Protein urin mayor

Protein urin mayor (Mup), juga dikenal sebagai α2u-globulin, adalah subfamili protein yang ditemukan berlimpah dalam urin dan sekresi lain dari banyak hewan. Protein urin mayor (Mup) menyediakan sejumlah kecil informasi pengidentifikasi tentang hewan donor, ketika dideteksi oleh organ vomeronasal dari hewan penerima. Mup merupakan anggota keluarga protein yang lebih besar yaitu lipocalin. Mup disandi oleh sekelompok gen, yang terletak berdekatan satu sama lain pada satu hamparan DNA, yang jumlahnya sangat bervariasi antar spesies: misal terdapat 21 gen fungsional pada mencit, dan tidak ada pada manusia. Protein Mup membentuk karakteristik seperti sarung tangan yang khas, meliputi kantong pengikat ligan yang menampung bahan kimia organik kecil tertentu.

Protein urin mayor pertama kali dilaporkan pada hewan pengerat pada 1932, selama penelitian oleh Thomas Addis tentang Mup yang menjadi penyebab proteinuria. Mup merupakan alergen yang kuat dan sebagian besar bertanggung jawab atas sejumlah alergi hewan, termasuk kucing, kuda, dan hewan pengerat. Fungsi Mup pada hewan tidak diketahui, tetapi mungkin terlibat dalam pengaturan pengeluaran energi. Namun, protein memainkan beberapa peran dalam komunikasi kimia antara hewan, yaitu sebagai pengangkut feromon dan stabilisator pada hewan pengerat dan babi. Mup juga dapat beraksi sebagai feromon itu sendiri. Mup dapat meningkatkan agresi pada mencit jantan, dan satu protein Mup spesifik yang ditemukan dalam urin mencit jantan, secara seksual menarik bagi mencit betina. Mup juga dapat berfungsi sebagai sinyal di antara spesies yang berbeda: mencit menunjukkan respons ketakutan naluriah saat mendeteksi Mup yang berasal dari pemangsa seperti kucing dan tikus.

Penemuan
Manusia dalam kondisi sehat mengeluarkan urin yang bebas protein, tetapi pada sebagian orang, urinnya memiliki kandungan protein. Oleh karena itu, sejak 1827 para dokter dan ilmuwan telah tertarik pada proteinuria (kelebihan protein dalam urin) sebagai indikator penyakit ginjal. Untuk lebih memahami etiologi proteinuria, beberapa ilmuwan mencoba mempelajarinya menggunakan hewan laboratorium. Antara 1932 dan 1933, sejumlah ilmuwan termasuk Thomas Addis, secara terpisah melaporkan temuan mengejutkan bahwa beberapa hewan pengerat sehat memiliki protein dalam urinnya. Namun, baru pada tahun 1960-an, protein urin mayor mencit dan tikus pertama kali dijelaskan secara rinci. Ditemukan bahwa protein terutama dibuat di hati organisme jantan dan disekresikan melalui ginjal ke dalam urin dalam jumlah besar (miligram per hari).

Sejak ditemukan, protein diketahui diekspresikan secara berbeda di kelenjar lain. Protein diekspresikan pada kelenjar lakrimal, parotis, submaksillar, sublingual, preputial, dan kelenjar susu. Pada beberapa spesies, seperti kucing dan babi, Mup tampaknya tidak diekspresikan dalam urin sama sekali dan terutama ditemukan dalam air liur. Kadang-kadang, istilah Mup urin (uMup) digunakan untuk membedakan Mup yang diekspresikan dalam urin dari Mup yang ada di jaringan lain.

Gen mup

Antara 1979 dan 1981, diperkirakan bahwa Mup disandi oleh keluarga gen antara 15 dan 35 gen dan pseudogen pada mencit, dan oleh sekitar 20 gen pada tikus. Pada 2008, jumlah yang lebih tepat dari gen Mup dalam berbagai spesies ditentukan dengan menganalisis urutan DNA dari seluruh genom.

