Features of protein glycosylation in multiple sclerosis

Full Text

Список сокращений

ЗСОМ – заболевания спектра оптикомиелита; КИС – клинически изолированный синдром; МРТ – магнитно-резонансная томография; РС – рассеянный склероз; РРРС – ремитирующе-рецидивирующий рассеянный склероз; ЦСЖ – цереброспинальная жидкость; EDSS – Expand Disability Status Scale – расширенная шкала оценки инвалидности; IgG – иммуноглобулин G.

ВВЕДЕНИЕ

Гликом человека представляет собой совокупность всех сахаров организма – как свободных, так и присутствующих в более сложных молекулах. Альтернативное определение гликома – совокупность углеводов в клетке. Гликомика, аналогичная геномике и протеомике, представляет собой систематическое изучение всех гликановых структур определенного типа клеток или организма и является подмножеством гликобиологии [1].

Гликом состоит из гликопротеинов и гликолипидов. Термины «углевод», «гликан», «сахарид» и «сахар» являются общими, взаимозаменяемыми в данном контексте и включают моносахариды, олигосахариды, полисахариды и производные этих соединений. Моносахариды – углеводы, которые не могут быть гидролизированы в более простые углеводы и являются строительными блоками олигосахаридов и полисахаридов. Олигосахариды – линейные или разветвленные цепочки моносахаридов, соединенные друг с другом гликозидными связями. Полисахариды – гликаны, состоящие из повторяющихся моносахаридов, длина которых обычно превышает десять моносахаридных единиц [1]. Спектр всех структур гликанов – гликом – огромен. Гликом по сложности превосходит протеом за счет еще большего разнообразия углеводов, входящих в его состав, и дополнительно усложняется из-за огромного взаимодействия углеводов друг с другом и с белками [2]. Внешняя поверхность клетки представляет собой «море» липидов с множеством молекул сахара, многие из которых прикреплены к белкам, жирам или к тому и другому, которые взаимодействуют с молекулами вне клетки и имеют решающее значение для связей между клетками и «липкости» клетки. По словам Джейми Март, «гликаны – это природные биологические модификаторы. Гликаны обычно не «включают и выключают» физиологические процессы, скорее, они изменяют поведение клетки, реагируя на внешние раздражители» [3].

В патогенезе целого ряда заболеваний нарушения гликозилирования белков играют ведущую, или определяющую, роль. Гликозилирование – ферментативный процесс, в ходе которого происходит присоединение остатков сахаров к органическим молекулам. В процессе гликозилирования образуются гликозиды, или в случае белков и липидов – гликопротеины и гликолипиды соответственно. Гликозилирование имеет большое значение для структуры и функций мембранных и секретируемых белков. Более 1% человеческого генома кодируют белки, которые производят, модифицируют или связывают гликаны. Гликопротеины иммунной системы определяют аутотолерантность, а изменения в гликозилировании этих белков могут способствовать аутоагрессии. Связывание чужеродных остатков сахаров лектинами (связывают различные сахарные остатки: лактозу, галактозу и др.) является частью воспалительной реакции. За последнее десятилетие было обнаружено почти 30 болезнетворных генов в шести различных путях биосинтеза гликанов. Вполне вероятно, что в ближайшие годы будет выявлено еще много таких соединений [3].

Существует огромное многообразие клинических фенотипов у пациентов с дефектами гликозилирования. Нарушения охватывают многие медицинские специальности, что затрудняет распознавание и диагностику нарушений гликозилирования. Например, к настоящему моменту известно, что несколько хорошо изученных типов мышечной дистрофии являются результатом дефектов гликозилирования альфа-дистрогликана, одного из жизненно важных компонентов гликопротеинового комплекса дистрофина [4]. Поэтому неврологические заболевания не являются в этом плане исключением, хотя роль нарушений процессов гликозилирования не всегда выступает на первый план и часто совершенно не учитывается в теоретических и практических разработках. Одним из заболеваний нервной системы, где изменения со стороны гликома очевидны и выступают наиболее ярко, является рассеянный склероз (РС) как пример аутоиммунного демиелинизирующего процесса с явлениями нейровоспаления.

ЦЕЛЬ

Анализ литературных данных, касающихся особенностей гликозилирования белков при РС.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Поиск литературных источников проведен в общедоступной научной базе данных PubMed по ключевым словам multiple sclerosis, glycosylation за период 2012–2022 гг. В результате первичного поиска было получено 178 результатов. После ознакомления для дальнейшего изучения по заданной проблематике было отобрано 12 статей, четыре из которых касаются информационно-аналитических аспектов, а в восьми представлены результаты исследований N-гликозилированных белков плазмы и иммуноглобулинов G (IgG) при РС, клинически изолированном синдроме (КИС), оптическом неврите, оптикомиелите – заболеваниях спектра оптикомиелита (ЗСОМ) и менингитах вирусной этиологии в цереброспинальной жидкости (ЦСЖ) и сыворотке крови пациентов. Ликворные и сывороточные иммуноглобулины выделяли и связывали с лектинами. N-гликаны были хроматографически профилированы и подсчитаны.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Основные данные по проведенным исследованиям гликома у пациентов с РС представлены в таблице 1.

