Индукция ГЦ у бактерий может быть обусловлена переходом от микроаэрофильных условий культивирования к аэробным. Так у Beggiatoa leptomitiformis происходит увеличение слизистых образований бактериальной клеточной стенки из-за синтеза экзополисахаридов, способствующих снижению концентрации кислорода [Епринцев А.Т. Роль изоформ малатдегидрогеназы в регуляции анаболических процессов у бесцветных серобактерий Beggiatoa leptomitiformis Д-402 / А.Т. Епринцев, М.И. Фалалеева, М.Ю. Грабович // Микробиология. – 2004. – Т. 73, № 4. – С. 437-442.]. У бесцветной серобактерии Macromonas bipunctata пути синтеза и утилизации включений оксалатов также связаны с работой глиоксилатного цикла. При этом функционирование данного микроорганизма происходит за счет расщепления оксалоацетата и вовлечения глиоксилата в реакции ГЦ при отсутствии в питательной среде углеводов. У Macromonas bipunctata независимо от используемого соединения углерода, наряду с ЦТК, также может функционировать глиоксилатный цикл [Грабович М.Ю. Особенности углеродного метаболизма у бесцветных серобактерий Macromonas bipunctata / М.Ю. Грабович, Г.А. Дубинина, В.В. Чурикова // Микробиология. – 1993. Т. 62, вып. 3. – С. 421-429.], [Игамбердиев А.У. Внеглиоксисомальная форма изоцитратлиазы высших растений / А.У. Игамбердиев, А.А. Землянухин, И.В. Мещерякова // Физиология растений. – 1986. – Т. 33, вып. 6. С. 1113-1120.]. Кроме того, тип питания некоторых бактерий обуславливает индукцию глиоксилатного цикла, при этом трансформация метаболизма осуществляется путем ассоциации – диссоциации некоторых ферментных комплексов [Особенности структурной организации и экспрессионной регуляции изоформ МДГ из Rhodobacter sphaeroides штамма 2R / А.Т. Епринцев [и др.] // Биохимия. – 2009. – Т. 74, № 7. – С. 977-984.].
При выращивании на ацетате нефотосинтезирующей водоросли Euglena gracilis активность малатсинтазы (МС), изоцитратлиазы (ИЦЛ), малатдегидрогеназы (МДГ) и цитратсинтазы (ЦС) были обнаружены во фракции микротелец [Игамбердиев А.У. Микротельца в метаболизме растений / А.У. Игамбердиев. – Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 1990. – 148 с.]. У нефотосинтезирующей Protozoa tetrahymena pyriformis изоцитратлиаза и малатсинтаза локализованы в глиоксисомоподобных структурах, однако активность других ферментов оказались связанными с митохондриальной фракцией. Таким образом, у данной водоросли глиоксилатный цикл реализуется путем кооперации ферментов микротелец и митохондрий [Игамбердиев А.У. Микротельца в метаболизме растений / А.У. Игамбердиев. – Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 1990. – 148 с.].
Следует отметить, что для появления активности малатсинтазы Clorella vulgaris достаточно только переноса водоросли в темноту, в то время как для появления активности изоцитратлиазы также необходимо присутствие ацетата.
В эвглене при переносе на ацетат в отсутствие света развиваются глиоксисомоподобные структуры, содержащие не только малатсинтазу и изоцитратлиазу, но и цитратсинтазу и малатдегидрогеназу.
Активность глиоксилатного цикла впервые была показана у грибов в лаборатории Корнберга у дрожжей Saccaromyces cerevisiae, и индукция ее зависит от источника углеродного питания. МС и ИЦЛ локализованы по данным одних авторов в цитозоле, но по другим данным эти ферменты локализованы в глиоксисомоподобных органеллах. Ключевые ферменты глиоксилатного цикла обнаружились также в микротельцах у грибов родов Candida, Neurospora, в различных оо-, аско-, зиго-и базидиомицетах. Общим для ферментов из этих источников является индукция при росте на C2-соединениях и локализация в клеточных структурах, сходных с микротельцами.
При росте грибов на среде, содержащей сахара, синтез изоцитратлиазы и малатсинтазы подавляется, в то время как при отсутствии глюкозы в среде и наличии ацетата в качестве единственного углеродного источника активность этих ключевых ферментов глиоксилатного цикла достигла максимального уровня.
