p66Shc — одна из изоформ белка SHC1, участвующая в регуляции клеточного уровня активных форм кислорода (АФК), индукции апоптоза и продолжительности жизни. Характерена исключительно для позвоночных животных: он присутствует, например, у шпорцевой лягушки и млекопитающих, но отсутствует у дрозофилы и нематоды.
В 1999 году впервые было показано, что единичная мутация в CH2-домене приводит к повышению продолжительности жизни у мышей. Таким образом, p66Shc является редким примером гена старения в млекопитающих.
Ген
Белок p66Shc - одна из трёх изоформ белка SHC1. Все три изоформы содержат N-концевой фосфотирозин-связывающий (PTB) домен и С-концевой SH2 (Src homology 2) домен, которые разделены глицин/пролин богатым доменом CH1 (Collagen Homology 1). От двух других изоформ – p46Shc и p52Shc – p66Shc отличается наличием дополнительного глицин/пролин богатого домена CH2 на N-конце полипептидной цепи. Изоформы p53Shc и p66Shc имеют также CB (cytochrome binding) домен.
Экспрессия всех изоформ контролируется разными промоторами. Изоформы p52Shc и p46Shc экспрессируются во всех клетках организма. p66Shc экспрессируется везде за исключением линии гематопоэтических клеток.
Структура Белок состоит из 583 аминокислот, являясь самой тяжёлой из трёх изоформ SHC1 (66 кДа).
И PTB, и SH2 домены связываются с фосфорилированным тирозином, находящимся в специфической короткой белковой последовательности. Для PTB специфичность определяется N-концевыми аминокислотными остатками, смежными с фосфотирозином, а для SH2 - C-концевыми.
CH1 домен содержит три ключевых остатка - Y239, Y240 и Y317, которые фософорилируются под действием различных трансмембранных рецепторов.
Тирозины CH2 домена не подвергаются фосфорилированию. При окислительном стрессе фосфорилированию подвергается остаток S36 этого домена.
Остатки E125, E132, E133, W134 и W148 домена CB участвуют в связывании цитохрома с.
Функции
Регуляция ответа на митогенные сигналы p66Shc участвует в негативной регуляции (глушении) сигналов к запуску митоза.
Изоформы p46Shc и p52Shc участвуют в запуске MEK (MAPK-ERK Kinase)/ERK (Extracellular-signal Regulated Kinase) каскада. Связавшись с фактором роста, рецептор EGFR фосфорилируется, что вызывает привлечение и фосфорилирование белков p46Shc и p52Shc. Затем к этому комплексу присоединяются белки Grb2 и Sos, что через белок Ras запускает MEK/ERK каскад.
p66Shc также способен связывать Grb2, но такой комплекс является неактивным из-за диссоциации Sos, что останавливает активацию каскада МЕК/ERK.
Регуляция клеточного уровня активных форм кислорода (АФК) На данный момент известно несколько механизмов регуляции уровня АФК с участием p66Shc.
Активация NADPH-оксидазы Как упоминалось выше, фосфорилированная форма p52Shc связывается с Grb2. Обычно Grb2 находится в комплексе с белком Sos, но связывание с p66Shc разрушает этот комплекс. Высвободившийся Sos связывается с белками Eps8/E3b1, и такой комплекс активирует малую ГТФазу Rac-1, что в свою очередь активирует NADPH-оксидазу и запускает генерацию АФК .
Подавление экспрессии генов устойчивости к окислительному стрессу При окислительном стрессе происходит p66Shc-зависимая активация серин/треонин киназы Akt, которая фосфорилирует и инактивирует транскрипционные факторы семейства FOX (например, Foxo3a). Это приводит к понижению уровня экспрессии генов устойчивости к окислительному стрессу, например, глутатион пероксидазы 1, MnSOD и REF-1. В клетках с мутантным р66Shc уровень фосфорилирования транскрипционного фактора не меняется после обработки перекисью или ультрафиолетом.
