АТФ-зв'язувальні касетні транспортери () — члени однієї з найбільших суперродин транспортних білків, яка представлена в різноманітних організмах — від прокаріотів до людини[null Rees D., Johnson E., Lewinson O. ABC transporters: The power to change] // Nat Rev Mol Cell Biol. — 2009. — Vol. 10, N3. — pp 218—227. Ці трансмембранні білки функціонують, використовуючи енергію гідролізу АТФ на перенос через плазматичні й внутрішньоклітинні мембрани широкого кола субстратів, включаючи продукти метаболізму (неорганічні іони, амінокислоти, пептиди, цукри), ліпіди й стероїди, лікарські речовини, у тому числі цитотоксичні антипухлинні агенти. Вони можуть функціонувати як імпортери, що переносять речовини в клітину (такі ABC-імпортери виявлені лише у прокаріотів), так і як експортери, що видаляють із клітини гідрофобні сполуки (ABC-експортери є характерними як для про-, так і для еукаріотів). Транспортерів, що функціонують в обох напрямках, на сьогодні не виявлено.
І імпортери, і експортери мають високу подібність у структурі та механізмах функціонування, але їх субстрат-зв'язувальний сайт локалізований відповідно або на позаклітинному, або на внутрішньоклітинному боці мембрани. Білки відносять до ABC-транспортерів за наявністю специфічної амінокислотної послідовності й особливої організації їх АТФ-зв'язувального касетного домену. За цими ознаками до даної родини також належить ряд протеїнів, що не функціонують як транспортери, а залучені в процеси трансляції й репарації ДНК.
Бактеріальні ABC-транспортери Бактеріальні ABC-транспортери залучені у метаболізм клітин цих організмів; крім того, ці структури опосередковують вірулентність бактерій та їх здатність спричиняти розвиток захворюванняDavidson A., Dassa E., Orelle C., Chen J. Structure, Function, and Evolution of Bacterial ATP-Binding Cassette Systems // Microbiol Mol Biol Rev.- 2008. — vol. 72, N 2. — pp 317—364.
Бактеріальні ABC-імпортери Субстрати ABC-імпортерів дуже різняться за розмірами й хімічною природою — зокрема, серед них є органічні і неорганічні іони (наприклад, іони металів), комплекс {залізо-сидерофор}, гем, амінокислоти, олігопептиди, моно- і олігосахариди, вітамін В12. Зокрема, важливими ефекторами вірулентності є ABC-імпортери, що відповідають за поглинання заліза. За нормальних умов більшість заліза в організмі людини перебуває у зв'язаному стані із білками трансферином, лактоферином, феритином або як компонент гемвмісних білків. Патогени здатні захоплювати залізо із цих молекул за допомогою секреції високоафінних залізо-хелатувальних білків, які отримали назву сідерофори. У вигляді комплексу {залізо-сідерофор} ABC-імпортери здатні переносити даний іон через плазматичну мембрану бактеріальних клітин. Інший мікроорганізм — Agrobacterium tumefaciens — містить імпортери глюкози й галактози, що також асоційовані із вірулентністю.
Бактеріальні ABC-експортери Бактеріальні ABC-експортери переносять протеїни, що залучаються в бактеріальний патогенез (гемолізини, протеолітичні ферменти, лужну протеазу), пептиди (у тому числі пептидні антибіотики), небілкові сполуки (капсулярні полісахариди, ліпополісахариди, тейхоєву кислоту, гем, токсини, небілкові лікарські препарати)Fath M., Kolter R. ABC Transporters: Bacterial Exporters // Microbiological reviews. — 1993. — p. 995—1017.
Еукаріотичні ABC-транспортери Більшість еукаріотичних ABC-транспортерів є помпами; у той же час, деякі з них — наприклад, регулятор трансмембранної проникності за кістозного фіброзу (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator, CRTR) та рецептор до сульфонілсечовини (sulfonylurea receptor, SUR) — використовують гідроліз АТФ для регуляції відкриття й закриття іонних каналів у молекулі самого ABC-транспортера чи в інших білках. ABC-транспортери локалізовані як у ПМ, так і в ендомембранах пероксисом, лізосом, вакуолей, ендосом, у мембранах апарату Гольджі, ЕПР і мітохондрій.