Практически у всех изученных грибов функционирование глиоксилатного цикла характерно для прорастающих аскоспор нейроспоры, что связано с утилизацией запасных жиров [Schaik van E. J. Burkholderia pseudomallei Isocitrate Lyase Is a Persistence Factor in Pulmonary Melioidosis: Implications for the Development of Isocitrate Lyase Inhibitors as Novel Antimicrobials/ E. J. van Schaik, M. Tom, D. E. Woods // Infection and Immunity – 2009 – Vol. 77, №10 – P. 4275–4283.].
Новый импульс исследования ГЦ получили после открытия его вклада в патогенез возбудителей инфекционных заболеваний [Schaik van E. J. Burkholderia pseudomallei Isocitrate Lyase Is a Persistence Factor in Pulmonary Melioidosis: Implications for the Development of Isocitrate Lyase Inhibitors as Novel Antimicrobials/ E. J. van Schaik, M. Tom, D. E. Woods // Infection and Immunity – 2009 – Vol. 77, №10 – P. 4275–4283.]. Было показано, что необходимым условием патогенности возбудителей некоторых заболеваний растений, животных и человека является функционирование ГЦ. Активация глиоксилатного цикла в патогенных клетках дает преимущество болезнетворным микроорганизмам при нахождении внутри фагоцитов, обеспечивающих клеточный иммунитет [Insights into corn genes derived from large-scale cDNA Sequencing / N.N. Alexandrov [et. al.] // Plant Mol Biol. – 2009. – Vol. 69. – P. 179-194.], [Canovas D. Developmental regulation of the glyoxylate cycle in the human pathogen Penicillium marneffei / D. Canovas, A. Andrianopoulos // Mol Microbiol. – 2006. – Vol. 62, № 6. – P. 1725-1738.], [Isocitrate lyase from Mycobacterium tuberculosis promotes survival of Mycobacterium smegmatis within macrophage by suppressing cell apoptosis / J.M. Li [et. al.] // Chin Med J (Engl). – 2008. – Vol. 121, № 12. – P. 1114-1123.].
В недавних публикациях сообщается о том, что ферменты ГЦ также необходимы для вирулентности патогенов растений. Штамм бактерии Rhodococcus fascians (возбудитель галла некоторых растений), дефектный по гену МС, мог существовать в растительных тканях, однако не был способен вызывать заболевание [Isocitrate lyase activity is required for virulence of the intracellular pathogen Rhodococcus equi / D.M. Wall [et. al.] // Infect. Immun. – 2005. – Vol. 73, № 10. – P. 6736-6741.]. Аналогично мутантные по гену ИЦЛ штаммы фитопатогенного гриба Leptosphaeria maculans, поражающего капусту (Brassica napus), были вирулентны [Idnurm A. Isocitrate lyase is essential for pathogenicity of the fungus Leptosphaeria maculans to canola (Brassica napus) / A. Idnurm, B.J. Howlett // Eukaryot. Cell. – 2002. – Vol. 1. – P. 719-724.].
Анализ с помощью биочипов показал, что ГЦ индуцируется в ответ на инфекцию в тканях растения Arabidopsis thaliana [Murray C.J. Modeling the impact of global tuberculosis control strategies / C.J. Murray, J.A. Salomon // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 1998. – Vol. 95, № 13. – P. 881-886.]. Предполагается, что смысл работы ГЦ в растении в ответ на инфекцию сводится к ускоренному использованию запасных липидов как косвенной защите от проникших в организм патогенов [дисер].
1.1.4.3.2. Функционирование глиоксилатного цикла у высших растений
У высших растений роль глиоксилатного цикла сводится, как правило, к утилизации запасных жиров при прорастании семян и спор. При прорастании семян запасные жиры, являющиеся водонерастворимыми, превращаются в углеводы, которые хорошо растворяются в воде, что обеспечивает возможность дальнего транспорта запасных веществ к местам утилизации, где они участвуют в процессах биосинтеза клеточных компонентов.
