AVP

Ген аргінін-вазопресину (AVP) – це ген, продукт якого протеолітично розщеплюється з утворенням аргінін-вазопресину (також відомого як антидіуретичний гормон або АДГ), нейрофізину II та глікопротеїну, якого називають копептин. AVP та інші AVP-подібні пептиди виявлені у ссавців, а також у молюсків, членистоногих, нематод та інших видів безхребетних.

У людини AVP присутній на 20-й хромосомі та відіграє роль у гомеостатичній регуляції. Продукти AVP мають багато функцій, включаючи вазоконстрикцію, регулювання балансу води (у т.ч. електролітів) в організмі та регулювання реакцій на стрес. Експресія AVP регулюється петлею зворотного зв'язку транскрипції та трансляції (TTFL), яка є важливою частиною циркадної системи, що контролює експресію генів годинника. AVP має важливе значення в медичній галузі, оскільки його продукти відіграють значну роль у всьому організмі.

Відкриття

Аргінін-вазопресин Відкриття гена AVP спочатку вимагало відкриття одного з його ключових продуктів: гормону вазопресину. У 1895 році Г. Олівер та Е.А. Шефер виявили, що речовина, що вивільняється гіпофізом, може підвищувати артеріальний тиск. Дослідники зазначили, що внутрішньовенне введення екстрактів гіпофіза, щитоподібної залози та селезінки впливає на артеріальний тиск, проте найбільш значний вплив мав саме гіпофіз. Майже тридцять років по тому Камм та його колеги розділили компоненти в гіпофізі. Використовуючи унікальну п'ятиетапну техніку розділення, Камм виявив одну речовину, пов'язану зі скороченнями матки – гормон окситоцин – та іншу речовину, пов'язану з артеріальним тиском – аргінін-вазопресин (АДГ).

Після відкриття та виділення АДГ могли бути проведені подальші дослідження структури, функції та способу генерації продукту. У 1951 році Тернер та його колеги розкрили амінокислотну послідовність, що лежить в основі цього гормону. Структура амінокислот складалася з восьми амінокислот, включаючи фенілаланін, тирозин, пролін, глутамінову кислоту, аспарагінову кислоту, гліцин, аргінін та цистин. Було також виявлено, що структура містить аміак. Після цього відкриття Вінсент дю Віньо зміг синтезувати синтетичну форму вазопресину в лабораторних умовах. Дю Віньо спеціально зазначив, що його кінцевий продукт мав таке ж співвідношення активності та складу, як і природний вазопресин.

Ген AVP Робота над аргінін-вазопресином зрештою дозволила дослідникам працювати у зворотному напрямку та ідентифікувати ген, відповідальний за утворення цієї речовини. Цей завершальний етап дослідження розпочався, коли Гейнер та його колеги знайшли білок-попередник вазопресину у 1977 році. Структуру білка згодом відкрив Ленд у 1982 році. Секвенувавши комплементарні ланцюги ДНК, що кодували мРНК гормону, Ленд визначив амінокислотну послідовність білка-попередника. Нарешті, через рік Шмале, Хайнзон та Ріхтер виділили ген-попередник AVP у щурів зі своєї геномної бібліотеки. Дослідники використовували рестрикційне картування та аналіз нуклеотидної послідовності, щоб виявити три різні екзони гена та продукти (вазопресин, нейрофізин та глікопротеїн), за які кожен з них відповідав.

Структура Ген AVP довжиною 1,85 кілобази, розташований на хромосомі 20 (20p13), містить три функціональні домени, включаючи AVP, нейрофізин II (NP) та C-кінцевий глікопептид, який називається копептин. За допомогою рестрикційного картування та секвенування було виявлено, що ген має ці домени, що охоплюють три екзони з двома інтронними послідовностями. Екзон A кодує передбачуваний сигнальний пептид, гормон АВП, та N-кінець білка-носія NP. Екзон B, який відділений від екзону A інтроном довжиною 1 кілобаза, кодує консервативну середню частину NP. Інтрон довжиною 227 кілобаз відділяє екзон B від екзону C, який кодує кінцевий домен, включаючи C-кінець NP та глікопротеїн. Було виявлено, що структура цього гена загалом консервативна у різних видів, включаючи шимпанзе, макак-резус, собак, корів, мишей, щурів, курей, даніо реріо та жаб.

Регіон промотера Промоторна область гена AVP складається з елемента E-box, розташованого за 150 залишків вище за течією від сайту початку транскрипції, який зв'язується з білками годинника ссавців CLOCK та BMAL1, що беруть участь у генерації циркадних ритмів у супрахіазматичному ядрі (SCN). Нокаути генів BMAL1 та CLOCK у SCN (Bmal -/- та clk -/-) усувають ритмічність експресії мРНК AVP, підтверджуючи, що зв'язування гетеродимерів білка з елементом E-box є необхідним для внутрішнього циркадного патерну гена АВП. На додаток до елемента E-box, промоторна область гена AVP також містить сайт елемента відповіді циклічного АМФ (цАМФ) (CRE), який бере участь у регуляції експресії генів. Добові ритми фосфорилювання білка, що зв'язує CRE (CREB), підтверджують внесок цього елемента в циркадну ритмічність експресії гена. Регуляція гена AVP, опосередкована CRE/CREB, активується через активацію сигнальних шляхів Ras за допомогою цАМФ, що завершується фосфорилюванням транскрипційного фактора CREB за допомогою MAP-кінази.

