Введение

Биологическая сигнализация с использованием молекул липидов Липидная сигнализация, в широком смысле, относится к любому событию биологической клеточной сигнализации, включающему липидный мессенджер, который связывает белковую мишень, такую как рецептор, киназа или фосфатаза, которые, в свою очередь, опосредуют воздействие этих липидов на специфические клеточные реакции. Считается, что липидная сигнализация качественно отличается от других классических парадигм сигнализации (таких как моноаминовая нейротрансмиссия), потому что липиды могут свободно диффундировать через мембраны (см. осмос). Одним из последствий этого является то, что липидные мессенджеры не могут храниться в пузырьках до их выпуска и поэтому часто биосинтезируются "по требованию" в предполагаемом месте действия. Таким образом, многие молекулы липидных сигналов не могут свободно циркулировать в растворе, а скорее связаны со специальными белками-носителями в сыворотке.

Керамид

Церамид (Cer) может быть получен путем расщепления сфингомиелина (SM) сфингомиелиназами (SMases), которые являются ферментами, которые гидролизуют фосфохолиновую группу из спинного мозга сфингозина. Альтернативно, этот липид (сфинголипид), полученный из сфингозина, может быть синтезирован с нуля (de novo) ферментами серин-пальмитоилтрансфераза (SPT) и керамид-синтаза в органелах, таких как эндоплазматический сетчаток (ER) и, возможно, в мембранах, связанных с митохондриями (MAM), и перинуклеарных мембранах. Поскольку керамид находится в метаболическом центре, он приводит к образованию других сфинголипидов, причем основным местом модификации является гидроксильная группа С1. Сахар может быть присоединен к керамиду (гликозилированием) посредством действия ферментов, глюкозил или галактозил керамидных синтеза. Керамид также может быть разрушен ферментами, называемыми керамидазами, что приводит к образованию сфингозина. Кроме того, фосфатная группа может быть присоединена к керамиду (фосфорилирование) ферментом керамидкиназа. Также возможно регенерировать сфингомиелин из керамида путем приема фосфохолиновой группы из фосфатидилхолина (ФК) с помощью фермента, называемого сфингомиелиновой синтезазой. Последнее приводит к образованию диацилглицерола (DAG) из полиэтилена. Керамид содержит две гидрофобные ("боящиеся воды") цепи и нейтральную группу голов. Следовательно, он имеет ограниченную растворимость в воде и ограничивается в органелле, где он был сформирован. Кроме того, из-за своей гидрофобной природы, керамид легко переворачивается через мембраны, что подтверждается исследованиями в моделях мембран и мембранах красных кровяных клеток (эритроцитов). Тем не менее, керамид может взаимодействовать с другими липидами, образуя более крупные области, называемые микродоменами, которые ограничивают его способность к перемещению. Это может иметь огромное влияние на сигнальные функции керамида, потому что известно, что керамид, образуемый кислотными ферментами SMase во внешней оболочке мембраны органелл, может иметь разные роли по сравнению с керамидом, который образуется во внутренней оболочке под действием нейтральных ферментов SMase. Церамид является посредником во многих клеточных стрессовых реакциях, включая регулирование запрограммированной гибели клеток (апоптоз) и старения клеток (старевание). Многочисленные исследования сосредоточили внимание на определении прямых белковых мишеней действия керамида. К ним относятся ферменты, называемые керамидными активированными сер- тромфосфатазами (CAPP), такие как белковые фосфатазы 1 и 2А (PP1 и PP2A), которые, как было установлено, взаимодействуют с керамидом в исследованиях, проведенных в контролируемой среде вне живого организма (in vitro). С другой стороны, исследования на клетках показали, что агенты, индуцирующие керамид, такие как фактор некроза опухоли альфа α (TNFα) и пальмитат, индуцируют керамид- зависимое удаление фосфатной группы (дефосфорилирование) продукта гена ретинобластомы RB и ферментов, белковых киназ B (семья белков AKT) и C α (PKB и PKCα). Кроме того, имеются достаточные доказательства, которые связывают керамид с активацией киназового супрессора Ras (KSR), PKCζ и катепсина D. Катепсин D был предложен в качестве основной мишени для керамида, образующегося в органелах, называемых лизосомами, что делает ферменты лизосомной кислотной SMase одним из ключевых игроков в митохондриальном пути апоптоза. Также было показано, что керамид активирует PKCζ, что связано с ингибированием АКТ, регулированием разницы напряжения между внутренней и внешней сторонами клетки (мембранный потенциал) и сигнальными функциями, способствующими апоптозу. Химиотерапевтические средства, такие как донорубицин и этопозид, усиливают синтез керамида de novo в исследованиях, проведенных на клетках млекопитающих. Те же результаты были получены для некоторых индукторов апоптоза, особенно стимуляторов рецепторов в классе лимфоцитов (тип белых кровяных клеток), называемых В- клетками. Регулирование синтеза керамида de novo пальмитатом может играть ключевую роль в диабете и метаболическом синдроме. Экспериментальные данные показывают, что существенное увеличение уровня керамида при добавлении пальмитата. Накопление керамида активирует PP2A и последующую дефосфорилирование и инактивацию AKT, важнейшего медиатора в метаболическом контроле и сигнализации инсулина. Это приводит к значительному снижен...

