Модуляция щелевого перехода

Модуляция щелевых соединений описывает функциональное манипулирование щелевыми соединениями , специализированными каналами, которые обеспечивают прямую электрическую и химическую связь между клетками без экспорта материала из цитоплазмы . [1] Щелевые контакты играют важную регуляторную роль в различных физиологических процессах, включая распространение сигналов в мышцах и тканевый гомеостаз печени сердечных . Модуляция необходима, поскольку щелевые соединения должны реагировать на окружающую среду, будь то посредством повышенной экспрессии или проницаемости. Нарушение или изменение модуляции может иметь серьезные последствия для здоровья и связано с патогенезом печени, сердца и кишечника . [2] [3] [4]
Модуляция достигается с помощью эндогенных химических веществ, факторов роста , гормонов и белков , которые влияют на экспрессию, структуру, деградацию и проницаемость щелевых соединений. Естественные формы модуляции включают стробирование напряжения и химическую модуляцию. Управление напряжением — это относительно быстрая модуляция, разделяемая на управление Vj и медленное управление напряжением, на которые дополнительно влияют кальция ионы (Ca 2+ ), pH и кальмодулин . [1] [5] Химическая модуляция влечет за собой добавление или удаление функциональной группы или белка из субъединиц коннексина щелевых соединений; это может изменить выражение и структуру щелевого соединения. [6]
стробирование напряжения
[ редактировать ]Молекулярная структура щелевых контактов делает их чувствительными и чувствительными к межклеточным токам. [7] Эта чувствительность позволяет каналу изменять свой размер и структуру в соответствии с электрическими сигналами. Два типа стробирования напряжения: Vj стробирования и стробирования медленного напряжения, схожи по своим механизмам, но реагируют на разные электрические величины. [7] Электрические сигналы, которые модулируют щелевые переходы, высвобождают Ca. 2+ который вызывает положительную обратную связь со стробированием напряжения. [8] На эту модуляцию кальция также влияют pH и кальмодулин. [8]
Механизмы
[ редактировать ]VJ стробирование
[ редактировать ]Затвор Vj определяет размер щелевого перехода и способен уменьшить размер канала до 40% по сравнению с его полностью открытым состоянием. [1] [7] Чувствительность к напряжению в значительной степени объясняется цитоплазматическим NH2-концом щелевого перехода , который реагирует на небольшие напряжения (2-3 мВ). [7] [9] Модуляция стробирования напряжения связана с зарядом коннексина ; Положительно заряженный коннексин закрывается при гиперполяризации , а отрицательно заряженный коннексин закрывается при деполяризации . [7] Помимо заряда коннексина, ворота Vj также регулируются различными концентрациями Ca. 2+ , Ч + и кальмодулин. [8]
Медленное стробирование напряжения
[ редактировать ]Предполагается, что вентилирование медленного напряжения похоже на вентилирование Vj с точки зрения механизма, но, в отличие от стробирования Vj, полностью закрывает канал в непроводящее состояние. [7] Эта модуляция медленнее, чем предыдущий метод стробирования, поскольку она происходит в ответ на стробирование Vj. [7] Временное регулирование напряжения также зависит от более высокого напряжения (10-30 мВ), [7] различные природные факторы, такие как липофилы и низкий уровень pH, а также стыковка двух полуканалов . [7] Точные механизмы как Vj-гейтирования, так и медленного напряжения остаются неизвестными, но предполагается, что изменение заряда заставляет цитоплазматический NH2-концевой домен перемещаться по направлению к цитоплазме , уменьшая размер пор. [7]
Факторы
[ редактировать ]Кальций
[ редактировать ]Кальций существует в организмах в форме иона Ca 2+ , и является эффективным модулятором щелевых переходов, имеющим тесную связь со стробированием напряжения. Увеличение внутриклеточной концентрации ионов кальция более 500 нМ приводит к проницаемости плазматических мембран . быстрому снижению [5] Известно, что такая модуляция посредством кальция является защитной, поскольку она предотвращает индукцию мертвыми клетками апоптоза в соседних клетках. [10] Тем не менее, высокий Ca 2+ концентрация наблюдается редко, так как этот метод пропускания является самоблокирующимся. [8] Что 2+ Концентрации являются решающим фактором, определяющим стробирование напряжения, поскольку приток и движение Ca 2+ необходим для деполяризации. [8]
рН
[ редактировать ]На проницаемость щелевых соединений дополнительно влияет pH окружающей среды. Чувствительность к pH зависит от типа коннексина, составляющего щелевой переход, но каналы обычно закрываются при pH 6,4–6,2. [8] [10] В слабой кислой среде каналы щелевого перехода остаются закрытыми, несмотря на изменения напряжения, тогда как в сильной кислой среде каналы открываются под действием напряжения, но немедленно закрываются.
