НЕЙРОХИМИЯ, 2009, том 26, № 1, с. 5-18
= ОБЗОРЫ
УДК 572.788:577.151.6
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НЕЙРОНАЛЬНЫХ СЕРОТОНИНОВЫХ РЕЦЕПТОРОВ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ИХ СОПРЯЖЕНИЯ С О-БЕЛКАМИ
© 2009 г. А. О. Шпаков
Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН, лаборатория молекулярной эндокринологии, Санкт-Петербург
Представлены данные о структурно-функциональной организации различных типов серотонино-вых рецепторов, их локализации в нервной системе и роли в регуляции физиологических функций и в развитии психических заболеваний. Подробно проанализированы молекулярные механизмы функционального взаимодействия серотониновых рецепторов с гетеротримерными О-белками, а также сигнальные каскады, запускаемые в результате такого взаимодействия. С помощью сравнительного анализа первичных структур в третьих цитоплазматических петлях серотониновых рецепторов выявлены участки, ответственные за их сопряжение с О-белками и активацию эффекторных систем клетки. Систематизированы данные о структуре и функциях серотониновых рецепторов, обнаруженных в нервной ткани беспозвоночных животных. Сделан вывод о происхождении серотониновых рецепторов на ранних этапах эволюции гормоночувствительных сигнальных систем эука-риот.
Ключевые слова: серотониновыйрецептор, гетеротримерный О-белок, серотонин, цитоплазма-тическая петля, аденилатциклаза, фосфолипаза С, нервная система.
Список принятых сокращений: 5-ИТ-Р - серотониновый (5-гидрокситриптаминовый) рецептор; ОРСЯ - рецептор, сопряженный с О-белками; ЦП - цитоплазматическая петля; К- и С-ЦП-3 - К- и С-концевые участки третьей цитоплазматической петли; СКД - С-концевой домен; АКО - аминокислотный остаток; АЦ - аденилатциклаза; МАПК- митоген-активируемая протеинкиназа; ТМ -трансмембранный участок.
ВВЕДЕНИЕ
В геноме человека выявлены 18 генов, кодирующих серотониновые (5-гидрокситриптамино-вые) рецепторы (5-HT-P), которые образуют два семейства. Одно из них представлено серотонино-выми рецепторами 3-го типа (5-HT3-P), которые относятся к ионотропным рецепторам и имеют структуру, типичную для ионных каналов. Другое семейство включает все остальные 5-HT-P, которые по своей структурно-функциональной организации относятся к рецепторам серпантинного типа, семь раз пронизывающим мембрану, и сопряжены с гетеротримерными G-белками (GPCR). 5-HT-P серпантинного типа, в зависимости от G-белка, с которым они функционально сопряжены, подразделяют на четыре группы: (1) 5-HT1A-P, 5-HT1B-P, 5-HT1d-P, 5-HT1e-P и 5-HT1F-P, сопряженные с G^-белками; (2) 5-Ht2A-P, 5-HT2B-P и 5-HT2C-P, сопряженные с Gq/п-белками; (3)
Адресат для корреспонденции: 194223, Санкт-Петербург, пр. Тореза, 44, тел.: (812) 552-31-17, e-mail: alex_shpakov@list.ru
5-НТ4-Р, 5-НТ6-Р и 5-НТ7-Р, сопряженные с выбелками; (4) 5-НТ5А-Р и 5-НТ5в-Р, сопряженные как с вУо-, так и с О„/1Гбелками [1]. Следует отметить, что 5-НТ2С-Р, 5-НТ4-Р и 5-НТ7-Р могут также активировать в12/13-белки.
