Мáтриксний Gla-протеїн — білок, який кодується геном MGP, розташованим у людей на короткому плечі 12-ї хромосоми. Довжина поліпептидного ланцюга білка становить 103 амінокислот, а молекулярна маса — 12 353. MGP є представником групи залежних від вітаміну К білків, що містять залишки γ-карбоксиглютамінової кислоти (Gla). До цієї ж групи належать білки, що беруть участь у коагуляції крові: протромбін, фактор зсідання крові VII, Фактор зсідання крові XI, фактор зсідання крові X, протеїн C, протеїн S, протеїн Z. Подібним до MGP є кістковий Gla-протеїн (BGP), відомий також під назвою остеокальцин.

Історія відкриття Уперше білок, названий MGP, було виділено в 1983 році в лабораторії Price з екстрактів демінералізованого матриксу кісток биків.

Таке екстрагування здійснювали розчинами сечовини з додаванням хлориду кальцію. MGP виявився відмінним від відкритого раніше BGP, хоча мав з ним дуже багато схожих рис, що свідчило про спільне еволюційне походження цих двох матриксних протеїнів. Згодом було визначено первинну структуру MGP, основні хімічні характеристики, локалізацію гена MGP та його будову .

На відміну від BGP, який синтезується виключно в тканинах кісток і зубів (структурах з фізіологічною мінералізацією), MGP утворюється в багатьох м'яких тканинах, зокрема в хрящах, серці, нирках, легенях, стінках кровоносних судин

. У кожній з цих тканин експресію MGP виявляли лише в окремих, специфічних для даного органа, типах клітин. Здатність до синтезу MGP мають остеобласти, хондроцити, гладкенькі м'язові клітини (ГМК) судин, пневмоцити, клітини ниркового епітелію, фібробласти, макрофаги

. У тканинах серця і легень щурів рівень мРНК MGP у 10 разів, а в тканинах нирок — у 5 разів вищий, ніж у кістках. Натомість вміст самого MGP у цих тканинах у 40-500 разів нижчий, якщо порівнювати з кістками. Низькі рівні MGP на тлі високої експресії його гена наводять на думку, що цей білок навряд чи діє винятково через накопичення в позаклітинному матриксі. Очевидно, що MGP акумулюється тільки в місцях кальцифікації, а більша його частина, синтезована в м'яких тканинах, надходить у плазму крові, де концентрація MGP становить від 0,3 до 1 мкг/мл залежно від виду тварин.

Біохімія MGP

Молекула MGP людини (мол. маса 10 кДа) складається з 84 амінокислотних залишків, 5 з яких представлено γ-карбоксиглютаміновою кислотою (Gla) (рис. 1). З кісток щурів виділено дві форми MGP, що мають 79 і 83 залишки, тобто в них бракує відповідно 5 і 1 амінокислот від C-кінця білкової молекули. На відміну від усіх відомих сьогодні вітамін К-залежних білків MGP не має форми пропептиду. Хоча MGP містить великий відсоток гідрофільних амінокислотних залишків, він майже не розчинний у воді (розчинність < 10 мкг/мл), а тому його транспорт плазмою крові може відбуватися тільки в комплексі з іншими водорозчинними білками.

Щойно синтезована молекула MGP складається із 103 амінокислотних залишків (84 — це зрілий білок та 19 — трансмембранний сигнальний пептид) і містить, починаючи з N-кінця, три функціональні ділянки: трансмембранний сигнальний пептид (transmembrane signal peptide); імовірний сайт, що його розпізнає γ-карбоксилаза (putative recognition site for γ-carboxylase); домен, що містить залишки Gla (Gla-containing domain). Утворений у клітинах MGP зазнає посттрансляційної модифікації, яка полягає в карбоксилюванні п'яти залишків глютамінової кислоти (Glu) з утворенням γ-карбоксиглутамінової кислоти (Gla). Зазначена реакція каталізується ферментом γ-глютамілкарбоксилазою (GGCX) і є спряженою з окисненням відновленої форми вітаміну К (гідрохінону) в 2,3-епоксид вітаміну К (рис. 2). Таким чином, без окиснення вітаміну К не може відбуватися карбоксилювання Glu-залишків молекули MGP. У свою чергу достатня кількість вітаміну К для реакції карбоксилювання MGP залежить від стану зворотної реакції його відновлення, яка здійснюється за допомогою вітамін К-епоксидредуктазного комплексу (VKOR). На додаток до γ-карбоксилювання, MGP може зазнавати й інших посттрансляційних модифікацій, зокрема: специфічного протеолітичного розщеплення в С-термінальній ділянці молекули; фосфорилювання трьох серинових залишків у N-кінцевому хвості. Після наведених вище реакцій MGP накопичується у структурах апарату Ґольджі і секретується в позаклітинний простір, де і виконує свої функції.

