Введение

Семейство транспортных белков. Циклические нуклеотид-зависимые ионные каналы, или КНЗ-каналы, – это ионные каналы, функционирующие в ответ на связывание циклических нуклеотидов. КНЗ-каналы являются неселективными катионными каналами, обнаруженными в мембранах различных типов тканей и клеток, и играют важную роль в сенсорной трансдукции, а также в развитии клеток. Их функционирование может быть результатом комбинации связывания циклических нуклеотидов (цГМФ и цАМФ) и события деполяризации или гиперполяризации. Первоначально обнаруженные в клетках сетчатки глаза, КНЗ-каналы были найдены во многих различных типах клеток как в животном, так и в растительном царствах. КНЗ-каналы имеют сложную структуру, состоящую из различных субъединиц и доменов, играющих критическую роль в их работе. КНЗ-каналы важны для функционирования различных сенсорных путей, включая зрение и обоняние, а также для других ключевых клеточных функций, таких как высвобождение гормонов и хемотаксис. КНЗ-каналы также обнаружены у прокариот, включая многие спирохеты, хотя их точная роль в бактериальной физиологии остается неизвестной.

Открытие

Открытие каналов СНГ связано с открытием внутриклеточных посредников, ответственных за передачу сигналов в фоторецепторах сетчатки. До их открытия считалось, что циклические нуклеотиды участвуют в процессах фосфорилирования. В 1985 году было установлено, что цГМФ способен непосредственно активировать светозависимый отклик стержневых ионных каналов при изучении сетчатки лягушек, адаптированной к свету. Каналы CNG также были обнаружены в конусных фоторецепторах, хемочувствительных ресничках обонятельных сенсорных нейронов и шишковидной железе. После идентификации аминокислотной последовательности очищенных белков было проведено клонирование и функциональная экспрессия каналов CNG. Молекулярное клонирование позволило обнаружить подобные каналы во многих других тканях. В 2000 году ученые, используя сетчатку мыши и молекулярное клонирование, выявили новую субъединицу канала – CNG6.

Функция

Каналы CNG выполняют важную функцию в передаче сигналов в фоторецепторах сетчатки и обонятельных рецепторных нейронах. Они непосредственно активируются циклическими нуклеотидами, и для активации каждого канала требуется примерно 4 циклических нуклеотида. Каналы CNG неселективны и пропускают множество щелочных ионов внутрь или наружу клетки, экспрессирующей каналы CNG на своей мембране. Этот поток ионов может приводить либо к деполяризации, либо к гиперполяризации. Каналы CNG могут активироваться исключительно cAMP или cGMP, а иногда и комбинацией обоих cNMP, и некоторые каналы более селективны, чем другие. Несмотря на то, что активность этих каналов слабо зависит от напряжения, они все же считаются зависимыми от напряжения каналами. Кальций, кальмодулин и фосфорилирование модулируют открытие каналов CNG.

Поры

Структура поры аналогична другим ионным каналам, содержащим P-петли. P-петля входит в мембрану поры с наружной (экстрацеллюлярной) стороны и выходит на внутреннюю (интрацеллюлярную) сторону. P-петля входит в виде альфа-спирали и выходит в виде размотанной цепи. Спирали, покрывающие внутреннюю мембрану, выстилают канал. Они также формируют пучок из шести спиралей, обозначающий вход. Для открытия поры необходимо конформационное изменение во внутреннем пучке из шести спиралей.

