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.
Cyclic nucleotide–gated ion channels or CNG channels are ion channels that function in response to the binding of cyclic nucleotides. CNG channels are nonselective cation channels that are found in the membranes of various tissue and cell types, and are significant in sensory transduction as well as cellular development. Their function can be the result of a combination of the binding of cyclic nucleotides (cGMP and cAMP) and either a depolarization or a hyperpolarization event. Initially discovered in the cells that make up the retina of the eye, CNG channels have been found in many different cell types across both the animal and the plant kingdoms. CNG channels have a very complex structure with various subunits and domains that play a critical role in their function. CNG channels are significant in the function of various sensory pathways including vision and olfaction, as well as in other key cellular functions such as hormone release and chemotaxis. CNG channels have also been found to exist in prokaryotes, including many spirochaeta, though their precise role in bacterial physiology remains unknown.
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.