Газовые трансмиттеры: новые медиаторы клеточной сигнализации

Введение

Класс нейротрансмиттеров
Газотрансмиттеры — это класс нейротрансмиттеров. Эти молекулы отличаются от других биоактивных эндогенных газообразных сигнальных молекул тем, что должны соответствовать определенным критериям для классификации. В настоящее время к газотрансмиттерам относят только оксид азота, окись углерода и сероводород. Согласно данным, полученным в моделях in vitro, газотрансмиттеры, подобно другим газообразным сигнальным молекулам, могут связываться с газорецепторами и инициировать передачу сигналов в клетках. Эти газы имеют много общего в механизмах их образования и функционирования, но выполняют свои функции уникальным образом, отличным от классических сигнальных молекул.

Критерии

Терминология и критерии характеристики "газопередатчика" были впервые введены в 2002 году. Чтобы молекула газа была классифицирована как газотрансмиттер, необходимо выполнение всех следующих критериев. Окись азота и сероводород обладают высокой реакционной способностью по отношению к многочисленным молекулярным мишеням, в то время как окись углерода относительно стабильна и метаболически инертна, преимущественно ограничиваясь взаимодействием с комплексами железа в организмах млекопитающих. Спектр биологических функций различается в разных филогенетических царствах, что наглядно демонстрируют важные взаимодействия окиси углерода с никель- или молибденсодержащими ферментами карбонмонооксиддегидрогеназами. Газотрансмиттеры исследуются в таких областях, как биосенсорика, иммунология, нейронаука, гастроэнтерология и многих других, включая инициативы по разработке фармацевтических препаратов. Хотя наибольшее внимание уделяется биомедицинским исследованиям, газотрансмиттеры изучаются во всех биологических царствах. Для изучения газотрансмиттеров разработан широкий спектр аналитических инструментов.

