Мáтриксний Gla-протеин (MGP) представляет группу зависимых от витамина К белков, содержащих остатки γ-карбоксиглютаминовои кислоты (Gla).

К этой же группе относятся белки, участвующие в коагуляции крови: протромбин, фактор VII, фактор IX, фактор X, протеин C, протеин S, протеин Z. Подобным MGP является костный Gla-протеин (BGP), известный также под названием остеокальцин.

История открытия

Впервые белок, названный MGP, было выделено в 1983 году в лаборатории Price из экстрактов деминерализованного матрикса костей быков.

Такое экстрагирования осуществляли растворами мочевины с добавлением хлорида кальция. MGP оказался отличным от открытого ранее BGP, хотя имел с ним очень много общих черт, что свидетельствовало о совместном эволюционное происхождение этих двух матриксных протеинов. Впоследствии было определено первичную структуру MGP, основные химические характеристики, локализацию гена MGP и его строение.

В отличие от BGP, который синтезируется исключительно в тканях костей и зубов (структурах с физиологической минерализацией), MGP образуется во многих мягких тканях, в частности в хрящах, сердце, почках, легких, стенках кровеносных сосудов. В каждой из этих тканей экспрессию MGP проявляли лишь в отдельных, специфических для данного органа, типах клеток. Способность к синтезу MGP имеют остеобласты, хондроциты, гладкеньки мышечные клетки (ГМК) сосудов, пневмоциты, клетки почечного эпителия, фибробласты, макрофаги. В тканях сердца и легких крыс уровень мРНК MGP в 10 раз, а в тканях почек — в 5 раз выше, чем в костях. Зато содержание самого MGP в этих тканях в 40-500 раз ниже, если сравнивать с костями. Низкие уровни MGP на фоне высокой экспрессии его гена наводят на мысль, что этот белок вряд действует исключительно из-за накопления в внеклеточного матрикса. Очевидно, что MGP аккумулируется только в местах кальцификации, а большая его часть, синтезированная в мягких тканях, поступает в плазму крови, где концентрация MGP составляет от 0,3 до 1 мкг / мл в зависимости от вида животных.

Биохимия MGP

Молекула MGP человека (мол. Масса 10 кДа) состоит из 84 аминокислотных остатков, 5 из которых представлены γ-карбоксиглютаминовою кислотой (Gla). Из костей крыс выделено две формы MGP, имеющих 79 и 83 остатки, то есть в них не хватает соответственно 5 и 1 аминокислот от С-конца белковой молекулы. В отличие от всех известных сегодня витамин К-зависимых белков MGP не имеет формы пропептида. Хотя MGP содержит большой процент гидрофильных аминокислотных остатков, он почти не растворим в воде (растворимость <10 мкг / мл), а потому его транспорт плазмой крови может происходить только в комплексе с другими водорастворимыми белками.

Только синтезированная молекула MGP состоит из 103 аминокислотных остатков (84 — это зрелый белок и 19 — трансмембранный сигнальный пептид) и содержит, начиная с N-конца, три функциональные участки:

  • трансмембранный сигнальный пептид (transmembrane signal peptide)
  • вероятный сайт, который распознает γ-карбоксилаза (putative recognition site for γ-carboxylase)
  • домен, содержащий остатки Gla (Gla-containing domain).

Основан в клетках MGP испытывает посттрансляционной модификации, которая заключается в карбоксилирования пяти остатков глутаминовой кислоты (Glu) с образованием γ-карбоксиглутаминовои кислоты (Gla). Указанная реакция катализируется ферментом γ-глютамилкарбоксилазою (GGCX) и является сопряженной с окислением восстановленной формы витамина К (гидрохинона) в 2,3-эпоксид витамина К. Таким образом, без окисления витамина К не может происходить карбоксилирования Glu-остатков молекулы MGP. В свою очередь достаточное количество витамина К для реакции карбоксилирования MGP зависит от состояния обратной реакции его восстановления, которая осуществляется с помощью витамин К-епоксидредуктазного комплекса (VKOR). В дополнение к γ-карбоксилирования, MGP может подвергаться и других посттрансляционным модификаций, в частности:

  1. специфического протеолитического расщепления в С-терминальной области молекулы;
  2. фосфорилирования трех сериновых остатков в N-конечном хвосте.

После приведенных выше реакций MGP накапливается в структурах аппарата Гольджи и секретируется во внеклеточное пространство, где и выполняет свои функции.

Ген MGP

Ген MGP у человека представлено одной копией, которая содержится в коротком плече 12-й хромосомы (12p12.3-13.1).

В нем закодировано 84 аминокислотные остатки зрелого белка и 19 остатков трансмембранного сигнального пептида. Длина гена — 3900 нуклеотидов, он состоит из 4 экзонов, разделенных тремя большими промежуточными последовательностями (интронов), на которые приходится более 80% общей длины гена. Каждая из трех функциональных участков белка — трансмембранный сигнальный пептид, сайт распознавания γ-карбоксилазы и домен, содержащий остатки Gla, — кодируется отдельным экзона гена MGP. Четвертый экзон кодирует участок белка, состоящего из 11 аминокислотных остатков (α-helical domain) и лежит между трансмембранным сигнальным пептидом и сайтом распознавания γ-карбоксилазы. Функция этого участка MGP пока не известна.