Сфингозин

Сфингозин (Sph) образуется в результате действия ферментов керамидазы (CDase) на керамид в лизосоме. Сф может также образовываться в внеклеточной (внешней) стороне плазменной мембраны под действием нейтрального фермента CDase. Затем Sph либо перерабатывается обратно в керамид, либо фосфорилируется одним из ферментов сфингозинкиназы, SK1 и SK2. Продукт сфингозин-1 фосфат (S1P) может быть дефосфорилирован в ER для регенерации сфингозина определенными ферментами S1P фосфатазы в клетках, где спасенный Sph перерабатывается в керамид. Сфингозин представляет собой липид с одной цепью (обычно 18 углеродов в длину), что позволяет ему иметь достаточную растворимость в воде. Это объясняет его способность перемещаться между мембранами и переворачиваться через мембрану. Оценки, проведенные при физиологическом pH, показывают, что примерно 70% сфингозина остается в мембранах, а оставшиеся 30% растворяются в воде. Сф, которая образуется, имеет достаточную растворимость в жидкости, находящейся внутри клеток (цитозоле). Таким образом, Sph может выйти из лизосомы и перемещаться в ER без необходимости транспортировки через белки или мембранные закрытые мешки, называемые везикулами. Однако его положительный заряд способствует разделению в лизосомах. Предполагается, что роль SK1, расположенного рядом или в лизосоме, заключается в "захватывании" Sph посредством фосфорилирования. Важно отметить, что, поскольку сфингозин обладает поверхностно-активной активностью, он является одним из сфинголипидов, обнаруженных на самых низких клеточных уровнях. Известно также, что Sph взаимодействует с белковыми мишенями, такими как гомолог белковой киназы H (PKH) и белковой киназы дрожжей (YPK). Эти мишени, в свою очередь, опосредуют действие Sph и связанных с ним сфингоидных оснований, которые играют известную роль в регуляции цитоскелета актина, эндоцитоза, клеточного цикла и апоптоза. Однако важно отметить, что вторая функция мессенджера Sph еще не установлена однозначно.

