Информация за статия

Резюме

Този преглед предоставя обобщение на последните открития в холиновия транспорт и медииращите го протеини със специфичен фокус върху холиноподобните протеиноподобни протеини (CTL)/носители на разтворени вещества 44 A (SLC44A) и тяхната роля в метаболизма на фосфолипидите. От първоначалното му клониране, по-специално, CTL1/SLC44A1 транспортерът е изследван допълнително и неговата повсеместна експресия се характеризира в различни клетки и тъкани от миши, плъхове и човешки произход. Ние описваме ролята на този холинов транспортер както в плазмената мембрана, така и в митохондриите и обобщаваме нови аспекти на регулирането на холиновия транспорт в мускулите, нервната система и рака.

фосфолипиден

Изявление за въздействието

Този преглед ще даде обобщение на последните постижения в изследванията на транспорта на холин и ще подчертае важни нови области на фокус в тази област.

Въведение и цел

В нашия преглед, публикуван през EBMпрез 2006 г. 1 очертахме значението на холина като хранително вещество, което е от решаващо значение за синтеза на мембранните градивни елементи фосфатидилхолин и сфингомиелин и като донор на метилова група в цикъла на хомоцистеин-метионин. Нашият преглед последва малко след първоначалното клониране на повсеместния носител на холин транспортен разтвор 44A1 (SLC44A1)/подобен на холин транспортер протеин (CTL1). Целта на този преглед е да предостави актуална информация за изследванията на транспорта на холин оттогава, с акцент върху откритията, свързани с медииращите го протеини.

Значение на холина

Холинът не може да се синтезира от човешкото тяло и следователно е основно хранително вещество. Адекватният дневен прием на холин се препоръчва при 550 mg/ден за мъже и 425 mg/ден за жени от Медицинския институт и 400 mg/ден за всички възрастни от Европейския орган за безопасност на храните. Тези препоръки често не се изпълняват, като в световен мащаб дневният прием е от 284 mg/ден до 468 mg/ден за мъже и 263 mg/ден до 374 mg/ден за жени. 2 Данните, получени от Националното проучване за здравни и хранителни изследвания между 2013 и 2014 г., също показват, че приемът на холин е по-нисък от препоръчаните за мъже в Северна Америка (402 mg) и жени (278 mg), 3 и въпросник за храна в Канада разкрива подобни нива за канадските мъже (372 mg/ден) и жени (292 mg/ден). 4 В Европа приемът на холин варира от 269 до 468 mg/ден при възрастни, както е определено в националните хранителни панели на седем европейски държави. 5 Бременните и кърмещите жени често не отговарят на препоръките, което е важно, тъй като адекватният прием на холин може да предотврати дефекти на невралната тръба и прееклампсия при тази популационна група и е особено важен за растежа и развитието на кърменото новородено.

Ако доставката на холин е недостатъчна, хранителните мазнини се натрупват в черния дроб, причинявайки безалкохолен стеатохепатит поради липсата на фосфолипиди, които са градивни елементи на липопротеините. Това чернодробно заболяване в резултат на недостиг на холин е широко характеризирано при животински модели и хора. 6–9 На молекулярно ниво дефицитът на холин причинява разкъсване на веригите на ДНК, 10 което е следствие от нарушено метилиране на ДНК поради липсата на метилови групи, променен състав на митохондриалната мембрана и следователно изтичане на реактивни кислородни видове и намален синтез на тимидилат поради липсата на фолиева киселина. 11.

Фамилията холинов транспортер на SLC44A протеини

Като заредена молекула, холинът не може свободно да преминава през мембранния липиден бислой и зависи от протеиновите транспортери, които влизат в клетката. Идентифицирани са три различни транспортни системи за холин (Фигура 1). Високоафинитетният холинов транспортер CHT1 е структурно тясно свързан със семейството на котранспортери на SGLT-натриева глюкоза и посредничи за Na + -зависим транспорт на холин през плазмената мембрана в невронните тъкани. Целта на този транспорт е да осигури холин за синтеза на невротрансмитера ацетилхолин. Холинът може също да се транспортира от членовете OCT1 и OCT2 от семейството на органични катионни транспортери (OCT) с нисък афинитет. Тези полиспецифични транспортни протеини имат свързващ афинитет към холина във високия микромоларен диапазон и зависят от мембранния потенциал за холинов транспорт.

Фигура 1. Холинови транспортери за синтез на бетаин, ацетилхолин и фосфолипиди. CTL (SLC44A1 и -2) и OCT са широко експресирани, докато холиновият транспортер CHT1 е специфичен за неврони. Посочени са функции, предложени, но непотвърдени (?). CDP: цитидин дифосфат; CDP-холин: цитидилдифосфохолин; CHT1: холинов транспортер CHT1 в специфичен за неврона; ОСТ: транспортер на органичен катион; SLC44A: разтворени носители 44 A.