Присутствие гликсилатного цикла было доказано для прорастающих спор папоротников Dryopteris filixmas, Polypodium vulgare и хвоща Equisetum arvense [Lorenz M.C., Life and death in a macrophage: role of the glyoxylate cycle in virulence / Lorenz M.C., Fink G.R. // Eukaryot. Cell, – 2002 – Vol. 1 – P. 657–662.]. У голосеменных также установлено наличие глиоксилатного цикла в прорастающих семенах пихты, некоторых видов сосны [Pinzauti G. Isоcitrate lyase of conifers Pinus pinea / G. Pinzauti, E. Giachetti, P. Vanni // Int. J. Biochem. – 1982. – Vol. 14, №4. – P. 267-275.], а также в гинго. При чем активность глиоксилатного цикла коррелирует со степенью маслянистости семян. ИЦЛ встречается также в созревающих плодах банана [Masaaki U. Prоperties of isocitrate lyase from an alkane-utilizable yeast, Candida tropicalis / U. Masaaki, M. Ueda, T. Matsuki // Agr. And Biol. Chem. – 1986. – Vol. 50, №1. – P. 127–134.], в зрелых плодах авокадо [Surendranathan K. K. Properties of an Mg2+-independent isocatrate lyase from gamma irradiated preclimacteric banana Musa cavendishii / K. K. Surendranathan, P. M. Nair // Proc. Indian Acad. Sci. – 1978. – Vol. 87, ser. B, №4. – P. 119–126.]. Сообщалось о наличии ИЦЛ в клетках тканевой культуры лепестков розы и в зелёных листьях ряда растений, где её активность замаскирована эндогенными ингибиторами [Gould T. A. Dual role of isocitrate lyase 1 in the glyoxylate and methylcitrate cycles in Mycobacterium tuberculosis / T. A.Gould, H. V. de Langemheen, E. J. Muñoz-Elías, J. D. McKinney, J. C. Sacchettini1 // Molecular Microbiology – 2006 – Vol. 61, №4 – P. 940–947.]. Так же обнаружено, что активность изоцитратлиазы увеличивается при старении растения, что дает возможность преобразовывать липиды в органические кислоты [Are Isocitrate Lyase and Phosphoenolpyruvate Carboxykinase Involved in Gluconeogenesis during Senescence of Barley Leaves and Cucumber Cotyledons? / Z. Chen [et. al.] // Plant and Cell Physiology. – 2000. – Vol. 41, № 8. – P. 960-967.], [Isolation and characterization of an isocitrate lyase gene from senescent leaves of sweet potato / Chen Hsien-Jung [et. al.] // J. of plant physiology. – 2000. – Vol. 157, № 6. – P. 669-676.].
У покрытосеменных глиоксилатный цикл наблюдается при прорастании семян масличных растений. В настоящее время список покрытосеменных растений, у которых имеется глиоксилатный цикл, достаточно велик [Сравнительный анализ ключевого фермента глиоксилатного цикла, изоцитратлиазы, из организмов разных систематических групп / В.Н. Попов [и др.] // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. – 2005. - № 6. – С. 317-329.].
У покрытосеменных растений активность изоцитратлиазы может обнаруживаться не только в связи с процессом глюконеогенеза. У проростков ГЦ является приспособлением к неблагоприятным условиям внешней среды. В работах Землянухина было показано, что при анаэробиозе, вызванном углекислым газом, радиоактивный углерод экзогенных субстратов накапливается в глиоксилате, а затем обнаруживается в аминокислотах. Это объясняется блокировкой реакций цикла трикарбоновых кислот и участием изоцитратлиазы в метаболизме проростков в условиях CO2-гипоксии [Землянухин А.А. Большой практикум по физиологии и биохимии растений / А. А. Землянухин, Л. А. Землянухин. – Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 1996. – С. 38-39, 67-68, 87-89.].
Американские исследователи провели опыты по определению всхожести семян и энергии роста рассады гибридов сахарной свёклы (Beta vulgaris). С помощью библиотек нуклеотидных сиквенсов кДНК был показан высокий уровень экспрессии глиоксилатного цикла (ИЦЛ) в течение прорастания и появления рассады. Учёные пришли к выводу, что дифференциальная деятельность глиоксилатного цикла является физиологическим маркером, определяющим энергию прорастания семян сахарной свёклы [Fang F.C., Libby S.J., Castor M.E., Fung A.M., Isocitrate lyase (AceA) is required for Salmonella persistence but not for acute lethal infection in mice./ Fang F.C., Libby S.J., Castor M.E., Fung A.M.// Infect. Immun., – 2005 – Vol. 73 – P. 2547–2549.].
