Główne białka w moczu - Major urinary proteins
Główne białko w moczu ( MUPS ), znany również jako alfa 2 w kształcie U globulin , są podrodziny z białek znajdujących się w nadmiarze w moczu i innych wydzielin z wielu zwierząt. Mups dostarczają niewielki zakres informacji identyfikacyjnych na temat zwierzęcia dawcy, gdy zostaną wykryte przez narząd lemieszowo- nosowy zwierzęcia otrzymującego. Należą do większej rodziny białek znanych jako lipokaliny . Mups są kodowane przez klaster genów , położonych obok siebie na pojedynczym odcinku DNA, którego liczba różni się znacznie między gatunkami: od co najmniej 21 funkcjonalnych genów u myszy do żadnych u ludzi. Białka Mup tworzą charakterystyczny kształt rękawicy , obejmujący kieszonkę wiążącą ligand, która mieści określone małe organiczne substancje chemiczne.
Białka w moczu zostały po raz pierwszy opisane u gryzoni w 1932 roku, podczas badań Thomasa Addisa nad przyczyną białkomoczu . Są silnymi alergenami ludzkimi i są w dużej mierze odpowiedzialne za wiele alergii zwierzęcych , w tym na koty, konie i gryzonie. Ich endogenna funkcja u zwierzęcia jest nieznana, ale może obejmować regulację wydatkowania energii. Jednak jako białka sekrecyjne odgrywają wiele ról w komunikacji chemicznej między zwierzętami, pełniąc rolę transporterów i stabilizatorów feromonów u gryzoni i świń. Mufy mogą również same działać jako feromony białkowe. Wykazano, że promują agresję u samców myszy, a jedno specyficzne białko Mup znalezione w moczu samców myszy jest atrakcyjne seksualnie dla samic myszy. Mupy mogą również funkcjonować jako sygnały między różnymi gatunkami : myszy wykazują instynktowną reakcję strachu po wykryciu Mups pochodzących od drapieżników, takich jak koty i szczury.
Odkrycie
Ludzie w dobrym zdrowiu wydalają mocz, który jest w dużej mierze wolny od białka. Dlatego od 1827 roku lekarze i naukowcy interesowali się białkomoczem , nadmiarem białka w ludzkim moczu, jako wskaźnikiem choroby nerek . Aby lepiej zrozumieć etiologię białkomoczu, niektórzy naukowcy podjęli próbę zbadania tego zjawiska na zwierzętach laboratoryjnych . W latach 1932-1933 wielu naukowców, w tym Thomas Addis , niezależnie odnotowało zaskakujące odkrycie, że niektóre zdrowe gryzonie mają białko w moczu. Jednak dopiero w latach sześćdziesiątych po raz pierwszy opisano szczegółowo główne białka moczu myszy i szczurów. Stwierdzono, że białka powstają głównie w wątrobie mężczyzn i są wydzielane przez nerki do moczu w dużych ilościach (miligramów dziennie).
Odkąd zostały nazwane, stwierdzono, że białka ulegają zróżnicowanej ekspresji w innych gruczołach, które wydzielają produkty bezpośrednio do środowiska zewnętrznego. Należą łzowego , ślinianki , podszczękowych , podjęzykowo , napletka i sutka łojowych. U niektórych gatunków, takich jak koty i świnie, Mups w ogóle nie ulega ekspresji w moczu i występuje głównie w ślinie. Czasami termin Mups (uMups) jest używany do odróżnienia Mupsów wyrażanych w moczu od tych w innych tkankach.
Geny Mup
W latach 1979-1981 oszacowano, że Mups są kodowane przez rodzinę genów zawierającą od 15 do 35 genów i pseudogenów u myszy oraz przez około 20 genów u szczura. W 2008 roku, analizując sekwencję DNA całych genomów, określono dokładniejszą liczbę genów Mup w szeregu gatunków .
