Калций иондық каналдарының құрылымы және жұмыс механизмі
Calcium release activated channel
Кальций арналары (CRAC) – жасушаларда кальций деңгейін қалыпқа келтіретін маңызды каналдар. Эндоплазмалық ретикулумдағы кальций азайғанда CRAC белсенділеніп, жасушаның жұмысын қамтамасыз етеді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Кальцийді босатумен белсендірілетін арналар (CRAC) – плазмалық мембранадағы Ca2+ иондық арналар. Сүтқоректілер жасушаларының эндоплазмалық ретикулумынан (Ca2+ негізгі қоймасы) кальций иондары (Ca2+) азайған кезде, CRAC арнасы белсендіріліп, эндоплазмалық ретикулумдағы кальций деңгейін баяу толықтырады. Ca2+ босатумен белсендірілетін Ca2+ (CRAC) арнасының (CRAC C) отбасысы (TC# 1.A.52) – катиондық диффузияны жеңілдететін (CDF) суперайылының мүшесі. Бұл ақуыздар әдетте 4 және 6 трансмембраналық α-спиральді сегменттерден (TMS) тұрады. 4 TMS CRAC арналары 6 TMS CDF тасымалдаушыларынан 2 TMS сегментінің жоғалуы нәтижесінде пайда болды, бұл «кері» эволюцияның мысалы.
Calcium release activated channels (CRAC) are specialized plasma membrane Ca2+ ion channels. When calcium ions (Ca2+) are depleted from the endoplasmic reticulum (a major store of Ca2+) of mammalian cells, the CRAC channel is activated to slowly replenish the level of calcium in the endoplasmic reticulum. The Ca2+ Release activated Ca2+ (CRAC) Channel (CRAC C) Family (TC# 1. A.52) is a member of the Cation Diffusion Facilitator (CDF) Superfamily. These proteins typically have between 4 and 6 transmembrane α helical spanners (TMSs). The 4 TMS CRAC channels arose by loss of 2TMSs from 6TMS CDF carriers, an example of 'reverse' evolution'.
Гомология
CRAC C туысына жататын бірнеше белоктар бар. CRAC C отбасының қазіргі уақытта жіктелген мүшелерінің тізімін Транспортерлік жіктеу дерекқорынан табуға болады. Бұл жіктеу тізбектердің ұқсастығына негізделген, бұл гомологтар арасындағы функционалдық және құрылымдық ұқсастықтармен де сәйкес келеді.
There are several proteins that belong to the CRAC C family. A list of the currently classified members of the CRAC C family can be found in the Transporter Classification Database. This classification is based on sequence similarity which also happens to coincide with functional and structural similarities between homologues.
Құрылымы
CRAC-тың барлық дерлік гомологтары шамамен 250 қалдықтан тұрады, бірақ кейбіреулері 100 қалдыққа дейін ұзын болуы мүмкін (мысалы, Drosophila melanogaster Olf186 F, TC# 1. A.52.1.5). Плазма мембранасының "Orai" (адамда ORAI1 және ORAI2) ақуызы CRAC арнасының тесігін құрайды. ORAI1 ақуызы CRAC кальций арнасының құрылымдық компоненті болып табылады. ORAI1, STIM1 ақуызымен өзара әрекеттеседі. STIM1 – эндоплазмалық тордың (ER) трансмембраналық ақуызы. STIM1, ER ішіндегі Ca2+ концентрациясын анықтай алады. ER ішіндегі Ca2+ концентрациясы төмендеген кезде, STIM1 ақуыздары жинақталып, жасуша бетінің мембранасында орналасқан ORAI1 ақуызымен әрекеттеседі. ER ішіндегі Ca2+ концентрациясы жоғарғы шекті мәнге жақындағанда, тағы бір ақуыз, SARAF (TMEM66) STIM1-мен байланысып, сақталатын кальций арнасының (SOCE) белсенділігін тежейді. Drosophila melanogaster-ден алынған Orai-дің кристалдық құрылымы 3,35 ангстрем ажыратымдылықпен анықталды. Кальций арнасы, орталық иондық тесіктің айнала орналасқан Orai суббірліктерінің гексамерлік жиынтығынан тұрады. Тесік мембрана арқылы өтіп, цитозольға дейін созылады. Оның клеткадан тыс жағындағы глутамат қалдықтарының сақинасы селективті сүзгіні құрайды. Клеткаішілік жаққа жақын негізгі аймақ, жабық күйді тұрақтандыруға мүмкіндік беретін аниондарды байланыстыра алады. Каналдың архитектурасы басқа иондық каналдардан едәуір ерекшеленеді және селективті кальцийдің өтуі мен қақпаның принциптерін түсінуге көмектеседі. Мұндай цитоплазмалық кальций сигналдарын тудырудың жалпы механизмі, фосфолипаза С-тің белсендірілуімен байланысқан рецепторларды қамтиды. Фосфолипаза С инозитол 1,4,5 трифосфатын (IP3) жасайды, ол өз кезегінде жасуша ішіндегі қоймалардан (эндоплазмалық тордың құрауыштары) Ca2+ шығарылуын қамтамасыз етеді, бұл кальцийдің цитозольге босатылуына мүмкіндік береді. Көптеген жасушаларда, Ca2+ сақтайтын органеллалардың люменіндегі Ca2+ концентрациясының төмендеуі плазма мембранасының Ca2+ каналдарын белсендіреді.
