ГЕНЕТИЧЕСКАЯ КАРТА ГЕРОНТОЛОГИИ
Механизм восстановления клетки происходит в зависимости от типа регенерации. По этиологии и механизму развития различают физиологическую, репаративную регенерации, регенерационную гипертрофию и патологическую регенерацию. Физиологическая регенерация — это восстановление элементов клеток и тканей в результате их естественного отмирания. Репаративная регенерация — это восстановление структурных элементов клеток и тканей в результате их патологической гибели. Регенерационная гипертрофия — это возмещение исходной массы организма взамен погибшей за счёт увеличения сохранившейся его части или других органов без восстановления формы органа.
Регуляция химической деятельности клетки достигается с помощью ряда процессов, среди которых особое значение имеет изменение структуры самой цитоплазмы, а также структуры и активности ферментов. Авторегуляция зависит от температуры, степени кислотности, концентрации субстрата, присутствия некоторых макро- и микроэлементов. Клеточные механизмы гомеостаза направлены на восстановление естественно погибших клеток тканей или органов в случае нарушения их целостности.
Регенерация — процесс обновления структурных элементов организма и восстановление их количества после повреждения, направленный на обеспечение необходимой функциональной активности.
В зависимости от регенерационной реакции ткани и органы млекопитающих можно разделить на 3 группы:
ткани и органы, для которых характерна клеточная регенерация (кости, рыхлая соединительная ткань, кроветворная система, эндотелий, мезотелий, слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта, дыхательных путей и мочеполовой системы)
ткани и органы, для которых характерна клеточная и внутриклеточная регенерация (печень, почки, лёгкие, гладкие и скелетные мышцы, вегетативная нервная система, поджелудочная железа, эндокринная система)
ткани, для которых характерно преимущественно или исключительно внутриклеточная регенерация (миокард и ганглиозные клетки центральной нервной системы)
В процессе эволюции сформировались 2 типа регенерации: физиологическая и репаративная
Физиологическая регенерация имеет две фазы, это образование новых и разрушение старых. Именно процессы распада клеток стимулируют организм производить клетки. Гормоны и пептиды обеспечивают передачу информации от одной клетки и системы к другой. Со временем количество пептидов сокращается, процесс регенерации идёт медленнее. Репаративная регенерация - это естественная способность всех живых организмов. Она применяется для замены изношенных частей, обновления поврежденных и утраченных фрагментов или воссоздания тела из небольшого участка в период постэмбриональной жизни организма. Функция регенерации в гомеостазе клетки есть функция нейросекреции.
Поскольку белковые клетки постоянно подвергаются атаке со стороны внешней среды, то в течение своей жизнедеятельности неоднократно вынуждены восстанавливаться или погибать. Поврежденные клетки, не имеющие достаточного количества материалов, стимулирующих их обновление, умирают. Проблема регенерации в организме человека до 40 лет стоит не очень остро – потому что все функции сбалансированы и работают в оптимальном режиме, заданном природой. Ближе к «среднему возрасту» случается перелом. Он выражается в снижении выработки гормонов роста, торможении функций регенерации и постепенном снижении иммунитета. За функции регенерации ответственна нейросекреция. Нейросекре́ция — образование и выделение гормонов особыми нервными клетками, т. н. нейросекреторными. Гормоны, образованные таким образом, называют нейрогормонами. У позвоночных животных и человека нейрогормоны выделяются гипоталамусом.
Гомеостаз организма есть кинетическая система как пара элементов (элемент, связь), ответственная за поддержание и функции жизнедеятельности. Кинетические системы – системы, в которых происходит изменение состояния в зависимости от влияющих внутренних и внешних факторов на элемент системы, причем происходит изменение всей системы от изменения состояния одного или несколько. Ключевым фактором внутренней регенерации является ген p53, который ответственен за репаративную регенерацию тканей организма. Ген p21 является ингибитором образования новых клеток. При инактивации p21 циклинзависимыми киназами CDK происходит репаративная регенерация.
