Receptory dla lipoprotein LDL (LDL – low density lipoprotein, LRP, CD91) to białka o niskiej masie cząsteczkowej. W skład rodziny receptorów LRP wchodzą białka: LRP1, LRP1b, LRP2 (megalina), receptor LDL, receptor lipoprotein o bardzo małej gęstości (VLDL), LRP4 (MEGF7) i LRP8 (receptor apolipoproteiny E, apoE). Pełnią one przede wszystkim funkcje transportowe i sygnalizacyjne. Receptory LRP wiążą co najmniej 30 różnych ligandów, dzięki czemu białko LRP ma działanie plejotropowe. Ekspresja receptorów LRP zachodzi m.in. w wątrobie i neuronach. Receptory LRP biorą udział w metabolizmie lipoprotein i homeostazie cholesterolu, mogą również być czynnikiem wywołującym chorobę Alzheimera. Dodatkowo połączenie receptorów LRP ze specyficznymi ligandami białek sekrecyjnych może zmieniać ekspresję niektórych genów.
1. Historia odkrycia receptorów LRP
W latach 70. XX wieku Michael S. Brown i Joseph L. Goldstein prowadzili badania, w których szukali molekularnych podstaw rodzinnej hipercholesterolemii. W trakcie trwania eksperymentów odkryli oni receptory dla lipoprotein LDL. W 1985 roku za swoje osiągnięcia otrzymali Nagrodę Nobla. Od tego czasu trwały intensywne badania nad receptorami LDL, którym przypisywano rolę w zachowaniu homeostazy cholesterolu i usuwaniu cząsteczek LDL z krążenia. [12]
W 1988 roku Herz i wsp. odkryli receptory LRP1. [15] Dziś wiemy, że białka z tej rodziny receptorów odpowiadają za szereg funkcji, w tym za transport i aktywację hormonów steroidowych, regulację homeostazy jonów wapnia oraz kluczową rolę w sygnalizacji międzykomórkowej podczas rozwoju embrionalnego. [12]
W latach 2007-2009 wykazano związek między nieprawidłowym metabolizmem glukozy (insulinoopornością) a nadciśnieniem tętniczym płucnym u myszy i u ludzi. Od tego czasu odkryto, że nieprawidłowości w wielu przecinających się szlakach metabolicznych (glukozy, lipidów, glutaminy i innych) w prawej komorze serca, naczyniach płucnych i mięśniach szkieletowych mają istotne znaczenie w ekspresji objawów klinicznych. Przedstawiciele rodziny receptorów LDL odgrywają kluczową rolę w mechanizmie powstawania tej choroby. [12] W 2013 roku zostało opublikowane obszerne badanie wskazujące na właściwości ochronne receptorów LDL przed rozwojem nadciśnienia płucnego. Ich autorem byli Douglas i wsp. [13] Wyniki badań zostały potwierdzone i rozszerzone w niedawnym artykule autorstwa Umara i wsp. z 2020 r. [14]
2. Budowa receptorów LRP
Receptory LRP zbudowane są z dużej domeny zewnątrzkomórkowej, pojedynczej domeny transmembranowej i końca cytoplazmatycznego zawierającego od jednego do trzech motywów NPxY. Domena zewnątrzkomórkowa odpowiada za wiązanie ligandów. [1] W łańcuchu polipeptydowym LRP obecnych jest także sześć homologicznych domen zawierających czynniki wzrostu naskórka (EGF). [2]
3. Rodzaje receptorów LRP
3.1. Receptory LRP1
Białka związane z receptorem lipoprotein o niskiej gęstości 1 (LRP1) są dużymi proteinami endocytarnymi, powszechnie występującymi w tkankach. Ich największą ekspresję obserwuje się na hepatocytach, komórkach mięśni gładkich naczyń krwionośnych i na neuronach. Receptory te kodowane są przez gen LRP1. Znane są z różnorodnego działania, począwszy od transportu lipoprotein i regulację aktywności proteaz na powierzchni komórek, przez kontrolę przedostawania się do komórek toksyn bakteryjnych i wirusów, po modulację ekspresji białek pochodzących z płytek krwi. [4] Ich ligandami są białka macierzy zewnątrzkomórkowej, czynniki wzrostu, proteazy, kompleksy inhibitorów proteaz i inne białka zaangażowane w metabolizm lipoprotein. [6] Wiązanie czynników wzrostu w ścianach naczyń krwionośnych chroni je przed rozwojem miażdżycy. [4]
3.2. Receptory LRP1b
Gen dla receptora LRP1b leży na chromosomie 2q22.1. Receptory LRP1b znajdują się w ośrodkowym układzie nerwowym, a także w tarczycy, mięśniach szkieletowych i w jądrach. Wchodzą także w skład egzosomów. Do ekspresji LRP1B dochodzi w błonach komórkowych oraz w pęcherzykach błonowych. Każdy receptor LRP1b ma cztery miejsca wiążące ligandy. Poszczególne receptory LRP1b rozpoznają ponad 30 ligandów, m.in. kompleksów lipoproteinowych i proteinaz. Podstawową funkcją receptorów LRP1b jest regulacja endocytozy. Efektem tego procesu jest usuwanie nadmiaru ligandów ze środowiska zewnątrzkomórkowego. Receptory te mogą łączyć się z innymi receptorami błonowymi, takimi jak integryny i receptorowe kinazy tyrozynowe, a także z wewnątrzkomórkowymi cząsteczkami sygnalizacyjnymi, modyfikując szlaki sygnałowe. [7]
3.3. Receptory LRP2 (megaliny)
Receptory LRP2, zwane także megalinami, są największymi proteinami z rodziny LRP. Ich masa cząsteczkowa wynosi około 600 kDa. Mają możliwość wiązania wielu ligandów. Są biomarkerem zapalenia nerek. Odgrywają ważną rolę w resorpcji zwrotnej różnych cząsteczek w kanalikach nerkowych bliższych oraz uczestniczą w wychwycie hemoglobiny w cewkach proksymalnych nerek. Megaliny biorą również udział w tworzeniu szlaków sygnalizacyjnych pomiędzy komórkami. [4] Megalina jest endocytarnym receptorem dla (pro)reniny i wykazuje preferencję dla jej wiązania. Endocytoza za pośrednictwem megaliny wymaga receptora (pro)reniny. Upośledzona ekspresja lub transport megaliny zwiększa poziom reniny i proreniny w moczu. [5]
3.4. Receptory LDL
Receptory LDL umiejscowione są na powierzchni hepatocytów. Ich ilość zwiększa się lub maleje w zależności od zapotrzebowania komórki na cholesterol. Receptory te zbudowane są z 839 aminokwasów. Ich gen znajduje się na chromosomie 19p13.2. Receptory LDL syntetyzowane są w siateczce śródplazmatycznej, a następnie przenoszone na powierzchnię komórki. Proces ten regulowany jest przez enzym proteolityczny konwertazę propeptydową (ang. proprotein convertase subtilisin kexin, PCSK9). Receptory LDL wiążą apolipoproteinę B-100 i apolipoproteinę E. [3] Ich główną funkcją jest zachowanie homeostazy cholesterolu poprzez endocytozę za pośrednictwem receptora cząstek LDL bogatych w cholesterol. Ich rola polega na wychwycie lipoprotein. Mutacje genu receptora LDL leżą u podstaw rodzinnej hipercholesterolemii. [4]
3.5. Receptory lipoprotein o bardzo małej gęstości (VLDL)
Gen receptora VLDL zlokalizowany jest w locus 9p24 na chromosomie 9. Receptory te znajdują się w sercu, w mięśniach szkieletowych, w tkance tłuszczowej i w mózgu, a także w makrofagach i komórkach śródbłonka naczyń włosowatych. Ekspresja receptorów VLDL zachodzi w mózgu (głównie w korze i w móżdżku), a także w nerkach, śledzionie i komórkach śródbłonka aorty. Receptory te nie występują w wątrobie. [8] Odgrywają ważną rolę w wychwycie cholesterolu, metabolizmie lipoprotein bogatych w triacyloglicerol i apolipoproteiny E. Biorą także udział w migracji neuronów w rozwijającym się mózgu. Wyróżnia się cztery izoformy tych receptorów: I, II, III i IV. Mutacje genów dla VLDL mogą prowadzić do wielu chorób, w tym lizencefalii (gładkomózgowia), hipoplazji móżdżku i miażdżycy. [9]
3.6. Receptory LRP4 (MEGF7)
Receptory LRP4 zlokalizowane są na neuronach ruchowych. Tworzą kompleksy z receptorami kinazy tyrozynowej pochodzącej z mięśni szkieletowych. Proces ten zachodzi w sposób zależny od agryny. Prawidłowa ekspresja receptora LRP4 ma kluczowe znaczenie dla tworzenia połączeń nerwowo-mięśniowych. Zaburzenie aktywności LRP4 w komórkach mięśniowych osłabia wiązanie agryny i fosforylację tyrozyny, co w konsekwencji prowadzi do grupowania receptora acetylocholiny. Zaburzona ekspresja tego neuroprzekaźnika wpływa negatywnie na kurczliwość mięśni, powodując ich wiotkość. Natomiast zakłócenie funkcji LRP4 w komórkach nerwowych o cechach pobudzających zmniejsza liczbę synaps w neuronach receptorów węchowych i w neuronach projekcyjnych. [10]
3.7. Receptory LRP8 (receptory apolipoproteiny E, apoE)
Gen dla receptora LRP8 leży na chromosomie 1 w pozycji 32.3. Receptory te należą do rodziny białek o małej gęstości. Biorą udział w przekazywaniu sygnału i w endocytozie specyficznych ligandów. Poprzez interakcje z jednym ze swoich ligandów, reeliną, receptory te odgrywają ważną rolę w migracji neuronów u płodu i długotrwałym wzmocnieniu impulsów nerwowych po urodzeniu. Związana z tym procesem zwiększona plastyczność synaptyczna jest niezbędna w rozwoju pamięci, uczeniu się i rozumowaniu przestrzennym. W połączeniu z receptorem VLDL polipeptyd LRP8 wpływa na rozwój i funkcjonowanie mózgu. Zmniejszona ekspresja LRP8 oddziałuje na rozwój niektórych schorzeń o podłożu proliferacyjnym i neurodegeneracyjnym, m.in. choroby Alzheimera i zaburzeń depresyjnych. Nadekspresję receptora LRP8 stwierdzono w wielu typach nowotworów, w tym w nowotworach piersi, żołądka, prostaty, płuc i w czerniaku. [11]
4. Ligandy receptorów LRP
Za wiązanie ligandów odpowiada domena zewnątrzkomórkowa białka LRP. Do najważniejszych ligandów należą lipoproteiny, proteinazy i kompleksy ich inhibitorów, białka macierzy zewnątrzkomórkowej (ang. extracellular matrix, ECM), toksyny bakteryjne, wirusy i niektóre białka cytoplazmatyczne. Wśród białek wewnątrzkomórkowych będących ligandami dla LRP wyróżnia się białka HSP-96, białko Tat wirusa HIV-1 i białka opiekuńcze dla LRP (np. białko RAP). Niektóre proteinazy serynowe i metaloproteinazy wiążą się bezpośrednio z LRP, podczas gdy wiele innych ligandów jest rozpoznawane przez LRP dopiero po zmianach konformacyjnych zachodzących w procesie proteolizy lub reakcji z aminami. Za możliwość wiązania takiej ilości ligandów odpowiadają poszczególne domeny łańcucha polipeptydowego. [2]
W ostatnich latach zwraca się uwagę na funkcje ogona cytoplazmatycznego białka LRP. Prawdopodobnie on także jest odpowiedzialny za wiązanie ligandów. Motywy NPxY oddziałują z białkami cytoplazmatycznymi posiadającymi domeny wiążące fosfotyrozynę. Motywy NPxY mogą działać niezależnie od siebie, dzięki czemu pośredniczą w szybkich reakcjach komórkowych. [2]
5. Funkcje receptorów LRP
5.1. Udział receptorów LRP w metabolizmie komórkowym
Białko LRP jest regulatorem zewnątrzkomórkowej aktywności proteolitycznej. Odgrywa ważną rolę w migracji komórek, zarówno zdrowych, jak i nowotworowych. Białko LRP bierze udział w kontroli działania poszczególnych elementów szlaków sygnałowych, takich jak napływ jonów wapnia do komórki, synteza fosforanu inozytolu czy też aktywacji kinaz białkowych. Reguluje również poziom metaloproteinaz i kolagenaz oraz ich inhibitorów. Funkcją białek LRP jest informowanie komórki docelowej o warunkach środowiskowych. [2]
5.2. Udział receptorów LRP w metabolizmie lipoprotein
Receptory LRP odgrywają znaczącą rolę w metabolizmie lipoprotein i w homeostazie cholesterolu. Receptor LRP przyłącza apoE. Kompleks ten wiąże lipazy, które są bezpośrednio zaangażowane w przekształcanie lipoprotein w bogate w triglicerydy chylomikrony. [2] Chylomikrony powstają w błonie śluzowej jelit podczas wchłaniania produktów trawienia. Następnie są one przetwarzane w krążeniu obwodowym przez lipazę lipoproteinową, która katalizuje rozkład trójglicerydów w chylomikronach do wolnych kwasów tłuszczowych i gliceryny. Powstałe pozostałości chylomikronów, które są lipoproteinami bogatymi w cholesterol, są następnie wychwytywane w wątrobie. Receptory LDL odgrywają ważną rolę w metabolizmie cholesterolu poprzez pośredniczenie w wychwycie LDL z osocza do komórek. Dodatkowo receptory LDL kontrolują metabolizm wątroby. [16] Receptory LRP pochodzenia neuronalnego pośredniczą zaś w wychwycie cholesterolu pochodzącego z astrocytów. Funkcja ta jest szczególnie ważna w kontekście patogenezy choroby Alzheimera i roli cholesterolu komórkowego w syntezie beta-amyloidów. [2] Beta-amyloidy są białkami otrzymywanymi w procesie proteolizy z transbłonowego białka prekursorowego beta-amyloidu (APP). Odgrywają one kluczową rolę w patogenezie choroby Alzheimera. [17]
5.3. Udział receptorów LRP w nowotworzeniu
Główną funkcją receptorów LRP jest usuwanie nadmiernej zewnątrzkomórkowej aktywności proteolitycznej. Aktywność ta jest znacznie zmniejszona w przypadku raka. Ponadto receptory LRP wykazują wysokie powinowactwo do białek metalopeptydaz (MMP). Białka MMP uczestniczą w procesach nowotworzenia. W efekcie zmniejszonej aktywności receptorów LRP i wysokiej ekspresji białek MMP dochodzi do akumulacji proteinaz w miejscach rozrostu guzów nowotworowych. Występuje także istotna korelacja pomiędzy fenotypem raka a niską ekspresją LRP w komórkach nowotworowych. [2]
5.4. Udział receptorów LRP w zakażeniach
Receptory LRP mogą być miejscami wnikania bakterii i wirusów do komórek. Przyjmują wtedy rolę receptorów dokujących na powierzchni komórki, pośrednicząc w endocytarnym wychwycie toksyn. Niektóre egzotoksyny przedostają się do komórki wyłącznie poprzez receptory LRP. Toksyny wiążą się z receptorem na powierzchni komórki za pomocą domeny fuzogennej, która pośredniczy w translokacji toksyn do cytoplazmy. Domena enzymatyczna pośredniczy w ADP-rybozylacji, zatrzymując w ten sposób syntezę białek w komórce. [2]
Receptor LRP odgrywa także rolę w aktywacji wirusa HIV. W tym przypadku LRP działa jako receptor białka HIV-Tat, transaktywator dla genów wirusowych wydzielanych przez makrofagi i inne zakażone komórki, w których replikuje się wirus HIV. Białko Tat wiąże LRP i w ten sposób ulega internalizacji. Sposób, w jaki powstały kompleks opuszcza endosomy, nie jest dobrze poznany. Wiadomo, że kompleks ten wchodzi do jądra komórek docelowych, gdzie stymuluje transkrypcję uśpionego wirusa. Uważa się, że proces ten ma szczególne znaczenie w układzie nerwowym, w którym receptor ten obficie występuje. Tam ulega ekspresji na neuronach, gdzie może przyspieszać otępienie towarzyszące zaawansowanemu zakażeniu wirusem HIV. [2]
5.5. Wpływ receptorów LRP na układ nerwowy
Receptory LRP biorą udział w neurotransmisji sygnałów. Receptory obecne na powierzchni neuronów biorą udział w długotrwałym wzmocnieniu synaptycznym (LTP) i w regulacji neuroplastyczności synaptycznej. [2]
Szereg badań sugeruje, że receptory LRP przyczyniają się do rozwoju choroby Alzheimera. Przyciągają bowiem inne białka biorące udział w patomechanizmie tej choroby. Dodatkowo poziom receptorów LRP fizjologicznie zmniejsza się wraz z wiekiem, co jest głównym czynnikiem ryzyka choroby Alzheimera. Wkład receptorów LRP w patomechanizm choroby Alzheimera jest złożony, a badania pokazują, że LRP ma zdolność wpływania zarówno na produkcję, jak i na klirens beta-amyloidów. Jednocześnie beta-amyloidy wiążą się z ligandami LRP. W mózgu pacjentów cierpiących na tę chorobę występuje niski poziom receptorów LRP z jednoczesnym polimorfizmem genu C776T. Zmniejszona ekspresja receptorów LRP może prowadzić do zmniejszonego katabolizmu alfa-2-makroglobuliny i apoE oraz do promowania powstawania beta-amyloidów, co skutkuje ich zwiększonym odkładaniem się. Jednocześnie nadmierna ekspresja receptorów LRP prowadzi do zaburzeń w działaniu mikrogleju w mózgu i może skutkować zwiększoną produkcją beta-amyloidów. Gwałtowne zmiany w poziomach receptorów LRP w układzie nerwowym upośledzają procesy neuroplastyczności synaptycznej i wręcz mogą prowadzić do degeneracji neuronów. [2]
5.6. Udział receptorów LRP-5 w patomechanizmie osteoporozy
Osteoporoza jest chorobą cechującą się zmniejszeniem masy kostnej i zaburzeniami struktury szkieletu. Najczęstszą konsekwencją choroby są złamania kości. W rozwoju osteoporozy biorą udział kompleksy LRP5/Wnt. Szlak Wnt stanowi jedną z dróg wewnętrznego przekazywania sygnałów. Przyłączenie antagonistów szlaku Wnt do receptorów LRP blokuje ich dostępność dla Wnt, co hamuje osteoblastogenezę. [18]
Osteoblasty biorą udział w tworzeniu kości, odpowiadają za ich twardość i poziom zmineralizowania. Hamowanie osteoblastogenezy prowadzi do zwiększenia aktywności komórek kościogubnych. Następuje stopniowa utrata masy kostnej oraz rozpuszczanie składników mineralnych zawartych w kościach. Zaburzeniu ulega struktura blaszek kostnych istoty gąbczastej. Tkanka kostna staje się słabsza i mniej odporna na działanie czynników uszkadzających. W efekcie kości mają większą tendencję do złamań. [20]
Wśród podłoży osteoporozy wskazuje się zaburzenia w strukturze chromosomu, na którego locus leży gen LRP-5. Mutacje tego genu prowadzą do rozwoju chorób układu kostnego, m.in. osteoporozy, i predysponują do częstych złamań kości. Zmiany w genie LRP-5 powodują także polimorfizm białek odpowiedzialnych za gęstość mineralną kości. [19]