БИОФИЗИКА, 2011, том 56, вып. 3, с. 481-488
БИОФИЗИКА КЛЕТКИ= =
УДК 576.52
МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ КАНАЛЫ У ЖИВОТНЫХ
2011 г. Ю.В. Панчин
Институт проблем передачи информации РАН, 127994, Москва, Большой Каретный переулок, 19;
Институт физико-xимической биологии им. А .Н. Белозерского Московского государственного университета
им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Воробьевы горы, 1
E-mail: урапсЫи@уакоо.сот
Поступила в p едакцию 20.09.10 г.
Рассмотрены щелевые контакты, играющие сходную p оль у всех многоклеточных животных. Эту функцию обеспечивают два неродственных семейства белков - коннексины, найденные только у хордовых, и паннексины, представленные в геномах и хордовых и беспозвоночных животных. Результаты анализа геномов разных организмов, прочитанных в последнее время, свидетельствуют о наличии существенных исключений из этой упрощенной схемы. Предполагается, что геном хордового животного ланцетника содержит только паннексины и лишен коннексинов. На основании новых данных предположено, что некоторые многоклеточные организмы не имеют ни коннексинов ни паннексинов и могут использовать другие, пока не найденные белки для формирования щелевых контактов.
Ключевые слова: щелевые контакты, коннексины, паннексины, межклеточные каналы.
Существуют два фундаментально различных пути межклеточного взаимодействия: секреция молекул (гормоны, медиаторы) во внеклеточную ср еду и формирование непр ерывных каналов, которые непосредственно соединяют цитоплазму двух клеток [1]. У многоклеточных животных (Ме1агоа) такие межклеточные каналы построены из белковых молекул (белков щелевых контактов (ЩК)). (У ра стений и грибов межклеточные каналы тоже существуют, но они представляют собой цитоплазматиче-ские мостики, образованные мембраной клеток, и называются плазмодесмами и септальными порами). Когда коннексины были идентифицированы как молекулярные компоненты ЩК у позвоночных, ситуация представлялась про -стой: одно белковое семейство для одной функции, для формирования каналов, соединяющих цитоплазму двух соседних клеток. Недавно выяснилось, что в эту функцию вовлечены два различных семейства белков - коннексины и паннексины [2]. Паннексины получили свое название с учетом их предполагаемого присутствия у всех многоклеточных животных Ме1агоа (в отличие от коннексинов, специфичных только для хордовых). На основании новых данных мы предполагаем, что некоторые Ме1агоа не имеют ни коннексинов, ни паннексинов и могут использовать другие, пока не найденные белки для формирования ЩК. Белки ЩК, включаю-
Сокращение: ЩК - щелевые контакты.
щие в настоящий момент коннексины и открытые нами паннексины, кодируются большими и важными группами генов. Число статей, посвященных ЩК, в международной базе данных PubMed составляет 11546, им посвящены 83 раздела в базе данных OMIM (Online Mendelian ¡пИегкапсе in Man), в базе NCBI аннотировано 2220 белков. Для 23 генов ЩК человека выявлено большое число мутаций, важных для медицины. В данном обзоре мы показываем, что разнообр азие типов таких белков и их функций существенно выше, чем это принято сейчас. До недавнего вр емени считалось, что все ЩК человека и других позвоночных состоят из белков одного семейства - коннексинов. Открытие нами нового семейства белков, ответственных за формирование ЩК у человека, и возможность существования еще неизвестных семейств белков ЩК требуют аккуратного пересмотра деталей клеточных механизмов и патологий, связанных с межклеточными каналами (см. также обзоры [3-5]). Обсуждены дополнительные функции паннексинов, не связанные прямо с формированием ЩК, и показано, что паннек-сины, вероятно, играют много ролей в физиологии клеток и тканей. До недавнего времени считалось, что главная функция белков ЩК состоит в формировании единого сквозного канала между клетками из двух полуканалов («he-michannels»). Однако выяснилось, что помимо создания ЩК полуканалы и коннексинов и паннексинов (называемые соответственно кон-
нексонами (соппехоп8) или паннексонами (рап-пехош) [6-8] могут функционир овать в мембра -не одной клетки аналогично обычным ионным каналам. Способность паннексонов к индуцированному внеклеточным АТФ выбросу внутриклеточного АТФ и их нечувствительность к повышению концентрации Са2+ в диапазоне физиологических значений позволили предпо-ложить, что они играют ключевую роль в генерации р аспр остраняющейся кальциевой волны, вазодилатации, инициации воспалительного ответа [9] и ишемической смерти нейронов [10,11]. Важность изучения паннексинов была недавно поддержана демонстрацией потенциальной роли паннексина (Рапх1) в раковой супрессии [12].
МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ КАНАЛЫ И ЩЕЛЕВЫЕ КОНТАКТЫ
Основой для открытия щелевых контактов послужило обнаружение электрической связи между контактирующими клетками. Важнейшую роль в дальнейших исследованиях межклеточных каналов сыграли два разных экспериментальных подхода: электрофизиологические измерения межклеточной связи и эксперименты с использованием красителя, показавшие, что небольшие молекулы флуоресцентных кра сителей, инъецированные в одну клетку, могут проникать в соседние клетки [13-16]. Таким образом, на многих как позвоночных, так и беспозвоночных животных были получены экспериментальные данные о ЩК, включающие результаты исследования многих типов клеток и тканей. Щелевые контакты распространены очень широко. Например, в тканях человека ЩК не имеют только клетки взро слой скелетной мускулатуры (слившиеся в многоядерные синцитии) и некоторые плавающие клетки кро -ви [13]. Из проведенных работ следовало, что ЩК позвоночных и беспозвоночных животных имеют сходный размер поры, сходные электрические характеристики и чувствительность к фармакологическим агентам [6,15,17]. Задолго до того, как гены белков ЩК были найдены и клонированы, молекулярная структура канала ЩК была предсказана на основе опытов с дифракцией рентгеновских лучей и использованием электронной микроскопии [18,19]. Со -гласно предложенной модели полуканал ЩК (ЬешкЬаппе1) сформир ован из шести белковых субъединиц, которые обр азуют структуру, имеющую форму бублика. Полный действующий канал формируется из пары противостоящих «бубликов», расположенных в мембранах соседних клеток. Данные работы велись пре-
имущественно на позввоночных. Предложенный межклеточный канал был назван коннек-соном, а составляющие его гипотетические белки - коннексинами. Результаты, полученные в работах последних лет подтвердили эту модель для каналов, состоящих из коннексинов, описанных в следующем разделе [20].
КОННЕКСИНЫ
Коннексины были идентифицированы как молекулярные компоненты ЩК позвоночных более 20 лет назад. Первая последовательность кДНК коннексина была клонирована и секве-нирована в 1986 г. [21]. Вскоре были найдены еще несколько сходных молекул этого мульти-генного семейства [22]. Знание нуклеотидной последовательности, кодирующей коннексин, позволило выяснить аминокислотную последовательность этого белка и предсказать его структуру. Каждая молекула коннексина содержит четыре трансмембранных домена, две экстраклеточные петли выходят наружу из клетки, а еще одна петля и С- и К-терминали находятся в цитоплазме. Шесть таких молекул собираются вместе, образуя полуканал, расположенный в мембране клетки [21,23]. Такая структура подтверждена последними рентгеноструктурными исследованиями [20]. Важнейшую роль в доказательстве того, что клонированные гены кон-нексинов действительно способны к формиро -ванию межклеточных контактов, сыграл метод гетерологической экспрессии генов щелевых контактов в парах ооцитов ксенопуса, предло-женный в 1987 г. [24]. Этот метод является одним из основных методов исследования генов щелевых контактов. Суть его состоит в том, что РНК предполагаемого гена щелевого контакта вводится с помощью микроинъекции в ооциты ксенопуса, после чего такие ооциты составляются парами. Считается, что экспрессия собственных генов щелевых контактов в ооцитах незначительна, поэтому после составления их парами щелевые контакты между клетками не образуются. Введение синтетической РНК приводит к трансляции белков щелевых контактов и формированию межклеточных каналов, наличие которых может быть детектировано в электрофизиологическом эксперименте. Для этого в каждый ооцит вводятся два микроэлектрода, что позволяет инъецировать импульс тока в любой из ооцитов и измерять вызванное им отклонение потенциала [24-26]. В настоящее время большое количество кон-нексинов обнаружено в геномах и транскрип-томах р азнообразных позвоночных [6,22,27,28].
У человека найдены 23 коннексина, и многие из них подробно изучены.
ПАННЕКСИНЫ
После открытия коннексинов [21,29] многочисленные попытки найти сходные молекулы у беспозвоночных не имели успеха, и в итоге было предложено, что ЩК беспозвоночных со -стоят из белков, не родственных коннексинам. Это семейство белков получило название OPUS [30]. П р едполагалось, что это семейство специфично для беспозвоночных и его переименовали в иннексины (innexins - invertebrate analog of ^nnexins) [31]. Когда мы нашли гомологи ин-нексинов у позвоночных, было пр едложено объединить иннексины с их гомологами из позвоночных в единое семейство паннексинов [2,3,32]. Способность паннексинов беспозвоночных формировать межклеточные каналы была подтверждена в экспериментах с гетерологической экспрессией в парах ооцитов ксенопуса [31]. Гомология паннексинов позвоночных и беспозвоночных (иннексинов) очевидна, важно было выяснить, совпадают ли их функции, способны ли они формировать полуканалы и межклеточные каналы. Хотя коннексины и паннексины не родственны, они, тем не менее, имеют общие черты. Все известные белки ЩК и у позвоночных и у беспозвоночных имеют сходную структуру, включающую четыре трансмембранных домена, разделенных двумя экстраклеточными петлями и одной внутриклеточной петлей, и фланкированы внутриклеточными амино- (NH2) и кар бокси- (COOH) терминалями. Так же как и др угие белки ЩК, все три паннексина PANX1, PANX2 и PANX3 содержат по четыре трансмембранных домена и набор консервативных цистеинов [3,32,33]. Это структурное сходство было одним из наших
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.