Розділ 2 Мультиферментні комплекси аміноацил-тРнк-синтетаз

2.1. Мультисинтетазні комплекси вищих еукаріот

Характерною особливістю аміноацил-тРНК-синтетаз вищих еукаріот є їх здатність до формування стабільних макромолекулярних комплексів in vivo.

У 1996 році вперше було показано існування мультисинтетазного комплексу у одноклітинних еукаріот — дріжджів. При аналізі партнерів білка Los1p, який бере участь в біогенезі тРНК, було помічено білок Arc1p (aaRS cofactor 1). При виділенні Arc1p був асоційований з двома ферментами - метіоніл- і глутаміл-тРНК синтетазами. Також було показано, що Arc1p взаємодіє не лише із синтетазами, а й із тРНК, що сприяє її ефективнішому аміноацилюванню in vivo [23].

У багатоклітинних еукаріот було виявлено існування двох макромолекулярних комплексів, які включають аміноацил-тРНК-синтетази - комплекс VEGA (Valyl-tRNA synthetase/Elongation factor 1A/Guanine exchange factors Assembly) та комплекс MARS (Multi-Aminoacyl-tRNA Synthetase complex).

Комплекс VEGA складається із валіл-тРНК-синтетази та чотирьох субодиниць фактора елонгації трансляції 1 (еEF1A та трьох субодиниць фактора обміну гуанінового нуклеотиду, а саме еEF1Bα, еEF1Bβ, і еEF1Bγ) [24]. На основі експериментів по реконструкції останнього комплексу in vitro було запропоновано кілька моделей організації еEF-1Н, проте вони суперечать одна одній щодо кількісного співвідношення субодиниць та характеру взаємодій між ними [25–27]. Встановлено, що NH₂-термінальний домен валіл-тРНК-синтетази є необхідним для утворення комплексу з субодиницею еEF1Bβ [28]. Проте наявність цього домену у валіл-тРНК-синтетази варіює у клітинах еукаріот. Наприклад, Artemia має повнорозмірний фермент, у дріжджів NH₂-термінальна додаткова ділянка відсутня [29]. Також відомо, що прокаріоти, нижчі еукаріоти та рослини не мають даного комплексу.

Найбільшим мультисинтетазним комплексом вищих еукаріот є комплекс MARS. Відомо, що до його складу входять АРСази першого і другого класів; деякі з них є мономерами (ізолейцил-, лейцил-, метіоніл-, глутамініл-, аргініл-тРНК-синтетази), димерами (лізил-, та аспаратил-тРНК-синтетази), біфункціональними поліпептидами (глутаміл-проліл-тРНК-синтетаза) та три додаткових білки р18, р38 та р43. Наявність такого комплексу є характерною ознакою всіх багатоклітинних організмів.

2.2. Неканонічні функції аміноацил-тРнк-синтетаз, компонентів мультиферментного комплексу mars

Окрім своєї основної функції в аміноацилюванні тРНК, велика кількість АРСаз бере участь в інших біохімічних процесах, виконуючи там певні неканонічні функції.

Глутаміл-проліл-тРНК-синтетаза (EPRS) складається із двох різних каталітичних доменів глутаміл-тРНК-синтетази та проліл-тРНК-синтетази, які з’єднуються між собою мотивом WHEP-TRS та кодуються однією мРНК. Ця особливість є унікальною для клітин вищих еукаріот. Також слід зазначити, що EPRS є єдиним прикладом природньо злитого білка у родині аміноацил-тРНК-синтетаз: у одному поліпептидному ланцюзі ковалентно поєднуються два окремі каталітичні домени [30].

EPRS входить до складу GAIT комплексу, який приєднуючись до 3′ UTR GAIT-елементу багатьох прозапальних факторів, інгібує їх трансляцію у мієлоїдних клітинах людини. Це відбувається завдяки IFN-γ-індукованого фосфорилювання глутаміл-проліл-тРНК-синтетази [31,32].

У мітохондріях дріжджів лейцил-тРНК-синтетаза (LRS) виступає в ролі інтрон-специфічного фактора сплайсингу. Цей фермент бере участь у видаленні двох інтронів групи І, bI4 та aI4-альфа, які переривають мРНК, що кодує основні дихальні білки цитохром В і субодиницю I цитохром оксидази, відповідно [33,34]. Група вчених під керівництвом доктора Мартініс показала, що LRS людини також може брати участь у сплайсингу інтронів групи І дріжджів [35].