Рис.Генетическая карта геронтологии
С момента открытия р53 необходимость расширения знаний об этом белке постоянно увеличивалась, учитывая, прежде всего, его важную роль в процессе карциногенеза. Белок p53 участвует во многих физиологических процессах, однако наиболее изученным является его опухоль-супрессорная функция. Кроме того, p53 объединяет множество клеточных сигналов от поврежденных субклеточных органелл, а также межклеточных контактов, внеклеточного матрикса, гормонов и цитокинов. На основании этих сигналов р53 регулирует такие процессы в клетке, как выживаемость, старение, дифференцировку, миграцию клеток и запрограммированную гибель клеток. На основании многочисленных исследований было выявлено, что ген TP53 кодирует несколько изоформ p53, которые взаимодействуют с p53 и модулируют его активность в отношении стимуляции выживаемости или гибели клеток. Учитывая тот факт, что изоформы p53 играют фундаментальную роль в регулировании сигнального пути p53, их экспрессия часто нарушена в злокачественных клетках. В связи с этим была выдвинута гипотеза о том, что дикий тип р53 может выступать в качестве супрессора опухолевого роста или протоонкогена в зависимости от профайлинга экспрессии изоформ р53. В некоторых видах рака измененная экспрессия изоформ p53 коррелирует с клиническими проявлениями, рецидивированием рака и/или общей выживаемостью. Кроме того, некоторые изоформы р53, как полагают, могут выступать в качестве потенциальных маркеров для терапии рака. Тем не менее, изформы p53 нельзя разделить на онкогенные или опухоль-супрессорные классы, так как их биологическая активность и, следовательно, их прогностическое значение связаны с типом тканей. В то же время было высказано предположение, что некоторые изоформы p53 могут стать успешными объектами таргетной терапии рака, как, например, при тройном негативном раке молочной железы. Чтобы достичь успехов в разработке такой терапии, необходимо более глубокое понимание процессов регуляции экспрессии и реализации эффектов изоформ р53, а также их действия в зависимости от типа ткани и дикого или мутантного типа р53 в тех или иных опухолевых клетках.
Супрессор опухолевого роста p53 играет решающую роль в поддержании генетической стабильности клетки и предотвращении развития злокачественных опухолей. Для осуществления этой функции р53 участвует со множестве клеточных реакций, модулируя репарацию и выживаемость клеток, а также апоптоз. В конце девяностых годов были отрыты два родственных белка р53: p63 и p73, которые являются структурными, биологическими и биохимическими гомологами р53. Также были выделены двенадцать изоформ р53, шесть изоформ р63 и четырнадцать изоформ р73.
Анализируя гибридные клетки человека и грызуна, Макбрайд и др. (1985, 1986) сопоставили ген Р53 с хромосомой 17. Они регионализировали ген в хромосому 17p13, используя гибриды с транслокацией хромосомы 17 и гибридизацией in situ. С помощью гибридного анализа соматических клеток Бенчимол и др. (1985) также отнесли ген Р53 к короткому плечу хромосомы 17. Изобе и др. (1986) отнесли ген TP53 к хромосоме 17p13.
Путем гибридизации in situ с зондом ДНК мыши Ле Бо и др. (1985) сопоставили ген Р53 человека с хромосомой 17q21-q22. Впоследствии эта группа пришла к выводу, что ген TP53 находится на коротком плече (Rowley, 1986).
Путем гибридизации ДНК с южным фильтром гибридов человека и грызуна Миллер и др. (1986) локализовали ген P53 в хромосоме 17p. Они предположили, что использование гена мыши в качестве зонда в работе Le Beau и др. (1985), возможно, было причиной их неточных результатов, поскольку гены мыши и человека не полностью гомологичны.
В целом, изоформы p53 участвуют в ответе клетки на стресс как опосредованно путем регуляции транскрипционной активности белков семейства р53 , так и напрямую путем связывания с генными промоторами, участвующими в апоптозе (BAX) и остановке клеточного цикла (p21 и miR34a). Таким образом, они могут ингибировать или усиливать опухоль-супрессорную активность р53. Кроме того, полагают, что изоформы р53 имеют также и многочисленные р53-независимые функции.