Pengerat

Genom mencit memiliki setidaknya 21 gen Mup yang berbeda (dengan rangka baca terbuka) dan 21 pseudogen Mup (dengan kerangka pembacaan yang terganggu oleh mutasi nonsens atau duplikasi gen yang tidak lengkap). Gen Mup berkumpul bersama, tersusun berdampingan sebesar 1,92 megabasa DNA pada kromosom 4. Sejumlah 21 gen fungsional telah dibagi menjadi dua sub-kelas berdasarkan kesamaan posisi dan urutan: 6 Mup Kelas A perifer dan 15 Mup Kelas B pusat. Gugus gen Mup Kelas B pusat terbentuk melalui sejumlah duplikasi berurutan dari salah satu Mup Kelas A. Karena semua gen Kelas B hampir identik satu sama lain, para peneliti telah menyimpulkan bahwa duplikasi ini terjadi baru-baru ini dalam evolusi mencit. Struktur berulang dari gen Mup pusat ini menunjukkan gen cenderung tidak stabil dan jumlahnya dapat bervariasi di antara mencit normal. Mup Kelas A lebih berbeda satu sama lain dan karena itu cenderung lebih stabil. Kesamaan antara gen membuat wilayah tersebut sulit untuk dipelajari menggunakan teknologi pengurutan DNA saat ini. Akibatnya, kluster gen Mup merupakan salah satu dari sedikit bagian dari pengurutan keseluruhan genom mencit yang belum lengkap, dan gen lebih lanjut mungkin tetap belum ditemukan.

Urin tikus juga mengandung protein urin homolog; meskipun protein-protein ini awalnya diberi nama yang berbeda, α2u- globulin, sejak itu protein dikenal sebagai Mup tikus. Tikus memiliki 9 gen Mup yang berbeda dan 13 pseudogen selanjutnya berkumpul bersama pada 1,1 megabasa DNA pada kromosom 5. Seperti pada mencit, klaster dibentuk oleh banyak duplikasi. Namun, ini terjadi secara independen dari duplikasi pada mencit, yang berarti bahwa kedua spesies hewan pengerat memperluas keluarga gen Mup secara terpisah, tetapi secara paralel.

Non-pengerat

Sebagian besar mamalia lain termasuk babi, sapi, kucing, anjing, bushbaby, kera, simpanse, dan orangutan, memiliki satu gen Mup. Beberapa spesies memiliki jumlah yang lebih banyak, seperti kuda memiliki tiga gen Mup, dan lemur mencit abu-abu memiliki setidaknya dua. Serangga, ikan, amfibi, burung, dan marsupial tampaknya telah mengganggu sinteni pada posisi kromosom dari kluster gen Mup, menunjukkan bahwa keluarga gen tersebut mungkin spesifik untuk mamalia berplasenta. Manusia adalah satu-satunya mamalia berplasenta yang ditemukan tidak memiliki gen Mup yang aktif; sebagai gantinya, manusia memiliki pseudogen Mup tunggal yang mengandung mutasi yang menyebabkan penjalinan RNA, membuatnya tidak berfungsi.

Fungsi

Transportasi membran
Mup (berat molekul rendah, ~19 kDa) merupakan anggota dari keluarga besar lipocalin. Lipocalin memiliki struktur dengan ciri delapan lembar beta yang diatur dalam laras beta anti-paralel terbuka di satu sisi, dan terdapat alfa heliks pada kedua ujungnya. Akibatnya, angota-anggota lipocalin memiliki bentukan sarung tangan yang khas, meliputi kantong seperti cangkir yang mengikat bahan kimia organik kecil dengan afinitas tinggi. Beberapa senyawa diketahui berperan sebagai ligan untuk Mup mencit, seperti 2-sec-butil-4,5-dihidrotiazol (disingkat SBT atau DHT), 6-hidroksi-6-metil-3-heptanon (HMH), dan 2,3 dihidro-ekso-brevicomin (DHB). Senyawa-senyawa tersebut merupakan bahan kimia spesifik urin yang telah terbukti beraksi sebagai feromon —sinyal molekuler yang dikeluarkan oleh satu individu yang memicu naluri pada anggota lain dari spesies yang sama. Mup mencit juga telah terbukti berfungsi sebagai penstabil feromon yang memberikan mekanisme pelepasan lambat yang memperluas potensi feromon mudah menguap dalam tanda aroma urin jantan. Mengingat keragaman Mup pada hewan pengerat, awalnya dianggap bahwa tiap Mup memiliki kantong pengikat (situs variabel) yang berbeda, sehingga mengikat feromon yang berbeda. Namun, studi terperinci menemukan bahwa sebagian besar situs variabel terletak di permukaan protein memiliki sedikit efek pada pengikatan ligan.

