Никотиновая кислота адениндинуклеотид фосфат ( NAADP ) является Ca 2+ -мобилизующим вторичным мессенджером, синтезируемым в ответ на внеклеточные стимулы. Как и его механистические собратья, IP 3 и циклическая аденозин дифосфорибоза ( циклическая АДФ-рибоза ), NAADP связывается и открывает Ca 2+ каналы на внутриклеточных органеллах, тем самым увеличивая внутриклеточную концентрацию Ca 2+ , которая, в свою очередь, модулирует различные клеточные процессы (см. Сигнализация кальция ). Структурно это динуклеотид, который отличается от кофактора фермента домашнего хозяйства NADP только гидроксильной группой (заменяющей аминогруппу никотинамида), и все же эта незначительная модификация превращает его в самый мощный Ca 2+ -мобилизующий вторичный мессенджер, который когда-либо был описан. NAADP действует во всех типах от растений до людей .
В своей эпохальной статье 1987 года [1] Хон Чунг Ли и коллеги обнаружили не один, а два вторичных посредника, мобилизующих Ca 2+ , cADPR и NAADP из эффектов нуклеотидов на высвобождение Ca 2+ в гомогенатах яиц морского ежа. Оказывается, NAADP был загрязняющей примесью в коммерческих источниках NADP , но только в 1995 году его структура была решена. [2] Первая демонстрация того, что NAADP может действовать в клетках млекопитающих (поджелудочная железа), появилась четыре года спустя. [3] Впоследствии NAADP был обнаружен в таких разнообразных источниках, как человеческая сперма, красные и белые кровяные клетки, печень и поджелудочная железа, и это лишь некоторые из них. [4]
Первая демонстрация того, что уровни NAADP увеличиваются в ответ на внеклеточный стимул, возникла при изучении оплодотворения морского ежа (NAADP изменялся как в яйцеклетках, так и в сперматозоидах при контакте). [5] Впоследствии другие типы клеток последовали этому примеру, как показано на примере поджелудочной железы (ацинарные и бета-клетки), Т-клеток и гладких мышц. Уровни увеличиваются очень быстро — и, возможно, предшествуют увеличению других мессенджеров IP 3 и cADPR [6] — но могут быть очень кратковременными (резко повышаясь и возвращаясь к базальным уровням в течение нескольких секунд). Механизмы трансдукции, которые связывают клеточные стимулы с такими увеличениями NAADP, плохо определены, с некоторыми предположениями о циклическом AMP [7] или самом цитозольном Ca 2+ [8] , стимулирующем синтез.
Независимо от деталей, нерешенным вопросом является то, что физиологический путь синтеза NAADP до сих пор не был однозначно идентифицирован — ни реакция(и), ни фермент(ы). Очевидно, что теоретически возможно существование нескольких путей синтеза, но это было бы беспрецедентно в мире вторичных мессенджеров. На сегодняшний день наиболее предпочтительная гипотеза — так называемая реакция обмена основаниями ( никотиновая кислота + НАДФ → НАДФ + никотинамид ; катализируемая АДФ-рибозилциклазами ), которые представляют собой семейство ферментов, включающее CD38 и CD157 у млекопитающих (и ортологов у морского ежа и Aplysia ovotestis). Они были впервые обнаружены как синтетические ферменты для cADPR, но позже было обнаружено, что это многофункциональные, беспорядочные ферменты, которые также могут производить NAADP. Конечно, продукция NAADP может происходить in vitro , но происходит ли это in vivo — это другой вопрос (поскольку генетический нокаут или выключение АДФ-рибозилциклазы не влияет на продукцию NAADP в некоторых типах клеток), и могут быть другие пути, которые требуют других субстратов и ферментов. [9]
Фермент SARM1 также катализирует образование NAADP из NAD+. [10]
Первый химический синтез НААДФ был осуществлен в 2004 году с использованием химико-ферментативного подхода: полный химический синтез НАДФ и последующее преобразование его в НААДФ ферментативным путем. [11]
Как и любая система вторичных посредников, сигнал должен быть прекращен, и должны быть пути для удаления NAADP, но опять же, мало что известно с какой-либо степенью уверенности. 2'-3'-фосфатаза, стимулируемая Ca 2+, была предложена в мозге [12] и, возможно, в панкреатических ацинарных клетках, которая катаболизирует NAADP до неактивного NAAD. Также было обнаружено, что CD38 расщепляет NAADP (до ADPRP — см. вставку). [10] NAADP также может быть восстановлен до NAADPH. [13]
Неудивительно, что три основных вторичных мессенджера не делают одно и то же и не всегда могут заменять друг друга. Физиологические последствия высвобождения Ca 2+ каждым мессенджером могут быть разными, то есть NAADP соединяется с последующими ответами, которые не могут быть имитированы IP3 и cADPR . Например, NAADP селективно стимулирует нейрональную дифференциацию [14] или экзоцитоз в цитотоксических Т-клетках [15] .