Взаимодействие между MDM2 и р53 имеет решающее значение для жизнеспособности клеток; потеря Mdm2 вызывает гибель клеток in vitro и in vivo зависимым от р53 образом. MDM4 обладает некоторыми из тех же свойств, что и MDM2, но, в отличие от MDM2, он не вызывает ядерного экспорта или деградации p53. Чтобы изучить функцию MDM4 in vivo, Парант и др. (2001) удалили ген Mdm4 у мышей. Mdm4-нулевые мыши умирали через 7,5-8,5 дней после родов из-за потери клеточной пролиферации. Когда Парант и др. (2001) скрестили аллель p53-null, они обнаружили, что потеря p53 полностью спасла Mdm4 -/- эмбриональную летальность. Таким образом, MDM2 и MDM4 являются неперекрывающимися критическими регуляторами р53 in vivo. Эти данные определили новый путь регуляции р53 и повысили вероятность того, что повышенные уровни MDM4 и, как следствие, инактивация р53 способствуют развитию опухолей человека.
Используя анализы убиквитинирования in vitro и небольшую интерферирующую РНК-опосредованную регуляцию экспрессии HDMX в клеточных линиях человека, Линарес и др. (2003) определили, что HDMX стимулирует активность лигазы HDM2 E3 и что HDMX необходим для поддержания р53 на низком уровне при нормальных условиях роста. HDMX не функционировал как E3 сам по себе, но был активен в комплексе с HDM2. Кроме того, HDMX стимулировал автоубиквитинирование HDM2, а HDMX был субстратом для убиквитинирования HDM2. Pereg и др. (2005) обнаружили, что обработка культивируемых клеток человека агентами, индуцирующими 3 двухцепочечных разрыва (DSB), привела к заметному снижению эндогенно экспрессируемого и эктопически экспрессируемого HDMX. Снижение отражало опосредованную протеасомами деградацию после полиубиквитинирования, а не снижение экспрессии. HDMX фосфорилировался по меньшей мере на 3 сайтах, ser342, ser367 и ser402, в ответ на DSBs, и это фосфорилирование индуцировало HDM2-опосредованное убиквитинирование HDMX с последующей его деградацией. ATM (607585) требовался для фосфорилирования HDMX на ser403 в ответ на DSBs.
Laurie и др. (2006) показали, что путь наблюдения за опухолью, опосредованный ARF (см. 600160), MDM2 (164785), MDMX и p53 (191170), активируется после потери RB1 (614041) во время ретиногенеза. Ретинобласты с дефицитом RB1 подвергаются p53-опосредованному апоптозу и выходят из клеточного цикла. Впоследствии амплификация гена MDMX и повышенная экспрессия белка MDMX тщательно отбираются во время прогрессирования опухоли в качестве механизма подавления реакции р53 в RB1-дефицитных клетках сетчатки. Лори и др. (2006) пришли к выводу, что их данные свидетельствуют о том, что путь р53 инактивирован при ретинобластоме и что этот рак не возникает из клеток, устойчивых к внутренней смерти, как считалось ранее. Кроме того, Лори и др. (2006) предположили, что их данные подтверждают идею о том, что MDMX является специфической химиотерапевтической мишенью для лечения ретинобластомы.
Рис. Ген p53
Что касается расположения гена p21, то он находится рядом с геном пролактина или chr6p21 и chr6p22 соответственно. Это даёт некоторое основание полагать, что существуют ДНК-сайты, определяющие механизм включения и отключения генов. То есть on:off, off:on. Это наблюдение позволяет предположить, что существуют парные адреса ДНК, как при состоянии on гена p21 происходит замедление концентрации пролактина.
Ген p21 ингибируется циклинзависимой киназой CDK2, CDK4/6. Эти киназы определяются активностью половых желез, что приводит к естественному выключению p21 и включению p53. Наблюдается прямая связь между секрецией гипоталамуса головного мозга и активностью факторов деактивации процессов возрастных анатомических изменений в организме. Циклин зависимые киназы CDK2, CDK4/6 могут быть активированы, что автоматически приводит к выключению p21, лекарственными препаратами. Однако, методы нейростимуляции облачной поликлиники могут быть использованы для активации CDK2, CDK4/6, как модуляторы чувствительности эпителия...
