Функциональные категории магний-зависимых белков

Введение

Магний является одним из главных электролитов организма, принципиально важных для жизнедеятельности клеток всех типов [1]. Ионы магния необходимы для стабилизации структуры двойной спирали ДНК и пространственных структур РНК.

База данных протеома человека (NCBI PROTEIN, UNIPROT, Human Proteome Map др.) включает более 20000 белков [2]. Общее количество белков протеома, активность которых связана с ионом магния, неизвестно. Определение магний-зависимых белков (МЗБ) важно для установления воздействия эссенциального микронутриента на различные функции организма, включая функционирование нервной системы, и, соответственно, описания спектра клинических применений препаратов магния [3].

Целью настоящего исследования является установление функциональных категорий магний-зависимых белков.

Материалы и методы

Этапы настоящего исследования включали оригинальные алгоритмы распознавания, классификации, выявления магний-связывающих белков протеома человека [4]. На основе понятий элементарных аминокислотных мотивов, позиционной независимости мотивов, эвристической оценки информативности и разрешимости на множествах элементарных мотивов [5] разработаны алгоритмы для вычисления наборов наиболее информативных аминокислотных мотивов, которые используются для аннотации функций белков [6]. Методом функционального связывания, включающим анализ данных о клеточных ролях белков, анализировались полученные списки магний-зависимых белков [7]. Для оценки функциональных категорий белков использован массив информации международной номенклатуры Gene Ontology (GO) [8].

Для статистической обработки результатов исследования использовались: расчёт числовых характеристик случайных величин, проверка статистических гипотез с использованием параметрических и непараметрических критериев, корреляционного и дисперсионного анализа. Сравнение прогнозируемых и наблюдаемых частот встречаемости исследуемых признаков проводилось с помощью критерия χ-квадрат, критерия Вилкоксона–Манна–Уитни и теста Стьюдента. Для статистической обработки материала использовались прикладная программа STATISTICA 6.0 и электронные таблицы Microsoft Excel.

Результаты

Анализ функциональных категорий магний-зависимых белков по международной номенклатуре Gene Ontology (GO) (рис. 1A) показал, что, в целом, с биологическими функциями магния было ассоциировано 1503 категории GO. Наибольшие количества белков были в категориях GO «цитозоль», «связывание АТФ», «связывание ионов металлов», «цитоплазма», «плазматическая мембрана» и «ядро клетки»: в каждой из этих категорий представлено более 300 «магниевых» белков. От 100 до 250 магний-зависимых белков представлено в функциональных категориях GO «нуклеоплазма», «клеточная мембрана», «внеклеточная экзосома», «митохондрия», «протеинсерин/троенинкиназы», «связывание ГТФ», «внутриклеточная передача сигналов» и «аппарат Гольджи».

В случае белков, связанных с функционированием нервной системы (рис. 1Б), наиболее представленными были категории, описывающие структурные компоненты нейронов и их соединений:

• «дендрит» (n = 47)

• «тело нейрона» (n = 43)

• «аксон» (n = 36)

• «синапс» (n = 32)

• «рецепторный комплекс» (n = 31)

• «синаптический везикул» (n = 19)

• «постсинаптическая мембрана» (n = 18)

От 10 до 24 белков было представлено в категориях, связанных с развитием ЦНС и с нейропротекцией:

• «рост нейритов» (n = 24)

• «аксоногенез» (n = 16)

• «развитие мозга» (n = 15)

• «ингибирование апоптоза нейронов» (n = 11)

Рис. 1А. Категории Gene Ontology (GO) магний-зависимых белков. A) Основные категории магний-зависимых белков

Рис. 1Б. Категории Gene Ontology (GO) магний-зависимых белков. Б) Категории белков, связанные с функционированием нервной системы

Менее 10 магний-зависимых белков входило в каждую из функциональных категорий GO белков, связанных с морфогенезом и миграцией нейронов (конус роста аксонов, дифференцировка нейронов, окончание аксона, миелинизация, аксонема, развитие нервно-мышечных соединений, потенциал нейронного действия, направление роста аксонов, развитие сетчатки глаза, регуляция аксоногенеза, регуляция развития проекций нейронов, положительная регуляция удлинения аксонов) и с синаптической передачей сигналов (глутаматергическая синаптическая передача, синаптическая мембрана, долговременная синаптическая пластичность, активация возбуждающего постсинаптического сигнала, регуляция синаптической пластичности, метаболизм допамина, регуляция сокращения миокарда кальцием).

В целом, анализ функциональных категорий белков показал, что в реализации нейропротекторных, нейротрофических и других «нейротропных» эффектах иона магния участвуют, по крайней мере, 172 магний-зависимых белка протеома человека.

Столь широкая представленность в протеоме человека элемента магния подтверждает его убиквитарное значение в поддержке нормофизиологического состояния в условиях нормофизиологической обеспеченности этим эссенциальным элементом [9]. Разнопредставленность частот магний-зависимых белков в протеоме указывает на приоритетность обслуживания магнием функций электролитного обмена [10], проводимости нервных сигналов [11], регуляции сократимости миокарда [12], энергетического обмена [13]. Вследствие истощения магниевого депо не только в костях и мышцах [14], но и в головном мозге [15] формируется патофизиологический дрейф, приводящий к гипофункции митохондрий [16], ускорению темпов старения и полиорганной патологии [17].

Заключение

В настоящем исследовании был проведён системно-биологический анализ магний-зависимых белков в контексте их функциональных категорий с использованием современных математических методов топологической теории распознавания. В исследовании был принят во внимание массив информации, имеющийся для магний-зависимых белков по международной номенклатуре GO.

Анализ функциональных категорий белков показал, что с биологическими функциями магния было ассоциировано 1503 категории GO. В функциональных реакциях нервной системы принимают участие 172 магний-зависимых белков протеома человека. Эти белки участвуют в гомеостазе нейротрансмиттеров, нейропластичности и в выживании нейронов. Некоторые из белков могут одновременно участвовать во всех этих нейрофизиологических процессах.