Опиоидные рецепторы представляют собой группу ингибирующих рецепторов , сопряженных с G-белком, с опиоидами в качестве лигандов . [1] [2] [3] Эндогенные опиоиды — это динорфины , энкефалины , эндорфины , эндоморфины и ноцицептин . Опиоидные рецепторы на ~40% идентичны соматостатиновым рецепторам (SSTR). Опиоидные рецепторы широко распространены в головном мозге , спинном мозге , периферических нейронах и пищеварительном тракте .
К середине 1960-х годов из фармакологических исследований стало очевидно, что опиоиды, вероятно, оказывают свое действие на определенные рецепторные участки, и что, вероятно, таких участков может быть несколько. [4] Ранние исследования показали, что опиаты, по-видимому, накапливаются в мозге. [5] Рецепторы были впервые идентифицированы как определенные молекулы с помощью исследований связывания, в которых было обнаружено, что опиаты, меченые радиоизотопами , связываются с гомогенатами мозговой мембраны . Первое такое исследование было опубликовано в 1971 году с использованием 3 H - леворфанола . [6] В 1973 году Кэндис Перт и Соломон Х. Снайдер опубликовали первое подробное исследование связывания того, что впоследствии оказалось μ-опиоидным рецептором , с использованием 3 H - налоксона . [7] Это исследование широко признано первым окончательным открытием опиоидного рецептора, хотя вскоре последовали еще два исследования. [8] [9]
Очистка рецептора дополнительно подтвердила его существование. Первая попытка очистить рецептор включала использование нового опиоидного антагониста, называемого хлорналтрексамином , который, как было продемонстрировано, связывается с опиоидным рецептором. [10] Карузо позже очистил компонент мембраны мозга крысы, извлеченный детергентом, который элюировался со специфически связанным 3 H -хлорналтрексамином. [11]
Существует четыре основных подтипа опиоидных рецепторов. [12] OGFr был первоначально обнаружен и назван новым опиоидным рецептором зета (ζ). Однако впоследствии было обнаружено, что он имеет мало общего с другими опиоидными рецепторами в последовательности и имеет совершенно иную функцию.
(I). Название основано на порядке открытия.
Семейство опиоидных рецепторов (ОР) возникло в результате двух событий дупликации одного предкового опиоидного рецептора на ранней стадии эволюции позвоночных. Филогенетический анализ показывает, что семейство опиоидных рецепторов уже присутствовало у истоков челюстных позвоночных более 450 миллионов лет назад. У людей этот паралогон, возникший в результате события двойной тетраплоидизации, привел к тому, что гены рецепторов оказались на хромосомах 1, 6, 8 и 20. События тетраплоидизации часто приводят к потере одного или нескольких дублированных генов , но в этом случае почти все виды сохраняют все четыре опиоидных рецептора, что указывает на биологическую значимость этих систем. Стефано проследил коэволюцию ОР и иммунной системы, лежащей в основе того факта, что эти рецепторы помогали более ранним животным переживать болевой и воспалительный шок в агрессивных средах. [16]
Рецепторные семейства дельта, каппа и мю демонстрируют 55–58% идентичности друг другу и 48–49% гомологии с рецептором ноцицептина . В совокупности это указывает на то, что ген рецептора NOP, OPRL1, имеет одинаковое эволюционное происхождение, но более высокую скорость мутаций, чем другие гены рецепторов. [17]
