Ионные каналы, управляемые G-белками, представляют собой семейство трансмембранных ионных каналов в нейронах и предсердных миоцитах , которые напрямую управляются G-белками .
Как правило, ионные каналы, управляемые G-белком, представляют собой специфические ионные каналы , расположенные в плазматической мембране клеток, которые напрямую активируются семейством ассоциированных белков . Ионные каналы обеспечивают избирательное перемещение определенных ионов через плазматическую мембрану в клетках. Более конкретно, в нервных клетках, наряду с ионными транспортерами, они отвечают за поддержание электрохимического градиента через клетку.
G-белки — это семейство внутриклеточных белков, способных опосредовать пути передачи сигнала. Каждый G-белок представляет собой гетеротример из трех субъединиц: α-, β- и γ-субъединиц. α-субъединица (G α ) обычно связывает G-белок с трансмембранным рецепторным белком, известным как рецептор, сопряженный с G-белком , или GPCR . Этот рецепторный белок имеет большой внеклеточный связывающий домен, который будет связывать его соответствующие лиганды (например, нейротрансмиттеры и гормоны). Как только лиганд связывается со своим рецептором, происходит конформационное изменение. Это конформационное изменение в G-белке позволяет G α связывать GTP. Это приводит к еще одному конформационному изменению в G-белке, что приводит к разделению βγ-комплекса (G βγ ) от G α . [1] В этот момент как G α , так и G βγ активны и способны продолжить путь передачи сигнала. Различные классы рецепторов, сопряженных с G-белком, имеют множество известных функций, включая пути передачи сигнала цАМФ и фосфатидилинозитола . [2] Класс, известный как метаботропные глутаматные рецепторы, играет большую роль в непрямой активации ионных каналов G-белками. Эти пути активируются вторичными мессенджерами, которые инициируют каскады сигналов с участием различных белков, важных для реакции клетки.
Ионные каналы, управляемые G-белком, связаны с определенным типом рецептора, сопряженного с G-белком. Эти ионные каналы являются трансмембранными ионными каналами с селективными фильтрами и сайтом связывания G-белка. GPCR, связанные с ионными каналами, управляемыми G-белком, не участвуют в путях передачи сигнала. Они только напрямую активируют эти ионные каналы с помощью эффекторных белков или самих субъединиц G-белка (см. рисунок). В отличие от большинства эффекторов, не все ионные каналы, управляемые G-белком, имеют свою активность, опосредованную G α соответствующих им G-белков. Например, открытие каналов внутреннего выпрямления K + (GIRK) опосредовано связыванием G βγ . [3]
Ионные каналы, управляемые G-белком, в основном встречаются в нейронах ЦНС и предсердных миоцитах и влияют на поток калия (K + ), кальция (Ca2 + ), натрия (Na + ) и хлорида (Cl− ) через плазматическую мембрану . [4]
У млекопитающих были идентифицированы четыре субъединицы каналов G-белка , выпрямляющих калий ( GIRK ): GIRK1 , GIRK2 , GIRK3 и GIRK4 . Субъединицы GIRK объединяются, образуя ионные каналы GIRK. Эти ионные каналы после активации обеспечивают поток ионов калия (K + ) из внеклеточного пространства, окружающего клетку, через плазматическую мембрану и в цитоплазму . Каждый канал состоит из доменов, которые охватывают плазматическую мембрану, образуя область пор, селективных для K + , через которую будут проходить ионы K + . [5] [6] Оба конца N- и C-каналов GIRK расположены внутри цитоплазмы. Эти домены напрямую взаимодействуют с βγ-комплексом белка G, что приводит к активации канала K + . [7] Эти домены на N- и C-концах, которые взаимодействуют с G-белками, содержат определенные остатки, которые имеют решающее значение для правильной активации канала GIRK. В GIRK4 N-концевой остаток — His-64, а C-концевой остаток — Leu-268; в GIRK1 это His-57 и Leu-262 соответственно. Мутации в этих доменах приводят к нечувствительности канала к βγ-комплексу и, следовательно, снижают активацию канала GIRK. [3]