В отличие от IP3 и циклической АДФ-рибозы , которые преимущественно мобилизуют Ca 2+ из нейтрального и обильного хранилища эндоплазматического ретикулума (ЭР), NAADP селективно нацелен на кислые хранилища Ca 2+ [16] — обычно менее обильные, чем ЭР, но с ключевой ролью, которая противоречит их размеру. Этот сдвиг парадигмы от ЭР происходит из основополагающих исследований, снова на яйце морских ежей, которые показали, что высвобождение Ca 2+, опосредованное NAADP, было чувствительно к агентам, нацеленным на кислые органеллы (например, бафиломицин A1 ), но было менее чувствительно к тем, которые мешают хранению Ca 2+ в ЭР (например, тапсигаргин ). [16]
Это общий термин, который охватывает спектр кислых везикул, включая эндосомы , лизосомы и органеллы, связанные с лизосомами, а также секреторные везикулы и ацидокальцисомы. [17] Они представляют собой высокодинамичный континуум везикул с богатым разнообразием установленных биохимических ролей в клетках, к которым теперь можно добавить хранение Ca 2+ . Их люминальный pH является одной из характеристик, которая отличает данный класс везикул от другого: там, где эндосомы слабокислые (pH 6-6,5), лизосомы, как правило, наиболее кислые (pH 4,5-5,0), а секреторные везикулы, как правило, имеют pH 5,5. Ca 2+, как считается, становится все более важным для эндолизосомальной функции, например, трафика и аутофагии . Нарушения сигналов Ca 2+ могут иметь патофизиологические последствия, включая лизосомальные болезни накопления, такие как болезнь Ниманна-Пика, тип C и муколипидоз IV . [18]
Когда NAADP мобилизует Ca 2+ из этих хранилищ, pH хранилищ одновременно увеличивается (становится более щелочным), как показали исследования на яйце морских ежей, [19] сердце млекопитающих и поджелудочной железе. Имеет ли это последствия для функции везикул (или NAADP), еще предстоит выяснить, но pH просвета обычно имеет решающее значение для активности резидентного белка. [ необходима цитата ]
В других органеллах, хранящих Ca 2+ , таких как эндоплазматический ретикулум или аппарат Гольджи , хранилища заполняются насосами кальциевой АТФазы , типичными представителями которых являются вездесущие члены семейств SERCA или SPCA (секреторный путь Ca 2+ -АТФазы) соответственно. Поглощение Ca 2+ кислыми хранилищами происходит через другие белки: у дрожжей и растений (наиболее изученные системы) кислые вакуоли содержат два пути поглощения: высокоаффинную Ca 2+ -АТФазу и низкоаффинный антипортер Ca 2+ /H + (или обменник, в общем обозначаемый как CHX). Насосы отличаются от семейства SERCA (и, что важно, нечувствительны к своему ингибитору, тапсигаргину ), тогда как обменник использует градиент H + для управления поглощением Ca 2+ против его градиента концентрации. Гены, кодирующие эти белки, хорошо известны. [ необходима цитата ]
В высших организмах ситуация менее ясна. Поглощение Ca 2+ обычно происходит через нечувствительный к тапсигаргину путь (следовательно, исключая участие SERCA) и, по-видимому, зависит от градиента H + ; происходит ли это через один (неизвестный) CHX или через обменники в серии (например, обменник Na + /H +, связанный с обменником Na + /Ca 2+ ), не доказано. Кислотные везикулы в некоторых типах клеток вполне могут взять лист из книги дрожжей/растений и содержать два пути поглощения, но является ли это широко распространенным шаблоном, неясно. [ необходима цитата ]