Подобная 4-экзонных организация характерна и для гена остеокальцина (BGP). Она существенным образом отличается от 2-экзонных организации генов, кодирующих соответствующие участки в других известных сегодня витамин К-зависимых белках. Анализ промоторной части гена MGP показал, что наряду с типичными TATA и CAT боксы, она содержит регуляторные последовательности (putative regulatory sequences), гомологичные ранее идентифицированным элементам, отвечают на действие гормонов и транскрипционных факторов (hormone and transcription factor responsive elements). В частности, определены два участка промотора, содержащих возможные сайты связывания рецепторов ретиноевой кислоты и витамина D.

Полиморфизмы единичных нуклеотидов в гене MGP

Сегодня описано более 189 видов полиморфизма единичных нуклеотидов (SNP) в гене MGP человека. Из них лучше всего исследованы учитывая их ассоциации с различными болезнями три:

  • T-138C (rs 1800802)
  • G-7A (rs 1800801)
  • Ala83Thr (rs 4 236)

Полиморфизм T-138C касается промоторной части гена — участка, образует комплексы с ядерными белками и воспринимает их регуляторные воздействия; G-7A локализован в начальном отрезке промотора, с которого стартует собственно процесс транскрипции; Thr83Ala — в четвертом экзоне, кодирующего Gla-вместительный домен. Последний вариант SNP приводит замену треонина на аланин в предпоследнем восемьдесят третьего остатка молекулы MGP. Вопрос о том, как различные виды полиморфизма гена MGP влияют на его экспрессию и способность воспринимать различные регуляторные влияния, находится сегодня в центре внимания исследователей. В качестве одного из подходов к ее решению используют введение в культивируемые клетки генетических конструкций, содержащих «нормальный» и «патологический» варианты промотора MGP и ген люциферазы (люциферазний тест). Первое такое исследование было проведено Германн и соавт. Авторы показали, что полиморфизм G-7A не влияет на промоторной активность гена MGP, тогда как активность промотора с минорным геном -138C (патологический вариант), при сравнении с -138T (нормальным вариантом), была меньше на 20% по ГМК сосудов крысы и на 50% в культивируемых фибробластов человека. Совсем другие данные были получены в исследовании Фарзанеха и соавт .. Авторы установили, что промоторы с полиморфизмом G-7A и T-138C существенно меняют транскрипционных активность гена MGP в соединениях ГМК крыс in vitro. Так, вариант промотора с минорным геном -7A проявлял активность в 1,5 раза выше, чем -7G, а вариант -138C был в 4 раза активнее -138T.

Анализ промотора гена MGP показал, что полиморфизм T-138C касается участка, является критической для процессов транскрипции в соединениях ГМК. Именно здесь, в позиции между -142 и -136, расположенный элемент, который может связывать активационный протеин-1 (AP-1). Установлено, что при полиморфизме T-138C меняется связывания этого участка промотора с комплексом AP-1. Вариант промотора с геном -138T хорошо связывает комплексы AP-1, в состав которых входят c-Jun, JunB, Fra-1 и Fra-2, и активируется форболовимы соединениями, между тем способность к связыванию AP-1 и последующей активации в промотора с геном -138C очень низкая. Приведенные выше данные подтверждаются работой Кобаяши и соавт., В которой установлено, что вариант промотора -138T, в отличие от -138C, способен образовывать комплексы с ядерными белками (AP-1). Однако, что касается активности этих вариантов, то японские исследователи пришли к совершенно иным, чем Фарзанех и соавт., Выводам: при введении промоторов гена MGP в культивируемые клетки рака молочной железы человека активность промотора с геном -138T была намного выше, если сравнивать с геном -138C.

Таким образом, неоднозначные данные о влиянии различных видов полиморфизма гена MGP на его транскрипционные активность свидетельствуют о сложности проблемы и обусловливают необходимость продолжать исследования в этом направлении.

Регуляция экспрессии и активности MGP

Объектами регуляции могут быть (а) экспрессия гена MGP и (б) процессы посттрансляционной модификации белка. Как уже отмечалось, промотор гена MGP содержит участки (putative regulatory sequences), которые могут воспринимать различные регуляторные воздействия. К таким, в частности, относят сайты возможного связывания с рецепторами витамина D и ретиноевой кислоты.

Регуляция экспрессии гена MGP

Среди изученных in vitro факторов на экспрессию гена MGP влияют:

  1. витамин D;
  2. ретиноевая кислота
  3. внеклеточные ионы кальция
  4. некоторые цитокины и гормоны.

Витамин D

Показано, что витамин D3 увеличивает синтез мРНК MGP в остеокластах человека, а также в хондроцитах, остеобластах и клетках остеосаркомы крыс. Он не влияет на экспрессию гена MGP в фибробластах, хондроцитах и остеобластах человека. В физиологических концентрациях витамин D3 усиливает транскрипцию гена MGP в соединениях ГМК.

