Ионный канал, чувствительный к кислоте - Википедия - Acid-sensing ion channel

Кислоточувствительный натриевый канал
PDB 1qts EBI.jpg
Структура кислоточувствительного ионного канала 1.[1]
Идентификаторы
СимволASC
PfamPF00858
ИнтерПроIPR001873
PROSITEPDOC00926
SCOP22 кв. / Объем / СУПФАМ
TCDB1.A.6
OPM суперсемейство181
Белок OPM4fz1

Кислоточувствительные ионные каналы (ASIC) представляют собой нейронные нечувствительные к напряжению натриевые каналы, активируемые внеклеточными протонами, проницаемыми для Na+. ASIC1 также показывает низкий уровень Ca2+ проницаемость.[2] Белки ASIC являются подсемейством ENaC / Deg надсемейство ионные каналы. Эти гены варианты стыковки которые кодируют несколько изоформы помечены суффиксом. У млекопитающих кислоточувствительные ионные каналы (ASIC) кодируются пятью гены которые производят субъединицы белка ASIC: ASIC1, ASIC2, ASIC3, ASIC4 и ASIC5.[3] Три из этих белковых субъединиц собираются с образованием ASIC, который может объединяться как в гомотримерные, так и в гетеротримерные каналы, обычно обнаруживаемые как в Центральная нервная система и периферическая нервная система.[2] Однако наиболее распространенными ASIC являются ASIC1a, ASIC1a / 2a и ASIC3. ASIC2b не работает сам по себе, но модулирует активность канала при участии в гетеромультимерах, а ASIC4 не имеет известной функции. В широком смысле ASIC являются потенциальными мишенями для лекарств из-за их участия в патологических состояниях, таких как повреждение сетчатки, судороги и ишемическое повреждение головного мозга.[4][5]

Структура

Кристаллизованная структура ионного канала, чувствительного к кислоте

Каждый чувствительный к кислоте ионный канал состоит из 500-560 аминокислотной последовательности, которая состоит из шести трансмембранных сегментов - по два на субъединицу (TMD1 и TMD2), цитоплазматического аминокарбоксильного конца и большого внеклеточного домена.[3] Внутриклеточные амино-карбоксильные концевые домены жизненно важны для внутриклеточных белковых взаимодействий и модуляции, ионной проницаемости и стробирования. Однако стробирование и механика каждого ионного канала, чувствительного к кислоте, определяется комбинацией субъединиц ASIC, которые формируют его структуру.[3]

Поры

Механика функции пор является фундаментальной для структуры канала. Между тремя субъединицами ASIC1 туннель проходит от верхушки внеклеточных доменов до цитоплазмы клетки. Центральный туннель проходит непосредственно между тримерным блоком, где он имеет большие суженные области, которые меняются по размеру и форме в зависимости от состояния канала.[3]

Два трансмембранных домена (TMD1 и TMD2) каждой из трех субъединиц ASIC ответственны за поры канала. TMD2 в первую очередь участвует в выстилке просвета внутри поры и в воротах инактивации канала, где TMD1 удерживает белок внутри клетки. липидный бислой.[6] TMD1 соединен с β-листами внеклеточного домена, которые сгибаются, чтобы расширить внеклеточный домен, чтобы обеспечить прохождение ионов через канал.[3] Между сегментами TMD2 находится фильтр селективности, который формирует самую узкую часть поры, которая отвечает за допустимость ASIC в основном для Na.+. Для ASIC1 девять аминокислотные остатки, по три из каждой субъединицы ASIC (Gly443, Ala444, Ser445), образуют фильтр селективности. Все три карбонильных кислорода, прозванные «ГАЗОВЫМ поясом», выстилают поры, создавая отрицательный потенциал, который способствует проводимости катионов.[3] Конкретный аминокислотный остаток аспартат во внеклеточном боковом просвете TMD2 в ASIC1 был связан с низким содержанием кальция в канале.2+ проводимость. Кроме того, n-конец остатки трансмембранной области также показали селективность в отношении Na+, поскольку мутации в этой области изменили функцию и Na+ проводимость.[3]

