Участие пропротеин-конвертазы субтилизин/кексин типа 9 в патогенезе атеросклероза (обзор литературы)
А.М. Чаулин
Аннотация
Пропротеин-конвертазы субтилизин/кексин типа 9 (PCSK9) в настоящее время считается важным участником патогенеза атеросклероза. Описывается история открытия PCSK9, структура, функции и этапы биосинтеза данной молекулы. PCSK9, способствуя лизосомальной деградации печеночного рецептора липопротеинов низкой плотности, может снижать клиренс липопротеинов низкой плотности в плазме, приводя к гиперлипидемии и, как следствие, к формированию атеросклеротических бляшек. PCSK9 - новая терапевтическая мишень для лечения гиперхолестеринемии. Новые гиполипидемические препараты - ингибиторы PCSK9 - являются более эффективными, чем статины. Некоторые исследования свидетельствуют о вовлечении PCSK9 в воспалительные механизмы атеросклероза.
Ключевые слова: пропротеин-конвертаза субтилизин/кексин типа 9 (PCSK9), атеросклероз, холестерин, липопротеины низкой плотности (ЛПНП), рецепторы липопротеинов низкой плотности (рЛПНП), воспаление.
Abstract
THE INVOLVEMENT PROPROTEIN CONVERTASE SUBTILISIN/KEXIN OF TYPE 9 IN THE PATHOGENESIS OF ATHEROSCLEROSIS (LITERATURE REVIEW)
A.M. Chaulin
Proprotein convertase subtilisin/kexin type 9 (PCSK9) is now considered an important contributor to the pathogenesis of atherosclerosis. The article describes the history of the discovery of PCSK9, the structure, functions and stages of biosynthesis of this molecule. PCSK9, through promoting lysosomal degradation of hepatic low-density lipoprotein receptor (LDLR), can decrease the clearance of plasma LDL, leading to hypercholesterolemia and formation atherosclerotic plaque formation. PCSK9 is a new therapeutic target for the treatment of hypercholesterolemia. New lipid-lowering drugs - PCSK9 inhibitors - are more effective than statins. Some studies have shown the involvement of PCSK9 in the inflammatory mechanisms of atherosclerosis.
Keywords: proprotein convertase subtilisin/kexin type 9 (PCSK9), atherosclerosis, cholesterol, low-density lipoproteins (LDL), low-density lipoprotein receptors (LDLR), inflammation.
История открытия PCSK9
пропротеин конвертаза атеросклероз
Первые доказательства важной роли гиперлипидемии в патогенезе атеросклеротического поражения сосудов представили отечественные исследователи А. И. Игнатовский и Н. Н. Аничков (1908-1913). В экспериментальных исследованиях на кроликах высокохолестериновая диета приводила к выраженному атеросклерозу аорты. Однако далеко не все ученые по началу признавали липидную теорию. Прежде всего это связано с тем, что далеко не во всех экспериментах на разных животных удалось зафиксировать атеросклеротическое поражение сосудов, так как тогда еще не были известны особенности метаболизма липидов у отдельных видов животных [1]. Признание липидной гипотезы развития атеросклероза произошло после завершения крупного исследования Национальным институтом сердца в 1984 г. В нем окончательно доказано, что снижение концентрации холестерина и липопротеинов низкой плотности (ЛПНП) значительно снижает риск возникновения инфаркта миокарда.
Длительный период времени американские биологи Д. Гольдштейн и М. Браун занимались изучением метаболизма холестерина в организме больных семейной гиперхолестеринемией (СГХС) - наследственным заболеванием, при котором возникает рефрактерное к гиполипидемической терапии повышение концентраций сывороточного холестерина и атерогенных липопротеинов низкой плотности, что приводило к раннему развитию ишемической болезни сердца (ИБС), смерти в детском и молодом возрасте от сердечнососудистых катастроф (инфаркта и инсульта). Эти ученые в 1973 г. открыли рецепторы липопротеинов низкой плотности (рЛПНП), а в 1984 г. установили нуклеотидную последовательность гена, кодирующего рЛПНП. Они также описали несколько мутаций в гене рЛПНП у пациентов, страдающих СГХС. Изучив молекулярные механизмы регуляции обмена холестерина, исследователи пришли к выводу, что скорость синтеза рЛПНП в гепатоцитах, а в последующем численность (плотность) рЛПНП на поверхности гепатоцитов зависит от внутриклеточной концентрации холестерина: при снижении интрак- леточного холестерина активируется синтез рЛПНП, а при повышении холестерина - замедляется. За эти важнейшие открытия в 1985 г. Goldstein и Brown были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине [2].
Одними из главных вопросов, волновавших многих исследователей липидного метаболизма, были механизмы элиминации (удаления, обновления) уже синтезированных рЛПНП с клеточной мембраны гепатоцитов, а также возможности его регуляции, что, в свою очередь, позволило бы открыть новые мишени для терапевтического воздействия.
