Хлорные канальцы |
|
---|---|
Chloride channels of intracellular organelles Qais Al-Awqati Current Opinion in Cell Biology 1995, 7 No. 4:504-508. |
CFcystic fibrosis; CFTRcystic fibrosis transmembrane conductance regulator; DIDS4,4'-diisothiocyanostilbene-2,2'-disulfonic acid; ERendoplasmic reticulum; NPPBN(propylphenol)-2-5-nitroanthranilic acid; TGNtrans-Golgi network. Два класса каналов non-ligand-gated были секвенированы, CFTR и ClC семейство. CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator; (неуклюжее название)
Science 1989, 245: 10661073. Molecular mechanisms of CFTR chloride channel dysfunction in cystic fibrosis. Cell 1993, 73: 12511254. The cystic fibrosis transmembrane conductance regulator is a dual ATP and chloride channel. J Biol Chem 1994, 269: 2058420591. CFTR regulates an outwardly rectifying Cl - channel through an autocrine mechanism involving ATP. Cell 1995, in press. Cell biological mechanisms of multidrug resistance in tumors. Proc Natl Acad Sci USA 1994, 91: 34973504. P-glycoprotein expression in classical multi-drug resistant leukaemia cells does not correlate with enhanced chloride channel activity. Clin Exp Pharmacol Physiol 1994, 21: 101108. Molecular physiology of voltage-gated chloride channels. Physiol Rev 1994, 74: 813827. Low single channel conductance of the major skeletal muscle chloride channel, ClC-1. Biophys J 1994, 66: 149152. Multimeric structure of ClC-1 chloride channel revealed by mutations in dominant myotonia congenita (Thomsen). EMBO J 1994, 13: 737743. The skeletal muscle chloride channel in dominant and recessive human myotonia. Science 1992, 257: 797800. Two highly homologous members of the C1C chloride channel family in both rat and human kidney. Proc Natl Acad Sci USA 1994, 91: 69436947. Localization and functional characterization of rat kidney-specific chloride channel, ClC-K1. J Clin Invest 1995, 95: 104113. Vasopressin stimulates Cl- transport in ascending thin limbs of Henle's loop in hamster. J Clin Invest 1995, 95: 16231627. Purification, reconstitution and subunit composition of a voltage-gated chloride channel from Torpedo electroplax. Biochemistry 1994, 33: 1318913198. Purification and functional reconstitution of the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR). Cell 1992, 68: 809818. New mammalian chloride channel identified by expression cloning. Nature 1992, 356: 238241. Molecular characterization of a swelling-induced chloride conductance regulatory protein, pICln. Cell 1994, 76: 439-448. Molecular cloning and characterization of p64, a chloride channel protein from kidney microsomes. J Biol Chem 1993, 268: 1494814955. Phospholemman expression induces a hyperpolarization-activated chloride current in Xenopus oocytes. J Biol Chem 1992, 267: 1455114554. Hyperpolarization-activated chloride currents in Xenopus oocytes. J Gen Physiol 1994, 103: 217230. The protein IsK is a dual activator of K + and Cl - channels. Nature 1993, 365: 850852. Functional reconstitution of a chloride channel protein from bovine trachea. J Biol Chem 1992, 267: 2063020637. Chloride channels. Curr Top Membr 1994, 42: 1354. Mechanism of chloride- dependent release of Ca 2+ in the sarcoplasmic reticulum of rabbit skeletal muscle. Biophys J 1994, 67: 751765. Analysis of a novel double-barreled anion channel from rat liver rough endoplasmic reticulum. Biophys J 1994, 67: 590602. Anion channels in giant liposomes made of endoplasmic reticulum vesicles from rat exocrine pancreas. J Membr Biol 1988, 104: 275282. A protein-conducting channel in the endoplasmic reticulum. Cell 1991, 65: 371380. Signal peptides open protein-conducting channels in E. coli. Cell 1992, 69: 677684. Golgi membranes contain an electrogenic H + pump in parallel to a Cl conductance. J Cell Biol 1983, 97: 13031308. Visualization of acidic organelles in intact cells by electron microscopy. Proc Natl Acad Sci USA 1984, 81: 48384842. Vesicles and