НЕИРОХИМИЯ, 2010, том 27, № 4, с. 269-279
= ОБЗОРЫ
УДК 612.8+612.8.015
ИНДУЦИРУЕМЫЙ ГИПЕРПОЛЯРИЗАЦИЕЙ 4 ПЕЙСМЕКЕРНЫЙ КАНАЛ В ГОЛОВНОМ МОЗГЕ МЛЕКОПИТАЮЩИХ
© 2010 г. А. С. Базян*, О. Л. Сегал
Учреждение Российской академии наук Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва
В обзоре описывается молекулярная структура активируемого гиперполяризацией цАМФ модулируемого /ь или НСМ пейсмекерного канала. Обсуждается зависимость особенности функционирования канала от субъединичной композиции. Обосновывается точка зрения о том, что источником пик-волновых разрядов при абсансной эпилепсии являются /ь каналы, локализованные в нейронах ретикулярного ядра таламуса и в нейронах пирамидных нейронов 3, 4 и 5 слоя соматосенсорной коры. Описывается роль 1Ъ каналов ретикулярных и корковых нейронов в реализации поведения в ин-тактных условиях.
Ключевые слова: активируемый гиперполяризацией цАМФ модулируемого /ь или ИСИпейсмекерный канал, субъединичная композиция, абсансная эпилепсия, реализация поведения.
Во многих работах показана принципиальная разница между двумя типами генерализованной эпилептической активности; тонико-клонической формой эпилепсией и петит мал или абсансной эпилепсии. Все виды тонико-клонических форм эпилепсии у человека и моделях на животных характеризуются усилением активности синаптических систем возбуждающих аминокислот [1—6] и/или уменьшением активности тормозной ГАМКергической системы [7—11] мозга. Отличие абсансной эпилепсии от тонико-клонических эпилепсии сводится к тому, что с одной стороны абсенсная эпилепсия выявляет усиление или уменьшение при фармакологическом усилении или ингибировании возбуждающей глута-матергической синаптической передачи [12—16], в то же время усиление ГАМКергического торможения усиливает абсансную эпилепсию [17—19].
Следующее принципиальное отличие абсансной эпилепсии от других типов генерализованых эпи-лепсий является профиль эпилептического разряда. Обычно, тонико-клонические эпилептические разряды возникают на гребне возбуждения (рис. 1а). Постепенное нарастание возбуждения доходит до порогового уровня, затем начинают генерироваться эпилептические разряды. Разряд при абсансной эпилепсии принципиально другой. Пик-волновой разряд состоит из тормозной фазы и потенциала действия. Тормозная фаза (рис. 1б, 1) отражается в ЭЭГ как медленная волна. Пик (рис. 1б, 2) отражается возбуждением (потенциал действия) клеток. Пик отдачи развивается в конце этого тормозного периода, и цикл возникает снова и снова [20—23]. Нам известен только один источник, генерирую-
* Адресат для корреспонденции: 117485 Москва, ул. Бутлерова, 5а, e-mail: bazyan@mail.ru.
щий такой тип пик-волновых разрядов: это индуцирующий гиперполяризацией (Д) пейсмекерный канал [24], или Франческо канал (/), названный так в честь его первооткрывателя [25].
ХАРАКТЕРИСТИКА / ИЛИ /„
ПЕЙСМЕКЕРНЫХ КАНАЛОВ
Активируемый гиперполяризацией, регулируемый циклическим нуклеотидом катионный пей-смекерный канал / или /ь лежит в основе спонтанных периодических активаций обнаруженных в сердце (/) и в головном мозге (/,). Известны 4 изо-формы этого канала (Ьурегро1аг12а11оп-асЙуа1её, су-сИе пискоНёе^её - ИСШ-ИСШ) [26-29]. Каналы ИСМ похожи на потенциал-зависимые К+ каналы, они являются тетрамерными и составлены из мономерных субъединиц, состоящих из шести трансмембранных сегментов (81-86) с формирующей пору Р-петлей между 85 и 86 сегментами или доменами [29, 30] (рис. 2). Четыре ИС№ субъединицы совместно объединенные в один канал формируют ИС№ гомомерный канал. Четыре ИС№ субъединицы собранные вместе формируют ИС№ гомомерный канал, и так далее. Различные ИСМ субъединицы могут быть совместно объединены друг с другом и формировать гетеромультиметриче-ский комплекс, значительно увеличивая разнообразие нативных / или /ь каналов [30-32].
Первичный анализ сиквенсов ИСМ каналов [26-30] показывает присутствие в общей сложности пяти эндогенных цистеинов в трансмембранных доменах. Три из них локализованы ближе к внеклеточной стороне. Аминокислотный остаток Су8 в позиции 303 в трансмембранном домене 85, Суз318 в цепочке аминокислотных последовательностей
Рис. 1. Схематическое представление профилей двух типов эпилептических разрядов. (а). Постепенное нарастание возбуждения доходит до порогового уровня, затем начинают генерироваться эпилептические разряды. (б). Пик-волновой разряд индуцируемого гиперполяризацией 1Ь пейсмекерного канала. Он состоит из тормозной фазы и потенциала действия. Тормозная фаза (1) отражается в ЭЭГ как медленная волна. Пик (2) отражается возбуждением (потенциал действия) клеток. Пик отдачи развивается в конце этого тормозного периода, и цикл возникает снова и снова.