Белок р53 является продуктом гена-супрессора опухоли TP53 и экспрессируется во всех клетках организма. При отсутствии повреждений генетического аппарата белок р53 находится в неактивном состоянии, а при появлении повреждений ДНК активируется. Активация состоит в приобретении способности связываться с ДНК и активировать транскрипцию генов, которые содержат в регуляторной области нуклеотидную последовательность, которая называется p53-response element (участок ДНК, с которым связывается белок р53). Таким образом, р53 — фактор, который запускает транскрипцию группы генов и который активируется при накоплении повреждений ДНК. Результатом активации р53 является остановка клеточного цикла и репликации ДНК; при сильном стрессовом сигнале — запуск апоптоза.
Ингибитор циклин-зависимой кина́зы (англ. Cdk inhibitor protein, CKI, CDI, CDKI) — белок, блокирующий активность циклин-зависимой киназы отдельно или циклин-зависимой киназы в комплексе с циклином. Обычно сдерживающая активность CKI приурочена к фазе G1 клеточного цикла. К тому же, активация CKI может происходить в ответ на провреждения ДНК или может быть вызвана внеклеточными ингибирующими сигналами.
Большинство эукариотических организмов обладают ингибиторами циклин-зависимых киназ. В животных клетках выделяют два семейства CKI: Cip/Kip и INK4.
Ингибиторы семейства Cip/Kip блокируют циклин-зависимую киназу в комплексе с циклином, а ингибиторы семейства INK4 блокируют отдельные циклин-зависимые киназы Cdk4 и Cdk6. В животных клетках ингибиторы циклин-зависимых киназ разделяются на два основных семейства: Cip/Kip и INK4. Семейство Cip/Kip включает ингибиторы CDK белки p21, p27, p57. К основным субстратам Cip/Kip-ингибиторов относятся циклин-киназные комплексы G1/S-Cdk и S-Cdk, отвечающие, соответственно, за G1/S-переход и вступление в S-фазу. Ингибиторы семейства INK4 блокируют циклин-зависимые киназы Cdk4 и Cdk6 регулирующие G1-фазу клеточного цикла.
На протяжении фазы G1 в растущей клетке блокируется активность циклин-зависимых киназ (англ. Cdk) до момента вступления клетки в очередной клеточный цикл. Сдерживание активности Cdk обеспечивается тремя контрольными механизмами. Во-первых, снижением экспрессии генов циклинов. Во-вторых, увеличением степени деградации циклинов. Наконец, к третьему типу сдерживания активности Cdk относятся ингибиторы CKI. Помимо обеспечения стабильного роста клетки в фазе G1 ингибиторы циклин-зависимых киназ участвуют в аресте клеточного цикла на стадии G1 в ответ на неблагоприятные внешние условия. К тому же события клеточного цикла могут блокироваться с участием CKI при повреждениях ДНК.
Ингибиторы циклин-зависимых киназ: Sic1 у почкующихся дрожжей, Rum1 у делящихся дрожжей и Rux у Drosophila — несмотря на структурные различия обладают как минимум тремя сходными функциональными особенностями. Во-первых, основными мишенями данных CKI являются митотические циклин-киназы (англ. M-Cdk) и циклин-киназы синтетической фазы клеточного цикла (англ. S-Cdk). В то же время указанные ингибиторы CKI не могут блокировать циклин-зависимые киназы, обеспечивающие переход клетки из фазы G1 в S-фазу (англ. G1/S-Cdk). Наконец, третьей характерной особенностью всех перечисленных ингибиторов CKI является способ их деактивации. Все они разрушаются после фосфорилирования со стороны активных циклин-зависимых киназ.
CDKN1A (cyclin-dependent kinase inhibitor 1A, p21, Cip1) — внутриклеточный белок-ингибитор циклин-зависимой киназы 1A, играет критическую роль в клеточном ответе на повреждение ДНК. Уровень белка повышен в клетках, находящихся в стадии покоя, таких как дифференцированные клетки организма. Один из 9 известных белковых ингибиторов циклин-зависимой киназы. Этот белок декодируется геном, расположенным на 6 хромосоме 6p21.2 у человека.
Отключение p21 приводит к эффекту репаративной регенерации через эстрогены половых желез, близких к зиготе онтогенеза. Для голых землекопов, у которых положение генов p21:off;p53:on, приводит к 18-20 раз увеличению продолжительности жизни, чем у обычных грызунов.