Окись азота

Нобелевская премия по физиологии и медицине 1998 года была присуждена за открытие оксида азота (NO) как эндогенной сигнальной молекулы. Исследования начались в 1980 году, когда NO впервые был известен как «фактор расслабления, выделяемый эндотелием» (EDRF). Идентичность EDRF как NO была установлена в 1986 году, что многие считают началом современной эры исследований газотрансмиттеров. По сравнению с оксидом углерода и сероводородом, NO уникален тем, что является радикальным газом. NO высокореактивен (время жизни составляет несколько секунд), но свободно диффундирует через мембраны. Эти свойства делают NO идеальной транзиторной паракринной (между соседними клетками) и аутокринной (внутри одной клетки) сигнальной молекулой. Он является биопродуктом, присутствующим почти во всех типах организмов, от бактерий до растений, грибов и клеток животных. NO биосинтезируется эндогенно из L-аргинина различными ферментами синтазы оксида азота (NOS). Восстановление неорганического нитрата также может служить источником NO. Независимо от NOS, альтернативный путь, названный нитрат-нитрит-оксид азота, повышает уровень NO посредством последовательного восстановления диетического нитрата, содержащегося в растительных продуктах, таких как: листовые овощи, например, шпинат и руккола, и свекла. Для генерации NO в организме человека посредством нитрат-нитрит-оксид азота пути, восстановление нитрата до нитрита происходит в ротовой полости под действием орального микробиома. Продукция NO повышена у людей, живущих в высокогорных районах, что помогает им избежать гипоксии, способствуя вазодилатации легочных сосудов. Эндотелий (внутренняя выстилка) кровеносных сосудов использует NO для передачи сигнала окружающей гладкой мускулатуре о расслаблении, что приводит к вазодилатации и увеличению кровотока. NO способствует гомеостазу сосудов, ингибируя сокращение и рост гладкой мускулатуры сосудов, агрегацию тромбоцитов и адгезию лейкоцитов к эндотелию. У людей с атеросклерозом, диабетом или гипертонией часто наблюдаются нарушения в путях NO. В контексте гипертонии сосудорасширяющий механизм следующий: NO действует посредством стимуляции растворимой гуанилатциклазы, которая является гетеродимерным ферментом с последующим образованием циклического ГМФ. Циклический ГМФ активирует протеинкиназу G, которая вызывает обратный захват Ca2+ и открытие кальций-активированных калиевых каналов. Снижение концентрации Ca2+ обеспечивает невозможность фосфорилирования молекулы миозина миозин-легкоцепочечной киназой (MLCK), тем самым останавливая цикл поперечного мостика и приводя к расслаблению клеток гладкой мускулатуры. NO также генерируется фагоцитами (моноцитами, макрофагами и нейтрофилами) как часть иммунного ответа человека. Фагоциты обладают индуцируемой синтазой оксида азота (iNOS), которая активируется интерфероном гамма (IFN γ) в качестве единственного сигнала или фактором некроза опухоли (TNF) в сочетании со вторым сигналом. С другой стороны, трансформирующий фактор роста бета (TGF β) оказывает сильное ингибирующее действие на iNOS, в то время как интерлейкин 4 (IL 4) и IL 10 оказывают слабое ингибирующее действие. Таким образом, иммунная система может регулировать ресурсы фагоцитов, играющих роль в воспалении и иммунных реакциях. NO выделяется в виде свободных радикалов в ходе иммунного ответа и токсичен для бактерий и внутриклеточных паразитов, включая лейшманию и малярию; механизм этого включает повреждение ДНК и деградацию железо-серных центров до ионов железа и нитрозильных соединений железа. Два важных биологических механизма реакции NO — S-нитрозилирование тиолов и нитрозилирование ионов переходных металлов. S-нитрозилирование включает в себя (обратимое) превращение тиольных групп, включая цистеиновые остатки в белках, в S-нитрозотиолы (RSNO). S-нитрозилирование является механизмом динамической посттрансляционной регуляции большинства или всех основных классов белков. Второй механизм, нитрозилирование, включает в себя связывание NO с ионом переходного металла, таким как железо, для модуляции нормальной ферментативной активности фермента, такого как цитохром P450. Нитрозилированное железо особенно стабильно, поскольку связывание нитрозильного лиганда с железом (Fe(II)) очень прочное. Гемоглобин является ярким примером гемового белка, который может быть модифицирован NO несколькими путями. Существует несколько механизмов, посредством которых было показано, что NO влияет на биологию живых клеток. К ним относятся окисление железосодержащих белков, таких как рибонуклеотидредуктаза и аконитаза, активация растворимой гуанилатциклазы, ADP-рибозилирование белков, нитрозилирование сульфгидрильных групп белков и активация фактора регуляции железа. Было показано, что NO активирует NF κB в периферических мононуклеарных клетках крови, важный транскрипционный фактор в экспрессии гена iNOS в ответ на воспаление. NO может быть проблематичным в определенных обстоятельствах, если он реагирует с супероксидом с образованием повреждающего окислителя пероксинитрита. Фармацевтические разработки включают: нитроглицерин и амилнитрит служат вазодилататорами, поскольку они превращаются в оксид азота в организме. Вазодилатирующее антигипертензивное средство миноксидил содержит фрагмент NO и может действовать как агонист NO. Механизм действия силденафила (Виагры) тесно связан с сигнализацией NO. Ингаляционный NO может улучшить выживаемость и восстановление после отравления паракватом.