Gryzonie
Genom odniesienia myszy zawiera co najmniej 21 odrębnych genów Mup (z otwartymi ramkami odczytu ) i dalszych 21 pseudogenów Mup (z ramkami odczytu zakłóconymi przez mutację nonsensowną lub niekompletną duplikację genu ). Wszystkie one są zgrupowane razem ubrany obok siebie na 1,92 megabaz DNA w chromosomie 4. 21 genów funkcjonalnych zostały podzielone na dwie podklasy oparciu o pozycję i podobieństwa sekwencji: 6 obwodowa klasy A MUPS i 15 centralnego klasy B MUPS . Centralny klaster genów Mup klasy B powstał w wyniku szeregu kolejnych duplikacji jednego z Mup klasy A. Ponieważ wszystkie geny klasy B są prawie identyczne, naukowcy doszli do wniosku, że te duplikacje pojawiły się bardzo niedawno w ewolucji myszy. Rzeczywiście, powtarzalna struktura tych centralnych genów Mup oznacza, że prawdopodobnie będą one niestabilne i mogą różnić się liczbą u dzikich myszy. Mups klasy A bardziej różnią się od siebie i dlatego prawdopodobnie są bardziej stabilnymi, starszymi genami, ale jakie, jeśli w ogóle, funkcjonalne różnice mają te klasy, nie są znane. Podobieństwo między genami utrudnia badanie regionu przy użyciu obecnej technologii sekwencjonowania DNA . W konsekwencji klaster genów Mup jest jedną z niewielu części sekwencji całego genomu myszy z pozostałymi lukami, a dalsze geny mogą pozostać nieodkryte.
Mocz szczura zawiera również homologiczne białka w moczu; chociaż pierwotnie nadano im inną nazwę, α2 u - globuliny , od tego czasu stały się znane jako szczurze Mups. Szczury mają 9 odrębnych genów Mup i kolejne 13 pseudogenów zgrupowanych razem w 1,1 megazasadach DNA na chromosomie 5. Podobnie jak u myszy, klaster utworzony przez wielokrotne duplikacje. Jednak nastąpiło to niezależnie od duplikacji u myszy, co oznacza, że oba gatunki gryzoni rozszerzyły swoje rodziny genów Mup oddzielnie, ale równolegle .
niegryzonie
Większość innych badanych ssaków, w tym świnia, krowa, kot, pies, krzak, makak, szympans i orangutan, ma pojedynczy gen Mup. Niektóre jednak mają rozszerzoną liczbę: konie mają trzy geny Mup, a szare lemury myszy mają co najmniej dwa. Owadów, ryb, płazów, ptaków i torbacze pojawi się zakłócony syntenii w położeniu chromosomalnym klastra genów MUP, co sugeruje, że rodzina genów mogą być specyficzne dla łożyska ssaków. Ludzie są jedynymi ssakami łożyskowymi, u których stwierdzono brak aktywnych genów Mup; zamiast tego mają pojedynczy pseudogen Mup zawierający mutację, która powoduje nieprawidłowe składanie , czyniąc go dysfunkcyjnym.
Funkcjonować
Białka transportowe
Mups są członkami dużej rodziny białek o niskiej masie cząsteczkowej ( ~ 19 kDa ) znanych jako lipokaliny . Mają charakterystyczną strukturę osiem arkuszy beta ułożone w antyrównoległym beta baryłki otwartej po jednej stronie, z alfa helis, na obu końcach. W konsekwencji tworzą charakterystyczny kształt rękawicy, obejmujący przypominającą miseczkę kieszonkę, która z dużym powinowactwem wiąże małe organiczne substancje chemiczne. Wiele z tych ligandów wiążą się z mysią MUPS, w tym 2-sec-butylo-4,5-dihydro tiazolu (w skrócie SBT lub DHT), 6-hydroksy-6-metylo-3- heptanonu (HMH) i 2,3 dihydro -egzobrevikomina (DHB). Są to wszystkie substancje chemiczne specyficzne dla moczu, które, jak wykazano, działają jak feromony – sygnały molekularne wydalane przez jednego osobnika, które wywołują wrodzoną reakcję behawioralną u innego osobnika tego samego gatunku. Wykazano również, że mysie Mups działają jako stabilizatory feromonów, zapewniając mechanizm powolnego uwalniania, który przedłuża działanie lotnych feromonów w męskich śladach zapachowych moczu . Biorąc pod uwagę różnorodność Mupsów u gryzoni, początkowo uważano, że różne Mupsy mogą mieć różne ukształtowane kieszenie wiążące, a zatem mogą wiązać różne feromony. Jednak szczegółowe badania wykazały, że większość zmiennych miejsc znajduje się na powierzchni białek i wydaje się mieć niewielki wpływ na wiązanie ligandów.