Отчеты также указывают на синергетическую связь между ионами водорода и внутриклеточной концентрацией кальция в снижении проницаемости щелевых соединений. [8] [10] Исследования сердечных клеток показали, что ацидоз, снижение pH, сам по себе оказывает ограниченное влияние на уменьшение диффузии красителя между клетками; снижение значительно увеличивалось с увеличением внутриклеточной концентрации кальция. [8]
Кальмодулин
[ редактировать ]Кальмодулин (CaM) представляет собой белок, состоящий из 148 аминокислот , который играет как промежуточную, так и прямую роль в сдерживании щелевых соединений. [6] [8] Кальмодулин действует как регулятор мембранных каналов, включая малые и промежуточные Ca. 2+ -активированные калиевые ионные каналы L-типа , Ca 2+ каналы , P/Q-тип Ca 2+ каналы и натриевые ионные каналы . [8] Все эти мембранные каналы могут дополнительно влиять на концентрации катионов , определяя электрохимический градиент клеточной мембраны и влияя на управление напряжением. [8]
Кальмодулин также действует непосредственно на щелевые соединения посредством двух своих Ca 2+ сайты связывания. [8] [10] При связывании Са 2+ кальмодулин претерпевает конформационные изменения, которые в конечном итоге блокируют канал щелевого соединения, предотвращая прохождение цитоплазматического материала. [8] Аналогичным образом, в то время как ингибирование экспрессии кальмодулина увеличивает вероятность закрытия щелевых соединений, антагонисты СаМ и блокаторы СаМ способствуют открытию щелевых соединений. [5] [8]
Химическая модификация
[ редактировать ]Химическая модификация происходит в белках коннексина после их трансляции и обычно включает изменения в фосфорилировании и убиквитинировании , хотя нитрозилирование , дезамидирование и гидроксилирование модифицируют процессы. также было отмечено, что [10] Последствия химической модификации широко варьируются в зависимости от функциональной группы или белка и задействованных белков коннексина. добавленной [10] Обычно изменения происходят в развитии и жизненном цикле белка коннексина или в воротах и структуре самих щелевых соединений. [10]
Механизмы
[ редактировать ]фосфорилирование
[ редактировать ]Фосфорилирование , добавление фосфатной группы, играет важную роль в регулировании как щелевых соединений, так и субъединиц, которые их образуют. Белок щелевого соединения коннексин обычно имеет несколько сайтов фосфорилирования (у коннексина Cx43 их 21). [11] [12] Связывание фосфата с этими сайтами может вызывать различные эффекты, влияющие на аспекты жизненного цикла белка. [11] Например, фосфорилирование сайтов фосфорилирования Cx43 способствует его транспортировке из аппарата Гольджи в плазматическую мембрану . [11] Последующая олигомеризация этого белка в полуканалы и полуканалы в щелевые контакты также индуцируются фосфорилированием. [12] Аналогично, деградация может быть инициирована фосфорилированием, а также изменениями в воротном механизме, который определяет проницаемость щелевых соединений. [13]
Фосфорилирование щелевых соединений и их субъединиц обычно достигается с помощью протеинкиназ — ферментов, которые добавляют фосфаты к аминокислотам белков. [11] [12] [13] Серин/треониновые киназы , которые фосфорилируют гидроксильную группу остатков серина или треонина, составляют основную часть киназ фосфорилирования коннексина. К ним относятся протеинкиназа C (PKC), протеинкиназа G (PKG), Ca2+/кальмодулин-зависимая киназа II (CaMKII), цАМФ-зависимая протеинкиназа A (PKA), MAP-киназа (MAPK) и казеинкиназа (CK). [11] Киназа Src представляет собой одинокую тирозинкиназу , которая, как было обнаружено, фосфорилирует коннексины. [11] Протеинкиназы различаются по своим целевым соединениям, конкретным местам фосфорилирования и эффекту фосфорилирования. [11]
Например, фосфорилирование PKA влияет как на активность гемиканалов, так и на активность коннексина. [11] Здесь активность полуканалов нейронов подавляется за счет снижения проницаемости, в то время как на коннексины влияет повышенный транспорт и сборка в щелевые соединения. Активность ПКА во многом связана с повышенной концентрацией цАМФ . [11] С другой стороны, фосфорилирование PKB может предотвращать связывание белка zonula occludens-1 , что приводит к увеличению размера щелевого соединения и проницаемости полуканалов. [11] Его активность обычно является ответом на физиологические изменения, такие как ранение или гипоксия . [11]
Убиквитинирование
[ редактировать ]Убиквитин представляет собой небольшой долгоживущий глобулярный белок, который ковалентно связывается с остатками лизина белков-мишеней в процессе, известном как убиквитинирование. [14] Подобно фосфорилированию, он действует как посттрансляционный регулятор для многих белков, включая коннексин. [14] Было замечено, что убиквитинирование наиболее активно участвует в заключительных стадиях жизненного цикла белка коннексина, регулируя как эндоцитоз щелевых соединений , так и деградацию коннексина. [15] Однако детали конкретных путей и задействованных белков все еще изучаются.
