stringtranslate.com

Эпителиальный натриевый канал

Эпителиальный натриевый канал (ENaC) (также известный как амилорид-чувствительный натриевый канал ) представляет собой связанный с мембраной ионный канал , который избирательно проницаем для ионов натрия ( Na + ). Он собран в виде гетеротримера, состоящего из трех гомологичных субъединиц α или δ, β и γ, [ 2] Эти субъединицы кодируются четырьмя генами: SCNN1A , SCNN1B , SCNN1G и SCNN1D . ENaC в основном участвует в реабсорбции ионов натрия в собирательных трубочках нефронов почек . Помимо того , что он участвует в заболеваниях, при которых нарушается баланс жидкости через эпителиальные мембраны, включая отек легких, муковисцидоз, ХОБЛ и COVID-19, протеолизированные формы ENaC функционируют как рецептор вкуса соли у человека. [3]

Апикальные мембраны многих плотных эпителиев содержат натриевые каналы , которые характеризуются прежде всего высоким сродством к диуретическому блокатору амилориду . [2] [4] [5] [6] Эти каналы опосредуют первый этап активной реабсорбции натрия, необходимой для поддержания гомеостаза соли и воды в организме. [4] У позвоночных каналы контролируют реабсорбцию натрия в почках, толстой кишке, легких и потовых железах; они также играют роль в восприятии вкуса.

Эпителиальные натриевые каналы структурно и, вероятно, эволюционно связаны с пуринорецепторами P2X — болевыми рецепторами, которые активируются при обнаружении АТФ.

Функция

ENaC находится в апикальной мембране поляризованных эпителиальных клеток , в частности, в почках (в основном в собирательных трубочках), легких , коже, [7] мужских и женских половых путях и толстой кишке . [2] [8] [9]

Регуляция баланса натрия

Почки и толстая кишка

Эпителиальные натриевые каналы облегчают реабсорбцию Na⁺ через апикальные мембраны эпителия в дистальном нефроне , дыхательных и репродуктивных путях и экзокринных железах . Поскольку концентрация ионов Na⁺ является основным фактором, определяющим осмолярность внеклеточной жидкости , изменения концентрации Na⁺ влияют на движение жидкостей и, следовательно, на объем жидкости и артериальное давление.

Альдостерон увеличил вставку ENaC в апикальные мембраны почек [10] : 358  , а также толстой кишки. [ необходима ссылка ] В почках он ингибируется предсердным натрийуретическим пептидом , вызывая натрийурез и диурез.

Его можно заблокировать триамтереном или амилоридом , которые в медицине используются в качестве диуретиков .

Мозг

Эпителиальные Na+ каналы (ENaC) в мозге играют важную роль в регуляции артериального давления. [11] Нейроны вазопрессина (VP) играют ключевую роль в координации нейроэндокринных и автономных реакций для поддержания сердечно-сосудистого гомеостаза. Высокое потребление пищевой соли вызывает увеличение экспрессии и активности ENaC, что приводит к устойчивой деполяризации нейронов VP. [11] Это один из механизмов, лежащих в основе того, как потребление пищевой соли влияет на активность нейронов VP через активность ENaC. Каналы ENaC в мозге участвуют в реакции артериального давления на пищевой натрий.

Ресничный эпителий

Высокоразрешающие иммунофлуоресцентные исследования показали, что в дыхательных путях и женских половых путях ENaC расположен по всей длине ресничек , которые покрывают поверхность многоресничных клеток. [8] Следовательно, в этих эпителиях с подвижными ресничками ENaC функционирует как регулятор осмолярности перицилиарной жидкости, и его функция необходима для поддержания объема жидкости на глубине, необходимой для подвижности ресничек. В дыхательных путях это движение необходимо для очистки поверхности слизистой оболочки , а в женских половых путях подвижность ресничек необходима для движения ооцитов. [8]