Szczur Mups wiążą różne małe chemikalia. Najczęstszym ligand 1-chloro dekan , 2-metylo-N-fenylo- 2-propenamid , heksadekan i 2,6,11-trimetylo dekan okazały się mniej widoczne. Szczur MUPS również wiązać limonen 1,2-epoksyd prowadzi do choroby nerek gospodarza, bezbarwne -droplet nefropatia , że rozwija się rak. Inne gatunki nie rozwijają tego zaburzenia, ponieważ ich Mups nie wiążą tej konkretnej substancji chemicznej. W związku z tym, gdy myszy transgeniczne zostały zmodyfikowane tak, aby wyrażały szczurzą Mup, choroba rozwinęła się w ich nerkach. Mup występujący u świń, zwany lipokaliną ślinową (SAL), ulega ekspresji w gruczołach ślinowych samców, gdzie ściśle wiąże androstenon i androstenol , oba feromony, które powodują, że samice świń przyjmują postawę godową .
Badania kalorymetrii izotermicznej miareczkowania przeprowadzone z Mups i powiązanymi ligandami (pirazyny, alkohole, tiazoliny, 6-hydroksy-6-metylo-3-heptanon i N-fenylonaftyloamina) ujawniły niezwykłe zjawisko wiązania. Stwierdzono, że miejsce aktywne jest suboptymalnie uwodnione, co powoduje, że wiązanie ligandu jest napędzane przez siły dyspersji entalpicznej . Jest to sprzeczne z większością innych białek, które wykazują siły wiązania sterowane entropią z reorganizacji cząsteczek wody . Ten niezwykły proces został nazwany nieklasycznym efektem hydrofobowym .
Feromony
Badania miały na celu ustalenie dokładnej funkcji Mupsa w komunikacji feromonowej. Wykazano, że białka Mup promują dojrzewanie i przyspieszają cykl rui u samic myszy, wywołując efekty Vandenbergha i Whittena . Jednak w obu przypadkach Mups musiał zostać przedstawiony kobiecie rozpuszczony w męskim moczu, co wskazuje, że białko wymaga pewnego kontekstu w moczu, aby funkcjonować. W 2007 r. Mufy, które normalnie znajdują się w moczu samców myszy, zostały wytworzone w bakteriach transgenicznych , a zatem zostały pozbawione chemikaliów, które normalnie wiążą. Wykazano, że te Mupy są wystarczające do promowania agresywnych zachowań u mężczyzn, nawet przy braku moczu. Ponadto odkryto, że Mupy wytwarzane w bakteriach aktywują węchowe neurony czuciowe w narządzie lemieszowo-nosowym (VNO), podsystemie nosa znanym z wykrywania feromonów za pomocą określonych receptorów czuciowych myszy i szczurów. Razem pokazało to, że białka Mup mogą same działać jako feromony, niezależnie od ich ligandów.
