Мозгоспецифический белок s100: что это?

Белки s100 представляют собой семейство низкомолекулярных тканеспецифичных кальций-связывающих протеинов модуляторного действия, принимающих участие во многих физиологических процессах организма. Название характеризует способность соединений этой группы полностью растворяться в 100%-ном растворе сульфата аммония при нейтральных значениях pH.

В настоящее время известно 25 представителей этого семейства, которые характерны для разных тканей. Данная особенность говорит о том, что мозгоспецифические белки s100 — это протеины, присутствующие в клетках головного мозга и принимающие участие в нейрофизиологических процессах.

История открытия

Первый s100-протеин был выделен в 1965 году из бычьего мозга учеными Муром и Грегором. В дальнейшем белки этого семейства были найдены у млекопитающих, птиц, рептилий и человека. Изначально считалось, что s100 присутствует только в нервной ткани, но с развитием иммунологических методов протеины данной группы стали обнаруживать и в других органах.

Общая характеристика и топография

Белки семейства s100 присутствуют только у позвоночных животных и у человека. 15 из 25 протеинов этой группы являются мозгоспецифическими, большая часть которых вырабатывается астроглиальными клетками ЦНС, однако некоторая доля присутствует и в нейронах.

Установлено, что 90% всей фракции s100 в организме растворено в цитоплазме клеток, 0,5% локализовано в ядре и 5-7% связано с мембранами. Небольшая часть протеина содержится во внеклеточном пространстве, в том числе в крови и спинномозговой жидкости.

Протеин группы s100 присутствует во многих органах (кожа, печень, сердце, селезенка и др.), но в головном мозге его в сто тысяч раз больше. Самая высокая концентрация наблюдается в мозжечке. Белок s100 также активно вырабатывается в меланоцитах (клетках кожной опухоли). Это стало причиной использования данного соединения в качестве маркера тканей эктодермального происхождения.

Химически белки s100 представляют собой димеры с молекулярной массой 10-12 дальтон. Эти протеины имеют кислую природу, поскольку содержат большое количество (до 30%) остатков глутаминовой и аспарагиновой аминокислот. В состав молекул s100 не входят фосфаты, углеводы и липиды. Эти белки выдерживают нагревание до 60 градусов.

Структура и пространственная конформация

По структуре все представители семейства s100 являются глобулярными белками. В состав одной димерной молекулы входит 2 полипептида (альфа и бета), соединенные друг с другом нековалентными связями.

Большинство представителей семейства являются гомодимерами, образованными двумя одинаковыми субъединицами, но встречаются и гетеродимеры. Каждый полипептид в составе молекулы s100 имеет кальций-связывающий мотив, названный EF-рукой. Он построен по типу спираль-петля-спираль.

Белок s100 содержит 4 α-спиральных сегмента, центральную шарнирную область переменной длины и два концевых вариабельных домена (N и С).

Особенности действия

Сами по себе белки s100 не обладают ферментативной активностью. Их функционирование основано на связывании ионов кальция, которые задействованы во многих межклеточных и внутриклеточных процессах, в том числе сигнального характера. Присоединение Ca²⁺ к молекуле s100 приводит к ее пространственной перестройке и открытию целевого протеин-связывающего центра, посредством которого осуществляется взаимодействие с другими протеинами.

Таким образом, s100 не относятся к белкам, основная задача которых заключается в регуляции концентрации Ca²⁺. Протеины этой группы являются сигнал-преобразующими кальций-зависимыми биологически активными модуляторами, влияющими на внутриклеточные и внеклеточные процессы через связывание с белками-мишенями. В качестве последних могут выступать и нейромедиаторы, с чем связано влияние s100 на передачу нервных импульсов.

В настоящее время выявлено, что в роли регуляторов для некоторых s100 вместо Ca²⁺ выступают ионы цинка и/или меди. Присоединение последних может как непосредственно влиять на активность протеина, так и изменять его сродство к кальцию.

Функции

Полноценной картины биологической роли мозгоспецифических белков s100 в организме пока не существует. Тем не менее выявлено участие протеинов этой группы в таких процессах:

• регуляция метаболических реакций нервной ткани;
• репликация ДНК;
• экспрессия генетической информации;
• пролиферация глиальных клеток;
• защита от оксидативного (связанного с кислородом) повреждения клеток;
• дифференцировка незрелых нейронов;
• гибель нейронов через апоптоз;
• динамика цитоскелета;
• фосфорилирование и секреция;
• передача нервного импульса;
• регуляция клеточного цикла.

В зависимости от разновидности и места локализации мозгоспецифические протеины s100 могут оказывать как внутриклеточные, так и внеклеточные воздействия. Эффект некоторых белков зависит от концентрации. Так, широко известный белок s100B при нормальном содержании проявляет нейротрофическую активность, а при повышенном — нейротоксическую.