Структура гена. Путем анализа последовательностей Чиллон и Пайл (2016) определили, что TP53COR1 представляет собой ген с одним экзоном, содержащий инвертированные повторяющиеся элементы Alu. Элемент Alu представляет собой короткий участок ДНК, первоначально характеризующийся действием эндонуклеазы рестрикции Arthrobacter luteus (Alu). Элементы Alu являются наиболее распространенными транспонируемыми элементами, содержащими более миллиона копий, рассеянных по всему геному человека. Элементы Alu считались эгоистичными или паразитическими ДНК, потому что их единственная известная функция - самовоспроизведение. Однако они, вероятно, сыграют определенную роль в эволюции и использовались в качестве генетических маркеров.
Функция гена. Хуарте и др. (2010) идентифицировали высококонсервативные канонические р53-связывающие мотивы в промоторной области гена lincRNA-p21 мыши. Анализы репортерных генов подтвердили р53-зависимую активацию промотора lincRNA-p21. Количественная ОТ-ПЦР показала, что lincRNA-p21 также активировалась в фибробластах человека при повреждении ДНК. Нокдаун либо p53, либо lincRNA-p21 в фибробластах мыши посредством РНК-интерференции снижал апоптоз после повреждения ДНК. Анализ микрочипов показал, что более 1000 генов были дифференциально экспрессированы после нокдауна p53 или lincRNA-p21, причем 930 генов были общими для обоих. Из распространенных генов 80% были депрессированы в ответ как на нокдаун р53, так и на lincRNA-p21. Однако, в то время как р53 регулирует ряд генов апоптоза и клеточного цикла, lincRNA-p21, по-видимому, регулирует только гены в p53-зависимом пути апоптоза. Анализ РНК и масс-спектрометрия показали, что lincRNA-p21 взаимодействовал с Hnrnpk (600712) в ядерных экстрактах MEF и иммунопреципитате РНК. Анализ усечения показал, что для взаимодействия с Hnrnpk требовалась высококонсервативная область на 5-простом конце lincRNA-p21. Нокдаун Hnrnpk в MEFs подавлял высокую долю генов, которые также были подавлены в ответ как на нокдаун p53, так и на lincRNA-p21. Истощение lincRNA-p21 привело к значительному снижению ассоциации Hnrnpk с промоторами генов, которые обычно подавлялись зависимым от lincRNA-p21 и p53 образом. Хуарте и др. (2010) пришли к выводу, что lincRNA-p21 является нижестоящим эффектором для p53, который непосредственно взаимодействует с HNRNPK в комплексе репрессоров, индуцируя p53-зависимый апоптоз.
Холл и др. (2015) обнаружили, что lincRNA-p21 значительно усиливается ультрафиолетовым излучением B (UVB) в кератиноцитах человека и мыши и в коже мыши in vivo. Индукция lincRNA-p21 зависела от p53 и запускала UVB-индуцированный апоптоз. Нокдаун lincRNA-p21 в кератиноцитах человека изменил экспрессию генов, связанных с апоптозом, в ответ на UVB, предполагая, что lincRNA-p21 обычно подавляет экспрессию антиапоптотических генов и активирует экспрессию проапоптотических генов в ответ на UVB. Нокдаун или мутация р53 в кератиноцитах мыши отменяли индуцированную UVB экспрессию lincRNA-p21.
Рис. Ген p21
p16 (также известный как p16INK4a, ингибитор циклин-зависимой киназы 2A, CDKN2A, супрессор множественных опухолей 1 и множество других синонимов), представляет собой белок, который замедляет деление клеток, замедляя прогрессирование клеточного цикла от фазы G1 до фазы S, тем самым действуя как супрессор опухолей. Он кодируется геном CDKN2A. Делеция (пропуск части последовательности ДНК во время репликации) в этом гене может привести к недостаточному или нефункциональному p16, ускоряя клеточный цикл и приводя ко многим видам рака.
р16 может быть использован в качестве биомаркера для повышения точности гистологической диагностики интраэпителиальной неоплазии шейки матки 3 степени (CIN). р16 также участвует в профилактике меланомы, плоскоклеточного рака ротоглотки, рака шейки матки, рака вульвы и рака пищевода.