Несмотря на то, что экспрессия генов, кодирующих различные 5-НТ-Р, выявлена в периферических тканях (печени, селезенке, матке, кишечнике, почках и др.), наиболее высокий ее уровень наблюдается в нервной ткани и, особенно, в мозге. Сигнальные каскады, которые запускаются через 5-НТ-Р, играют ключевую роль в регуляции множества физиологических функций организма, контролируемых ЦНС, таких как сон, настроение, боль, движение, сексуальная активность, депрессия, тревожность, агрессия, обучение, привыкание [2, 3]. Нарушение функционирования се-ротонинергической системы является одним из ведущих факторов в этиологии многих психических заболеваний - шизофрении, мигрени, депрессии, суицидального поведения, детского аутизма, неврастений, неврозов навязчивых состояний, а также болезней, в основе которых ле-
жит нарушение пищевого поведения (нервной анорексии и булимии) [4]. 5-ИТ-Р непосредственно участвуют в формировании психической и физической зависимости от алкоголя, наркотических и психотропных препаратов, являясь, таким образом, одной из главных мишеней для лечения алкоголизма, наркоманий и токсиманий. Важнейшей функцией 5-ИТ-Р является контроль процессов развития, дифференцирования и регенерации нервных клеток [5]. Все вышесказанное свидетельствует о ключевой роли серотонина и 5-ИТ-Р в регуляции широкого спектра функций центральной и периферической нервной систем [6, 7].
Далее наше внимание будет сосредоточено на структурно-функциональной организации 5-ИТ-Р серпантинного типа и на молекулярных механизмах их функционального сопряжения с гетеро-тримерными в-белками. В связи с этим необходимо отметить, что в большинстве вРСИ основные молекулярные детерминанты, ответственные за их взаимодействие с в-белками, локализованы в проксимальных по отношению к мембране К- и С-концевых участках третьей цитоплазматиче-ской петли (К-ЦП-3 и С-ЦП-3), с помощью которых осуществляется как связывание, так и активация в-белков. Во взаимодействие с в-белками также вовлечены проксимальные к мембране участки второй цитоплазматической петли (ЦП-2) и ориентированного в цитоплазму С-концевого домена (СКД). Однако функции этих участков обычно ограничены связыванием в-белка или фиксацией ЦП-3 рецептора в конформации, оптимальной для его эффективного взаимодействия с в-белком.
СЕРОТОНИНОВЫЕ (5-ГИДРОКСИТРИПТАМИНОВЫЕ)
РЕЦЕПТОРЫ 1А-ПОДТИПА (5-ИТ1А-Р)
Высокая плотность 5-ИТ1А-Р выявлена в лим-бической области мозга [8]. Эти рецепторы расположены на телах и дендритах серотониновых нейронов ядер шва (соматодендритные ауторе-цепторы) и постсинаптически на дендритах пирамидальных и гранулярных клеток гиппокампа и коры переднего мозга [9]. Через посредство 5-ИТ1А-Р осуществляется контроль настроения и сексуального поведения, регулируется сердечнососудистая система. Важную роль эти рецепторы играют в развитии реактивных состояний, поскольку блокирование 5-ИТ1А-Р в значительной степени снижает порог тревожности и возбудимости у мышей [8, 10].
5-ИТ1А-Р, как и другие 5-ИТ-Р 1-го типа, функционально сопряжены в основном с в^-белками. Взаимодействие 5-ИТ1А-Р с последними вызывает их диссоциацию на ваг (в случае вгбелка) или вао-субъединицу (в случае во-белка) и вРу-ди-мер, которые запускают в клетке различные сиг-
нальные каскады. вагсубъединица ингибирует активность аденилатциклазы (АЦ), преимущественно 1-го и 8-го типов, что приводит к снижению уровня внутриклеточного цАМФ и ингиби-рованию активности цАМФ-зависимой протеин-киназы А. Следствием этого является изменение функциональной активности регулируемых про-теинкиназой А эффекторных белков - нерецеп-торных тирозинкиназ, относящихся к 8гс-семей-ству, факторов транскрипции СИЕВ, а также малых в-белков Иар-семейства, являющихся активаторами каскада митоген-активируемых протеинкиназ (МАПК). вРу-димер стимулирует активность фосфолипазы С, следствием чего является высвобождение Са2+ из внутриклеточных депо и повышение его концентрации в цитоплазме, что, в свою очередь, ведет к активации проте-инкиназы С, каскада МАПК и Са2+-активируе-мых калиевых каналов. Наряду с этим, вРу-димер ингибирует кальциевые каналы К- и Ь-типов и стимулирует активность АЦ 2-го типа.
