БИОХИМИЯ, 2020, том 85, вып. 3, с. 438–448

УДК 577.1

Фосфатазы моно- и дифосфата тиамина в синаптосомах мозга быка

© 2020 В.А. Алешин 1,2*, О.А. Меженская 3, Ю.М. Пархоменко 3, Т. Кэне 4, В.И. Буник 1,2,5*

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, факультет биоинженерии и биоинформатики, 119991 Москва, Россия; электронная почта: aleshinvasily@gmail.com; bunik@belozersky.msu.ru

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, 119991 Москва, Россия

Институт биохимии им. А.В. Палладина НАНУ, 01601 Киев, Украина

Институт экспериментальной медицины университета имени Отто фон Гюрике, 39120 Магдебург, Германия

Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Министерства здравоохранения Российской Федерации, 119992 Москва, Россия

Поступила в редакцию 31.12.2019
После доработки 08.01.2020
Принята к публикации 09.01.2020

DOI: 10.31857/S0320972520030136

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: апираза, тиамин, тиаминмонофосфатаза, тиаминдифосфатаза, DING-фосфатаза, HPBP, X-DING-CD4.

Аннотация

Активности фосфатаз моно- и дифосфатов тиамина меняются при нейродегенеративных заболеваниях, однако молекулярная природа этих ферментов у млекопитающих не определена в полной мере. В данной работе фракция синаптосом мозга быка, обогащенная фосфатазными активностями в отношении производных тиамина, была подвергнута аффинной хроматографии на модифицированной тиамином сефарозе (тиамин-сефарозе). В последовательных элюатах белков, связавшихся с носителем, растворами тиамина (рН 7,4 или 5,6), хлорида натрия и мочевины характеризовали фосфатазные активности в отношении тиаминмонофосфата (ТМФ), тиаминдифосфата (ТДФ) и структурно сходных с тиамином пуриновых нуклеотидов. Элюируемые на каждой стадии белки идентифицировали методом масс-спектрометрии, используя базу данных SwissProt по всем организмам, ввиду недостаточной аннотации генома быка. В элюате кислым раствором тиамина идентифицировали пептиды, найденные в двух бактериальных фосфатазах: щелочной фосфатазе L из семейства DING-белков и экзополифосфатазе. Представленность пептидов фосфатазы L во фракциях элюируемых белков коррелировала с элюцией ТМФ-азной активности, а экзополифосфатазы – с элюцией ТДФ-азной активности. Профили элюции данных белков и активностей в отношении фосфатов тиамина отличались от профилей элюции фосфатаз нуклеотидов, свидетельствуя о специфичности ферментов к производным тиамина. Направленный поиск DING-фосфатаз млекопитающих в элюатах с тиамин-сефарозы выявил преимущественную элюцию X-DING-CD4 тиамином (рН 5,6). Для экзополифосфатазы выявлено структурное сходство с обладающими ТДФ-азной активностью апиразами. Полученные результаты свидетельствуют в пользу фосфатазных активностей DING-белков и апираз млекопитающих в отношении ТМФ и ТДФ соответственно.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках научного проекта № 18-34-00235.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Все применимые международные, национальные и/или институциональные принципы ухода и использования животных были соблюдены. В частности, все эксперименты с животными проводили с соблюдением этических норм согласно «Правилам проведения работ с использованием экспериментальных животных», утвержденным директивой Евросоюза 2010/63/EU. Эксперименты были одобрены Комиссией по биоэтике МГУ им. М.В. Ломоносова.

Список литературы

1. Bunik, V.I., and Aleshin, V.A. (2017) Analysis of the protein binding sites for thiamin and its derivatives to elucidate the molecular mechanisms of the noncoenzyme action of thiamin (vitamin B1), in Studies in natural products chemistry, Vol. 53, pp. 375–429, Elsevier, Amsterdam, doi: 10.1016/b978-0-444-63930-1.00011-9.

2. Aleshin, V.A., Mkrtchyan, G.V., and Bunik, V.I. (2019) Mechanisms of the non-coenzyme action of thiamin: protein targets and medical significance, Biochemistry (Moscow), 84, 829–850, doi: 10.1134/S0006297919080017.

3. Hurt, J.K., Coleman, J.L., Fitzpatrick, B.J., Taylor-Blake, B., Bridges, A.S., Vihko, P., and Zylka, M.J. (2012) Prostatic acid phosphatase is required for the antinociceptive effects of thiamine and benfotiamine, PLoS one, 7, e48562, doi: 10.1371/journal.pone.0048562.

