Введение

Гуанилатциклаза (EC 4.6.1.2, также известная как гуанилциклаза, гуанилилциклаза или GC; систематическое название GTP-дифосфат-лиаза (циклизующая; 3′,5′-циклический GMP-синтезирующий)) – это лиазный фермент, который превращает гуанозинтрифосфат (GTP) в циклический гуанозинмонофосфат (cGMP) и пирофосфат:

Как и цАМФ, цГМФ является важным вторичным посредником, который принимает и передает сигнал от межклеточных мессенджеров, таких как пептидные гормоны и оксид азота, и также может функционировать как аутокринный сигнал. В зависимости от типа клеток, он может инициировать адаптивные/развивающие изменения, требующие синтеза белка. В гладкой мускулатуре цГМФ является сигналом для расслабления и связан со многими гомеостатическими механизмами, включая регуляцию вазодилатации, тонуса голосовых связок, секреции инсулина и перистальтики. После образования цГМФ может быть деградирован фосфодиэстеразами, которые сами подвергаются различным формам регуляции в зависимости от ткани.

Эффекты

Гуанилатциклаза обнаружена в сетчатке (RETGC) и модулирует визуальную фототрансдукцию в палочках и колбочках. Она является частью системы отрицательной обратной связи с участием кальция, которая активируется в ответ на гиперполяризацию фоторецепторов светом. Это приводит к снижению внутриклеточного содержания кальция, что стимулирует активирующие белки гуанилатциклазы (GCAP). Исследования показали, что синтез цГМФ в колбочках примерно в 5-10 раз выше, чем в палочках, что может играть важную роль в модуляции адаптации колбочек к свету. Кроме того, исследования показали, что данио рерио (рыбы-зебры) экспрессируют большее количество GCAP, чем млекопитающие, и что GCAP данио рерио могут связывать по крайней мере три иона кальция. Гуанилатциклаза 2C (GC C) – это фермент, экспрессируемый главным образом в кишечных нейронах. Активация GC C усиливает возбуждающий ответ клеток, модулируемый рецепторами глутамата и ацетилхолина. GC C, хотя и известна в основном своей секреторной регуляцией в кишечном эпителии, также экспрессируется в головном мозге. В частности, она обнаружена в сомах и дендритах дофаминергических нейронов в вентральной тегментальной области (ВТА) и черной субстанции. Некоторые исследования указывают на участие этого пути в развитии дефицита внимания и гиперактивности. Растворимая гуанилатциклаза содержит молекулу гема и активируется главным образом связыванием оксида азота (NO) с этим гемом. sGC является основным рецептором для NO – газообразного, мембрано-растворимого нейротрансмиттера. Показано, что экспрессия sGC наиболее высока в стриатуме по сравнению с другими областями мозга и изучается как возможный кандидат для восстановления функции стриатума при болезни Паркинсона. sGC действует как внутриклеточный посредник в регуляции дофамина и глутамата. Повышение регуляции, приводящее к чувствительности нейронов, цГМФ в стриатуме с дефицитом дофамина, связано с симптомами болезни Паркинсона. Увеличение внутриклеточного содержания цГМФ, как было показано, способствует чрезмерной возбудимости нейронов и локомоторной активности. Активация этого пути также может стимулировать пресинаптическое высвобождение глутамата и вызывать повышение регуляции AMPA-рецепторов постсинаптически.

Типы

Существуют мембранно-связанные (тип 1, рецептор, сопряженный с гуанилатциклазой) и растворимые (тип 2, растворимая гуанилатциклаза) формы гуанилатциклаз. Мембранно-связанные гуанилатциклазы включают внешний лиганд-связывающий домен (например, для пептидных гормонов, таких как BNP и ANP), трансмембранный домен и внутренний каталитический домен, гомологичный аденилатциклазам. Недавно прямо активируемая светом гуанилатциклаза была обнаружена у водного гриба. В сетчатке млекопитающих идентифицированы две формы гуанилатциклазы, каждая из которых кодируется отдельным геном: RETGC 1 и RETGC 2. Показано, что RETGC 1 экспрессируется на более высоком уровне в колбочках по сравнению с палочками. Исследования также показали, что мутации в гене RETGC 1 могут приводить к дистрофии колбочек и палочек, нарушая процессы фототрансдукции.

Мутации

Конусовая дистрофия (КД) – это деградация функции фоторецепторов сетчатки, при которой функция колбочек утрачивается в начале дистрофии, но функция палочек сохраняется почти до конца. КД связана с несколькими генетическими мутациями, включая мутации в гене активитора гуанилатциклазы 1A (GUCA1A) и гуанилатциклазы 2D (GUY2D), а также в других ферментах. В частности, GUY2D кодирует RETGC 1, который участвует в адаптации колбочек и чувствительности фоторецепторов посредством синтеза цГМФ. Низкие концентрации кальция вызывают димеризацию белков RETGC 1 под воздействием стимуляции активирующих белков гуанилатциклазы (GCAP). Этот процесс происходит в области аминокислот 817-857, и мутации в этой области повышают сродство RETGC 1 к GCAP. Это изменяет чувствительность нейрона к кальцию, позволяя мутантному RETGC 1 активироваться GCAP при более высоких уровнях кальция, чем у дикого типа. Поскольку RETGC 1 производит цГМФ, который поддерживает открытыми каналы, активируемые циклическими нуклеотидами, обеспечивая приток кальция, эта мутация приводит к чрезвычайно высоким уровням внутриклеточного кальция. Кальций, выполняющий множество функций в клетке и строго регулируемый, нарушает целостность мембраны при его избытке. Кроме того, кальций связан с апоптозом, вызывая высвобождение цитохрома c. Следовательно, мутации в RETGC 1 могут вызывать КД, повышая уровень внутриклеточного кальция и стимулируя гибель колбочковых фоторецепторов.