Хотя семейства опиоидных рецепторов имеют много общего, их структурные различия приводят к функциональным различиям. Таким образом, мю-опиоидные рецепторы вызывают расслабление, доверие, удовлетворение и анальгезию. [18] [19] Эта система также может помогать в установлении стабильных, эмоционально преданных отношений. Эксперименты с молодыми морскими свинками показали, что социальная привязанность опосредуется опиоидной системой. Эволюционная роль опиоидной сигнализации в этом поведении была подтверждена у собак, цыплят и крыс. [18] Опиоидные рецепторы также играют роль в поведении спаривания. [20] Однако мю-опиоидные рецепторы не просто контролируют социальное поведение, они также заставляют людей чувствовать себя расслабленными в широком диапазоне других ситуаций. [ необходима цитата ]
Каппа- и дельта-опиоидные рецепторы могут быть в меньшей степени связаны с релаксацией и анальгезией, поскольку каппа-опиоидный рецептор подавляет активацию мю-опиоидных рецепторов, а дельта-опиоидный рецептор взаимодействует по-разному с агонистами и антагонистами. Каппа-опиоидные рецепторы участвуют в перцептивной мобилизации хронической тревоги, тогда как дельта-опиоидные рецепторы вызывают инициацию действия, импульсивность и поведенческую мобилизацию. [19] [21] Эти различия привели некоторые исследования к предположению, что повышающая или понижающая регуляция в пределах трех семейств опиоидных рецепторов является основой различной диспозиционной эмоциональности, наблюдаемой при психиатрических расстройствах. [22] [23] [24]
Когнитивные особенности, специфичные для человека и модулируемые опиоидами, не связаны с различиями в кодировании рецепторов или лигандов, которые на 99% схожи с приматами, а обусловлены регуляторными изменениями в уровнях экспрессии. [25] [26]
Рецепторы были названы с использованием первой буквы первого лиганда , который, как было обнаружено, связывался с ними. Морфин был первым химическим веществом, которое, как было показано, связывается с рецепторами «мю». Первая буква препарата морфина — m , что отображается как соответствующая греческая буква μ. Аналогичным образом, препарат, известный как кетоциклазоцин , впервые был показан для присоединения к рецепторам «κ» (каппа), [27], в то время как рецептор «δ» (дельта) был назван в честь ткани семявыносящего протока мыши , в которой рецептор был впервые охарактеризован. [28] Позднее был идентифицирован и клонирован дополнительный опиоидный рецептор на основе гомологии с кДНК . Этот рецептор известен как рецептор ноцицептина или ORL1 (опиатный рецептор-подобный 1).
Типы опиоидных рецепторов почти на 70% идентичны, а различия находятся на N- и C-концах. Рецептор μ, возможно, самый важный. Считается, что белок G связывается с третьей внутриклеточной петлей всех опиоидных рецепторов. Как у мышей , так и у людей гены различных подтипов рецепторов расположены на отдельных хромосомах.
Отдельные подтипы опиоидных рецепторов были идентифицированы в тканях человека. Исследования до сих пор не смогли идентифицировать генетические доказательства подтипов, и считается, что они возникают из -за посттрансляционной модификации клонированных типов рецепторов. [29]
Подкомитет IUPHAR [30] [31] рекомендовал, чтобы подходящей терминологией для трех классических (μ, δ, κ) рецепторов и неклассического (ноцицептинового) рецептора была MOP (« M u OP iate рецептор»), DOP, KOP и NOP соответственно.
Сигма (σ)-рецепторы когда-то считались опиоидными рецепторами из-за противокашлевого действия многих опиоидных препаратов, опосредованного через σ-рецепторы, а первые селективные σ-агонисты были производными опиоидных препаратов (например, аллилнорметазоцин ). Однако было обнаружено, что σ-рецепторы не активируются эндогенными опиоидными пептидами и существенно отличаются от других опиоидных рецепторов как по функции, так и по последовательности генов, поэтому теперь их обычно не классифицируют как опиоидные рецепторы.
