Нейропептиды — это химические посланники, состоящие из небольших цепочек аминокислот , которые синтезируются и высвобождаются нейронами . Нейропептиды обычно связываются с рецепторами, связанными с G-белком (GPCR), для модуляции активности нейронов и других тканей, таких как кишечник, мышцы и сердце.
Нейропептиды синтезируются из крупных белков-предшественников, которые расщепляются и посттрансляционно процессируются, а затем упаковываются в плотные сердцевинные везикулы . Нейропептиды часто высвобождаются совместно с другими нейропептидами и нейротрансмиттерами в одном нейроне, что приводит к множеству эффектов. После высвобождения нейропептиды могут широко диффундировать, воздействуя на широкий круг целей.
Нейропептиды — чрезвычайно древние и весьма разнообразные химические посланники. Плакозоя , такие как трихоплакс , чрезвычайно базальные животные, не имеющие нейронов, используют пептиды для межклеточной коммуникации аналогично нейропептидам высших животных.
Пептидные сигналы играют роль в обработке информации, отличную от роли обычных нейротрансмиттеров, и многие из них, по-видимому, особенно связаны с определенным поведением. Например, окситоцин и вазопрессин оказывают поразительное и специфическое влияние на социальное поведение, включая материнское поведение и формирование пар. CCAP выполняет несколько функций, включая регулирование частоты сердечных сокращений, аллатостатин и проктолин регулируют потребление пищи и рост, бурсикон контролирует загар кутикулы, а коразонин играет роль в пигментации и линьке кутикулы.
Нейропептиды синтезируются из неактивных белков-предшественников, называемых препропептидами. [1] Препропептиды содержат последовательности семейства различных пептидов и часто содержат дублированные копии одних и тех же пептидов, в зависимости от организма. [2] Помимо последовательностей пептидов-предшественников, препропептиды также содержат сигнальный пептид, спейсерные пептиды и сайты расщепления. [3] Последовательность сигнального пептида направляет белок по секреторному пути, начиная с эндоплазматического ретикулума . Последовательность сигнального пептида удаляется в эндоплазматическом ретикулуме, образуя пропептид. Пропептид попадает в аппарат Гольджи , где протеолитически расщепляется и преобразуется в множество пептидов. Пептиды упакованы в везикулы с плотным ядром, где могут происходить дальнейшее расщепление и процессинг, например, С-концевое амидирование. Везикулы с плотным ядром транспортируются по всему нейрону и могут высвобождать пептиды в синаптической щели, теле клетки и вдоль аксона. [1] [4] [5] [6]
Нейропептиды высвобождаются везикулами с плотным ядром после деполяризации клетки. По сравнению с классической передачей сигналов нейромедиаторов , передача сигналов нейропептидов более чувствительна. Сродство к нейропептидным рецепторам находится в диапазоне от наномолярного до микромолярного, тогда как сродство к нейротрансмиттерам находится в диапазоне от микромолярного до миллимолярного. Кроме того, везикулы с плотным ядром содержат небольшое количество нейропептида (3–10 мМ) по сравнению с синаптическими везикулами, содержащими нейротрансмиттеры (например, 100 мМ ацетилхолина). [7] Данные показывают, что нейропептиды высвобождаются после высокочастотных импульсов или всплесков, что отличает везикулу с плотным ядром от высвобождения синаптической везикулы. [4] Нейропептиды используют объемную передачу и не быстро перезахватываются, что позволяет диффузии по широким площадям (от нм до мм) для достижения целей. Почти все нейропептиды связываются с рецепторами, связанными с G-белком (GPCR), индуцируя каскады вторичных мессенджеров для модуляции нейронной активности в длительных временных масштабах. [1] [4] [5]
Экспрессия нейропептидов в нервной системе разнообразна. Нейропептиды часто высвобождаются совместно с другими нейропептидами и нейротрансмиттерами, что приводит к разнообразию эффектов в зависимости от комбинации высвобождения. [5] [8] Например, вазоактивный кишечный пептид обычно высвобождается совместно с ацетилхолином. [9] Высвобождение нейропептидов также может быть специфическим. Например, у личинок дрозофилы гормон эклозии экспрессируется всего в двух нейронах. [6]
Большинство нейропептидов действуют на рецепторы, связанные с G-белком (GPCR). Нейропептиды-GPCR делятся на два семейства: родопсин-подобные и класс секретинов. [10] Большинство пептидов активируют один GPCR, тогда как некоторые активируют несколько GPCR (например, AstA, AstC, DTK). [8] Отношения связывания пептид-GPCR высоко консервативны у животных. Помимо консервативных структурных взаимоотношений, некоторые функции пептида-GPCR также консервативны во всем животном мире. Например, передача сигналов нейропептид F/нейропептид Y структурно и функционально консервативна у насекомых и млекопитающих. [8]
Хотя пептиды в основном нацелены на метаботропные рецепторы, есть некоторые свидетельства того, что нейропептиды связываются с другими рецепторами-мишенями. Пептид-управляемые ионные каналы (FMRFамид-управляемые натриевые каналы) были обнаружены у улиток и гидры. [11] Другие примеры мишеней, не относящихся к GPCR, включают: инсулиноподобные пептиды и тирозинкиназные рецепторы у дрозофилы , а также предсердный натрийуретический пептид и гормон эклозии с мембраносвязанными рецепторами гуанилилциклазы у млекопитающих и насекомых. [12]
Благодаря своей модулирующей и диффузионной природе нейропептиды могут действовать во многих временных и пространственных масштабах. Ниже приведены некоторые примеры действия нейропептидов:
Нейропептиды часто высвобождаются совместно с другими нейротрансмиттерами и нейропептидами для модуляции синаптической активности. Синаптические везикулы и везикулы с плотным ядром могут иметь различные свойства активации высвобождения, что приводит к контекстно-зависимым комбинациям кор-высвобождения. [13] [14] [15] Например, мотонейроны насекомых являются глутаматергическими , а некоторые содержат плотные сердцевинные везикулы с проктолином . При низкочастотной активации высвобождается только глутамат, что приводит к быстрому и быстрому возбуждению мышцы. Однако при высокочастотной активации везикулы с плотным ядром выделяют проктолин, вызывая длительные сокращения. [16] Таким образом, высвобождение нейропептидов можно точно настроить для модуляции синаптической активности в определенных контекстах.
Некоторые области нервной системы специализируются на выработке определенных наборов пептидов. Например, гипоталамус и гипофиз высвобождают пептиды (например, TRH, GnRH, CRH, SST), которые действуют как гормоны [17] [18]. В одной субпопуляции дугообразного ядра гипоталамуса одновременно экспрессируются три аноректических пептида: α-меланоцитстимулирующий гормон (α-MSH), галанинподобный пептид и транскрипт, регулируемый кокаином и амфетамином (CART), а в другой субпопуляции совместно экспрессируются два орексигенных пептида: нейропептид Y и пептид, родственный агути ( АГРП). [19] Все эти пептиды выделяются в различных комбинациях, сигнализируя о голоде и насыщении. [20]
Ниже приводится список нейроактивных пептидов, выделяемых совместно с другими нейротрансмиттерами. Имена передатчиков выделены жирным шрифтом.
Норадреналин (норадреналин). В нейронах группы клеток А2 ядра одиночного тракта норадреналин сосуществует с:
ГАБА
Эпинефрин (адреналин)
Серотонин (5-НТ)
Некоторые нейроны производят несколько разных пептидов. Например, вазопрессин сосуществует с динорфином и галанином в магноцеллюлярных нейронах супраоптического ядра и паравентрикулярного ядра , а также с CRF (в парвоцеллюлярных нейронах паравентрикулярного ядра ).
Окситоцин в супраоптическом ядре сосуществует с энкефалином , динорфином , транскриптом, регулируемым кокаином и амфетамином (CART), и холецистокинином .
Пептиды — это древние сигнальные системы, которые встречаются практически у всех животных на Земле. [21] [22] Секвенирование генома выявило наличие генов нейропептидов у Cnidaria , Ctenophora и Placozoa , некоторых из древнейших живых животных с нервной системой или нервоподобными тканями. [23] [24] [25] [2] Недавние исследования также показывают геномные доказательства наличия механизмов обработки нейропептидов у многоклеточных животных и хоанофлагеллят , что позволяет предположить, что передача сигналов нейропептидов может предшествовать развитию нервных тканей. [26] Кроме того, нервная передача сигналов гребневиков и Placozoa полностью пептидергическая и в ней отсутствуют основные аминные нейротрансмиттеры , такие как ацетилхолин, дофамин и серотонин. [27] [21] Это также предполагает, что передача сигналов нейропептидов возникла раньше, чем аминные нейротрансмиттеры.
В начале 1900-х годов химические посланники были грубо извлечены из мозга и тканей целых животных и изучены на предмет их физиологического воздействия. В 1931 году фон Эйлер и Гаддум использовали аналогичный метод, чтобы попытаться выделить ацетилхолин, но вместо этого обнаружили пептидное вещество, которое вызывало физиологические изменения, включая мышечные сокращения и снижение кровяного давления. Эти эффекты не были устранены при использовании атропина, что исключило такое вещество, как ацетилхолин. [28] [9]
У насекомых проктолин был первым нейропептидом, который был выделен и секвенирован. [29] [30] В 1975 году Элвин Старратт и Брайан Браун извлекли пептид из мышц задней кишки таракана и обнаружили, что его применение усиливает мышечные сокращения. Хотя Старратт и Браун первоначально считали проктолин возбуждающим нейротрансмиттером, позже было подтверждено, что проктолин является нейромодулирующим пептидом. [31]
Дэвид де Вид впервые использовал термин «нейропептид» в 1970-х годах для обозначения пептидов, полученных из нервной системы. [3] [7]