Zgodnie z rolą w agresji samców i samców, dorosłe samce myszy wydzielają do moczu znacznie więcej Mups niż samice, osobniki młodociane lub wykastrowane samce myszy. Dokładny mechanizm napędzający tę różnicę między płciami jest złożony, ale wiadomo , że co najmniej trzy hormony — testosteron , hormon wzrostu i tyroksyna — mają pozytywny wpływ na produkcję Mups u myszy. Mocz dzikich myszy zawiera różne kombinacje od czterech do siedmiu różnych białek Mup na mysz. Niektóre wsobne laboratoryjne szczepy myszy , takie jak BALB/c i C57BL/6 , również mają różne białka wyrażane w moczu. Jednak w przeciwieństwie do dzikich myszy, różne osobniki z tego samego szczepu wyrażają ten sam wzór białka, artefakt wielu pokoleń chowu wsobnego . Jeden niezwykły Mup jest mniej zmienny niż inne: jest konsekwentnie produkowany przez dużą część dzikich samców myszy i prawie nigdy nie występuje w moczu samic. Kiedy ten Mup został wytworzony w bakteriach i użyty w testach behawioralnych, okazało się, że przyciąga samice myszy. Inne Mupy zostały przetestowane, ale nie miały tych samych atrakcyjnych właściwości, co sugeruje, że Mup specyficzny dla mężczyzn działa jak feromon płciowy. Naukowcy o nazwie tej MUP darcin ( Mup20 , Q5FW60 ) jako humorystyczny odniesieniu do Fitzwilliam Darcy , na bohatera romantycznego z Dumy i uprzedzenia . Podsumowując, złożone wzory wytworzonego Mupsa mogą dostarczyć szeregu informacji o zwierzęciu dawcy, takich jak płeć , płodność, dominacja społeczna , wiek, różnorodność genetyczna lub pokrewieństwo . Dzikie myszy (w przeciwieństwie do myszy laboratoryjnych, które są genetycznie identyczne, a zatem również mają identyczne wzorce ekspresji Mups w moczu) mają indywidualne wzorce ekspresji Mup w moczu, które działają jak " kod kreskowy " do jednoznacznej identyfikacji właściciela znaku zapachowego.
U myszy domowej główny klaster genów MUP zapewnia wysoce polimorficzny sygnał zapachowy tożsamości genetycznej. Dzikie myszy rozmnażające się swobodnie w półnaturalnych pomieszczeniach wykazywały unikanie chowu wsobnego . To unikanie wynikało z silnego deficytu w udanych kojarzeniach między myszami mającymi oba haplotypy MUP (kompletne dopasowanie). W innym badaniu, na myszach białonogich, stwierdzono, że gdy myszy pochodzące z dzikich populacji były chowane wsobnie, przeżywalność była zmniejszona, gdy takie myszy zostały ponownie wprowadzone do naturalnego środowiska. Odkrycia te sugerują, że chów wsobny zmniejsza sprawność, a rozpoznawanie sygnałów zapachowych rozwinęło się u myszy jako sposób na uniknięcie depresji inbredowej .
Kairomones
Oprócz tego, że służy jako sygnały społeczne między członkami tego samego gatunku, Mups może działać jako kairomony – sygnały chemiczne, które przekazują informacje między gatunkami. Myszy instynktownie boją się zapachu swoich naturalnych drapieżników , w tym kotów i szczurów. Dzieje się tak nawet u myszy laboratoryjnych, które od setek pokoleń były izolowane od drapieżników. Gdy chemiczne sygnały odpowiedzialne za reakcję strachu zostały oczyszczone ze śliny kota i moczu szczura, zidentyfikowano dwa homologiczne sygnały białkowe: Fel d 4 ( Alergen Felis domesticus 4; Q5VFH6 ), produkt genu kota Mup i Rat n 1 ( Rattus norvegicus alergen 1; P02761 ), produkt szczurzego genu Mup13 . Myszy boją się Mupsów nawet wtedy, gdy są wytwarzane z bakterii, ale zmutowane zwierzęta, które nie są w stanie wykryć Mupsów, nie wykazywały strachu przed szczurami, co dowodzi ich znaczenia w inicjowaniu przerażających zachowań. Nie wiadomo dokładnie, w jaki sposób Mups z różnych gatunków inicjują odmienne zachowania, ale Mups myszy i Mups drapieżnika aktywują unikalne wzorce neuronów czuciowych w nosie myszy biorców. Oznacza to, że mysz postrzega je inaczej, za pośrednictwem odrębnych obwodów neuronowych . Te receptory feromonowe odpowiedzialne za wykrywanie MUP są także nieznane, choć są one uważane być członkami receptora V2R klasie.
