Ca2+
/кальмодулин-зависимая протеинкиназа II ( CaM киназа II или CaMKII ) — это серин/треонин-специфическая протеинкиназа , которая регулируется Ca2+
/ комплекс кальмодулина . CaMKII участвует во многих сигнальных каскадах и считается важным медиатором обучения и памяти. [1]
CaMKII также необходим для Ca2+
гомеостаз и обратный захват в кардиомиоцитах , [2]
транспорт хлорида в эпителии, [3]
положительная селекция Т-клеток , [4]
и активация Т-клеток CD8 . [5]
Нарушение регуляции CaMKII связано с болезнью Альцгеймера , синдромом Ангельмана и сердечной аритмией . [6]
Существует два типа киназы CaM:
CaMKII составляет 1–2% всех белков в мозге, [7] [8] и имеет 28 различных изоформ . Изоформы происходят от генов альфа, бета, гамма и дельта.
Все изоформы CaMKII имеют: каталитический домен , аутоингибиторный домен, вариабельный сегмент и домен самоассоциации. [9]
Каталитический домен имеет несколько участков связывания для АТФ и других субстратных якорных белков. Он отвечает за перенос фосфата от АТФ к остаткам Ser или Thr в субстратах. Автоингибиторный домен имеет псевдосубстратный участок, который связывается с каталитическим доменом и блокирует его способность фосфорилировать белки. [10]
Структурной особенностью, которая управляет этим аутоингибированием, является остаток треонина 286. Фосфорилирование этого сайта навсегда активирует фермент CaMKII. После фосфорилирования остатка треонина 286 ингибирующий домен блокируется от псевдосубстратного сайта. Это эффективно блокирует аутоингибирование, обеспечивая постоянную активацию фермента CaMKII. Это позволяет CamKII быть активным даже при отсутствии кальция и кальмодулина. [11]
Другие два домена в CaMKII — это вариабельный и самоассоциативный домены. Различия в этих доменах способствуют появлению различных изоформ CaMKII. [12]
Домен самоассоциации (CaMKII AD) находится на С-конце , функцией этого домена является сборка отдельных белков в большие (от 8 до 14 субъединиц) мультимеры [13]
Чувствительность фермента CaMKII к кальцию и кальмодулину регулируется вариабельными и самоассоциированными доменами. Этот уровень чувствительности CaMKII также будет модулировать различные состояния активации фермента. Первоначально фермент активируется; однако, автофосфорилирование не происходит, поскольку недостаточно кальция или кальмодулина для связывания с соседними субъединицами. По мере накопления большего количества кальция и кальмодулина происходит автофосфорилирование, что приводит к постоянной активации фермента CaMKII в течение короткого периода времени. Однако остаток треонина 286 в конечном итоге дефосфорилируется, что приводит к инактивации CaMKII. [14] [15]
Автофосфорилирование — это процесс, в котором киназа присоединяет к себе фосфатную группу. Когда CaMKII автофосфорилируется, она становится постоянно активной. Фосфорилирование участка треонина 286 позволяет активировать каталитический домен. Автофосфорилирование усиливается структурой голофермента, поскольку он присутствует в двух сложенных кольцах. Непосредственная близость этих соседних колец увеличивает вероятность фосфорилирования соседних ферментов CaMKII, способствуя автофосфорилированию. [16] Механизм, способствующий автофосфорилированию, включает ингибирование PP1 (протеинфосфатазы I) . Это позволяет CaMKII быть постоянно активной, увеличивая вероятность автофосфорилирования. [17]
Кальций/кальмодулинзависимая протеинкиназа II также активно участвует в долговременной потенциации (LTP) — молекулярном процессе укрепления активных синапсов, который, как полагают, лежит в основе процессов памяти. Она участвует во многих аспектах этого процесса. LTP инициируется, когда рецепторы NMDA находятся в локальной среде с потенциалом напряжения, достаточно высоким, чтобы вытеснить положительно заряженный ион Mg 2+ из поры канала. В результате разблокировки канала ионы Ca 2+ могут проникать в постсинаптический нейрон через канал рецептора NMDA. Этот приток Ca 2+ активирует CaMKII. Было показано, что наблюдается увеличение активности CaMKII непосредственно в постсинаптической плотности дендритов после индукции LTP , что позволяет предположить, что активация является прямым результатом стимуляции. [18] [19]