Четыре субъединицы GIRK на 80–90 % схожи в своих порообразующих и трансмембранных доменах, что объясняется сходством их структур и последовательностей. GIRK2, GIRK3 и GIRK4 имеют общую идентичность 62 % друг с другом, в то время как GIRK1 имеет только 44 % идентичности с другими. [6] Из-за своего сходства субъединицы каналов GIRK могут легко объединяться, образуя гетеромультимеры (белок с двумя или более различными полипептидными цепями). GIRK1, GIRK2 и GIRK3 демонстрируют обильное и перекрывающееся распределение в центральной нервной системе (ЦНС), в то время как GIRK1 и GIRK4 обнаруживаются в основном в сердце. [4] GIRK1 объединяется с GIRK2 в ЦНС и GIRK4 в предсердии, образуя гетеротетрамеры; каждый конечный гетеротетрамер содержит две субъединицы GIRK1 и две субъединицы GIRK2 или GIRK4. Субъединицы GIRK2 также могут образовывать гомотетрамеры в мозге, в то время как субъединицы GIRK4 могут образовывать гомотетрамеры в сердце. [7] Субъединицы GIRK1 не продемонстрировали способность образовывать функциональные гомотетрамеры. Хотя субъединицы GIRK3 обнаружены в ЦНС, их роль в формировании функциональных ионных каналов до сих пор неизвестна. [4]
Один из каналов калия, управляемых G-белком, — это внутренний выпрямляющий калиевый канал (IKACh), обнаруженный в сердечной мышце (в частности, в синоатриальном узле и предсердиях ), [8] , который способствует регуляции сердечного ритма. [9] Эти каналы почти полностью зависят от активации G-белка, что делает их уникальными по сравнению с другими каналами, управляемыми G-белком. [10] Активация каналов IKACh начинается с высвобождения ацетилхолина (ACh) из блуждающего нерва [9] на клетки водителя ритма в сердце. [10] ACh связывается с мускариновыми ацетилхолиновыми рецепторами M2, которые взаимодействуют с G-белками и способствуют диссоциации субъединицы G α и комплекса G βγ . [11] IKACh состоит из двух гомологичных субъединиц канала GIRK: GIRK1 и GIRK4. G βγ -комплекс напрямую и специфически связывается с каналом IKACh посредством взаимодействия с субъединицами GIRK1 и GIRK4. [12] После активации ионного канала ионы K + выходят из клетки и вызывают ее гиперполяризацию. [13] В своем гиперполяризованном состоянии нейрон не может так быстро генерировать потенциалы действия, что замедляет сердцебиение. [14]
Канал G-белка, выпрямляющий внутрь K +, обнаруженный в ЦНС, представляет собой гетеротетрамер, состоящий из субъединиц GIRK1 и GIRK2 [4], и отвечает за поддержание мембранного потенциала покоя и возбудимости нейрона. [9] Исследования показали, что самые большие концентрации субъединиц GIRK1 и GIRK2 находятся в дендритных областях нейронов в ЦНС. [4] Эти области, которые являются как экстрасинаптическими (вне синапса), так и перисинаптическими (вблизи синапса), коррелируют с большой концентрацией рецепторов ГАМК B в тех же областях. Как только рецепторы ГАМК B активируются своими лигандами, они позволяют белку G диссоциировать на его отдельную α-субъединицу и βγ-комплекс, чтобы он, в свою очередь, мог активировать каналы K + . Белки G связывают внутренние выпрямляющие каналы K + с рецепторами ГАМК B , опосредуя значительную часть постсинаптического торможения ГАМК. [4]
Кроме того, было обнаружено, что GIRK играют роль в группе серотонинергических нейронов в дорсальном ядре шва , в частности, в тех, которые связаны с нейропептидным гормоном орексином . [15] Было показано, что рецептор 5-HT1A , серотониновый рецептор и тип GPCR, напрямую связан с α-субъединицей G-белка, в то время как βγ-комплекс активирует GIRK без использования вторичного мессенджера. Последующая активация канала GIRK опосредует гиперполяризацию нейронов орексина, которые регулируют высвобождение многих других нейротрансмиттеров, включая норадреналин и ацетилхолин . [15]
