Посещений:
Каналопатии

Механизмы

Ion channels: Function unravelled by dysfunction
Thomas J. Jentsch, Christian A. Hubner& Jens C. Fuhrmann
Nature Cell Biology  6, 1039 - 1047 (2004)
doi:10.1038/ncb1104-1039

Оригинал

Ion channels allow the passage of specific ions and electrical charge. Plasma membrane channels are, for example, important for electrical excitability and transepithelial transport, whereas intracellular channels have roles in acidifying endosomes or in releasing Ca2+ from stores. The function of several channels emerged from mutations in humans or mice. The resulting phenotypes include kidney stones resulting from impaired endocytosis, hypertension, defective insulin secretion, cardiac arrhythmias, neurological diseases like epilepsy or deafness and even 'developmental' defects such as osteopetrosis.



Ion channels allow the movement of ions across cell membranes, and therefore fundamental physiological processes such as muscle contraction. In 1998, we saw for the first time what an ion channel actually looks like in a paper describing the crystal structure of a potassium channel. Now we have an array of ion channel structures, which we exemplify in this regularly updated collection of papers that illustrate the structural revolution that the field is currently experiencing.


Рис.1.  | Ion transport processes in the kidney and the stria vascularis, the endolymph-secreting epithelium of the inner ear.(a) In cells of the thick ascending limb (TAL) of Henle's loop, apical NKCC2 co-transporters drive Cl- uptake. The K+ channel ROMK is indispensable for apical K+ recycling. Cl- exits through basolateral channels formed by ClC–Kb and barttin. Mutations in all four genes can cause Bartter syndrome. In the TAL Mg2+ is reabsorbed paracellularly in a pathway that involves claudin 16, whereas in the distal convoluted tubule (DCT) Mg2+ is transported transcellularly by TRPM6. Mutations in either gene can result in renal Mg2+ loss. (b) Salt uptake in the DCT is mediated by NCCT. An increase of NaCl uptake through NCCT contributes to pseudohypoaldosteronism (PHA) type II, which is caused by mutations of WNK1 or WNK4. Both kinases differentially affect the apical insertion of NCCT NaCl cotransporters. In the cortical collecting duct, WNK4 stimulates the endocytosis of ROMK. PHAII-specific WNK4 mutations further increase this effect. The predicted decrease of ROMK in the apical membrane leads to decreased K+ secretion. (c) Na+ absorption in the CCD is mediated by the epithelial sodium channel ENaC. Its loss of function causes PHAI, whereas gain-of-function mutations underlie hereditary hypertension. (d) In marginal cells of the stria vascularis, the intracellular K+ concentration is raised by basolateral NKCC1 in conjunction with the (Na+ + K+)ATPase. K+ is secreted into the endolymph through KCNQ1/KCNE1 K+ channels. Parallel basolateral ClC–Ka/barttin and ClC–Kb/barttin channels recycle Cl- and mutations in these channels are associated with deafness. (e) The nephron, colour-coded as indicated in a–c.


Рис.2.  | Relationship of the electrocardiogram (ECG), the cardiac action potential and the different currents contributing to the cardiac action potential.The names of the corresponding genes that are mutated in long-QT syndrome are shown, with the encoded channel protein in brackets. The P wave of the ECG corresponds to propagation of excitation in the atria, the QRS complex is a consequence of the propagation of excitation in the ventricles, whereas the repolarization of the ventricle can be seen as the T wave.


Рис.3.  | Ion channels in endocytosis and exocytosis.(a) Excitation–secretion coupling of the pancreatic -cell. Glucose, taken up by Glut2, is metabolized. The ensuing rise of cytoplasmic ATP inhibits KATP, a heteromer of Kir6.2 and SUR subunits, which determines most of the resting potential of -cells. This inhibition enables inward currents to depolarize the -cell, which in turn opens voltage-dependent Ca2+ channels. The ensuing increase of intracellular Ca2+ causes the exocytosis of insulin-containing vesicles. (b) Model for the acidification of the endosomal/lysosomal pathway. Vesicles of the endosomal/lysosomal pathway are acidified by V-type H+-ATPases. The voltage over the vesicular membrane that would be generated by this process is neutralized by chloride entering the vesicles through channels of the CLC type; for example, ClC-5 in endosomes and ClC-7 in lysosomes. The localization to specific compartments, however, is less clear for ClC-3, -4 and -6. (c) In bone-resorbing osteoclasts, proton pumps and ClC-7 Cl- channels are inserted into the membrane facing the bone surface. Thereby the resorption lacuna obtains its characteristic acidic pH, which is essential for the dissolution of the mineral phase as well as the enzymatic degradation of the organic bone matrix.

Табл.

