Белок CREB

CREB (от англ. cAMP response element-binding protein — белок, связывающийся с цАМФ-чувствительным элементом) — это семейство транскрипционных факторов, которые регулируют экспрессию генов в ответ на различные внеклеточные сигналы, включая нейротрансмиттеры, гормоны и факторы роста. CREB играет ключевую роль в процессах клеточной адаптации, долговременной памяти, обучения, а также в развитии нервной системы и метаболизме. У человека и других млекопитающих наиболее изученными членами семейства являются CREB1, CREM (cAMP-responsive element modulator) и ATF1 (activating transcription factor 1).

История открытия

Белок CREB был впервые идентифицирован в 1987 году группой исследователей под руководством Марка Монтмини (Marc Montminy) и Роберта Гудмана (Robert Goodman) в лаборатории Института биологических исследований Солка (США). Учёные изучали механизмы, с помощью которых циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) регулирует транскрипцию генов в клетках гипофиза. Они обнаружили, что цАМФ активирует протеинкиназу A (PKA), которая фосфорилирует специфический белок, связывающийся с определённой последовательностью ДНК — цАМФ-чувствительным элементом (CRE, от англ. cAMP response element). Этот белок и был назван CREB. В последующие годы были клонированы гены, кодирующие CREB и его гомологи, а также выяснена их роль в различных физиологических процессах.

Структура и изоформы

Доменная организация

CREB является белком, состоящим из нескольких функциональных доменов, которые обеспечивают его взаимодействие с ДНК и регуляцию транскрипции:

• N-концевой домен (Q1) — участок, богатый глутамином, участвует в активации транскрипции.
• Домен, активируемый киназами (KID, от англ. kinase-inducible domain) — центральный участок, содержащий ключевой остаток серина (Ser133 у человека), фосфорилирование которого является основным механизмом активации CREB.
• Домен, богатый глутамином (Q2) — C-концевой участок, также необходимый для транскрипционной активности.
• ДНК-связывающий домен (bZIP, от англ. basic leucine zipper) — C-концевой участок, который обеспечивает связывание с последовательностью CRE в ДНК и димеризацию с другими белками семейства (например, с CREM или ATF1).

Изоформы

Ген CREB1 у человека подвергается альтернативному сплайсингу, что приводит к образованию нескольких изоформ, различающихся по структуре и функции:

• CREBα — наиболее распространённая и изученная форма, содержит все основные домены.
• CREBβ — укороченная изоформа, лишённая части Q2-домена, обладает меньшей транскрипционной активностью.
• CREBΔ — изоформа с делецией в KID-домене, может действовать как доминантно-негативный ингибитор.

Кроме того, существуют изоформы, кодируемые генами CREM и ATF1, которые также образуют димеры и регулируют транскрипцию через те же элементы CRE.

Механизм действия

Активация

Основной путь активации CREB включает следующие этапы:

1. Внеклеточный сигнал (например, нейромедиатор дофамин, гормон глюкагон или фактор роста) связывается с рецептором на клеточной мембране.
2. Активация аденилатциклазы приводит к повышению внутриклеточного уровня цАМФ.
3. цАМФ связывается с регуляторными субъединицами протеинкиназы A (PKA), вызывая её активацию.
4. Каталитические субъединицы PKA фосфорилируют CREB по остатку Ser133 в KID-домене.
5. Фосфорилированный CREB рекрутирует коактиватор транскрипции — белок CBP (CREB-binding protein) или его гомолог p300. CBP обладает гистонацетилтрансферазной активностью, что способствует открытию хроматина и активации транскрипции генов, содержащих CRE-элементы в промоторной области.

Помимо PKA, CREB может фосфорилироваться другими киназами, такими как CaMKII (кальций-кальмодулин-зависимая протеинкиназа II), CaMKIV, MAPK (митоген-активируемая протеинкиназа) и Akt (протеинкиназа B), что позволяет интегрировать сигналы от различных путей.

Регуляция активности

Активность CREB регулируется несколькими механизмами:

• Дефосфорилирование — фосфатазы, такие как PP1 (протеинфосфатаза 1) и PP2A, удаляют фосфатную группу с Ser133, инактивируя CREB.
• Ингибирование — белки семейства ICER (inducible cAMP early repressor), образующиеся из гена CREM, конкурируют с CREB за связывание с CRE-элементами и подавляют транскрипцию.
• Убиквитинирование — CREB может подвергаться протеасомной деградации, что ограничивает его активность.