Внеклеточные мозгоспецифичные протеины s100 могут участвовать в воспалительных реакциях, регулировать дифференцировку глии и нейронов, а также запускать апоптоз (программируемую смерть клеток). Важность s100 была доказана в эксперименте in vitro, в котором нейроны не выживали без присутствия этого белка.

Диагностическое значение s100

Диагностическое значение s100 основано на связи его концентрации в сыворотке крови (или спинномозговой жидкости) с патологиями ЦНС и онкологическими заболеваниями. Установлено, что при повреждении глиальных клеток этот белок выходит в экстрацеллюлярное пространство, откуда поступает в спинномозговую жидкость и далее — в кровь. Таким образом, на основании повышения концентрации s100 в сыворотке можно сделать вывод о ряде патологий головного мозга. Связь между содержанием этого белка в крови и заболеваниями ЦНС была подтверждена экспериментально.

К повышению концентрации s100 во внеклеточных жидкостях приводят не только из-за разрушения клеточных преград синтезирующих этот белок клеток. Первой реакцией на многие патологии мозга является так называемый глиальный ответ, частью которого является увеличение интенсивности секреции s100 астроцитами. Увеличение содержания этого белка в крови может так же свидетельствовать о нарушении гематоэнцефалического барьера.

Контроль уровня s100 позволяет оценить степень повреждения мозга, что имеет большое значение в медицинском прогнозировании. Диагностическая связь между количеством этого протеина и нейропатологией напоминает корреляцию концентрации с-реактивного белка с системным воспалением.

Использование в качестве онкомаркера

В качестве онкомаркера белок s100 начали использовать в начале 1980-х. В настоящее время этот метод является эффективным для раннего выявления рака, рецидивов или метастаз. Наиболее часто s100 применяют в диагностике меланомы или нейробластомы.

Необходимо различать, когда анализ на этот белок проводят для определения патологий ЦНС или других болезней, а когда — для выявления рака. Если ориентировка идет именно на онкомаркер, расшифровка белка s100 должна учитывать и другие возможные причины повышения концентрации исследуемого вещества в крови. При интерпретации результатов обязательно обращают внимание на метод анализа, поскольку от него зависят границы референсного интервала (показателей нормы).

Основной недостаток маркера s100 заключается в его низкой селективности, поскольку повышение концентрации этого белка в крови и СМЖ может быть связано со многими патологиями, не обязательно раковой природы. Поэтому нельзя предавать протеину s100 определяющее диагностическое значение. Тем не менее этот белок прекрасно зарекомендовал себя в качестве сопутствующего онкологического маркера.

Уровень присутствия в сыворотке крови

В норме белок s100 должен присутствовать в сыворотке в количестве менее 0,105 мкг/л. Данное значение соответствует верхней границе концентрации у здорового человека. Превышение допустимого уровня (ДУ) s100 может свидетельствовать о:

• ДЦП;
• травме мозга;
• развитии злокачественной меланомы (либо ее рецидиве);
• наличии беременности;
• нейробластоме;
• дерматомиозите;
• охватывающих большие площади ожогах.

Уровень белка также может повышаться при стрессе или длительном нахождении организма в зоне ультрафиолетового излучения. Концентрация в крови определяется соответствующим анализом.

Выявление в организме

Выявить присутствие s100 в сыворотке крови можно несколькими способами, включая:

• иммунорадиометрический анализ (IRMA);
• масс-спектроскопию;
• вестерн-блот;
• ELISA (иммуноферментный анализ);
• электрохемилюминесценцию;
• количественную ПЦР.

Все эти аналитические методы являются высокочувствительными и позволяют очень точно определить количественное содержание s100. Так как этот белок характеризуется коротким периодом полураспада (30 минут), высокая концентрация в сыворотке возможна только при постоянном поступлении из пораженных тканей.

В клинической диагностике чаще всего используют автоматизированный электрохемилюминесцентный иммунологический анализ на белок s100. Исследование сочетает использование антител к выявляемому протеину со световой маркировкой. Прибор определяет концентрацию s100 по интенсивности хемилюминесцентного излучения.

Антитела к белку s100

В медицине антитела к протеину s100 имеют 2 сферы практического применения:

• диагностическую — применяют в иммунологических методах для выявления концентрации этого белка в сыворотке или СМЖ (в данном случае s100 является антигеном);
• лечебную — введение антител в организм применяется в терапии некоторых заболеваний.

Антитела проявляют свой эффект через модулирующее воздействие на протеины s100. Известным препаратом на такой основе является "Тенотен". Антитела к s100 оказывают благоприятное воздействие на нервную систему, улучшают передачу импульса. Кроме того, такие препараты способны купировать симптоматические проявления нарушений вегетативной функции в работе пищеварительной системы.