Транскрипція гена АВП для продукування мРНК AVP має добові ритми, причому рівні мРНК досягають піку протягом суб'єктивного дня та досягають найнижчої точки вночі. Цей ритм регулюється зв'язуванням циркадних білків з E-боксом, а також транскрипційною регуляцією інших елементів, включаючи CRE в промоторній області.

Функція АВП відомий, перш за все, своєю роллю як циркадного виходу сигналу у ссавців. Найпоширенішим продуктом АВП є вазопресин, нейрогіпофізарний гормон, важливий у гомеостатичних механізмах і процесах, таких як кортикальні ритми ЕЕГ. Іншими його продуктами є нейрофізин II та копептин. АВП виробляється в певному типі нейронів, які називаються магноцелюлярними нейронами (MCN), що розташовані в гіпоталамусі. У ссавців ген АВП також транскрибується в супрахіазматичному ядрі, де його експресія контролюється циркадним TTFL. Добре відомо, що готовий продукт вазопресину транспортується з тіла клітини до терміналів у задній долі гіпофіза, звідки він вивільняється в кровотік в результаті стресових факторів навколишнього середовища, наприклад, зневоднення.

Регуляція гену Регуляція гена AVP контролюється TTFL. У цій системі білок per2 транскрибується та фосфорилюється ферментом CK1E. Накопичення цього білка пригнічує транскрипційні фактори Clock та BMAL1, таким чином, не утворюється додатковий продукт per. Водночас per2 пригнічує транскрипційні фактори, що керують геном AVP, таким чином зменшуючи його експресію та продукти. Можна зазначити, що експресія AVP регулюється TTFL у SCN, але не в паравентрикулярному ядрі гіпоталамуса (PVH) та супраоптичному ядрі (SON).

Рецепторні шляхи Вазопресин здатний зв'язуватися з одним із трьох рецепторів вазопресину: AVPR1A, AVPR1B та AVPR2 . Коли вазопресин зв'язується з AVPR1A, рецептором, пов'язаним з G-білком (GPCR), активується фосфоліпаза C (PLC). Цей шлях зазвичай регулює вазоконстрикцію. Коли вазопресин зв'язується з AVPR1B, GPCR, стимулюється система вторинного месенджера фосфатидилінозитол-кальцій. AVPR1A та AVPR1B – це GPCR, які стимулюють PLC, сприяючи виробленню DAG, який активує PKC та IP3 і стимулює вивільнення іонів кальцію з ендоплазматичного ретикулуму . Цей сигнальний шлях важливий для регуляції гомеостазу та кількості води, глюкози та солей у крові шляхом вивільнення та зберігання АКТГ. Коли вазопресин зв'язується з AVPR2, стимулюється інший GPCR, аденілілциклаза. Цей шлях вторинного месенджера включає регуляцію АДГ, або вазопресину, в нирках, який має важливу сечогінну функцію, утримуючи воду та регулюючи концентрацію розчинних токсичних відходів і сечовини в сечі. Стан при якому ниркові рецептори не реагують на виділений вазопресин називається нефрогенним нецукровим діабетом.

Ген AVP у щурів У щурів ген AVP важливий для регуляції різних процесів, пов'язаних з видільною системою та клітинами гладких м'язів. Ген AVP та аргінін-вазопресин зазвичай колокалізовані з окситоцином, оскільки синаптична передача окситоцину регулює експресію мРНК AVP.

В одному дослідженні, проведеному Грінвудом та його колегами, дослідники виявили, що експресія гена АВП у щурів регулюється CREB3L1 (зв'язуючим білком 3 типу 1), що відповідає за цАМФ. CREB3L1 активується, коли він розщеплюється, а ген AVP переміщується з апарату Гольджі до ядра. Крім того, рівні мРНК CREB3L1 відповідають збільшенню кількості транскрипції гена AVP у гіпоталамусі після дефіциту натрію та як наслідок добового ритму в SCN. Як повнорозмірні, так і конститутивно активні форми CREB3L1 (CREB3L1CA) індукують експресію конструкцій промотор-люциферазний репортер AVP щурів, тоді як домінантно-негативний мутант знижує експресію. З цього дослідження дослідники дійшли висновку, що CREB3L1 є регулятором транскрипції гена AVP у гіпоталамусі, а саме в межах PVH та SON.

Аргінін-вазопресин стимулює процес фосфорилювання аквапорину 2 (AQP2) ниркової тканини, що сприяє загальному підвищенню проникності води в клітинах збірних протоків тканини. Фосфорилювання AQP2 призводить до активації сигнального шляху протеїнкінази А, яка посилює проникність води, стимулюючи щурячий еквівалент білка транспортера сечовини 1.

Медичне застосування Функції АДГ роблять його корисним для різноманітних важливих медичних застосувань. Оскільки він відіграє роль у регуляції багатьох фізіологічних функцій, таких як регуляція екскреції води та натрію, об'єм крові, вазоконстрикція та реакція на стрес, вазопресин може бути корисним у лікуванні станів, пов'язаних з цими функціями. Ці застосування включають лікування (або замісну терапію) нічного енурезу, нецукрового діабету центрального генезу та гемофілії А. Крім того, його використовують для лікування деяких форм шоку, включаючи септичний шок та вазодилататорний шок. Його також використовують під час хірургічних втручань для зменшення крововтрати (вазопресія).  

Посилання