Когда альфа-CaMKII нокаутирован у мышей, LTP снижается на 50%. Это можно объяснить тем фактом, что бета-CaMKII отвечает примерно за 65% активности CaMKII. [20] [21] LTP может быть полностью заблокирован, если CaMKII модифицирован таким образом, что он не может оставаться активным. [2] [22] После индукции LTP CaMKII перемещается в постсинаптическую плотность (PSD). Однако, если стимуляция не вызывает LTP, транслокация быстро обратима. Связывание с PSD изменяет CaMKII таким образом, что он становится менее склонным к дефосфорилированию. CaMKII трансформируется из субстрата для протеинфосфатазы 2A (PP2A), которая отвечает за дефосфорилирование CaMKII, в субстрат протеинфосфатазы 1. Strack, S. (1997) [18] продемонстрировал это явление путем химической стимуляции срезов гиппокампа. Этот эксперимент иллюстрирует, что CaMKII способствует повышению синаптической силы. Сануэза и др. [23] обнаружили, что постоянная активация CaMKII необходима для поддержания LTP. Она индуцировала LTP в срезах гиппокампа и экспериментально применила антагонист (CaMKIINtide), чтобы предотвратить сохранение активности CaMKII. Срезы, которые были обработаны CaMKIINtide, показали снижение нормализованного наклона EPSP после инфузии препарата, что означает, что индуцированный LTP обращался вспять. Нормализованный наклон EPSP оставался постоянным в контроле; CaMKII продолжает участвовать в процессе поддержания LTP даже после установления LTP. CaMKII активируется кальцием/кальмодулином, но поддерживается аутофосфорилированием. CaMKII активируется повышением кальция, опосредованным NMDA-рецептором, которое происходит во время индукции LTP. Активация сопровождается фосфорилированием как альфа-, так и бета-субъединиц и Thr286/287.
LTP может быть вызвана искусственным введением CaMKII. Когда CaMKII вводится постсинаптически в гиппокампальные срезы и внутриклеточную перфузию или вирусную экспрессию, наблюдается двух-трехкратное увеличение реакции синапса на глутамат и другие химические сигналы. [24] [25]
Существуют веские доказательства того, что после активации CaMKII, CaMKII играет роль в перемещении рецепторов AMPA в мембрану, а затем в PSD дендрита. Перемещение рецепторов AMPA увеличивает постсинаптическую реакцию на пресинаптическую деполяризацию посредством усиления синапсов. Это производит LTP.
Механистически CaMKII фосфорилирует рецепторы AMPA в участке P2 серина 831. Это увеличивает проводимость канала субъединиц GluA1 рецепторов AMPA, [26] что позволяет рецепторам AMPA быть более чувствительными, чем обычно, во время LTP. Повышенная чувствительность рецепторов AMPA приводит к увеличению синаптической силы.
В дополнение к увеличению проводимости канала субъединиц GluA1, CaMKII также, как было показано, помогает в процессе экзоцитоза рецептора AMPA. Резервные рецепторы AMPA встроены в эндосомы внутри клетки. CaMKII может стимулировать эндосомы перемещаться к внешней мембране и активировать встроенные рецепторы AMPA. [27] Экзоцитоз эндосом увеличивает и увеличивает количество рецепторов AMPA в синапсе. Большее количество рецепторов AMPA увеличивает чувствительность синапса к пресинаптической деполяризации и генерирует LTP.
Наряду с помощью в установлении LTP, было показано, что CaMKII имеет решающее значение в поддержании LTP. Его способность к аутофосфорилированию, как полагают, играет важную роль в этом поддержании. Было показано, что введение определенных блокаторов CaMKII не только блокирует LTP, но и обращает его вспять в зависимости от времени. [28]
Поскольку считается, что LTP лежит в основе процессов обучения и памяти, CaMKII также имеет решающее значение для формирования памяти. Поведенческие исследования с участием генетически модифицированных мышей продемонстрировали важность CaMKII.