Генерация перекиси водорода в митохондриях Часть клеточного p66Shc располагается в митохондриях. Данные о клеточной локализации p66Shc варьируют – по результатам различных исследований в митохондриях может находиться от 10 до 44% всего р66Shc .
При окислительном стрессе активируется PKCβ2 и индуцирует фосфорилирование р66Shc по остатку S36. Такой р66Shc узнаётся пептидил-пролил-изомеразой Pin1, изомеризуется, и в таком виде дефосфорилируется серин-треонин-фосфатазами типа 2 и импортируется в митохондрии . Там, согласно довольно распространённой на сегодняшний день модели, он может проявить свою оксидоредуктазную активность: p66Shc окисляет цитохром c, забирая восстановительные эквиваленты и отдавая их кислороду. Неполное восстановление кислорода приводит к образованию АФК.
Запуск апоптоза
Митохондриальный запуск апоптоза Перемещение р66Shc в митохондрии можно стимулировать различными проапоптозными факторами. Последующее повышение концентрации перекиси водорода в митохондриях ведёт к сборке мультисубъединичного комплекса, образующего пору в наружной мембране митохондрии. Через отверстие в мембране цитохром с и другие митохондриальные белки попадают в цитоплазму, что приводит к запуску апоптоза .
Исследования отдельного CH2-CB домена показали, что он существует в двух формах: в восстановленной принимает вид димера, а в окисленной - тетрамера. Проапоптотической активностью обладает только тетрамрная форма. Это позволило предположить новую модель запуска апоптоза р66Shc. В нормальных условиях тетрамерная форма восстанавливается антиоксидантами, но в условиях окислительного стресса эта система не справляется. Окисленная форма начинает продуцировать АФК, что в итоге приводит к апоптозу .
Связь с опухолевым супрессором р53 В зависимости от поступившего стимула, белок p53 может останавливать клеточный цикл либо запускать апоптоз. Показано, что в процессе запуска апоптоза р66Shc лежит ниже по каскаду р53: при повышении экспрессии р53 уровень апоптоза в клетках растёт, но этого не происходит в клетках с мутантным р66Shc. При этом р66Shc не влияет на р53-опосредованный клеточный арест: небольшая доза перекиси водорода одинаково останавливает клеточный цикл и в обычных клетках, и в клетках с нокаутированным р66Shc .
Роль в процессе старения В 1999 году впервые было проведено исследование, продемонстрировавшее связь p66Shc с продолжительностью жизни. В этом исследовании были обнаружены некоторые важные свойства белка р66Shc: Было показано повышение устойчивости к индуцируемому перекисью или ультрафиолетом апоптозу в клетках с мутантной формой р66Shc (мутация в СН2-домене). Был обнаружен сайт фосфорилирования в CH2-домене (серин-36), который модифицируется при воздействии на клетки перекисью или ультрафиолетом. Фосфорилирование этого остатка необходимо для запуска апоптоза в ответ на окислительный стресс. Устойчивость к окислительному стрессу была продемонстрирована и in vivo. Мыши с мутантной формой р66Shc жили значительно дольше, чем мыши дикого типа, при регулярных инъекциях проапоптозного агента параквата. Также было показано, что мыши, мутантные по р66Shc, живут дольше мышей дикого типа. Для эксперимента было взято 14 мышей дикого типа, 8 гетерозигот по мутантной форме р66Shc и 15 гомозигот-мутантов. После 28 месяцев умерли все мыши дикого типа, выжило 3/8 гетерозигот и 11/15 гомозигот по мутации в р66Shc. Сравнение кривых дожития показало значимые отличия в продолжительностях жизней немутантных и мутантных гомозиготных мышей. При этом у мутантных мышей не было найдено никаких видимых дефектов.
После этой работы р66Shc начали считать геном старения (то есть геном, мутации в котором могут продлить жизнь). Эта позиция хорошо согласуется с влиянием р66Shc на уровень внутриклеточных АФК и регуляцию апоптоза.