При отсутствии селективных ингибиторов поглощения Ca 2+ (часто потому, что мы даже не знаем белок/путь), обычно происходит косвенное ингибирование поглощения Ca 2+ путем разрушения термодинамического привода (градиента H + ). Градиент H + может быть устранен либо с помощью ионофоров H + (протонофоров), таких как нигерицин или монензин , либо путем ингибирования V-АТФазы , которая генерирует градиент H +, такими соединениями, как бафиломицин A1 или конканамицин. [ необходима цитата ]
Даже из ранних пионерских работ на яйце морского ежа из фармакологического профиля было ясно, что NAADP действует на другой канал, нежели рецептор IP3 и рецептор рианодина , и это недавно было подтверждено молекулярной идентификацией рецептора NAADP как члена семейства TPC ( двухпоровый канал ). [20] [21] Как структурные промежуточные звенья между однодоменным TRP и четырехдоменным потенциал-зависимым кальциевым каналом , TPC образуют олигомеры (возможно, димеры) для формирования функционального канала Ca2 + . [22] Соответственно, эти каналы находятся на кислых органеллах (включая различные классы эндосом и лизосом ), вероятно, из-за наличия эндолизомальных целевых последовательностей. [23]
Эффект генетической манипуляции уровнями TPC (т. е. сверхэкспрессия, нокдаун или нокаут) согласуется с тем, что TPC являются каналом, управляемым NAADP. Более того, TPC повторяют многие характеристики высвобождения Ca 2+ , вызванного NAADP, т. е. они способствуют высвобождению Ca 2+ из кислых хранилищ, коррелируют с сайтами связывания NAADP, демонстрируют колоколообразную кривую концентрации NAADP-реакции, чувствительность к антагонисту NAADP, Ned-19, и обеспечивают триггерный Ca 2+ , который впоследствии усиливается каналами Ca 2+ ER .
Существует 3 гена, которые кодируют три изоформы TPC1-3, которые существенно отличаются друг от друга по своей первичной последовательности (но эти различия сохраняются у разных видов, так что TPC1 человека и морского ежа более тесно связаны, чем TPC1 человека и TPC2 человека). Более того, изоформы TPC демонстрируют различное распределение органелл, при этом TPC1 обнаруживается по всей эндо-лизосомальной системе (хотя преимущественно в рециркуляции и ранних эндосомах), тогда как TPC2 демонстрирует более ограниченную локализацию в поздних эндосомах/лизосомах. [24]
Несмотря на растущее количество литературы, поддерживающей TPC как канал, регулируемый NAADP, в 2012/13 гг. это было оспорено сообщениями о том, что TPC, вместо этого, являются Na + -каналами, регулируемыми эндолизосомальным липидом, фосфатидилинозитол 3,5-бисфосфатом , PI(3,5)P2 [ 25] , а также метаболическим состоянием (через АТФ и mTOR ). [26] Это противоречие в конечном итоге переросло в новую модель того, как работают TPC.
Проблема подняла два разных, но взаимосвязанных вопроса: (а) TPC нечувствительны к NAADP; (б) TPC проницаемы для Na + (но не для Ca 2+ -).
Неожиданный вывод 2012 года о том, что TPC не участвуют в передаче сигналов NAADP, был обусловлен двумя техническими трудностями, которые с тех пор были преодолены или объяснены.
(i) Трансгенные мыши (спроектированные для нокаута как TPC1, так и TPC2; двойной нокаут, DKO) сохранили чувствительность к NAADP. Однако другие подвергают сомнению, являются ли эти мыши истинными DKO, когда они, как прогнозируется, сохраняют >90% последовательностей белка TPC (т.е. они экспрессируют только слегка укороченные TPC, которые все еще функциональны и чувствительны к NAADP [27] ). У другой мыши DKO, которая явно TPC-нулевая, ответы NAADP полностью отменены, подтверждая, что TPC являются мишенью NAADP. [27]
(ii) Авторы не смогли наблюдать стимулированные NAADP токи в заплатанных лизосомах. Эти технически сложные протоколы были преодолены другими, которые успешно наблюдали зависимые от TPC лизосомальные токи, зависящие от NAADP.
