Введение

Группа белков, формирующих межмембранные каналы разрывных соединений.

Коннексины (Cx) (TC# 1. A.24), или белки промежуточных соединений, представляют собой структурно родственные трансмембранные белки, которые собираются в комплексы, формирующие разрывные соединения позвоночных. Совершенно иное семейство белков, иннексины, формируют разрывные соединения у беспозвоночных. Каждое разрывное соединение состоит из двух гемиканалов, или коннексонов, которые состоят из гомо- или гетерогексамерных скоплений коннексинов, и коннексон в одной плазматической мембране соединяется "конец к концу" с коннексоном в мембране тесно прилежащей клетки. Гемиканал образован шестью субъединицами коннексина, каждая из которых состоит из четырех трансмембранных сегментов. Разрывные соединения необходимы для многих физиологических процессов, таких как согласованная деполяризация сердечной мышцы, нормальное эмбриональное развитие и проводимый ответ в микроциркуляции. Коннексины также выполняют функции, не зависящие от формирования каналов, связанные с цитоскелетом и миграцией клеток. По этим причинам мутации в генах, кодирующих коннексины, могут приводить к функциональным и развитию аномалиям.

Номенклатура

Коннексины обычно наименовываются в соответствии с их молекулярной массой, например, Cx26 – это белок коннексина с молекулярной массой 26 кДа. Существует альтернативная номенклатура – система белков межщелевых контактов, в которой коннексины классифицируются по α (GJA) и β (GJB) формам, а дополнительные коннексины объединяются в группы C, D и E, с последующим идентификационным номером, например, GJA1 соответствует Cx43. По результатам голосования на конференции по межщелевым контактам (2007) в Эльсиноре научное сообщество приняло решение использовать систему номенклатуры GJ для генов, кодирующих коннексины, но сохранило номенклатуру коннексинов для кодируемых белков, используя массу человеческого белка для нумерации ортологичных белков.

Структура

Коннексины содержат четыре высокоупорядоченных трансмембранных сегмента (ТМС), преимущественно неструктурированные C- и N-концевые цитоплазматические домены, цитоплазматическую петлю (CL) и два внеклеточных контура (EL 1) и (EL 2). Коннексины собираются в группы по шесть, формируя полуканалы, или коннексоны, а два полуканала объединяются, образуя щелевой контакт. Доступна кристаллическая структура канала щелевого контакта, образованного человеческим Cx26 (также известным как GJB2), с разрешением 3,5 Å. Карта электронной плотности показала два проходящих через мембрану полуканала и расположение четырех ТМС шести протомеров, формирующих каждый полуканал. Полуканалы характеризуются положительно заряженным цитоплазматическим входом, воронкой, отрицательно заряженным трансмембранным каналом и внеклеточной полостью. Канал сужается в области воронки, образованной шестью аминоконцевыми спиралями, выстилающими стенку канала, что определяет ограничение по размеру молекул на входе в канал. Семейство генов коннексинов разнообразно: в секвенированном геноме человека идентифицировано двадцать один член, а в геноме мыши – двадцать (девятнадцать из которых являются ортологичными парами). Их молекулярная масса обычно составляет от 25 до 60 кДа, а средняя длина – 380 аминокислот. Различные коннексины способны формировать как гомомерные, так и гетеромерные щелевые контакты, каждый из которых может проявлять различные функциональные свойства, включая проводимость пор, селективность по размеру, селективность по заряду, зависимость от напряжения и химическую регуляцию.

Биосинтез и интернализация

Замечательным аспектом коннексинов является их относительно короткий период полураспада – всего несколько часов. Это приводит к существованию динамического цикла синтеза и замещения коннексинов. Предполагается, что такая небольшая продолжительность жизни обеспечивает возможность более тонкой регуляции физиологических процессов, например, в миометрии.

От ядра к мембране

По мере трансляции рибосомами коннексины встраиваются в мембрану эндоплазматического ретикулума (ЭР). Именно в ЭР происходит правильная укладка коннексинов, в результате чего формируются две внеклеточные петли – EL 1 и EL 2. Также в ЭР начинается олигомеризация молекул коннексина в гемиканалы, процесс, который может продолжаться и в промежуточном отделе аппарата Гольджи. Однако некоторые коннексины, такие как Cx26, могут транспортироваться независимо от Гольджи.

Сборка с разрывным стыком

После внедрения в плазматическую мембрану клетки гемиканалы свободно диффундируют в липидном бислое. С помощью специфических белков, главным образом кадеринов, гемиканалы способны контактировать с гемиканалами соседних клеток, формируя щелевые соединения. Недавние исследования показали наличие связи между адгезионными соединениями и щелевыми соединениями, что указывает на более высокий уровень координации, чем предполагалось ранее.