Mup tikus berikatan dengan senyawa kimia kecil yang berbeda. Ligan yang paling umum yaitu 1-klorodekana, sedangkan ligan kurang umum yaitu 2-metil-N- fenil-2-propenamida, heksadekana, dan 2,6,11-trimetil dekana, dan farnesol. Mup tikus juga berikatan dengan limonen-1,2-epoksida, mengakibatkan penyakit ginjal pada inang, yakni nefropati droplet hialin, yang kemudian berkembang menjadi kanker. Pada spesies lain tidak terdapat kelainan ini karena Mup tidak mengikat bahan kimia tertentu. Oleh karena itu, ketika mencit transgenik direkayasa untuk mengekspresikan Mup tikus, atau tikus yang diinduksi dengan streptozotosin, ginjal pada mencit transgenik akan mengalami penyakit tersebut. Mup yang ditemukan pada babi, bernama salivary lipocalin (SAL), diekspresikan dalam kelenjar ludah jantan yang dapat mengikat androstenon dan androstenol dengan kuat, suatu feromon yang menarik babi betina untuk kawin.

Studi terhadap Mup dan beberapa ligan (pirazin, alkohol, tiazolin, 6-hidroksi-6-metil-3-heptanon, dan N-fenilnapthilamin) mengungkapkan fenomena pengikatan yang tidak biasa. Situs aktif telah ditemukan terhidrasi secara suboptimal, menghasilkan pengikatan ligan yang didorong oleh gaya dispersi entalpi. Hal ini bertentangan dengan kebanyakan protein lain, yang menunjukkan gaya pengikatan yang digerakkan oleh entropi dari reorganisasi molekul air. Proses yang tidak biasa ini disebut efek hidrofobik nonklasik.

Feromon
Beberapa penelitian mencoba untuk menemukan fungsi pasti dari Mup dalam komunikasi feromon. Protein Mup telah terbukti meningkatkan pubertas dan mempercepat siklus estrus pada mencit betina, menginduksi efek Vandenbergh dan Whitten. Namun, dalam kedua kasus tersebut, Mup harus terlarut dalam urin jantan supaya bisa menarik mencit betina, yang mengindikasikan pentingnya urin agar protein berfungsi. Pada 2007, Mup yang biasanya ditemukan dalam urin mencit jantan dibuat dalam bakteri transgenik, oleh karena itu tidak mengandung pengikatan dengan ligan. Mup ini terbukti cukup untuk mendorong perilaku agresif pada jantan, bahkan tanpa adanya urin. Selain itu, Mup yang dibuat pada bakteri dapat mengaktifkan neuron sensorik penciuman pada organ vomeronasal (VNO), subsistem hidung yang diketahui mendeteksi feromon melalui reseptor sensorik spesifik, pada mencit dan tikus. Secara keseluruhan, hal ini menunjukkan bahwa protein Mup dapat beraksi sebagai feromon itu sendiri, terlepas dari ligan-ligannya.