Ретиноевая кислота

Ретиноевая кислота усиливает образование мРНК MGP в культивируемых клетках человека: фибробластов, хондроцитах, остеобластах; в клетках остеосаркомы и в пневмоцитах II типа у крыс. Однако, она уменьшает экспрессию гена MGP в культивируемых клетках почек и ГМК сосудов у крыс, а также в клетках рака молочной железы человека. Таким образом, ретиноевая кислота по-разному влияет на экспрессию MGP в различных типах клеток одного и того же вида организмов.

Внеклеточные ионы кальция

При моделировании гиперкальциемии у крыс уровень MGP в плазме крови стремительно растет. Одно из предложенных объяснений этого заключается в том, что сосудистые ГМК могут «чувствовать» изменения концентрации внеклеточных ионов кальция через кальций-сенсорный механизм, связанный с чувствительными к кальцию рецепторами. В ответ на сигнал ГМК увеличивают экспрессию гена MGP. Считают, что увеличение экспрессии MGP при росте концентрации ионизированного кальция в тканях является реакцией, которая предотвращает развитие патологической кальцификации мягких тканей. Таким образом, внеклеточный кальций является не только потенциальным индуктором образования кальциевых кристаллов, но и сигналом, регулирует кальцификацию через стимуляцию синтеза MGP.

Цитокины и некоторые гормоны

В культуре хондроцитов инсулиноподобный фактор роста 1 (IGF-1), известный как стимулятор дифференцировки этих клеток, приводит к уменьшению синтеза мРНК MGP. В свою очередь, ингибитор дифференцировки хондроцитов FGF-2 (фактор роста фибробластов-2) усиливает экспрессию гена MGP. На основании этого предполагают, что указанные факторы роста меняют дифференцировки хондроцитов через влияние на MGP. Имеются сообщения о том, что TGF-β (трансформирующий фактор роста-β) увеличивает синтез мРНК MGP в легочных клетках эмбрионов. Однако, в опытах с введением искусственных конструкций промотора MGP внутрь культивируемых сосудистых ГМК крыс показано, что TGF-β подавляет транскрипцию гена MGP. EGF (эпидермальный фактор роста) значительно ослабляет экспрессию MGP в культуре клеток почек у крыс. Трийодтиронин усиливает транскрипцию гена MGP в соединениях ГМК крыс и человека. Имеются сообщения о том, что в гипотиреоидная крыс уровень мРНК MGP уменьшается и на этом фоне растет отложения кальция в аорте. Таким образом, большое количество факторов может влиять на экспрессию MGP, правда с разными эффектами в различные типы клеток. Следует, однако, заметить, что увеличение экспрессии MGP чаще всего происходит в местах кальцификации тканей. В таких случаях усиление синтеза MGP может быть попыткой клеток ответить на кальцификацию способом, ингибирует этот процесс. Иными словами, экспрессия MGP является зависимой от событий, развивающихся в тканях.

Регуляция активности MGP на уровне посттранлсяцийнои модификации

На уровне посттрансляционной модификации основным объектом регуляции MGP является γ-карбоксилирования остатков глутаминовой кислоты. Этот процесс зависит от доступности восстановленной формы витамина K (KH2), которая в свою очередь определяется балансом между его поступлением в клетки и использованием, с одной стороны, и интенсивностью восстановления окисленного формы витамина К (KO) — с другой. Кроме вполне понятного состояния гиповитаминоза К, уменьшение необходимого пула этого витамина в клетках может быть обусловлено значительным ростом потребностей в γ-карбоксилирования. Так, выдвинута гипотеза, согласно которой основные токсические эффекты высоких доз витамина D, в том числе эктопическая кальцификация паренхиматозных органов и артериальных сосудов, обусловленные недостаточностью витамина К, которая наступает вследствие значительного усиления синтеза белков, требующих γ-карбоксилирования. В этих условиях имеющегося витамина К недостаточно, и значительное количество вновь белков, в том числе MGP, не может перейти в Gla-форму, а следовательно, приобрести необходимую функциональной активности. Итак, любое усиление экспрессии MGP требует увеличения доступности восстановленной формы витамина K, который действует как кофактор γ-карбоксилирования. Форма, в которой витамин К содержится в продуктах питания является неактивной и требует восстановления в KH2 системой витамин К-епоксидредуктазы (VKOR). Процесс окисления KH2 сопровождается добавлением карбоксильной группы к остаткам глутаминовой кислоты (Glu) в молекулах MGP (образуется γ-карбоксиглютаминова кислота, Gla) и окисленный в этой реакции витамин K (KO) может снова быть восстановлен в цикле, известном как VKOR-цикл. Деятельность VKOR-цикла нарушается под воздействием некоторых экзогенных и эндогенных факторов.