Семейството SLC44A се характеризира само през последните години и включва пет протеина, наречени SLC44A1 до SLC44A5, които всички са протеини с приблизително 70 kDa. Въз основа на хомологията на последователностите, SLC44A1 и SLC44A3 образуват подгрупа, докато SLC44A2, SLC44A4 и SLC44A5 споделят идентичност на последователността помежду си. 12 От тези протеини само SLC44A1 е твърдо установен като транспортер на холин (Фигура 1), но някои данни показват, че SLC44A2 може да транспортира и холин. 13,14 SLC44A4 изглежда участва в не-невронния синтез на ацетилхолин. 15 Функцията на SLC44A3 и A5 остава все още неясна към днешна дата. През последните години, по-специално SLC44A1 е допълнително проучен.

Фигура 2. CTL1 протеинова структура. Топологията и характеристиките на мембраната CTL1 са идентифицирани като силно запазени сред различни видове и в семейството SLC44A. SLC44A: разтворени носители 44 A.

Проучванията за поемане на холин установяват CTL1/SLC44A1 като Na + -независим транспортер на холин в плазмената мембрана на различни клетки и тъкани. 18,23,24 CTL1/SLC44A1-медииран транспорт на холин изглежда е свързан както с фосфолипидния, така и с бетаиновия синтез, но може също така да медиира холиновия транспорт за не-невронния синтез на ацетихолин 25–27 (Фигура 1). CTL1/SLC44A1 има междинен афинитет към холин, с Kmin в ниския микромоларен диапазон. Подобно на високоафинитетния холинов транспортер CHT1, CTL1 селективно се инхибира от холиновия аналог хемихолиний-3 (СН-3), но с много по-ниска чувствителност. През последните години по-нататъшни проучвания за поемане на холин потвърдиха експресията и холиновата транспортерна функция на CTL1/SLC44A1 в човешки белодробни алвеоларни клетки, 28 макрофаги, получени от костен мозък на мишки, 42 епителни клетки от бъбречни тубули на плъхове, 30 човешки кератиноцити, 31 микросъдови ендотелни клетки на човешки мозък, 14 синовиални фибробласти на ревматоиден артрит, 40 миши мускулни и чернодробни клетъчни линии, 32,33 и множество ракови клетъчни линии 26,28,34 –39,41, както е обобщено в Таблица 1.

Таблица 1. Изследвания за оценка на поемането на холин в клетки с SLC44A1 като основен транспортер на холин.

Таблица 1. Изследвания за оценка на поемането на холин в клетки с SLC44A1 като основен транспортер на холин.

Митохондриални холинови транспортери

Нова важност на холина в мускула

Наскоро установихме, че мускулният транспорт на холин се регулира от мастни киселини, което предполага корелация между метаболизма на глицеролипидите и наличността на холин. 46 В това проучване лечението на миши тръби на мишки с палмитинова киселина намалява общото съдържание на протеин SLC44A1 и SLC44A1 в плазмената мембрана, докато тази фракция SLC44A1 не се влияе от лечението с олеинова киселина. На свой ред, олеиновата киселина намалява количеството SLC44A1 протеин в митохондриалната мембрана, докато обработките с палмитинова киселина нямат ефект върху тази фракция. Следователно, палмитиновата киселина намалява поемането на холин през плазмената мембрана с 50%.

Няколко участници в проучването, които консумират диета с ниско съдържание на холин, представени с увреждане на мускулите, а не с увреждане на черния дроб в скорошно проучване 22, което допълнително подкрепя схващането, че функционалният метаболизъм на холин е от решаващо значение за нормалната функция на скелетните мускули. Интересното е, че съществува връзка между мускулната дисфункция и полиморфизмите на холиновия транспортен протеин SLC44A1, който е изобилен в скелетните мускули 18 и е регулиран в многобройни миопатии. 47 При мишки, на които липсва един алел на CTP: фосфоетаноламин цитидилил трансфераза (Pcyt2 +/− мишки), добавянето на холин успя да възстанови метаболизма на липидите и следователно да облекчи нарушенията в метаболизма на глюкозата в скелетните мускули на тези мишки. 48 Холинът намалява натрупването на триглицериди, като намалява синтеза на мастни киселини и липогенезата в мускулите на тези мишки, увеличава окисляването на мастни киселини и подобрява сигнализирането за инсулин. В обобщение, тези скорошни данни показват, че холинът е не само важен за липидния метаболизъм в черния дроб, но че холиновият дефицит може да промени фосфатидилхолиновия метаболизъм и вследствие на това целия метаболизъм на глицеролипидите в мускулните клетки.

В допълнение към фосфолипидния синтез, CTL1/SLC44A1 и CTL2/SLC44A2 могат да медиират транспорта на холин за не-невронни холинергични системи, тъй като наскоро беше установено, че и двата протеина са основните транспортери на холин в макрофагите и фибробластите на синовиума и хрущяла на тазобедрената става в пациенти с артрит. 49 Ревматоидният артрит изглежда е свързан с холинергичната противовъзпалителна система и холиновите транспортери в тазобедрената става изглежда посредничат на холиновия транспорт за синтез на ацетилхолин.