Отдельные эффекты убиквитинирования, как правило, широко варьируются в зависимости от тканей и субклеточного местоположения, где оно происходит, а также от типа вовлеченного убиквитина. [15] Например, вновь синтезированный Cx43 в эндоплазматическом ретикулуме может подвергаться полиубиквитинированию, что приводит к распознаванию протеасомами , которые осуществляют деградацию белков, ассоциированных с эндоплазматическим ретикулумом (ERAD). [15] Убиквитинирование Cx43, который находится на плазматической мембране и организован в щелевые соединения, приведет к интернализации или эндоцитозу с последующей деградацией Cx43 лизосомами. [15]
Нитрозилирование
[ редактировать ]Было продемонстрировано, что нитрозилирование , добавление группы оксида азота (NO), играет существенную роль в возникновении посттрансляционных модификаций как белков щелевых соединений, так и полуканалов. [16] Нитрозилирование может быть индуцировано либо белками коннексина, либо белками, которые дополнительно регулируют коннексин, такими как киназы. Типом нитрозилирования является S-нитрозилирование, присоединение группы оксида азота к цистеинтиолу белка. [17]
Эксперименты, касающиеся S-нитрозилирования и жизненного цикла щелевых соединений, предполагают, что он играет роль в регуляции движения полуканалов и формировании щелевых соединений; Добавление NO быстро увеличивало уровень коннексина Cx40 и Cx43 на плазматической мембране, а также образование щелевых контактов в эндотелиальных клетках. [17] Механизм этого явления до сих пор неизвестен, но считается, что прооксидантные условия, индуцированные NO, модулируют свойства аппарата Гольджи , который отвечает за модификацию и сортировку белков. [17]
Сопутствующие заболевания
[ редактировать ]
Аритмогенная кардиомиопатия
[ редактировать ]Электрическая связь между сердечными клетками имеет решающее значение для здоровья сердца, позволяя волокнам сердечной мышцы нормально сокращаться. Эта связь осуществляется посредством щелевых соединений. [18] Щелевые соединения позволяют пассивную диффузию материалов, таких как ионы, через цитоплазму одной клетки в другую; это соединение обеспечивает правильное распространение электрических импульсов по сердечным клеткам. [18]
Генетическое заболевание сердца, аритмогенная кардиомиопатия (АКМ), характеризуется снижением экспрессии/количества щелевых соединений сердца, что в дальнейшем может привести к нарушению функции и желудочковой аритмии. [18] Это заболевание возникает в результате изменения экспрессии белков, включая нейронный кадгерин (CDH2) и плакофилин-2 (PKP2), которые естественным образом способствуют экспрессии щелевых соединений. [18] Обнаружено, что снижение CDH2 снижает экспрессию коннексина 43 (Cx43), основного белка, который способствует синтезу щелевых соединений, что дополнительно приводит к снижению скорости проведения электрических импульсов. [18] Снижение PKP2 также ограничивает экспрессию Cx43, но только с одновременным снижением снижения N-кадгерина. [18]
Заболевания печени
[ редактировать ]Поскольку щелевые контакты играют важную роль в регуляции гомеостаза печени, аномальная экспрессия щелевых соединений может быть основным фактором, способствующим печеночной недостаточности . [19] Возьмем , к примеру, цирроз печени и острую печеночную недостаточность (ACLF). Повышенная экспрессия печеночного коннексина 43 связана с тяжелым воспалением . [19] Условия ухудшаются, поскольку повышенная экспрессия Cx43 быстро передает сигналы смерти соседним клеткам, заставляя их подвергаться апоптозу. [19]
Желудочно-кишечные заболевания
[ редактировать ]Как и в случае с сердцем, щелевые контакты играют важную роль в передаче электрических сигналов в кишечнике. [20] Электрические сигналы необходимы для синхронизации гладких мышц , буферизации концентрации субстрата и опосредования воспаления. [20] Таким образом, дисфункция щелевых соединений приводит к многочисленным симптомам, таким как желудочно-кишечные инфекции и воспалительные заболевания кишечника . [20]
Патогенез щелевых соединений варьируется в зависимости от заболевания. При воспалительных заболеваниях кишечника снижение экспрессии щелевых соединений разрушает соединительные комплексы между клетками кишечника, что приводит к таким симптомам, как диарея и внутренние спазмы. [20] Меньше известно о механизме патогенеза щелевых соединений при желудочно-кишечных инфекциях, но корреляция очевидна: инфекции характеризуются повышенным уровнем Cx43 и их аномальной локализацией. [20]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с «Клетка – Щелевые контакты» . Британская энциклопедия . Проверено 27 апреля 2020 г.
