Wichtige Urinproteine - Major urinary proteins
Wichtige Urinproteine ( Mups ), auch bekannt als α 2 u-Globuline , sind eine Unterfamilie von Proteinen, die im Urin und anderen Sekreten vieler Tiere reichlich vorkommen . Mups liefern einen kleinen Bereich von identifizierenden Informationen über das Spendertier, wenn sie vom vomeronasalen Organ des empfangenden Tieres erkannt werden . Sie gehören zu einer größeren Familie von Proteinen, die als Lipokaline bekannt sind . Mups werden von einem Cluster von Genen kodiert , die sich nebeneinander auf einem einzigen DNA-Abschnitt befinden und deren Anzahl zwischen den Arten stark variiert: von mindestens 21 funktionellen Genen bei Mäusen bis zu keinem beim Menschen. Mup-Proteine bilden eine charakteristische Handschuhform , die eine Liganden- bindende Tasche umfasst, die spezifische kleine organische Chemikalien aufnimmt.
Urinproteine wurden erstmals 1932 bei Nagetieren während Studien von Thomas Addis über die Ursache der Proteinurie berichtet . Sie sind starke menschliche Allergene und sind größtenteils für eine Reihe von Tierallergien verantwortlich , einschließlich gegen Katzen, Pferde und Nagetiere. Ihre endogene Funktion innerhalb eines Tieres ist unbekannt, kann aber eine Regulierung des Energieverbrauchs beinhalten. Als sekretierte Proteine spielen sie jedoch mehrere Rollen in der chemischen Kommunikation zwischen Tieren und fungieren als Pheromontransporter und Stabilisatoren bei Nagetieren und Schweinen. Mups können auch selbst als Proteinpheromone fungieren. Es wurde gezeigt, dass sie bei männlichen Mäusen Aggression fördern , und ein spezifisches Mup-Protein, das im Urin männlicher Mäuse gefunden wird, ist für weibliche Mäuse sexuell attraktiv. Mups können auch als Signale zwischen verschiedenen Arten fungieren : Mäuse zeigen eine instinktive Angstreaktion auf die Erkennung von Mups, die von Raubtieren wie Katzen und Ratten stammen.
Entdeckung
Gesunde Menschen scheiden weitgehend eiweißfreien Urin aus. Daher interessieren sich seit 1827 Ärzte und Wissenschaftler für die Proteinurie , den Proteinüberschuss im menschlichen Urin, als Indikator für eine Nierenerkrankung . Um die Ätiologie der Proteinurie besser zu verstehen , versuchten einige Wissenschaftler, das Phänomen bei Versuchstieren zu untersuchen . Zwischen 1932 und 1933 berichteten eine Reihe von Wissenschaftlern, darunter Thomas Addis , unabhängig voneinander über den überraschenden Befund, dass einige gesunde Nagetiere Protein im Urin haben. Erst in den 1960er Jahren wurden die wichtigsten Urinproteine von Mäusen und Ratten jedoch erstmals detailliert beschrieben. Es wurde festgestellt, dass die Proteine hauptsächlich in der Leber von Männern gebildet und in großen Mengen (Milligramm pro Tag) über die Nieren in den Urin ausgeschieden werden.
Seit ihrer Namensgebung wurde festgestellt, dass die Proteine in anderen Drüsen , die Produkte direkt in die äußere Umgebung absondern , unterschiedlich exprimiert werden . Dazu gehören Tränen- , Parotis , submaxillary , sublingual , Präputial und Brustdrüsen. Bei einigen Arten, wie Katzen und Schweinen, scheinen Mups überhaupt nicht im Urin exprimiert zu werden und werden hauptsächlich im Speichel gefunden. Manchmal wird der Begriff Harn-Mups (uMups) verwendet, um die im Urin exprimierten Mups von denen in anderen Geweben zu unterscheiden.
Mup-Gene
Zwischen 1979 und 1981 wurde geschätzt, dass Mups von einer Genfamilie von 15 bis 35 Genen und Pseudogenen bei der Maus und von geschätzten 20 Genen bei der Ratte kodiert werden. Im Jahr 2008 wurde eine genauere Anzahl von Mup-Genen in einer Reihe von Arten durch die Analyse der DNA-Sequenz ganzer Genome bestimmt .
