Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Poznajcie humaninę - białko mitochondrialne o niezwykle korzystnym działaniu
Poznajcie humaninę - białko mitochondrialne o niezwykle korzystnym działaniu
Humanina (HN) jest wywodzącym się z mitochondrium peptydem, który będąc przedmiotem badań wielu grup naukowych, wykazuje istotne właściwości cytoprotekcyjne i antyapoptotyczne. Nasze zainteresowanie wzbudziła nie tylko ze względu na swą ciekawą, „człowieczą” nazwę, lecz przede wszystkim na ogromny potencjał swojego korzystnego oddziaływania zarówno w warunkach in vivo, jak i in vitro.

 

HN jest 24-aminokwasowym białkiem  (Met- Ala- Pro-Arg- Gly- Phe- Ser- Cys- Leu- Leu- Leu- Leu- Thr- Ser- Glu- Ile-Asp- Leu- Pro- Val- Lys- Arg- Arg- Ala), o masie molekularnej 2656.3 Da [1]. Została zidentyfikowana 15 lat temu przez grupę japońskich naukowców w neuronach mózgu, które nie podlegały apoptozie u chorych na chorobę Alzheimera [1]. Liczne badania, poświęcone jej strukturze i funkcji wykazały istnienie zależności pomiędzy strukturą HN i jej pochodnych a pełnionymi przez nie funkcjami. HN i jej pochodne są białkami zarówno wewnątrzkomórkowymi, które działają neuroprotekcyjnie, jak i sekrecyjnymi [2]. Jak w przypadku wielu białek funkcjonalnych, określone regiony w obrębie struktury HN są niezbędne dla zachowania jej właściwości. Badania biochemiczne i biofizyczne dotyczące sekwencji HN wykazały, że może ona tworzyć  homodimery i multimery. To właśnie ta właściwość wydaje się być istotna dla zachowania funkcji protekcyjnych peptydu [3]. Może być to związane ze zmianami rozpuszalności i tkankową dystrybucją HN [4].

 

Pochodzenie humaniny

Jeden z rozważanych mechanizmów zakłada, że mRNA HN jest transkrybowane z mitochondrialnego DNA (mtDNA), następnie przenoszone do cytoplazmy i tam ulega translacji do białka [10]. Badania wykazały, że gen kodujący humaninę (MT-RNR2) zlokalizowany jest prawdopodobnie w podjednostce 16s rybosomalnego RNA w genomie mitochondrialnym. Istnieją jednak hipotezy mowiące o tym, że transkrypcja mRNA HN zachodzi w mitochondriach i tam też ma miejsce translacja [10].

Badania immunohistochemiczne z przeciwciałem skierowanym przeciwko humaninie wykazały jej immunoreaktywność w nienaruszonych, dużych neuronach w płacie potylicznym mózgu pacjenta ze zdiagnozowaną chorobą Alzheimera (AD) [5]. Z drugiej strony nie zaobserwowano ekspresji HN w neuronach z innych obszarów mózgu [5]. Immunoreaktywność  peptydu zaobserwowano także w komórkach glejowych hipokampa pochodzących od pacjentów z AD [5]. Badania z wykorzystaniem metod immunocytologicznych wykazały obecność cząsteczek o masie 3kDa (przypuszczalna masa cząsteczkowa HN) w jądrach i komórkach jelit (okrężnicy) 3-tygodniowych myszy oraz w jądrach myszy 12-tygodniowych [6]. Wyniki te wskazują na istnienie zależności  pomiędzy ekspresją HN a wiekiem oraz dojrzałością  komórek [7]. Inne badania dotyczące ekspresji HN pokazują, że nie jest ona wykrywana w zdrowych komórkach mózgu. Wyniki te mogą wskazywać, że HN jest głównie produkowana w uszkodzonych stresem tkankach, także poza centralnym układem nerwowym (CNS) [8]. Dowiedziono, że uwalnianie HN jest znacznie zwiększone poprzez wzrost cytozolowego stężenia wapnia i cAMP w warunkach stresu komórkowego [9]. Dodatkowo wykazano, że HN może być uwalniana z komórek i sekrecja ta jest regulowana przez aktywność siateczki endoplazmatycznej (ER) oraz aparat Golgiego(ER-Golgi) [9].

