázáno, že fungují jako feromony- molekulární signály vylučované jedním jedincem, které vyvolávají vrozenou behaviorální reakci u jiného člena stejného druhu. Bylo také ukázáno, že myší Mupy fungují jako stabilizátory feromonů a poskytují mechanismus pomalého uvolňování, který rozšiřuje účinnost těkavých feromonů v pachových značkách mužské moči . Vzhledem k rozmanitosti Mupů u hlodavců se původně předpokládalo, že různí Mupové mohou mít různě tvarované vazebné kapsy, a proto vážou různé feromony. Podrobné studie však zjistily, že většina variabilních míst se nachází na povrchu proteinů a zdá se, že mají malý vliv na vazbu ligandu.

Krysí Mups vážou různé malé chemikálie. Nejběžnějším ligandem je 1-chlor dekan , přičemž 2-methyl-N-fenyl -2-propenamid , hexadekan a 2,6,11-trimethyldekan jsou méně výrazné. Krysí Mups také vážou limonen -1,2 -epoxid , což má za následek onemocnění ledvin hostitele, hyalinní kapkovou nefropatii , která postupuje do rakoviny. Jiné druhy tuto poruchu nevyvíjejí, protože jejich Mups na sebe neváže tu konkrétní chemikálii. V souladu s tím, když byly transgenní myši konstruovány tak, aby exprimovaly krysí Mup, jejich ledviny vyvinuly onemocnění. Mup nalezený u prasat, pojmenovaný slinný lipokalin (SAL), je exprimován ve slinné žláze samců, kde pevně váže androstenon a androstenol , oba feromony, které způsobují, že samice prasat zaujímají postoj k páření .

Studie izotermické titrační kalorimetrie prováděné s Mups a souvisejícími ligandy (pyraziny, alkoholy, thiazoliny, 6-hydroxy-6-methyl-3-heptanon a N-fenylnapthylamin,) odhalily neobvyklé vazebné jevy. Aktivní místo bylo zjištěno, že se suboptimálně hydratovaná, což má za vazbu ligandu jsou poháněny Entalpické disperzními silami . To je v rozporu s většinou ostatních proteinů, které vykazují vazebné síly řízené entropií z reorganizace molekul vody . Tento neobvyklý proces byl nazýván neklasickým hydrofobním efektem .

Feromony

Různé vzory pruhování proteinů z moči samců a samic myší vyřešeny gelovou elektroforézou
Mupy v myší moči C57BL/6 J analyzovány nativní gelovou elektroforézou

Studie se snažily najít přesnou funkci Mupů ve feromonové komunikaci. Bylo ukázáno, že proteiny Mup podporují pubertu a urychlují estrusový cyklus u samic myší, což vyvolává efekty Vandenbergh a Whitten . V obou případech však musely být Mups předloženy ženě rozpuštěné v mužské moči, což naznačuje, že protein ke svému fungování vyžaduje určitý močový kontext. V roce 2007 byly Mups normálně nalezené v samčí myší moči vyrobeny v transgenních bakteriích , a proto byly vytvořeny bez chemikálií, které normálně vážou. Ukázalo se, že tyto Mups jsou dostatečné k podpoře agresivního chování u mužů, a to i v nepřítomnosti moči. Kromě toho bylo zjištěno, že Mups vyrobené v bakteriích aktivují čichové senzorické neurony ve vomeronasálním orgánu (VNO), subsystému nosu, o kterém je známo, že detekuje feromony prostřednictvím specifických senzorických receptorů , myší a potkanů. Společně to ukázalo, že Mup proteiny mohou fungovat jako samotné feromony, nezávisle na jejich ligandech.

Ilustrace pana Darcyho a Elizabeth Bennetové z Pride and Prejudice od CE Brocka (1895)
Fitzwilliam Darcy byl inspirací pro pojmenování darcina , Mupa, který přitahuje samice myší k mužské moči.

V souladu s rolí v agresi mezi muži a muži vylučují dospělí samci myší do moči podstatně více Mupů než samice, mladiství nebo kastrovaní samci myší. Přesný mechanismus způsobující tento rozdíl mezi pohlavími je složitý, ale je známo, že přinejmenším tři hormony - testosteron , růstový hormon a tyroxin - pozitivně ovlivňují produkci Mups u myší. Moč divokého domu obsahuje variabilní kombinace čtyř až sedmi odlišných proteinů Mup na myš. Některé inbrední laboratorní myší kmeny , jako BALB/c a C57BL/6 , mají také v moči exprimované různé proteiny. Na rozdíl od divokých myší však různí jedinci ze stejného kmene exprimují stejný proteinový vzor, ​​což je artefakt mnoha generací příbuzenského křížení . Jeden neobvyklý Mup je méně variabilní než ostatní: je důsledně produkován vysokým podílem divokých samčích myší a téměř nikdy se nenachází v ženské moči. Když byl tento Mup vyroben v bakteriích a použit v behaviorálních testech, bylo zjištěno, že přitahuje samice myší. Byli testováni další Mups, ale neměli stejné atraktivní vlastnosti, což naznačuje, že Mup specifický pro muže funguje jako sexuální feromon. Vědci pojmenovali tento Mup darcin ( Mup20 , Q5FW60 ) jako vtipný odkaz na Fitzwilliama Darcyho , romantického hrdinu z Pride and Prejudice . Sečteno a podtrženo, komplexní vzorce produkovaných Mups mají potenciál poskytnout řadu informací o dárcovském zvířeti, jako je pohlaví , plodnost, sociální dominance , věk, genetická rozmanitost nebo příbuznost . Divoké myši (na rozdíl od laboratorních myší, které jsou geneticky totožné, a které proto mají také identické vzory Mupů v moči) mají v moči jednotlivé vzorce exprese Mup, které fungují jako „ čárový kód “, který jednoznačně identifikuje majitele pachové značky.

