Трансдуцин: Көру фототрансдукциясындағы рөлі мен механизмі

Кіріспе

Трансдуцин (Gt) – омыртқалы жануарлардың торлы қабығындағы таяқшалар мен түйіршіктерде табиғи түрде өндірілетін ақуыз және омыртқалы жануарлардың фототрансдукциясында маңызды рөл атқарады. Ол – гетеротримерлік G ақуызының бір түрі, оның таяқша және түйіршік фоторецепторларында әртүрлі α-бөлімшелері болады. Жарық родопсиннің құрылымдық өзгерістеріне алып келеді, ал бұл өз кезегінде трансдуциннің белсендірілуіне себеп болады. Трансдуцин фосфодиэстеразаны белсендіреді, нәтижесінде циклдік гуанозин монофосфаты (cGMP) ыдырайды. Жарқын жауаптың қарқындылығы белсендірілген трансдуциннің санына тікелей пропорционал.

Фототрансдукциядағы функция

Трансдуцинді метардопсин II белсендіреді, бұл родопсиннің конформациялық өзгеруіне себеп болады, ал бұл өзгеріс родопсин молекуласының құрамындағы ретиналдың фотонды сіңіруінен туындайды. Жарық ретиналдың 11-цис түрінен барлық-транс түріне изомерленуіне әкеледі. Изомерлену опсиннің метардопсин II-ге айналуына ықпал етеді. Метардопсин трансдуцинді белсендіргенде, α-суббөлімшесіне (Tα) байланысқан гуанозин дифосфаты (ЖДФ) цитоплазмадан алынған гуанозин трифосфатымен (ЖТФ) алмастырылады. α-суббөлімшесі βγ-суббөлімшелерінен (Tβγ) бөлінеді. Белсенді трансдуцин α-суббөлімшесі cGMP фосфодиэстеразаны белсендіреді. cGMP фосфодиэстераза cGMP-ны, яғни жасушаішілік екінші хабаршыны ыдыратады, ол cGMP-ға тәуелді катиондық каналдарды ашады. Фосфодиэстераза cGMP-ны 5'-ЖМП-ге гидролиздейді. cGMP концентрациясының төмендеуі катиондық каналдардың ашылуының азаюына және мембраналық потенциалдың гиперполяризациялануына алып келеді. Трансдуцин α-суббөлімшесі байланысқан ЖТФ-ты ЖДФ-қа гидролиздегенде деактивацияланады. Бұл процесті RGS (G белок сигналдауын реттегіш) ақуызы және эффекттордың гамма-суббөлімшесі, циклдік GMP фосфодиэстеразасын қамтитын кешен үдетіп жібереді.