Регуляция многих биохимических процессов осуществляется на разных уровнях. Большинство из синтезированных белков остаются в неактивной форме до взаимодействия с посредниками (медиаторами), которые осуществляют их активацию. В результате постоянных усилий по поиску ферментов, ответственных за созревание неактивных предшественников белка, в 1990 г. было открыто семейство пропротеин-конвертаз, или субтилизин-подобных пропротеин-конвертаз (PC). За 1990-2003 гг. идентифицировано 8 представителей данного семейства: PC1, PC2, Фурин, PC4, PC5, PACE4, PC7, субти- лизин/кексин-изофермент-1 - все они являются белками-ферментами, ответственными за посттрансляционные изменения (дозревание) неактивных предшественников белка. В ряде исследований демонстрируется важная роль представителей семейства РС в этиопатогенезе онкологических, нейродеге- неративных заболеваний (болезни Альцгеймера), сахарного диабета, атеросклероза, а также вирусных и бактериальных инфекций. Благодаря этим открытиям РС стали перспективными мишенями для лечения различных патологий [3].
Девятый представитель семейства РС - пропротеин конвертаза субти- лизин кексин типа 9 (РСБК9) - идентифицирован канадскими исследователями Seidah N. G. et а1. в 2003 г. Это название было дано ввиду функциональной схожести с восемью остальными представителями семейства РС. Второе название (синоним), которое используется реже, - конвертаза 1, регулирующая апоптоз нейронов (NARC-1), - было дано вследствие участия данного белка в инициации апоптоза в нейрональных клетках [3, 4]. В экспериментальном исследовании сообщается о важной роли PCSK9 (NARC-1) в развитии центральной нервной системы (ЦНС) у мышей и рыбок Данио. Специфическое нокаутирование (инактивирование) гена PCSK9 приводило к апопто- тическим изменениям, общей дезорганизации нейронов ЦНС и гибели эмбрионов через 96 ч после оплодотворения [5].
Первые предположения о важной роли фермента PCSK9 в метаболизме липидов и этиопатогенезе атеросклероза сделали французские исследователи под руководством М. Abifade1 (2003). Они провели генетические исследования у пациентов с гиперхолестеринемией и обнаружили ряд мутаций. К этому времени было известно, что мутации, вызывающие СГХС, возникали только в двух генах: гене рЛПНП и гене атерогенного аполипопротеина В (ароВ). Однако у некоторых пациентов с СГХС мутации в двух данных генах отсутствовали, исходя из чего исследователи предположили наличие мутаций в других генах, которые могут быть ответственны за данное заболевание. В результате секвенирования генома у таких пациентов были обнаружены две точечные мутации в гене PCSK9, сопровождающиеся заменами одного нуклеотида на другой (6250 > Т, 890Т > С), что приводило к соответствую-щей замене одной аминокислоты на другую в 127 и 216 положениях поли- пептидной последовательности PCSK9 (Б127К, Р216Р) при трансляции. Эти две мутации в гене PCSK9 идентифицированы у 12,5 % семей с аутосомно- доминантной СГХС [6].
После данного исследования ген, кодирующий PCSK9, стал считаться третьим геном, ответственным за возникновение СГХС, уступая по частоте встречаемости и распространенности генам рЛПНП и ароВ.
За этими данными последовали сообщения других исследователей об обнаруженных мутациях в гене PCSK9 (D374Y, Ш57К) и развитии вслед-ствие этого СГХС у пациентов из Норвегии, Юты, Великобритании [7-9]. Общее известное на сегодня количество мутаций в гене PCSK9, приводящих к значимым изменениям сывороточных параметров липидного спектра, более 50. Условно их можно подразделить на две группы:
- мутации, вызывающие усиление активности РСБК-9, что сопровождается повышением концентрации холестерина и ЛПНП в сыворотке крови и, как следствие, увеличение риска возникновения кардиоваскулярных патологий;
- мутации, вызывающие снижение активности РСБК-9, что сопровождается гипохолестеринемией и снижением риска возникновения атеро-склеротического поражения сосудов [10, 11].