Недавні дослідження також показали, що лейцил-тРНК-синтетаза у клітинах дріжджів та ссавців відіграє роль “датчика” лейцину. Зокрема, в клітинах людини, цитоплазматична LRS сприяє транслокації TORC1 ссавців (mTORC1) до мембран лізосом і активує його через зв'язування з ГТФ-азою RagD (компонент mTORC1). Асоціація LRS з оболонкою лізосоми та взаємодія ферменту з RagD строго регулюється за рівнем лейцину. При порушеннях лейцин-зв'язуючого сайту LRS втрачає здатність асоціювати із RagD і mTORC1 сигнальний шлях стає нечутливим до змін внутрішньоклітинної концентрації лейцину [36,37].

Метіоніл-тРНК-синтетаза (MRS) — один із найважливіших ферментів цієї групи, адже бере участь у приєднанні стартової амінокислоти до відповідної тРНК. В нормі ця АРСаза локалізується у цитоплазмі, де може бути як частиною макромолекулярного комплексу, так і у вільному стані. Відомо, що MRS у складі комплексу аміноацил-тРНК-синтетаз тісно взаємодіє із білком р18, супресором пухлин [38,39]. При дії ультрафіолетового випромінювання цей комплекс дисоціює і р18 рухається у ядро, де бере участь у процесах репарації ДНК. Тому вважається, що MRS бере участь у інгібуванні відповіді на пошкодження ДНК на трансляційному рівні [40].

Глутамін — замінна амінокислота, яка бере участь у багатьох клітинних процесах, зокрема він бере участь у біосинтезі пуринів та піримідинів, які є основними компонентами ДНК та РНК. Ця амінокислота також відіграє роль у зменшенні виділення запальних цитокінів, у регулюванні сигнальних шляхів проліферації та апоптозу. Дослідження останнього процесу показали, що глутамініл-тРНК-синтетаза (QRS) взаємодіє з ASK1 (кіназа 1, що регулює сигнал апоптозу) у глутамін-залежний спосіб: при підвищенні концентрації амінокислоти комплекс розпадається. Вище згадані ферменти взаємодіють своїми каталітичними доменами, внаслідок чого втрачається їх канонічна функція. Тобто, QRS інгібує процес клітинної смерті, спричинений активністю ASK1 [41].

Диаденозилтетрафосфат (Ар₄А) — сигнальна молекула клітин прокаріот та еукаріот, концентрація цієї сполуки збільшується у стресовому стані, тому її відносять до класу алармонів. Була показана роль Ар₄А у процесах проліферації, ініціації реплікації та репарації ДНК, клітинній відповіді на стрес, інгібуванні АДФ-індукованої агрегації тромбоцитів [42]. При аналізі процесу утворення цієї сигнальної сполуки, було виявлено, що найбільший внесок робить лізил-тРНК-синтетаза [43]. У імунних клітинах фосфорилювання KRS призводить до вивільнення цього ферменту із мультисинтетазного комплексу та підвищення його здатності продукувати Ар₄А, який в свою чергу виконує свої функції через зв'язування з певними білками. Вільна АРСаза транслокується у ядро, конформаційні зміни, спричинені фосфорилюванням, підвищують її здатність до продукції Ар₄А. Сигнальна молекула, зв'язуючись із репресором Hint-1, дозволяє від’єднатись транскрипційному фактору MITF із інгібіторного комплексу MITF–Hint-1, що активує транскрипцію цільових генів згаданого фактору Тобто, можна сказати, що окрім канонічної функції у аміноацилюванні тРНК, KRS бере участь у сигнальній трансдукції імунних клітин [44].

Неферментний компонент мультисинтетазного комплексу білок р43 виступає у ролі цитокіна. Він стимулює синтез різних прозапальних факторів, таких як TNF-α, IL-8, IL-1β, MCP-1, MІP-1, а також міжклітинних молекул адгезії (ICAM-1). Білок р43 бере участь у процесі ангіогенезу, індукує міграцію ендотеліальних клітин [45]. Також він містить сайт, по якому під час апоптозу каспаза відділяє С-кінцевий домен, який називають EMAPII.

Білок р38 також виконує певну неконічну функцію: він може приєднуватись до білка FBP (far upstream element (FUSE)-binding protein ), який являється активатором транскрипції гена, що кодує білок Myc, та спричиняти убіквітинування цього білка з подальшою його деградацією у протеосомі. Цей процес призводить до гіперпроліферації клітин легень [46].