Внеклеточная область

ASIC имеют большую внеклеточную область, похожую на кулак, которая потребляет большую часть структуры белков. Внутри его «кулакоподобной» структуры есть области запястья, ладони, пальца, сустава, большого пальца и β-шара. «Ладонь» составляет большую часть внеклеточного домена, образованного семью β-листами, тогда как остальные вторичные структурные домены состоят из α-спиральных сегментов.[3] Отличающаяся своей специфической аминокислотной конфигурацией внеклеточная область является фундаментальной для индукции активации / инактивации наряду с pH стробирование. Специфическая область петли β-листа между доменами «ладонь» и «большой палец» продемонстрировала участие в передаче сигнала от внеклеточного домена к трансмембранным областям, что привело к конформационному изменению ASIC в его открытое состояние.[3] Однако остается неясным, какие именно остатки взаимодействуют с протонами, чтобы активировать канал. В 2009 году исследования, возможно, установили взаимосвязь между ароматическими остатками Tyr72, Pro287 и Trp288 и протон-стробированием ASIC.[3] Эти остатки образуют кислотный карман, который выражает электростатические потенциалы, ответственные за зависимость от pH при активации и модуляции каналов.[7] Этот карман во внеклеточном домене действует как резерв для концентрации катионов, чтобы в дальнейшем способствовать образованию Na+ приток. Гликозилирование также проявляется во внеклеточной области, играя важную роль в транспортировке канала к поверхности мембраны, а также в установлении чувствительности ASIC к уровням pH. Дальнейшие экспериментальные данные показали, что Ca2+ может также играть ключевую роль в модулировании протонной аффинности ASIC-гейтинга как внутри поры, так и во внеклеточном домене.[3]

Функция

Роль ASIC заключается в том, чтобы ощущать пониженные уровни внеклеточного pH и вызывать ответ или сигнал от нейрона. Долгое время считалось, что лиганд, который связывается с сайтом активации, состоит исключительно из протонов; однако недавние исследования показали, что ASIC4 и ASIC1 могут активироваться при нормальном уровне pH, что указывает на другие типы связывающих лигандов.[8] В условиях повышенной кислотности протон связывается с каналом во внеклеточной области, активируя ионный канал для прохождения конформационных изменений, открывая трансмембранный домен 2 (TMD2). Это приводит к притоку ионов натрия через просвет TMD2. Все ASIC особенно проницаемы для ионов натрия. Единственный вариант - ASIC1a, который также имеет низкую проницаемость для ионов кальция. Приток этих катионов приводит к деполяризации мембраны. Ca с ограничением по напряжению2+ каналы активируются, что приводит к притоку кальция в клетку. Это вызывает деполяризация нейрона и высвобождается возбуждающий ответ. В ASIC1a, Ca2+ Увеличение внутри клетки является результатом притока кальция непосредственно через канал.[8]

После активации ASIC может запускать множество различных эффекторных белков и сигнальных молекул, что приводит к различным реакциям клетки. А именно, α-Актинин приводит к повышенной чувствительности к pH и восстановлению десенсибилизации. Они также могут увеличить плотность тока, протекающего через канал.[8] Также много протеинкиназы которые регулируют работу ASIC через фосфорилирование. К ним относятся протеинкиназа А (PKA) и протеинкиназа C (PKC). Считается, что регуляторов гораздо больше, но их эффекты не были получены экспериментально.[8]

Есть и другие факторы, которые могут сыграть роль в регулировании ASIC. Наличие созревшего N-связанные гликаны на поверхности канала позволяет каналу предпочтительно передавать трафик для ASIC1a. Это результат увеличения N-гликозилирование сайты на ASIC1a и ASIC2a.[8] Высокий уровень глицерин (известно, что ускоряет созревание белка) на поверхности ASIC2 также помогает в понимании того, что регуляция функции этих каналов зависит от созревания белка. Также предполагается, что окисление играет роль в торговле людьми.[8]

Место расположения

Большинство ASIC выражаются в нервной системе. ASIC1, ASIC2, ASIC2b и ASIC4 обычно выражаются как в центральной, так и в периферической нервной системе, тогда как ASIC1b и ASIC3 обычно расположены только в периферийной.