Nagetiere
Das Referenzgenom der Maus weist mindestens 21 verschiedene Mup-Gene (mit offenen Leserastern ) und weitere 21 Mup-Pseudogene (mit durch eine Nonsense-Mutation oder eine unvollständige Genduplikation unterbrochenen Leserastern ) auf. Sie sind alle gruppiert, nebeneinander über 1,92 Megabasen DNA auf Chromosom 4 angeordnet. Die 21 funktionellen Gene wurden basierend auf Positions- und Sequenzähnlichkeit in zwei Unterklassen unterteilt: 6 periphere Klasse-A-Mups und 15 zentrale Klasse-B-Mups . Der zentrale Klasse-B-Mup-Gencluster wurde durch eine Reihe von sequentiellen Duplikationen aus einem der Klasse-A-Mups gebildet. Da alle Gene der Klasse B fast identisch sind, kamen die Forscher zu dem Schluss, dass diese Duplikationen erst vor kurzem in der Mausevolution aufgetreten sind. Tatsächlich bedeutet die repetitive Struktur dieser zentralen Mup-Gene, dass sie wahrscheinlich instabil sind und in ihrer Anzahl zwischen Wildmäusen variieren können . Die Klasse-A-Mups unterscheiden sich stärker voneinander und sind daher wahrscheinlich stabilere, ältere Gene, aber welche funktionellen Unterschiede die Klassen gegebenenfalls aufweisen, ist unbekannt. Die Ähnlichkeit zwischen den Genen macht es schwierig, die Region mit der aktuellen DNA-Sequenzierungstechnologie zu untersuchen . Folglich ist der Mup-Gencluster einer der wenigen Teile der gesamten Genomsequenz der Maus mit verbleibenden Lücken, und weitere Gene könnten unentdeckt bleiben.
Rattenurin enthält auch homologe Urinproteine; obwohl sie ursprünglich einen anderen Namen gegeben wurden, α2 u - Globulin , haben sie seitdem als Ratte MUPS bekannt geworden. Ratten haben 9 verschiedene Mup-Gene und weitere 13 Pseudogene, die über 1,1 Megabasen DNA auf Chromosom 5 gruppiert sind. Wie bei Mäusen wird der Cluster durch mehrere Duplikationen gebildet. Dies geschah jedoch unabhängig von den Duplikationen bei Mäusen, was bedeutet, dass beide Nagetierarten ihre Mup-Genfamilien getrennt, aber parallel erweiterten .
Nicht-Nagetiere
Die meisten anderen untersuchten Säugetiere, einschließlich Schwein, Kuh, Katze, Hund, Buschbaby, Makaken, Schimpanse und Orang-Utan, haben ein einzelnes Mup-Gen. Einige haben jedoch eine erweiterte Anzahl: Pferde haben drei Mup-Gene und graue Mausmakis haben mindestens zwei. Insekten, Fische, Amphibien, Vögel und Beuteltiere scheinen die Syntenie an der chromosomalen Position des Mup-Genclusters gestört zu haben , was darauf hindeutet, dass die Genfamilie für plazentare Säugetiere spezifisch sein könnte. Der Mensch ist das einzige plazentare Säugetier, bei dem keine aktiven Mup-Gene gefunden wurden; Stattdessen haben sie ein einzelnes Mup-Pseudogen, das eine Mutation enthält, die ein falsches Spleißen verursacht und es dysfunktional macht.
Funktion
Transportproteine
Mups sind Mitglieder einer großen Familie von Proteinen mit niedrigem Molekulargewicht (~19 kDa ), die als Lipokaline bekannt sind . Sie haben eine charakteristische Struktur von acht Beta-Blättern, die in einem antiparallelen Beta-Fass angeordnet sind, das auf einer Seite offen ist, mit Alpha-Helices an beiden Enden. Dadurch bilden sie eine charakteristische Handschuhform, die eine becherartige Tasche umfasst , die kleine organische Chemikalien mit hoher Affinität bindet. Einige dieser Liganden binden an Maus-Mups, darunter 2-sec-Butyl-4,5-dihydro- thiazol (abgekürzt als SBT oder DHT), 6-Hydroxy-6-methyl-3- heptanon (HMH) und 2,3-Dihydro -Exo-Brevicomin (DHB). Dies sind alles urinspezifische Chemikalien, von denen gezeigt wurde, dass sie als Pheromone wirken – molekulare Signale, die von einem Individuum ausgeschieden werden und bei einem anderen Mitglied derselben Spezies eine angeborene Verhaltensreaktion auslösen. Es wurde auch gezeigt, dass Maus-Mups als Pheromonstabilisatoren fungieren und einen langsamen Freisetzungsmechanismus bereitstellen, der die Wirksamkeit flüchtiger Pheromone in männlichen Uringeruchsspuren erhöht . Angesichts der Vielfalt von Mups bei Nagetieren wurde ursprünglich angenommen, dass verschiedene Mups unterschiedlich geformte Bindungstaschen haben und daher unterschiedliche Pheromone binden können. Detaillierte Studien ergaben jedoch, dass sich die meisten variablen Stellen auf der Oberfläche der Proteine befinden und einen geringen Einfluss auf die Ligandenbindung zu haben scheinen.