Сфингозин-1-фосфат

Сфингозин-1 фосфат (S1P), как и Sph, состоит из одной гидрофобной цепи и обладает достаточной растворимостью для перемещения между мембранами. S1P образуется путем фосфорилирования сфингозина сфингозинкиназой (SK). Фосфатная группа продукта может быть отделена (дефосфорилирована) для регенерации сфингозина с помощью ферментов S1P фосфатазы или S1P может быть разрушен ферментами S1P лиазы до этаноламинфосфата и гексадеценала. Как и Sph, его вторая функция посланника пока не ясна. S1P, присутствуя в клетках в низких наномолярных концентрациях, должен взаимодействовать с рецепторами высокой аффинности, способными воспринимать их низкие уровни. До сих пор единственными идентифицированными рецепторами S1P являются рецепторы высокой аффинитета, связанные с белком G (GPCR), также известные как рецепторы S1P (S1PR). Для взаимодействия с S1PRs и запуска типичных сигнальных путей GPCR требуется, чтобы S1P достиг внеклеточной стороны (внешнего листочка) плазменной мембраны. Однако, поскольку S1P имеет зиттерионную группу, вряд ли она может спонтанно перевернуться. Чтобы преодолеть эту трудность, транспортер C1 (ABCC1) связывающей кассеты АТФ (ABC) служит "выходной дверью" для S1P. С другой стороны, трансмембранный регулятор кистозного фиброза (CFTR) служит средством для входа S1P в клетку. В отличие от низкой внутриклеточной концентрации, S1P содержится в высоких наномолярных концентрациях в сыворотке, где он связывается с альбумином и липопротеинами. Внутри клетки S1P может индуцировать высвобождение кальция независимо от S1PRs, механизм которого остается неизвестным. На сегодняшний день внутриклеточные молекулярные мишени для S1P все еще не идентифицированы. Недавние исследования аналога сфингозина FTY270 продемонстрировали его способность действовать как мощное соединение, изменяющее активность S1P-рецепторов (агонист). FTY270 также подтверждается в клинических испытаниях, чтобы иметь роли в иммунной модуляции, например, при рассеянном склерозе. Это подчеркивает важность S1P в регуляции функции лимфоцитов и иммунитета. Большинство исследований S1P используются для дальнейшего понимания таких заболеваний, как рак, артрит и воспаление, диабет, иммунная функция и нейродегенеративные расстройства. Глюцер, по-видимому, синтезируется во внутренней листочке Golgi. Исследования показывают, что GluCer должен перевернуться вовнутрь Golgi или перенестись на место синтеза GSL, чтобы инициировать синтез сложных GSL. Передача в область синтеза GSL осуществляется с помощью транспортного белка, известного как четырехфосфатный адапторный белок 2 (FAPP2), в то время как перевертывание внутрь Голги становится возможным благодаря переносителю ABC гликопротеину P, также известному как переносчик 1 резистентности к нескольким лекарственным средствам (MDR1). GluCer связан с после-Голги торговлей и лекарственной устойчивостью, особенно к химиотерапевтическим агентам. Например, исследование показало корреляцию между клеточной лекарственной устойчивостью и изменениями метаболизма GluCer. В дополнение к их роли в качестве строительных блоков биологических мембран, гликосфинголипиды давно привлекают внимание из-за их предполагаемой причастности к росту клеток, дифференцировке и образованию опухолей. С другой стороны, фармакологическое ингибирование GluCer синтеза рассматривается как метод предотвращения инсулинорезистентности.

Керамид-1-фосфат

Керамид 1- фосфат (C1P) образуется в результате действия ферментов керамидкиназы (CK) на Cer. C1P несет ионный заряд при нейтральном pH и содержит две гидрофобные цепи, что делает его относительно нерастворимым в водной среде. Таким образом, C1P находится в органелле, где он был сформирован, и вряд ли спонтанно перевернется через двуслойные мембраны. Ранее сообщалось, что C1P способствует клеточному делению (митогенному) в фибробластах, блокирует апоптоз путем ингибирования кислотной SMase в белых кровяных клетках в тканях (макрофагах) и увеличивает внутриклеточные концентрации свободного кальция в клетках щитовидной железы. C1P также играет известную роль в везикулярном трафике, выживании клеток, фагоцитозе ("съедании клеток") и дегрануляции макрофагов.

Фосфатидиллинозитолбисфосфат (PIP2) Липидный агонист

PIP2 связывается непосредственно с ионными каналами и модулирует их активность. Было показано, что PIP2 напрямую агонизирует внутренние ректифицирующие калийные каналы ((Kir). В этом отношении неповрежденные сигналы PIP2 являются добросовестными нейротрансмиттерами, подобными лигандам. Взаимодействие PIP2 со многими ионными каналами предполагает, что нетронутая форма PIP2 играет важную роль в передаче сигналов независимо от передачи сигналов второго мессенджера.

Системы второго мессенджера фосфатидиллинозитола бисфосфата (PIP2)

