Крутецкая, Лебедев, Курилова - Механизмы внутриклеточной сигнализации - 2003

УДК 577.352 Крутецкаи З.И., Лебедев О.Е., Курнлова Л.С. Механизмы внутриклеточной сигнализации: Монография. - СПбл Изд-во С. Петерб. Ун-та, 2003. 208 с., ил. 45, библиография 746 иазв. В монографии впервые в отечественной литературе обобщены современные литературные и собственные данные о структурнофункциоиальной организации известных в настоящее время клеточных сигнальных систем и составляющих их функциональных элементов. рассматриваются ален илатциклазная, фосфоивозитидиая, гуанилатциклазная и тнрозинкиназная системы внутриклеточной сигнализации, а также участие в передаче сигнала арахилоноаой кислоты, продуктов ее окисления и других жирных кислот. Особое внимание уделено механизмам формирования Са -сигналов в клетках. Детально рассмотрены механизмы мобилизации Са' из виутриклеточных депо и входа Са в клетки из наружной среды. Книга предназначена для физиологов, биофизиков, биохимиков, занимающихся проблемами внутриклеточной сигнализации, а также специалистов смежных биологических н медицинских дисциплин.

Рецензен~: доктор биологических наук Б.В. Крылов Ю Крутецкая З.И., Лебедев ОХ„Куриловв Л.С., 2003 1. Введение В настомцее время достигнут значительный прогресс в понимании молекулярных механизмов приема, перерабогки и передачи информации от плазматической мембраны кяеткн к внутриклеточным, органеллам. Именно в плазматической мембране находятся механизмы, преобразующие внешние сигналы во внутриклегочные.

Восприятие клетками внешних сигналов в основном происходит благодаря взаимодействию этих факторов с определенными рецепторами, расположенными на поверхностной мембране клеток, которые распознают приходящие сигналы и приводят а действие внутриклеточные пути передачи инфорыации, ведущие к запуску н регуляции различных клеточнык процессов. Передача сигнала через ряд посредников предполагает следующую схему реализации процесса: 1) взаимодействие рецептора со стимулом 2) активация находящейся в мембране эффекториой молекулы, ответственной за генерацию вторичных посредников; 3) образование вторичных посредников; 4) активация посредниками белков-мншений, в первую очередь протеинкиназ, вызывающих генерацию следующих посредников илн активацию специализированных клеточных элементов, приводящих к физиологическому ответу; 5) исчезновение посредника Несмотря на огромное разнообразие стимулов, рецепторов и процессов, сопровождающих их взаимодействие, существует всего несколько универсальных сигнальных систем, передающих при взаимодействии стимула с рецептором информацию различным клеточным органеллам и запускающих определенные физиологические процессы в клетке.

Сигнальные системы являются древнейшими системами, имеющимися у;кивотных и растений. В данной монографии обобщаются современные представления о структурно-функциональной организации известных в настоящее время клеточных сигнальных систем и составляющих их функциональных элементов. 3. Структурно-фуикцнональнан организация мембранных рецепторов Фармакологические рецепторы осуществляют две различные.

но тесно связанные функции. Во-первых, рецептор связывает специфический лиганд с высоким сролством и стереохимнческой специфичностью. Вовторых, рецептор отвечает на связывание лищнда конформационным изменением, кгпорое запускает трансмембранный сигнал. Это генерирующее согнал конформационное изменение вызывается алтнвнымн агонисззчи. а не чистыми ан~агонистакш. которые могуч свя,ываться с рецегпором, по не активирукц систему. Эти свойсп отличают фармакологические рецепторы от других меморанных белко такпх как ионные каналы илн переносчики питательных веществ.

Дз фармакологических рецепторов именно рецептор содержит в свое отру ктуре ключевые элементы. которые генерируют клеточный ответ. Выделяют три основные механнгма рецептор-зависимо трапсмембранной передачи сигнала: лиганд-регулируемый транспо( ионов; лигаид-регулируемые рецепторы-ферменты: лиганд-регулируеьи активация цепочки рецептор-С-белок. Н связи с этим выделяют тр супсрсемейства мембранных рецепторов: 1) лиганд-управляемь олигомериые ионные каналы типа канала никотиново~ ацетилхолинового рецептора, хлорных каналов ГАМКх и глициново~ рецепторов; 2) лигаид-управляемые трансмембранные ферментг облалмошие собственной тирозннкиназной активностью, подобнь рецепторам для зпидермального фактора роси, фактора росэ тромбоцитов, фактора роста нервов; 3) рецепторы, связанные с С-белкам (см.