В отличие от ENaC, CFTR , регулирующий транспорт ионов хлора, не обнаружен на ресничках. Эти результаты противоречат предыдущей гипотезе о том, что ENaC подавляется прямым взаимодействием с CFTR. У пациентов с муковисцидозом (CF) CFTR не может подавлять ENaC, вызывая гиперабсорбцию в легких и рецидивирующие инфекции легких. Было высказано предположение, что это может быть лиганд-зависимый ионный канал . [12]

Кожа

В эпидермальных слоях кожи ENaC экспрессируется в кератиноцитах, сальных железах и гладкомышечных клетках. [7] В этих клетках ENaC в основном находится в цитоплазме. [7]

В эккринных потовых железах ENaC преимущественно расположен в апикальной мембране, обращенной к просвету потовых протоков. [7] Основная функция ENaC в этих протоках — обратный захват ионов Na⁺, которые выделяются с потом. У пациентов с мутациями ENaC, вызывающими системный псевдогипоальдостеронизм I типа, пациенты могут терять значительное количество ионов Na⁺, особенно в жарком климате.

Трогать

Гомологи кислотно-чувствительных ионных каналов (ASIC) семейства ENaC опосредуют тактильные ощущения у беспозвоночных (включая модельный организм C. elegans ), а также считались ответственными за механоактивируемые мембранные токи у высших животных. ASIC в изобилии экспрессируются в нейронах сенсорных ганглиев высших животных, а тактильные и болевые ощущения изменяются, но не отменяются у животных, у которых отсутствуют ASIC, что позволяет предположить, что каналы модулируют сенсорную трансдукцию, не лежа в основе самой активации механорецепторов у высших животных (теперь считается, что это осуществляется PIEZO2 ). [13]

Вкус

ENaC присутствует в апикальных клеточных мембранах вкусовых рецепторов , где он, вероятно, участвует в восприятии солености и кислости . [10] : 677  У грызунов практически весь соленый вкус опосредован ENaC, тогда как у людей он, по-видимому, играет менее значительную роль: около 20 процентов можно отнести к эпителиальному натриевому каналу. [ необходима цитата ]

Протеолизированные варианты ENaC также функционируют как человеческие рецепторы вкуса соли. Эта роль была впервые подтверждена с помощью сенсорных исследований человека для оценки влияния 4-пропилфенил 2-фуроата на восприятие соленого вкуса поваренной соли, хлорида натрия (NaCl). 4-пропилфенил 2-фуроат — это соединение, которое, как было обнаружено, активирует протеолизированный ENaC. [14]

Биохимия

Ионная селективность

Исследования показывают, что канал ENaC проницаем для ионов Na + и Li + , но имеет очень низкую проницаемость для ионов K + , Cs + или Rb + . [15] [16]

Структура

Диаграмма, демонстрирующая расположение субъединиц

ENaC состоит из трех различных субъединиц: α, β, γ. [2] [17] Все три субъединицы необходимы для транспортировки к мембране сборки функциональных каналов на мембране. [18] C-конец каждой субъединицы ENaC содержит мотив PPXY, который при мутации или удалении в β- или γ-субъединице ENaC приводит к синдрому Лиддла, человеческой аутосомно-доминантной форме гипертонии. КриоЭМ- структура ENaC указывает на то, что канал представляет собой гетеротримерный белок, подобный кислотно-чувствительному ионному каналу 1 (ASIC1) , который принадлежит к тому же семейству. [19] [20] Каждая из субъединиц состоит из двух трансмембранных спиралей и внеклеточной петли. Амино- и карбоксильные концы всех трех полипептидов расположены в цитозоле .

Кристаллическая структура ASIC1 и исследования направленного мутагенеза показывают, что ENaC имеет центральный ионный канал, расположенный вдоль центральной оси симметрии между тремя субъединицами. [16] [21]

С точки зрения структуры, белки, принадлежащие к этому семейству, состоят из примерно 510–920 аминокислотных остатков. Они состоят из внутриклеточной N-концевой области, за которой следует трансмембранный домен, большая внеклеточная петля, второй трансмембранный сегмент и C-концевой внутриклеточный хвост. [22]

δ-субъединица

Кроме того, есть четвертая, так называемая δ-субъединица, которая имеет значительное сходство последовательностей с α-субъединицей и может образовывать функциональный ионный канал вместе с β- и γ-субъединицами. Такие δ-, β-, γ-ENaC появляются в поджелудочной железе , яичках , легких и яичниках . Их функция пока неизвестна.