4. Parkhomenko, Y.M., Protasova, Z.S., Yanchiy, O.R., Khosla, K., and Donchenko, G.V. (2001) Localization of thiamine-binding protein in synaptosomes from the rat brain, Neurophysiology, 33, 135–139, doi: 10.1023/a:1012840417285.

5. Постоенко В.А., Пархоменко Ю.М., Вовк А.И., Халмурадов А.Г., Донченко Г.В. (1987) Выделение и некоторые свойства тиаминсвязывающего белка синаптосом головного мозга крыс, Биохимия, 52, 1792–1797.

6. Pan, X., Sang, S., Fei, G., Jin, L., Liu, H., Wang, Z., Wang, H., and Zhong, C. (2017) Enhanced activities of blood thiamine diphosphatase and monophosphatase in Alzheimer’s disease, PLoS one, 12, e0167273, doi: 10.1371/journal.pone.0167273.

7. Sang, S., Pan, X., Chen, Z., Zeng, F., Pan, S., Liu, H., Jin, L., Fei, G., Wang, C., Ren, S., Jiao, F., Bao, W., Zhou, W., Guan, Y., Zhang, Y., Shi, H., Wang, Y., Yu, X., Wang, Y., and Zhong, C. (2018) Thiamine diphosphate reduction strongly correlates with brain glucose hypometabolism in Alzheimer’s disease, whereas amyloid deposition does not, Alzheimers Res. Ther., 10, 26, doi: 10.1186/s13195-018-0354-2.

8. Diemer, H., Elias, M., Renault, F., Rochu, D., Contreras-Martel, C., Schaeffer, C., Van Dorsselaer, A., and Chabriere, E. (2008) Tandem use of X-ray crystallography and mass spectrometry to obtain ab initio the complete and exact amino acids sequence of HPBP, a human 38-kDa apolipoprotein, Proteins, 71, 1708–1720, doi: 10.1002/prot.21866.

9. Renault, F., Chabriere, E., Andrieu, J.P., Dublet, B., Masson, P., and Rochu, D. (2006) Tandem purification of two HDL-associated partner proteins in human plasma, paraoxonase (PON1) and phosphate binding protein (HPBP) using hydroxyapatite chromatography, J.Chromatogr. B Analyt. Technol. Biomed. Life Sci., 836, 15–21, doi: 10.1016/j.jchromb.2006.03.029.

10. Gonzalez, D., Elias, M., and Chabriere, E. (2014) The DING family of phosphate binding proteins in inflammatory diseases, Adv. Exp. Med. Biol., 824, 27–32, doi: 10.1007/978-3-319-07320-0_4.

11. Клящицкий Б.А., Позднев В.Ф., Митина В.Х., Воскобоев А.И., Черникевич И.П. (1980) Выделение и очистка биополимеров методом аффинной хроматографии. Аффинная хроматография пируватдекарбоксилазы из пивных дрожжей, Биоорганическая химия, 6, 1572–1579.

12. Mkrtchyan, G., Aleshin, V., Parkhomenko, Y., Kaehne, T., Di Salvo, M.L., Parroni, A., Contestabile, R., Vovk, A., Bettendorff, L., and Bunik, V. (2015) Molecular mechanisms of the non-coenzyme action of thiamin in brain: biochemical, structural and pathway analysis, Sci. Rep., 5, 12583, doi: 10.1038/srep12583.

13. Mezhenska, O.A., Aleshin, V.A., Kaehne, T., Artiukhov, A.V., and Bunik, V.I. (2020) Regulation of malate dehydrogenases and glutamate dehydrogenase in animal brain with thiamine in vitro and in vivo, Biochemistry (Moscow), 85, 27–39, doi: 10.1134/S0006297920010034.

14. Chan, K.M., Delfert, D., and Junger, K.D. (1986) A direct colorimetric assay for Ca2+-stimulated ATPase activity, Anal. Biochem., 157, 375–380, doi: 10.1016/0003-2697(86)90640-8.

15. Lowry, O.H., Rosebrough, N.J., Farr, A.L., and Randall, R.J. (1951) Protein measurement with the Folin phenol reagent, J. Biol. Chem., 193, 265–275.

16. Bunik, V., Kaehne, T., Degtyarev, D., Shcherbakova, T., and Reiser, G. (2008) Novel isoenzyme of 2-oxoglutarate dehydrogenase is identified in brain, but not in heart, FEBS J., 275, 4990–5006, doi: 10.1111/j.1742-4658.2008.06632.x.

17. Berna, A., Bernier, F., Chabriere, E., Perera, T., and Scott, K. (2008) DING proteins; novel members of a prokaryotic phosphate-binding protein superfamily which extends into the eukaryotic kingdom, Int. J. Biochem. Cell Biol., 40, 170–175, doi: 10.1016/j.biocel.2007.02.004.

