Калиевый потенциалзависимый канал, подсемейство Shab, член 1 , также известный как KCNB1 или K v 2.1 , представляет собой белок , который у людей кодируется геном KCNB1 . [ 5] [6] [7]
Канал потенциалзависимого калиевого подсемейства B, член первый, или просто известный как KCNB1, является задержанным выпрямителем и потенциалзависимым калиевым каналом, обнаруженным по всему телу. Канал имеет разнообразное количество функций. Однако его основная функция как задержанного выпрямителя заключается в распространении тока в соответствующем месте. Он обычно экспрессируется в центральной нервной системе , но также может быть обнаружен в легочных артериях , слуховых наружных волосковых клетках, стволовых клетках , сетчатке и таких органах, как сердце и поджелудочная железа . Было обнаружено, что модуляция активности и экспрессии канала K+ лежит в основе многих глубоких патофизиологических расстройств в нескольких типах клеток. [8]
Калиевые каналы являются одними из самых разнообразных среди всех ионных каналов у эукариот. С более чем 100 генами, кодирующими многочисленные функции, в организме присутствует множество изоформ калиевых каналов, но большинство из них делятся на две основные группы: инактивирующие транзиторные каналы и неинактивирующие отсроченные выпрямители. Из-за множества разнообразных форм калиевые отсроченные выпрямительные каналы открываются или закрываются в ответ на множество сигналов. К ним относятся: деполяризация или гиперполяризация клеток , увеличение внутриклеточной концентрации кальция, связывание нейротрансмиттера или активность вторичных мессенджеров, таких как G-белки или киназы . [9]
Общая структура всех калиевых каналов содержит центрированную пору, состоящую из альфа-субъединиц с поровой петлей, выраженной сегментом консервативной ДНК , T/SxxTxGxG. Эта общая последовательность включает селективность калиевого канала. В зависимости от канала альфа-субъединицы построены либо в гомо-, либо в гетероассоциации, создавая 4-субъединичную селективную пору или 2-субъединичную пору, каждая с дополнительными бета-субъединицами, прикрепленными внутриклеточно. Также на цитоплазматической стороне находятся N- и C-концы, которые играют решающую роль в активации и дезактивации каналов KCNB1. Эта пора создает основное отверстие канала, через которое протекают ионы калия. [10]
Тип порового домена (количество субъединиц) определяет, имеет ли канал типичные 6 трансмембранных (белковых) охватывающих областей или менее доминирующий тип внутреннего выпрямителя только из 2 областей. KCNB1 имеет 6TM, помеченных S1-S6, каждая из которых имеет тетрамерную структуру. S5 и S6 создают p-петлю, в то время как S4 является местом расположения датчика напряжения. S4, наряду с S2 и S3, создают «активирующие» части канала задержанного выпрямителя. [10] Гетеромерные комплексы, которые содержат отдельную пору, электрически неактивны или непроводящие, но в отличие от других семейств калия, пора группы KCNB1 имеет многочисленные сайты фосфорилирования, обеспечивающие активность киназы. Созревшие каналы KCNB1 развивают эти сайты фосфорилирования внутри поры канала, но не имеют стадии гликозилирования на N-конце . [11]
В частности, канал замедленного выпрямления KCNB1 проводит ток калия (K+). Это опосредует высокочастотную активацию из-за участков фосфорилирования , расположенных внутри канала через киназы, и основного притока кальция, типичного для всех нейронов. [11]
Кинетика, окружающая активацию и деактивацию канала KCNB1, относительно неизвестна и является предметом значительного изучения. Три из шести трансмембранных областей, S2, S3 и S4, вносят вклад в фазу активации канала. При деполяризации область S4, которая имеет положительный заряд, перемещается в ответ на последующий положительный заряд деполяризации. В результате движения S4, отрицательно заряженные области S2 и S3, по-видимому, также перемещаются. [10] Движение этих областей вызывает открытие ворот канала в областях S5 и S6. [12] Внутриклеточные области C и N-конца также играют решающую роль в кинетике активации канала. Два конца взаимодействуют друг с другом, поскольку C-конец сворачивается вокруг N-конца во время активации канала. Относительное перемещение между N- и C-концами в значительной степени способствует созданию конформационного изменения канала, необходимого для открытия канала. Считается, что это взаимодействие между этими внутриклеточными областями связано с мембранными областями S1 и S6 и, таким образом, способствует движению S2, S3 и S4 при открытии канала. [10] [12] Исследования селективных мутаций, выбивающих эти внутриклеточные окончания, показали, что они приводят к большему снижению скорости и вероятности открытия канала, что указывает на их важность в активации канала. [10]