Белсенділендіру механизмі

Трансдуциннің Tα кішібірлігі үш функционалдық доменді қамтиды: біреуі родопсин/Tβγ өзара әрекеттесуі үшін, біреуі GTP байланысуы үшін, ал соңғысы cGMP фосфодиэстеразаның белсенділігі үшін. Tα-ның таяқша және конус клеткаларында кездесетін түрлі изоформалары бар. Дегенмен, изоформалар фототрансдукция каскадында функционалдық алмастырылуға қабілетті және жарыққа сезімталдықтағы айырмашылықтарды толыққанды түсіндіре алмайды. Фототрансдукциядағы негізгі назар Tα-ға болса да, Tβγ родопсиннің трансдуцинге байланысуы үшін маңызды. Родопсин/Tβγ байланысу домені Tα-ның амино және карбоксиль терминалдарын қамтиды. Амино терминалы родопсинмен өзара әрекеттесу орны, ал карбоксиль терминалы Tβγ байланысу орны болып табылады. Амино терминалы родопсин арқылы трансдуцин молекуласын белсендіру үшін карбоксиль терминалына жақын немесе оған жақын орналасуы мүмкін. Фотолизделген родопсинмен өзара әрекеттесу GTP байланысу орнын ашып, GDP-нің GTP-ге жылдам алмасуына мүмкіндік береді. Байланысу орны фотолизделген родопсин болмағанда жабық күйде болады. Әдетте, жабық күйде байлау орнына жақын орналасқан α спиралі GTP/GDP алмасуына кедергі келтіретін позицияда болады. Фотолизделген родопсинның Tα конформациялық өзгерісі спиральдің еңкеюіне және GTP байланысу орнының ашылуына себеп болады. GTP-нің GDP-ге алмасуынан кейін, GTP Tα кешенінде екі маңызды өзгеріс орын алады: фотолизделген родопсин мен Tβγ суббірлігінен диссоциация және фосфодиэстеразамен (ФДЭ) өзара әрекеттесуге арналған байланысу орнының ашылуы. ГТФ байланысы арқылы трансдуцинде туындаған конформациялық өзгерістер ФДЭ байланысу орнына беріледі, оның ФДЭ-мен байланысуына жағдай жасайды. ГТФ-тың тудырған конформациялық өзгерістері родопсин/Tβγ байланысу орнын бұзып, GTP Tα кешенінен диссоциацияға әкелуі мүмкін. Артық Tβ және Tγ ROS-те еркін қозғалады, бірақ олар кез келген уақытта Tα-мен байланысты бола алмайды. Tβγ артық болуының бір түсіндірмесі – Tα-ның қайта байланысу мүмкіндігінің артуы. Tβγ трансдуциннің байланысуы үшін маңызды болғандықтан, гетеротримерлік конформацияның қайта қалыпқа келуі басқа GTP молекуласына жылдам байланысуға және осылайша фототрансдукцияның жылдамдауына әкелуі мүмкін. Родопсин байланысы Tγ карбоксиль терминалында спиральдың қалыптасуына себеп болады және Tγ карбоксилі мен Tα карбоксиль терминалдарын жақындастырады, бұл нуклеотид алмасуын жеңілдетеді. Tα родопсинге байланысу арқылы жарықтан кейін туындаған протеинкиназа А-ның белсендіру жылдамдығын арттыра алады. Сондай-ақ, трансдуцин активтелген родопсинге байланысу арқылы толық функционалдық белсенділікке жетеді. Бұл домендегі мутациялар родопсин-трансдуцин өзара әрекеттесуін жояды. Tγ конформациялық өзгерісі G белок γ суббірлігі отбасында сақталған болуы мүмкін. α және β суббірліктері жоғары молекулалық салмақты суббірліктер болып табылады және ФДЭ-нің каталитикалық бөлігін құрайды. Фототрансдукция жүйесінде GTP байланысқан Tα, ФДЭ-нің γ суббірлігіне байланысады. ФДЭ-нің белсендірілуінің екі механизмі ұсынылған. Біріншісі, GTP байланысқан Tα гидролизді белсендіру үшін каталитикалық суббірліктерден ФДЭ γ суббірлігін босатады деп болжайды. Екінші, ықтимал механизм бойынша, байланыс γ суббірлігінің позициялық өзгерісіне әкеледі, бұл cGMP гидролизі үшін каталитикалық суббірлікке қол жетімділікті жақсартады. Tα-ның GTPазалық белсенділігі GTP-ні GDP-ге гидролиздейді және Tα суббірлігінің конформациясын өзгертеді, оның ФДЭ-дегі α және β суббірліктеріне байланысуға қабілетін арттырады. Tα-ның осы үлкен суббірліктерге байланысуы ФДЭ-де тағы бір конформациялық өзгеріске әкеледі және катализдік суббірліктің гидролиз қабілетін тежейді. Бұл үлкен молекулалық суббірліктегі Tα байланысу орны γ суббірлігіндегі Tα байланысу орнына тікелей іргелес болуы мүмкін. Бұл еркін GDP байланысқан Tα арқылы ФДЭ-нің белсендірілуімен түсіндірілуі мүмкін. Алайда, GDP байланысқан Tα үшін ФДЭ γ суббірлігінің аффинитеті GTP байланысқан Tα-ға қарағанда шамамен 100 есе төмен. GDP байланысқан Tα-ның ФДЭ-ні белсендіру механизмі әлі белгісіз, бірақ ол GTP байланысқан Tα-ның ФДЭ-ні белсендіруіне ұқсас болуы мүмкін.