 

Таблица 1. Основные данные о проведенных исследованиях по изучению особенностей гликозилирования белков при рассеянном склерозе

Table 1. Key data from studies on the features of protein glycosylation in multiple sclerosis

Авторы	Год опубл.	Заболевания	Кол-во пациентов	Что исследовали
A.C. Kroksveen, et al.	2012	РРРС	17	ЦСЖ и плазма крови
		Другие неврологические заболевания	17
M. Wuhrer, et al.	2015	РРРС	12	Сыворотка. ЦСЖ Всего 48 пар
		КИС	10
		Вторично прогрессирующий РС	3
		Первично прогрессирующий РС	2
		Контроль	21
J. Decker, et al.	2016	РС	31/68	Сыворотка. ЦСЖ
		КИС	13/9
		Вирусный менингит	17/21
		Контроль	21/64
A. Cvetko, et al.	2020	РС различных форм	83	Плазма крови
E. Jankovska, et al.	2020	Впервые выявленный РРРС	8	ЦСЖ
		Контроль	8
P.G.E. Kennedy, et al.	2021	РС	28	Сыворотка. ЦСЖ
		Контроль	37
P. P. Ip, et al.	2021	РРРС	45	Сыворотка крови
		ЗСОМ	23
		Здоровые	6
P. Dojesak, et al.	2022	PC	38	Сыворотка крови
		Контроль	38

 

При заболеваниях круга РС, согласно исследованиям A. Cvetko и соавт. (2020), в иммуноглобулинах G (IgG) наиболее отличалось фукозилированное ядро и обилие структур с высоким содержанием маннозы. В белках плазмы отмечено увеличение сложности гликанов – возрастало количество высокоразветвленных структур, несущих несколько остатков галактозы и сиаловой кислоты. В то же время количество низкоразветвленных структур уменьшалось. Некоторые N-гликаны и IgG показали хорошую чувствительность и специфичность, на основании чего строилась зависимость вероятности РС от количества N-гликанов и IgG в плазме крови [5].

А.С. Kroksveen и соавт. (2012) исследовали белки ЦСЖ у 17 больных с рецидивирующе-ремитирующей формой рассеянного склероза (РРРС) и у 17 пациентов с другими неврологическими заболеваниями. Было определено, что 32 белка из 291 исследованного количественно значительно различались у пациентов двух групп. Наиболее специфическим был IgG1. Иммуноглобулин G kappa chain C коррелировал с общим IgG в ЦСЖ. Несколько белков плазмы крови (сывороточный альбумин, серотрансферрон, комплемент С3) с высоким содержанием в норме были значительно понижены в группе РС [6].

M. Wuhrer и соавт. (2015) провели исследование гликозилирования белков в 48 парах ЦСЖ и сыворотки крови у 27 пациентов с различными формами РС и у 21 здорового участника исследования или у пациентов с другими заболеваниями нервной системы. В результате исследования были сделаны следующие выводы: 1) гликозилирование IgG1 различалось в ЦСЖ и сыворотке крови как при РС, так и у группы контроля; 2) при РС гликозилирование повышалось в ликворе, но не в сыворотке. При этом bisecting (разделенное надвое) GlcNAc повышалось, а фукозилирование и галактозилирование понижались; 3) максимум изменений фукозилирования и GlcNAc отмечался через 2-3 месяца после обострения РС; 4) гликозилирование IgG1 коррелировало со степенью синтеза интратекальных IgG и с цитозом в ЦСЖ [7].

Корреляция по возрасту и полу пациентов с РС была выявлена количественными и качественными методами по количеству сахарных остатков, более ярко выраженная в ЦСЖ, чем в сыворотке крови. J. Decker и соавт. (2016) было показано, что галактозилирование IgG в ликворе зависит от возраста и пола – отмечаются более высокие значения у мужчин и у пациентов в возрасте 25–50 лет. Снижение галактозилированных IgG коррелирует с прогрессией рассеянного склероза и возрастанием показателя по шкале инвалидизации EDSS, а также сопровождается повышением интратекального синтеза IgG. В то же время галактозилирование IgG не меняется при менингитах вирусной этиологии [8].