обз. Кругецкая, Лебедев, 19926; Лебедев, Кругецкая, 1994; сз моногр. Кругецкая, Лебедев, ! 998). 2,1, Суперсемейсгво лиганд-управляемых рецепторов-каналов Для суперсемейсгва лиганд-управляемых рецепторов канале характерна пентамерная организация вокруг расположенного в цент! ионного канала. Так, никотиновый ацетилхолиновый рецептор являетс пентамером, состоящим из четырех различных, но гомологичных и структуре субъединиц а (50 кДа), 0 (54 «Ца), у (5б кДа) и б (58 кДа связанных в стехиометрин аз()уб (рис. 1).

Общая молекулярная масс рецептора 268 кДа. Каждая субъединица рецептора состоит нз четыре гндрофобных сегментов (М1-М4), пронизывающих мембрану в виде с спиралей (рис. 2). Предполагают, что в образовании лиганд-управляемог ионного канала принимают участие амфипатические М2-сегменты все пяти субъединиц рецептора. Открывание канала происходит пр связывании двух молекул лиганда (ацетнлхолина) со связывающим участками на двух а-субъединицах. На а-субъединицах расположен также участки связывания а-бунгаротоксина, паралитического токсина г яда змей. Рецепторы для двух основных тормозных медиаторов центральной нервной системе, ГЛМК н глицина, также являютс пенгамерами, обра!уюц!ими лиганя-управляемые хлорные каналы постсннаптнческой мембране (Н(Ие.

1992, 2001; см. кн. Крутецка: Лонский, 1994 и Лебслев. Крутецкая, 19941. о сн, снвС о- сн,сн„н" сн, АХ сн Места ) сиязыВания ;~р У Закрыто нв' Открыто Рис. 1. Структура никотинового ацетилхолинового рецептора. а, б, у и б - субъединицы рецептора. Открывание канала происходит при связывании двух люлекул ацетилхолина (АХ) со связывающими участками на двух а-субъединицах. 2.2. Суперсемейство рецепторов, свнзаниых с С-белками В настоящее время выделено и клонироваио около !3 рецепторов млекопитающих.

связанных с О-белкакнь Зги рецепторы вклгочают четыре опсинв. !3падренорецептор. !и-адренорецептор, три авдренергических рецептора, пять типов мускариновых рецепторов. серотониновые рецепторы, пять типов мускарнновых рецепторов. серотониповыс реггепторы 5НТ-!а и 5НТ-!с, рецептор лофамина (см. ооз. Круге!!хая. Лебедев. !9926!. Оказалось, что все рецепторы. связанные с О-белкамп. принадлежат к суперсемейсгву белков, ннен>в)нх 7 трансмембранных спиральных сепчентов. состоящих из ) 9-24 аминокислот, связанных внутри- и внеклсточными участками (рнс.

3). Агоимст елок Рнс. 3. Топологии и мембране рецептора, связанного с С- белками. Рецептор имеет 7 трансмембранных а-спиральных сегментов. )4- конец полипептидной цепи расположен в нар>жной среде. С-конец - в цитозоле. Показаны фрагменты рецептора, участвующие в связывании агониста и О-белков. Молекулярная масса рецепторов примерно одинакова — 40-50 кДа (350-500 аминокислотных остатков), )Ч-конец расположен на наружной, а С-конец на внузренней стороне мембраны, Длина )4- и С-концов, а также длина внутри- н внеклегочных участков варьирует у различных рецепторов.

Третий внутриклеточный фрагмент и С-конец наибслес варнабельны. Наиболее консервативными являкпся конец )-го внутрпклеточного >частка и начало трансмембранного сегмента Полагаот. ~ го эта ооласть может взаимодействовать с общим .ыемеитом 0-белков. таким как Р и/или у-с) бьединицы. Обшей чертой всех рецепторов является такаге наличие одного или оолее участков Н- связанного ьзикозилирования в области Н-конца и потенциальных участков фосфорилировання на цитоплазматичсских фрагментах Участки фосфорилирования включают несколько осликов серина н треоннна в области третьего внугриклеточного фрагмента и С-конца.

Трансмембранные сегменты содержат много остатков пролина и глнцнна. Эти амннокислотные осзатки могут образовывать кннки в а-спиралях, участвующие в образовании лиганд-связывающих карманов, а также играть роль в передаче на цитоплазматическую поверхность рецептора конформационных изменений, сопровогкдающих связывание лиганда. Связывание лиганд» также имеет общие черты у разных рецепторов.