1.1.4.3.3. Глиоксилатный цикл в тканях животных
Вопрос о существовании глиоксилатного цикла возник сразу после открытия роли данного метаболического пути у прокариот и растений. Корнберг и Кребс указали на потенциальную возможность превращения липидов в углеводы в животных тканях через глиоксилатный цикл в состояниях, когда липиды являются главным источником энергии [Kornberg H. L. Synthesis of cell constituents from C2-units by a modigied tricarboxylic acid cycle / H. L. Kornberg, H. A. Krebs // Nature – 1957. – Vol. 179. – P. 988-991.].
В тканях нематод наиболее полно и убедительно доказано функционирование глиоксилатного цикла. Так для нематоды Ascaris lumbicoides установлено, что функционирование глиоксилатного цикла начинается с возраста десяти дней, так как в течение первых десяти дней развития яйца интенсивно утилизируются углеводы – гликоген и тригалоза.
С десятого по двадцать первый день развития используются запасные жиры, и интенсивно протекает процесс глюконеогенеза. Максимальная активность и малатсинтазы, и изоцитратлиазы соответствует периоду наиболее интенсивного понижения уровня гликогена в тканях [Епринцев А.Т. Распространение глиоксилатного цикла у организмов различных таксономических групп / А.Т. Епринцев, М.Ю. Шевченко, В.Н. Попов // Успехи современной биологии. — М., 2008.— Т. 128, № 3. - С. 271-280.].
Также указано на присутствие активности ферментов глиоксилатного цикла в период эмбриогенеза нематоды Caenorhabditis elegans; у некоторых Rabdithida [Ono K. Presence of glyoxylate cycle enzymes in the mitochondria of Euglena gracilis / K. Ono, M. Kondo, T. Osafune // J. Eukaryot. Microbiol. – 2003. – Vol. 50, №2. – P. 92–96.]. Но исследования биохимических характеристик феномена индукции глиоксилатного цикла в этих объектах были очень ограниченными. Было также показано, что глиоксилатный цикл функционирует и во взрослых нематодах [Liu F. Bifunctional glyoxylate cycle protein of Caenorhabditis elegans: a developmentally regulated protein of intestine and muscle / F. Liu, J. D. Thatcher, J. M. Barral // Dev. Biol. – 1995. – Vol. 169. – P. 399-414.].
Имеющиеся данные свидетельствуют о работе глиоксилатного цикла на некоторых этапах онтогенеза Членистоногих. Так, изоцитратлиаза была очищена из развивающихся зародышей клеща Hyalomma dromedarii. По-видимому, жировое тело является основным поставщиком углеводов и получения энергии во время линек и при метаморфозе. Повышенная потребность в углеводах на данных этапах развития в первую очередь может быть связана с необходимостью образования хитинового скелета [Kamel M.Y. Biochemical studies of tick embriogenesis. Purification and partial characterisation of isocitrate lyase from eggs of the tick Hyalomma dromedarii /M. Y. Kamel, A. S. Fahmy // Comp. Biochem. Physiol. B. – 1982. – Vol. 72. – P. 107-115.].
Изоцитратлиазные и малатсинтазные активности были обнаружены у земноводных в гомогенате эпителиальных клеток мочевого пузыря несколькими независимыми методами. Предположение о превращение липидов в углеводы в эпителии подтверждается наличием цианид-устойчивого окисления жирных кислот до ацетила-КоА, а также значительным повышением гликогена в ткани, инкубированной в среде, содержащей жирные кислоты. Кроме того, обнаружено наличие активностей изоцитратлиазы и малатсинтазы в пероксисомах жирозапасающих клеток брюшных жировых телах земноводных [Davis B.J. Disc electrophoresis II. Method and aplication to human serum protein / B.J. Davis // Ann. N. Y. Acad. Sci. - 1994. – Vol. 121. – P. 404–427.].