Важно также отметить, что распространенность, лабораторно-функ-циональные показатели и клиническое течение многих мутаций PCSK9 могут отличаться в зависимости от региональных, расовых и популяционных особенностей. Так, точечная мутация в гене PCSK9 (1420G>A), вызывающая усиление активности PCSK9, у жителей Японии ассоциирована с гиперхолестеринемией, однако в большинстве других популяций при этой мутации не отмечались изменения уровней ЛПНП [12]. Еще одним примером является мутация гена PCSK9 (23968A>G), сопровождающаяся усилением функции: в итальянском регионе наблюдалась положительная ассоциация с уровнем ЛПНП, повышенным риском развития ишемической болезни сердца и толщиной интима-медиа общей сонной артерии, однако у жителей Тайвани данный полиморфизм не был связан с повышенными уровнями ЛПНП и риском возникновения ИБС [13, 14]
Cohen J. с соавт. обнаружили две мутации гена PCSK9 (Y142X, C679X), вызывающие ослабление активности PCSK9 и снижение концентрации ЛПНП примерно на 40 %. Примечательно, что обе мутации гораздо чаще встречались у «темнокожих» афроамериканцев (2 %) по сравнению с «белыми» европейскими американцами (0,1 %) [15]. При проведении крупного генетического исследования выявлено: из 3363 обследованных «темнокожих» пациентов 2,6 % имели мутации в гене PCSK9, которые были связаны с 28 % снижением концентрации ЛПНП и 88 % снижением риска развития ИБС. А из 9524 обследованных «белых» пациентов 3,2 % имели мутацию PCSK9, которая ассоциировалась с 15 % снижением сывороточных уровней ЛПНП и 47 % снижением риска ИБС [16].
Актуальность дальнейшего изучения функций и раскрытие механизмов действия молекулы PCSK9 были обусловлены необходимостью создания новых классов гиполипидемических средств и улучшения терапии при атеросклерозе. Так, у наиболее распространенных в клинической практике гиполи- пидемических препаратов - ингибиторов ГМГ-КоА редуктазы (статины) - в ряде случаев отмечали слабую эффективность. При использовании максимально переносимых доз статинов у некоторых пациентов не удавалось достигнуть снижения резидуального сердечно-сосудистого риска. Кроме того, при использовании значительных дозировок статиновых препаратов возни-кают побочные эффекты со стороны поперечно-полосатых мышц и печени. Также статины были абсолютно бесполезны при лечении СГХС [17-19].
Биологическая роль, механизм действия, регуляция биосинтеза PCSK9 подробно изучены на экспериментальных животных моделях и культивируемых клетках.
Строение и регуляция биосинтеза PCSK9
PCSK9 - белок (фермент), состоящий из 692 аминокислотных остатков. По химическому строению представляет собой сложный белок - гликопротеин [20].
Ген, в котором зашифрована информация о строение PCSK9, локализован на коротком плече 1-й хромосомы в позиции 1р.32.3 и включает в себя 12 экзонов и 11 интронов. Процесс биосинтеза PCSK9 контролируется на уровне транскрипции с помощью факторов транскрипции - SREBP2 (белка, связывающего стерол-регуляторный элемент-2) и HNF-1a (ядерного фактора гепатоцитов-1а).
Основные этапы биосинтеза PCSK9 включают:
1) транскрипцию;
2) процессинг (посттранскрипционные модификации);
3) трансляцию;
4) посттрансляционные модификации (созревание белка).
Первые два этапа протекают в ядре клеток, преимущественно гепато- цитов. В результате транскрипции гена PCSK9 образуется прематричная РНК PCSK9, которая в ходе процессов посттранскрипционных модификаций, важнейшим из которых является сплайсинг (вырезание интронов и сшивание экзонов), превращается в матричную РНК (мРНК) PCSK9.
В ходе третьего этапа (на рибосомах) - трансляции - происходит перевод нуклеотидной последовательности мРНК в полипептидную последовательность и образование незрелого белкового предшественника - пре- про-PCSO. Он состоит из 4 доменов [сигнальный пептид (1-30), продомен (31-152), каталитический домен (153-451), С-концевой домен (453-692)] и имеет молекулярную массу 74кДа. С-концевой домен ввиду особенностей химического строения называют также доменом, богатым цистеином и гистидином. В С-концевом домене выделяют три модуля: М1 (453-531), М2 (530-605) и М3 (606-692). Гистидином наиболее богат М2, который содержит 9 из 14 данных аминокислотных остатков по всему С-домену [21, 22].
Четвертый этап - посттрансляционные модификации - включает несколько важнейших событий: фолдинг (сворачивание, формирование про-странственной структуры), частичный протеолиз (отщепление пептидных фрагментов - сигнального пептида и продомена), гликозилирование (присо-единение углеводного фрагмента), которые происходят в эндоплазматической сети и комплексе Гольджи и заканчиваются формированием зрелого белка-фермента PCSK9.
В эндоплазматическом ретикулуме происходит аутокаталитическое отщепление сигнального пептида и продомена. Однако затем продомен нековалентно связывается с каталитическим доменом, образуя комплекс PCSK9- продомен. При этом продомен выполняет важные роли: аллостерически блокирует действие других доменов PCSK9, в частности каталитического домена, и обеспечивает правильное формирование пространственной структуры белка (фолдинг), что является одним из условий для последующего транспорта PCSK9 из эндоплазматической сети в комплекс Гольджи.