Имеющиеся в настоящее время данные свидетельствуют о том, что за функциональное взаимодействие 5-ИТ1А-Р с в^-белками ответственны проксимальные к мембране участки ЦП-2 и ЦП-3 рецептора [11-19]. Еще 15 лет назад было обнаружено, что пептиды, производные ЦП-2 5-ИТ1А-Р, нарушают связывание рецептора с вгбелком и прерывают процесс передачи ингибирующего АЦ серотонинового сигнала, хотя и не способны мимикрировать действие активированного гормоном рецептора на вгбелок [11]. Это указывает на то, что ЦП-2 участвует в формировании связывающей вгбелок поверхности рецептора. В дальнейшем было показано, что ЦП-2 ответственна в основном за связывание рецептора с вРу-димером и, в существенно меньшей степени, с вагсубъединицей [12, 13, 18, 20, 21].
Ключевую роль в сопряжении 5-ИТ1А-Р с вРу-димером играет остаток ТЬг149, локализованный в С-концевой половине ЦП-2, поскольку его замена на другие аминокислотные остатки (АКО) снижает или полностью блокирует взаимодействие мутантного рецептора с вру, не влияя при этом на его взаимодействие с вагсубъединицей. Мутантный рецептор с заменой Т149А с меньшей эффективностью или вовсе не активирует вРу-зависимые сигнальные пути, сохраняя способность ингибировать активность АЦ 1-го типа через посредство вагсубъединицы. Замены ТЬг149 на остатки глицина или аргинина ведут не столько к ослаблению вРу-зависимых сигнальных путей, сколько к их перераспределению. Так 5-ИТ1А-Р с заменой Т149в более эффективно активирует фосфолипазу С в сравнении с АЦ 2-го типа, в то время как для рецептора с заменой Т149И ситуация обратная. Как отмечалось выше, регуляция обоих ферментов осуществляется через посредство вРу-димера.
Нарушение связывания 5-ИТ1А-Р с вру при сохранении сопряжения с ва наблюдается и в случае замен АКО, локализованных ближе к середине ЦП-2 (Б143С и N146А). Построение молекулярной модели ЦП-2 позволило установить, что боковые цепи А8р143, А8П146 и ТЬг149 сближены в пространстве, ориентированы в цитоплазму и образуют вРу-связывающую поверхность рецептора [18]. Следует отметить, что К-концевой участок ЦП-2, который включает БКУ-мотив, высоко консервативный в большинстве вРСИ, необходим для формирования оптимальной для взаимодействия с в^-белком конформации рецептора, но сам во взаимодействие с в-белком не вступает. Подтверждением этого является то, что пептид IALDRYWAITD130-140, соответствующий К-ЦП-2, не влияет на сопряжение 5-ИТ1А-Р с в^-белком [14].
ЦП-3 5-ИТ1А-Р ответственна как за связывание в^-белков, так и за их активацию. Синтетические пептиды, соответствующие К-ЦП-3 и С-ЦП-3 5-ИТ1А-Р, по независимому от рецептора механизму активируют в^-белки, снижают стимулированную форсколином активность АЦ и блокируют ингибирование кальциевых каналов, осуществляемое через 5-ИТ1А-Р [14, 15, 19, 22, 23]. Функционально активными являются даже сравнительно короткие пептиды, содержащие по 8-9 АКО [19]. ЦП-3 5-ИТ1А-Р отличается от ЦП-2 тем, что играет
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.