Данные о присутствии глиоксилатного цикла получены для печени цыплят и крыс. Включение витамина D в рацион индуцирует появление активностей ИЦЛ и МС в печени цыплят и крыс, предварительно выращиваемых при дефиците этого витамина [Davis W.L. Hibernation activates glyoxylate cycle and gluconeogenesis in black bear brown adipose tissue / W. L. Davis, D. B. Goodman, L.A. Crawford // Biochim Biophys Acta. – 1990. – Vol.1051, №3. – P.276–278.]. В других работах показано, что ГЦ индуцировался в печени крыс при пищевой депривации [Филлипович Ю.Б. Основы биохимии / Ю.Б. Филлипович. – М.: Высш. шк. 1993.– 496 с.], аллоксановом диабете [Волвенкин С.В. Субклеточная локализация и свойства ферментов глиоксилатного цикла в печени крыс с аллоксановым диабетом / С. В. Волвенкин, В.Н. Попов, А.Т. Епринцев // Биохимия. – 1999. – Т.64, № 9. – С. 1185-1191.], в печени зародыша морской свинки [Jones J.D. The glyoxylate cycle: does it function in the dormant or active bear?/ J.D. Jones, P.Burnett, P.Zollman // Comp. Biochem. Physiol. B. – 1999. – Vol. 124. – P. 177-179.], в бурой жировой ткани медведей в период зимней спячки [De los Reyes B.G. Differential induction of glyoxylate cycle enzymes by stress as a marker for seedling vigor in sugar beet (Beta vulgaris) / B. G. De los Reyes, S. J. Myers, J. M. McGrath // Mol. Genet. Genomics. – 2003. – Vol. 269, №5. –P. 692–698.], хондроцитах млекопитающих. Также существуют данные об обнаружении активности изоцитратлиазы и малатсинтазы в гепатоцитах человека. Печень человека может осуществлять цианид-нечувствительное окисление жирных кислот [Davis W.L. Glyoxylate cycle in the rat liver: effect of vitamin D3-treatment / W. L. Davis, J. L. Matthews, D.B. Goodman // FASEB J. –1989. –Vol. 3. – P.1651-1655.].
Таким образом, литературные данные свидетельствуют об индукции глиоксилатного цикла в тканях животных при экстремальных состояниях (голодание, включение витамина Д в диету, спячка, диабет, алкоголизация и т. д.), на некоторых этапах онтогенеза (метаморфоз насекомых, эмбриогенез, паразитизм) или в тканях, на протяжении всей жизни находящихся в гипоксических условиях с преобладанием гликолиза. Отличительной чертой перечисленных состояний является необходимость осуществления глюконеогенеза из липидов [Song S. Can the glyoxylate pathway contributes to fat-indused hepatic insulin resistance? / S. Song // Med. Hypotheses. – 2000. – Vol. 54. – P. 739–747.].
1.1.5. Изоферментный состав изоцитратлиазы
Иоферменты являются генетически детерминированными формами энзима, т.е. информация о структуре белковой молекулы находится в разных генах. Как правило, изоферменты имеют различную субклеточную локализацию.
В прорастающих семенах растений изоцитратлиаза присутствует в виде одной или двух, реже большего числа молекулярных форм [Ruchti M. Isociyrate Lyase from Germinating Soybean Cotyledons: Purification and Characterization / M. Ruchti, F. Widmer // Journal of Experimental Botany. – 1986. – Vol. 37, № 11. – P. 1685-1690.], [Pinzauti G. Isоcitrate lyase of conifers Pinus pinea / G. Pinzauti, E. Giachetti, P. Vanni // Int. J. Biochem. – 1982. – Vol. 14, №4. – P. 267-275.], [Mullen R. T. Isocitrate lyase from germinated loblolly pine megagametophytes: enzyme purification and immunocharacterization / R. T. Mullen, D. J. Gifford // Plant Physiol. and Biochem. – 1995. – Vol. 33, №1. – P. 87–95.], [Overexpression of the ICL1 gene changes the product ratio of citric acid production by Yarrowia lipolytica // A. Forster [et. al.] // Appl Microbiol Biotechnol. – 2007. – Vol. 77, № 4. – P. 861-870.]. В опытах Флавелла и Вудворга было показано, что один изофермент ИЦЛ является митохондриальным и не вовлекается в глиоксилатный цикл, а другой – глиоксисомальным. Пять изоформ было обнаружены в нематоде Turbatrix aceti [Mullen R. T. Isocitrate lyase from germinated loblolly pine megagametophytes: enzyme purification and immunocharacterization / R. T. Mullen, D. J. Gifford // Plant Physiol. and Biochem. – 1995. – Vol. 33, №1. – P. 87–95.]. Указывается их связь со старением организма. Две формы ИЦЛ были найдены в бактерии Рseudomonas sp, растущей на среде с метиламином и ацетатом. Тогда как в печени голодающей крысы показано наличие одного изофермента [Lorenz M.C., The glyoxylate cycle is required for fungal virulence/ Lorenz M.C., Fink G.R. // Nature, – 2001 – Vol. 412 – P. 83–86.]. Предполагают, что множественность форм ИЦЛ может быть связана как с генетической детерменированностью (изоферменты), так и с активностью протеаз, отщепляющих фрагменты полипептидной цепи [Lorenz M.C., The glyoxylate cycle is required for fungal virulence/ Lorenz M.C., Fink G.R. // Nature, – 2001 – Vol. 412 – P. 83–86.].