Существование дополнительных опиоидных рецепторов (или подтипов рецепторов) также предполагалось из-за фармакологических доказательств действий, производимых эндогенными опиоидными пептидами, но было показано, что они не опосредованы ни одним из четырех известных подтипов опиоидных рецепторов. Существование подтипов рецепторов или дополнительных рецепторов, отличных от классических опиоидных рецепторов (μ, δ, κ), было основано на ограниченных доказательствах, поскольку были идентифицированы только три гена для трех основных рецепторов. [32] [33] [34] Единственный из этих дополнительных рецепторов, который был окончательно идентифицирован, — это опиоидный рецептор зета (ζ), который, как было показано, является модулятором клеточного фактора роста с мет-энкефалином, являющимся эндогенным лигандом. Этот рецептор в настоящее время чаще всего называют рецептором опиоидного фактора роста (OGFr) . [35] [36]
Другим постулируемым опиоидным рецептором является ε-опиоидный рецептор. Существование этого рецептора было заподозрено после того, как было показано, что эндогенный опиоидный пептид бета-эндорфин производит дополнительные действия, которые, по-видимому, не опосредуются ни одним из известных опиоидных рецепторов. [37] [38] Активация этого рецептора вызывает сильную анальгезию и высвобождение мет-энкефалина ; было показано, что ряд широко используемых опиоидных агонистов, таких как μ-агонист эторфин и κ-агонист бремазоцин , действуют как агонисты этого эффекта (даже в присутствии антагонистов их более известных целей), [39] в то время как бупренорфин действует как антагонист эпсилон. В настоящее время доступно несколько селективных агонистов и антагонистов для предполагаемого рецептора эпсилон; [40] [41] Однако попытки обнаружить ген этого рецептора оказались безуспешными, а эффекты, опосредованные эпсилоном, отсутствовали у мышей с «тройным нокаутом» μ/δ/κ , [42] что позволяет предположить, что рецептор эпсилон, вероятно, является либо вариантом сплайсинга, полученным в результате альтернативной посттрансляционной модификации, либо гетеромером, полученным в результате гибридизации двух или более известных опиоидных рецепторов.
Опиоидные рецепторы являются типом рецепторов, сопряженных с G-белком (GPCR). Эти рецепторы распределены по всей центральной нервной системе и в периферических тканях нервного и не-нервного происхождения. Они также расположены в высоких концентрациях в околоводопроводном сером веществе , голубом пятне и ростральном вентромедиальном продолговатом мозге . [43] Рецепторы состоят из внеклеточного аминокислотного N-конца , семи трансмембранных спиральных петель, трех внеклеточных петель, трех внутриклеточных петель и внутриклеточного карбоксильного C-конца. Три внеклеточные петли GPCR обеспечивают отсек, к которому могут прикрепляться сигнальные молекулы для генерации ответа. Гетеротримерный G-белок содержит три различные субъединицы, которые включают альфа- (α) субъединицу, бета- (β) субъединицу и гамма- (γ) субъединицу. [44] Гамма- и бета-субъединицы постоянно связаны друг с другом, образуя одну субъединицу Gβγ. Гетеротримерные G-белки действуют как «молекулярные переключатели», которые играют ключевую роль в передаче сигнала, поскольку они передают информацию от активированных рецепторов к соответствующим эффекторным белкам. Все α-субъединицы G-белка содержат пальмитат, который представляет собой 16-углеродную насыщенную жирную кислоту, которая присоединена около N-конца через лабильную, обратимую тиоэфирную связь к аминокислоте цистеина. Именно это пальмитоилирование позволяет G-белку взаимодействовать с мембранными фосфолипидами из-за гидрофобной природы альфа-субъединиц. Гамма-субъединица также модифицирована липидом и может также прикрепляться к плазматической мембране. Эти свойства двух субъединиц позволяют G-белку опиоидного рецептора постоянно взаимодействовать с мембраной через липидные якоря. [45]