р16 был обнаружен в 1993 году. Это белок со 148 аминокислотами и молекулярной массой 16 кДа, состоящий из четырех анкириновых повторов. Название p16 происходит от его молекулярной массы, а альтернативное название p16INK4a относится к его роли в ингибировании циклин-зависимой киназы CDK4.
У людей p16 кодируется геном CDKN2A, расположенным на хромосоме 9 (9p21.3). Этот ген генерирует несколько вариантов транскрипта, которые отличаются своими первыми экзонами. Сообщалось по меньшей мере о трех альтернативно сплайсированных вариантах, кодирующих различные белки, два из которых кодируют структурно родственные изоформы, которые, как известно, функционируют как ингибиторы CDK4. Оставшийся транскрипт включает альтернативный экзон 1, расположенный на 20 кб выше по течению от остальной части гена; этот транскрипт содержит альтернативную открытую рамку считывания (ARF), которая определяет белок, структурно не связанный с продуктами других вариантов.
Продукт ARF функционирует как стабилизатор белка-супрессора опухоли p53, поскольку он может взаимодействовать и изолировать MDM2, белок, ответственный за деградацию p53. Несмотря на их структурные и функциональные различия, изоформы ингибитора CDK и продукт ARF, кодируемые этим геном, благодаря регуляторной роли CDK4 и p53 в прогрессии клеточного цикла G1, имеют общую функциональность в контроле фазы G1 клеточного цикла. Этот ген часто мутирует или удаляется в самых разных опухолях и, как известно, является важным геном-супрессором опухолей.
Когда организмы стареют, экспрессия р16 увеличивается, чтобы уменьшить пролиферацию стволовых клеток. Это сокращение деления и выработки стволовых клеток защищает от рака, одновременно увеличивая риски, связанные со старением клеток.
Ген p16 (CDKN2A) был сопоставлен с 9p21 (Kamb и др., 1994; Нобори и др., 1994). Эта же область часто была вовлечена в делеции и перестройки в диспластических невусах (Коуэн и др., 1988), главном поражении-предшественнике меланомы, и в злокачественной меланоме кожи, или CMM (Фонтан и др., 1992), и, как было показано Петти и др. (1993), участвует в конституциональной делеции у пациента с множественными первичными меланомами. Локус семейной злокачественной меланомы, обозначенный CMM2 (155601), был нанесен на карту 9p21. Камб и др. (1994) отметили, что область хромосомы 9p21 участвует в хромосомных инверсиях, транслокациях, гетерозиготных делециях и гомозиготных делециях в различных злокачественных клеточных линиях, включая линии глиомы, немелкоклеточного рака легкого, лейкемии и меланомы. Делеция маркеров 9p21 обнаруживается более чем в половине всех клеточных линий меланомы.
Комплекс, образованный из p34(cdc2) (116940) и циклина B (176740), необходим для перехода G2 в M при делении клеток. Человеческий циклин A (123835) независимо связывается с 2 киназами, p34 (cdc2) или p33. В клетках, трансформированных аденовирусом, вирусный онкопротеин E1A, по-видимому, ассоциируется с p33/циклином A, но не с p34 (cdc2)/циклином A. Цай и др. (1991) выделили ген для p33, который на 65% идентичен последовательности с p34 (cdc2). Они предположили, что р33 (cdk2) играет уникальную роль в регуляции клеточного цикла клеток позвоночных. Апоптоз эндотелиальных клеток человека после лишения фактора роста связан с быстрым и резким повышением активности CDK2, связанной с циклином А. Левкау и др. (1998) показали, что в апоптотических клетках карбоксильные концы ингибиторов CDK CDKN1A (116899) и CDKN1B усекаются путем специфического расщепления. Ферментом, участвующим в этом расщеплении, является CASP3 (600636) и/или КАСП3-подобная каспаза. После расщепления CDKN1A теряет свою последовательность ядерной локализации и выходит из ядра. Расщепление CDKN1A и CDKN1B привело к существенному уменьшению их ассоциации с ядерными комплексами циклин-CDK2, что привело к резкой индукции активности CDK2. Доминантно-отрицательный CDK2, а также мутант CDKN1A, устойчивый к расщеплению каспазой, частично подавляли апоптоз. Эти данные свидетельствуют о том, что активация CDK2 посредством опосредованного каспазой расщепления ингибиторов CDK может способствовать осуществлению апоптоза после активации каспазы.