Функции

Нервная система

CREB играет центральную роль в пластичности нейронов и формировании долговременной памяти. В экспериментах на мышах с нокаутом гена CREB1 было показано, что у них нарушена способность к обучению и запоминанию, особенно в задачах, требующих пространственной и ассоциативной памяти. CREB регулирует экспрессию генов, необходимых для роста синапсов, таких как BDNF (brain-derived neurotrophic factor) и c-fos. Считается, что активация CREB является одним из ключевых этапов консолидации памяти — процесса перехода кратковременной памяти в долговременную.

Метаболизм

В клетках печени CREB регулирует экспрессию генов, участвующих в глюконеогенезе, таких как PEPCK (фосфоенолпируваткарбоксикиназа) и G6Pase (глюкозо-6-фосфатаза). Гормон глюкагон, действуя через цАМФ, активирует CREB, что приводит к повышению уровня глюкозы в крови. В поджелудочной железе CREB участвует в регуляции секреции инсулина и пролиферации β-клеток.

Развитие и регенерация

CREB необходим для нормального развития эмбриона, особенно нервной трубки и сердца. У взрослых организмов CREB участвует в регенерации тканей, например, в восстановлении нервных клеток после повреждения. В исследованиях на животных было показано, что активация CREB может способствовать выживанию нейронов при ишемии или нейродегенеративных заболеваниях.

Циркадные ритмы

CREB регулирует экспрессию генов, участвующих в циркадных ритмах, таких как PER и CRY. Световые сигналы через ретиногипоталамический тракт активируют CREB в супрахиазматическом ядре гипоталамуса, что синхронизирует внутренние часы организма с внешним циклом день-ночь.

Клиническое значение

Нейродегенеративные заболевания

Нарушение функции CREB связано с развитием болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона и хореи Гентингтона. При болезни Альцгеймера наблюдается снижение уровня фосфорилированного CREB в гиппокампе, что коррелирует с ухудшением памяти. В моделях болезни Гентингтона мутантный белок хантингтин нарушает активацию CREB, что приводит к гибели нейронов.

Психические расстройства

Дисфункция CREB играет роль в патогенезе депрессии, тревожных расстройств и шизофрении. Антидепрессанты, такие как ингибиторы обратного захвата серотонина, повышают уровень цАМФ и активируют CREB в гиппокампе, что способствует нейрогенезу и улучшению настроения. Напротив, хронический стресс подавляет активность CREB, что может способствовать развитию депрессивных симптомов.

Онкология

CREB может действовать как онкоген или супрессор опухолей в зависимости от типа рака. При некоторых лейкозах (например, остром лимфобластном лейкозе) наблюдается гиперэкспрессия CREB, что способствует пролиферации клеток. В то же время в клетках рака лёгкого или молочной железы потеря функции CREB может ускорять прогрессию опухоли.

Исследования и перспективы

CREB является одной из наиболее изученных мишеней для разработки лекарственных препаратов, направленных на улучшение когнитивных функций, лечение нейродегенеративных заболеваний и психических расстройств. Ведутся поиски малых молекул, способных активировать CREB (например, ингибиторов фосфатаз) или модулировать его взаимодействие с коактиваторами. В экспериментальных моделях использование вирусных векторов для доставки активной формы CREB в мозг показало положительные результаты в восстановлении памяти после травм.

Однако прямое фармакологическое воздействие на CREB затруднено из-за его широкой распространённости и участия во многих физиологических процессах, что может вызывать побочные эффекты. В связи с этим разрабатываются более селективные подходы, такие как модуляция специфических киназ, активирующих CREB, или использование генной терапии.

Интересные факты

• CREB является одним из наиболее консервативных транскрипционных факторов: гомологи CREB обнаружены у дрожжей, червей, мух и млекопитающих, что свидетельствует о его фундаментальной роли в клеточной сигнализации.
• В 1990-х годах CREB получил прозвище «белок памяти» после того, как было показано, что его активация необходима для формирования долговременной памяти у плодовых мушек (Drosophila melanogaster).
• CREB участвует в регуляции циркадных ритмов не только у млекопитающих, но и у растений, где он контролирует экспрессию генов, связанных с фотосинтезом.