Класифікація ABC-транспортерів У людини виявлено 48 ABC транспортерів, що залучаються у перенос через мембрани холестеролу та інших ліпідів, жовчних та жирних кислот, розвиток множинної лікарської резистентності, у презентацію антигенів, в гомеостаз мітохондріального заліза та в АТФ-залежну регуляцію іонних каналів. Ці білки, залежно від особливостей структури, відносять до однієї із семи підродин ABC-транспортерів (ABCA — ABCG)Dean M., Hamon Y., Chimini G. The human ATP-binding cassette (ABC) transporter superfamily // 2001. — Vol. 42. — pp 1007—1017 Родина Функції Приклади Причетність до множинної лікарської резистентності та спадкові дефекти ABCA Транспорт холестеролу й ліпідів (ABCA1), що до більшості представників — функції невідомі ABCA1–ABCA10, ABCA12, ABCA13 танжерська хвороба (ABCA1), вікозалежна дегенерація сітківки (ABCA4) ABCB Транспорт кон'югатів гідрофобних сполук, пептидів, фосфоліпідів, жовчних кислот ABCB1–ABCB11: ABCB1 (MDR1, або p-глікопротеїн (pgP)); ABCB2 (TAP1); ABCB3 (TAP2); ABCB4 (MDR2/3, або фліпаза); ABCB11 (BSEP) Множинна лікарська резистентність (ABCB1, ABCB4); прогресуючий родинний внутрішньопечінковий холестаз ІІ типу (ABCB11) та ІІІ типу (ABCB4) ABCC Транспорт іонів, кон'югатів гідрофобних сполук (стероїдних гормонів, жовчних солей, лікарських препаратів) із глутатіоном, глюкуроновою й сірчаною кислотами ABCC1–ABCC12: ABCC1 (MRP1); ABCC2 (MRP2); ABCC4 (MRP4); ABCC7 (CFTR); ABCC8 (SUR1); ABCC9 (SUR9) || множинна лікарська резистентність (більшість представників); синдром Дабіна-Джонсона (ABCC2); еластична псевдоксантома (ABCC6); муковісцидоз (ABCC7); персистентна гіперінсулінемічна гіпоглікемія новонароджених (ABCC8) ABCD Транспорт сполук (зокрема, жирних кислот із дуже довгим (понад С26) ланцюгом) через мембрани пероксисом ABCD1 — ABCD4 Адренолейко-дистрофія (ABCD1 та ABCD2); деякі форми хвороби Цельвегерра (ABCD3 і ABCD2) ABCE/ABCF Не виконують транспортних функцій, залучені в регуляцію білкового синтезу й експресії генів ABCE1; ABCF1 — ABCF3 ? ABCG Транспорт ліпідів, лікарських препаратів різної хімічної природи, жовчних кислот, холестеролу, інших стероїдів, зокрема, рослинних стеролів ABCG1, ABCG2, ABCG3, ABCG4, ABCG5, ABCG8 Множинна лікарська резистентність (ABCG2); ситостеролемія (ABСG5 та ABCG8)
Хвороби, пов'язані з порушенням функцій ABC-транспортерів Мутації щонайменш тринадцяти з цих білків асоціюються із широким колом розладів: танжерською хворобою із недостатністю або відсутністю в плазмі крові ліпопротеїнів високої щільності і накопиченням в тканинах ефірів холестеролу (ABCA1); вікозалежною дегенерацією сітківки (ABCA4); прогресуючим родинним внутрішньопечінковим холестазом ІІ типу (progressive familial intrahepatic cholestasis, PFICII) із порушенням екскреції через апікальну мембрану гепатоцита жовчних кислот, зокрема, гідрофобної хенодезоксихолевої кислоти (ABCB11); прогресуючим родинним внутрішньопечінковим холестазом ІІІ типу (PFICIII) із порушенням екскреції через апікальну мембрану гепатоцита фосфоліпідів (ABCB4); синдромом Дабіна-Джонсона із порушенням екскреції кон'югованого білірубіну із гепатоцитів у жовчні канальці (ABCC2); еластичною псевдоксантомою із порушенням структури сполучної тканини низки тканин, що супроводжується фрагментацією і мінералізацією еластинових та колагенових фібрил (ABCC6); муковісцидозом (ABCC7); персистентною гіперінсулінемічною гіпоглікемією новонароджених (ABCC8); адренолейкодистрофією (adrenoleukodystrophy, ALD) із порушенням обміну жирних кислот із дуже довгим ланцюгом (понад С26), які при цьому накопичуються в організмі (ABCD1 та ABCD2); деякими формами хвороби Цельвегерра — пероксисомального розладу із ознаками, подібними до адренолейкодистрофії (ABCD3 і ABCD2); ситостеролемією — рідкісним порушенням ліпідного обміну новонароджених, за якого в крові й тканинах накопичуються рослинні стероли (ABСG5 та ABCG8).