C303
C318
C
Рис. 2. Предполагаемая трансмембранная топология HCN каналов. Представлены шесть трансмембранных сегментов (S1—S6) мономерной НС^субъединицы. Пять эндогенных цистеинов находятся в трансмембранных доменах во всех четырех изоформах HCN каналов. Три из этих цистеинов в позиции 303, 318 и 347 (Cys303, Cys318, и Cys347) локализованы ближе к внеклеточной стороне, тогда как остальные два (Cys298 и Cys374), вероятно, ближе к цитоплазматической или к внутренней стороне. Область, связывающая циклический нуклеотид (cyclic nucleotide-binding domain — CNBD) находится на C-терминали. Последовательность аминокислот глицин-тирозин-глицин (GYG — glycine-tyrosine-glycine) между доменами S5 и S6 формирует пору канала.
связывающей 85 и 86, и Суз347 в непосредственной близости к триплету аминокислот глицин-тирозин-глицин (GYG — ^усте^угете-^усте) формирующих пору канала. Тогда как остальные два цистеина ближе к цитоплазматической или внутренней стороне (85 Суз298 и 86 Суз374) (рис. 2). Известно, что
цистеин сульфгидрилен и его редуцированная форма может легко участвовать в химических реакциях (таких как алкилирование, ацилирование и арили-рование) или даже перекрестная связь со вторичным близлежащим цистеином, чтобы сформировать дисульфидный мостик [33, 34]. Эти химиче-
ские реакции важны для совместного объединения субъединиц и формирования канала.
В среднем HCN канал открывается при мембранном потенциале —80 мВ [24]. Но разные субъединицы HCN канала обладают различными свойствами. Например, HCN1 и HCN2 изоформы субъединиц коэкспрессируются в коре головного мозга и в гиппокампе. Они заметно отличаются по своим биофизическим свойствам. Их совместное объединение формирует гетеромультимерные каналы с новыми свойствами [35, 36]. Каналы HCN1 активизируются 5—10 раз быстрее, чем каналы HCN2. Каналы HCN1 активизируются потенциалом на 20 mV положительнее, чем требуется для активации HCN2 канала [35, 36]. Канал HCN1 показывает минимальное изменение в ответ на связывание цАМФ (+4мВ) со специфическим цАМФ связывающим доменом (cyclic nucleotide binding domain — CNBD) на СООН терминали (рис. 2), тогда как HCN2 канал показывает явное изменение (+17 мВ). Коэкс-прессия HCN1 и HCN2 формирование гетеро-мультимерного канала приводит к Ih токам, которые кинетически активизируются по потенциал-зависимому типу и имеют тенденцию приобретать промежуточные свойства относительно HCN1 и HCN2 гомомерных каналов. Коэкспрессируемые гетеромультимерные каналы показывают относительно больший сдвиг на цАМФ (+14 мВ). Ни кинетическая кривая, ни кривая доза—эффект на цАМФ для коэкспрессируемых гетеромультимер-ных Ih каналов не могут быть воспроизведены линейной суммацией независимых популяций HCN1 и HCN2 гомомерных каналов. Эти результаты наиболее просто объясняются формированием гетеро-мультимерных каналов с новыми свойствами [31].
Используя ряд мутаций, были получены несколько химер HCN1 и HCN2 гомомерных каналов в которых были модифицированы NH2 терминаль, трансмембранная область, или различные области COOH терминали, что дало возможность исследовать молекулярные механизмы модулирующего действия цАМФ и определить различия в функциональных свойствах этих двух каналов [35]. Обмен CNBD между HCN1 и HCN2 имеет незначительное влияние на основной воротный механизм, и проявляет довольно скромный эффект на модуляцию цАМФ. Скорее различия в модуляционном эффекте цАМФ зависят от взаимодействия между CNBD и участком цепочки аминокислот (80 аминокислотами), которая связывает последний трансмембранный сегмент (S6) с CNBD. Различия в базаль-ном воротном механизме зависят и от ядра основы трансмембранной области (последовательность аминокислот в S6) и от COOH терминали [35].
Последовательность аминокислот глицин-тирозин-глицин (GYG — glycine-tyrosine-glycine) между доменами S5 и S6 формирует пору канала (рис. 2). Пора формируется этим триплетом аминокислот
всех 4 субъединиц, когда они объединяются в тетра-мерный канал. Этот же триплет аминокислот формирует пору во многих К+ селективных каналах [30]. Но в HCN канале пора проницаема как для ионов К+, так и для ионов Na+. Доказательство того, что несмотря на слабую селективность, триплет аминокислот GYG в позициях 349, 350 и 351 соответственно формирует пору HCN канала была получена целенаправленной мутацией и заменой этих аминокислот (G349, Y350, G351) на аланин (А349, А350, А351) в HCN1 канале. В мутантных каналах наблюдалась интенсивная супрессия активности канала. Этот результат указывает на то, что, несмотря на слабую селективность, триплет аминокислот G349, Y350, G351 формирует пору HCN или Ih канала [30]. Кроме сходства триплета формирующего пору каналов, имеется сходная трансмембранная топология между К+ селективным активируемым деполяризацией каналом и К+ неселективным активируемым гиперполяризацией HCN или Ih каналом, но структурная основа для "перевернутой" потенциал-зависимости HCN воротного механизма не известна. Было показано, что мутация определенных остатков в компоновщике (linker) S4—S5 доменов в HCN2 субъединице (Тир331 и Арг339 и в меньшей степени 1лу324), предотвратила нормальное закрытие канала, по-видимому, разрушением ключевого взаимодействия при активации ворот [36]. Была выдвинута гипотеза [37], что C-компо-новщик, карбоксильный край сегмента, который соединяет S6 домен с циклический нуклеотид связ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.