Gating pore current in an inherited ion channelopathy

Stanislav Sokolov, Todd Scheuer & William A. Catterall (wcatt@u.washington.edu)

Nature 446, 76-78 (1 March 2007) | doi:10.1038/nature05598;


Ионные channelopathies являются наследственными заболеваниями, при которых альтерации в контроле проводимости ионов посредством центральных пор ионных каналов нарушают клеточную функцию, приводя к периодичеким параличам, кардиалным аритмиям, недостаточности почек, эпилепсии, мигреням и атаксии. Было установлено, что в противоположность хорошо известной парадигме, три мутации в остатках аргинина, несущего gating-заряд в S4 сегменте, которые вызывает hypokalaemic периодические параличи, индуцируют гиперполяризацией активируемую утечку катионов посредством voltage sensor скелетномышечного канала NaV1.4. Этот 'gating pore current' активируется с помощью мембранного потенциала покоя и закрывается путем деполяризации, которая активирует сенсор напряжения. Он имеет сходную проницаемость для Na+, K+ и Cs+, но органические моновалентные катионы tetraethylammonium и N-methyl-d-glucamine значительно менее проницаемы. Неорганические дивалентные катионы Ba2+, Ca2+ и Zn2+ не обнаруживают проницаемости и блокируют пропускающие поры при millimolar концентрациях. Полученные результаты демонстрируют ток через запирающие поры при естественно возникших мутациях ионных каналов, вызывающих болезни, и показывают четкую корреляцию между мутациями, которые вызывают ток через пропускные поры и hypokalaemic периодические параличи. Эта избыточная функция тока через пропускные поры д. вность вклад в важный способ доминантно наследуемой деполяризации мембран, недостаточность потенциала действия, вялый паралич и цитоплатологию, которая характерна для hypokalaemic периодических параличей. Обзор др.ионных каналопатий выявляет многочисленные примеры мутаций, которые, как ожидается, вызывают ток через пропускающие поры, и открывает возможность широкого участия тока через пропускающме поры в ионных канлопатиях.

Рисунки к статье.

Ионные каналы являются интегральными белками мембран, которые образуют поры, позволяющие проходить специфическим ионам с помощью пассивной диффузии. Большинство, если не все, ионные каналы подвергаются конформационным изменениям из закрытого в открытое состояние, и будучи однажды открытыми, каналы позволяют проходить тясячам ионов. Это отличает их от транспортеров и насосов, которые также м. транспортировать ионы только раз или немного в единицу времени. Открытие и закрытие каналов м. контролироваться разными способами, включая электрическое напряжение (voltage), связывание лигандов, таких как внутриклеточные Ca2+ или внеклеточные нейротрансмиттеры, и пост-транскрипционным модификации, такие как фосфорилирование. Дальнейшими уровнями контроля являются обеспечиваемые с помощью инсерции каналов в мембраны-мишени и с помощью их регулируемых возвращения и деградации. Многие ионные каналы являются белковыми комплексами идентичными или гомологичными субъединицам, которые участвуют в формировании пор. Они часто ассоциируют с др. канал-специфическими субъединицами, которые структурно несхожи и м. регулировать канала.
Существует поразительное молекулярное разнообразие ионных каналов; напр., имеется более 60 разных генов, которые кодируют K+ каналы. Главной задачей является - понять, почему организмы нуждаются в таком изобилии молекул с одной и той же основной функцией проведения ионов. Выяснение многих болезней ионных каналов у людей, 'channelopathies', и нарушений генов, которые кодируют ионные каналы у мышей, дают указания на разнообразие ролей ионных каналов. Мы не будем приводить энциклопедический обзор каналопатий (Табл. 1)1,2, мы обсудим поучительные примеры болезней ионных каналов, чтобы проиллюстрировать две основные роли каналов плазматических мембран, трансэпителиальный транспорт и контроль электрической возбудимости, и примеры, которые выявляют функцию внутриклеточных каналов при ацидификации эндосом со вторичными эффектами на эндоцитоз.