 

Protekcyjne działanie humaniny potwierdzone badaniami in vitro

Celem potwierdzenia funkcji protekcyjnych HN, przeprowadzono szereg badań z wykorzystaniem różnego rodzaju modeli stresu komórkowego. Eksperymenty prowadzono zarówno na komórkach pochodzenia neuronalnego [11,12,13], jak również na innych typach komórek: limfocytach [14] oraz ludzkich komórkach mięśni gładkich naczyń krwionośnych mózgu [15]. Przeprowadzone eksperymenty wykazały, jak szerokie spektrum działania wykazuje humanina.

Działanie neuroprotekcyjne humaniny zaobserwowano w hybrydyzowanych komórkach F11 złożonych z pierwotnych neuronów pochodzących ze szczurzych embrionów oraz mysiego nerwiaka, poddanych toksycznym wpływom fragementowi amyloidu beta Aß1-42. Na podstawie przeprowadzonych eksperymentów wykazano, że HN hamuje indukowany Aß1-42 wzrost liczby obumarłych komórek neuronalnych. Badania wykazały, że HN zapobiega także apoptozie neuronów kortykalnych spowodowanej akumulacją nieprawidłowych białek prionowych PrPc w siateczce endoplazmatycznej (ER) [16]. Ponaadto eksperymenty dotyczące  zaniku jądra zębatego, czerwiennego i niskowzgórzowego wykazały, że HN hamuje aktywację proapoptotycznej kinazy ASK-1, zapobiegając w ten sposób śmierci komórek nerwowych [17]. Bardzo ciekawe i obiecujące wyniki wykazujące protekcyjne humaniny, potwierdzono poprzez zastosowanie modelu cytotoksycznego wpływu ß-amyloidu na ludzkie komórki mięśni gładkich naczyń krwionośnych mózgu (HCSM) [20]. Na skutek tworzenia się agregatów Aß dochodzi do degeneracji HCSM, która często obserwowana jest w  rodzinnej angiopatii amyloidowej (CAA) towarzyszącej chorobie Alzheimera [21]. Inkubacja komórek HCSM z Aß40D powodowała  obniżenie ich żywotności o blisko 60%. Uważa się, że mechanizm działania  ochronnego HN dotyczy hamowania indukowanej ß-amyloidem degeneracji ß-aktyny w komórkach mięśni  gładkich naczyń krwionośnych mózgu. Badania wykazału, że HN nie wpływa bezpośrednio na akumulację  Aß, ani na obniżanie poziomu komórkowego białka prekursorowego Aß. Zaobserwowano natomiast, że znacznie zapobiega niekorzystnym konsekwencjom toksycznego wpływu Aß w komórce [20].