Потенциалзависимые калиевые каналы ( Kv ) представляют собой наиболее сложный класс потенциалзависимых ионных каналов как с функциональной, так и со структурной точки зрения. [5] Наиболее распространенная роль калиевых каналов с задержкой выпрямления заключается в падающей фазе физиологических потенциалов действия . Выпрямители KCNB1 также важны для формирования синхронности сердечного ритма и частоты, которая существует в сердце, и лизиса целевых молекул в иммунном ответе. Эти каналы также могут действовать как эффекторы в нисходящей передаче сигналов в трансдукции рецептора, сопряженного с G-белком . Регулирование и распространение тока KCNB1 обеспечивает средства для регуляторного контроля над несколькими физиологическими функциями. [9] Их разнообразные функции включают регулирование высвобождения нейротрансмиттера , частоты сердечных сокращений , секреции инсулина , нейронной возбудимости, транспорта эпителиальных электролитов, сокращения гладких мышц и апоптоза . [5]
Потенциалзависимые калиевые каналы необходимы для регулирования потенциала нейронной мембраны и для содействия производству и активации потенциала действия. [13] В нейронах ЦНС млекопитающих KCNB1 является преобладающим задержанным выпрямительным калиевым током, который регулирует возбудимость нейронов, продолжительность потенциала действия и тонический скачок. Это необходимо, когда речь идет о правильном высвобождении нейротрансмиттера, поскольку такое высвобождение зависит от мембранного потенциала. В кардиомиоцитах мышей канал KCNB1 является молекулярным субстратом основного тока реполяризации I K-slow2 . Трансгенные мыши, экспрессирующие доминантно-негативную изоформу KCNB1, демонстрируют заметно пролонгированные потенциалы действия и демонстрируют аритмию . [14] KCNB1 также способствует функционированию и регуляции гладкомышечных волокон. Исследования на людях на легочных артериях показали, что нормальное физиологическое ингибирование тока KCNB1 способствует вазоконстрикции артерий. [15] В ß-клетках поджелудочной железы человека KCNB1, который опосредует отток калия, вызывает снижение потенциала действия в клетке. [16] По сути, это поведение останавливает секрецию инсулина, поскольку его активация снижает опосредованный Ca2 + -каналами приток кальция, необходимый для экзоцитоза инсулина. Также было обнаружено, что KCNB1 способствует апоптозу в нейрональных клетках. [8] В настоящее время считается, что апоптоз, вызванный KCNB1, происходит в ответ на увеличение активных форм кислорода (ROS), которое является результатом либо острого окисления, либо других клеточных стрессов. [11]
Проводимость KCNB1 регулируется в первую очередь олигомеризацией и фосфорилированием . Дополнительные формы регуляции включают SUMOylation и ацетилирование , хотя прямое влияние этих модификаций все еще изучается. Консенсусные сайты KCNB1 на N-конце не подвергаются гликозилированию . [8]
Многие белки подвергаются фосфорилированию, или добавлению фосфатных групп к субъединицам аминокислот . Фосфорилирование модулируется киназами , которые добавляют фосфатные группы, и фосфатазами , которые удаляют фосфатные группы. В фосфорилированном состоянии KCNB1 является плохим проводником тока. Существует 16 участков фосфорилирования, которые подвержены активности киназ, таких как циклинзависимая киназа 5 и АМФ-активируемая протеинкиназа . Эти участки обратимо регулируются фосфатазами, такими как фосфатаза кальциневрин . В периоды высокой электрической активности деполяризация нейрона увеличивает приток кальция и запускает активность фосфатазы. В состоянии покоя KCNB1 имеет тенденцию фосфорилироваться. Фосфорилирование повышает пороговое напряжение, необходимое для активации, и позволяет микродоменам связываться с каналом, предотвращая проникновение KCNB1 в плазматическую мембрану. Микродомены локализуют KCNB1 в дендритах в телах клеток гиппокампальных и кортикальных нейронов. Проводимость, связанная с дефосфорилированием этого канала, снижает или прекращает периоды высокой возбудимости. Однако эта связь не является статической и зависит от клеток. На роль фосфорилирования могут влиять активные формы кислорода (ROS), которые увеличиваются во время окислительного стресса. ROS повышают уровни цинка (Zn 2+) и кальция (Ca 2+) внутриклеточно, которые действуют с протеинкиназами, фосфорилируя определенные сайты на KCNB1. Это фосфорилирование увеличивает вставку KCNB1 в мембрану и повышает проводимость. В этих условиях взаимодействие с белком SNARE синтаксином усиливается. Этот всплеск тока KCNB1 вызывает активацию проапоптотического пути, фрагментацию ДНК и активацию каспазы. [8]
Другим предложенным механизмом регуляции апоптоза является олигомеризация, или процесс формирования многобелковых комплексов, удерживаемых вместе дисульфидными связями . При окислительном стрессе образуются активные формы кислорода (ROS), которые действуют, регулируя KCNB1 посредством окисления. Увеличение радикалов кислорода напрямую вызывает образование олигомеров KCNB1, которые затем накапливаются в плазматической мембране и первоначально уменьшают ток. [17] [18] Активация олигомеров киназ c-Src и JNK вызывает начальный проапоптотический сигнал, который связан с током KCNB1. Это дополнительно способствует пути апоптоза. [19] Олигомеры KCNB1 были обнаружены в посмертном человеческом гиппокампе [20]