При з том консервативные заряженные аминокислотиые остатки в трансмембранных сегментах служат, по-видимому, противоионамн для положительно заряженного ретиналя, ацетилхолина нли адреналина, связывающихся с соответствующими рецепторами. Так, в молекуле родопсина ретиналь взаимодействует с опсином с области лизина на 7-м трансмембранном сегменте. Напротив, для связывания катехоламииа с (3- адренорецептором необходима аспарагиновая кислота во 2-м трансмеморанном сегменте (см. обз. Крутецкая, Лебедев, 1992б). Модификации структуры рецепторов способствуют выяснению их фрагментов, участвующих в узнавании агониста и 0-белка. На основании такого подхода показано, что в связывании с 0-белком участвует третий цитоплазмазический участок и часть С-конца, причем положительно заряженные остатки играют, по-видимому, ведущую роль (см. обз.

Кругецкая, Лебедев, 1992б; Напсосй, 1997). К числу наиболее изученных рецепторов, связанных с О-белками, можно отнести адренергические рецепторы. Установлено, что взаимодействие катехоламинов (адреналина и норадреналииа) с (3- адренорецепторами ((3п и Рз-типа) приводит к активации 0,-белка. а; субьединица которого активирует аденилатциклазу.а -адренорецепторы, активируя О,-белок, иигибируют аденилатциклазу. (3 то же время и,- алренорецепторы прн посредничестве белка 0„ активируют фосфолипазу С (01!шап, 1987). Методами направленного мутагенеза установлены участки адренорецептора, участвующие в связывании с 0,-белками. Так„показано, что замены или делеции аинокислот в области третьего цитоплазмагического фрагмента (3з-адренорецептора приводят к нарушению связи рецептора с 0,-белком. Этн делеции включают следующие области третьего цитоплазматлческого фрагмен га адренорецептора: аминокислотные остатки 239-272; 222-229; 258-270. Использование хнмерных а2гР2-адренорецепторов также свидетельствует о решающей рели третьего цитоплазматлческого фрагмента (3,- адренорецептора в связывании с С,-белком.

Исследование химерных мускариновых холинорецепторок подтверждает вывод об участии третьего цитоплазматического фрагмен|а в связывании с С-белком (см. обз. Крутсцкая, Лебедев, 1992б). Третье большое суперсемейсэ во мембранных рецсп горов составляют рецепэоры, имеющие собсэвснную тирозинкиназную акэивность. Структурно-функциональные ха!эактеристики этих рецепторов будут рассмотрены далее в разделе 4.4.! 5. Структур!!о-фуыкциональнаи организации С-белков Одним из важнейших этапов в приближении к пониманиго механизмов гормонально-сенсорной регуляции явилось открытие семейства гуанин-нуклеотидсвязывающих белков (б-белков), передающих сигнал с мембранных рецепторов на определенные эффеьторные молекулы в клетке ()4еег, 1995; Вргапб, 1997; см.

обз. Крутецкая, Лебедев, ! 992 6). В настоящее время установлено, что 8038 всех известных гормонов, нейротрансмитгеров, нейромодуляторов, называемых «первичными цессенджерами», взаимодействуют со специфическими рецепторами, которые связаны с эффекторами через С-белки. 1!редполагают, что общее число различных рецепторов, связанных с С-белками, может составлять !00-150. Напротив, число эффслторов и б-белков значительно меньше, по-видимому не более 15 (ВнпЬашпег е! а1., 1990а, 199033 В настоящее время известно, что геном млекопитающих кодирует несколько типов Обалков, вкшочающих в себя четыре С„-белка ()4ц(цк)а е! а!., 1986Ь), три С,- белка ()чцйаэ)а е! а)., 1936а; бцйэ ег а!., 1987), два С,-белка (зопея, реем, 1987; Со1бзэп(!Ь е! а!., 1983: Мог!аг!у е! а)., !990), один С гкбелок (Ма!вцоЕа е! а1., !988) и три класса сенсорных С-белков: Сгбелок (трансдуцин), участвующий в фоторецепции (ТапаЬе е! а1., 1935), биг белок, участвующий в обонятельной рецепции (зопея е! а1., 1938) и б белок (гастдуцин), работающий во вкусовой рецепции (Ыеег, 1995).