Варфарин

К первым относят производные кумарина, способные блокировать VKOR. Таким, в частности, является варфарин. Синтетическое производное дикумарол — варфарин — является антикоагулянтом непрямого действия. Еще с 50-х годов прошлого века этот препарат используется в клинике как эффективное средство предотвращения тромбообразования. Антикоагулянтное действие варфарина основывается на подавлении витамин К-епоксидредуктазы (VKOR) — фермента, который превращает окисленную форму витамина К в восстановленную, после того как произойдет карбоксилирования остатков глутаминовой кислоты в молекулах протромбина и других витамин К-зависимых белков, к которым относится и MGP. Таким образом, под влиянием варфарина уменьшается пул восстановленного витамина К, а следовательно, и образование Карбоксилированный, функционально активных протеинов. Нарушение основной посттрансляционной модификации MGP ведет к тому, что экспрессия гена MGP и уровень этого белка (некарбоксильованого) в кальцифицированных артериях растут. В то же время уменьшается концентрация MGP в сыворотке крови.

Калюменин

По последним данным, в клетках организма существует эндогенный ингибитор γ-карбоксилазы, названный калюменином. Калюменин является белком, способным связывать кальций. Его впервые идентифицировали в тканях сердца мышей и обнаружили в эндоплазматическом ретикулуме и аппарате Гольджи клеток. Важно то, что он связывается с VKOR и уменьшает его активность, а следовательно обуславливает менее эффективную деятельность витамин К-зависимой системы γ-карбоксилирования. Предполагают, что калюменин препятствует связыванию варфарина с VKOR. Интересно отметить, что этот белок является продуктом секреции активированных тромбоцитов и его обнаруживают в местах атеросклеротических поражений у человека. Калюменин, таким образом, может быть важным фактором, обусловливающим накопления недокарбоксильованого (т.е. неактивного) MGP в атеросклеротических бляшках.

MGP и кальцификации сосудистой стенки

Наличие Gla-содержащих белков в стенке впервые показано Лаен и соавт., Которые выделили аминокислоту Gla из щелочных гидролизатов кальцифицированных атероматозных бляшек аорты человека. В гидролизата непораженных сосудов и в не осложненных кальцинозом атеросклеротических бляшках Gla не проявляли, что дало основания для вывода о тесной связи между Gla-содержащими белками и процессами эктопической кальцификации. Левые и соавт. с помощью EDTA-экстракции выделили из атеросклеротических измененных артерий белковую фракцию, содержащую Gla. Низкий уровень белков этой фракции был характерен для жировых полосок и фиброзных бляшек, однако в кальцифицированных бляшках количество их была значительной. Авторы считали, что они открыли уникальный Gla-белок, который назвали атерокальцином (мол. Масса 80 кДа, 19 Gla-остатков на 1000 аминокислот). Однако впоследствии сами же авторы сообщили, что атерокальцин — это артефакт, обусловленный загрязнением препаратов сосудов белками плазмы крови. После открытия MGP было доказано, что в стенках кровеносных сосудов Gla-содержащие белки представлены именно этим протеином. В артериальной стенке MGP синтезируется ГМК медиа и интимы, а в местах атеросклеротических поражений — и макрофагами. С помощью моноклональных антител было показано, что в стенке нормальных артерий человека MGP ассоциированный с ГМК и эластичными мембранами в медиа и с внеклеточным матриксом в адвентиции. Было установлено, что MGP имеет отношение к различным видам кальцификации артериальных сосудов.

MGP и атеросклероз

Кальцификация атероматозных бляшек является одним из процессов, завершает развитие дегенеративных изменений в внутришинй оболочке сосудов (интиме) Изучение накопления и экспрессии MGP в таких бляшках человека показало, что молекулы этого белка имеют тесную пространственную связь с местами отложения гидроксиапатита: их обнаруживали на границе с ячейками кальцификации. Однако, экспрессия гена MGP (образование соответствующей мРНК) в ГМК атероматозных бляшек была ниже, если сравнивать с ГМК нормальных сосудов, конститутивно экспрессируют этот белок. В то же время в бляшках ГМК начинали образовывать протеины, имеющие отношение к процессам остеопороза / хондрогенез (остеокальцин, костный сиалопротеин, ЩФ), и в норме в артериальной стенке не синтезируются. Эти наблюдения дали основания полагать, что минерализация структур сосудистой стенки может быть результатом нарушения баланса между прокальциногеннимы (остеопороза / хондрогеннимы) и антикальциногеннимы факторами. К последним были отнесены MGP.

MGP и артериосклероз Менкеберга

Тесная пространственная связь MGP с ячейками кальцификации было обнаружено и при изучении артерий ампутированных конечностей у больных сахарным диабетом. Отложение солей кальция в среднем оболочку таких артерий (артериосклероз Менкеберга) сопровождалось, как и при атеросклерозе, уменьшением экспрессии гена MGP в ГМК сосудов. На фоне таких изменений ГМК начинали экспрессировать остеогенные белки. При артериосклерозе Менкеберга исчезает тесная связь MGP с эластичными мембранами в местах кальцификации сосудистой стенки, зато и у людей и у крыс значительное количество MGP проявляли в внеклеточного матрикса медиа на границе с ячейками минерализации.