В периферической нервной системе ASIC расположены в телах клеток постсинаптических мембран и терминалов сенсорных нервов. Кроме того, ASIC обычно находятся в афферентные нервные волокна кожи, мышц, суставов и внутренних органов, где было обнаружено, что они связаны с болью, вкусом и функциями желудочно-кишечного тракта.[6]

В центральной нервной системе ASIC обычно находятся в спинной рог спинного мозга.[4] ASIC1 специально сконцентрирован в миндалина, иллюстрирующий его роль в тревожном поведении, и ASIC3 был обнаружен в орган Корти и спиральный узел иллюстрируя роль этого конкретного канала в слуховом и зрительном восприятии.[6] Субъединицы ASIC1a, ASIC2a и ASIC2b также были обнаружены в гиппокампе.[9]

Физиология

ASIC - это потенциал мишени для наркотиков для лечения широкого спектра заболеваний, связанных как с ЦНС, так и с ПНС.[4][5] Особый интерес для области боли представляет рецептор подтипа ASIC3, который специфически экспрессируется в ноцицепторы. Этот подтип демонстрирует двухфазный ток при активации протона, где исходный входящий внутрь Na+ Вскоре за током следует устойчивый катионный ток.

ASIC важны для функции сетчатки глаза и обеспечивают защиту от яркого света. Восприимчивость к повреждению сетчатки увеличивается после делеции гена ASIC2. Повысился апоптоз возникла в ответ на яркий свет в гене ASIC2 - / - по сравнению с сетчаткой дикого типа.[8]

Каналы ASIC1a также играют роль в защите от захватов. Судороги вызывают повышенную неконтролируемую активность нейронов в головном мозге, которая выделяет большое количество кислых пузырьков.[5] Каналы ASIC1a открываются в ответ и, как было показано, защищают от приступов, уменьшая их прогрессирование. Исследования, изучающие этот феномен, показали, что удаление гена ASIC1a привело к усилению судорожной активности.[8]

Каналы ASIC1a специфически открываются в ответ на pH 5,0-6,9 и вносят свой вклад в патологию ишемического повреждения головного мозга, поскольку их активация вызывает небольшое увеличение Ca2+проницаемость и приток Са2+. Каналы ASIC1a дополнительно облегчают активацию потенциалзависимых каналов Ca2 + и Рецептор NMDA каналы при начальной деполяризации, способствуя значительному увеличению внутриклеточного кальция, что приводит к гибели клеток.[10] Возможный механизм гибели клеток, опосредованной каналом ASIC1a, связан с активацией других каналов, что приводит к повышению содержания кальция в крови.2+ который создает сигнальные пути для апоптоза и некроза в клетке.[5] Исследования нокаута генов, а также блокады ASIC показали уменьшение объема инфаркта головного мозга на 60%, предполагая, что каналы ASIC играют важную роль в развитии патологических состояний, возникающих в результате ацидоз и ишемия индуцированное повреждение нейронов.[10] Эффекты блокады ASIC и NMDA были изучены для определения роли обоих каналов в Ca2+ токсичность и оценить их вклад. Использование блокады для обоих каналов обеспечивает большую нейрозащиту, чем использование блокады только для одного канала, а блокада ASIC обеспечивает длительную эффективность блокады NMDA.[10]

Фармакология

Из-за роли кислоточувствительных ионных каналов в восприятии боли и нескольких патофизиологических процессов они имеют фармакологический значение как лекарственная мишень для ингибирования. Ионные каналы, чувствительные к кислоте, обнаруживаются как в центральных, так и в периферических нейронах. Модуляция активности ASIC может дополнительно контролировать неблагоприятные поведенческие и эмоциональные симптомы хронической боли, такие как тревога и депрессия.