У льна при ионообменной хроматографии на ДЭАЭ-целлюлозе обнаружены две формы фермента [Vinccenzini M.T. Steady-state kinetic analysis of isocitrate lyase from Lupinus seeds: considerations of isocitrate on a possiblt catalytic mechanism of isocitrate lyase from planis. / M.T. Vinccenzini, P. Vanni, E. Giachetti // J. Biochem. – 1986 – Vol. 99, № 2. – P. 375–383.]. Также в люпине две изоформы наблюдались при проведении электрофореза на сефадексе G-200 [Schnarrenberger C. Evolution of the enzymes of the citric acid cycle and the glyxylate cycle of higher plants. A case study of andosymbiotic gene transfer / C. Schnarrenberger // Eur. J. Biochem. FEBS – 2002 – Vol. 269. – P. 868–883.]. Три изоформы ИЦЛ выявлены с помощью ионообменной хроматографии на ДЭАЭ-сефарозе в проростках Pinus pinea [Pinzauti G. Isоcitrate lyase of conifers Pinus pinea / G. Pinzauti, E. Giachetti, P. Vanni // Int. J. Biochem. – 1982. – Vol. 14, №4. – P. 267-275.].
1.2. Молекулярные аспекты регуляции ИЦЛ
1.2.1. Экспрессионная регуляция изоцитратлиазы
Ранние сведения о функционировании ГЦ в клетках различных организмов были получены с помощью биохимических, цитохимических и ультраструктурных методов. Таким образом, был использован совершенно иной подход, предполагающий, что регуляция экспрессии ГЦ осуществляется на уровне транскрипции генов ИЦЛ и МС [Епринцев А.Т. Глиоксилатный цикл: универсальный механизм адаптации? / А.Т. Епринцев, В.Н. Попов, М.Ю. Шевченко. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. – 228 с.].
У растений в большинстве случаев глиоксисомы развиваются из неспециализированных микротелец путем приобретения ими специфичных ферментных систем. На стадии созревания семян в них появляются глиоксисомоподобные образования, содержащие каталазу и малатсинтазу (неполные глиоксисомы) [Игамбердиев А.У. Роль пероксисом в организации метаболизма растений / А.У. Игамбердиев // Соросовский Образовательный журнал. – 2000. – Т. 6, № 12. – С. 113-124.]. Обнаружено, что эти микротельца могут содержать небольшие количества ферментов β-окисления жирных кислот, но не имеют изоцитратлиазы, которая появляется в глиоксисомах на стадии прорастания [Frevert J. Occurrence and biosynthesis of glyoxysomal enzymes in ripening cucumber seeds / J. Frevert, W. koller, H. Kindl // Physiol.Chem. – 1980. – Vol. 361, №10. – P. 1557-1565.]. По мере прорастания семян происходит импорт образующихся на полисомах белков в глиоксисомы. Матричная РНК, кодирующая глиоксисомальные ферменты, обнаруживается на поздних стадиях созревания семян и сохраняется в зрелых семенах [Are Isocitrate Lyase and Phosphoenolpyruvate Carboxykinase Involved in Cotyledons? / Z. Chen [et. al.] // Plant and Cell Physiology. – 2000. – Vol. 41, №8. – P. 669-676.].
В ходе импорта белков в глиоксисомы при прорастании семян наблюдается увеличение размера глиоксисом, но не их количества; при этом увеличивается процент изоцитратлиазы и малатсинтазы, связанных с микротельцами (с 5% в начале прорастания до 75% в период максимальной активности). В настоящее время не имеется данных о специфических рецепторах этих белков на глиоксисомальной мембране, хотя предполагается, что импорт в глиоксисомы достигается за счет гидрофобных участков этих белков. Специфичным для транспорта в глиоксисомы является наличие на С-терминальном конце импортируемого белка трипептида ser-lys-leu. Однако, для импорта ИЦЛ была показана несущественность наличия данной сигнально последовательности. Установлено также, что глиоксисомальные белки могут легко проникать в пероксисомы как растений, так и животных [Are Isocitrate Lyase and Phosphoenolpyruvate Carboxykinase Involved in Cotyledons? / Z. Chen [et. al.] // Plant and Cell Physiology. – 2000. – Vol. 41, №8. – P. 669-676.].