Значението на функционалния транспорт на холин във фибробластите беше допълнително установено чрез анализ на кожни фибробласти от пациент с POTS и очевиден дефицит на холин. 43 Експресията на CTL1/SLC44A1 е намалена в тези клетки и следователно транспортът на холин е намален. Мембранната хомеостаза е нарушена във фибробластите, което се отразява от редуцирани съотношения фосфатидилхолин: фосфатидилетаноламин и сфингомиелин: холестерол и променен състав на фосфолипидни мастни киселини. Това проучване представи първия известен случай на намалена експресия на CTL1/SLC44A1 при пациент и произтичащата от това митохондриална дисфункция, намален транспорт на холин и нарушена мембранна хомеостаза.

Връзка между CTL1/SLC44A1 и рак

Възникваща роля на CTL1/SLC44A1 в нервната система

Значението на холина за адекватното снабдяване с фосфолипиди в мозъка се отразява в ползите от приема на холин върху познанието. Мозъкът на пациентите с болестта на Алцхаймер има намалени нива на фосфатидилхолин и фосфатидилетаноламин и повишени нива на техните метаболити, глицерофосфохолин и глицерофосфоетаноламин. Нещо повече, допълнителен фосфатидилхолин може да бъде синтезиран чрез метилиране на фосфатидилетаноламин от ензима фосфатидилетаноламин-N-метилтрансфераза (PEMT). Този ензим се експресира предимно в черния дроб, но има и PEMT активност в мозъка, която е най-висока в перинаталния период. Метиловите групи за тази реакция произхождат от S-аденозилметионин (SAM), който се генерира чрез метилиране на хомоцистеин до метионин, последвано от аденилиране на метионин за образуване на SAM. Метилтетрахидрофолатът и бетаинът могат да осигурят метилови групи за този път. Следователно доставката на холин в мозъка е от решаващо значение за осигуряване на адекватен синтез на фосфолипиди в този орган.

Докато CHT1 е медиатор на високоафинитетния холинов транспорт за синтез на ацетилхолин в холинергични нервни окончания, повсеместният холинов транспортер CTL1/SLC44A1 също се изразява в човешки мозък 47 и мишка 18, в неврони и олигодендроцити, 54 и в култивирани астроцити, 24 неврона, 55, както и мозъчни микросъдови ендотелни клетки 14 (вж. Мишел и Бакович 19 за обобщение на CTL1/SLC44A1 профила на експресия на нервната система). От протеините SLC44A само CTL1 се експресира значително в нервната система, докато SLC44A2 едва се открива и SLC44A3-5 не се експресира. През 2009 г. беше показано, че нокдаунът CTL1/SLC44A1 предотвратява растежа на холинергична клетъчна линия на невробластом. 36 Тази клетъчна линия не експресира CHT1, но се характеризира с високоафинитетен транспорт на холин, медииран от CTL1/SLC44A1, сочейки по-нататък към ролята на транспортера в нервната система. В момента проучваме допълнително ролята на CTL1/SLC44A1 в мозъка. Съдейки по нашите резултати, холиновият транспортер е свързан с неврогенеративно заболяване и липсата му в мозъка води до нарушаване на фосфолипидния метаболизъм и в резултат на това много дълговерижна хомеостаза на мастните киселини.

Генна транскрипция и регулация с наличност на холин

CTL1/SLC44A1 регулиране чрез метилиране не е установено. Промоторът CTL1/SLC44A1 е богат на CpG последователност и те могат да бъдат хипо-хиперметилирани на някои етапи от развитието и/или поради наличието на холин. Трябва да се установи глобалното CpG-метилиране и степента на метилиране на специфични CpG места в CTL1/SLC44A1 промотора. Състоянието на метилиране на генните сегменти CTL1/SLC44A1, за които вече установихме, че съдържат няколко функционални острова CpG 47, може да бъде наблюдавано заедно с метилирането на инсулиноподобния растежен фактор (Igf2) като холин чувствителен контрол, тъй като регулирането на Igf2 чрез метилирането е добре характеризирано и е известно, че се регулира от холин. 60 –62

Заключения и перспективи

От първоначалното клониране, по-специално CTL1/SLC44A1 протеинът се характеризира като Na + -независим, HC3-чувствителен холин транспортер, който е повсеместно експресиран. Той медиира транспорта на холин както през плазмената мембрана, така и през митохондриалната мембрана и е свързан с всички аспекти на метаболизма на холина, напр. синтез на бетаин, фосфолипид и ацетилхолин. В допълнение към ролята му в класическите органи на метаболизма на фосфолипидите, като черния дроб, вълнуващите нови данни изясняват новите роли на протеина в мускулите и нервната система. Наблюдаваната свръхекспресия на CTL1/SLC44A1 в раковите клетки може да бъде свързана с голямото търсене на фосфолипиди на тези клетки и бъдещите изследвания трябва да изяснят потенциала за манипулация на този холинов транспортер, за да се намали растежа на раковите клетки. Бъдещите епигенетични изследвания трябва да допълнят анализите на промотор/транскрипционен фактор и да дадат повече прозрения за регулирането на експресията на CTL1/SLC44A1 според строгите изисквания за холин по време на клетъчния растеж, диференциация и развитие.

Принос на автора

И двамата автори са писали, съставяли и редактирали ръкописа.