Калийные выпрямители с задержкой были задействованы во многих фармакологических применениях при исследовании биологических токсинов для разработки лекарств. Основной компонент многих токсинов с отрицательным воздействием на выпрямители с задержкой содержит ингибиторы цистина , которые располагаются вокруг образований дисульфидных связей . Многие из этих токсинов происходят от видов тарантулов. G. spatulata производит ханатоксин , который был первым препаратом, который был использован для взаимодействия с рецепторами KCNB1 путем ингибирования активации большинства калиевых потенциалзависимых каналов. Другие токсины, такие как строматоксин , гетероскордратоксин и гуангкситоксин , нацелены на селективность выпрямителей напряжения KCNB1, либо снижая сродство связывания калия, либо увеличивая скорость связывания калия. Это может привести к эксайтотоксичности или чрезмерной стимуляции постсинаптических нейронов. В природе добыча тарантула, которой вводят эти эндогенные токсины, вызывает этот эксайтотоксический эффект, вызывая паралич для легкого захвата. Физиологически эти яды работают на сродстве выпрямителя KCNB1, изменяя датчик напряжения каналов, делая его более или менее чувствительным к внеклеточным концентрациям калия. [21] KCNB1 также восприимчив к тетраэтиламмонию (TEA) и 4-аминопиридину (4-AP), которые полностью блокируют всю активность каналов. TEA также работает на кальций-активируемых калиевых каналах, усиливая его ингибирующее действие на нейроны и скелетные мышцы. Некоторые изоформы TEA полезны для пациентов с тяжелой формой болезни Альцгеймера , поскольку блокирование каналов KCNB1 снижает количество нейронального апоптоза, тем самым замедляя скорость деменции. [22] Это объясняется окислительными свойствами канала, обусловленными ROS. [9]
Широко распространено мнение, что окислительное повреждение играет роль в нейродегенеративных расстройствах, включая болезнь Альцгеймера . Такой окислительный стресс изменяет окислительно-восстановительную чувствительность задержанного выпрямителя Kv2.1, что приводит к модуляции канала. [8] Исследования in vitro и исследования на животных моделях показывают, что когда KCNB1 окисляется, он больше не проводит, что приводит к гиперполяризации и гибели нейронов; окисленный KCNB1 также скапливается в липидных плотах и не может быть интернализован, что также приводит к апоптозу. Эти изменения нарушают нормальную нейронную сигнализацию и увеличивают вероятность неврологических заболеваний. Окисленные (олигомеризованные) каналы KCNB1 присутствуют в гиппокампе старых (стадия Браака 1-2) и доноров с болезнью Альцгеймера (стадия Браака 5) обоих полов [20] [23]
Как указывалось ранее, окислительные и нитрозативные повреждающие стимулы также активируют каскад, вызывающий гибель клеток, который способствует взаимодействию между синтаксином и Kv2.1, зависящему от цинка и кальция/кламодулина, что приводит к проапоптотической вставке дополнительных калиевых каналов в плазматическую мембрану. Эта новая популяция каналов способствует потере внутриклеточного калия, создавая благоприятную среду для активации протеазы и нуклеазы в поврежденных нейронах. [8] Агенты, которые мешают взаимодействию Kv2.1/синтаксин, обладают высокой нейропротекторной активностью в моделях острого ишемического повреждения (инсульт) [24]
Повышенная вероятность того, что канал останется открытым, также может потенциально приводить к нейродегенерации. Деменция, связанная с вирусом иммунодефицита человека 1-го типа (ВИЧ-1) (HAD), может быть вызвана переизбытком глутамата , что, в свою очередь, может вызвать повышенный уровень кальция, который, в свою очередь, может приводить к кальций-зависимому дефосфорилированию каналов KCNB1, что увеличивает вероятность активации канала и проводимости тока. Усиленный ток KCNB1 связывает сокращение клеток, связанное с апоптозом, и дендритное бусинообразование, что приводит к уменьшению долгосрочной потенциации . Эти нейронные модификации могут объяснить атрофию объема клеточного слоя и гибель клеток на поздней стадии, наблюдаемую при заболевании HAD. [25]
Эксплуатация этого канала выгодна для выживания раковых клеток, поскольку они обладают способностью производить гем-оксигеназу-1 , фермент, способный генерировать оксид углерода (CO). Онкогенные клетки получают выгоду от производства CO из-за антагонистических эффектов канала KCNB1. Ингибирование KCNB1 позволяет раку пролиферировать без апоптотического пути, предотвращающего образование опухоли. Хотя калиевые каналы изучаются как терапевтическая мишень для рака, эта апоптотическая регуляция зависит от типа рака, типа калиевого канала, уровней экспрессии, внутриклеточной локализации, а также регуляции про- или антиапоптотическими факторами. [26]
Было показано, что KCNB1 взаимодействует с:
В данной статье использован текст из Национальной медицинской библиотеки США , являющийся общественным достоянием .