The 1998 Nobel Prize in Physiology or Medicine was awarded for the discovery of nitric oxide (NO) as an endogenous signaling molecule. The research emerged in 1980 when NO was first known as the 'endothelium derived relaxing factor' (EDRF). The identity of EDRF as actually being NO was revealed in 1986 which many consider to mark the beginning of the modern era of gasotransmitter research. Relative to carbon monoxide and hydrogen sulfide, NO is exceptional due to the fact it is a radical gas. NO is highly reactive (having a lifetime of a few seconds), yet diffuses freely across membranes. These attributes make NO ideal for a transient paracrine (between adjacent cells) and autocrine (within a single cell) signaling molecule. It is a known bioproduct in almost all types of organisms, ranging from bacteria to plants, fungi, and animal cells. NO is biosynthesized endogenously from L arginine by various nitric oxide synthase (NOS) enzymes. Reduction of inorganic nitrate may also serve to make NO. Independent of NOS, an alternative pathway coined the nitrate nitrite nitric oxide pathway, elevates NO through the sequential reduction of dietary nitrate derived from plant based foods such as: leafy greens, such as spinach and arugula, and beetroot. For the human body to generate NO through the nitrate nitrite nitric oxide pathway, the reduction of nitrate to nitrite occurs in the mouth by the oral microbiome. The production of NO is elevated in populations living at high altitudes, which helps these people avoid hypoxia by aiding in pulmonary vasculature vasodilation. The endothelium (inner lining) of blood vessels uses NO to signal the surrounding smooth muscle to relax, thus resulting in vasodilation and increasing blood flow. NO contributes to vessel homeostasis by inhibiting vascular smooth muscle contraction and growth, platelet aggregation, and leukocyte adhesion to the endothelium. Humans with atherosclerosis, diabetes, or hypertension often show impaired NO pathways. In the context of hypertension, the vasodilatory mechanism follows: NO acts through the stimulation of the soluble guanylate cyclase, which is a heterodimeric enzyme with subsequent formation of cyclic GMP. Cyclic GMP activates protein kinase G, which causes reuptake of Ca2+ and the opening of calcium activated potassium channels. The fall in concentration of Ca2+ ensures that the myosin light chain kinase (MLCK) can no longer phosphorylate the myosin molecule, thereby stopping the crossbridge cycle and leading to relaxation of the smooth muscle cell. NO is also generated by phagocytes (monocytes, macrophages, and neutrophils) as part of the human immune response. Phagocytes are armed with inducible nitric oxide synthase (iNOS), which is activated by interferon gamma (IFN γ) as a single signal or by tumor necrosis factor (TNF) along with a second signal. On the other hand, transforming growth factor beta (TGF β) provides a strong inhibitory signal to iNOS, whereas interleukin 4 (IL 4) and IL 10 provide weak inhibitory signals. In this way, the immune system may regulate the resources of phagocytes that play a role in inflammation and immune responses. NO is secreted as free radicals in an immune response and is toxic to bacteria and intracellular parasites, including Leishmania and malaria; the mechanism for this includes DNA damage and degradation of iron sulfur centers into iron ions and iron nitrosyl compounds. Two important biological reaction mechanisms of NO are S nitrosation of thiols, and nitrosylation of transition metal ions. S nitrosation involves the (reversible) conversion of thiol groups, including cysteine residues in proteins, to form S nitrosothiols (RSNOs). S Nitrosation is a mechanism for dynamic, post translational regulation of most or all major classes of protein. The second mechanism, nitrosylation, involves the binding of NO to a transition metal ion like iron to modulate the normal enzymatic activity of an enzyme such as cytochrome P450. Nitrosylated ferrous iron is particularly stable, as the binding of the nitrosyl ligand to ferrous iron (Fe(II)) is very strong. Hemoglobin is a prominent example of a heme protein that may be modified by NO by multiple pathways. There are several mechanisms by which NO has been demonstrated to affect the biology of living cells. These include oxidation of iron containing proteins such as ribonucleotide reductase and aconitase, activation of the soluble guanylate cyclase, ADP ribosylation of proteins, protein sulfhydryl group nitrosylation, and iron regulatory factor activation. NO has been demonstrated to activate NF κB in peripheral blood mononuclear cells, an important transcription factor in iNOS gene expression in response to inflammation. NO can be problematic under certain circumstances if it reacts with superoxide to produce the damaging oxidant peroxynitrite. Pharmaceutical initiatives include: Nitroglycerin and amyl nitrite serve as vasodilators because they are converted to nitric oxide in the body. The vasodilating antihypertensive drug minoxidil contains an NO moiety and may act as an NO agonist. The mechanism of action for sildenafil (Viagra) is closely related to NO signaling. Inhaled NO may improve survival and recovery from paraquat poisoning.