В дополнение к подмножеству калиевых каналов, которые напрямую управляются G-белками, G-белки также могут напрямую управлять определенными кальциевыми ионными каналами в мембранах нейрональных клеток. Хотя мембранные ионные каналы и фосфорилирование белков обычно косвенно зависят от рецепторов, сопряженных с G-белком, через эффекторные белки (такие как фосфолипаза C и аденилатциклаза ) и вторичные мессенджеры (такие как инозитолтрифосфат , диацилглицерол и циклический АМФ ), G-белки могут замыкать путь вторичных мессенджеров и напрямую управлять ионными каналами. [16] Такое обход путей вторичных мессенджеров наблюдается в сердечных миоцитах млекопитающих и связанных с ними сарколеммальных пузырьках, в которых каналы Ca2 + способны выживать и функционировать в отсутствие цАМФ, АТФ или протеинкиназы C при наличии активированной α-субъединицы G-белка. [17] Например, G α , который стимулирует аденилатциклазу, действует на канал Ca 2+ напрямую как эффектор. Это короткое замыкание является мембрано-разграничивающим, позволяя прямому вороту кальциевых каналов белками G производить эффекты быстрее, чем каскад цАМФ. [16] Это прямое ворот также было обнаружено в специфических каналах Ca 2+ в сердце и трубочках скелетных мышц T. [18]
Несколько высокопороговых, медленно инактивирующихся кальциевых каналов в нейронах регулируются G-белками. [13] Было показано, что активация α-субъединиц G-белков вызывает быстрое закрытие потенциалзависимых Ca 2+ -каналов, что вызывает трудности в запуске потенциалов действия. [1] Это ингибирование потенциалзависимых кальциевых каналов рецепторами, связанными с G-белком, было продемонстрировано в дорсальном корешковом ганглии цыпленка среди других клеточных линий. [13] Дальнейшие исследования указали на роль как G α-, так и G βγ- субъединиц в ингибировании Ca 2+ -каналов. Однако исследования, направленные на определение участия каждой субъединицы, не раскрыли специфику или механизмы, с помощью которых регулируются Ca 2+ -каналы.
Кислотно -чувствительный ионный канал ASIC1a является специфическим каналом Ca 2+ , управляемым G-белком . Мускариновый ацетилхолиновый рецептор M1, расположенный выше по течению, связывается с белками G q -класса G. Было показано, что блокирование этого канала агонистом оксотреморина метиодидом ингибирует токи ASIC1a. [19] Также было показано, что токи ASIC1a ингибируются в присутствии окислителей и усиливаются в присутствии восстановителей. Было обнаружено снижение и увеличение индуцированного кислотой внутриклеточного накопления Ca 2+ , соответственно. [20]
Измерения методом патч-клампа указывают на прямую роль G α в ингибировании быстрого тока Na + в сердечных клетках. [21] Другие исследования обнаружили доказательства существования пути вторичного мессенджера, который может косвенно контролировать эти каналы. [22] Не было определено с полной уверенностью, активируют ли белки G каналы ионов Na + косвенно или напрямую.
Было обнаружено, что активность хлоридного канала в эпителиальных и сердечных клетках зависит от G-белка. Однако сердечный канал, который, как было показано, напрямую управляется субъединицей G α, пока не идентифицирован. Как и в случае с ингибированием Na + -каналов, пути вторичных мессенджеров нельзя исключать при активации Cl − -каналов. [23]
Исследования, проведенные на конкретных каналах Cl − , показывают различные роли активации G-белка. Было показано, что G-белки напрямую активируют один тип канала Cl − в скелетных мышцах. [10] Другие исследования, проведенные на клетках CHO , продемонстрировали, что большой канал проводимости Cl − активируется дифференциально CTX- и PTX-чувствительными G-белками. [10] Роль G-белков в активации каналов Cl − является сложной областью исследований, которая продолжается.