Liczne badania przeprowadzone przez Hashimoto i wsp. dostarczyły istotnych informacji mówiących o tym, że neuroprotekcyjne właściwości HN regulowane są  przez aktywację niektórych kinaz tyrozynowych (STAT3) oraz przekaźników i aktywatorów transkrypcji (STATs) [22]. Kinazy tyrozynowe są istotnymi przekaźnikami w bardzo wielu ścieżkach sygnałowych w komórce. STATs stanowią grupę białek cytoplazmatycznych, które uczestniczą w prawidłowej odpowiedzi komórki na cytokiny i czynniki wzrostu. Zaburzenie funkcji niektórych STATs, w szczególności  STAT3, obserwuje się w procesach onkogenezy [23]. Badania dowodzą, że HN hamuje zarówno apoptotyczną, jak i nieapoptotyczną œśmierć  komórkową w przebiegu choroby Alzheimera, co sugeruje jej zaangażowanie w procesy onkogenezy poprzez aktywację kaskady sygnałowej zależnej od STAT3 [24]. Dodatkowo, inne badania pokazały, że HN  istotnie hamuje, neuronalną śmierć komórkową zależną od N-terminalnej kinazy (JNK). Poprzez supresyjne działanie na aktywację JNK oraz przez hamowanie szlaku sygnałowego zależnego od tej kinazy, HN może blokować  neurotoksyczność  indukowaną przez białko prekursorowe amyloidu [1]. Z kolei inne podejmowane eksperymenty wykazały potencjalne przeciwzapalne  właściwości HN. Wykazano, że HN ma zdolność hamowania neuronalnej śmierci komórkowej poprzez wiązanie się z kompleksem receptora cytokin, kompleksami rzęskowych neurotroficznych czynników receptorowych (CNTFR), receptorem interleukiny 27 (WSX-1) oraz  gp130 [25]. Udowodnionym mechanizmem neuroprotekcyjnego działania HN jest także jej hamujący wpływ na aktywację białka Bax - proapoptotycznego białka z rodziny Bcl-2, regulującego apoptozę.  Wiadomo bowiem, że zmiana przepuszczalności błony mitochondrialnej obserwowana w indukcji apoptozy zależy od aktywności pro- i antyapoptotycznej białek rodziny Bcl-2. Odkryto, że HN łączy się selektywnie z białkiem Bax w cytoplazmie, zapobiegając tym samym jego translokacji z cytoplazmy do mitochondriów, inaktywując w ten sposób ścieżkę apoptozy zależnej od Bax [26].

Przejdźmy zatem dalej wymieniając korzystne działanie humaniny także na inne układy organizmu. Wyniki doświadczeń prowadzonych od momentu odkrycia HN aż po ostatnie doniesienia wskazują na szerokie spectrum aktywności  tego polipeptydu nie tylko jako czynnika decydującego o przeżyciu komórek CNS, ale i innych komórek organizmu. Wykazano, że HN reguluje insulinowrażliwość, hamuje apoptozę komórek beta oraz zapobiega apoptozie komórek spermatoidalnych [27]. Cytoprotekcyjne właściwości HN przebadano również w modelu niedoboru substratów na limfocytach oraz mioblastach [18]. Wykazano, że aktywność metaboliczna limfocytów, w hodowli z medium pozbawionym surowicy, była zredukowana do około 85% wobec kontroli.  Podanie HN natomiast,  spowodowało istotny wzrost aktywności metabolicznej tych komórek. Obserwacje te pozwoliły wysnuć przypuszczenie, że HN może zwiększać mitochondrialne przemiany energetyczne w określonych warunkach stresowych i wydłużać przeżycie komórek limfocytarnych [19]. Kolejne podejmowania badania pokazały, że w komórkach mięśniowych hodowanych także  w medium pozbawionym surowicy, w obecności HN zaobserwowano wzrost generacji ATP, któremu nie towarzyszyło podwyższenie stężenia pirogronianu [19]. Zwiększenie metabolizmu mitochondriów w obecności HN potwierdzono również w limfocytach pacjentów będących nosicielami mutacji A3243G mtDNA. Wyniki powyższych badań rzucają światło na  zastosowanie humaniny jako potencjalnego czynnika terapeutycznego w chorobach związanych z zaburzeniami funkcji energetycznej mitochondriów, a co za tym idzie - obniżeniem aktywności metabolicznej [18,19]. Z przeprowadzonych badań wynika, że HN może pełnić istotną rolę w regulacji homeostazy poziomu glukozy [27]. Insulinooporność , jak również obniżona aktywność insuliny związana jest ze starzeniem się organizmu -  demencją, chorobą Alzheimera czy  cukrzycą typu 2. Badania wykazały, że podanie szczurom HN wpływa na zwiększenie insulinowrażliwości. Działanie to związane jest z tworzeniem dimerów przez HN i aktywacji wspomnianej kinazy STAT3 w podwzgórzu [27]. Inne badania dostarczyły dowodów wskazujących na to, ze HN wpływa na przeżycie komórek beta trzustki [28]. Apoptoza tych komórek odgrywa istotną rolę w rozwoju cukrzycy typu 2 w przebiegu otyłości. Doniesienia badaczy pokazują, że HN zwiększa przeżycie komórek beta a uwalnianie insuliny regulowane jest przez hamowanie apoptozy w tych komórkach [28].