Семьи

Семейство эпителиальных натриевых ( Na + ) каналов (ENaC) принадлежит к суперсемейству ENaC/P2X. [23] Рецепторы ENaC и P2X имеют схожие трехмерные структуры и являются гомологичными. [24]

Члены семейства эпителиальных Na + каналов (ENaC) делятся на четыре подсемейства, называемые альфа, бета, гамма и дельта. [5] Белки демонстрируют одинаковую очевидную топологию, каждый с двумя трансмембранными (TM)-охватывающими сегментами (TMS), разделенными большой внеклеточной петлей. В большинстве белков ENaC, изученных на сегодняшний день, внеклеточные домены высококонсервативны и содержат многочисленные остатки цистеина с фланкирующими C-концевыми амфипатическими областями TM, постулируемыми для участия в формировании гидрофильных пор олигомерных канальных белковых комплексов. Считается, что хорошо консервативные внеклеточные домены служат рецепторами для контроля активности каналов.

Белки ENaC позвоночных из эпителиальных клеток плотно группируются на филогенетическом дереве; нечувствительные к напряжению гомологи ENaC также обнаружены в мозге. Многие секвенированные белки C. elegans, включая дегенерины червей, отдаленно связаны с белками позвоночных, а также друг с другом. Белки ENaC позвоночных похожи на дегенерины Caenorhabditis elegans : [22] deg-1, del-1, mec-4, mec-10 и unc-8. Эти белки могут мутировать, вызывая деградацию нейронов, и также считается, что они образуют натриевые каналы.

Генетика

Экзон-интронная архитектура трех генов, кодирующих три субъединицы ENaC, осталась высококонсервативной, несмотря на расхождение их последовательностей. [25]

Существует четыре связанных с амилоридом чувствительных натриевых канала:

Клиническое значение

Структура амилорида , блокатора каналов

Взаимодействие ENaC с CFTR имеет важное патофизиологическое значение при муковисцидозе . CFTR — это трансмембранный канал, отвечающий за транспорт хлорида, и дефекты этого белка вызывают муковисцидоз, отчасти за счет повышения регуляции канала ENaC при отсутствии функционального CFTR.

В дыхательных путях CFTR обеспечивает секрецию хлорида, а ионы натрия и вода следуют за ним пассивно. Однако при отсутствии функционального CFTR канал ENaC активируется и дополнительно снижает секрецию соли и воды путем реабсорбции ионов натрия. Таким образом, респираторные осложнения при муковисцидозе вызваны не только отсутствием секреции хлорида, но и увеличением реабсорбции натрия и воды. Это приводит к отложению густой, обезвоженной слизи, которая собирается в дыхательных путях, мешая газообмену и позволяя накапливаться бактериям. [26] Тем не менее, активация CFTR не корректирует влияние высокоактивного ENaC. [27] Вероятно, для поддержания функционального ионного гомеостаза в эпителиальной ткани легких необходимы другие взаимодействующие белки, такие как калиевые каналы, аквапорины или Na/K-АТФаза. [28]

В потовых железах CFTR отвечает за реабсорбцию хлорида в потовых протоках. Ионы натрия пассивно следуют через ENaC в результате электрохимического градиента, вызванного потоком хлорида. Это снижает потерю соли и воды. При отсутствии потока хлорида при муковисцидозе ионы натрия не проходят через ENaC, что приводит к большей потере соли и воды. (Это верно, несмотря на повышенную регуляцию канала ENaC, поскольку поток в потовых протоках ограничен электрохимическим градиентом, созданным потоком хлорида через CFTR.) Таким образом, кожа пациентов имеет соленый вкус, и это обычно используется для диагностики заболевания как в прошлом, так и сегодня с помощью современных электрических тестов. [29]

Мутации с усилением функции субъединиц β и γ связаны с синдромом Лиддла . [30]

Амилорид и триамтерен — калийсберегающие диуретики , действующие как блокаторы эпителиальных натриевых каналов .