Поскольку нокаут гена р66Shc приводит к повышению продолжительности жизни мышей в лабораторных условиях без видимых отклонений в развитии и без потери фертильности, встаёт вопрос функциональной значимости белка: почему он был отобран эволюцией? Было проведено исследование, в котором 3 группы мышей (дикого типа, гетерозиготных и гомозиготных по мутации в р66Shc) на один год были помещены в природные условия обитания на биологической станции "Чистый лес" в Тверской области. Там мыши испытывали конкуренцию за ресурсы, перепады температуры, нападения хищных птиц. В природных условиях мутация в р66Shc находилась под сильным отрицательным отбором. Гомозиготные по мутации мыши постепенно элиминировались из популяции, поскольку испытывали проблемы с терморегуляцией, накоплением жира, размножением (повышалась частота материнского каннибализма). Эти наблюдения дают возможность предположить важную роль белка р66 в метаболизме энергии и объясняют отбор на его функциональность в ходе эволюции.
В 2003 году было также высказано предположение о корреляции между уровнем метилирования промотора р66Shc и продолжительностью жизни. Промотор р66Shc очень богат GC-парами; как известно, степень метилирования промотора коррелирует с уровнем экспрессии гена. Было выдвинуто предположение, что различия в продолжительности жизни обусловлены разным уровнем метилирования промотора р66Shc в разных особях.
Однако в 2013 вышла работа, ставящая под сомнение господствовавшее 15 лет общепринятое мнение. Поводом для этой работы послужил тот факт, что в работе 1999 года использовалось всего 15 мутантных мышей. При такой маленькой выборке каждое животное оказывает большое влияние на кривую дожития. В работе 2013 года выборка была расширена до 50 особей; групп мышей было 4: дикий тип с 5% или 40% ограничением калорийности питания и мутантные мыши с 5% или 40% ограничением калорийности питания. Анализ полученных кривых дожития не выявил значимых различий между мышами дикого типа и мутантами по р66Shc. Тем не менее, 70-перцентиль кривой оказался значимо больше в мутантных мышах с 40% диетой, чем в мышах дикого типа. Это может говорить о том, что несмотря на отсутствие влияния р66Shc на скорость старения, белок влияет на заболевания, связанные с возрастом, и в некоторых условиях, возможно, на продолжительность жизни. Например, было показано, что нокаут гена р66Shc снижает частоту преждевременных смертей у мышей, страдающих ожирением.
Связь с некоторыми заболеваниями Влияние р66Shc на развитие болезней, связанных с уровнем АФК и апоптозом, изучалось во многих работах. Ниже приведены результаты нескольких работ по этому направлению. С возрастом снижается эффективность эндотелий-зависимой релаксации стенок кровеносных сосудов, возрастает уровень супероксида О2- в артериях, что приводит к снижению уровня и биодоступности оксида азота NO - мощного вазодилататора. Эксперименты на мышах показали, что нокаут гена р66Shc предотвращает развитие всех этих процессов, таким образом препятствуя развитию возрастной эндотелиальной дисфункции. Гиперхолестеролемия (повышенное содержание холестерина в крови) повышает уровень клеточных АФК, что приводит к окислению белков, липидов и липопротеинов. Известно, что атерогенез (развитие атеросклероза) модулируется окисленным липопротеином низкой плотности и редокс-зависимыми путями. Поскольку р66Shc участвует в регуляции окислительного стресса, было выдвинуто предположение о связи р66Shc с атерогенезом. Эксперимент на мышах, подверженных высококалорийной диете, показал, что в мутантных по р66Shc мышах уровни окислительного стресса, окисления липопротеинов низкой плотности и образования атероматозных бляшек значительно снижены. Молекулярные механизмы влияния р66Shc на атерогенез были изучены в 2011 году на эндотелиоцитах человека. В этих клетках окисленные липопротеины низкой плотности индуцируют фосфорилирование р66 по остатку серина-36, путём активации киназ PKCβ2 и JNK(см. подраздел "Генерация АФК и запуск апоптоза"). Этот процесс приводит к повышению генерации АФК.