cisternae of thetrans-Golgi apparatus of human fibroblasts are acidic compartments. Cell 1985, 40: 635643. Defective acidification of intracellular organelles in cystic fibrosis. Nature 1991, 352: 7073. Defective acidification of the biosynthetic pathway in cystic fibrosis. J Cell Sci 1993, 17(suppl): 229233. Heterologous expression of delta F508 CFTR results in decreased sialylation of membrane glycoconjugates. Am J Physiol 1994, 266: C360C366. Many pulmonary pathogenic bacteria bind specifically to carbohydrate sequence GalNAcbeta;1-4Gal found in some glycolipids. Proc Natl Acad Sci USA 1988, 85: 61576161. Cystic fibrosis epithelial cells have a receptor for pathogenic bacteria on their apical surface. Proc Natl Acad Sci USA 1995, 92: 30193023. Localization of cystic fibrosis transmembrane conductance regulator in chloride secretory epithelia. J Clin Invest 1992, 89: 339349. Defective intracellular transport and processing of CFTR is the molecular basis of most cystic fibrosis. Cell 1990, 63: 827834. Regulation of endocytic trafficking and acidification are independent of the cystic fibrosis transmembrane regulator. J Biol Chem 1994, 269: 53365345. Transferrin receptor polarity and recycling accuracy in 'tight' and 'leaky' strains of Madin-Darby canine kidney cells. J Cell Biol 1986, 103: 17671779. Proteolytic cleavage of ricin A chain in endosomal vesicles. Evidence for the action of endosomal proteases at both neutral and acidic pH. J Biol Chem 1991, 266: 2209122095. ATP-dependent translocation of ricin across the membrane of purified endosomes. J Biol Chem 1993, 268: 2366123669. Ricin intoxicates End4 mutants that have an aberrant Golgi complex. J Biol Chem 1993, 268: 1993919942. Estimation of the amount of internalized ricin that reaches the trans-Golgi network. J Cell Biol 1988, 106: 253267. Functional CFTR in endosomal compartment of CFTR-expressing fibroblasts and T84 cells. Am J Physiol 1994, 266: C149C156. Rapid endocytosis of the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator chloride channel. Proc Natl Acad Sci USA 1994, 91: 51925196. Effect of cAMP on intracellular and extracellular ATP content of Cl - secreting epithelia and 3T3 fibroblasts. J Biol Chem 1994, 269: 1785317857. Defective regulation of outwardly rectifying Cl- channels by protein kinase A corrected by insertion of CFTR. Nature 1992, 358: 581584. Volume-regulated chloride channels associated with the human multidrug-resistance P-glycoprotein. Nature 1992, 355: 830833. The multidrug resistance (mdr1) gene product functions as an ATP channel. Proc Natl Acad Sci USA 1993, 90: 312316. |
[1],ATФ-регулируемые цAMФ активируемые Cl- каналы локализуются на апикальных мембранах многих секреторных эпителиальных клеток[2].Этот CFTR является также регулятором, CFTR транспортирует ATФ к наружной поверхности секреторной эпителиальной клетки [3], при этом активируются наружу очищающиеся Cl- каналы [4].Идентификация CFTR как члена семейства ATP-binding cassette (ABC) транспортеров стимулировала новый уровень вопросов о белках резистентности ко многим лекарствам mdr, ближайшем родственнике CFTR у млекопитающих. Было предположено, что mdr сам является Cl- каналом (а также транспортером многих лекарств) [5],однако высказаны определенные сомнения относительно этой функции [6]. ClC-0 это чувствительные к напряжению Cl- каналы, впервые идентифицированы в Torpedo электрическом органе, его гомологи в мышцах, почках и др. органах[7]. Мутации в ClC-1, канальцах скелетнчх мышц, ответственны за патогенез класса болезней, миотоний (характеризующихся гипервозбудимостью мышечных мембран и сопутствующими трудностями в реляксации мышц после приступа; [8][9][10]). В почках один канал , ClC-K1, экспрессируется исключительно в тонком восходящем плече петли Henle [11][12] , предполгается что он м.