Биотехнология

Экспрессия ENaC в культурах клеток млекопитающих является цитотоксичной, что приводит к поглощению натрия, набуханию клеток и гибели клеток, что затрудняет производство стабильных линий клеток для изучения ENaC. Технология Chromovert позволила получить стабильную линию клеток ENaC с использованием флуорогенных сигнальных зондов и проточной цитометрии для сканирования многочисленных клеток с целью выделения редких клонов, способных к функциональной, стабильной и жизнеспособной экспрессии ENaC. [31]

Ссылки

  1. ^ Noreng S, Bharadwaj A, Posert R, Yoshioka C, Baconguis I (сентябрь 2018 г.). «Структура человеческого эпителиального натриевого канала с помощью криоэлектронной микроскопии». eLife . 7 : e39340. doi : 10.7554/eLife.39340 . PMC  6197857 . PMID  30251954.
  2. ^ abcd Ханукоглу I, Ханукоглу A (апрель 2016 г.). «Семейство эпителиальных натриевых каналов (ENaC): филогения, структура-функция, распределение в тканях и ассоциированные наследственные заболевания». Gene . 579 (2): 95–132. doi :10.1016/j.gene.2015.12.061. PMC 4756657 . PMID  26772908. 
  3. ^ Шекдар К, Лангер Дж, Венкатачалан С, Шмид Л, Анобиле Дж, Шах П и др. (март 2021 г.). «Метод клеточной инженерии с использованием флуорогенных олигонуклеотидных сигнальных зондов и проточной цитометрии». Biotechnology Letters . 43 (5): 949–958. doi :10.1007/s10529-021-03101-5. PMC 7937778. PMID  33683511 . 
  4. ^ ab Garty H (май 1994). «Молекулярные свойства эпителиальных Na+-каналов, блокируемых амилоридом». FASEB Journal . 8 (8): 522–8. doi : 10.1096/fasebj.8.8.8181670 . PMID  8181670. S2CID  173677.
  5. ^ ab Le T, Saier MH (1996). "Филогенетическая характеристика семейства эпителиальных Na+-каналов (ENaC)". Молекулярная мембранная биология . 13 (3): 149–57. doi :10.3109/09687689609160591. PMID  8905643.
  6. ^ Waldmann R, Champigny G, Bassilana F, Voilley N, Lazdunski M (ноябрь 1995 г.). «Молекулярное клонирование и функциональная экспрессия нового чувствительного к амилориду Na+-канала». Журнал биологической химии . 270 (46): 27411–4. doi : 10.1074/jbc.270.46.27411 . PMID  7499195.
  7. ^ abcd Hanukoglu I, Boggula VR, Vaknine H, Sharma S, Kleyman T, Hanukoglu A (июнь 2017 г.). «Экспрессия эпителиального натриевого канала (ENaC) и CFTR в эпидермисе человека и эпидермальных придатках». Histochemistry and Cell Biology . 147 (6): 733–748. doi :10.1007/s00418-016-1535-3. PMID  28130590. S2CID  8504408.
  8. ^ abc Enuka Y, Hanukoglu I, Edelheit O, Vaknine H, Hanukoglu A (март 2012 г.). «Эпителиальные натриевые каналы (ENaC) равномерно распределены по подвижным ресничкам в яйцеводе и дыхательных путях». Histochemistry and Cell Biology . 137 (3): 339–53. doi :10.1007/s00418-011-0904-1. PMID  22207244. S2CID  15178940.
  9. ^ Шарма С., Ханукоглу А., Ханукоглу И. (апрель 2018 г.). «Локализация эпителиального натриевого канала (ENaC) и CFTR в зародышевом эпителии яичек, клетках Сертоли и сперматозоидах». Журнал молекулярной гистологии . 49 (2): 195–208. doi :10.1007/s10735-018-9759-2. PMID  29453757. S2CID  3761720.
  10. ^ ab Hall, John E.; Hall, Michael E.; Guyton, Arthur C. (2021). Учебник медицинской физиологии Guyton and Hall (14-е изд.). Филадельфия, Пенсильвания: Elsevier. ISBN 978-0-323-59712-8.
  11. ^ ab Sharma K, Haque M, Guidry R, ​​Ueta Y, Teruyama R (сентябрь 2017 г.). «Влияние потребления пищевой соли на эпителиальные Na+-каналы (ENaC) в вазопрессиновых магноцеллюлярных нейросекреторных нейронах супраоптического ядра крысы». Журнал физиологии . 595 (17): 5857–5874. doi :10.1113/JP274856. PMC 5577521. PMID  28714095 . 
  12. ^ Хорибергер Дж. Д., Крайби А. (2004). «Эпителиальный натриевый канал: канал, управляемый лигандом?». Nephron Physiology . 96 (2): 37–41. doi :10.1159/000076406. PMID  14988660. S2CID  24608792.
  13. ^ Кеппен, Брюс М.; Стэнтон, Брюс А.; Святецкая-Урбан, Агнешка, ред. (2024). Физиология Берна и Леви (8-е изд.). Филадельфия, Пенсильвания: Эльзевир. ISBN 978-0-323-84790-2.
  14. ^ Шекдар К, Лангер Дж, Венкатачалан С, Шмид Л, Анобиле Дж, Шах П и др. (март 2021 г.). «Метод клеточной инженерии с использованием флуорогенных олигонуклеотидных сигнальных зондов и проточной цитометрии». Biotechnology Letters . 43 (5): 949–958. doi :10.1007/s10529-021-03101-5. PMC 7937778. PMID  33683511 . 
  15. ^ Happle R (октябрь 1990 г.). «Птихотропизм как кожная особенность синдрома CHILD». Журнал Американской академии дерматологии . 23 (4 Pt 1): 763–6. doi :10.1016/0190-9622(90)70285-p. PMID  2229513.
  16. ^ ab Hanukoglu I (февраль 2017 г.). «Натриевые каналы типа ASIC и ENaC: конформационные состояния и структуры фильтров ионной селективности». Журнал FEBS . 284 (4): 525–545. doi :10.1111/febs.13840. PMID  27580245. S2CID  24402104.
  17. ^ Loffing J, Schild L (ноябрь 2005 г.). «Функциональные домены эпителиального натриевого канала». Журнал Американского общества нефрологии . 16 (11): 3175–81. doi : 10.1681/ASN.2005050456 . PMID  16192417.
  18. ^ Эдельхейт О, Ханукоглу И, Даскал Н, Ханукоглу А (апрель 2011 г.). «Идентификация ролей консервативных заряженных остатков во внеклеточном домене субъединицы эпителиального натриевого канала (ENaC) с помощью аланинового мутагенеза». Американский журнал физиологии. Физиология почек . 300 (4): F887-97. doi :10.1152/ajprenal.00648.2010. PMID  21209000. S2CID  869654.
  19. ^ Noreng S, Bharadwaj A, Posert R, Yoshioka C, Baconguis I (сентябрь 2018 г.). «Структура человеческого эпителиального натриевого канала с помощью криоэлектронной микроскопии». eLife . 7 : e39340. doi : 10.7554/eLife.39340 . PMC 6197857 . PMID  30251954. 
  20. ^ Jasti J, Furukawa H, Gonzales EB, Gouaux E (сентябрь 2007 г.). «Структура кислотно-чувствительного ионного канала 1 при разрешении 1,9 А и низком pH». Nature . 449 (7160): 316–23. Bibcode :2007Natur.449..316J. doi :10.1038/nature06163. PMID  17882215.