Konsisten dengan peran dalam agresi jantan-jantan, mencit jantan dewasa mengeluarkan lebih banyak Mup dalam urin daripada mencit betina, remaja, atau jantan yang dikebiri. Mekanisme pasti yang menyebabkan perbedaan antara kedua jenis kelamin ini cukup kompleks, tetapi setidaknya tiga hormon— testosteron, hormon pertumbuhan, dan tiroksin —diketahui secara positif memengaruhi produksi Mup pada mencit. Beberapa strain mencit laboratorium inbrida, seperti BALB/c dan C57BL/6, juga memiliki protein berbeda yang diekspresikan dalam urinnya. Namun, tidak seperti mencit liar, individu yang berbeda dari galur yang sama mengekspresikan pola protein yang sama. Hal ini merupakan dampak dari perkawinan sekerabat dari generasi-generasi sebelumnya. Satu Mup yang tidak biasa kurang bervariasi daripada yang lain, secara konsisten diproduksi oleh sebagian besar mencit jantan liar dan hampir tidak pernah ditemukan dalam urin mencit betina. Ketika Mup ini dibuat pada bakteri dan digunakan dalam pengujian perilaku, ditemukan protein dapat menarik perhatian mencit betina. Mup lain diuji tetapi tidak memiliki kemampuan menarik perhatian yang sama, menunjukkan Mup khusus pria beraksi sebagai feromon seks. Ilmuwan menamakan Mup darcin (Mup20, Q5FW60) merujuk pada Fitzwilliam Darcy, tokoh pahlawan romantis dari Pride and Prejudice. Secara keseluruhan, pola kompleks Mup yang dihasilkan berpotensi memberikan berbagai informasi tentang hewan donor, seperti jenis kelamin, kesuburan, dominasi sosial, usia, keragaman genetik, atau kekerabatan. Mencit liar (tidak seperti mencit laboratorium yang secara genetik identik dan oleh karena itu juga memiliki pola Mup urin yang identik) memiliki pola ekspresi Mup tersendiri dalam urinnya yang beraksi sebagai "kode batang" untuk mengidentifikasi pemilik tanda aroma secara unik.

Pada mencit rumah, kluster gen Mup memberikan sinyal aroma identitas genetik yang sangat polimorfik. Mencit liar yang berkembang biak secara bebas di kandang semi-alami menunjukkan penghindaran perkawinan sedarah. Penghindaran ini dihasilkan dari defisit yang kuat dalam perkawinan yang berhasil antara mencit yang berbagi kedua haplotipe Mup (kecocokan lengkap). Dalam studi lain, menggunakan mencit berkaki putih, ditemukan bahwa ketika mencit yang berasal dari populasi liar dikawinkan, ada pengurangan kelangsungan hidup ketika mencit tersebut diperkenalkan kembali ke habitat alami. Temuan ini menunjukkan bahwa perkawinan sedarah mengurangi kebugaran, dan bahwa pengenalan sinyal aroma telah berkembang pada mencit sebagai sarana untuk menghindari depresi perkawinan sekerabat.

Kairomon
Selain berfungsi sebagai isyarat sosial antara anggota spesies yang sama, Mup dapat beraksi sebagai kairomon —sinyal kimia yang mengirimkan informasi antar spesies. Mencit secara naluriah takut dengan bau predator alaminya, termasuk kucing dan tikus. Ini terjadi bahkan pada mencit laboratorium yang telah diisolasi dari pemangsa selama ratusan generasi. Ketika isyarat kimia yang bertanggung jawab atas respons rasa takut dimurnikan dari air liur kucing dan urin tikus, dua sinyal protein homolog diidentifikasi: Fel d 4 (Felis domesticus alergen 4; Q5VFH6), produk dari gen Mup kucing, dan Rat n 1 (Rattus norvegicus alergen 1; P02761), produk dari gen Mup13 tikus. Mencit takut pada Mup ini bahkan ketika protein Mup dibuat dalam bakteri. Namun, hewan mutan yang tidak dapat mendeteksi Mup tidak menunjukkan rasa takut pada tikus, menunjukkan pentingnya Mup dalam memulai perilaku ketakutan. Tidak diketahui secara pasti bagaimana Mup dari spesies yang berbeda memulai perilaku yang berbeda, tetapi Mup mencit dan Mup predator telah terbukti mengaktifkan pola unik neuron sensorik di hidung mencit penerima. Hal ini menyiratkan bahwa mencit mengindera melalui sirkuit saraf yang berbeda. Reseptor feromon bertanggung jawab untuk deteksi Mup juga tidak diketahui, kemungkinan anggota kelas reseptor V2R.