Plasma membrane channels in transepithelial transport


Ионы и вода (которая следует осмосу) транспортируются через эпителиальные барьеры в желудочно-кишечном тракте, почках, железах и многих др. органах. Векторный транспорт ионов поперек эпителия является следствием избирательной экспрессии ионных каналов и транспортеров в апикальной или базолатеральной части мембраны. Обычно ион транспортируется через один из этих мембранных доменов в результате активного процесса транспорта: первоначально активный транспорт осуществляется посредством транспортных ATPases (напр., (Na+ + K+)ATPase), и затем активный транспорт связан с трансмембранными градиентами ионов, устанавливаемым в результате первичного активного транспорта, (напр., градиент Na+), чтобы транспортировать др. ионы (напр., Cl- в Na-Cl cotransporters). Этот активный транспорт увеличивает (или понижает) цитозольную концентрацию иона выше (или ниже) его электрохимического равновесия. Присутствие соотв. ионных каналов на оппозитной мембране затем ведет к чисто пассивному оттоку или притоку, соотв. Комбинация этих транспортных процессов приводит в результате к транспорту поперек эпителиального слоя.
Возможно наиболее известным заболеванием у людей является нарушение трансэпителиального транспорта при кистозном фиброзе (cystic fibrosis (CF)). При CF, продукция густой вязкой слизи в лёгких в комбинации с бактериальной инфекцией постепенно приводит к тяжелой дисфункции лёгких. Дефект эпителиального транспорта при CF приводит также к патологическим изменениям в др. эпителиальных органах, наиболее выраженным в поджелудочной железе и кишечнике.
Даже спустя 15 лет после идентификации гена, лежащего в основе этой болезни3 - CFTR, 'cystic fibrosis transmembrane conductance regulator' - многие детали CF патологии поняты недостаточно или противоречивы. CFTR, хотя и принадлежит к семейству ABC-транспортеров, которые обычно используют ATФ, чтобы 'качать' разнообразные субстраты, но функционирует как цАМФ-активированный Cl- канал, который присутствует на апикальных мембранах некоторых эпителиев. В кишечнике, напр., CFTR играет роль в секреции Cl-. Холерный вибрион вызывает несоразмерную активацию этого канала с помощью цАМФ, продукция которого стимулируется холерным токсином. Напротив, потеря CFTR ведет к к твёрдым испражнениям у некоторых детей с CF и у CFTR-нокаутных мышей.
Модельные мыши, у которых CFTR мутирован или нокаутирован, не м., однако, воспроизвести наиболее опасную CF патологию людей; т.е. болезнь лёгких с бактериальной инфекцией. CFTR является важным для транспорта солей поперек лёгочного эпителия и для чувствительности к бактериальным инфекциям, которая обусловлена чувствительностью к солям антибактериальных пептидов, которые секретируются в жидкость, покрывающую лёгочный эпителий4,5. Более того, м. существовать различия между гликозилированием секретируемых mucins болезненных CFTR вариантов и нормальных, что м.б. обусловлено изменением pH в секреторном пути6. Кроме того, CFTR сам по себе является рецептором для определенных бактерий7.
Ситуация осложняется ещё больше большим количеством предполагаемых регуляторных ролей у CFTR. CFTR, как полагают, регулирует эпителиальные Na+ каналы ENaC8,9,10, Cl- каналы, отличные от CFTR11 и ROMK K+ каналы12, среди прочих. Некоторые из этих предполагаемых регуляторных взаимоотношений м.б. клинически важными. В то время как CFTR-нулевые мыши не имеют очевидной лёгочной патологии, мыши избыточно экспрессирующие ENaC (которые , как полагает большинство, подавляются с помощью CFTR8) в воздушных путях обладают лёгочным фенотипом, характеризующимся своим странным звуком13. Интересно, что электрогенные анионовые обменники (exchangers) SLC26A3 и SLC26A6 м. непосредственно активироваться с помощью CFTR14. Определенные мутации CFTR нарушают активацию chloride-bicarbonate обмена посредством SLC26A3 и SLC26A6 (ref. 14), вызывая тем самым пониженную панкреатическую секрецию HCO3-, которая обычно наблюдается при CF.