Ген MGP

Ген MGP у людини представлено однією копією, яка міститься в короткому плечі 12-ї хромосоми (12p12.3-13.1). У ньому закодовано 84 амінокислотні залишки зрілого білка і 19 залишків трансмембранного сигнального пептиду. Довжина гена — 3900 нуклеотидів, він складається з 4 екзонів, розділених трьома великими проміжними послідовностями (інтронами), на які припадає більш ніж 80 % загальної довжини гена (рис. 3). Кожна з трьох функціональних ділянок білка — трансмембранний сигнальний пептид, сайт розпізнавання γ-карбоксилази і домен, що містить залишки Gla, — кодується окремим екзоном гена MGP. Четвертий екзон кодує ділянку білка, що складається з 11 амінокислотних залишків (α-helical domain) і лежить між трансмембранним сигнальним пептидом та сайтом розпізнавання γ-карбоксилази. Функція цієї ділянки MGP поки що не відома. Подібна 4-екзонна організація характерна і для гена остеокальцину (BGP). Вона істотним чином відрізняється від 2-екзонної організації генів, які кодують відповідні ділянки в інших відомих сьогодні вітамін К-залежних білках. Аналіз промоторної частини гена MGP показав, що поряд з типовими TATA і CAT -боксами, вона містить регуляторні послідовності (putative regulatory sequences), гомологічні раніше ідентифікованим елементам, що відповідають на дію гормонів і транскрипційних факторів (hormone and transcription factor responsive elements). Зокрема, окреслено дві ділянки промотора, що містять можливі сайти зв'язування рецепторів ретиноєвої кислоти і вітаміну D.

Поліморфізми поодиноких нуклеотидів в гені MGP

Сьогодні описано понад 189 видів поліморфізму поодиноких нуклеотидів (SNP) у гені MGP людини. З них найкраще досліджено з огляду їхньої асоціації з різними хворобами три (див. рис. 3): T-138C (rs 1800802) G-7A (rs 1800801) Ala83Thr (rs 4236) Поліморфізм T-138C стосується промоторної частини гена — ділянки, яка утворює комплекси з ядерними білками і сприймає їх регуляторні впливи; G-7A локалізований у початковому відрізку промотора, з якого стартує власне процес транскрипції; Thr83Ala — у четвертому екзоні, що кодує Gla-місткий домен. Останній варіант SNP зумовлює заміну треоніну на аланін у передостанньому 83-у залишку молекули MGP. Питання про те, як різні види поліморфізму гена MGP впливають на його експресію і здатність сприймати різні регуляторні впливи, перебуває сьогодні у центрі уваги дослідників. Як один з підходів до його розв'язання використовують введення в культивовані клітини генетичних конструкцій, що містять «нормальний» і «патологічний» варіанти промотора MGP та ген люциферази (люциферазний тест). Перше таке дослідження було проведено Германном та співавт. Автори показали, що поліморфізм G-7A не впливає на промоторну активність гена MGP, тимчасом як активність промотора з мінорним алелем −138C (патологічний варіант), при порівнянні з −138T (нормальним варіантом), була менша на 20 % у ГМК судин щура і на 50 % у культивованих фібробластах людини. Зовсім інші дані було отримано у дослідженні Фарзанеха та співавт.. Автори встановили, що промотори з поліморфізмами G-7A і T-138C істотно змінюють транскрипційну активність гена MGP в судинних ГМК щурів in vitro. Так, варіант промотора з мінорним алелем −7A виявляв активність у 1,5 рази вищу, ніж −7G, а варіант −138C був у 4 рази активніший за −138T.