б. ответственнен за высокую проницаемость NaCl в этом участке. Наблюдение, что vasopressin увеличивает проницаемость Cl - на этом участке позволяет предположить, что что эти каналы необходимы для увеличения до максимума концентрации солей в medulla с помощью системы counter-current multiplication [13]. Роль другого специфичного для почек канала , ClC-K2 [11], все еще неясна, но, по-видмому, экспрессируется во многих сегментах нефрона. CFTR и ClC-0 удовлетворяют всем критериям канальцев[1][2][7][14][15]. Гомологи ClC в мышцах и почках также м.рассматриваться как Cl - канальцы, хотя они и не удовлетворяют всем критериям. pICln, кДНК, полученная MadinDarby из эпителиальных клеток почек собак, которая индуцирует outwardly rectifying Cl - ток при экспрессии в ооцитах Xenopus [16]. Токи ингибировались внешними ATP, DIDS и NPPB. Аминокислотные последовательности не обнаруживают трансмембранных доменов, предполагается, что это цитоплазматический белок, регулятор Cl - каналов [17]. Клонирована кДНК [18] с помощью антител против 64 kDa белка из почечных микросом, p64, элюированных с иншибиторами Cl - канальцев IAA-94. Эти иммуноантитела ослаблаяют растворимые мембраны Cl - channel activity; тогда как белок остается в endoplasmic reticulum (ER), когда экспрессируется в ооцитах, и его функция Cl - канала все еще нуждается в доказательствах [18].Экспрессия phospholemman, a 15 kDa кардиального сарколеммного белка, также продуцирует Cl - ток в ооцитах Xenopus [19]; однако, он скорее всего регулятор, так как ооциты содержат эндогенную проводимость Cl - со свойствами, сходными с теми, что индуцируются phospholemman [20][21]. Benos и др.[22] очищали белок из трахей, который реконструирует Cl - канальцы. Другие Cl- канальцы охарактеризованы физиологически и фармакологически, но для них мало молекулятрной информации [23]. Хлоридные канальцы внутриклеточных органелл Большинство Cl - каналов присутствует в плазматических мембранах (оболочках). В большинстве внутриклеточных органелл также присутствуют Cl - каналы, выявляемые по физиологическим и морфологическим критериям.
В случае CFTR ясно, что трансэпителиальный транспорт обеспечивается открытыми каналами, тогда как в случае ClC-1 открытый канал контролирует мембранный потенциал миоцитов. Какова функция Cl - каналов во внутриклеточных? Транспорт метаболически важных анионов (иных чем Cl - таких как pyruvate) м.б. скорее всего функцией porin channels митохондрий и хлоропластов. В других органеллах chemi-osmotic купирование (coupling) м. обеспечиваться посредстом Cl - проводимости мембран, в которых Cl - каналы действуют для dissipate (or generate) потенциал мембран, так что и другие ионы м. накапливаться или устраняться. Роль Cl - каналов в транспорте Ca 2+ и H + обсуждается ниже.
Sarcoplasmic reticulum Известно, что высвобождение Ca 2+ из саркоплазматического ретикулёма является хлор-зависимым. Механизм, вытекающий из компенсации charge для Ca 2+ транспорта через ryanodine рецепторы;однако установлено, что [24] имеются два пути высвобождения Ca 2+, один через ryanodine каналы и другой через poorly selective Cl - каналы. Эти процессы неаддитивны, оба типа канальцев присутствуют в одних и тех же пузырьках. Включение этих мембрна в planar липидный двухслой позволяет присутствовать анионным канальцам с перепадом проводимости примерно в 200 pS, которая снижается на 50 pS при отрицательном voltages. Избирательное соотношение Cl/Ca 2+ примерно равно 3:1. Ruthenium red и clofibrate блокируют канл, но procaine, DIDS, 9-AC, diphenyl aminocarboxylate или niflumic кислота не оказывают влияния. Это противоречит предположению о роли Cl - канальцев в облегчении efflux of calcium через ryanodine рецепторы путем компенсации заряда; однако, почему Cl - способствует высвобождению Ca 2+ остается загадкой. Sukhareva et al. [24] предложили сложную plug модель, где Cl - устраняет (knocks off) крупные анионы, которые закупоривают Cl - каналы, позволяя Ca 2+ (и возможно Cl - ) выходить. Возможно, что Cl - оказывают кинетические эффекты по стабилизации открытого состояния.