E. Jankovska и соавт. (2020) исследовали ЦСЖ у 8 пациентов с впервые выявленным РРРС, подтвержденным наличием олигоклональных антител в ЦСЖ и данными магнитно-резонансной томографии (МРТ), до назначения им лечения. Контрольную группу составили 8 женщин того же возраста – здоровые и с другими неврологическими заболеваниями без изменений на МРТ и без олигоклональных антител в ЦСЖ. Из ликвора было выделено 900 белков и проведено их количественное сравнение. Из них 69 белков количественно различались в группах исследования. Помимо известных ранее белков, два были обнаружены впервые – Еosinophil-derived neurotoxin и Nogo receptor. Были подтверждены различия в уровне церуллоплазмина и лизоцима С в двух группах, что также подтверждало дисбаланс метаболитов меди при рассеянном склерозе [9].

P.G.E. Kennedy и соавт. (2021) при РС в IgG цереброспинальной жидкости отметили более низкие уровни сиалирования (особый вид гликозилирования, связанный с взаимодействием белка с сиаловой кислотой), чем в сыворотке крови. В то же время был отмечен значительно более высокий уровень сиалированных IgG по сравнению со здоровыми лицами и больными иными неврологическими заболеваниями [10].

P.P. Ip и соавт. (2021) на 49 гликопротеинах сыворотки с помощью масс-спектрометра подсчитали количество 286 гликопептидов и сравнили их у групп пациентов с РРРС (45), ЗСОМ (23) и у 6 здоровых лиц. В этих группах обнаружена разница в сайт-специфичных N-гликанах на структурах, участвующих в воспалительном процессе (IgM, IgG1, IgG2, CO8b, attractin-L) в компонентах, относящихся к повреждению центральной нервной системы (аполипопротеин D, альфа-1-антитрипсин, плазма-каллипротеин, ADAMTS-like protein 3). Специфичные N-гликаны на сайтах 98 аполипопротеина D, 234 и 553 СО8В рассматривались как потенциальные маркеры для дифференциальной диагностики РС и ЗСОМ [11].

P. Dojesak и соавт. (2022) исследовали N-гликом в сыворотке крови больных РС женщин и сравнивали с группой контроля. Был отмечен более высокий уровень сиалирования, галактозилирования и маннозы в группе рассеянного склероза [12].

Таким образом, новейших исследований изменений гликома при рассеянном склерозе достаточно много, это является новым и перспективным направлением в диагностике данного заболевания. В исследованиях показано, что изменения гликома при рассеянном склерозе носят специфический характер, коррелируя с возрастом и полом пациентов, с клинической формой заболевания, а также со степенью инвалидизации по шкале EDSS, что может способствовать ранней диагностике РС, определению формы заболевания и прогнозированию его течения.

Ряд исследований демонстрирует зависимость течения РС и изменений IgG в цереброспинальной жидкости, что также позволяет прогнозировать дальнейшее течение РС, например, для верификации клинически изолированного синдрома и его перехода в достоверный рассеянный склероз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование гликома у пациентов с РС является новым и перспективным направлением в диагностике и в определении вариантов течения заболевания. Проведенные исследования показывают определенную специфичность изменений гликозилирования белков при РС, что позволяет использовать данные исследования в качестве маркеров диагностики различных форм РС и сходных с ним заболеваний.

Учитывая многообразие протеома и различия его модификаций в разных средах организма (сыворотка и плазма крови, цереброспинальная жидкость), а также разнообразие подходов к его изучению (множество количественных и качественных биохимических методов), требуется дальнейший поиск маркеров и предикторов течения РС.

Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.

Источник финансирования: из специального гранта «Приоритет 2030».

Этическая экспертиза: протокол №255 заседания комитета по биоэтике при СамГМУ от 26 октября 2022 г.

Conflict of interest: nothing to disclose.

Study Funding: the special grant "Priority 2030".

Ethical expertise: Protocol No. 255 of the SamSMU Bioethics Committee meeting dated October 26, 2022.

About the authors

Maksim A. Elizarov

Samara State Medical University

Email: maksim.elizarov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0520-7268

a resident of the Department of Neurology and Neurosurgery

Russian Federation, Samara

Irina E. Poverennova

Samara State Medical University

Author for correspondence.
Email: i.e.poverennova@samsmu.ru
ORCID iD: 0000-0002-2594-461X

PhD, Professor, Head of the Department of Neurology and Neurosurgery

Russian Federation, Samara

Vitalii I. Kupaev

Samara State Medical University

Email: v.i.kupaev@samsmu.ru
ORCID iD: 0000-0003-2639-0003

PhD, Professor, Head of the Department of Family Medicine

Russian Federation, Samara

Elena V. Khivintseva

Samara State Medical University

Email: e.v.khivintseva@samsmu.ru
ORCID iD: 0000-0002-1878-7951

PhD, Associate Professor of the Department of Neurology and Neurosurgery

Russian Federation, Samara

Tatyana V. Romanova

Samara State Medical University

Email: t.v.romanova@samsmu.ru
ORCID iD: 0000-0003-2851-8672

PhD, Professor of the Department of Neurology and Neurosurgery

Russian Federation, Samara

References

Supplementary files