  21. ^ Эдельхейт О, Бен-Шахар Р, Даскал Н, Ханукоглу А, Ханукоглу И (апрель 2014 г.). «Сохраняющиеся заряженные остатки на поверхности и интерфейсе субъединиц эпителиальных натриевых каналов — роли в экспрессии на поверхности клеток и реакции самоингибирования натрия». Журнал FEBS . 281 (8): 2097–111. doi : 10.1111/febs.12765 . PMID  24571549. S2CID  5807500.
  22. ^ ab Snyder PM, McDonald FJ, Stokes JB, Welsh MJ (сентябрь 1994 г.). «Мембранная топология чувствительного к амилориду эпителиального натриевого канала». Журнал биологической химии . 269 (39): 24379–83. doi : 10.1016/S0021-9258(19)51094-8 . PMID  7929098.
  23. ^ "Семейство катионных каналов рецепторов P2X, управляемых АТФ (рецепторы P2X)". Функциональная и филогенетическая классификация мембранных транспортных белков . Saier Lab. Group, UCSD и SDSC.
  24. ^ Chen JS, Reddy V, Chen JH, Shlykov MA, Zheng WH, Cho J, et al. (2011). «Филогенетическая характеристика суперсемейств транспортных белков: превосходство программ SuperfamilyTree над программами, основанными на множественных выравниваниях». Журнал молекулярной микробиологии и биотехнологии . 21 (3–4): 83–96. doi :10.1159/000334611. PMC 3290041. PMID  22286036 . 
  25. ^ Saxena A, Hanukoglu I, Strautnieks SS, Thompson RJ, Gardiner RM, Hanukoglu A (ноябрь 1998 г.). «Структура гена бета-субъединицы человеческого амилорид-чувствительного эпителиального натриевого канала». Biochemical and Biophysical Research Communications . 252 (1): 208–13. doi :10.1006/bbrc.1998.9625. PMID  9813171.
  26. ^ Mall M, Grubb BR, Harkema JR, O'Neal WK, Boucher RC (май 2004 г.). «Повышенное поглощение Na+ эпителием дыхательных путей вызывает у мышей заболевание легких, похожее на кистозный фиброз». Nature Medicine . 10 (5): 487–93. doi :10.1038/nm1028. PMID  15077107. S2CID  45366866.
  27. ^ Grubb BR, O'Neal WK, Ostrowski LE, Kreda SM, Button B, Boucher RC (январь 2012 г.). «Трансгенная экспрессия hCFTR не может исправить заболевание легких у мышей β-ENaC». American Journal of Physiology. Клеточная и молекулярная физиология легких . 302 (2): L238-47. doi :10.1152/ajplung.00083.2011. PMC 3349361. PMID  22003093 . 
  28. ^ Toczyłowska-Mamińska R, Dołowy K (февраль 2012 г.). «Ионные транспортные белки человеческого бронхиального эпителия». Журнал клеточной биохимии . 113 (2): 426–32. doi : 10.1002/jcb.23393 . PMID  21975871. S2CID  31970069.
  29. ^ Бердиев БК, Кадри ЙДж, Бенос ДЖ (февраль 2009 г.). «Оценка ассоциации CFTR и ENaC». Molecular BioSystems . 5 (2): 123–7. doi :10.1039/B810471A. PMC 2666849 . PMID  19156256. 
  30. ^ Болезни ионных каналов
  31. ^ Шекдар К, Лангер Дж, Венкатачалан С, Шмид Л, Анобиле Дж, Шах П и др. (март 2021 г.). «Метод клеточной инженерии с использованием флуорогенных олигонуклеотидных сигнальных зондов и проточной цитометрии». Biotechnology Letters . 43 (5): 949–958. doi :10.1007/s10529-021-03101-5. PMC 7937778. PMID  33683511 . 

Внешние ссылки

В статье использован текст из общедоступных источников Pfam и InterPro : IPR001873