С-связка

С-связник – это область, соединяющая CNBD с сегментом S6. Область С-связника способствует контакту между субъединицами канала, а также стимулирует тетрамеризацию, то есть образование тетрамеров. Многие остатки аминокислот играют роль в модуляции CNG-каналов. В этом процессе используются металлы, такие как никель, цинк, медь и магний. Область С-связника участвует в связи между связыванием лиганда и открытием поры. Область С-связника формирует дисульфидные связи с N-концевыми областями. Дисульфидные связи изменяют функцию канала, поэтому, вероятно, находятся вблизи третичной структуры. Дисульфидные связи уменьшают свободную энергию открытого состояния по сравнению с закрытым состоянием. Специфический остаток цистеина C481 в области С-связника расположен всего в нескольких аминокислотах от связывающего домена. В закрытом состоянии C481 не является реакционноспособным; C481 должен претерпеть конформационное изменение, чтобы стать доступным для открытия канала. Дисульфидные связи формируются между соседними субъединицами и C481. Одновременно в N-конце области С-связника присутствует остаток цистеина C35, который может достигать двух остатков C481, образуя более благоприятную дисульфидную связь, чем связь C481-C481. CNG-каналы состоят из альфа-субъединицы, известной как CNGA1, и бета-субъединицы CNGB1. Особенностью альфа-субъединицы является ее способность самостоятельно формировать функциональный канал, называемый гомотетрамерным каналом. Этот гомотетрамерный канал представляет научный интерес, поскольку его можно использовать для дальнейшего изучения природы связывания лигандов и селективности конкретного интересующего канала. Дополнительные гены, кодирующие CNG-каналы, были клонированы из Caenorhabditis elegans и Drosophila melanogaster. Субъединица CNG-канала CNGA1, ранее называвшаяся α-субъединицей палочек, была экспрессирована в фоторецепторах палочек и производила функциональные каналы, которые активировались cGMP при экспрессии в ооцитах Xenopus или в линии клеток эмбриональной почки человека (HEK293). У людей мутации в генах CNGA1 приводят к аутосомно-рецессивной форме пигментного ретинита, дегенеративной форме слепоты. CNGB1, ранее называвшаяся β-субъединицей палочек, является второй субъединицей канала палочек. В отличие от CNGA1, субъединицы CNGB1, экспрессированные по отдельности, не производят функциональные CNG-каналы, но коэкспрессия CNGA1 и CNGB1 производит гетеромерные каналы с модуляцией, проницаемостью, фармакологией и специфичностью к циклическим нуклеотидам, сопоставимой с таковой у нативных каналов. У беспозвоночных субъединица CNG-канала под названием CNG P1 была клонирована из D. melanogaster и экспрессируется в антеннах и зрительной системе, что указывает на то, что CNG-каналы могут быть связаны с трансдукцией света у беспозвоночных. Вторая предполагаемая CNG-подобная субъединица под названием CNGL, клонированная из D. melanogaster, экспрессируется в мозге. Две субъединицы CNG-канала, Tax 2 и Tax 4, были клонированы в C. elegans и отвечают за хемосенсацию, термосенсацию и нормальный рост аксонов некоторых сенсорных нейронов в C. elegans.

Кооперативная и некооперативная активация

Высокая концентрация между СНГ-каналами и концентрацией лиганда указывает на необходимость как минимум двух или трех циклических нуклеотидов. Предполагается, что второй лиганд необходим для перехода канала из закрытого в открытое состояние. При связывании третьего и четвертого лигандов открытое состояние канала стабилизируется.

Фоторецепторы

При отсутствии света cGMP связывается с CNG-каналами в фоторецепторах. Это связывание вызывает открытие каналов, что позволяет ионам натрия (Na+) и кальция (Ca2+) поступать в клетку, приводя к деполяризации наружного сегмента фоторецептора. Этот деполяризующий поток ионов известен как темный ток. Когда сетчатка глаза обнаруживает свет, запускается реакция, известная как каскад фототрансдукции. Это путь передачи сигнала, который приводит к активации фермента фосфодиэстеразы, гидролизующей cGMP в 5'-GMP, что снижает концентрацию cGMP. При снижении концентрации cGMP, CNG-каналы в фоторецепторах закрываются, предотвращая поток вышеупомянутого темного тока. Это, в свою очередь, вызывает гиперполяризацию наружного сегмента фоторецептора, препятствуя распространению потенциала действия и высвобождению глутамата.