The Tα subunit of transducin contains three functional domains: one for rhodopsin/Tβγ interaction, one for GTP binding, and the last for activation of cGMP phosphodiesterase. There are different isoforms of Tα, seen in rod and cone cells. However, the isoforms exhibit functional interchangeability in the phototransduction cascade and shouldn't solely account for differences in light sensitivity. Although the focus for phototransduction is on Tα, Tβγ is crucial for rhodopsin to bind to transducin. The rhodopsin/Tβγ binding domain contains the amino and carboxyl terminal of the Tα. The amino terminal is the site of interaction for rhodopsin while the carboxyl terminal is that for Tβγ binding. The amino terminal might be anchored or in close proximity to the carboxyl terminal for activation of the transducin molecule by rhodopsin. Interaction with photolyzed rhodopsin opens up the GTP binding site to allow for rapid exchange of GDP for GTP. The binding site is in the closed conformation in the absence of photolyzed rhodopsin. Normally in the closed conformation, an α helix located near the binding site is in a position which hinders the GTP/GDP exchange. A conformational change of the Tα by photolyzed rhodopsin causes the tilting of the helix, opening the GTP binding site. Once GTP has been exchanged for GDP, the GTP Tα complex undergoes two major changes: dissociation from photolyzed rhodopsin and the Tβγ subunit and exposure of the phosphodiesterase (PDE) binding site for interaction with latent PDE. The conformational changes initiated in the transducin by binding of GTP are transmitted to the PDE binding site and cause it to be exposed for binding to PDE. The GTP induced conformational changes could also disrupt the rhodopsin/Tβγ binding site and lead to dissociation from the GTP Tα complex. The excess Tβ and Tγ have been concluded to be floating freely around in the ROS, though it cannot be associated with the Tα at any given time. One possible explanation for the excess Tβγ is increased availability for Tα to rebind. Since Tβγ is crucial for the binding of transducin, reacquisition of the heterotrimeric conformation could lead to more rapid binding to another GTP molecule and thus faster phototransduction. Rhodopsin binding causes helix formation at the carboxyl terminal on the Tγ and brings the Tγ carboxyl and Tα. Carboxyl terminals closer together to facilitate nucleotide exchange. Tα can accelerate the rate of activation of light off induced Protein Kinase A due to binding to rhodopsin. As well as, transducin achieves full functional activation upon binding to activated rhodopsin. Mutations in this domain abolish rhodopsin transducin interaction. This conformational switch in the Tγ may be preserved in the G protein γ subunit family. The α and β subunits are the larger molecular weight subunits and make up the catalytic moiety of PDE. In the phototransduction system, GTP bound Tα binds to the γ subunit of PDE. There are two proposed mechanisms for the activation of PDE. The first proposes that the GTP bound Tα releases the PDE γ subunit from the catalytic subunits in order to activate hydrolysis. The second more likely mechanism proposes that binding causes a positional shift of the γ subunit, allowing better accessibility of the catalytic subunit for cGMP hydrolysis. The GTPase activity of Tα hydrolyzes GTP to GDP and changes the conformation of the Tα subunit, increasing its affinity to bind to the α and β subunits on the PDE. The binding of Tα to these larger subunits results in another conformational change in PDE and inhibits the hydrolysis ability of the catalytic subunit. This binding site on the larger molecular subunit may be immediately adjacent to the Tα binding site on the γ subunit. This can be explained by the activation of PDE by free GDP bound Tα. PDE γ subunit affinity for GDP bound Tα, however, seems to be about 100 fold smaller than for GTP bound Tα. The mechanism by which GDP bound Tα activates PDE remains unknown however, it is speculated to be similar to the activation of PDE by GTP bound Tα.