Представники щонайменше трьох субродин ABC-транспортерів відіграють критичну роль у розвитку множинної лікарської резистентності — стану, за якого у пацієнтів розвивається резистентність не лише на призначений препарат, але й на інші лікарські засоби[null Gottesman M., Fojo T., Bates S. Multidrug resistance in cancer: role of ATP–dependent transporters //Nature Reviews / Cancer, -2008. — N2. — pp 48-58]. Резистентність до лікарських препаратів є загальною клінічною проблемою в пацієнтів, хворих як на інфекційні хвороби, так і на рак. Прокаріотичні і еукаріотичні клітини, а також неопластичні клітини часто є резистентними до дії терапевтичних агентів. Це спричиняється низкою факторів, одним із яких є посилене видалення останніх із клітин за участю ABC-транспортерів.
Структура ABC-транспортерів[null Locher K. Structure and mechanism of ATP-binding cassette transporters // Phil. Trans. R. Soc. B. — 2009. — Vol. 364. — pp 239—245]
Загальні принципи будови Функціонуючі транспортери більшості підродин еукаріотичних ABC-транспортерів складаються із чотирьох доменів — двох ATP-зв'язувальних касетних доменів (ATP-binding cassette (ABC)), які також відомі під назвами нуклеотид-зв'язувальних доменів (nucleotide-binding domains (NBDs) або nucleotide-binding folds (NBFs)) та двох трансмембранних доменів (transmembrane domains, TMDs). Два ABC-домени, локалізовані у цитозолі, разом зв'язують і гідролізують АТФ, тоді як два TMD-домени залучаються у розпізнання субстратів й їх транслокацію через мембрану. TMD-домени найчастіше складаються із шести трансмембранних ділянок, представлених α-спіралями.
Повні, повні подовжені й напівтранспортери За особливостями структури виділяють три групи ABC-транспортерів.
До першої групи відносять ABC-транспортери, які отримали назву повних транспортерів — їх молекули в межах одного поліпептидного ланцюга мають 12 трансмембранних ділянок (тобто 2 TMD-домени) та 2 АТФ-зв'язувальні сайти (тобто 2 ABC-домени). Прикладами ABC-транспортерів цієї групи є білки ABCB1 (інша назва — MDR1 — multiple drug resistance protein 1, білок множинної лікарської резистентності 1) та ABCC4 (MRP4).
До другої групи належать ABC-транспортери, що також у межах одного поліпептидного ланцюга мають 2 TMD- і 2 ABC-домени, тобто є повними транспортерами, але, на відміну від представників попередньої групи, на N-кінці молекули мають додатковий регуляторний домен, що складається із 5-ти трансмембранних сегментів. Таким чином, в цілому в межах одного поліпептидного ланцюга ці білки мають 17 трансмембранних ділянок і два АТФ-зв'язувальні сайти. Їх прикладами є білки ABCC1 (MRP1), ABCC2 (MRP2), ABCC3 (MRP3) та ABCC6 (MRP6).
Третя група ABC-транспортерів представлена так званими напівтранспортерами, оскільки в межах одного поліпептидного ланцюга її представники мають лише 6 трансмембранних доменів та один АТФ-зв'язувальний сайт, локалізований або на С-кінці (наприклад, у білка ABCB2 (ТАР1 — transporter associated with antigen processing) або на N-кінці (прикладом є білок ABCG2 та інші реверсні транспортери). В результаті одна молекула таких ABC-транспортерів містить один TMD- і один ABC-домен, тоді як функціонують напівтранспортери у вигляді гомо- або гетеродимерів.
Особливості будови ABC-домену ABC-домен містить три консервативних послідовності: Walker A послідовність Walker B послідовність сигнатурну С-послідовність (signature (C) motif), також відому під назвою LSGGQ-послідовності (літерами позначено амінокислоти даної ділянки поліпептидного ланцюга — лейцин, серин, гліцин, гліцин, глутамін). Дві перші послідовності — Walker А та Walker B — разом складають каталітичний коровий субдомен і виявлені в усіх АТФ-зв'язувальних білках.
LSGGQ-ділянка локалізована ліворуч від Walker B послідовності в α-спіральному субдомені і є специфічною виключно для ABC-транспортерів — цим вони різняться від інших АТФ-зв'язувальних білків.
Окрім цього, в ABC-домені містяться Q петля, залучена у взаємодію між ABC та TMD, зокрема, у спряження гідролізу АТФ й конформаційних змін у TMD під час транслокації субстрату, та H петля, необхідна для взаємодії ABC-доменів із АТФ.
Особливості будови TMD-домену