- ^ Нурман, Мартье; ван дер Хейден, Марсель АГ; ван Вин, Toon AB; Кокс, Моник GPJ; Хауэр, Ричард Н.В.; де Баккер, Жак М.Т.; ван Риен, Гарольд В.М. (1 апреля 2009 г.). «Сердечные межклеточные соединения в здоровье и болезни: электрическая и механическая связь». Журнал молекулярной и клеточной кардиологии . 47 (1): 23–31. дои : 10.1016/j.yjmcc.2009.03.016 . ISSN 0022-2828 . ПМИД 19344726 .
- ^ Хоугланд, Дэниел Т.; Сантос, Вебстер; Пельцинг, Стивен; Гурди, Роберт Г. (01 июля 2019 г.). «Роль промежности щелевого перехода в сердечной проводимости: потенциал в качестве новой мишени для антиаритмических препаратов» . Прогресс биофизики и молекулярной биологии . Физика встречается с медициной – в центре активной материи. 144 : 41–50. doi : 10.1016/j.pbiomolbio.2018.08.003 . ISSN 0079-6107 . ПМК 6422736 . ПМИД 30241906 .
- ^ Эрнандес-Герра, Мануэль; Хаджиамби, Анна; Джалан, Раджив (29 декабря 2018 г.). «Щелевые соединения при заболеваниях печени: значение для патогенеза и терапии» . Журнал гепатологии . 70 (4): 759–772. дои : 10.1016/j.jhep.2018.12.023 . ISSN 0168-8278 . ПМИД 30599172 .
- ^ Jump up to: а б с Пераккья, Камилло (16 февраля 2019 г.). Структура щелевого соединения и химическая регуляция: прямая роль кальмодулина в открытии межклеточных каналов . Лондон, Великобритания. ISBN 978-0-12-816380-1 . OCLC 1086610350 .
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б Сегретен, Доминик; Фальк, Матиас М. (23 марта 2004 г.). «Регуляция биосинтеза, сборки, образования и удаления щелевых соединений коннексина». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 1662 (1–2): 3–21. дои : 10.1016/j.bbamem.2004.01.007 . ПМИД 15033576 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Харрис, Эндрю Л. (1 февраля 2002 г.). «Измерение напряжения и выпрямление подсостояния» . Журнал общей физиологии . 119 (2): 165–170. дои : 10.1085/jgp.119.2.165 . ISSN 1540-7748 . ПМК 2233797 . ПМИД 11815666 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н Пераккья, Камилло (23 марта 2004 г.). «Химическое стробирование каналов щелевого соединения». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 1662 (1–2): 61–80. дои : 10.1016/j.bbamem.2003.10.020 . ПМИД 15033579 .