Аналіз промотора гена MGP показав, що поліморфізм T-138C стосується ділянки, що є критичною для процесів транскрипції в судинних ГМК. Саме тут, у позиції між −142 і −136, розташований елемент, що може зв'язувати (AP-1). Встановлено, що при поліморфізмі T-138C змінюється зв'язування цієї ділянки промотора з комплексом AP-1. Варіант промотора з алелем −138T добре зв'язує комплекси AP-1, до складу яких входять c-Jun, JunB, Fra-1 і Fra-2, і активується форболовими сполуками, тим часом здатність до зв'язування AP-1 і наступної активації у промотора з алелем −138C є дуже низькою. Наведені вище дані підтверджуються роботою Кобаяші та співавт., у якій встановлено, що варіант промотора −138T, на відміну від −138C, здатен утворювати комплекси з ядерними білками (AP-1). Проте, що стосується активності цих варіантів, то японські дослідники прийшли до зовсім інших, ніж Фарзанех та співавт., висновків: при введенні промоторів гена MGP в культивовані клітини раку молочної залози людини активність промотора з алелем −138T була набагато вищою, якщо порівнювати з алелем −138C.

Таким чином, неоднозначні дані щодо впливу різних видів поліморфізму гена MGP на його транскрипційну активність свідчать про складність проблеми і зумовлюють необхідність продовжувати дослідження в цьому напрямі.

Регуляція експресії і активності MGP Об'єктами регуляції можуть бути (а) експресія гена MGP і (б) процеси посттрансляційної модифікації білка. Як уже зазначалося, промотор гена MGP містить ділянки (putative regulatory sequences), що можуть сприймати різні регуляторні впливи. До таких, зокрема, відносять сайти можливого зв'язування з рецепторами вітаміну D і ретиноєвої кислоти.

Регуляція експресії гена MGP Серед вивчених in vitro факторів на експресію гена MGP впливають: вітамін D; ретиноєва кислота; позаклітинні іони кальцію; деякі цитокіни та гормони.

Вітамін D Показано, що вітамін D3 збільшує синтез мРНК MGP в остеокластах людини, а також у хондроцитах, остеобластах та клітинах остеосаркоми щурів

. Він не впливає на експресію гена MGP у фібробластах, хондроцитах та остеобластах людини. У фізіологічних концентраціях вітамін D3 посилює транскрипцію гена MGP в судинних ГМК.

Ретиноєва кислота Ретиноєва кислота посилює утворення мРНК MGP в культивованих клітинах людини: фібробластах, хондроцитах, остеобластах; у клітинах остеосаркоми та в пневмоцитах II типу у щурів. Одначе, вона зменшує експресію гена MGP в культивованих клітинах нирок і гладком'язових клітин судин у щурів, а також у клітинах раку молочної залози в людини . Таким чином, ретиноєва кислота по-різному впливає на експресію MGP у різних типах клітин одного й того ж виду організмів.

Позаклітинні іони кальцію

При моделюванні гіперкальціємії у щурів рівень MGP у плазмі крові стрімко зростає. Одне із запропонованих пояснень цього полягає в тому, що судинні ГМК можуть «відчувати» зміни концентрації позаклітинних іонів кальцію через кальцій-сенсорний механізм, пов'язаний з чутливими до кальцію рецепторами. У відповідь на сигнал ГМК збільшують експресію гена MGP. Вважають, що збільшення експресії MGP при зростанні концентрації іонізованого кальцію в тканинах є реакцією, яка запобігає розвитку патологічної кальцифікації м'яких тканин. Таким чином, позаклітинний кальцій є не тільки потенційним індуктором утворення кальцієвих кристалів , але й сигналом, що регулює кальцифікацію через стимуляцію синтезу MGP.

Цитокіни та деякі гормони

У культурі хондроцитів інсуліноподібний фактор росту 1 (IGF-1), відомий як стимулятор диференціювання цих клітин, зумовлює зменшення синтезу мРНК MGP. Натомість, інгібітор диференціювання хондроцитів (фактор росту фібробластів-2) посилює експресію гена MGP. На підставі цього припускають, що зазначені фактори росту змінюють диференціювання хондроцитів через вплив на MGP. Є повідомлення про те, що TGF-β (трансформуючий фактор росту бета) збільшує синтез мРНК MGP у легеневих клітинах ембріонів. Проте, у дослідах з введенням штучних конструкцій промотора MGP всередину культивованих судинних гладком'язевих клітин щурів показано, що TGF-β пригнічує транскрипцію гена MGP. Епідермальний фактор росту значно послаблює експресію MGP в культурі клітин нирок у щурів. Трийодтиронін посилює транскрипцію гена MGP у судинних ГМК щурів та людини.