MGP и кальцификация ГМК сосудов in vitro

При культивировании сосудистые ГМК теряют признаки своего контрактильного фенотипа и приобретают черты модифицированных ГМК (миграция, пролиферация, синтез компонентов соединительной ткани), характерных для ГМК атеросклеротических бляшек. Со временем сосудистые ГМК in vitro образуют многоклеточные узлы, через 30 дней спонтанно кальцифицируются. С момента появления первых признаков этого процесса в ГМК растет экспрессия гена MGP и некоторых остеогенных белков (остекальцину, костного сиалопротеину).

С другой стороны, есть данные о том, что при моделировании кальцификации сосудистых ГМК быков экспрессия MGP в этих клетках, наоборот, уменьшается. Она возвращается к исходному уровню, если процесс минерализации ингибировать с помощью бисфосфонатов.

Таким образом, на основании того, что экспрессия MGP в процессе кальцификации может как уменьшаться, так и увеличиваться, было сделано предположение о двух возможных вариантах развития событий. Первый из них заключается в том, что факторы, которые подавляют экспрессию гена MGP, могут способствовать развитию минерализации сосудистой стенки. Второй — в случае инициирования кальцификации другими механизмами может усиливаться экспрессия адаптивных белков, которые ограничивают этот процесс. К таким белков авторы отнесли MGP.

Механизмы антикальциногеннои действия MGP

Антикальциногенни свойства MGP определяются его Gla-остатками. Доказательством этого является тот факт, что декарбоксильваний MGP, в котором вместо Gla содержится глутаминовая кислота (Glu), теряет свою активность. Об этом свидетельствует и ряд иммуногистохимических исследований с использованием конформационно специфических антител к MGP. Так, было показано, что в кальцифицированных сосудах старых крыс, так же как и в пораженных артериях крыс, получавших варфарин с высокими дозами витамина D, содержится плохо Карбоксилированный (недокарбоксильований) MGP. Шургерс и соавт., Изучая артерии людей, установили, что в непораженных сосудах MGP можно выявить только в Карбоксилированный форме и вокруг эластичных структур. Что касается артерий с кальцифицированными атеросклеротическими бляшками и тех, что пораженные артериосклерозом Менкеберга, то MGP всегда был недокарбоксильованим и находился вокруг очагов кальцификации. На основании этих данных был сделан вывод, что нарушения γ-карбоксилюваня MGP, так же как и угнетение его синтеза, может быть одним из механизмов кальцификации сосудов.

Точные механизмы, с помощью которых MGP ингибирует кальцификацию сосудов, окончательно не выяснено. Сегодня изучаются четыре возможные механизмы:

  • связывания с ионами кальция и кристаллами гидроксиапатита;
  • связывания с компонентами внеклеточного матрикса;
  • взаимодействие с костным Морфогенетические протеином (BMP-2) и устранения эффектов последнего;
  • участие в регуляции апоптоза.

Связывания ионов кальция и кристаллов гидроксиапатита

Одна из первых гипотез относительно антикальциногеннои действия MGP основывалась на способности Gla-остатков связываться с ионами кальция и образовывать вместе с остатками аргинина комплексы с гидроксиапатитом. Связывания избытка ионов Ca2 + в мягких тканях должно обеспечивать их вывода из внеклеточного матрикса в кровь, а связывание с малыми кристаллами ингибирует дальнейшее рост последних ,. Такое мнение поддерживается тем, что мРНК MGP обнаруживают во многих тканях, но сам белок накапливается только в местах кальцификации и есть в плазме крови. Считают, что связывание с ионами Ca2 + вызывает конформационные изменения в молекулах MGP и других витамин К-зависимых белков, делая их активными. Выявлено, что MGP является компонентом сывороточного комплекса, в состав которого входят также гидроксиапатит, фетуин и другие белки. Этот комплекс обнаруживали в крови крыс, получавших один из препаратов бисфосфонатов — этидроната. В этом же исследовании показано, что в контрольных животных (в которых гидроксиапатитного комплекса нема) значительная часть MGP циркулирует как компонент сыворотки с мол. массой> 300 кДа и только небольшое количество MGP входит в состав белкового комплекса с мол. массой <300 кДа. Поскольку мл. масса самого MGP составляет лишь 10 кДа, это дает основания полагать, что основная часть MGP находится в крови или в агрегированной форме, или связана с шаперонами большей молекулярной массы. Относительно мало исследований проводилось с MGP как белком. Это объясняется тем, что его чистая форма плохо растворимый и он агрегирует при нейтральных значениях pH. MGP растворимый в физиологических буферах только в очень низких концентрациях. Это может означать, что при накоплении MGP его молекулы связываются друг с другом и больше не могут свободно перемещаться в ткани, пока не сойдутся с шаперона, который предупреждает агрегацию / преципитации MGP. На сегодня механизмы, которые осуществляют транспорт MGP из клеток и тканей, а также факторы, которые поддерживают растворимость MGP, не известны.