Считается, что гепатотропный фактор, называемый усилителем регенерации печени (ALR), является одним из факторов, ответственных за исключительную регенеративную способность печени млекопитающих (Francavilla et al., 1994). Его также называют веществом, стимулирующим регенерацию печени (HSS). Хагия и др. (1994) клонировали и секвенировали ген крысы, который они обозначили как Alr. Ген кодирует полипептид из 125 аминокислот с расчетной молекулярной массой 15 081 Да, что соответствует его электрофоретически определенной молекулярной массе в восстановительных условиях. Выведенная первичная последовательность на 50% гомологична полипептиду, кодируемому геном окислительного фосфорилирования scERV1 и вегетативного роста S. cerevisiae. Хагия и др. (1994) определили, что белок функционирует как гомодимер, и обнаружили, что экспрессия транскрипта гена длиной 1,2 т.п.н. является самой высокой в яичках и печени крысы. С ошибкой Хагия и др. (1994) исправили сообщенную ими последовательность кДНК.
Лисовски и др. (1995) идентифицировали человеческий ген на хромосоме 16 в интервале, содержащем локус поликистозной болезни почек (PKD1; 173900), путем анализа геномного космидного клона и кДНК. Этот ген активно транскрибируется в тканях почек и головного .мозга. Предполагаемый генный продукт на 42% идентичен белку scERV1 дрожжей. Было обнаружено, что ген scERV1 дрожжей необходим для окислительного фосфорилирования, поддержания митохондриальных геномов и цикла клеточного деления.
Giorda et al. (1996) использовали зонд гена Alr крысы из последовательности Hagiya et al. (1994) для клонирования и характеристики мышиного гена Alr и его человеческого гомолога. Человеческий ген ALR содержит 205 аминокислот, по сравнению со 198 последовательностями белков мыши и крысы, о которых они сообщили. Белки человека, крысы и мыши обладают высокой степенью сохранности. Giorda et al. (1996) обнаружили, что гены ALR крысы, мыши и человека преимущественно экспрессируются в яичках и печени.
Лисовски и др. (1995) определили, что ген ALR содержит по меньшей мере 1 интрон.
Giorda et al. (1996) показали, что белок-кодирующая часть мышиного гена ALR содержит 3 экзона, первый из которых содержит 5-простую нетранслируемую последовательность и начальные 18 п.н. после кодона инициации трансляции ATG. Второй экзон содержит 198 п.н., а третий экзон содержит оставшуюся часть кодирующей белок последовательности.
Ди Фонцо и др. (2009) заявили, что ген GFER кодирует 2 различные изоформы, которые, вероятно, синтезированы из одной и той же мРНК с использованием разных инициирующих кодонов. Длинная изоформа (205 аминокислот, 23 кДа) расположена главным образом в межмембранном пространстве митохондрий и существует в невосстанавливающих и неденатурирующих условиях в виде гомодимера и гетеродимера. Более короткая изоформа (125 аминокислот, 15 кДа), в которой отсутствует 80 аминокислот на N-конце по сравнению с более длинной изоформой, присутствует преимущественно в ядре (Li et al., 2002).
Giorda et al. (1996) сопоставили ген GFER с хромосомой 16, используя панель монохромосомных гибридных клеточных линий для анализа методом ПЦР. Они сопоставили гомолог мыши с хромосомой 17 в области, синтеничной с хромосомой 16 человека, путем гибридизации с панелью межвидового обратного скрещивания.
Гросс (2021) сопоставил ген GFER с хромосомой 16p13.3 на основе сопоставления последовательности GFER (GenBank AF183892) с геномной последовательностью (GRCh38).
Лисовски и др. (1995) трансформировали дрожжевые мутанты, дефектные по scERV1, с помощью вектора экспрессии дрожжей, содержащего химерную рамку считывания, которая соединяет первые 21 аминокислоту дрожжевого белка и 100 концевых аминокислот человеческого белка. Химерный продукт человеческого гена дополнял дрожжевые мутанты и восстанавливал жизнеспособность, близкую к нормальной. Таким образом, Лисовски и др. (1995) пришли к выводу, что человеческий ген является не только структурным, но и функциональным гомологом дрожжевого гена scERV1.