Alergen
Sama seperti anggota keluarga protein lipocalin lainnya, Mup bersifat alergen yang kuat bagi manusia. Alasan pastinya tidak diketahui; tetapi mimikri molekuler antara Mup dan lipocalin manusia yang secara struktural serupa telah diusulkan sebagai penjelasan yang mungkin. Produk protein dari gen Mup6 dan Mup2 mencit (sebelumnya disalahartikan sebagai Mup17 karena kesamaan di antara MUP mencit), yang dikenal sebagai Mus M 1, Ag1 atau MA1, menyumbang banyak sifat alergi urin mencit. Protein sangat stabil di lingkungan. Dalam satu penelitian, protein dapat dideteksi pada setidaknya dalam satu ruangan pada 95% rumah dalam kota dan 82% dari semua jenis rumah di Amerika Serikat. Demikian pula, Rat n 1 adalah alergen manusia yang diketahui. Sebuah penelitian di AS menemukan keberadaannya di 33% rumah di pusat kota, dan 21% penghuninya peka terhadap alergen. Paparan dan kepekaan terhadap protein Mup hewan pengerat dianggap sebagai faktor risiko asma masa kanak-kanak dan merupakan penyebab utama alergi hewan laboratorium (LAA)—penyakit okupasional pada teknisi dan ilmuwan hewan laboratorium. Satu penelitian menemukan bahwa dua pertiga pekerja laboratorium yang mengalami reaksi asma terhadap hewan memiliki antibodi terhadap Rat n 1.

Gen Mup dari mamalia lain juga menyandi protein alergi, misalnya Fel D 4 terutama diproduksi di kelenjar ludah submandibular dan disimpan pada bulu saat kucing merawat dirinya sendiri. Sebuah penelitian menemukan bahwa 63% orang yang alergi kucing memiliki antibodi terhadap protein ini. Sebagian besar memiliki titer antibodi yang lebih tinggi terhadap Fel D 4 daripada terhadap Fel D 1, suatu alergen kucing penting lainnya. Demikian juga, Equ c 1 (Equus caballus alergen 1; Q95182) adalah produk protein dari gen Mup kuda yang ditemukan di hati, kelenjar ludah sublingual, dan submaksila. Hal ini bertanggung jawab untuk sekitar 80% dari respons antibodi pada pasien yang terpapar alergen kuda secara terus-menerus.

Metabolisme
Deteksi Mup yang dikeluarkan oleh suatu hewan telah dipelajari dengan baik, tetapi peran fungsional dalam hewan tersebut masih kurang jelas. Pada 2009, Mup terbukti terkait dengan regulasi pengeluaran energi pada mencit. Para ilmuwan menemukan bahwa mencit diabetes dan obesitas yang dirangsang secara genetik menghasilkan RNA Mup sebanyak 30 kali lebih sedikit daripada mencit kontrol yang kurus. Ketika ilmuwan menyuntikkan protein Mup ke mencit diabetes obesitas tersebut, ilmuwan mengamati peningkatan pengeluaran energi, aktivitas fisik dan suhu tubuh, dan penurunan intoleransi glukosa dan resistensi insulin. Ilmuwan mengusulkan bahwa efek menguntungkan Mup pada metabolisme energi terjadi dengan meningkatkan fungsi mitokondria di otot rangka. Studi lain menemukan Mup berkurang pada mencit obesitas yang dirangsang akibat pola makan. Dalam hal ini, keberadaan Mup dalam aliran darah mencit membatasi produksi glukosa dengan secara langsung menghambat ekspresi gen di hati.

Referensi

Feromon
Keluarga protein
Urin
Protein tikus
Lipocalin