Несколько групп повторно исследовали свойства проницаемости TPC и их роль в высвобождении Ca 2+, вызванном NAADP , и пришли к выводу, что TPC действительно проницаемы для Na +, но они не обязательно могут повторить селективность Na +, показанную в исследованиях 2012/13 гг. [28] [29] [30] [31] Поэтому изначально предполагалось, что TPC могут проводить как Ca 2+ , так и Na + (аналогично рецептору NMDA плазматической мембраны).
По мере публикации большего количества исследований, почему некоторые группы наблюдают селективность Na + , а другие видят смешанную проницаемость Na + /Ca 2+ , было неясно до важного осознания того, что ионная селективность TPC2 полностью зависит от активирующего лиганда. Токи, активированные PI(3,5)P 2 , в основном переносились Na + , тогда как токи, активированные NAADP , показали восьмикратное увеличение проницаемости Ca 2+ . Это удобно объяснило расхождения между группами, а также показало, что TPC2 необычайно пластичен в работе в различных модальностях проводимости.
С тех пор стало ясно, что TPC2 может синергически активироваться путем совместного применения NAADP и PI(3,5)P2 , хотя молекулярные механизмы этого неясны.
Таким образом, TPC2 может функционировать как канал Ca2 + или Na + в зависимости от того, активирует ли его NAADP или липид.
IP3 напрямую связывается со своим родственным рецептором IP3 , который, таким образом, является настоящим лиганд-управляемым ионным каналом. Напротив, NAADP, по-видимому, не связывается напрямую с TPC, а требует промежуточного неизвестного вспомогательного белка(ов). В гомогенате яиц морского ежа и Т-клетках связывающий белок(и) может быть меньше, чем сами TPC, судя по фотоаффинной маркировке с помощью [ 32 P]азидо-NAADP. Поэтому считалось, что рецептор NAADP представляет собой многобелковый комплекс на кислых везикулах. [32] [33] [34]
Несмотря на десятилетие трансплантации с использованием обычной биохимической очистки, эти белки оставались неуловимыми. Недавно, наконец, были идентифицированы два различных белка, связывающих NAADP, которые необходимы для активации TPC: LSm12 и JPT2.
20kDa Jupiter microtubule-associated homolog 2 ( JPT2 ) (также известный как HN1L) был первым вспомогательным белком, который был опубликован как медиатор NAADP-зависимого высвобождения Ca 2+ . [35] [36] Оба исследования использовали один и тот же новый «кликабельный» фотозонд NAADP, но независимо от различных типов клеток крови авторы сошлись на одном и том же молекулярном партнере (хотя исследования различаются по активируемому каналу). JPT2 связывает [ 32 P]NAADP с селективностью по спектру различных нуклеотидов. [36] В исследованиях высвобождения Ca 2+ зависимые от NAADP сигналы ингибировались нокдауном siRNA JPT2, но не его гомолога JPT1, что свидетельствует о специфичности изоформы. Интересно, что JPT2 продемонстрировал предпочтительное взаимодействие с TPC1 по сравнению с TPC2. [36] Учитывая, что TPC, как известно, способствуют проникновению патогенов в клетки, поразительно, что проникновение псевдовируса тяжелого острого респираторного синдрома коронавируса 2 (SARS-CoV-2) также было снижено за счет подавления гена JPT2.
Используя совершенно иные методы аффинности, другие исследователи неожиданно идентифицировали члена семейства РНК-связывающих белков LSm (LSm12) как зависимый от NAADP вспомогательный белок для TPC. [37] Состоящий из двух доменов (домен LSm N-конца и домен связывания антикодона [AD] C-конца), LSm12 опосредует активацию TPC посредством NAADP через свой домен LSm. [37] Этот домен связывает NAADP с соответствующим наномолярным сродством и селективностью по сравнению с NADP и, по-видимому, необходим для активации либо TPC1, либо TPC2 (в отличие от селективности изоформ JPT2). Другие члены семейства LSm (5 и 11) не потребовались.