Almost all CRAC homologues are about 250 residues long, but some are up to 100 residues longer (e. g., the Drosophila melanogaster Olf186 F, TC# 1. A.52.1.5). The plasma membrane protein "Orai" (ORAI1 and ORAI2 in humans) forms the pore of the CRAC channel. The protein ORAI1 is a structural component of the CRAC calcium channel. ORAI1 interacts with the STIM1 protein. STIM1 is a transmembrane protein of the endoplasmic reticulum (ER). STIM1 can sense the concentration of Ca2+ inside the ER. When the concentration of Ca2+ inside the ER becomes low, STIM1 proteins aggregate and interact with ORAI1 located in the cell surface membrane. When the concentration of Ca2+ inside the ER approaches an upper set point, another protein, SARAF (TMEM66) associates with STIM1 to inactivate the store operated calcium channel (SOCE). The crystal structure of Orai from Drosophila melanogaster has been determined at 3.35 angstrom resolution The calcium channel is composed of a hexameric assembly of Orai subunits arranged around a central ion pore. The pore traverses the membrane and extends into the cytosol. A ring of glutamate residues on its extracellular side forms the selectivity filter. A basic region near the intracellular side can bind anions that may stabilize the closed state. The architecture of the channel differs markedly from other ion channels and provides insight into the principles of selective calcium permeation and gating. A common mechanism by which such cytoplasmic calcium signals are generated involves receptors that are coupled to the activation of phospholipase C. Phospholipase C generates inositol 1,4,5 trisphosphate (IP3), which in turn mediates the discharge of Ca2+ from intracellular stores (components of the endoplasmic reticulum), allowing calcium to be released into the cytosol. In most of the cell, the fall in Ca2+ concentration within the lumen of the Ca2+ storing organelles subsequently activates plasma membrane Ca2+ channels.
STIM кешені
STIM1 – эндоплазмалық торда (ER) электрлік сигнал беруге мамандандырылған Ca2+ сенсорлық ақуыз. Ол Orai1 және TRPC1 каналдарымен өзара әрекеттеседі және олардың қоймаға тәуелді реттелуін қамтамасыз етеді. TRPC1+STIM1 тәуелді SOC функционалды Orai1-дің жұмыс істеуін қажет етеді. STIM1 – ER мен плазмалық мембрана арасындағы механикалық «жетіспей қалған буын». STIM ақуыздары ER-ден люминалды Ca2+ азаюын сезінеді және Ca2+ қорының азайғаннан кейін беткі мембранадағы CRAC каналдарының белсенділігін тудырады. Бұл процесте олигомеризация, содан кейін плазмалық мембранаға жақын орналасқан жақтарына транслокация жүзеге асады, нәтижесінде CRAC каналдары кластерлерге жиналады, содан кейін SOC кіруін қамтамасыз ету үшін ашылады.
STIM1 is a Ca2+ sensor protein specialized for electrical signaling in the endoplasmic reticulum (ER). It interacts with and mediates store dependent regulation of both Orai1 and TRPC1 channels. TRPC1+STIM1 dependent SOC requires functional Orai1. STIM1 is the mechanistic 'missing link' between the ER and the plasma membrane. STIM proteins sense the depletion of luminal Ca2+ from the ER and trigger activation of CRAC channels in the surface membrane after Ca2+ store depletion. The process involves oligomerization, then translocation to junctions adjacent to the plasma membrane, by which the CRAC channels become organized into clusters and then open to bring about SOC entry.