- ^ Бринк, Питер (1 июля 2000 г.). «Зависимость напряжения на щелевом переходе» . Журнал общей физиологии . 116 (1): 11–12. дои : 10.1085/jgp.116.1.11 . ISSN 0022-1295 . ПМК 2229614 . ПМИД 10871636 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Нильсен, Мортен Шак; Найгаард Аксельсен, Лен; Сорген, Пол Л.; Верма, Вандана; Дельмар, Марио; Гольштейн-Ратлу, Нильс-Хенрик (01 июля 2012 г.), Терджунг, Рональд (редактор), «Разрывные соединения», Комплексная физиология , 2 (3), John Wiley & Sons, Inc.: 1981–2035, doi : 10.1002/cphy.c110051 , ISBN 978-0-470-65071-4 , ПМЦ 3821273 , ПМИД 23723031
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к Погода, Кристин; Камерич, Петра; Ретамал, Маурисио А.; Вега, Хосе Л. (24 мая 2016 г.). «Регуляция каналов щелевых соединений и полуканалов посредством фосфорилирования и окислительно-восстановительных изменений: пересмотр» . Клеточная биология BMC . 17 (S1): 11. дои : 10.1186/s12860-016-0099-3 . ISSN 1471-2121 . ПМЦ 4896245 . ПМИД 27229925 .
- ^ Jump up to: а б с Солан, Джоэл Л.; Лампе, Пол Д. (10 июня 2005 г.). «Фосфорилирование коннексина как регуляторное событие, связанное со сборкой канала щелевого соединения». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 1711 (2): 154–163. дои : 10.1016/j.bbamem.2004.09.013 . ПМИД 15955300 .
- ^ Jump up to: а б Лэрд, Дейл В. (10 июня 2005 г.). «Фосфорилирование коннексина как регуляторное событие, связанное с интернализацией и деградацией щелевых соединений». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 1711 (2): 172–182. дои : 10.1016/j.bbamem.2004.09.009 . ПМИД 15955302 .
- ^ Jump up to: а б Лейт, Эдвард; Риведал, Эдгар (14 ноября 2007 г.). «Убиквитинирование белков щелевых соединений». Журнал мембранной биологии . 217 (1–3): 43–51. дои : 10.1007/s00232-007-9050-z . ISSN 0022-2631 . ПМИД 17657522 . S2CID 25811352 .
- ^ Jump up to: а б с д Кенсет, Ане; Фикеруд, Тоне; Риведал, Эдгар; Лейт, Эдвард (04 марта 2010 г.). «Регуляция межклеточной коммуникации щелевых соединений с помощью убиквитиновой системы». Сотовая сигнализация . 22 (9): 1267–1273. doi : 10.1016/j.cellsig.2010.03.005 . ПМИД 20206687 .
- ^ Гарсия, Исаак Э.; Санчес, Хельмут А.; Мартинес, Агустин Д.; Ретамал, Маурисио А. (07 октября 2017 г.). «Редокса-опосредованная регуляция белков коннексина; фокус на оксиде азота» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 1860 (1): 91–95. дои : 10.1016/j.bbamem.2017.10.006 . ПМИД 29017810 .
- ^ Jump up to: а б с Лофт-Уилсон, Колорадо; Бийо, М.; Джонстон, СР; Штрауб, AC; Исаксон, Бельгия (28 июля 2011 г.). «Взаимодействие между передачей сигналов оксида азота и щелевыми соединениями: влияние на функцию сосудов» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 1818 (8): 1895–1902. дои : 10.1016/j.bbamem.2011.07.031 . ПМК 3229654 . ПМИД 21835160 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Нурман, Мартье; ван дер Хейден, Марсель АГ; ван Вин, Toon AB; Кокс, Моник GPJ; Хауэр, Ричард Н.В.; де Баккер, Жак М.Т.; ван Риен, Гарольд В.М. (1 апреля 2009 г.). «Сердечные межклеточные соединения в здоровье и болезни: электрическая и механическая связь». Журнал молекулярной и клеточной кардиологии . 47 (1): 23–31. дои : 10.1016/j.yjmcc.2009.03.016 . ПМИД 19344726 .
- ^ Jump up to: а б с Эрнандес-Герра, Мануэль; Хаджиамби, Анна; Джалан, Раджив (29 декабря 2018 г.). «Щелевые соединения при заболеваниях печени: значение для патогенеза и терапии» . Журнал гепатологии . 70 (4): 759–772. дои : 10.1016/j.jhep.2018.12.023 . ПМИД 30599172 .
- ^ Jump up to: а б с д и Вонг, Джереми; Чопра, Жасмин; Чан, Лоррейн Лок Винг; Лю, Тонг; Эй, Джеффри; Ву, Уильям К.К.; Це, Гэри; Вонг, Санни Хэй (15 февраля 2019 г.). «Роль коннексинов при желудочно-кишечных заболеваниях» . Журнал молекулярной биологии . 431 (4): 643–652. дои : 10.1016/j.jmb.2019.01.007 . ISSN 0022-2836 . ПМИД 30639409 . S2CID 58626359 .