Ratten-Mups binden verschiedene kleine Chemikalien. Der gebräuchlichste Ligand ist 1- Chlordecan , wobei 2-Methyl-N-phenyl- 2-propenamid , Hexadecan und 2,6,11-Trimethyldecan weniger prominent sind. Ratten-Mups binden auch Limonen- 1,2-Epoxid, was zu einer Erkrankung der Niere des Wirts führt, der hyaline- Tröpfchen- Nephropathie , die zu Krebs fortschreitet. Andere Arten entwickeln diese Störung nicht, weil ihre Mups diese bestimmte Chemikalie nicht binden. Wenn transgene Mäuse gentechnisch verändert wurden, um das Ratten-Mup zu exprimieren, entwickelten ihre Nieren die Krankheit. Das bei Schweinen vorkommende Mup, Speicheldrüsenlipocalin (SAL) genannt, wird in der Speicheldrüse von Männchen exprimiert, wo es Androstenon und Androstenol fest bindet , beides Pheromone, die weibliche Schweine dazu veranlassen, eine Paarungshaltung einzunehmen .
Isotherme Titrationskalorimetriestudien, die mit Mups und assoziierten Liganden (Pyrazine, Alkohole, Thiazoline, 6-Hydroxy-6-methyl-3-heptanon und N-Phenylnapthylamin) durchgeführt wurden, zeigten ein ungewöhnliches Bindungsphänomen. Es wurde festgestellt, dass das aktive Zentrum suboptimal hydratisiert ist, was dazu führt, dass die Ligandenbindung durch enthalpische Dispersionskräfte angetrieben wird . Dies steht im Gegensatz zu den meisten anderen Proteinen, die entropiegetriebene Bindungskräfte aus der Reorganisation von Wassermolekülen aufweisen . Dieser ungewöhnliche Vorgang wird als nichtklassischer hydrophober Effekt bezeichnet .
Pheromone
Studien haben versucht, die genaue Funktion von Mups in der Pheromonkommunikation herauszufinden. Es wurde gezeigt, dass Mup-Proteine die Pubertät fördern und den Östruszyklus bei weiblichen Mäusen beschleunigen , indem sie die Vandenbergh- und Whitten-Effekte induzieren . In beiden Fällen mussten die Mups jedoch dem Weibchen in männlichem Urin gelöst präsentiert werden, was darauf hindeutet, dass das Protein einen bestimmten Urinkontext benötigt, um zu funktionieren. Im Jahr 2007 wurden Mups, die normalerweise im Urin von männlichen Mäusen gefunden werden, in transgenen Bakterien hergestellt und daher ohne die Chemikalien hergestellt, die sie normalerweise binden. Es wurde gezeigt, dass diese Mups ausreichen, um aggressives Verhalten bei Männern zu fördern , selbst wenn kein Urin vorhanden ist. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass in Bakterien hergestellte Mups olfaktorische sensorische Neuronen im Vomeronasalorgan (VNO) aktivieren , einem Subsystem der Nase, von dem bekannt ist, dass es Pheromone über spezifische sensorische Rezeptoren von Mäusen und Ratten erkennt. Zusammen zeigte dies, dass Mup-Proteine unabhängig von ihren Liganden selbst als Pheromone wirken können.