Кислоточувствительные ионные каналы (ASIC) активируются при pH ниже ~ 6 с вариабельностью в зависимости от типа канала и его местоположения. Снижение pH может быть вызвано множеством причин, включая воспаление тканей, ишемический инсульт, накопление молочной кислоты из-за повышенного клеточного метаболизма. Активация канала вызывает повышенную проницаемость для ионов натрия, что деполяризует клетку и вызывает возбуждение потенциал действия. Результирующие потенциалы действия можно модулировать с помощью низкомолекулярных ингибиторов.

Амилорид является примером ингибитора ASIC, хотя он не считается высокоэффективным из-за значения IC50 в микромолярном диапазоне, но позволил провести исследования эффектов ингибирования ASIC на мигрень. Во время мигрень наблюдается депрессия распространения коры, которая вызывает дисбаланс ионов и высвобождение заряженных молекул, которые могут активировать ASIC. Тестирование амилорида на грызунах показало уменьшение корковой депрессии во время мигрени. Исследования показали, что амилорид действует как конкурентный ингибитор глав ASIC. Использование амилорида также показало побочные эффекты у грызунов из-за ингибирования обменников натрия / кальция. Ингибирование этих обменников нарушает клеточный гомеостаз кальция и вызывает высокий уровень кальция в клетке, что объясняет снижение нейропротекторной эффективности при использовании амилорида. Результаты, полученные благодаря ингибированию амилоридом ASIC, являются многообещающими и подтверждают терапевтический потенциал. Однако из-за отсутствия специфичности и эффективности амилорида необходимо будет провести дальнейшую разработку лекарственного средства его структуры до того, как лекарство будет выпущено.[11][10]

Низкомолекулярный ингибитор A-317567 обладает большим терапевтическим потенциалом, чем амилорид, с более высокой специфичностью к каналам ASIC и повышенной эффективностью. Хотя A-317567 показывает небольшую избирательность для различных типов каналов ASIC, in vivo Результаты показали, что побочных эффектов, наблюдаемых при использовании амилорида, можно избежать благодаря специфичности A-317567 для ASIC. Кроме того, A-317567 обладает способностью поддерживать ингибирование устойчивых токов, что может быть многообещающим особенно при хронических состояниях, опосредованных ацидозом.[10]

Самый эффективный и известный ингибитор ASIC - это PcTX1. PcTX1 специфически ингибирует ASICa и имеет значение IC50 в наномолярном диапазоне - меньшее значение IC50, чем у всех других известных ингибиторов ASIC, которые были в микромолярном диапазоне. Кроме того, PcTX1 не ингибирует другие потенциалзависимые ионные каналы или же лиганд-закрытые каналы. В состав этого ингибитора входит 40 аминокислот, связанных с дисульфидные связи. Он был идентифицирован как пептидный токсин южноамериканского птицееда. Псалмопей Кембридж.[10] Когда PcTX1 вводили в базолатеральную миндалину крыс, симптомы, связанные с эмоциями и тревогой, связанные с болью, значительно уменьшались.[12]

Часто используемые нестероидные противовоспалительные препараты (НПВП ), как было обнаружено, играют роль в ингибировании ASIC, что способствует модуляции боли. Хорошо известным механизмом действия НПВП является их подавление синтеза простагландинов, основного воспалительного соединения. Однако результаты показывают, что НПВП ибупрофен и аспирин ингибируют ASIC со значениями IC50 350 мкМ и 260 мкМ соответственно. НПВП, вероятно, подавляют ток ASIC во время острой боли, особенно вызванной воспалением тканей, и, таким образом, подавляют сигнал к нейронам, чувствительным к боли.[10]

Продолжая исследования фармакологического потенциала ингибирования ASIC, пациенты, страдающие хронической болью и различными патологиями, связанными с ацидозом, могут иметь больше вариантов лечения в будущем. Кроме того, исследования ASIC по открытию новых лекарств дают больше информации о функциях самих каналов и их физиологическом значении.