U domácí myši poskytuje hlavní klastr genu MUP vysoce polymorfní pachový signál genetické identity. Divoké myši volně se rozmnožující v polopřírodních výbězích vykazovaly vyhýbání se příbuzenskému křížení . Toto vyhýbání se bylo důsledkem silného deficitu v úspěšných párováních mezi myšmi sdílejícími oba haplotypy MUP (kompletní shoda). V jiné studii s použitím myší s bílými nohami bylo zjištěno, že když byly inbrední myši pocházející z divokých populací, došlo ke snížení přežití, když byly tyto myši znovu zavedeny do přirozeného prostředí. Tato zjištění naznačují, že inbreeding snižuje kondici a že rozpoznávání pachových signálů se vyvinulo u myší jako způsob, jak se vyhnout inbreedingové depresi .

Kairomony

Kromě toho, že slouží jako sociální podněty mezi členy stejného druhu, mohou Mups působit jako kairomony - chemické signály, které přenášejí informace mezi druhy. Myši se instinktivně bojí zápachu svých přirozených predátorů , včetně koček a krys. K tomu dochází dokonce i u laboratorních myší, které byly izolovány od predátorů po stovky generací. Když byly chemické stopy zodpovědné za reakci na strach vyčištěny ze slin koček a krysí moči, byly identifikovány dva signály homologního proteinu: Fel d 4 ( Felis domesticus alergen 4; Q5VFH6 ), produkt kočičího genu Mup a Rat n 1 ( Rattus norvegicus alergen 1; P02761 ), produkt krysího genu Mup13 . Myši se těchto Mupů bojí, i když jsou vytvořeny v bakteriích, ale mutantní zvířata, která nejsou schopna Mups detekovat, neprojevila strach z krys, což dokazuje jejich důležitost při zahájení děsivého chování. Není přesně známo, jak Mups z různých druhů iniciují různorodé chování, ale bylo ukázáno, že myší Mups a predátor Mups aktivují jedinečné vzorce senzorických neuronů v nosu recipientních myší. To znamená, že je myš vnímá odlišně, prostřednictvím odlišných neurálních obvodů . Tyto feromonové receptory zodpovědné za detekci MUP jsou také známy, i když se předpokládá, že jsou členy V2R receptoru třídy.

Alergeny

Páskový diagram dvou identických molekul koňských alergenů, symetricky uspořádaných v krystalové struktuře.
Trojrozměrná struktura Equ c 1 , ukázaná v krystalizované dimerní formě. Struktura je vyřešena od 1EW3 .

Spolu s dalšími členy rodiny proteinů lipokalinu mohou být hlavní močové proteiny silnými alergeny na člověka. Důvod není znám; Nicméně, molekulární mimikry mezi MUPS a strukturálně podobné lidským lipocalins byla navržena jako možné vysvětlení. Proteinový produkt myších genů Mup6 a Mup2 (dříve mylně považovaný za Mup17 kvůli podobnosti mezi myšími MUP), známý jako Mus ml, Ag1 nebo MA1, tvoří velkou část alergenních vlastností myší moči. Protein je v prostředí extrémně stabilní; studie zjistily, že 95% vnitřních městských domů a 82% všech typů domů ve Spojených státech má detekovatelné úrovně alespoň v jedné místnosti. Podobně je krysa n 1 známým lidským alergenem. Americká studie zjistila jeho přítomnost v 33% městských domovů a 21% obyvatel bylo přecitlivělých na alergen. Expozice a senzibilizace proteinům Mup hlodavců je považována za rizikový faktor dětského astmatu a je hlavní příčinou alergie na laboratorní zvířata (LAA) - nemoci z povolání techniků a vědců laboratorních zvířat . Jedna studie zjistila, že dvě třetiny laboratorních pracovníků, u kterých se vyvinuly astmatické reakce na zvířata, měly protilátky proti krysám č. 1.

Mup geny od jiných savců také kódují alergenní proteiny, například Fel d 4 je primárně produkován v submandibulární slinné žláze a je ukládán na srst, když se kočka sama ošetřuje. Studie zjistila, že 63% koček alergických na kočky má protilátky proti tomuto proteinu. Většina měla vyšší titry protilátek proti Fel d 4 než proti Fel d 1 , dalšímu prominentnímu kočičímu alergenu. Stejně tak Equ c 1 ( alergen Equus caballus 1; Q95182 ) je proteinový produkt genu Mup koně, který se nachází v játrech, sublingválních a submaxilárních slinných žlázách. Je zodpovědný za přibližně 80% protilátkové odpovědi u pacientů, kteří jsou chronicky vystaveni alergenům koní.

Metabolismus

Zatímco detekce Mups vylučovaných jinými zvířaty byla dobře studována, funkční role u produkujícího zvířete je méně jasná. V roce 2009 se však ukázalo, že Mups jsou spojeny s regulací energetického výdeje u myší. Vědci zjistili, že geneticky indukované obézní, diabetické myši produkují třicetkrát méně Mup RNA než jejich chudí sourozenci. Když dodali protein Mup přímo do krevního oběhu těchto myší, pozorovali zvýšení energetického výdeje, fyzické aktivity a tělesné teploty a odpovídající pokles glukózové intolerance a inzulínové rezistence . Navrhují, aby Mupsův prospěšný účinek na energetický metabolismus nastal posílením mitochondriální funkce v kosterním svalu. Další studie zjistila, že Mups byly sníženy u obézních myší vyvolaných dietou. V tomto případě přítomnost Mups v krevním oběhu myší omezila produkci glukózy přímou inhibicí exprese genů v játrech.

Viz také

Poznámky

Reference

externí odkazy