In Übereinstimmung mit einer Rolle bei der männlich-männlichen Aggression sezernieren erwachsene männliche Mäuse signifikant mehr Mups in ihren Urin als weibliche, juvenile oder kastrierte männliche Mäuse. Der genaue Mechanismus, der diesen Unterschied zwischen den Geschlechtern verursacht, ist komplex, aber mindestens drei Hormone – Testosteron , Wachstumshormon und Thyroxin – sind dafür bekannt, die Produktion von Mups bei Mäusen positiv zu beeinflussen. Wilde Hausmaus Urin enthält variable Kombinationen von vier bis sieben verschiedenen Mup Proteinen pro Maus. Einige Inzucht-Laborstämme von Mäusen wie BALB/c und C57BL/6 haben auch unterschiedliche Proteine, die in ihrem Urin exprimiert werden. Im Gegensatz zu Wildmäusen exprimieren verschiedene Individuen desselben Stamms jedoch das gleiche Proteinmuster, ein Artefakt vieler Generationen von Inzucht . Ein ungewöhnlicher Mup ist weniger variabel als die anderen: Er wird durchweg von einem hohen Anteil an wilden männlichen Mäusen produziert und kommt fast nie im weiblichen Urin vor. Als dieser Mup in Bakterien hergestellt und in Verhaltenstests verwendet wurde, wurde festgestellt, dass er weibliche Mäuse anzieht. Andere Mups wurden getestet, hatten aber nicht die gleichen attraktiven Eigenschaften, was darauf hindeutet, dass die männlichen Mups als Sexualpheromon wirken. Die Wissenschaftler nannten dieses Mup darcin ( Mup20 , Q5FW60 ) als humoristischen Bezug auf Fitzwilliam Darcy , den romantischen Helden von Stolz und Vorurteile . Zusammengenommen haben die komplexen Muster der erzeugten Mups das Potenzial, eine Reihe von Informationen über das Spendertier zu liefern, wie zum Beispiel Geschlecht , Fruchtbarkeit, soziale Dominanz , Alter, genetische Vielfalt oder Verwandtschaft . Wildmäuse (im Gegensatz zu genetisch identischen Labormäusen, die daher auch identische Mups-Muster im Urin aufweisen) haben individuelle Mup-Expressionsmuster in ihrem Urin, die als „ Barcode “ fungieren , um den Besitzer einer Duftmarke eindeutig zu identifizieren.
Bei der Hausmaus liefert der Haupt-MUP-Gencluster ein hochpolymorphes Duftsignal mit genetischer Identität. In naturnahen Gehegen frei brütende Wildmäuse zeigten Inzuchtvermeidung . Diese Vermeidung resultierte aus einem starken Defizit an erfolgreichen Paarungen zwischen Mäusen, die beide MUP-Haplotypen teilen (vollständige Übereinstimmung). In einer anderen Studie mit Weißfußmäusen wurde festgestellt, dass bei Inzucht von Mäusen aus Wildpopulationen die Überlebensrate reduziert war, wenn solche Mäuse wieder in einen natürlichen Lebensraum eingeführt wurden. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Inzucht die Fitness reduziert und dass sich die Geruchssignalerkennung bei Mäusen entwickelt hat, um eine Inzuchtdepression zu vermeiden .
Kairomones
Mups dienen nicht nur als soziale Signale zwischen Mitgliedern derselben Art, sondern können auch als Kairomone fungieren – chemische Signale, die Informationen zwischen Arten übertragen. Mäuse haben instinktiv Angst vor dem Geruch ihrer natürlichen Feinde , einschließlich Katzen und Ratten. Dies geschieht sogar bei Labormäusen, die seit Hunderten von Generationen von Raubtieren isoliert wurden. Als die für die Angstreaktion verantwortlichen chemischen Signale aus Katzenspeichel und Rattenurin gereinigt wurden, wurden zwei homologe Proteinsignale identifiziert: Fel d 4 ( Felis domesticus Allergen 4; Q5VFH6 ), das Produkt des Katzen- Mup- Gens, und Ratte n 1 ( Rattus norvegicus- Allergen 1; P02761 ), das Produkt des Ratten- Mup13- Gens. Mäuse haben Angst vor diesen Mups, selbst wenn sie in Bakterien hergestellt werden, aber mutierte Tiere, die die Mups nicht erkennen können, zeigten keine Angst vor Ratten, was ihre Bedeutung bei der Initiierung ängstlicher Verhaltensweisen demonstriert. Es ist nicht genau bekannt, wie Mups verschiedener Arten unterschiedliche Verhaltensweisen initiieren, aber Maus-Mups und Raubtier-Mups haben gezeigt, dass sie einzigartige Muster von sensorischen Neuronen in der Nase von Empfängermäusen aktivieren. Dies impliziert, dass die Maus sie über verschiedene neuronale Schaltkreise unterschiedlich wahrnimmt . Die Pheromonrezeptoren, die für den Mup-Nachweis verantwortlich sind, sind ebenfalls unbekannt, obwohl sie vermutlich Mitglieder der V2R-Rezeptorklasse sind .