Лимфоциттер
Лимфоциттерге клеткадан тыс Ca2+ енуінің басты механизмі CRAC арналарымен байланысты. STIM1 лимфоциттердегі CRAC ағыны механизмінің маңызды құралы болып табылады, ER-дегі төмен Ca2+ концентрациясын сезетін және плазмалық мембранадағы Ca2+ таңдамалы ORAI1 арнасын белсендіретін фактор ретінде қызмет етеді. Yarkoni және Cambier (2011) егеуқұйрықтардың T және B лимфоциттерінде STIM1 экспрессиясының өзгеше екенін хабарлады; дамыған T-жасушалары дамыған B-жасушаларына қарағанда шамамен 4 есе көп STIM1 экспрессиясын көрсетеді. Физиологиялық экспрессия шегінде STIM1 деңгейі BCR шақырылған ішкі резервтердің азаюынан кейін туындайтын Ca2+ ағыны жауаптарының шамасын анықтайды.
The primary mechanism of extracellular Ca2+ entry in lymphocytes involves CRAC channels. STIM1 is a crucial component of the CRAC influx mechanism in lymphocytes, acting as a sensor of low Ca2+ concentration in the ER and an activator of the Ca2+ selective channel ORAI1 in the plasma membrane. Yarkoni and Cambier (2011) reported that STIM1 expression differs in murine T and B lymphocytes; mature T cells express about 4 times more STIM1 than mature B cells. Through the physiologic range of expression, STIM1 levels determine the magnitude of Ca2+ influx responses that follow BCR induced intracellular store depletion.
SCID
Иммундық жасушалардың антигенмен стимуляциясы тетрамерлі Ca2+ босатумен белсендірілген Ca2+ (CRAC) арналары арқылы Ca2+ кіруін тудырады, бұл транскрипциялық фактор NFAT-ты белсендіре отырып, патогендерге иммундық жауапты күшейтеді. Ауыр біріктірілген иммундық жетіспеушілік синдромының (SCID) бір түрімен ауырған пациенттердің жасушаларында Ca2+ қоймасымен басқарылатын Ca2+ кіру және CRAC арнасының функцияларында бұзылыстар байқалады. Бұл пациенттердегі генетикалық ақау ORAI1 (TM протеині 142A; TMEM142a) генінде, оның құрамында төрт болжамды трансмембраналық сегмент бар. SCID пациенттері ORAI1 геніндегі бір ғана қате мутацияға гомозиготті, ал SCID Т-лимфоциттерінде ORAI1-дің жабайы түрінің экспрессиясы Ca2+ ағынын және CRAC тогын (ICRAC) қалпына келтіреді.
Antigen stimulation of immune cells triggers Ca2+ entry through tetrameric Ca2+ release activated Ca2+ (CRAC) channels, promoting the immune response to pathogens by activating the transcription factor NFAT. Cells from patients with one form of hereditary Severe Combined Immune Deficiency (SCID) syndrome are defective in store operated Ca2+ entry and CRAC channel function. The genetic defect in these patients appears to be in ORAI1 (TM protein 142A; TMEM142a), which contains four putative transmembrane segments. SCID patients are homozygous for a single missense mutation in ORAI1, and expression of wild type ORAI1 in SCID T cells restores store operated Ca2+ influx and the CRAC current (ICRAC).
SOCE
Сақтау арқылы жұмыс істейтін кальцийдің кіруі (SOCE) базалық кальцийді реттеуге, жасуша ішіндегі Ca2+ қорын толықтыруға және түрлі мамандырылған қызметтерді атқаруға қолданылады. STIM және Orai – SOCE-ні қалпына келтіруге және Ca2+ босатылуымен белсендірілген Ca2+ (CRAC) арналарын құруға қажетті маңызды компоненттер. Palty және авторлар (2012) SARAF-тың SOCE-нің теріс реттеушісі екенін молекулалық тұрғыдан анықтады. Бұл эндоплазмалық ретикулум мембранасында орналасқан ақуыз, ол STIM-мен байланысып, SOCE-нің Ca2+ тәуелді баяу инактивациялануына көмектеседі. SARAF цитоплазмалық Ca2+ сигналдарын қалыптастыруда және негізгі жасуша ішіндегі Ca2+ қорының мөлшерін анықтауда маңызды рөл атқарады, бұл жасушаларды Ca2+ артық толуынан қорғау үшін маңызды.
Store operated calcium entry (SOCE) is used to regulate basal calcium, refill intracellular Ca2+ stores, and execute a wide range of specialized activities. STIM and Orai are the essential components enabling the reconstitution of Ca2+ release activated Ca2+ (CRAC) channels that mediate SOCE. Palty et al. (2012) reported the molecular identification of SARAF as a negative regulator of SOCE. It is an endoplasmic reticulum membrane resident protein that associates with STIM to facilitate slow Ca2+ dependent inactivation of SOCE. SARAF plays a key role in shaping cytosolic Ca2+ signals and determining the content of the major intracellular Ca2+ stores, a role that is likely to be important in protecting cells from Ca2+overfilling.