 

Działanie i aktywność humaniny w warunkach in vivo

Badania, przeprowadzone in vivo na modelach zwierzęcych potwierdzają jej korzystne działanie zaobserwowanie w badaniach na komórkach, w układzie in vitro.  Dane literaturowe dowodzą, że HN zapobiega upośledzeniu  pamięci, hamuje odpowiedź  zapalną, a także apoptozę w warunkach np. ostrego niedokrwienia [29,30,31]. W przeprowadzonych eksperymentach na zwierzętach zaobserwowano, że podanie szczurom syntetycznej formy HN w obszarze hipokampa i kory czołowo-skroniowej powoduje zahamowanie odpowiedzi zapalnej poprzez zredukowanie liczby aktywowanych Aß25-35 GFAP-immunopozytywnych astrocytów oraz CD11b-immunododatnich komórek mikrogleju [31]. W badaniu tym wykazano również, że HN obniża poziom cytokin prozapalnych: IL-6 i TNFa, oraz redukuje liczbę apoptotycznych komórek w regionie kory czołowej. Powyższe wyniki wyraźnie wskazują zatem na potencjalne przeciwzapalne działanie.  W innym badaniu udowodniono natomiast, że HN podana do komory bocznej chroni niedotlenioną  tkankę nerwową mózgu, co wykazano w modelu niedrożności tętnicy mózgowej środkowej (MCAO) [32]. W tkance nerwowej badanych zwierząt zaobserwowano również obniżenie aktywności kinaz z rodziny MAPK: ERK, ale nie JNK i p38. Ponadto wykazano, że HNG zapobiega uszkodzeniom wynikającym z ischemii i reperfuzji w mysim modelu MCAO.

Podsumowując, mechanizm ochraniający komórki,  a zwłaszcza rola neuroprotekcyjna  humaniny wydaje się być związana z antyapoptotycznymi, przeciwzapalnymi i poprawiającymi bioaktywność mitochondrialną właściwościami tych peptydów.  Szeroki i istotny aspekt działania tego polipeptydu bez wątpienia niesie nadzieje na tworzenie nowych podejść terapeutycznych, jednak jak w przypadku wszystkich stosunkowo niedawno odkrytych białek, wymaga dalszych i głębszych badań zarówno wobec hodowli komórkowych jak i w układach in vivo.

Źródła

Hashimoto Y., Niikura T., Tajima H. et al.: A rescue factor abolishing neuronal cell death by a wide spectrum of familial Alzheimer's disease genes and Abeta. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2001, 98, 6336

 

Niikura T., Yamada M., Chiba T. et al.: Characterization of V642I-AßPP-induced cytotoxicity in primary neurons. J. Neurosci. Res. 2004, 77, 54.

 

Niikura T., Tajima H., Kita Y.: Neuronal cell death inAlzheimer's disease and a neuroprotective factor,humanin. Curr. Neuropharmacol. 2006, 4:139.

 

Arakawa T., Kita Y., Niikura T.: A rescue factor for Alzheimer's diseases: discovery, activity, structure,and mechanism. Curr. Med. Chem. 2008, 15, 2086.

 

Tajima H., Niikura T., Hashimoto Y. et al.: Evidence for in vivo production of Humanin peptide, a neuroprotective factor against Alzheimer's diseaserelated insults. Neurosci. Lett. 2002, 324, 227

 

Guo B., Zhai D., Cabezas E. et al.: Humanin peptide suppresses apoptosis by interfering with Bax activation. Nature 2003, 423, 456.

 

Niikura T., Yamada M., Chiba T. et al.: Characterization of V642I-AßPP-induced cytotoxicity in primary neurons. J. Neurosci. Res. 2004, 77, 54.