Об индуцированном синтезе ИЦЛ у бактерий и низших растений сообщалось неоднократно. Индукторами, как правило, являются ацетат, этанол и другие С2- соединения [Fat-to-glucose interconversion by hydrodynamic transfer of two glyoxylate cycle enzyme genes / P. Cordero [et. al.] // Lipids Health Dis. – 2008. – Vol. 7, № 49. – P. 123-134.]. Повышение уровня содержания углеводов приводит к подавлению синтеза ферментов ГЦ [Promoter analysis of the acetate-inducible isocitrate lyase gene (acu-3) from Neurospora crassa / M. Bibbins [et. al.] // Biochim Biophys Acta. – 1998. – Vol. 144, № 2. – P. 320-325.], [Menendez J. The ICL1 gene of Pichia pastoris, transcriptional regulation and use of its promoter / J. Menendez, I. Valdes, N. Cabrera // Yeast. – 2003. – Vol. 20, №13. – P. 1097–1108]. Синтез ИЦЛ может также подавляться глиоксилатом и аналогом сукцината – итаконатом. Сукцинат не вызывал репрессии синтеза ИЦЛ [Modification of the active site of isocitrate lyase from Pinus pinea / E. Giachetti [et. al.] // Life Sci. Adv. – 1993. – Vol. 12, № 3. – P. 159-167.].
Изучение влияния света на активность глиоксилатного цикла показало, что экспозиция на свету вызывала снижение активности ИЦЛ [Transient occurrence of seed germination processes during coffee post-harvest treatment / G. Bytof [et. al.] // Selmar Ann Bot (Lond.) – 2007. – Vol. 100, № 1. – P. 61-67.]. Для Chlorella fusca показан тип регуляции синтеза этого фермента, когда его активность максимальна в темноте в присутствии ацетата. Механизмом такой регуляции является увеличение в темноте синтеза мРНК и увеличение синтеза фермента на уровне трансляции при появлении на в среде ацетата [Pacy B.J. Distribution of Isocitrate Lyase in Induced and De-adapting Cells of the Green Alga Chlorella fusca / B.J. Pacy, C.F. Thurston // Journal of General Microbiology. – 1987. – Vol. 133. – P. 3341-3346.]. Предполагается, что ферменты глиоксилатного цикла синтезируются в ответ на деградацию липидов [Burow L.C. Anaerobic glyoxylate cycle activity during simultaneous utilization of glycogen and acetate in uncultured Accumulibacter enriched in enhanced biological phosphorus removal communities / L.C. Burow, A.N. Mabbett, L.L. Blackall // ISME J. – 2008. – Vol. 2, № 10. – P. 1040-1051.]. По мере исчерпания запасов липидов в прорастающих семенах происходит спад активности глиоксисомальных ферментов. При этом глиоксисомы либо переходят в пероксисомы, метаболизирующие фотодыхательный гликолат, как в семядолях, или деградируют, как в эндосперме клещевины [Are Isocitrate Lyase and Phosphoenolpyruvate Carboxykinase Involved in Cotyledons? / Z. Chen [et. al.] // Plant and Cell Physiology. – 2000. – Vol. 41, №8. – P. 669-676.].