Каналопатии почек лучше изучены в отношении патологических механизмов. После образования первичной мочи в результате гломерулярной фильтрации ионы, вода и органические субстанции реабсорбируются с помощью эпителиальных клеток канальцев. Сегменты нефрона оснащены различными наборами каналов и транспортёров, для осуществления специфических целей. Хотя основная масса растворённых веществ и вода реабсорбируются в проксимальных частях канальцев и петле Henle, дистальная часть нефрона участвует в тонкой настройке экскреции Na+, K+ и кислот, регулируемой с помощью гормонов, таких как aldosterone и antidiuretic гормон.
Ключевым фактором, контролирующим реабсорбцию Na+ и регулирующим кровяное давление, являются ENaC, которые присутствуют в апикальных мембранах дистальных частей нефронов (Рис. 1c). Учитывая внутрь направленный градиент Na+, ENaC обеспечивают пассивный приток Na+ из мочи в клетки. Na+ затем откачивается в кровь через базолатеральные мембраны с помощью (Na+ + K+) ATPase, обусловливая реабсорбцию Na+ из мочи. Мутации с избыточной функцией ENaC ведут к синдрому Liddle, доминантной форме гипертензии. Эти мутации делетируют или меняют proline-богатый, tyrosine-содержащий мотив (PY motif) на цитозольном С-конце белка. Этот мотив взаимодействует с ubiquitin ligase, Nedd4 (refs 15, 16). Обычно убиквитинирование ENaC с помощью этого энзима усиливает эндоцитоз и деградацию канала. Поэтому мутации при синдроме Liddle увеличивают экспрессию в плазматических мембранах ENaC за счёт нарушения его убиквитинирования. Предполагаемое при этом увеличение реабсорбции Na+ д. приводить к высокому кровяному давлению, это согласуется с известной корреляцией между высоким поступлением солей и гипертензией.
Стимуляция реабсорбции Na+ с помощью aldosterone м.б. обусловлена частично фосфорилированием Nedd4 с помощью Sgk1 kinase17, которая нарушает взаимодействие между Nedd4 и ENaC, увеличивая тем самым экспрессию ENaC плазматических мембран. Эта киназа индуцируется с помощью glucocorticoids и mineralocorticoids (напр., aldosterone), и несомненно играет множественные роли. Разрушение Sgk1 у мышей, однако, лишь слегка затрагивает реабсорбцию Na+ 18, очевидно существуют перекрывающиеся механизмы фосфорилирования Nedd4 phosphorylation.
В то время как мутации с избыточной функцией в ENaC лежат в основе гипертензии, мутации потери функции вызывают рецессивный pseudohypoaldosteronism type I (PHAI)19. При этом синдроме потеря почками солей ведет ко вторичному повышению aldosterone. Это, однако, не м. нормализовать почечную реабсорбцию Na+ т.к. ENaC, одна из ниже стоящих мишеней, является не функциональной.
Pseudohypoaldosteronism type II (PHAII), который ассоциирует с высоким содержанием в крови калия и гипертензией, которые, по-видимому, являются результатом повышенной почечной абсорбции Na+, вызывается мутациями в двух генах, кодирующих протеин киназы, WNK1 и WNK4 (ref. 20). Обе киназы экспрессируются в дистальных частях нефрона как часть сигнального пути, который включает Na-Cl ко-транспортер NCCT и K+ канал ROMK (известный также как Kir1.1) в качестве нижестоящих мишеней. WNK4 ко-экспрессия ингибирует доставку NCCT в плазматическую мембрану21,22, в то время как WNK1 предупреждает WNK4-обусловленное ингибирование NCCT22 (Рис. 1b). Мутации WNK4, которые обнаруживаются у индивидов с PHAII устраняют ингибирование доставки NCCT, обусловливая тем самым патологически увеличенную абсорбцию NaCl в соединительном сегменте, месте экспрессии NCCT. Интересно, что дикого типа WNK4 также редуцирует экспрессию в плазматической мембране ROMK. В противоположность механизму, предположенному для NCCT, однако, это снижение экспрессии ROMK участвует в стимуляции эндоцитоза23 (Рис. 1c). Заметим, что специфические мутации WNK4, обнаруженные при PHAII, еще больше стимулируют возвращение ROMK из плазматической мембраны с помощью механизма избыточной функции23. Предполагаемое снижение ROMK в апикальной части мембраны in vivo должно приводить к почечной секреции K+ и , следовательно, к увеличению калия в сыворотке, что и наблюдается при PHAII.