Общий механизм системы второго мессенджера может быть разбит на четыре этапа. Во-первых, агонист активирует мембранный рецептор. Во-вторых, активированный белок G производит первичный эффектор. В-третьих, первичный эффект стимулирует синтез второго вещества-посланника. В-четвертых, второй мессенджер активирует определенный клеточный процесс. Рецепторы, связанные с белком G для системы PIP2, производят два эффектора, фосфолипазу С (PLC) и фосфоинозита 3-киназу (PI3K). ПЛК как эффектор производит два различных второго мессенджера, инозитолтрифосфат (IP3) и диацилглицерол (DAG). IP3 растворяется и свободно диффундирует в цитоплазму. В качестве второго мессенджера он распознается инозитолтрифосфатным рецептором (IP3R), каналом Ca2+ в мембране эндоплазматического сетчатки (ER), который хранит внутриклеточный Ca2+. Связывание IP3 с IP3R высвобождает Ca2+ из ER в цитоплазму, которая обычно не обладает Ca2+, что затем вызывает различные события передачи сигналов Ca2+. В кровеносных сосудах повышение концентрации Ca2+ в результате IP3 высвобождает оксид азота, который затем диффундирует в гладкую мышечную ткань и вызывает расслабление. Фосфоинозид-3-киназа (PI3K) в качестве эффектора фосфорилирует фосфатидиллинозитолбисфосфат (PIP2) для получения фосфатидиллинозитола (3,4,5) трифосфата (PIP3). Было показано, что PIP3 активирует протеинкиназу B, увеличивает связывание с внеклеточными белками и, в конечном счете, повышает выживаемость клеток. Анандамид активирует как рецептор CB1, который находится в основном в центральной нервной системе, так и рецептор CB2, который находится в основном в лимфоцитах и периферии. Он содержится в очень низких количествах (nM) в большинстве тканей и инактивируется амид-гидролазой жирных кислот. Впоследствии был выделен другой эндоканнабиноид, 2 арахидоноилглицерол, который образуется при выделении фосфолипазой С диацилглицерола, который затем преобразуется в 2 AG диацилглицеролопазой. 2 AG также может активировать оба каннабиноидных рецептора и инактивируется моноацилглицероловой липазой. Он присутствует примерно в 100 раз больше концентрации анандамида в большинстве тканей. Повышение уровня любого из этих липидов вызывает обезболивание и противовоспалительную защиту тканей во время ишемии, но точная роль этих различных эндоканнабиноидов до сих пор не полностью известна, и интенсивное исследование их функции, метаболизма и регуляции продолжается. Одним из насыщенных липидов этого класса, часто называемым эндоканнабиноидом, но не имеющим соответствующего аффинности к рецепторам CB1 и CB2, является пальмитоилэтаноламид. Этот сигнальный липид имеет большое сродство к рецептору GRP55 и рецептору PPAR- альфа. Он был идентифицирован как противовоспалительное соединение уже в 1957 году, а как обезболивающее соединение в 1975 году. Рита Леви Монталчини впервые определила один из биологических механизмов его действия, ингибирование активированных мастоцитов. Палмитоилэтаноламид является единственным эндоканнабиноидом, доступным на рынке для лечения в качестве пищевой добавки.

Простагландины

Простагландины образуются при окислении арахидоновой кислоты циклооксигеназами и другими простагландиновыми синтезами. В настоящее время известно девять рецепторов, связанных с белком G (эикозаноидные рецепторы), которые в значительной степени опосредуют физиологию простагландинов (хотя некоторые простагландины активируют ядерные рецепторы, см. ниже).

ФАХФА

ФАГФА (эфиры жирных кислот гидроксижирных кислот) образуются в жировой ткани, улучшают толерантность к глюкозе и также уменьшают воспаление жировой ткани. Эфиры пальмитовой кислоты гидроксистеариновых кислот (PAHSA) являются одними из наиболее биоактивных компонентов, способных активировать рецепторы, связанные с белком G 120. Эфир докозагексаеновой кислоты гидроксилинолевой кислоты (DHAHLA) обладает противовоспалительными и прорезилирующими свойствами.

Дериваты ретинола

Ретинальдегид является производным ретинола (витамина А), отвечающим за зрение. Он связывается с родопсином, хорошо охарактеризованным GPCR, который связывает все цис- сетчатки в неактивном состоянии. При фотоизомеризации фотоном цис-ретиналь преобразуется в транс-ретиналь, вызывая активацию родопсина, что в конечном итоге приводит к деполяризации нейрона, что позволяет визуальное восприятие.

Стероидные гормоны

Этот большой и разнообразный класс стероидов биосинтезируется из изопреноидов и по структуре напоминает холестерин. Стероидные гормоны млекопитающих могут быть сгруппированы в пять групп по рецепторам, к которым они связываются: глюкокортикоиды, минералокортикоиды, андрогены, эстрогены и прогестогены.

Ретиновая кислота

Ретинол (витамин А) может метаболизироваться в ретиновую кислоту, которая активирует ядерные рецепторы, такие как RAR, для контроля дифференцировки и пролиферации многих типов клеток во время развития.

Простагландины

Большинство сигналов простагландинов передается через GPCR (см. выше), хотя некоторые простагландины активируют ядерные рецепторы семейства PPAR. (Для получения дополнительной информации см. статью "Эикозаноидные рецепторы").