Endoplasmic reticulum Включение пузырьков грубого ER, которое поставляет рибосомы в vesicles that have been stripped of ribosomes into planar липидный двуслой приводит к появлению Cl - каналов с двумя состояниями проводимости в 160 pS и 320 pS [25]. Обнаруживается четкий переход от закрытого состояния (160 pS) к состоянию с проводимостью 320 pS без прохождения промежуточных состояний. Предполагается, что каналы состоят из двух мономерных субъединиц с классическим 'double-barreled' поведением, впервые обнаруженным в Torpedoelectroplax Cl - channel (CLC-0). Double-barreled каналы являются двойными каналами с идентичной проводимостью из двух мономеров, ассоциированных вместе как димеры; их кинетика открытия и закрытия полностью независима друг от друга. Каналы ER отличаются от ClC-0 в нескольких отношениях, однако: проводимость через одиночный канал (single-channel conductances) выше, по крайней мере, в 20 раз, а запирающие (gating) характеристики двух каналов отличаются существенно в отношении полярности и величины, указывая что запирающие заряды, ответственные за это поведение отличаются фундаментально. Функция таких каналов в грубом ER неизвестна. В поджелудочной железе крыс ER включается в лигантские липосомы, содержащие анионовые каналы с унитарной проводимостью 260 pS, которая строго регулируется волтажом (voltage) [26]. Они, однако, не обладают double-barreled поведением и фунлдаметально отличаются от описанных выше. Предполагается[26], что эти канальцы функционируют как переносчика зарядов, облегчая поступление Ca 2+ в органеллы. Реконструкция грубого ER в двуслой позволила идентифицировать ряд disparate каналов, и пока все еще неясно какие из них функциональны в интактных клетках. Основная функция ER - транспорт секретируемых и мембранных белков и вставка их посредством каналов, которые проводят возникающие пептиды. Белок-проводящие каналы имеют большое число subconductance состояний и закрываются salt-зависимым способом с помощью рибосом и пептидов [27][28].
Основная функция Cl - каналов в Golgi это регуляция pH trans-Golgi and trans-Golgi network (TGN) [29]. pH Golgi важна для ряда важных функций, включая регуляцию сиалирования (sialylation) и sulfation, а также вывод пузырьков из TGN. Пузырьки богаты galactosyl transferase (i.e. trans-Golgi vesicles) содержат H + ATPase , которая находится в параллели с Cl - каналами [29]. Удаление ambient Cl - снижает кислотность (acidification) из-за развития мембранного потенциала, positive inside. Так как H + ATPase является электрогенной, то присутствие неблагоприятного (unfavorable) градиента зарядов будет снижать ее скорость накачки, что поведет к снижению acidification. Молекулярная природа этих Cl - каналов неизвестна, но все Cl - каналы (будучи мембранными белками) проходят сборку в Golgi и вероятно, что их особенности отличны в разных типах клеток. Для шунтирования везикулярной мембраны генерируется электрический потенциал с помощью H + ATPase с числом обмена 102 H + sec-1, одиночный Cl - канал (turnover of >107) нуждается для своего открытия лишь в незначительной фракции времени. Опубликованные работы по Golgi [30][31][32] указывают на наличие слабых оснований (bases), которые позволяют 'equilibrate' , а затем фиксировать in situ и анализировать с помощью электронной микроскопии. Нельзя измерить Golgi pH в живых клетках. Role of CFTR in organellar acidification Использование DAMP (слабого основания, которое накапливается в кислом компартменте и м.