В то время как пониженная экспрессия в плазматической мембране ROMK в дистальной части нефрона вносит вклад в PHAII23, его полная потеря косвенно ослабляет реабсорбцию NaCl в толстой восходящем рукаве петли Henle's loop, сегменте нефрона, который высоко активен в реабсорбции NaCl. Это ведет к синдрому Bartter, генетически гетерогенному заболеванию, характеризующемуся тяжелой почечной потерей солей. Индивиды с синдромом Bartter м. также иметь мутации в NKCC2, апикальном NaK2Cl ко-транспортере 24, в ClC-Kb25, в α-субъединице базолатерального Cl--канала и в barttin26, β-субъединице ClC-K каналов, которая необходима для их транспорта в плазматическую мембрану27. Эти находки прекрасно подтверждают модель транспорта в этом сегменте нефрона (Рис. 1a): усиленные с помощью градиента Na+, создаваемого за счёт базолатеральной (Na+ + K+)ATPase, Na+, K+ и Cl- поступают из мочи через апикальную часть мембраны с помощью NKCC2. K+ ионы, поступающие с помощью NKCC2, д. подвергаться рециклингу над апикальными мембранами, эта работа осуществляется с помощью ROMK; Na+ выкачивается с помощью базолатеральной (Na+ + K+)ATPase; a Cl- диффундирует пассивно через базолатеральные ClC-Kb/barttin Cl- каналы.
В дополнение к обусловленной почками потери солей, из-за потери функции β-субъединицы Cl--канала, barttin вызывает и глухоту26, которая возможно является результатом нарушения секреции K+ в scala media внутреннего уха. Высокая концентрация K+ в этом компартменте является критической для слуха, т.к. она делает возможным приток K+ посредством mechanosensitive каналов сенсорных волосковых клеток. Модель транспорта для эпителия, который генерирует эту высокую концентрацию K+, заключается в том, что stria vascularis (Рис. 1d), возникает в основном у фенотипов, обнаруживаемых при каналопатиях и у модельных мышей. K+ поступает через базолатеральную мембрану маргинальных клеток с помощью (Na+ + K+)ATPase и базолатеральных NKCC1 NaK2Cl ко-транспортеров. K+ ионы затем секретируются через апикальные K+ каналы, которые состоят из KCNQ1 поры-формирующих α-субъединиц и KCNE1 β-субъединиц. Рецессивный Jervell и Lange-Nielsen синдром, в котором имеет место комбинация кардиальной аритмии с глухотой, ассоциирован с мутациями генов, кодирующих любую из этих субъединиц28,29. Интересно, что мутации в родственном KCNQ4 канале, который экспрессируется в волосковых клетках, также вызывают глухоту30. Аналогично роли ROMK в апикальном рециклинге K+ в толстом восходящем рукаве петли Henle's (Рис. 1a), ClC-Ka/barttin и ClC-Kb/barttin осуществляют рециклинг Cl- над базолатеральными мембранами маргинальных клеток stria vascularis27 (Рис. 1d). Т.к. мембрана экспрессирует и ClC-Ka и ClC-Kb, то мутации в ClC-Kb вызывают непосредственно почечную потерю солей25, тогда как потеря субъединицы barttin, которая является общей двум каналам, вызывает дополнительно глухоту. Эта модель27 подтверждена с помощью идентификации семьи, несущей гомозиготные мутации как в ClC-Ka, так и в ClC-Kb31.
В зависимости от определенного эпителия значительная пропорция транэпителиального транспорта осуществляется через щели между эпителиальными клетками (т.е., paracellularly). Это прекрасно демонстрируется находками, что потеря почками Mg2+ связана с мутациями не только в катионовом канале TRPM6 (ref. 32), но и также в claudin16 (paracellin), белке плотных соединений33. Эта находка показывает, что внеклеточные пути между эпителиальными клетками м.б. на удивление ион-избирательными. В самом деле, изменения околоклеточной ионной избирательности наблюдаются в результате избыточной экспрессии изоформ claudin34. Важность путей, минующих клетки, подтверждается и недавними находками, что киназа WNK4 - бупомянутая выше благодаря своей роли в гипертензии - стимулирует околоклеточную проницаемость Cl- 35, в дополнение к своим эффектам на совместный транспорт Na-Cl и на K+ каналы.

Plasma membrane channels and electrical excitability


Ионные каналы важны для возбудимых клеток, таких как нейроны, сердечные и скелетные мышцы. important to excitable cells such as neurons, cardiac and skeletal muscle. Неудивительно, что некоторые каналопатии затрагивают эти ткани. Потенциал действия - основной 'всё-или-ничего' паттерн электрической возбудимости нерва и мышц - инициируется с помощью открытия зависимых от напряжения (voltage) Na+ каналов. Это приводит к деполяризующему притоку Na+, который останавливается с помощью внутренне присущей инактивации Na+ каналов и вольтаж мембраны реполяризуется до своего нормального уровня с помощью оттока K+ через K+ каналы, а иногда также с помощью притока Cl- (особенно в скелетных мышцах). Это подтверждает, что электрическая гипервозбудимость м. возникать в результате или мутаций избыточной функции в Na+ каналах или мутаций потери функции в K+ (или Cl-) каналах. Это простейшее предсказание и в самом деле выполняется при многих каналопатиях, включая сердечные аритмии36,37,38,39,40 и миотонические синдромы скелетных мышц 41,42,43. Учитывая сложность ЦНС, где гипервозбудимость ингибирующих нейронов м. приводить к ослаблению ниже стоящих нейронных дуг (circuits), довольно удивительно, что это простейшая точка зрения, по-видимому, верна для некоторых форм эпилепсии44-48.
Продолжительность кардиального потенциала действия очень значительная (Рис. 2), т.к. приток Ca2+ через voltage-чувствительные Ca2+ каналы во время его фазы плато необходим для сокращения кардиальной мышцы. Мутации, которые пролонгируют потенциал действия, и который соответствует интервалу Q-T на ЭКГ, косвенно вызывает аритмию сердца при т. наз. 'long-QT' syndrome (LQTS). Медленная реполяризация кардиального потенциала действия в основном обусловлена KCNQ1 K+ каналом, который активируется очень медленно после деполяризации, если ассоциирован с KCNE1 β-субъединицами. Доминантно-негативные мутации в любой из субъединиц ведут к доминантной форме LQTS за счёт нарушения реполяризации кардиомиоцитов. Общая потеря функции (при мутациях обоих аллелей) ведет к рецессивному синдрому Jervell and Lange-Nielsen28,29. Мутации в др. K+ канале, HERG (KCNH2), также м. лежать в основе LQTS39, a мутации в KCNE2, которые м. ассоциировать с HERG, также сцеплены с этим синдромe40. Мутации ещё в одном K+ канале, KCNJ2 (известном также как Kir2.1), ведет к форме LQTS, которая ассоциирует с дисморфическими признаками и эпилепсией (Andersen syndrome)49.
Мутации в кардиальном гене Na+-канала SCN5A м. лежать в основе разнообразных клеточных патологий, включая LQTS36. В то время как LQTS-ассоциированные мутации в K+ каналах обычно влекут за собой потерю функции канала, мутации в SCN5A обычно нарушают инактивацию канла50,51. Это ведет к дополнительным, запоздалым Na+ токам, которые увеличивают продолжительность кардиальной возбудимости и потенциала действия.
Мутации, затрагивающие инактивацию Na+ канала были также идентифицированы в скелетно-мышечной изоформе SCN4A (refs 52,53). Они ассоциированы с гипервозбудимостью как при paramyotonia52,54, или с периодическими параличами, вызываемых высокими43 или низкими55 сывороточными концентрациями K+ (hyper- and hypokalaemia, соотв.). Параличи м. возникать и в результате voltage-зависимой инактивации Na+ каналов, которая вызывается с помощью умеренной деполяризации мембран, индуцируемой в субпопуляции не-инактивируемых (мутантных) Na+ каналов. Помимо SCN4A (ref. 55), основным геном, лежащим в основе hypokalaemic периодических параличей, является ген CACNL1A3 (refs 56,57), который кодирует скелетно-мышечные изоформы Ca2+-каналов. Аминокислотная замена 58 в β-субъединице KCNE3 (ref. 59) K+-канала также вызывает hypokalaemic периодические параличи58, но она, по-видимому, являются благоприятным полиморфизмом60,61. Myotonia, нарушение мышечной реляксации, является следствием цепи событий потенциалов действия, вызываемых электрической сверхвозбудимостью мышечных мембран. Тогда как зависимая от температуры paramyotonia обусловливается мутациями в SCN4A (refs 52, 54), a рецессивная и доминантная 'pure' myotonia обусловливается мутациями в Cl- канале ClC-1 (refs 41, 62, 63), которые вносят вклад в реполяризацию потенциала действия в скелетных мышцах.
Каналопатии в ЦНС включают формы эпилепсии44-48, 64, атаксии65 и мигрени66. В семьях мутации, которые нарушают инактивацию Na+ каналов головного мозга, ведут к разым формам эпилепсии48,67. Мутации были идентифицированы в ион-проводящей α-субъединице SCN1A (ref. 46) и её модулирующей β-субъединице SCN1B (ref. 47), также как и в SCN2A α-субъединице48,64. Мутации, вызывающие редкие формы эпилепсии, также обнаружены в некоторых субъединицах K+-каналов, особенно в KCNQ2 и KCNQ3 (refs 44,45). Эти субъединицы м. формировать гетеромерные каналы68,69, которые обнаруживают свойства т.наз. 'M-current'69. Роль этого тока в чувствительно регулируемой нейрональной возбудимости м. объяснить, что уже лёгкая потеря тока KCNQ2/3 достаточна, чтобы вызывать эпилепсию68.
Chloride играют важную ингибирующую роль в ЦНС. Гиперполяризующий приток Cl- через регулируемые лигандами GABAA- и glycine-receptor каналы уменьшает пост-синаптическую нейрональную активность. Это происходит благодаря мутациям потери функции в двух GABAA-рецепторных субъединицах (GABRA1 и GABRG2), которые были идентифицированы у индивидов с некоторыми формами эпилепсии70-72. Мутации потери функции в glycine рецепторах, которые играют выдающуюся роль в спинном мозге, ведут к болезни пугливости (startle), которая характеризуется преувеличенными рефлексами в ответ на внезапные шокирующие воздействия73. Хотя мышиные модели указывают74, что K-Cl ко-транспортер KCC2 является важным для установления низкой концентрации Cl- внутри нейрона, что являются критическим для GABAergic и glycinergic синаптического ингибирования, но не выявлено эквивалентных мутаций в гене человека. Сходная роль в KCC2 приписывается voltage-управляемому Cl- каналу ClC-2. В то время как ClC-2-нокаутные мыши не имеют эпилепсии75, ClC-2 мутации ассоциируют с генерализованной эпилепсией в некоторых семьях76. Однако, ключевые аспекты функционального анализа мутаций76 не м. б. воспроизведены77.
Удивительным примером метаболически контролируемого excitation-secretion купирования являются панкреатические β-клетки (Рис. 3a). Эти клетки ощущают уровни в плазме глюкозы и конвертируют эту информацию в секрецию инсулина, давая в результате петлю негативной обратной связи, т.к. инсулин понижает системные уровни глюкозы. Глюкоза поступает через плазматическую мембрану β-клеток с помощью Glut2, и её метаболизм увеличивает клеточные уровни АТФ. Цитоплазматический АТФ непосредственно ингибирует KATФ - a K+ канал, который детерминирует большую часть из напряжения покоя (resting voltage) β-клеток. Когда это ингибирование достаточно сильное, то клетки деполяризуются с помощью небольших направленных внутрь токов через др. каналы. Деполяризация активирует voltage-зависимые Ca2+ каналы и усиливает Ca2+ триггеры экзоцитоза инсулин-содержащих пузырьков. Мутации субъединиц KATP у людей ведут к патологическому усилению или редукции секреции инсулина78-80.
KATФ является октамером из четырёх ион-проводящих Kir6.2 α-субъединиц и четырёх SUR1 (sulfonylurea receptor 1) β-субъединиц. В то время как Kir6.2 субъединицы несут ингибирующие АТФ-связывающие сайты, SUR1 обеспечивают чувствительность к sulphonylureas. Эти лекарства, близкие к KATФ каналам, независимы от АТФ и , следовательно, пригодны для лечения некоторых форм диабета. С помощью защитного ER-retention мотива на С-конце Kir6.2, SUR1 является существенным для экспрессии плазматической мембраной KATФ (ref. 81). Потеря тока KATФ д. вызывать деполяризацию и секрецию инсулина. Тяжелая гиперинсулинемия обнаруживается у людей с мутациями потери функции в любой SUR1 (ref. 78) или Kir6.2 (ref. 79). Напротив, мутации, которые активируют KATP д. гиперполяризовать β-клетки и тем самым ингибировать секрецию инсулина, что приводит к диабету. Такие мутации были найдены у индивидов с диабетом новорожденных80. Одна мутация, R201H, с предположительно измененными остатками, участвует в АТФ-связывании и гетерологичной экспрессии этого мутанта, обнаруживающего потерю чувствительности к АТФ. Следовательно, более высокие уровни АТФ (и конечно глюкозы) необходимы для закрытия каналов и высвобождения инсулина, это хорошо объясняет диабетический фенотип. Интересно, что широко распространенный полиморфизм Kir6.2, который м. слегка снижать его АТФ-чувствительность, обнаруживается более часто у индивидов с диабетом II типа, по сравнению с контрольной популяцией82, указывая тем самым, что он является фактором риска для развития диабета у взрослых.

Intracellular ion channels in organellar acidification and Ca2+ metabolism


Ацидификация компартментов, таких как эндосомы и синаптические пузырьки зависит от токов Cl-, которые нейтрализуют заряды транспортируемые везикулярными H+ ATPases. Без этой нейтрализации напряжение, создаваемое с помощью ATPase, д. ингибировать дальнейшую накачку протонов. Молекулярные качественные особенности соотв. Cl- каналов, однако, были неизвестны, до тех пор, пока не было установлено участие в мочекаменной болезни у людей и у модельных мышей83-86 CLC-типа Cl- каналов.
Dent's болезнь является X-сцепленным почечнокаменной болезнью. Удивительно, что лежащий в основе ген кодирует Cl- канал, ClC-5 (ref. 83). Ясность относительно патологического механизма возникла благодаря выведению белков низкого мол. веса с мочой (proteinuria), др. симптому болезни. Малые белки проходят гломерулярный фильтр и эндоцитозируются и деградируются с помощью клеток проксимальных частей канальцев. Протеинурия т.об. указывает на роль ClC-5 в эндоцитозе (Рис. 3b). Иммуноцитохимически идентифицированные ClC-5 на апикальных эндосомах клеток проксимальных отделов канальцев, где они ко0-локализуются с H+ ATPase87. ClC-5-нокаутные мыши84 имеют нарушенный апикальный эндоцитоз в проксимальных канальцах. Жидкой фазы и рецепторами обусловленный эндоцитоз и эндоцитоз транспортных белков цитоплазматической мембраны также тяжело нарушены у мышей клеточно-автономным способом84. В клетках проксимальных частей канальцев, megalin, член сверхсемейства рецепторов липопротеинов низкой плотности, является основным рецептором для апикального эндоцитоза белков. Разрушение ClC-5 у мышей вызывает клеточно-автономное снижение megalin, подтверждая роль этого канала в рециклинге рецепторов в плазматическую мембрану84. Как и было предположено ранее87, отсутствие ClC-5 ингибирует эндосомную ацидификацию84,87, как было показано на примере почечных кортикальных эндосом in vitro88.
Нарушение эндоцитоза объясняет протеинурию - но как нарушение ClC-5 вызывает образование камней в почках? Parathyroid hormone (PTH) свободно фильтруется в первичную мочу и снижает megalin-обусловленное поступление PTH, увеличивая уровень просветного PTH в нижестоящих сегментах нефрона. Усиленная стимуляция апикальных PTH рецепторов в проксимальных частях канальцев негативно регулирует Na-phosphate ко-транспортёр, который ответственен за основную массу реабсорбции phosphate84; избыточная потеря фосфатов с мочой вносит вклад в почечные камни. Кроме того, стимуляция PTH рецепторов активирует транскрипцию α-hydroxylase, которая превращает предшественников витамина D в активный гормон88. Первый механизм непосредственно объясняет hyperphosphaturia, тогда как изменения в метаболизме витамина D м. косвенно приводить к hypercalciuria84,88.
ClC-7 является единственным CLC каналом, который заметно экспрессируется в лизосомах в дополнение к поздним эндосомам86. После того как остеокласты прикрепляются к кости ClC-7 проникают вместе с H+ ATPase в специализированный домен плазматической мембраны, называемый ruffled край (Рис. 3c). Во время этого процесса, лизосомные энзимы экзоцитозируются в соседние резорбционные лакуны, которые ингодга обозначают как 'extracellular lysosome' и которые ацидифицируются с помощью ATPase. Кислый pH необходим для активности лизосомных энзимов и для химического растворения неорганического костного материала. Разрушение ClC-7 вызывает остеопетроз за счёт нарушения ацидификации лакун и следовательно деградации кости86, с помощью механизма, который снова м. использовать компенсацию токов протоновых насосов. В мышиных моделях были идентифицированы мутации ClC-7, которые затем были обнаружены при malignant infantile osteopetrosis у людей86 и при аутосомно-доминантном osteopetrosis type II (ref. 89).
Др. CLC каналы также участвуют в ацидификации внутриклеточных компартментов. ClC-3, который на 80% идентичен ClC-5, экспрессируется на эндосомах и синаптических пузырьках85. Его разрушение нарушает ацидификацию синаптических пузырьков и вызывает тяжелую нейродегенерацию85. Единственный дрожжевой CLC Cl- канал (scClC or Gef1p)90 располагается на внутриклеточных мембранах, которые окрашиваются маркёрами Гольджи91,92. Сходный с внутриклеточными CLCs млекопитающих, scClC д. помогать ацидификации этих компартментов90-92. Он м. также нейтрализовать токи везикулярной Cu2+ ATPase92. Ассоциированные изменения в концентрациях в просвете Cl- м. оказывать непосредственное влияние на энзимы93.
Итак, общим для внутриклеточных Cl- каналов является ацидификация пузырьков, которые выполняют множественные роли в биологии клеток. Напр., взаимодействия рецептор-лиганд модулируются с помощью очень выского кислого pH на пути эндоцитоза, лизосомные энзимы имеют кислый pH в качестве оптимума и электрохимический H+ градиент используется для управления поступления нейротрансмиттера в синаптические пузырьки. Более того, с помощью плохо изученного процесса кислый эндосомный pH важен для эндоцитотического трафика. Неясно, как информация об эндосомном pH передаётся цитоплазматическим аспектам этих пузырьков. Однако, ARF6 и ARNO, которые являются регуляторами эндосомного трафика, соединяются с эндосомами в зависимости от pH в их просвете94. Роль эндосомного pH и разнообразные роли отдельных CLC каналов во внутриклеточных компартментах, являются задачей будущих исследований.
Помимо везикулярных Cl- каналов, два др. внутриклеточных канала, RYR1 и RYR2 ryanodine рецепторов Ca2+ каналов оказываются мутантными при заболеваниях. Мутации в гене RYR1 выявлены у свиней95 и людей96 с hyperthermia. Это нарушение ассоциировано с угрожающими жизни контракциями скелетных мышц, обусловленными неконтролируемым высвобождением Ca2+. Определенные мутации кардиальных изоформ RYR2 ведут к catecholamine-индуцированному патологическому увеличению частоты сердечных сокращений97 или приводят к кардиомиопатии 98.

Summary and outlook


Channelopathies have provided exciting and often surprising insights into the cellular function of ion channels. These diseases not only include neuromuscular and cardiac disorders — for which genes encoding ion channels were obvious candidates — but also pathologies as diverse as renal salt loss, diabetes, hypertension, kidney stones and osteopetrosis. The unravelling of underlying mechanisms highlighted the importance of ion channels in secretion and endocytosis, and revealed new regulatory pathways. Given the plethora of genes encoding ion channels, more surprises may be in store.
Сайт создан в системе uCoz