 

Hashimoto Y., Niikura T., Tajima H. et al.: A rescue factor abolishing neuronal cell death by a wide spectrum of familial Alzheimer's disease genes and Abeta. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2001, 98, 6336.

 

Kariya S., Takahashi N., Ooba N. et al.: Humanin inhibits cell death of serum-deprived PC12h cells. Neurorepor. 2002, 13, 903.

 

Sponne I., Fifre A., Koziel V. et al.: Humanin rescues cortical neurons from prion-peptide-induced apoptosis. Mol. Cell Neurosci. 2004, 25, 95.

 

Kariya S., Hirano M., Furiya Y. et al.: Effect of humanin on decreased ATP levels of human lymphocytes harboring A3243G mutant mitochondrial DNA. Neuropeptides 2005, 39, 97.

 

Jung S.S., Van Nostrand W.E.: Humanin rescues human cerebrovascular smooth muscle cells from Abeta-induced toxicity. J. Neurochem 2003, 84, 266.

 

Sponne I., Fifre A., Koziel V. et al.: Humanin rescues cortical neurons from prion-peptide-induced apoptosis. Mol. Cell Neurosci. 2004, 25, 95.

 

Hashimoto Y., Tsuji O., Niikura T. et al.: Involvement of c-Jun N-terminal kinase in amyloid precursor protein-mediated neuronal cell death. J. Neurochem. 2003, 84, 864.

 

Kariya S., Takahashi N., Hirano M. et al.: Humanin improves impaired metabolic activity and prolongs survival of serum-deprived human lymphocytes. Mol. Cell. Biochem. 2003, 254, 83.

 

Jung S.S., Van Nostrand W.E.: Humanin rescues human cerebrovascular smooth muscle cells from Abeta-induced toxicity. J. Neurochem 2003, 84, 266.

 

Vinters H.V.: Cerebral amyloid angiopathy. A critical review. Stroke 1987, 18, 311.

 

Hashimoto Y., Suzuki H., Aiso S. et al.: Involvement of tyrosine kinases and STAT3 in Humanin mediated Neuroprotection. Life Sci. 2005, 77, 3092.

 

Turkson J., Jove R.: STAT proteins: novel molecular targets for drug discovery. Oncogene 2000, 19, 6613.

 

Nishimoto I., Matsuoka M., Niikura T.: Unravelling the role of Humanin. Trends Mol. Med. 2004, 10, 102.

 

Hashimoto Y., Kurita M., Aiso S. et al.: Humanin inhibits neuronal cell death by interacting with a cytokine receptor complex or complexes involving CNTF receptor ?/WSX-1/gp130. Molecular Biology of the Cell 2009, 20, 2864.

 

Guo B., Zhai D., Cabezas E. et al.: Humanin peptide suppresses apoptosis by interfering with Bax activation. Nature 2003, 423, 456.

 

Muzumdar R.H., Huffman D.M., Atzmon G. et al.: humanin: a novel central regulator of peripheral insulin action. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 2009, 4.

 

Hoang P.T., Park P., Cobb L.J. et al.: The neurosurvival factor Humanin inhibits beta-cell apoptosis via signal transducer and activator of transcription 3 activation and delays and ameliorates diabetes in nonobese diabetic mice. Metabolism 2009, 59, 343.

 

Krejcova G., Patocka J., Slaninova J.: Effect of humanin analogues on experimentally induced impairment of spatial memory in rats. J. Pept. Sci. 2004,10, 636.

 

Kunesova G., Hlavácek J., Patocka J. et al.: The multiple T-maze in vivo testing of the neuroprotective effect of humanin analogues. Peptides 2008, 29, 1982.

 

Miao J., Zhang W., Yin R. et al.: S14G-Humanin ameliorates Abeta25-35-induced behavioral deficits by reducing neuroinflammatory responses and apoptosis in mice. Neuropeptides 2008, 42, 557.

 

Xu X., Chua C.C., Gao J. et al.: Humanin Is a Novel Neuroprotective Agent Against Stroke. Stroke 2006,37, 2613.

KOMENTARZE
Newsletter