Allergene
Zusammen mit anderen Mitgliedern der Lipocalin-Proteinfamilie können die wichtigsten Urinproteine starke Allergene für den Menschen sein. Der Grund dafür ist nicht bekannt; als mögliche Erklärung wurde jedoch eine molekulare Mimikry zwischen Mups und strukturell ähnlichen menschlichen Lipokalinen vorgeschlagen. Das Proteinprodukt der Maus- Mup6- und Mup2- Gene (früher wegen der Ähnlichkeit zwischen Maus-MUPs als Mup17 verwechselt), bekannt als Mus m1, Ag1 oder MA1, ist für einen Großteil der allergenen Eigenschaften von Mausurin verantwortlich. Das Protein ist in der Umwelt äußerst stabil; Studien haben ergeben, dass 95 % der Häuser in der Innenstadt und 82 % aller Arten von Häusern in den Vereinigten Staaten in mindestens einem Raum nachweisbare Werte aufweisen. In ähnlicher Weise ist Rat n 1 ein bekanntes menschliches Allergen. Eine US-Studie ergab, dass es in 33 % der Innenstadtwohnungen vorhanden ist, und 21 % der Bewohner waren auf das Allergen sensibilisiert. Die Exposition und Sensibilisierung gegenüber Mup-Proteinen von Nagetieren gilt als Risikofaktor für Asthma bei Kindern und ist eine der Hauptursachen für die Labortierallergie (LAA) – eine Berufskrankheit von Labortiertechnikern und Wissenschaftlern. Eine Studie ergab, dass zwei Drittel der Labormitarbeiter, die asthmatische Reaktionen auf Tiere entwickelt hatten, Antikörper gegen Ratte n 1 aufwiesen.
Auch Mup- Gene anderer Säugetiere kodieren für allergieauslösende Proteine, beispielsweise wird Fel d 4 hauptsächlich in der submandibulären Speicheldrüse produziert und bei der Fellpflege der Katze auf den Hautschuppen abgelagert . Eine Studie ergab, dass 63 % der Katzenallergiker Antikörper gegen das Protein haben. Die meisten hatten höhere Titer von Antikörpern gegen Fel d 4 als gegen Fel d 1 , ein weiteres bedeutendes Allergen Katze. Ebenso ist Equ c 1 ( Equus caballus Allergen 1; Q95182 ) das Proteinprodukt eines Pferde- Mup- Gens, das in der Leber, sublingualen und submaxillären Speicheldrüsen gefunden wird. Es ist für etwa 80 % der Antikörperantwort bei Patienten verantwortlich, die chronisch Pferdeallergenen ausgesetzt sind.
Stoffwechsel
Während der Nachweis von Mups, die von anderen Tieren ausgeschieden werden, gut untersucht wurde, ist die funktionelle Rolle beim produzierenden Tier weniger klar. Im Jahr 2009 wurde jedoch gezeigt, dass Mups mit der Regulierung des Energieverbrauchs bei Mäusen in Verbindung stehen. Wissenschaftler fanden heraus, dass genetisch bedingte fettleibige, diabetische Mäuse dreißigmal weniger Mup- RNA produzieren als ihre schlanken Geschwister. Als sie Mup-Protein direkt in den Blutkreislauf dieser Mäuse verabreichten, beobachteten sie einen Anstieg des Energieverbrauchs, der körperlichen Aktivität und der Körpertemperatur und eine entsprechende Abnahme der Glukoseintoleranz und Insulinresistenz . Sie schlagen vor, dass die positiven Auswirkungen von Mups auf den Energiestoffwechsel durch die Verbesserung der mitochondrialen Funktion in der Skelettmuskulatur erfolgen. Eine andere Studie ergab, dass Mups bei ernährungsbedingten fettleibigen Mäusen reduziert wurden. In diesem Fall schränkte die Anwesenheit von Mups im Blutkreislauf von Mäusen die Glukoseproduktion ein, indem sie direkt die Expression von Genen in der Leber hemmte .
Siehe auch
- Cis-Vaccenylacetat , ein Pheromon zur Insektenaggression
- Wichtiger Histokompatibilitätskomplex , Peptide, die auch an der individuellen Erkennung von Mäusen beteiligt sind
- Proteine, die von der Leber produziert und sezerniert werden
Anmerkungen
Verweise
Externe Links
- Duft eines Nagetiers , The Why Files – Die Wissenschaft hinter den Nachrichten
- Fear Signals from Predators auf YouTube , ein Video, das die Forschung beschreibt, die feststellte, dass Mups Kairomone waren