Гросс (2021) сопоставил ген GFER с хромосомой 16p13.3 на основе сопоставления последовательности GFER (GenBank AF183892) с геномной последовательностью (GRCh38).
Ди Фонцо и др. (2009) показали, что GFER играет важную роль в системе дисульфидной ретрансляции (DRS) в митохондриях человека.
Дайтханкар и др. (2010) определили кристаллическую структуру короткой изоформы ALR человека путем молекулярной замены с использованием структуры крысы. Структура человека представляла собой асимметричную единицу, состоящую из 3 субъединиц: гомодимера, связанного дисульфидом, и половины соседнего димера. Arg194, который мутировал в his194 (R194H; 600924.0001) при прогрессирующей митохондриальной миопатии и комбинированном дефиците дыхательной цепи (MPMCD; 613076), был вовлечен в образование 3 водородных связей и располагался на границе раздела субъединиц ALR. Дальнейший анализ показал, что мутация R194H оказала большое влияние на стабильность белка и связывание флавина, но не повлияла на активность ферментов и другие биофизические особенности ALR.
В кровнородственной марокканской семье, страдающей аутосомно-рецессивной митохондриальной миопатией с катарактой и сочетанным дефицитом дыхательной цепи (613076), Ди Фонзо и др. (2009) выявили гомозиготность по миссенс-мутации в гене GFER (R194H; 600924.0001).
С помощью секвенирования панели ядерных генов митохондриальных заболеваний следующего поколения Calderwood et al. (2016) идентифицировали пациента с митохондриальной миопатией, катарактой и задержкой развития, который был сложной гетерозиготностью по мутациям в гене GFER: ранее идентифицированной мутации R194H и новой нонсенс-мутации (Q125X; 600294.0002).
У пробанда и его сестры с MPMCD Thevenon et al. (2016) и Nambot et al. (2017) идентифицировали сложные гетерозиготные мутации сдвига рамки в гене GFER (600924.0003; 600924.0004). У 2 других сибсов с MPMCD Намбот и соавт. (2017) идентифицировали сложные гетерозиготные мутации в гене GFER: R194H и мутацию со сдвигом рамки (600924.0005). Мутации разделились вместе с расстройством в обеих семьях. Ни одна из мутаций не была обнаружена в базе данных ExAC.
Митохондрии — особые органеллы клетки, основной функцией которых является синтез АТФ — универсального носителя энергии. Дыхание (поглощение кислорода и выделение углекислого газа) происходит также за счёт энзиматических систем митохондрий. Внутренний просвет митохондрий, называемый матриксом, отграничен от цитоплазмы двумя мембранами, наружной и внутренней, между которыми располагается межмембранное пространство. Внутренняя мембрана митохондрии образует складки — кристы, на которых размещаются ферменты, ускоряющие реакции окисления жиров и углеводов. В матриксе содержатся различные ферменты, принимающие участие в дыхании и синтезе АТФ. Центральное значение для синтеза АТФ имеет водородный потенциал внутренней мембраны митохондрии. Митохондрии имеют свой собственный ДНК-геном и прокариотические рибосомы, что, безусловно, указывает на симбиотическое происхождение этих органелл. В ДНК митохондрий закодированы совсем не все митохондриальные белки, большая часть генов митохондриальных белков находятся в ядерном геноме, а соответствующие им продукты синтезируются в цитоплазме, а затем транспортируются в митохондрии. Геномы митохондрий отличаются по размерам: например геном человеческих митохондрий содержит всего 13 генов. Самое большое число митохондриальных генов (97) из изученных организмов имеет простейшее.
Фактор роста ген GFER обеспечивает гомодимеры и гетеродимеры клеток при промоторе печени и яичек как наиболее близкого к родовой зиготе. Участие в синтезе АТФ митохондрий определяет ген GFER как фактор роста и репаративной регенерации организма с учётом того, что функции секретивности головного мозга определимы с функцией печени, что замыкает гомеостазный цикл между нейрогормональной секрецией гормонов и почечно-печеночной секрецией. Таким образом, ген GFER ответственен за репаративную регенерацию организма.