Тот факт, что два совершенно разных белка потенциально сходятся при активации TPC, поднимает в будущем вопросы о том, являются ли оба белка, связывающие NAADP, частью общего комплекса или пути.
В дополнение к NAADP-затвору канала, есть данные, что люминальный pH также влияет на активность канала TPC, либо TPC1 [1], либо TPC2 [2][3]. Однако четкого консенсуса относительно влияния pH не было достигнуто, некоторые предполагают, что кислый pH благоприятствует открытию TPC1 или TPC2, тогда как другие сообщают, что более щелочной pH благоприятствует открытию TPC2. [38]
Кроме того, люминальный Ca 2+ также способствует открытию TPC1 и TPC2 (в последнем случае люминальный Ca 2+ также сенсибилизирует TPC к NAADP (аналогично люминальной регуляции Ca 2+ IP3R и RyR), но это требует более широкого изучения изоформ и видов. [ необходима ссылка ] Это один из способов, посредством которого может происходить перекрестное взаимодействие между кислыми хранилищами Ca 2+ и ЭР, т.е. высвобождение Ca 2+ из ЭР может «подготавливать» кислые хранилища Ca 2+ и способствовать дальнейшим зависимым от NAADP реакциям Ca 2+ [4].
Ранние данные были против регулирования рецептора NAADP цитозольным Ca 2+ или pH. [39] С тех пор было показано , что Ca 2+ стимулирует человеческий TPC1 как на его цитозольной, так и на люминальной поверхности. [40] [41]
Еще в 2009 году был обнаружен селективный проникающий в клетки антагонист NAADP, транс- Ned-19 [42], который блокирует сигналы Ca 2+ и последующие зависимые от Ca 2+ процессы, такие как дифференциация. [43] До этого можно было использовать только высокие концентрации блокаторов каналов Ca 2+ L-типа (например, дилтиазем , дигидропиридины ) (с очевидными опасениями относительно эффектов, не связанных с NAADP). [44] Незначительная модификация Ned-19 дала другой, более растворимый антагонист, Ned-K. [45]
Хотя это и не истинный антагонизм, «рецептор» NAADP может самоинактивироваться при связывании с невысвобождающимися концентрациями самого NAADP. [46] [47] Такие инактивирующие предварительные импульсы NAADP были первой стратегией для вовлечения NAADP в последующие физиологические пути. [ необходима цитата ]
NAADP заряжен и не может пересекать клеточные мембраны. Поэтому был синтезирован неактивный липофильный предшественник эфира (NAADP/AM), который пересекает мембраны и быстро регенерирует NAADP в цитозоле после действия эндогенных эстераз. [48]
Caged NAADP — это неактивный, мембранонепроницаемый аналог NAADP, который может быть введен в клетки с помощью микроинъекции или пипетки. Флэш-фотолиз с источником УФ-света быстро преобразует его в NAADP, что позволяет экспериментатору точно манипулировать уровнями NAADP во времени и пространстве. [49]
Косвенным способом ингибирования действия NAADP является истощение его целевых запасов Ca 2+ . Как отмечено выше, это обычно влечет за собой коллапс градиента H + либо с помощью ингибиторов V-АТФазы (например, бафиломицина A1 ), либо протонофоров (например, нигерицина или монензина ). В тромбоцитах было высказано предположение, что ингибирование SERCA3 с помощью tBHQ также может отменить сигналы, зависящие от NAADP. [ необходима цитата ]
Два паралогичных фермента — трансмембранный CD38 и GPI-заякоренный CD157, которые продуцируют NAADP (и cADPR) у людей, оба имеют свой активный сайт синтеза в эктодомене. Хотя это может включать везикулярный синтез, но было показано, что он продуцируется на внеклеточных участках, а также может действовать, когда продуцируется другой клеткой или искусственно добавляется извне. Таким образом, NAADP должен проникать в клетку либо путем диффузии, либо путем транспорта. Учитывая тот факт, что сам субстрат синтеза NAADP (NADP) очень редок во внеклеточной среде, предполагалось, что механизм, основанный на диффузии через кошельки, менее вероятен, чем путь, опосредованный транспортером. Это согласуется с недавними данными, которые указывают на транспорт, опосредованный переносчиком, частично блокируемый дипиридамолом и холодной температурой. [50]
У ER и кислых хранилищ Ca 2+ есть как сходства, так и ключевые различия. Оба транспортируют Ca 2+ в свои просветы, где он хранится, и впоследствии высвобождается в ответ на стимулы путем открытия резидентных каналов Ca 2+ . Действительно, свободный [Ca 2+ ] каждого из них в целом схож (~0,5-1,0 мМ). Однако они различаются по когорте транспортеров, их люминальному pH и общему объему на клетку. Общее количество Ca 2+ , которое хранится в каждом, является произведением объема и концентрации; поскольку [Ca 2+ ] одинаково для каждого, общее количество высвобождаемого Ca 2+ прямо пропорционально объему органеллы, и поэтому лизосомы могут высвобождать только небольшое количество Ca 2+ по сравнению с ER.