Alergeny
Wraz z innymi członkami rodziny białek lipokalin, główne białka w moczu mogą być silnymi alergenami dla ludzi. Powód tego nie jest znany; jednak jako możliwe wyjaśnienie zaproponowano naśladownictwo molekularne między Mups i strukturalnie podobnymi ludzkimi lipokalinami. Produkt białkowy mysich genów Mup6 i Mup2 (wcześniej mylony z Mup17 ze względu na podobieństwo wśród mysich MUP), znany jako Mus m1, Ag1 lub MA1, odpowiada za większość alergennych właściwości moczu myszy. Białko jest niezwykle stabilne w środowisku; Badania wykazały, że 95% domów w centrum miasta i 82% wszystkich typów domów w Stanach Zjednoczonych ma wykrywalne poziomy w co najmniej jednym pokoju. Podobnie Rat n 1 jest znanym ludzkim alergenem. Amerykańskie badanie wykazało jego obecność w 33% domów w centrum miasta, a 21% mieszkańców było uczulonych na alergen. Narażenie i uczulenie na białka Mup gryzoni jest uważane za czynnik ryzyka astmy u dzieci i jest główną przyczyną alergii na zwierzęta laboratoryjne (LAA) – choroby zawodowej techników i naukowców zajmujących się zwierzętami laboratoryjnymi . Jedno z badań wykazało, że dwie trzecie pracowników laboratoryjnych, u których wystąpiły reakcje astmatyczne na zwierzęta, miało przeciwciała przeciwko szczurowi n 1.
Geny Mup z innych ssaków również kodują białka alergenne, na przykład Fel d 4 jest wytwarzany głównie w podżuchwowym gruczole ślinowym i jest odkładany na łupieżu, gdy kot sam się oczyszcza. Badanie wykazało, że 63% osób uczulonych na koty ma przeciwciała przeciwko białku. Większość z nich miała wyższe miana przeciwciał przeciwko Fel d 4 niż przeciwko Fel d 1 , innemu wybitnemu alergenowi kota. Podobnie Equ c 1 ( Equus caballus alergen 1; Q95182 ) jest produktem białkowym końskiego genu Mup, który znajduje się w wątrobie, podjęzykowych i podszczękowych gruczołach ślinowych. Odpowiada za około 80% odpowiedzi przeciwciał u pacjentów przewlekle narażonych na alergeny końskie.
Metabolizm
Chociaż wykrywanie Mups wydalanych przez inne zwierzęta zostało dobrze zbadane, funkcjonalna rola u zwierzęcia produkcyjnego jest mniej jasna. Jednak w 2009 roku wykazano, że Mups jest powiązany z regulacją wydatkowania energii u myszy. Naukowcy odkryli, że genetycznie indukowane otyłe myszy z cukrzycą wytwarzają trzydzieści razy mniej RNA Mup niż ich chude rodzeństwo. Kiedy dostarczyli białko Mup bezpośrednio do krwiobiegu tych myszy, zaobserwowali wzrost wydatku energetycznego, aktywności fizycznej i temperatury ciała oraz odpowiadający temu spadek nietolerancji glukozy i insulinooporności . Sugerują, że korzystny wpływ Mupsa na metabolizm energetyczny następuje poprzez wzmocnienie funkcji mitochondriów w mięśniach szkieletowych. Inne badanie wykazało, że Mups był zmniejszony u myszy z otyłością wywołaną dietą. W tym przypadku obecność Mups w krwiobiegu myszy ograniczała produkcję glukozy poprzez bezpośrednie hamowanie ekspresji genów w wątrobie.
Zobacz też
- Octan cis-wacenylu , feromon agresywny wobec owadów
- Główny układ zgodności tkankowej , peptydy również zaangażowane w indywidualne rozpoznawanie u myszy
- Białka produkowane i wydzielane przez wątrobę
Uwagi
Bibliografia
Zewnętrzne linki
- Zapach gryzonia , The Why Files – nauka stojąca za wiadomościami
- Sygnały strachu od Predators na YouTube , film opisujący badania, które wykazały, że Mups są kairomonami