Окись углерода

Окись углерода (CO) образуется естественным образом во всех филогенетических царствах. В физиологии млекопитающих CO является важным нейротрансмиттером, выполняющим полезные функции, такие как снижение воспаления и расслабление кровеносных сосудов. У млекопитающих поддерживается базовый уровень карбоксигемоглобина даже при отсутствии воздействия газов CO. У млекопитающих CO образуется посредством множества ферментативных и неферментативных путей. Наиболее изученным источником является катаболическая активность гемооксигеназы (HMOX), на долю которой, по оценкам, приходится 86% эндогенного производства CO. Другие вносящие вклад источники включают: микробиом, цитохром P450 редуктазу, человеческую ациредуктоновую диоксигеназу, тирозиназу, перекисное окисление липидов, альфа-кетокислоты и другие окислительные механизмы. Аналогичным образом, скорость и каталитическая активность HMOX могут быть усилены множеством пищевых веществ и ксенобиотиков для увеличения продукции CO. Биомедицинское изучение CO восходит к исследованиям «искусственного воздуха» в 1790-х годах, когда Томас Беддоус, Джеймс Уатт, Джеймс Линд и другие исследователи изучали полезные эффекты ингаляции углеводородного газа (водяного газа). После первого сообщения Соломона Снайдера в 1993 году о том, что CO является нормальным нейротрансмиттером, CO получил значительное клиническое внимание как биологический регулятор. В отличие от NO и H2S, CO является инертной молекулой с замечательной химической стабильностью, способной диффундировать через мембраны, оказывая свое воздействие локально и в отдаленных тканях. Показано, что CO взаимодействует с молекулярными мишенями, включая растворимую гуанилатциклазу, митохондриальные оксидазы, каталазу, синтазу оксида азота, митоген-активированную протеинкиназу, PPAR гамма, HIF1A, NRF2, ионные каналы, цистатиониновую бета-синтазу и множество других функций. Общепризнано, что CO оказывает свое действие на млекопитающих главным образом посредством взаимодействия с комплексами ионов железа, таких как протезная гемовая группа гемопротеинов. Эти свойства потенциально могут быть использованы для профилактики развития ряда патологических состояний, включая ишемико-реперфузионное повреждение, отторжение трансплантата, атеросклероз, тяжелый сепсис, тяжелую малярию, аутоиммунные заболевания и многие другие показания.

Carbon monoxide (CO) is produced naturally throughout phylogenetic kingdoms. In mammalian physiology, CO is an important neurotransmitter with beneficial roles such as reducing inflammation and blood vessel relaxation. Mammals maintain a baseline carboxyhemoglobin level even if they do not breathe any CO fumes. In mammals, CO is produced through many enzymatic and non enzymatic pathways. The most extensively studied source is the catabolic action of heme oxygenase (HMOX) which has been estimated to account for 86% of endogenous CO production. Other contributing sources include: the microbiome, cytochrome P450 reductase, human acireductone dioxygenase, tyrosinase, lipid peroxidation, alpha keto acids, and other oxidative mechanisms. Similarly, the velocity and catalytic activity of HMOX can be enhanced by a plethora of dietary substances and xenobiotics to increase CO production. The biomedical study of CO traces back to factitious airs in the 1790s when Thomas Beddoes, James Watt, James Lind, and many others investigated beneficial effects of hydrocarbonate (water gas) inhalation. Following Solomon Snyder's first report that CO is a normal neurotransmitter in 1993, CO has received significant clinical attention as a biological regulator. Unlike NO and H2S, CO is an inert molecule with remarkable chemical stability capable of diffusing through membranes to exert its effects locally and in distant tissues. CO has been shown to interact with molecular targets including soluble guanylyl cyclase, mitochondrial oxidases, catalase, nitric oxide synthase, mitogen activated protein kinase, PPAR gamma, HIF1A, NRF2, ion channels, cystathionine beta synthase, and numerous other functionalities. It is widely accepted that CO primarily exerts its effects in mammals primarily through interacting with ferrous ion complexes such as the prosthetic heme moiety of hemoproteins. These properties have potential to be used to prevent the development of a series of pathological conditions including ischemia reperfusion injury, transplant rejection, atherosclerosis, severe sepsis, severe malaria, autoimmunity, and many other indications.

