Г-белки и ионные каналы: регуляция возбудимости и терапевтические перспективы.

Введение

G-протеиновые ионные каналы — это семейство трансмембранных ионных каналов в нейронах и миоцитах предсердий, которые непосредственно открываются под действием G-белков.

Функция

Несколько кальциевых каналов с высоким порогом активации и медленной инактивацией в нейронах регулируются G-белками. Ингибирование кальциевых каналов, активируемых потенциалом, G-белково-связанными рецепторами было продемонстрировано в дорсальных ганглиях спинномозговых нервов цыплёнка, а также в других клеточных линиях. Показано также, что токи ASIC1a ингибируются в присутствии окислителей и потенцируются в присутствии восстановителей. Соответственно, наблюдалось уменьшение и увеличение накопления внутриклеточного Ca2+ под воздействием кислоты.

Натрийные каналы

Измерения с помощью патч-клампа указывают на прямую роль Gα в ингибировании быстрого натриевого тока в кардиомиоцитах. Другие исследования обнаружили данные о существовании вторичного посредника, который может косвенно регулировать эти каналы. Точный механизм активации натриевых ионных каналов G-белками – прямой или косвенный – остается не до конца выясненным.

Хлоридные каналы

Активность хлоридных каналов в эпителиальных и кардиальных клетках оказалась зависимой от G-белка. Однако кардиальный канал, который, как было показано, непосредственно открывается под действием субъединицы Gα, до сих пор не идентифицирован. Как и в случае ингибирования Na+ каналов, нельзя исключать участие сигнальных путей в активации Cl− каналов. Исследования, проведенные на специфических Cl− каналах, демонстрируют различные роли активации G-белка. Показано, что G-белки непосредственно активируют один тип Cl− каналов в скелетной мускулатуре. Эпилепсия, хроническая боль и вызывающие зависимость вещества, такие как кокаин, опиоиды, каннабиноиды и этанол, влияют на возбудимость нейронов и частоту сердечных сокращений. Было показано, что каналы GIRK участвуют в предрасположенности к судорогам, кокаиновой зависимости и повышении толерантности к боли, вызванной опиоидами, каннабиноидами и этанолом. Эта взаимосвязь позволяет предположить, что модуляторы каналов GIRK могут быть полезными терапевтическими агентами при лечении этих состояний. Ингибиторы каналов GIRK могут применяться для лечения зависимостей от кокаина, опиоидов, каннабиноидов и этанола, а активаторы каналов GIRK – для лечения симптомов абстиненции. Когда этанол действует как агонист, каналы GIRK в мозге испытывают продолжительное открытие. Это приводит к снижению нейронной активности, что проявляется в симптомах алкогольного опьянения. Обнаружение гидрофобного кармана, способного связывать этанол, имеет большое значение в области клинической фармакологии. Вещества, способные действовать как агонисты в этом месте связывания, потенциально могут быть полезны при создании лекарств для лечения неврологических расстройств, таких как эпилепсия, при которой частота возбуждения нейронов превышает нормальный уровень. Лечение раковой ткани молочной железы алкоголем, как было показано, вызывает усиление роста раковых клеток. Механизм этого действия все еще изучается. У людей с синдромом Дауна имеется три копии хромосомы 21, что приводит к сверхэкспрессии субъединицы GIRK2. Исследования показали, что рекомбинантные мыши с сверхэкспрессией GIRK2 демонстрируют измененную реакцию на препараты, активирующие калиевые каналы, регулируемые G-белком. Эти измененные реакции были ограничены синоатриальным узлом и предсердиями, обе области, которые содержат большое количество калиевых каналов, регулируемых G-белком. Канал IK,ACh, активируемый G-белками, обеспечивает поток K+ через плазматическую мембрану и из клетки. Этот ток гиперполяризует клетку, тем самым прекращая потенциал действия. Показано, что при хронической фибрилляции предсердий наблюдается увеличение этого внутрь выпрямляющего тока из-за постоянно активированных каналов IK,ACh. Эти специфические каналы были объектом недавних исследований, касающихся генетической изменчивости и чувствительности к опиоидным анальгетикам, благодаря их роли в опиоидной анальгезии. Ряд исследований показали, что при назначении опиоидов для лечения хронической боли каналы GIRK активируются определенными GPCR, а именно опиоидными рецепторами, что приводит к ингибированию ноцицептивной передачи и, следовательно, к обезболивающему эффекту. Кроме того, исследования показали, что G-белки, в частности субъединица Gi-альфа, непосредственно активируют GIRK, которые, как было установлено, участвуют в распространении анальгезии, индуцированной морфином, в воспаленных спинах мышей. Исследования, касающиеся лечения хронической боли, продолжаются в этой области.

Chloride channel activity in epithelial and cardiac cells has been found to be G protein dependent. However, the cardiac channel that has been shown to be directly gated by the Gα subunit has not yet been identified. As with Na+ channel inhibition, second messenger pathways cannot be discounted in Cl− channel activation. Studies done on specific Cl− channels show differing roles of G protein activation. It has been shown that G proteins directly activate one type of Cl− channel in skeletal muscle. Epilepsy, chronic pain, and addictive drugs such as cocaine, opioids, cannabinoids, and ethanol all affect neuronal excitability and heart rate. GIRK channels have been shown to be involved in seizure susceptibility, cocaine addiction, and increased tolerance for pain by opioids, cannabinoids, and ethanol. This connection suggests that GIRK channel modulators may be useful therapeutic agents in the treatment of these conditions. GIRK channel inhibitors may serve to treat addictions to cocaine, opioids, cannabinoids, and ethanol while GIRK channel activators may serve to treat withdrawal symptoms. When ethanol acts as an agonist, GIRK channels in the brain experience prolonged opening. This causes decreased neuronal activity, the result of which manifests as the symptoms of alcohol intoxication. The discovery of the hydrophobic pocket capable of binding ethanol is significant in the field of clinical pharmacology. Agents that can act as agonists to this binding site can be potentially useful in the creation of drugs for the treatment of neurological disorders such as epilepsy in which neuronal firing exceeds normal levels. Treatment of breast cancer tissue with alcohol has been shown to trigger increased growth of the cancer cells. The mechanism of this activity is still a subject of research. People with Down Syndrome have three copies of chromosome 21, resulting in an overexpression of the GIRK2 subunit. Studies have found that recombinant mice overexpressing GIRK2 subunits show altered responses to drugs that activate G protein gated K+ channels. These altered responses were limited to the sino atrial node and atria, both areas which contain many G protein gated K+ channels. The IK,ACh channel, when activated by G proteins, allows for the flow of K+ across the plasma membrane and out of the cell. This current hyperpolarizes the cell, thus terminating the action potential. It has been shown that in chronic atrial fibrillation there an increase in this inwardly rectifying current because of constantly activated IK,ACh channels. These specific channels have been the target of recent studies dealing with genetic variance and sensitivity to opioid analgesics due to their role in opioid induced analgesia. Several studies have shown that when opioids are prescribed to treat chronic pain, GIRK channels are activated by certain GPCRs, namely opioid receptors, which leads to the inhibition of nociceptive transmission, thus functioning in pain relief. Furthermore, studies have shown that G proteins, specifically the Gi alpha subunit, directly activate GIRKs which were found to participate in propagation of morphine induced analgesia in inflamed spines of mice. Research pertaining to chronic pain management continues to be performed in this field.