Функция

Разрывные соединения, образованные конексинами, встречаются только у позвоночных, тогда как функционально аналогичная (но генетически не связанная) группа белков – иннексины – отвечает за формирование разрывных соединений у беспозвоночных. Ортологи иннексинов также были идентифицированы у хордовых, но утратили способность формировать разрывные соединения. Вместо этого каналы, образованные этими белками (называемые паннексинами), функционируют как очень крупные трансмембранные поры, соединяющие внутри- и внеклеточные пространства. В центральной нервной системе (ЦНС) разрывные соединения обеспечивают электрическое сопряжение между клетками-предшественниками, нейронами и глиальными клетками. Исследования с использованием специфических нокаутных мышей по гену конексина показали, что клеточное сопряжение необходимо для зрительной сигнализации. В сетчатке уровень окружающего освещения влияет на клеточное сопряжение, обеспечиваемое каналами разрывных соединений, адаптируя зрительную функцию к различным условиям освещения. Регуляция клеточного сопряжения осуществляется несколькими механизмами, включая экспрессию конексинов. Decrock et al. описали многоуровневую платформу, посредством которой конексины и паннексины могут влиять на следующие клеточные функции в ткани: (1) коннексиновые разрывные каналы (GJC) обеспечивают прямую межклеточную коммуникацию малых молекул, (2) коннексиновые гемиканалы и каналы паннексина могут участвовать в аутокринных/паракринных сигнальных путях, и (3) различные структурные домены этих белков позволяют осуществлять функции, не связанные с формированием каналов, такие как межклеточная адгезия, взаимодействие с цитоскелетом и активация внутриклеточных сигнальных каскадов. Таким образом, конексины и паннексины вносят многогранный вклад в развитие мозга и специфические процессы в нейроглиоваскулярной единице, включая синаптическую передачу и пластичность, глиальную сигнализацию, вазомоторный контроль, клеточную подвижность и целостность гематоэнцефалического барьера в зрелой ЦНС.

Коннексины человека и их клиническое значение

Коннексин. Локализация и функция гена Cx43 GJA1 Экспрессируется на поверхности сосудов с атеросклеротической бляшкой и повышается при атеросклерозе у мышей. Может оказывать патологическое воздействие. Также экспрессируется между гранулезными клетками, что необходимо для пролиферации. Обычно экспрессируется в астроцитах, также обнаружен в большинстве человеческих астроцитом и в астроглиальном компоненте глионеврональных опухолей. Ассоциирован с окулодентодигитальной дисплазией. Cx46 GJA3 Cx37 GJA4 Индуцируется в гладкомышечных клетках сосудов во время коронарного артериогенеза. Мутации Cx37 не летальны. Формирует щелевые соединения между ооцитами и гранулезными клетками, необходимые для выживания ооцитов. Cx40 GJA5 Экспрессируется селективно в миоцитах предсердий. Отвечает за опосредование скоординированной электрической активации предсердий. Cx33 GJA6(GJA6P) Псевдоген у человека. Cx50 GJA8 Щелевые соединения между горизонтальными клетками типа А в сетчатке мыши и кролика. Cx59 GJA10 Cx62 GJA10 Человеческий Cx62 соответствует Cx57 (мышь). Локализация в аксоносодержащей горизонтальной клетке типа B в сетчатке кролика. Cx32 GJB1 Основной компонент периферического миелина. Мутации в человеческом гене вызывают болезнь Шарко — Мари — Тута, наследственную нейропатию. В нормальном мозге человека CX32 экспрессируется в нейронах и олигодендроцитах. Cx26 GJB2 Мутирует при синдроме Вохвинкеля, а также при синдроме кератоза-ихтиоза-глухоты (KID). Может быть связан с переменным эритрокератозом. Cx31.1 GJB5 Cx30 GJB6 Мутирует при синдроме Клустона (гидротическая эктодермальная дисплазия). Атриовентрикулярный узел. Cx47 GJC2/GJA12 Экспрессируется в щелевых соединениях олигодендроцитов. Cx31.3 GJC3 Человеческий ортолог мышиного Cx29. Не известно, формирует ли щелевые соединения. Cx36 GJD2/GJA9 Функция бета-клеток поджелудочной железы, опосредующая высвобождение инсулина. Нейроны по всей центральной нервной системе, где они синхронизируют нейронную активность. Cx31.9 GJD3/GJC1 Cx39 GJD4 Cx40.1 GJD4 Cx23 GJE1 Щелевые соединения необходимы для многих физиологических процессов, таких как скоординированная деполяризация сердечной мышцы, правильное эмбриональное развитие и проводимость в микрососудистой системе. По этой причине делеция или мутация различных изоформ коннексина приводит к возникновению характерных фенотипов и патологий. В то время как мутации в Cx43 в основном связаны с окулодентодигитальной дисплазией, мутации Cx47 ассоциированы с болезнью Пелизеуса — Мерцбахера и лимфедемой. Мутации Cx40 в основном связаны с фибрилляцией предсердий. Мутации в Cx37 пока не описаны, но полиморфизмы в гене Cx37 были вовлечены в развитие артериальных заболеваний.