Пигментный ретинит

Пигментный ретинит (ПР) – это генетическое заболевание, при котором у пациентов происходит дегенерация палочковых и колбочковых фоторецепторов. Потеря зрения начинается с периферического зрения и прогрессирует к центральному полю зрения, приводя к слепоте к среднему возрасту. Примерно у 1% пациентов с ПР обнаружены мутации в альфа-субъединице cGMP. Выявлено восемь мутаций, четыре из которых – нонсенс-мутации, одна – делеция, охватывающая большую часть транскрипционной единицы. Остальные три – миссенс-мутации и мутации со сдвигом рамки считывания, приводящие к укорочению аминокислотной последовательности в C-конце. До сих пор не установлено, почему отсутствие cGMP-зависимых катионных каналов вызывает деградацию фоторецепторов. Мутации, вызывающие ПР, также обнаружены в гене родопсина, а также в альфа- и бета-субъединицах палочкового фосфодиэстеразы, кодирующих каскад фототрансдукции в палочках. Мутации в этих субъединицах косвенно нарушают функцию cGMP-зависимых каналов, что указывает на наличие общего механизма деградации фоторецепторов.

Пациенты с кардиостимулятором

В нервной системе, сердце и некоторых висцеральных органах клетки содержат циклические нуклеотидные каналы, определяющие ритм органа. Эти каналы, официально называемые гиперполяризационно-активированными циклическими нуклеотидными каналами (HCN-каналы), также называют "пейсмейкер-каналами" из-за этой ключевой функции. Как следует из их названия, они открываются при гиперполяризации и закрываются при деполяризации. Значение этого в синоатриальном узле (и, как резервный механизм, в атриовентрикулярном узле) заключается в том, что при восстановлении сердца, или гиперполяризации после каждого сокращения, HCN-каналы открываются, позволяя положительным ионам устремляться в клетку (так называемый "смешной ток"), что запускает очередное событие деполяризации и последующее сокращение сердца. Это обеспечивает автоматизм сердца. Основным циклическим нуклеотидом, взаимодействующим с HCN-каналом, является цАМФ.

Обонятельные сенсорные нейроны

Почти все реакции на запахи в обонятельных сенсорных нейронах (ОСН) опосредованы СНГ-каналами. Когда молекула запаха связывается со своим специфическим рецептором в химиочувствительной мембране ресничек, она активирует G-белок, что запускает каскад реакций, активирующих фермент аденилатциклазу (АЦ). Этот фермент отвечает за увеличение концентрации цАМФ внутри ОСН. цАМФ связывается с СНГ-каналами в мембране ОСН, открывая их и делая клетку высокопроницаемой для Ca2+. Ионы кальция поступают в клетку, вызывая деполяризацию. Как и во всех других типах клеток, СНГ-каналы в ОСН также пропускают Na+ внутрь клетки. Кроме того, повышенная концентрация Ca2+ внутри клетки активирует кальций-зависимые хлоридные (Cl−) каналы, что приводит к выходу Cl− ионов из клетки и усилению деполяризации. Эта деполяризация стимулирует потенциал действия, который в конечном итоге сигнализирует о восприятии запаха. Помимо управляемых цАМФ ионных каналов, небольшая популяция ОСН также обладает СНГ-каналами, селективными к цГМФ, содержащими субъединицу CNGA3. Различия между цДНК сетчатки и почки были связаны с функциональными различиями между СНГ-каналами в этих двух тканях. СНГ-каналы играют важную роль в иммунитете растений и в ответ на патогены или внешние инфекционные агенты. Они также были вовлечены в апоптоз у растений. Считается, что СНГ-ионные каналы также участвуют в развитии пыльцы у растений, однако их точная роль в этом механизме пока не известна. Как и у млекопитающих, связывание циклических нуклеотидов с CNBD регулирует активность каналов и изменяет их конформационное состояние. Поскольку эти каналы были недавно идентифицированы у видов спирохет и лептоспир,

Текущие и будущие исследования

Исследователи ответили на многие важные вопросы, касающиеся функций ионных каналов ЦНГ в зрении и обонянии. В других физиологических областях роль каналов ЦНГ изучена менее подробно. Благодаря технологическому прогрессу появились новые возможности для понимания этих механизмов. Ученые предполагают, что DAG может напрямую связываться с каналом ЦНГ при ингибировании. Возможно, DAG способен внедряться в трансмембранные домены канала. Также возможно, что DAG встраивается в интерфейс между каналом и билипидным слоем. Молекулярный механизм ингибирования, осуществляемого DAG, до сих пор не полностью выяснен.