Это важно, поскольку максимальный выброс Ca 2+ из лизосом настолько мал, что часто «невидим» в глобальных записях Ca 2+, например, с использованием цитозольных флуоресцентных репортеров. Напротив, Ca 2+, полученный из ЭР, является глобально существенным, а преобладающий внутриклеточный сигнал виден в глобальных записях.
Если лизосомальное высвобождение Ca 2+ настолько мало, как тогда оно может влиять на клеточную физиологию? Ответ заключается в том, что оно может оказывать свое воздействие в двух различных сигнальных модальностях: локальной и глобальной, как будет описано ниже.
Однако при бактериальной инфекции индукция NAADP лизосомального оттока Ca 2+ и активация TFEB приводит к усилению экспрессии воспалительных цитокинов . [51]
Поскольку диффузия Ca 2+ в клетке пространственно ограничена, Ca 2+, высвобождаемый каналом, не перемещается далеко от своего источника (устья канала) — модельные оценки находятся в диапазоне 50 нм. Таким образом, небольшое общее количество Ca 2+, высвобождаемое из лизосомальных каналов, будет образовывать локально высокие [Ca 2+ ] домены вокруг цитозольной поверхности лизосомальных Ca 2+ каналов. Благодаря стратегическому размещению Ca 2+ -чувствительных декодирующих белков внутри этих доменов (например, в комплексе с каналом), локальные сигналы Ca 2+ могут стимулировать Ca 2+ -зависимые события — что особенно важно, даже при отсутствии глобального цитозольного сигнала Ca 2+ . Это модальность, когда лизосомы действуют сами по себе.
Сообщалось, что ось NAADP/TPC демонстрирует такую компартментацию сигнала, такую локальную сигнализацию Ca 2+ в различных физиологических условиях. Другими словами, эта локальная модальность может объяснить, почему некоторые процессы управляются исключительно NAADP/TPC, а не другими сигнальными путями Ca 2+ . Например, NAADP/TPC являются уникальными драйверами уничтожения клеток цитотоксическими Т-клетками . [52] Аналогично, фагоцитоз через рецептор Fc в макрофаге управляется только высоколокальными доменами Ca 2+, генерируемыми NAADP/TPC (тогда как глобальные сигналы ER Ca 2+ не играют никакой роли). [53] Эта уникальная зависимость не ограничивается иммунными клетками, но также наблюдается в нейронах во время долговременной потенциации , [54] и нейрональной дифференцировки. [55] [56] Ангиогенез является другим путем, зависящим от NAADP/TPC. [57]
Другая модальность заключается в том, что лизосомы действуют не просто в одиночку, а совместно с ЭР. В этом сценарии лизосомы сначала обеспечивают локальное, «триггерное» высвобождение Ca 2+ , которое затем вторично рекрутирует IP3R или RyR на ЭР посредством высвобождения кальция, вызванного кальцием («усилитель»). В этом режиме лизосомы косвенно вызывают глобальный цитозольный сигнал Ca 2+ (который на самом деле опосредован ЭР). Таким образом, лизосомальное высвобождение Ca 2+ усиливается, что называется «триггерной гипотезой».
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )