Ergänzungskomponente 4 - Complement component 4

Die Komplementkomponente 4 ( C4 ) ist beim Menschen ein Protein, das am komplizierten Komplementsystem beteiligt ist und aus dem humanen Leukozyten-Antigen- (HLA)-System stammt. Es erfüllt mit den anderen zahlreichen Komponenten eine Reihe von kritischen Funktionen in Bezug auf Immunität, Toleranz und Autoimmunität. Darüber hinaus ist es ein entscheidender Faktor, um die durch Antikörper-Antigen (Ab-Ag)-Komplexe initiierten Erkennungswege des Gesamtsystems mit den anderen Effektorproteinen der angeborenen Immunantwort zu verbinden. Beispielsweise kann die Schwere eines dysfunktionalen Komplementsystems zu tödlichen Krankheiten und Infektionen führen. Komplexe Variationen davon können auch zu Schizophrenie führen . Dennoch ist das C4 - Protein stammt aus einem einfachen Zwei-Locus allelische Modell, die C4A - C4B Gene, die für eine reichliche Variation in den Ebenen ihrer jeweiligen Proteine innerhalb einer Population ermöglicht. Ursprünglich im Kontext des Chido/Rodgers-Blutgruppensystems definiert, wird das genetische Modell C4A-C4B auf seine mögliche Rolle bei Schizophrenierisiko und -entwicklung untersucht.

Geschichte

Eine der früheren genetischen Studien zum C4-Protein identifizierte zwei verschiedene Gruppen, die in einem menschlichen Serum gefunden wurden, die als Chido/Rogers (Ch/Rg)-Blutgruppen bezeichnet werden. O'Neill et al. haben gezeigt, dass zwei verschiedene C4-Loci die verschiedenen Ch/Rg-Antigene auf den Membranen von Erythrozyten exprimieren. Genauer gesagt fungieren die beiden Proteine ​​Ch und Rg zusammen als Medium für die Wechselwirkung zwischen dem Ab-Ag-Komplex und anderen Komplementkomponenten. Darüber hinaus sind die beiden Loci mit dem HLA oder dem menschlichen Analogon des Haupthistokompatibilitätskomplexes (MHC) auf dem kurzen Arm von Chromosom 6 verbunden, während zuvor angenommen wurde, dass sie von zwei kodominanten Allelen an einem einzigen Locus exprimiert wurden. In Gelelektrophoresestudien haben O'Neill et al. haben zwei genetische Varianten identifiziert: F, das das Vorhandensein (F+) oder das Fehlen (f0/ f0) von vier sich schnell bewegenden Bändern anzeigt, und S, das das Vorhandensein (S+) oder das Fehlen (s0/ s0) von vier sich langsam bewegenden Bändern anzeigt. Die Homogenität oder Heterogenität der beiden Loci, mit dem Hinzufügen dieser Null-(f0, s0)-Gene, ermöglicht die Duplikation/Nicht-Duplikation der C4-Loci. Daher mit getrennten Loci für C4, C4F und C4S (später als C4A oder C4B identifiziert, jeweils), Konto möglicherweise für mehr allelen Formen produzieren, was zu der großen Größe und Anzahl Variation kopieren .

Zwei wichtige Mitwirkende, Carroll und Porter, zeigten in ihrer Studie zum Klonen des menschlichen C4-Gens, dass alle sechs ihrer Klone das gleiche C4-Gen enthielten. Das C4-Protein besteht aus 3 Untereinheiten (α, β und γ) mit Molekulargewichten (MWs) von ~95.000, 78.000 bzw. 31.000 und sie sind alle durch Disulfidbrücken zwischen den Ketten verbunden. In einer Studie von Roos et al. wurde festgestellt, dass die α-Ketten zwischen C4A und C4B leicht unterschiedlich sind (MW von ~96.000 bzw. 94.000), was beweist, dass es tatsächlich einen strukturellen Unterschied zwischen den beiden Varianten gibt. Darüber hinaus implizierten sie, dass ein Mangel an C4-Aktivität auf die strukturellen Unterschiede zwischen den α-Ketten zurückgeführt werden könnte. Dennoch zeigten Carroll und Porter, dass es eine 1500-bp-Region gibt, die als Intron in der genomischen Sequenz fungiert, von der sie glaubten, dass sie die bekannte C4d-Region ist, ein Nebenprodukt der C4-Aktivität. Carrollet al. später veröffentlichte Arbeiten, die die Struktur und Organisation der C4-Gene charakterisierten, die sich in der HLA-Klasse-III-Region befinden und mit C2 und Faktor B auf dem Chromosom verbunden sind. Durch Experimente mit Restriktionskartierung, Nukleotidsequenzanalyse und Hybridisierung mit C4A und C4B fanden sie heraus, dass die Gene tatsächlich ziemlich ähnlich sind, obwohl sie Unterschiede aufweisen. Beispielsweise wurden Einzelnukleotidpolymorphismen nachgewiesen, die es ermöglichten, Klassenunterschiede zwischen C4A und C4B zu sein. Darüber hinaus würden Klassen- und Allelunterschiede die Leistung der C4-Proteine ​​mit dem Immunkomplex beeinflussen. Schließlich konnten sie durch Überlappen von cDNA-klonierten Fragmenten bestimmen, dass die C4-Loci, schätzungsweise 16 Kilobasen (kb) lang, 10 kb beabstandet und 30 kb vom Faktor-B-Locus ausgerichtet sind.

Im selben Jahr identifizierten Studien in ähnlicher Weise eine 98-kb-Region des Chromosoms. Unter Verwendung von durch Elektrophorese sichtbar gemachten Proteinvarianten wurden die vier Strukturgene zwischen HLA-B und HLA-D lokalisiert. Genauer gesagt verifizierten sie die vorgeschlagene molekulare Karte, in der die Genreihenfolge von Faktor B , C4B, C4A und C2 ging, wobei C2 am nächsten zu HLA-B lag. In einer anderen Studie haben Law et al. dann vertiefte sie sich weiter und verglich diesmal die Eigenschaften von C4A und C4B, die beide wesentliche Akteure des menschlichen Immunsystems sind. Durch Methoden, die Inkubation, unterschiedliche pH-Werte und Behandlung mit Methylamin umfassen, hatten sie die unterschiedlichen Reaktivitäten der C4-Gene biochemisch veranschaulicht. Genauer gesagt hat sich gezeigt, dass C4B trotz des 7-kb-Unterschieds zwischen C4A und C4B viel effizienter und effektiver reagiert. Im Vollserum zeigten C4B-Allele während der hämolytischen Aktivität eine um ein Vielfaches höhere Geschwindigkeit, im direkten Vergleich mit C4A-Allelen. Biochemisch fanden sie auch heraus, dass C4A gleichmäßiger mit den Aminosäureseitenketten eines Antikörpers und Antigenen, die Aminogruppen sind, reagierte, während C4B besser mit Kohlenhydrat-Hydroxylgruppen reagierte. Daher schlugen sie nach Analyse der unterschiedlichen Reaktivitäten vor, dass der außergewöhnliche Polymorphismus der C4-Gene einige biologische Vorteile mit sich bringen könnte (dh Komplementaktivierung mit einer breiteren Palette von Ab-Ag-Komplexen, die bei Infektionen gebildet werden). Zu diesem Zeitpunkt musste jedoch die genomische und abgeleitete Aminosäuresequenz von entweder C4A oder C4B noch bestimmt werden.

Struktur

Die frühen Studien erweiterten das Wissen über den C4-Komplex erheblich und legten die Grundlagen, die den Weg zur Entdeckung der Gen- und Proteinstrukturen ebneten. C. Yu hat erfolgreich die vollständige Sequenz des C4A-Gens der menschlichen Komplementkomponente bestimmt. In den Ergebnissen wurde festgestellt, dass das gesamte Genom 41 Exons mit insgesamt 1744 Resten aufweist (obwohl die Sequenz eines großen Introns 9 vermieden wurde). Das C4-Protein wird zu einem einkettigen Vorläufer synthetisiert, der dann proteolytisch in drei Ketten gespalten wird (in der Reihenfolge ihrer Verkettung, β-α-γ).

Die β-Kette besteht aus 656 Resten, die von den Exons 1-16 kodiert werden. Der prominenteste Aspekt der β-Kette ist das Vorhandensein eines großen Introns mit einer Größe von sechs bis sieben Kilobasen. Es ist im ersten Locus (kodierend für C4A) für alle C4-Gene und im zweiten Locus (kodierend für C4B) nur in wenigen C4-Genen vorhanden. Die α-Kette besteht aus den Resten 661-1428, die für die Exons 16-33 kodieren. Innerhalb dieser Kette produzieren zwei Schnittstellen, die durch die Exons 23 und 30 markiert sind, das C4d-Fragment (wo sich der Thioester, die Ch/Rg-Antigene und die isotypischen Reste befinden); darüber hinaus gruppieren sich die meisten polymorphen Stellen in dieser Region. Die γ-Kette besteht aus 291 Resten, die für die Exons 33-41 kodieren. Leider wurde der γ-Kette keine spezifische Funktion zugeschrieben.

Die von Vaishnaw et al. versuchten, die Schlüsselregion und die Faktoren zu identifizieren, die mit den Bemühungen um die Genexpression des C4-Gens zusammenhängen. Ihre Forschung schloss mit der Tatsache, dass die Sp1-Bindungsstelle (positioniert bei -59 bis -49) eine wichtige Rolle beim genauen Starten der basalen Transkription von C4 spielt. Die Verwendung von Elektromobilitäts-Shift-Assays und DNase-I-Fußabdruckanalysen zeigte spezifische DNA-Protein-Korrelationen des C4-Promotors am nuklearen Faktor 1, zwei E-Boxen (-98 bis -93 und -78 bis -73) und Sp1-Bindungsdomänen. Diese Ergebnisse wurden später in einer weiteren umfangreichen Studie ergänzt, die eine dritte E-Box-Site fand. Darüber hinaus postulierten dieselben Ergebnisse, dass zwei physikalische Einheiten innerhalb der Gensequenz eine Rolle bei den Expressionsniveaus von humanem C4A und C4B spielen könnten, einschließlich der Anwesenheit des endogenen Retrovirus, das positive oder negative regulatorische Einflüsse auf die C4-Transkription haben kann, und die variierende genetische Umgebung (abhängig davon, welche genetische modulare Komponente vorhanden ist) nach Position -1524.

Um mehr Kontext zu liefern, wurde in der letztgenannten Studie die zuvor erwähnte bimodulare Struktur (C4A-C4B) zu einer quadrimodularen Struktur aus einem bis vier diskreten Segmenten aktualisiert, die ein oder mehrere RP-C4-CYP21-TNX (RCCX)-Module enthält. Die Größe des C4A- oder C4B-Gens kann 21 kb (lang, L) oder 14,6 kb (kurz, S) betragen. Außerdem enthält das lange C4-Gen in einzigartiger Weise ein Retrovirus HERV-K(C4) in seinem Intron 9, das die Transkription von zusätzlichen 6,36 kb erzwingt, daher die „längere“ Genkette. Daher weisen C4-Gene ein komplexes Variationsmuster in Gengröße, Kopienzahl und Polymorphismen auf. Beispiele für diese mono-, bi-, tri- und quadri-modularen Strukturen sind: L oder S (monomodular mit einem langen oder kurzen C4-Gen), LL oder LS oder SS (bimodular mit einer Kombination aus homozygotem oder heterozygotem L oder S Gene), LLL oder LLS oder LSS (trimodular RCCX mit drei L- oder S C4-Genen), LLLL (quadrimodulare Struktur mit vier L- oder S C4-Genen). Nicht alle strukturellen Gruppen weisen den gleichen Prozentsatz des Auftretens auf, möglicherweise sogar noch weitere Unterschiede innerhalb einzelner ethnischer Gruppen. Zum Beispiel zeigte die untersuchte kaukasische Bevölkerung 69 % bimodulare Konfiguration (C4A-C4B, C4A-C4A oder C4B-C4B) und 31 % trimodulare Konfiguration (gleich verteilt auf LLL als C4A-C4A-C4B oder LSS als C4A-C4B-C4B ). Bezüglich des C4-Proteinsequenz-Polymorphismus wurden insgesamt 24 polymorphe Reste gefunden. Unter ihnen wurde die β-Kette von fünf exprimiert, da die α-Kette und die γ-Kette 18 bzw. eine produzierten. Diese Polymorphismen können weiter in Gruppen eingeteilt werden: 1) vier isotypische Reste an spezifischen Positionen, 2) Ch/Rg-antigene Determinanten an spezifischen Positionen, 3) C5-Bindungsstellen, 4) private allelische Reste.

Darüber hinaus identifizierte dieselbe Studie die Expression von menschlichen Komplement-C4-Transkripten in mehreren Geweben. Die Ergebnisse einer Northern-Blot-Analyse unter Verwendung einer C4d-Sonde und einer RD-Sonde als positive Kontrolle zeigten, dass die Leber die Mehrheit der Transkripte im ganzen Körper enthält. Trotzdem wurden mäßige Mengen in Nebennierenrinde/Medulla, Schilddrüse und Niere exprimiert.

Funktion und Mechanismus

Zwei Wege der Komplementkaskade. Komponenten und Enzyme der klassischen und alternativen Wege der Komplementkaskade, die ein komplementäres Mittel für menschliche und andere Systeme zur Abwehr fremder Krankheitserreger bietet (siehe Text). Nicht gezeigt sind Elemente des Lektinweges . Beachten Sie, dass die angehängten Buchstaben in dieser Abbildung zwar Kleinbuchstaben sind, aber gleichbedeutend mit den gleichen Bezeichnungen sind, die im Text in Großbuchstaben erscheinen.

Wie bereits erwähnt, nimmt C4 (Mischung aus C4A und C4B) an allen drei Komplementwegen (klassisch, alternativ und Lektin) teil; der alternative Weg wird "spontan ausgelöst", während der klassische Weg und der Lektin-Weg als Reaktion auf die Erkennung bestimmter Mikroben ausgelöst werden. Alle drei Wege laufen in einem Schritt zusammen, bei dem das Komplementprotein C3 in die Proteine ​​C3a und C3b gespalten wird, was zu einem lytischen Weg und zur Bildung einer makromolekularen Anordnung mehrerer Proteine ​​führt, die als Membranangriffskomplex (MAC) bezeichnet wird und als a . dient Pore ​​in der Membran des anvisierten Krankheitserregers, was zum Aufbrechen der Zellen und schließlich zur Lyse führt.

Beim klassischen Weg wird die Komplementkomponente – im Folgenden mit dem „C“ vor der Proteinnummer abgekürzt – als C1s bezeichnet, eine Serinprotease , durch stromaufwärts liegende Schritte des Weges aktiviert, was zu ihrer Spaltung der nativen, ursprünglichen ~200 Kilodalton ( kDa) C4-Protein – bestehend aus drei Ketten. Das C4 wird durch die Protease in zwei Teile gespalten, ein Peptid C4a (klein bei ~9 kDa und anaphylotoxisch ) und das Protein C4b mit höherem Molekulargewicht bei etwa 190 kDa. Die Spaltung von C4 führt dazu, dass C4b eine funktionelle Thioestergruppe trägt [-SC(O)-]: Arbeiten in den 1980er Jahren an C3 und dann an C4 zeigten das Vorhandensein eines einzigartigen Proteins innerhalb der C3- und C4-Stammstrukturen Modifikation, ein 15- atomiger (15-gliedriger) Thiinolactonring , der dazu dient, die Thiolseitenkette der Aminosäure Cystein (Cys) in einer -Cys-Gly-Glu-Glx- Sequenz mit einer Seitenketten- Acylgruppe dessen zu verbinden, was als . begann eine Glutamin- Seitenkette (Glx, hier), die sich drei Aminosäurereste stromabwärts befand (wobei die restlichen Atome der 15 Rückgrat- und Seitenkettenatome waren); bei der Spaltung wird diese einzigartige Thionolacton- Ringstruktur an der Oberfläche des neuen C4b-Proteins freigelegt. Aufgrund der Nähe zur mikrobiellen Oberfläche reagiert ein Teil der freigesetzten C4b-Proteine ​​mit diesem reaktiven Thionolacton mit nukleophilen Aminosäureseitenketten und anderen Gruppen auf der Zelloberfläche der fremden Mikrobe, was zu einer kovalenten Bindung des leicht modifizierten C4b-Proteins an die Zelloberfläche, über den ursprünglichen Glx-Rest von C4.

C4b hat weitere Funktionen. Es interagiert mit Protein C2; dieselbe Protease, die zuvor aufgerufen wurde, C1s, spaltet dann C2 in zwei Teile, die als C2a und C2b bezeichnet werden, wobei C2b freigesetzt wird und C2a in Verbindung mit C4b verbleibt; der C4b-C2a-Komplex der beiden Proteine ​​zeigt dann eine weitere systemassoziierte Protease-Aktivität gegenüber Protein C3 (Abspaltung) mit anschließender Freisetzung beider Proteine, C4b und C2a, aus ihrem Komplex (wobei C4b ein weiteres Protein C2 binden kann, und führen Sie diese Schritte erneut aus). Da C4b regeneriert und ein Zyklus erzeugt wird, wurde der C4b-C2a-Komplex mit Proteaseaktivität als C3-Konvertase bezeichnet. Protein 4b kann weiter in 4c und 4d gespalten werden.

Klinische Bedeutung

Modell gemeinsamer Strukturgene und ihr möglicher Beitrag zur Entwicklung von Schizophrenie (wie ausführlich im Artikel von Sekar et al. definiert)

Obwohl auch andere Krankheiten (zB systemischer Lupus erythematodes ) in Verbindung gebracht wurden, wird das C4-Gen auch auf seine Rolle bei Schizophrenierisiko und -entwicklung untersucht. In dem von Wu et al. Studie nutzten sie die Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion (rt-PCR) als Assay, um die Kopienzahlvarianz (CNV) oder die genetische Diversität von C4 zu bestimmen. Dementsprechend werden mit diesen Ergebnissen zukünftige Prognosen, Fackeln und Remissionen leichter zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen grundsätzlich Kopienzahlvarianten als einen Mechanismus zur Beeinflussung der genetischen Diversität. Wie bereits erwähnt, umfassen die verschiedenen Phänotypen, die durch die unterschiedliche genetische Vielfalt von Komplement C4 ermöglicht werden, eine breite Palette von Plasma- oder Serum-C4-Proteinen unter zwei Isotypen – C4A und C4B – mit mehreren Protein-Allotypen, die einzigartige physiologische Funktionen haben können. CNVs sind Quellen der inhärenten genetischen Vielfalt und sind an Gen-Umwelt-Interaktionen beteiligt. CNVs (und assoziierte Polymorphismen) spielen eine Rolle beim Schließen der Lücke zum Verständnis der genetischen Grundlage quantitativer Merkmale und der unterschiedlichen Anfälligkeit für autoimmune und neurobiologische Erkrankungen.

Umfangreiche Daten aus der ganzen Welt wurden gesammelt und analysiert, um festzustellen, dass Schizophrenie tatsächlich eine starke genetische Beziehung zu einer Region im MHC-Locus auf Chromosomenarm 6 hat.

International gesammelte Daten und Informationen können Licht in die Geheimnisse der Schizophrenie bringen . Sekaret al. analysierten Einzelnukleotidpolymorphismen (SNP) von 40 Kohorten in 22 Ländern, was insgesamt fast 29.000 Fälle ergab. Sie fanden zwei Merkmale heraus: 1) Eine große Anzahl von SNPs, die nur 2 MB am Ende erreichen, 2) Spitzenwert der Assoziation, der bei C4 zentriert ist, was vorhersagt, dass die C4A-Expressionsniveaus am stärksten mit Schizophrenie korreliert sind. Außerdem haben sie einen Mechanismus entdeckt, durch den Schizophrenie aus der genetischen Veranlagung des menschlichen Komplements C4 entstehen könnte. Wie in Abbildung 1 gezeigt, haben vier häufige strukturelle Variationen , die in genomweiten Assoziationsstudien (GWAS) entdeckt wurden, auf die hohe Beteiligung an Schizophrenie hingewiesen. Möglicherweise ermöglicht die höhere Expression des C4-Proteins aufgrund des Musters von Varianten des C4-Gens die unerwünschte Zunahme der synaptischen Beschneidung (eine Wirkung, die von den Effektorproteinen des Komplementsystems erzeugt wird, an dem das C4 beteiligt ist).

Siehe auch

• Ergänzungskomponente 4A
• Ergänzungskomponente 4B
• HLA A1-B8-DR3-DQ2 Haplotyp
• Komplementsystem
• Komplementmangel

Verweise

Weiterlesen