б. зафиксировано glutaraldehyde) указывает на то, что клетеки респираторного эпителия с отсутствием фугкциональных CFTR неспособны ацидифицировать Golgi [32]. Возможно, CFTR являются Golgi Cl - каналами в этих клетках. Известно, что CFTR являются также транспортерами ATP, возможно, что они регулируют АТФ-чувствительные каналы, которые обеспечивают компенсацию зарядов. Накопление DAMP в пузырьках Golgi в эпителиальных клетках в норме и при cystic fibrosis (CF) показывает, что пузырьки в области TGN менее ацидифицированы. Тогда как терминальная sialylation вtrans-Golgi обеспечивается энзимами с кислым pH оптимумом (2,6 sialyl transferase), то sulfotransferase не является pH-зависимой, в таком случае аномальная ацидификация Golgi должна вызывать снижение sialylation гликопротеинов и гликолипидов и увеличивать sulfation [33]. Такое аномальное гликощзилирование обнаруживается в секрете CF mucus . Неизвестные белки, секретируемые CF клетками, все undersialyated. Избыточная экспрессия мутантного CFTR в фибробластах снижает sialylation поверхностных гликопротеинов этих клеток, тогда как клетки трансфицированные CFTR дикого типа имеют нормальную sialylation [34]. Следовательно. дефекты CFTR вызывают снижение sialylation и усиление sulfation как в культивируемых клетках, так и человеческих секретах.
Снижение sialylation of glycolipids в CF клетках ведет к накоплению asialo-gangliosides [32][33].Некоторые патогенные бактерии связывают asialo-сахара in vitro [35]. Это объясняет высокий уровень колонизации CF респираторного эпителия Pseudomonas aeruginosa иStaphylococcus aureus. В клиническом синдроме CF превалирует инициальная колонизация, сопровждаемая респираторными инфекциями этими двумя организмами. Очевидно, что снижение секреции жидкости легкими как следствие дефекта Cl - каналов апикальных мембран эпителиальных клеток легких ведет к прямой инфекции этими, а не другими более распространенными патогенами. Показано, что эпителиальные клетки CF связываются с этими организмами своими апикальными мембранами обратимым способом[36]. Два микроорганизма м. замещать один другого, т.е. связываются с одними и теми же рецепторами. Антитела к asialo-ganglioside asialo-GM1 предупреждают связываение бактерий с апикальными мембранами и устараняют уже соединившиеся. Наконец, tetrasaccharide of asialo-GM1 (Gal β1-3GalNAcβ1-4Galβ1-4Glc) способен эффективно конкурировать с бактериями за места связывания. Следовательно, дефект sialylation связан с апикальным биосинтетическим путем[37]. Основная мутация CFTR гена при CF, δF508, вызывает задержку белков у ER, предупреждая их транспортировку в Golgi и апикальный компартмент [38]. Очевидно, что их отсутствие прямо влияет на функцию, связанную с апикальным скорее, чем с базолатеральным компартментом. Роль CFTR в acidification внутриклеточных органелл изучалась Dunn et al. [39], которые измеряли pH transferrin-содержащих эндосом в эпителиальных клетках и не обнаружили различия между CF и нормально функционирующими CFTR. Рециклинг transferrin происходит только в базолатеральной части мембраны в эпителии [40], поэтому эта находка не является неожиданной. Авторы [39]обнаружили, что CF и нормальные эпителиальные клетки одинаково чувствительны к растительному токсину ricin и пришли к выводу, что Golgi acidification одинакова в обоих типах клеток. Ни протеолиз [41], ни пенетрация [42] ricin в цитоплазму, по-видмому, pH-независимы ни in vivo ни in vitro [43][44]; очевидно, что использование этого критерия курьезно. Biwersi and Verkman [45] экспрессировали CFTR в гетерологических клетках и проверяли эффект трансфекции на эндосомный pH. Активация CFTR с помощью цАМФ существенно редуцировала pH, но эти изменения не были физиологически значимыми. Являются ли CFTR the Cl - каналы апикальными эндосомами? [46]. Установлено, что CFTR интернализуются из апикальных мембран T84 клеток (human colon carcinoma epithelial cells) в recycling эндосомы. |