18. Collombet, J.M., Elias, M., Gotthard, G., Four, E., Renault, F., Joffre, A., Baubichon, D., Rochu, D., and Chabriere, E. (2010) Eukaryotic DING proteins are endogenous: an immunohistological study in mouse tissues, PLoS One, 5, e9099, doi: 10.1371/journal.pone.0009099.

19. Cherrier, T., Elias, M., Jeudy, A., Gotthard, G., Le Douce, V., Hallay, H., Masson, P., Janossy, A., Candolfi, E., Rohr, O., Chabriere, E., and Schwartz, C. (2011) Human-Phosphate-Binding-Protein inhibits HIV-1 gene transcription and replication, Virol. J., 8, 352, doi: 10.1186/1743-422X-8-352.

20. Sachdeva, R., Li, Y., Shilpi, R.Y., and Simm, M. (2015) Human X-DING-CD4 mediates resistance to HIV-1 infection through novel paracrine-like signaling, FEBS J., 282, 937–950, doi: 10.1111/febs.13192.

21. Morales, R., Berna, A., Carpentier, P., Contreras-Martel, C., Renault, F., Nicodeme, M., Chesne-Seck, M. L., Bernier, F., Dupuy, J., Schaeffer, C., Diemer, H., Van-Dorsselaer, A., Fontecilla-Camps, J. C., Masson, P., Rochu, D., and Chabriere, E. (2006) Serendipitous discovery and X-ray structure of a human phosphate binding apolipoprotein, Structure, 14, 601–609, doi: 10.1016/j.str.2005.12.012.

22. Lesner, A., Shilpi, R., Ivanova, A., Gawinowicz, M.A., Lesniak, J., Nikolov, D., and Simm, M. (2009) Identification of X-DING-CD4, a new member of human DING protein family that is secreted by HIV-1 resistant CD4(+) T cells and has anti-viral activity, Biochem. Biophys. Res. Commun., 389, 284–289, doi: 10.1016/j.bbrc.2009.08.140.

23. Ivanova, A., Shilpi, R.Y., Sachdeva, R., Li, G., and Simm, M. (2012) Native X-DING-CD4 protein secreted by HIV-1 resistant CD4+ T cells blocks activity of IL-8 promoter in human endothelial cells infected with enteric bacteria, Innate Immun., 18, 571–579, doi: 10.1177/1753425911427065.

24. Porzio, E., De Maio, A., Ricciardi, T., Mistretta, C., Manco, G., and Faraone-Mennella, M.R. (2018) Comparison of the DING protein from the archaeon Sulfolobus solfataricus with human phosphate-binding protein and Pseudomonas fluorescence DING counterparts, Extremophiles, 22, 177–188, doi: 10.1007/s00792-017-0985-4.

25. Rochu, D., Renault, F., Clery-Barraud, C., Chabriere, E., and Masson, P. (2007) Stability of highly purified human paraoxonase (PON1): association with human phosphate binding protein (HPBP) is essential for preserving its active conformation(s), Biochim. Biophys. Acta, 1774, 874–883, doi: 10.1016/j.bbapap.2007.05.001.

26. Вовк А.И., Бабий Л.В., Муравьева И.В. (2002) Относительная реактивность тиаминмонофосфата и тиаминдифосфата при взаимодействии со щелочной фосфатазой, Укр. биохим. журн., 74, 93–96.

27. Beassoni, P.R., Gallarato, L.A., Boetsch, C., Garrido, M.N., and Lisa, A.T. (2015) Pseudomonas aeruginosa exopolyphosphatase is also a polyphosphate: ADP phosphotransferase, Enzyme Res., 2015, 404607, doi: 10.1155/2015/404607.

28. Song, H., Dharmasena, M. N., Wang, C., Shaw, G. X., Cherry, S., Tropea, J. E., Jin, D. J., and Ji, X. (2019) Structure and activity of PPX/GppA homologs from Escherichia coli and Helicobacter pylori, FEBS J., doi: 10.1111/febs.15120.

29. Zebisch, M., Krauss, M., Schafer, P., Lauble, P., and Strater, N. (2013) Crystallographic snapshots along the reaction pathway of nucleoside triphosphate diphosphohydrolases, Structure, 21, 1460–1475, doi: 10.1016/j.str.2013.05.016.

30. Sano, S., Matsuda, Y., Miyamoto, S., and Nakagawa, H. (1984) Thiamine pyrophosphatase and nucleoside diphosphatase in rat brain, Biochem. Biophys. Res. Commun., 118, 292–298, doi: 10.1016/0006-291x(84)91099-4.