В 1998 году Гизе и его коллеги изучали мышей с нокаутом, которые были генетически модифицированы для предотвращения автофосфорилирования CaMKII. Они заметили, что у мышей возникли проблемы с поиском скрытой платформы в задаче водного лабиринта Морриса. Задача водного лабиринта Морриса часто используется для представления пространственного обучения, зависящего от гиппокампа. Неспособность мышей найти скрытую платформу подразумевает дефицит пространственного обучения. [17]
Однако эти результаты не были полностью окончательными, поскольку дефицит формирования памяти также мог быть связан с нарушением сенсорно-моторной функции, вызванным генетическими изменениями. [29]
Ирвин и коллеги в 2006 году показали, что предотвращение аутофосфорилирования CaMKII приводит к тому, что у мышей нарушается начальное обучение условно-рефлекторному рефлексу страха. Однако после повторных испытаний у мышей с нарушениями наблюдалось формирование памяти о страхе, аналогичное формированию памяти о страхе у контрольных мышей. CaMKII может играть роль в быстрой памяти о страхе, но не полностью предотвращает память о страхе в долгосрочной перспективе. [30]
В 2004 году Родригес и коллеги обнаружили, что обусловливание страха увеличило фосфорилированный CaMKII в латеральных синапсах миндалины и дендритных шипиках, что указывает на то, что обусловливание страха может быть ответственно за регулирование и активацию киназы. Они также обнаружили препарат KN-62 , который ингибировал CaMKII и предотвращал приобретение обусловливания страха и LTP. [31]
Гетерозиготные мыши α-CaMKII экспрессируют половину нормального уровня белка, как у дикого типа. Эти мыши показали нормальное хранение памяти в гиппокампе, но дефицит консолидации памяти в коре. [32]
Мейфорд и коллеги сконструировали трансгенных мышей, которые экспрессируют CaMKII с точечной мутацией Thr-286 в аспартат, что имитирует аутофосфорилирование и увеличивает активность киназы. Эти мыши не смогли показать реакцию LTP на слабые стимулы и не смогли выполнить зависящее от гиппокампа пространственное обучение, которое зависело от визуальных или обонятельных сигналов. [33]
Исследователи предполагают, что эти результаты могут быть связаны с отсутствием стабильных клеток гиппокампа у этих животных. [34]
Однако, поскольку генетические модификации могут вызывать непреднамеренные изменения в развитии, доставка вирусного вектора позволяет модифицировать генетический материал мышей на определенных стадиях развития. С помощью доставки вирусного вектора можно ввести определенный ген по выбору в определенную область мозга уже развитого животного. Это, по сути, было сделано группой Тонегавы в начале 1990-х годов и Поулсеном и коллегами в 2007 году. Обе группы использовали этот метод для инъекции CaMKII в гиппокамп. Они обнаружили, что сверхэкспрессия CaMKII привела к небольшому улучшению приобретения новых воспоминаний. [35] [36]
Изменения функции CaMKII, вызванные приемом лекарственных препаратов, могут быть связаны с развитием зависимости.
CaMKIIA — одна из основных форм CamKII. Было обнаружено, что она играет важную роль в поддержании активации CamKII в постсинаптической плотности. Исследования показали, что у мышей с нокаутом без CaMKIIA наблюдается низкая частота LTP. Кроме того, эти мыши не образуют устойчивых, стабильных клеток места в гиппокампе. [37]
CaMK2B имеет сайт автофосфорилирования в Thr287. Он функционирует как модуль нацеливания или стыковки. Обратная транскрипция-полимеразная цепная реакция и анализ секвенирования выявили по крайней мере пять альтернативных вариантов сплайсинга бета CaMKII (beta, beta6, betae, beta'e и beta7) в мозге, и два из них (beta6 и beta7) были впервые обнаружены у какого-либо вида. [38]
CaMK2D появляется как в нейрональных, так и в не-нейрональных типах клеток. Он особенно характерен для многих опухолевых клеток, таких как различные клетки поджелудочной железы, лейкемические, молочной железы и другие опухолевые клетки. [39] обнаружили, что CaMK2D подавлен в опухолевых клетках человека.
Было показано, что CaMK2G является важной внеклеточной сигнально-регулируемой киназой в дифференцированных гладкомышечных клетках. [40]