Введение

Семейство транспортных белков

Везикулярный моноаминотранспортер (VMAT) – это транспортный белок, встроенный в мембраны синаптических везикул пресинаптических нейронов. Он транспортирует моноаминовые нейротрансмиттеры – такие как дофамин, серотонин, норадреналин, адреналин и гистамин – внутрь везикул, которые затем высвобождают нейротрансмиттеры в синапсы в качестве химических сигналов постсинаптическим нейронам. VMAT используют протонный градиент, создаваемый V-АТФазами в мембранах везикул, для обеспечения импорта моноаминов. Фармацевтические препараты, воздействующие на VMAT, потенциально могут применяться при лечении различных состояний, что стимулирует обширные биологические исследования, в том числе в области гипертонии, наркотической зависимости, психических расстройств, болезни Паркинсона и других неврологических заболеваний. Многие препараты, нацеленные на VMAT, действуют как ингибиторы и изменяют кинетику этого белка. Значительное количество исследований, посвященных влиянию измененных VMAT на биологические системы, продолжается и в настоящее время.

Моноамины

Моноамины, транспортируемые ВМАТ, – главным образом норадреналин, адреналин, дофамин, серотонин, гистамин и следовые амины. К экзогенным субстратам относятся гуанетидин и МПП+.

Открытие

Исследования VMAT начались в 1958 году, когда Нильс Оке Хиларп обнаружил секреторные везикулы. В 1970-х годах ученые, такие как Арвид Карлссон, осознали необходимость понимания принципов работы транспортных систем и ионных градиентов в различных организмах для разработки новых методов лечения, таких как резерпин (RES). Исследователи обнаружили ингибиторы, блокирующие захват нейротрансмиттеров в везикулы, что указывало на существование VMAT. Десять лет спустя развитие молекулярно-генетических методов позволило усовершенствовать способы идентификации белков. Ученые использовали эти методы для анализа последовательностей ДНК и аминокислот и обнаружили, что транспортеры у бактерий и людей имеют большое сходство, что подчеркивает их важность и универсальность. Структурная идентификация транспортеров впервые была осуществлена путем клонирования VMAT у крыс.

Местоположение

Существуют два типа ВМАТ, экспрессируемых у человека: ВМАТ1 и ВМАТ2. ВМАТ1 экспрессируется в тромбоцитах крови и коэкспрессируется в хромаффинных клетках.

Структура и функция

VMAT1 и VMAT2 – это кислые гликопротеины с молекулярной массой около 70 кДа. Обе изоформы являются трансмембранными белками с 12 трансмембранными доменами (ТМД). ВМАТ используют один и тот же механизм транспорта для всех типов моноаминов. Современная модель функционирования ВМАТ предполагает, что выведение двух протонов (H+) против градиента H+ связано с поступлением одного моноамина. Предполагается, что RES ингибирует ВМАТ, взаимодействуя с данной конформацией. Анализ последовательности генов ВМАТ показывает, что четыре остатка аспарагиновой кислоты в средней части ТМД I, VI, X и XI, а также один остаток лизина в ТМД II, имеют высококонсервативные последовательности генов, что указывает на важную роль этих остатков в структуре и функции транспортера. В частности, считается, что остатки Lys139 и Asp427 образуют ионную пару, способствующую высокоаффинному взаимодействию с субстратами и ингибиторами ВМАТ.

Кинетическая

ВМАТ имеют относительно низкую Vmax, с оценочной скоростью 5–20/сек в зависимости от субстрата. Наполнение везикул может ограничивать высвобождение моноаминов из нейронов с высокой частотой импульсации. Специфическая аффинность к связыванию аминов варьируется в зависимости от изоформы ВМАТ; исследования показывают, что катехоламины – дофамин, норэпинефрин и эпинефрин – имеют в три раза более высокую аффинность к VMAT2, чем к связыванию и захвату VMAT1. Гистамин, имидазоламин, имеет в тридцать раз более высокую аффинность к VMAT2 по сравнению с VMAT1.

Аффинность ингибиторов варьируется между изоформами ВМАТ. RES и KET обладают более высокой ингибирующей аффинностью к транспорту 5HT, опосредованному VMAT2, чем к VMAT1; TBZ, по-видимому, ингибирует исключительно VMAT2.