Связывания с компонентами внеклеточного матрикса

Эластин является одним из компонентов внеклеточного матрикса, с которым может связываться MGP. С помощью имуногистологичних методов показано, что в нормальных артериях человека молекулы полностью карбоксилированного MGP содержатся вблизи эластичных волокон. Локализация MGP в этих местах может быть механизмом, предупреждает кальцификацию, поскольку эластин является важным субстратом для инициирования образования кальциевых кристаллов. Эластичные волокна состоят из эластиновых ядра, окруженного микрофибрилами. Нарушение структуры последних может усиливать кальцификацию. Основным белковым компонентом микрофибрилл является фибриллина-1, дефектный ген которого приводит к появлению продукта, характерного для синдрома Марфана. У мышей, у которых снижена экспрессия гена фибриллина-1, первой патологической признаком, ее обнаруживают, является медиакальциноз аорты. Таким образом, фибриллина-1 имеет очень важное значение для предотвращения кальцификации средней оболочки артерий. Раскрытие точных механизмов взаимодействия MGP с компонентами эластичных волокон несомненно улучшит наше понимание того, как MGP выполняет свои функции. Еще одним компонентом внеклеточного матрикса, с которым может связываться MGP, является гликопротеин витронектина. В отличие от связывания MGP с BMP-2, взаимодействие с витронектина не является кальций, она происходит на уровне C-терминальной участки молекулы MGP, а потому не зависит от состояния карбоксилирования MGP. Какое значение имеет связывания MGP с витронектина в стенке, еще не известно, но есть предположение, что такое взаимодействие может изменять эффекты MGP по активности BMP-2.

Взаимодействие с костным Морфогенетические протеином (BMP-2)

Целый ряд фактов свидетельствует о том, что MGP имеет отношение к процессам дифференцировки сосудистых ГМК и это влияние осуществляется через взаимодействие с BMP-2. Так, (а) артерии, испытывающих кальцификации в MGP-дефицитных мышей, включают в медиа подобные хондроцитов клетки, а не типичные сосудистые ГМК, и в них усилена экспрессия остеобласты-специфического транскрипционного фактора cbfa1 / Runx2; (б) показано, что MGP связывается с BMP-2 и подавляет эффекты последнего на дифференцировку мультипотентных мезенхимных клеток и стволовых клеток красного костного мозга (в) усиление экспрессии MGP в хондроцитах задерживает их созревание; (г) в кальцифицированных сосудах человека меньше синтезируется мРНК MGP, зато усилена экспрессия как хрящевых, так и костных маркеров, таких как коллаген II типа и остеокальцин соответственно. Из приведенных наблюдений следует, что MGP необходимо для сосудистых ГМК для того, чтобы поддерживать их сократительной фенотип и предупреждать их дифференцировки в направлении клеток, причастных к хондро / остеогенеза. При отсутствии MGP ГМК сосудов вовлекаются в различные пути мезенхимного дифференцировки и могут превращаться в клетки, подобные хондроцитов или остеобластов, и производить матрикс, который способствует отложению солей кальция в виде кристаллов гидроксиапатита. Данные о том, что MGP связывается с BMP-2 и прекращает его функциональные эффекты, значительно расширяют наши представления о механизмах функционирования MGP. BMP-2 является очень важным фактором морфогенеза в костях,, но, кроме того, он способен индуцировать экспрессию ряда остеогенных генов в сосудистых ГМК. BMP-2 находят в клетках, содержащихся в участках атеросклеротических поражений, его экспрессия может быть индуцированная оксидативного стресса, воспалением и гипергликемией. Итак, следует думать, что антагонизм MGP по отношению к BMP-2 должно быть фактором, предупреждает или уменьшает остеогенные эффекты BMP-2 в стенке. Сегодня показано, что связывание MGP с BMP-2 зависит от ионов кальция и в нем участвует Gla-домен молекулы MGP. Отсюда следует, что недокарбоксильовани формы MGP не могут быть достаточно эффективными в подавлении эффектов BMP-2.

Участие в регуляции апоптоза

Апоптоз является важным механизмом, инициирует кальцификацию сосудов. Так, апоптоз предшествует кальцификации многоклеточных узлов сосудистых ГМК в культуре клеток. Апоптические тельца, образующиеся из сосудистых ГМК, могут играть роль центров формирования кальциевых кристаллов, их обнаруживают как в местах атеросклеротических поражений, так и при Менкебергивському склерозе. Узлы сосудистых ГМК in vitro содержат относительно большое количество клеток в состоянии апоптоза и апоптичних телец. Экспрессия MGP является крупнейшей, когда апоптичнои индекс в этих узлах достигает своего максимума. Это указывает на возможную связь между MGP и апоптозом. Кроме того, MGP было обнаружено в апоптичних тельцах и матриксных везикулах, образующихся сосудистыми ГМК in vivo. Возможно, он присутствует в этих везикулах для того, чтобы ограничивать их способность к кальцификации. Ряд других исследований дает основания полагать, что экспрессия MGP усиливается в ответ на апоптоз. Так, образование мРНК MGP увеличивалось, когда апоптоз индуцировали в клетках глиомы или в вентральных эпителиальных клетках простаты крыс. В культивируемых хондроцитах мышей усиленная или ослабленная экспрессия MGP на четко определенных стадиях созревания сопровождается апоптозом. Кроме того, хорошо известно, что внеклеточный матрикс и его конститутивные белки влияют на выживаемость клеток. Данные о том, что BMP-2 индуцирует апоптоз в соединениях ГМК, а MGP является антагонистом BMP-2, хорошо согласуются со взглядами на MGP как важного антиапоптичного фактора. Однако, открытым остается вопрос о том, действительно ли высокие уровни экспрессии MGP крайне необходимы для защиты сосудистых ГМК от апоптоза.