Было показано, что мутации в G-белках, связанных с ионными каналами, управляемыми G-белком, участвуют в таких заболеваниях, как эпилепсия , мышечные заболевания, неврологические заболевания и хроническая боль, среди прочих. [4]
Эпилепсия, хроническая боль и наркотические вещества, вызывающие привыкание, такие как кокаин, опиоиды, каннабиноиды и этанол, влияют на возбудимость нейронов и частоту сердечных сокращений. Было показано, что каналы GIRK участвуют в восприимчивости к судорогам, кокаиновой зависимости и повышенной переносимости боли опиоидами, каннабиноидами и этанолом. [24] Эта связь предполагает, что модуляторы каналов GIRK могут быть полезными терапевтическими средствами при лечении этих состояний. Ингибиторы каналов GIRK могут служить для лечения зависимости от кокаина, опиоидов, каннабиноидов и этанола, в то время как активаторы каналов GIRK могут служить для лечения симптомов отмены. [24]
Было показано, что алкогольная интоксикация напрямую связана с действием каналов GIRK. Каналы GIRK имеют гидрофобный карман, который способен связывать этанол , тип алкоголя, обнаруженный в алкогольных напитках. [25] [26] Когда этанол действует как агонист , каналы GIRK в мозге испытывают длительное открытие. Это вызывает снижение нейронной активности, результат которого проявляется в виде симптомов алкогольной интоксикации. Открытие гидрофобного кармана, способного связывать этанол, имеет важное значение в области клинической фармакологии. Агенты, которые могут действовать как агонисты этого участка связывания, могут быть потенциально полезны при создании лекарств для лечения неврологических расстройств, таких как эпилепсия, при которой нейронная активность превышает нормальный уровень. [26]
Исследования показали, что существует связь между каналами с субъединицами GIRK1 и бета-адренергическим рецепторным путем в клетках рака молочной железы, ответственным за регуляцию роста клеток. Было обнаружено, что около 40% первичных тканей рака молочной железы человека несут мРНК, которая кодирует субъединицы GIRK1. [27] Было показано, что обработка тканей рака молочной железы алкоголем вызывает усиленный рост раковых клеток. Механизм этой активности все еще является предметом исследований. [27]
Измененная регуляция сердца распространена у взрослых с диагнозом синдром Дауна и может быть связана с ионными каналами, управляемыми G-белком. Ген KCNJ6 расположен на хромосоме 21 и кодирует субъединицу белка GIRK2 каналов K + , управляемых G-белком . [28] Люди с синдромом Дауна имеют три копии хромосомы 21, что приводит к сверхэкспрессии субъединицы GIRK2. Исследования показали, что рекомбинантные мыши, сверхэкспрессирующие субъединицы GIRK2, демонстрируют измененные ответы на препараты, активирующие каналы K + , управляемые G-белком . Эти измененные ответы были ограничены синоатриальным узлом и предсердиями, обеими областями, которые содержат много каналов K + , управляемых G-белком . [28] Такие результаты потенциально могут привести к разработке препаратов, которые могут помочь регулировать сердечный симпатико-парасимпатический дисбаланс у взрослых с синдромом Дауна.
Фибрилляция предсердий (аномальный сердечный ритм) связана с более короткой продолжительностью потенциала действия и, как полагают, зависит от управляемого G-белком K + канала, I K,ACh . [29] Канал I K,ACh , активированный G-белками, обеспечивает поток K + через плазматическую мембрану и из клетки. Этот ток гиперполяризует клетку, тем самым прекращая потенциал действия. Было показано, что при хронической фибрилляции предсердий происходит увеличение этого внутреннего выпрямляющего тока из-за постоянно активированных каналов I K,ACh . [29] Увеличение тока приводит к более короткой продолжительности потенциала действия, испытываемого при хронической фибрилляции предсердий, и приводит к последующей фибрилляции сердечной мышцы. Блокирование активности канала I K,ACh может быть терапевтической целью при фибрилляции предсердий и является областью исследований.
Каналы GIRK, как было показано in vivo, участвуют в анальгезии, вызванной опиоидами и этанолом. [30] Эти специфические каналы были целью недавних исследований, посвященных генетической изменчивости и чувствительности к опиоидным анальгетикам из-за их роли в анальгезии, вызванной опиоидами. Несколько исследований показали, что когда опиоиды назначаются для лечения хронической боли, каналы GIRK активируются определенными GPCR, а именно опиоидными рецепторами, что приводит к ингибированию ноцицептивной передачи, таким образом функционируя при облегчении боли. [31] Кроме того, исследования показали, что белки G, в частности субъединица Gi альфа , напрямую активируют GIRK, которые, как было обнаружено, участвуют в распространении анальгезии, вызванной морфином, в воспаленных шипах мышей. [32] Исследования, относящиеся к лечению хронической боли, продолжают проводиться в этой области.