Рекомендации

  1. ^ Ясти Дж., Фурукава Х., Гонсалес Э. Б., Гуо Э. (2007). «Структура кислоточувствительного ионного канала 1 при разрешении 1,9 Å и низком pH». Природа. 449 (7160): 316–322. Дои:10.1038 / природа06163. PMID  17882215.
  2. ^ а б Грюндер С., Пуш М. (июль 2015 г.). «Биофизические свойства кислоточувствительных ионных каналов (ASIC)». Нейрофармакология. 94: 9–18. Дои:10.1016 / j.neuropharm.2014.12.016. PMID  25585135.
  3. ^ а б c d е ж грамм час я j k Ханукоглу I (февраль 2017 г.). «Натриевые каналы типа ASIC и ENaC: конформационные состояния и структура фильтров ионной селективности». Журнал FEBS. 284 (4): 525–545. Дои:10.1111 / фев.13840. PMID  27580245.
  4. ^ а б c Слука К.А., Winter OC, Wemmie JA (сентябрь 2009 г.). «Кислоточувствительные ионные каналы: новая мишень для лечения боли и заболеваний ЦНС». Текущее мнение в области открытия и разработки лекарств. 12 (5): 693–704. ЧВК  3494879. PMID  19736627.
  5. ^ а б c d Ван Ю.З., Сюй Т.Л. (декабрь 2011 г.). «Ацидоз, кислоточувствительные ионные каналы и гибель нейрональных клеток». Молекулярная нейробиология. 44 (3): 350–8. Дои:10.1007 / s12035-011-8204-2. PMID  21932071.
  6. ^ а б c Осмаков Д.И., Андреев Ю.А., Козлов С.А. (2014). «Кислоточувствительные ионные каналы и их модуляторы». Биохимия. Биохимия. 79 (13): 1528–45. Дои:10.1134 / S0006297914130069. PMID  25749163.
  7. ^ Шервуд Т.В., Фрей EN, Askwith CC (октябрь 2012 г.). «Структура и активность кислоточувствительных ионных каналов». Американский журнал физиологии. Клеточная физиология. 303 (7): C699–710. Дои:10.1152 / ajpcell.00188.2012. ЧВК  3469599. PMID  22843794.
  8. ^ а б c d е ж грамм час Zha XM (январь 2013 г.). «Кислоточувствительные ионные каналы: трафик и синаптическая функция». Молекулярный мозг. 6: 1. Дои:10.1186/1756-6606-6-1. ЧВК  3562204. PMID  23281934.
  9. ^ Барон, А .; Waldmann, R .; Лаздунский, М. (2002). «ASIC-подобные, активируемые протонами токи в нейронах гиппокампа крыс. The Journal of Physiology, 539 (2), 485–494 | 10.1113 / jphysiol.2001.014837». Журнал физиологии. 539 (Pt 2): 485–494. Дои:10.1113 / jphysiol.2001.014837. ЧВК  2290154. PMID  11882680.
  10. ^ а б c d е ж грамм Xiong ZG, Pignataro G, Li M, Chang SY, Simon RP (февраль 2008 г.). «Кислоточувствительные ионные каналы (ASIC) как фармакологические мишени для нейродегенеративных заболеваний». Текущее мнение в фармакологии. Неврология. 8 (1): 25–32. Дои:10.1016 / j.coph.2007.09.001. ЧВК  2267925. PMID  17945532.
  11. ^ Барон А., Lingueglia E (июль 2015 г.). «Фармакология кислоточувствительных ионных каналов - физиологические и терапевтические перспективы» (PDF). Нейрофармакология. Кислоточувствительные ионные каналы в нервной системе. 94: 19–35. Дои:10.1016 / j.neuropharm.2015.01.005. PMID  25613302.
  12. ^ Айсуни, Юсеф; Эль-Герраб, Абдеррахим; Хамие, Аль-Махди; Феррье, Жереми; Чалус, Мариз; Лемэр, Дайан; Грегуар, Стефани; Этьен, Моник; Эшелье, Ален (2017-03-02). «Чувствительный к кислоте ионный канал 1a в миндалевидном теле участвует в поведении, связанном с болью и тревогой, связанном с артритом». Научные отчеты. 7: 43617. Дои:10.1038 / srep43617. ISSN  2045-2322. ЧВК  5340794. PMID  28321113.