Клинические аспекты MGP

Синдром Кейтеля в людей

Редкая аутосомно-рецессивный болезнь — синдром Кейтеля — характеризуется (а) ненормальной кальцификацией хрящей; (б) периферическим стенозом легочной артерии и (в) гипоплазией средней зоны лица. У таких больных развивается выраженная кальцификация кровеносных сосудов. Установлено, что болезнь связана с хромосомой 12 — именно с тем ее локусом, где находится ген MGP (12p12.3-13.1). Три мутации гена MGP (c.69delG; IVS1-2A → G; c.113T → A) ведут или к укорочению молекулы MGP, или к качественным ее изменений, вследствие чего MGP теряет свою функциональную активность. Обнаружена связь между такими дефектами MGP и развитием кальцификации сосудов может свидетельствовать о том, что этот белок является важным антикальциногенним фактором и в организме человека. Однако, в отличие от MGP-дефицитных мышей, больные синдромом Кейтеля доживают до зрелого возраста — это значит, что у людей существуют и другие факторы, которые функционируют как ингибиторы кальцификации сосудов. Кроме того, качественно изменены молекулы MGP, продуцируемых у таких больных, вероятно, могут сохранять хотя бы часть своих антикальциногенних свойств в стенке.

Связь MGP с сердечно-сосудистыми болезнями человека

Со времени установления антикальциногенних свойств MGP встал вопрос, какую роль играет этот белок в развитии болезней человека, в частности склеротических поражений артерий (атеросклероза, медиакальцинозу), а также их осложнений (инфаркта миокарда, инсультов и т.д.). Исследования пошли в двух параллельных направлениях. С одной стороны, исследователи искали связь между уровнем MGP крови и развитием атеросклеротических изменений, с другой же — изучалось влияние различных вариантов полиморфизма гена MGP на некоторые показатели поражений артерий и их клинические проявления. Что касается первой группы работ, то полученные в них результаты крайне противоречивы. Так, Браам и соавт. приводят данные о том, что развитие тяжелого атеросклероза сопровождается увеличением концентрации MGP в сыворотке крови. Зато Джоно и соавт. установили, что уровень MGP крови обратно пропорционально коррелирует с кальцификацией коронарных сосудов. И наконец, О’Доннел и соавт., Показав связь между уровнем MGP крови и целым рядом факторов риска атеросклероза, не выявили корреляции между содержанием MGP и кальцификацией коронарных артерий. Данные о связи различных видов аллельного полиморфизма гена MGP с уровнем MGP крови, развитием кальцификации артерий (в частности коронарных) и последствий атеросклероза (в частности инфаркта миокарда) тоже противоречивы.

Полиморфизм гена MGP и уровень MGP в крови

В работе Фарзанеха и соавт. не выявили ассоциации между G-7A полиморфизмом и содержанием MGP в сыворотке крови здоровых людей (Нидерланды). В то же время в этом исследовании установлено статистически достоверная связь между выше указанным показателем и T-138C полиморфизмом: высокие значения MGP проявляли в гомозигот по минорным аллелей (C / C), наименьшие — в гомозигот по основным геном (T / T), промежуточные величины показателя были в гетерозигот (T / C). В отличие от приведенной выше работы, Кройзер и соавт. не выявили ассоциации между T-138C полиморфизмом и уровнем MGP сыворотки, вместо показано статистически достоверная связь между G-7A и Thr83Ala вариантами полиморфизма у здоровых мужчин и женщин (США), с одной стороны, и концентрацией MGP крови, с другой. У гомозигот по основному аллелей концентрация MGP была маленькая, в нормальных гомозигот — наибольшая в гетерозигот регистрировали промежуточные величины этого показателя.

Полиморфизм гена MGP и кальцификации артерий

В той же работе показано, что все три вида SNP (G-7A, T-138C, Thr83Ala) имеют связь с кальцификацией коронарных артерий (ККА) у мужчин, как самостоятельно, так и в сочетании с другими факторами риска атеросклероза. В то же время статистически достоверной ассоциации этих же видов SNP с ККА у женщин не выявлено. Наиболее ассоциированными с ККА были гомозиготы по минорным геном. У мужчин с таким генотипом при всех трех видах SNP тяжесть КУА была достоверно ниже, чем у гомозигот по основному геном. Очень слабая связь между полиморфизмом MGP и кальцификацией артерий было обнаружено при исследовании сонных и бедренных артерий у здоровых добровольцев (AXA Study, Франция). Только среди тех, у кого при ультразвуковом исследовании установлено атеросклероз бедренных артерий с кальцификацией бляшек, минорные аллели -7A и 83Ala встречались чаще, чем у субъектов, имели бляшки без признаков их кальцификации. Не установлено никакой связи между аллельным полиморфизмом MGP и атеросклерозом сонных артерий. В других нескольких исследованиях не обнаружили связи T-138C полиморфизма с кальцификацией коронарных артерий, а также атеросклерозом брюшной аорты, кальцификацией атеросклеротических бляшек и артериосклерозом Менкеберга.