Место сбора ВИЭ

В соответствии с аффинностью к катехоламинам, RES имеет в три раза более высокую аффинность к VMAT2, чем к VMAT1. Метокситтерабеназин (MTBZ) может связываться с сайтом связывания RES, что подтверждается исследованиями, показывающими значительное ингибирование связывания MTBZ препаратом RES. Считается, что этот сайт расположен в N-концевом участке, основываясь на исследованиях, проведенных на бычьем VMAT2. В отличие от ингибирования, вызываемого RES, ингибирование TBZ чувствительно только к очень высоким концентрациям моноаминов; однако, однократные инъекции RES способны ингибировать связывание TBZ. Наибольшая генетическая вариабельность между VMAT1 и VMAT2 наблюдается вблизи N- и C-концевых участков в цитозольной фазе, а также в гликозилированном цикле между TMD I и II. Переэкспрессия VMAT2 приводит к увеличению секреции нейротрансмиттера при стимуляции клеток. Данные указывают на то, что делеция генов VMAT2 не влияет на размер мелких везикул с прозрачным ядром. Регуляция VMAT может осуществляться за счет изменений в транскрипции, посттранскрипционных модификаций, таких как фосфорилирование и сплайсинг экзонов мРНК, а также за счет инактивации везикулярного транспорта, опосредованной гетеротримерными G-белками, которые предположительно присутствуют в хромаффиновых гранулах и, как было показано, регулируют мелкие везикулы с прозрачным ядром.

Клиническое значение

Было показано, что VMAT2 играет роль в развитии многих клинических неврологических расстройств, включая наркозависимость, расстройства настроения и стресс, а также болезни Паркинсона и болезни Альцгеймера.

Болезнь Паркинсона

Исследования показывают, что мРНК VMAT2 присутствует во всех группах клеток, пораженных болезнью Паркинсона (БП); эти данные выявили VMAT2 как потенциальную мишень для предотвращения развития болезни Паркинсона. Само по себе наличие VMAT2 не обеспечивает защиту нейронов от БП, однако снижение экспрессии VMAT2 связано с повышенной восприимчивостью к заболеванию.

Расстройства настроения

Исследования с использованием генетической модели грызунов для изучения клинической депрессии у людей позволяют предположить, что генетические или функциональные изменения VMAT2 могут играть роль в развитии депрессии. Сниженные уровни VMAT2 были обнаружены в определенных подрегионах полосатого тела, связанных с клинической депрессией, включая оболочку ядра аккумбенса, но не его ядро, вентральную тегментальную область и компактную часть черной субстанции. Снижение уровней белка VMAT2 не сопровождалось аналогичными изменениями в уровнях мРНК VMAT2. На основании этих данных было предложено, что активность VMAT2 не изменяется на уровне генетической экспрессии, но может быть изменена на функциональном уровне, что может быть связано с клинической депрессией. Однако, на данный момент не выявлено каких-либо конкретных заболеваний, напрямую вызванных генетической мутацией в гене SLC18, кодирующем белки VMAT. Требуется дальнейшее изучение этих SNP, чтобы определить, могут ли они быть связаны с определенными заболеваниями, происхождение которых предположительно связано с мутациями SNP. α-синуклеин, цитозольный белок, преимущественно локализованный в пресинаптических нервных окончаниях, был обнаружен во взаимодействии с траффиком VMAT; мутации, затрагивающие α-синуклеин, связаны с семейной формой болезни Паркинсона. Необходимы дальнейшие исследования для уточнения степени, в которой эти белки модулируют траффик VMAT, и возможности их использования для получения дополнительной информации о точном механизме развития таких расстройств, как болезнь Паркинсона, и о потенциальных подходах к их лечению. Исследования показали, что на синаптической мембране ферменты, ответственные за синтез дофамина – тирозингидроксилаза и ароматическая аминокислотная декарбоксилаза – физически и функционально связаны с VMAT2. Изначально предполагалось, что синтез этих веществ и их последующая упаковка в везикулы – это два совершенно независимых процесса.

Исследования на животных

В современных исследованиях, связанных с ВМАТ, используются мыши с нокаутом по гену ВМАТ2 для изучения поведенческой генетики этого транспортера на моделях животных. Известно, что нокауты по ВМАТ2 летальны в гомозиготном состоянии, но нокауты по гетерозиготному аллелю нелетальны и широко используются в качестве устойчивой модели на животных. Исследования на мышах с нокаутом и подавлением экспрессии гена показали, что в определенных ситуациях полезно иметь повышенную или пониженную экспрессию генов ВМАТ. Мыши также используются в фармакологических исследованиях, особенно при изучении влияния кокаина и метамфетамина на ВМАТ. Результаты исследований на животных стимулировали ученых к разработке препаратов, ингибирующих или усиливающих функцию ВМАТ. Ингибиторы ВМАТ могут найти применение в лечении зависимости, однако требуются дополнительные исследования. Усиление функции ВМАТ также может представлять терапевтическую ценность.