Когда агонистический лиганд связывается с опиоидным рецептором, происходит конформационное изменение, и молекула GDP высвобождается из субъединицы Gα. Этот механизм сложен и является основным этапом пути передачи сигнала. Когда молекула GDP присоединена, субъединица Gα находится в неактивном состоянии, а нуклеотидсвязывающий карман закрыт внутри белкового комплекса. Однако при связывании лиганда рецептор переключается в активную конформацию, и это обусловлено межмолекулярной перестройкой между трансмембранными спиралями. Активация рецептора высвобождает «ионный замок», который удерживает вместе цитоплазматические стороны трансмембранных спиралей три и шесть, заставляя их вращаться. Это конформационное изменение обнажает внутриклеточные домены рецептора на цитозольной стороне, что далее приводит к активации белка G. Когда молекула GDP диссоциирует от субъединицы Gα, молекула GTP связывается со свободным нуклеотид-связывающим карманом, и белок G становится активным. Образуется комплекс Gα(GTP), который имеет более слабое сродство к субъединице Gβγ, чем комплекс Gα(GDP), в результате чего субъединица Gα отделяется от субъединицы Gβγ, образуя две секции белка G. Теперь субъединицы могут свободно взаимодействовать с эффекторными белками; однако они все еще прикреплены к плазматической мембране липидными якорями. [46] После связывания активные субъединицы белка G диффундируют внутри мембраны и действуют на различные внутриклеточные эффекторные пути. Это включает ингибирование активности нейрональной аденилатциклазы, а также увеличение гиперполяризации мембраны. При стимуляции ферментного комплекса аденилатциклазы происходит образование циклического аденозин-3', 5'-монофосфата (цАМФ) из аденозин-5'-трифосфата (АТФ). цАМФ действует как вторичный мессенджер, перемещаясь из плазматической мембраны в клетку и передавая сигнал. [47]
цАМФ связывается с цАМФ-зависимой протеинкиназой А (ПКА), которая находится внутриклеточно в нейроне, и активирует ее. ПКА состоит из голофермента — это соединение, которое становится активным из-за комбинации фермента с коферментом. Фермент ПКА также содержит две каталитические субъединицы PKS-Cα и регуляторный димер субъединицы PKA-R. Холофермент ПКА неактивен в нормальных условиях, однако, когда молекулы цАМФ, которые производятся ранее в механизме передачи сигнала, объединяются с ферментом, ПКА претерпевает конформационное изменение. Это активирует его, давая ему возможность катализировать фосфорилирование субстрата. [48] CREB (белок, связывающий элемент ответа цАМФ) принадлежит к семейству факторов транскрипции и располагается в ядре нейрона. Когда ПКА активируется, он фосфорилирует белок CREB (добавляет высокоэнергетическую фосфатную группу) и активирует его. Белок CREB связывается с элементами ответа цАМФ CRE и может либо увеличивать, либо уменьшать транскрипцию определенных генов. Сигнальный путь цАМФ/ПКА/CREB, описанный выше, имеет решающее значение в формировании памяти и модуляции боли. [49] Он также важен для индукции и поддержания долговременной потенциации , явления, которое лежит в основе синаптической пластичности — способности синапсов усиливаться или ослабевать с течением времени.
Потенциал-зависимые кальциевые каналы (VDCC) играют ключевую роль в деполяризации нейронов и играют важную роль в содействии высвобождению нейротрансмиттеров. Когда агонисты связываются с опиоидными рецепторами, G-белки активируются и диссоциируют на составляющие их субъединицы Gα и Gβγ. Субъединица Gβγ связывается с внутриклеточной петлей между двумя трансмембранными спиралями VDCC. Когда субъединица связывается с потенциал-зависимым кальциевым каналом, она производит потенциал-зависимый блок, который ингибирует канал, предотвращая поток ионов кальция в нейрон. В клеточную мембрану встроен также связанный с G-белком внутренне-выпрямляющий калиевый канал . Когда молекула Gβγ или Gα(GTP) связывается с C-концом калиевого канала, она становится активной, и ионы калия выкачиваются из нейрона. [50] Активация калиевого канала и последующая дезактивация кальциевого канала вызывают гиперполяризацию мембраны . Это происходит, когда происходит изменение потенциала мембраны, так что он становится более отрицательным. Уменьшение ионов кальция вызывает уменьшение высвобождения нейротрансмиттера, поскольку кальций необходим для возникновения этого события. [51] Это означает, что нейротрансмиттеры, такие как глутамат и вещество P, не могут быть высвобождены из пресинаптического окончания нейронов. Эти нейротрансмиттеры жизненно важны для передачи боли, поэтому активация опиоидных рецепторов снижает высвобождение этих веществ, тем самым создавая сильный анальгетический эффект.
Некоторые формы мутаций в δ-опиоидных рецепторах привели к постоянной активации рецепторов. [52]