Сероводорода

Сероводород (H2S) выполняет важные сигнальные функции в физиологии млекопитающих. Газ образуется ферментативно цистатионин-бета-синтазой и цистатионин-гамма-лиазой, в результате эндогенных неферментативных реакций, а также может продуцироваться микробиомом. В конечном итоге газ преобразуется в сульфит в митохондриях тиосульфатредуктазой, а сульфит далее окисляется до тиосульфата и сульфата сульфитоксидазой. Сульфаты выводятся с мочой. H2S действует как миорелаксант гладкой мускулатуры и как вазодилататор. Хотя и NO, и H2S продемонстрировали способность расслаблять кровеносные сосуды, механизмы их действия различны: в то время как NO активирует фермент гуанилатциклазу, H2S активирует АТФ-чувствительные калиевые каналы в клетках гладкой мускулатуры. Исследователям пока неясно, как распределяются функции расслабления сосудов между NO и H2S. Однако имеются данные, свидетельствующие о том, что NO выполняет большую часть работы по расслаблению сосудов в крупных сосудах, а H2S отвечает за аналогичное действие в мелких кровеносных сосудах. Дефицит H2S может негативно сказываться на сосудистой функции после острого инфаркта миокарда (АИМ). Терапия H2S снижает повреждение миокарда и осложнения, связанные с реперфузией. Благодаря эффектам, сходным с эффектами NO (но без его потенциала к образованию пероксидов при взаимодействии с супероксидом), H2S в настоящее время рассматривается как потенциальный защитник от сердечно-сосудистых заболеваний. Недавние исследования указывают на тесное взаимодействие между NO и H2S на клеточном уровне, демонстрируя, что вазодилатирующие эффекты этих двух газов взаимозависимы. Кроме того, H2S реагирует с внутриклеточными S-нитрозотиолами, образуя наименьший S-нитрозотиол (HSNO), и предполагается, что H2S играет роль в регуляции внутриклеточного пула S-нитрозотиолов. H2S также активен в головном мозге, где он усиливает реакцию NMDA-рецептора и облегчает долговременную потенциацию, участвующую в формировании памяти. При болезни Альцгеймера и болезни Паркинсона концентрация H2S в головном мозге значительно снижается. Положительное влияние сигналинга H2S стимулировало фармацевтические разработки. Подобно NO, это открывает новые возможности для терапии эректильной дисфункции. В 2005 году было показано, что мышей можно ввести в состояние, подобное гипотермической приостановленной анимации, при помощи низкой дозы H2S. Избыточная эндогенная продукция H2S может быть проблематичной при заболеваниях, таких как трисомия 21 (синдром Дауна). Продолжаются споры относительно строгих критериев для газотрансмиттеров. Некоторые исследователи предлагают использовать термин "агент малой молекулярной сигнализации", в то время как другие предлагают смягчить критерии, включив другие газы, такие как кислород, в качестве основных газотрансмиттеров, аналогично понятию "незаменимые аминокислоты".

Hydrogen sulfide (H2S) has important signaling functions in mammalian physiology. The gas is produced enzymatically by cystathionine beta synthase and cystathionine gamma lyase, endogenous non enzymatic reactions, and may also be produced by the microbiome. Eventually the gas is converted to sulfite in the mitochondria by thiosulfate reductase, and the sulfite is further oxidized to thiosulfate and sulfate by sulfite oxidase. The sulfates are excreted in the urine. H2S acts as a relaxant of smooth muscle and as a vasodilator. Though both NO and H2S have been shown to relax blood vessels, their mechanisms of action are different: while NO activates the enzyme guanylyl cyclase, H2S activates ATP sensitive potassium channels in smooth muscle cells. Researchers are not clear how the vessel relaxing responsibilities are shared between NO and H2S. However, there exists some evidence to suggest that NO does most of the vessel relaxing work in large vessels and H2S is responsible for similar action in smaller blood vessels. H2S deficiency can be detrimental to the vascular function after an acute myocardial infarction (AMI). H2S therapy reduces myocardial injury and reperfusion complications. Due to its effects similar to NO (without its potential to form peroxides by interacting with superoxide), H2S is now recognized as potentially protecting against cardiovascular disease. Recent findings suggest strong cellular crosstalk of NO and H2S, demonstrating that the vasodilatatory effects of these two gases are mutually dependent. Additionally, H2S reacts with intracellular S nitrosothiols to form the smallest S nitrosothiol (HSNO), and a role of H2S in controlling the intracellular S nitrosothiol pool has been suggested. H2S is also active in the brain, where it increases the response of the NMDA receptor and facilitates long term potentiation, which is involved in the formation of memory. In Alzheimer's disease and Parkinson's disease the brain's H2S concentration is severely decreased. The beneficial effects of H2S signaling inspired pharmaceutical development initiatives. Akin to NO, presenting possible new therapy opportunities for erectile dysfunction. In 2005, it was shown that mice can be put into a state of suspended animation like hypothermia by applying a low dosage of H2S. Excess endogenous production of H2S can be problematic in disorders such as trisomy 21 (Down syndrome) There is ongoing controversy about the strict criteria for gasotransmitters. Some researchers have proposed use of the term small molecule signaling agent, while others have proposed to relax the criteria to include other gases, such as oxygen as an essential gasotransmitter, similar to that of essential amino acids.