Полиморфизм гена MGP и инфаркт миокарда

Лишь в одном исследования (ECTIM Study, Северная Ирландия, Франция) методом «случай-контроль» анализировали связь 6 вариантов SNP гена MGP с развитием инфаркта миокарда (ИМ). Было показано, что частота аллелей и распределение генотипов по всем видам SNP одинаковые у больных ИМ и в контрольной группе. Только в одной подгруппе, в которой больных и контрольных субъектов были разделены на имеющих высокий и низкий риск развития ишемической болезни сердца, установлено, что частота минорных аллелей -7А и 83Ala у больных ИМ с низким уровнем факторов риска является большей , чем в соответствующей контрольной подгруппе.

В исследованиях Гарбузовой и соавт. показано, что в группе больных с острым коронарным синдромом, к которому относили нестабильной стенокардией и инфарктом миокарда, частота минорного аллеля -7A, в отличие от двух других минорных аллелей -138C и 83Ala, была выше, чем в контрольной группе. Это дает основания полагать, что G-7A полиморфизм имеет отношение к развитию острого коронарного синдрома, возможно, из-за влияния на процессы кальцификации коронарных артерий.

Кроме влияния на развитие сердечно-сосудистых болезней, аллельные полиморфизм MGP может иметь отношение и к некоторым другим недугов и патологических процессов, таких как мочекаменная болезнь, остеопороз, выпадение зубов, интоксикация свинцом.

Связь однонуклеотидных полиморфизмов гена MGP с развитием патологических процессов и болезней человека
Патологический процесс или болезнь Вид полиморфизма Наличие связи Популяция
Атеросклероз бедренных артерий G-7A, Thr83Ala T-138C + – Франция
Атеросклероз сонных артерий G-7A, Thr83Ala T-138C Франция
Кальцификация коронарных артерий G-7A, T-138C, Thr83Ala +, Только у мужчин США
Инфаркт миокарда (ИФ) G-7A, Thr83Ala T-138C +, Только в группе больных с низким риском развития ИФ мужчин — Северная Ирландия, Франция
Атеросклероз брюшной аорты, склероз Менкеберга, кальцификация трахеи, кальцификация реберных хрящей T-138C Япония
Кальцификация коронарных артерий Остеопороз T-138C – – США
Смертность от сердечно-сосудистых заболеваний у больных с хронической почечной недостаточностью G-7A, T-138C + Италия
Хроническая свинцовая интоксикация T-138C Индия
Мочекаменная болезнь Thr83Ala T-138C, G-7A + – Япония
Постменопаузальный остеопороз CA-повторы + – Япония Корея
Выпадение зубов у пожилых женщин CA-повторы + Япония

Обобщение

На виде схемы представлены основные составляющие процесса, обеспечивающего функционирование MGP в тканях организма и в частности в стенках кровеносных сосудов. Такими составляющими являются:

  1. регуляция экспрессии гена MGP, которая осуществляться ионами кальция, витаминами D и A, целым рядом цитокинов;
  2. экспрессия гена MGP, благодаря которой в клетках синтезируется этот белок;
  3. посттрансляционной модификации молекул MGP, которая заключается в γ-карбоксилирования остатков глутаминовой кислоты протеина и требует участия витамина K и ферментов, его восстанавливают;
  4. секреция MGP клетками во внеклеточное пространство;
  5. собственно функциональные эффекты MGP, среди которых:
  • связывания с ионами кальция и кристаллами гидроксиапатита;
  • взаимодействие с компонентами внеклеточного матрикса;
  • связывания с BMP-2;
  • участие в регуляции апоптоза.

В конечном итоге указанные эффекты обусловливают антикальциногенну действие MGP, что проявляется ингибированием минерализации мягких тканей в условиях, когда концентрация ионов кальция и фосфатов в крови и межклеточной жидкости превышает порог, необходимый для осаждения солей и начала кристаллизации. В случае расстройств приведенных выше процессов нарушаются функции MGP, вплоть до полного их выпадения, что может влечь кальцификации сосудистой стенки — важного компонента как атеросклеротических поражений, так и артериосклероза Менкеберга. Какое это имеет значение для дальнейшего развития событий, в частности для возникновения тяжелых осложнений (инфарктов, инсультов, образование аневризм и их разрыва), еще предстоит изучать, исследуя связь MGP и различных вариантов его гена с болезнями человека.

Изображения по теме

  • Матриксный Gla протеин
  • Матриксный Gla протеин
  • Матриксный Gla протеин
  • Матриксный Gla протеин
  • Матриксный Gla протеин
  • Матриксный Gla протеин