1.2.2. Генетические механизмы регуляции синтеза ИЦЛ
Изучение генетических механизмов регуляции синтеза ИЦЛ показало, что у E.coli ген Icl обнаруживается в ацетатном опероне и регулируется специальным белком репрессором IclR [Phue J. N. Transcription levels of key metabolic genes are the cause for different glucose utilization pathways in E. coli B (BL21) and E. coli K (JM109) / J. N. Phue, J. Shiloach // J. Biotechnol. – 2004. – Vol. 109, №2. – P. 21-30.], [The role of isocitrate lyase and the glyoxylate cycle in Escherichia coli growing under glucose limitation / R. Prasad Maharjan [et. al.] // Res Microbiol. – 2005. – Vol. 156, № 2. – P. 178-183.]. Для S. cerevisiae показано,что инактивация изоцитратлиазы глюкозой связана с последовательностью из 10 аминокислот внутри полипептидной цепи и осуществляется цАМР-зависимой протеинкиназой. Для этих же дрожжей показано, что промоторный участок, необходимый для активации синтеза ИЦЛ, является общим с генами, кодирующими глюконеогенетические ферменты [Studies on the regulation and localization of the glyoxylate cycle enzymes in Saccharomyces cerevisiae / W. Duntze [et. al.] // European Journal of Biochemistry. – 1969. – Vol. 10. – P. 83-89.], [Fernandez E. The ICL1 gene from Saccharomyces cerevisiae / E. Fernandez, F. Moreno, R.J. Rodicio // Biochem. – 1992. – Vol. 204, № 1. – P. 983-990.].
Возможный молекулярный механизм индукции глиоксилатного цикла и интенсификации глконеогенетических процессов в печени заключается в следующем. Показано, что жирные кислоты регулируют метаболизм липидов, активизируя рецепторы пролиферации пероксисом (PPAR), образуя гетеродимер с другим ядерным рецептором – ретиноидом Х (RXR). Рецепторы пролиферации пероксисом – ядерные рецепторы, которые разнообразны по структуре, однако выполняют сходные функции. Активация PPAR/RXR гетеродимера экспрессирует фосфоенолпируват-карбоксикиназный ген посредством связывания с двумя областями, расположенными между 451 – 439 и 999 – 987 п.н., например, в жировом теле грызунов [Епринцев А.Т. Глиоксилатный цикл: универсальный механизм адаптации? / А.Т. Епринцев, В.Н. Попов, М.Ю. Шевченко. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. – 228 с.]. Дальнейшее изучение этого вопроса показало, что при выращивании, как эукариот, так и прокариот на среде, содержащей глюкозу, гены, кодирующие глюконеогенетические ферменты, выключены [Identification of the aceA gene encoding isocitrate lyase required for the growth of Pseudomonas aeruginosa on acetate, acyclic terpenes and leucine / A.L. Diaz-Perez [et. al.] // FEMS Microbiol Lett. – 2007. – Vol. 269, № 2. – P. 309-316.]. Однако, при выращивании организмов на среде с каким-либо другим углеродным источником, например, ацетатом, этанолом, лактатом, глицеролом и олеиновой кислотой, гены, кодирующие глюконеогенетические ферменты, экспрессированы, что было названо, соответственно, «репрессия» и «депрессия» глюкозы [Ronne H. Glucose repression in fungi / H. Ronne // Trends Genet. – 1995. – Vol. 11, № 1. – P. 12-17.]. Дальнейшее исследование этого механизма идентифицировало много последовательностей ДНК, названных впоследствии «отзывчивыми элементами к источнику углерода» (CSRE). Под влиянием CSRE экспрессируются изоцитратлиазный, малатсинтазный, фосфоенолпируваткарбоксикиназный, фруктозо-1,6-бис-фосфатазный и другие гены. Глюкоза ингибирует экспрессию гена изоцитратлиазы через две области (801-569 и 421-379 п.н.), причем свободный ацетат увеличивает его транскрипцию через другие две области, расположенные в 728-569 и 370-356. Так, последовательность CSRE была идентифицирована как 5’ CATTCATCCG 3’ [A regulatory factor, Fi11p, involved in derepression of the isocitrate lyase gene in Saccharomyces cerevisiae / T. Kanai [et. al.] // European Journal of Biochemistry. – 2001. – Vol. 256, № 1. – P. 212-220.]. Механизм регуляции активности фермента на транскрипционном уровне, возможно, связан с наличием элементов промотора чувствительных к источнику углерода (CSRE). Так, в промоторе гена ICL1 S. cerevisiae обнаружено два типа CSRE, соответственно осуществляющих позитивную и негативную регуляцию гена. Существуют данные, согласно которым последовательности, сходные с CSRE ICL1, присутствуют в промоторах генов, вовлеченных в глюконеогенез (например, ген FBP1 - фруктозобисфосфатазы) [Fernandez E. The ICL1 gene from Saccharomyces cerevisiae / E. Fernandez, F. Moreno, R.J. Rodicio // Biochem. – 1992. – Vol. 204, № 1. – P. 983-990.].
Дата добавления: 2015-11-04; просмотров: 25 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |