Регулируемые по объему анионные каналы ( VRAC ) имеют решающее значение для регуляции размера клеток путем транспортировки ионов хлора и различных органических осмолитов , таких как таурин или глутамат , через плазматическую мембрану , [1] и это не единственная функция, с которой связаны эти каналы. Некоторые исследования также предполагают, что VRAC также могут быть водопроницаемыми. [2]
Регулирование объема клетки необходимо не только для предотвращения отека или усадки, вызванных изменением среды клетки, но и на всех этапах жизни клетки. Изменение объема клетки, будь то набухание или усадка, обычно происходит без существенных изменений, таких как экзоцитозная вставка или эндоцитозное извлечение плазматической мембраны. [1] Вместо этого регулирование объема в основном происходит посредством транспорта калия, натрия, хлорида и органических осмолитов через мембрану. [1] Последствия того, что клетки не могут регулировать свой размер объема по отношению к окружающей среде, велики, поскольку набухание приводит к лизису , а усадка в конечном итоге приводит от дегидратации к апоптозу . [3] Конкретная роль, которую VRAC играют в регуляции объема клетки, заключается в регуляторном уменьшении объема (RVD) клеток. [1]
Исследования VRAC привели некоторых к выводу, что они широко экспрессируются в клетках млекопитающих и что они могут быть даже повсеместно экспрессированы. [4] Также было показано, что VRAC участвуют в фундаментальных клеточных процессах, отличных от базовой регуляции объема, таких как пролиферация клеток , миграция и апоптоз . [5] [6]
Хотя научное сообщество знает о VRAC уже давно, [7] только недавно был открыт молекулярный состав каналов. Они состоят из гетеромеров белка LRRC8 , которые имеют пять вариаций. [8] Однако, конкретный состав LRRC8A , LRRC8B , LRRC8C , LRRC8D и LRRC8E , необходимый для правильного функционирования VRAC, неизвестен. LRRC8A сам по себе может образовывать гексамерный VRAC, для которого была определена циро-ЭМ-структура в его мышиных и человеческих версиях. [9] [10] [11]
Исследования также показали, что изменения в составе субъединиц приводят к изменениям в способности VRAC транспортировать определенные метаболиты . [12] Например, субъединица LRRC8D , входящая в состав VRAC, тесно связана с транспортировкой таурина вместе со специфическими противораковыми препаратами. [12] Благодаря подобным экспериментам мы знаем, что белки LRRC8, вероятно, также создают поры VRAC.
Что касается механизма VRAC, недавние исследования показали, что они активируются при снижении внутриклеточной ионной силы, что подразумевает, что VRAC могут также действовать как сенсоры, а также как факторы, влияющие на регуляцию объема клетки. [13] Однако исследователям не удалось обнаружить никаких внутриклеточных сигнальных механизмов, которые играли бы доминирующую роль в активации VRAC. [3]
Трансмембранная часть белков LRRC8 похожа на таковую в паннексинах . [14]
VRAC имеют решающее значение для транспортировки не только хлорида, но и таурина , глутамата и аспартата . [3] [1] Эти органические осмолиты важны не только для регуляции клеточного объема, но и для внеклеточной сигнализации. Чтобы подготовить почву для роли VRAC во внеклеточной сигнализации, мы должны обсудить некоторые последствия, которые высвобождение глутамата и таурина из VRAC имеет для окружающих нейронов соответственно.
Для глутамата , когда возбуждающие нейротрансмиттеры высвобождаются и активируют каналы на окружающих нейронах , это приводит к сверхактивной деполяризации и увеличению ионов кальция, и в конечном итоге к клеточному апоптозу . [3] Это обычно называется эксайтотоксичностью, и обычно это приводит к отеку нейронов. [6] Выделение VRAC органических осмолитов в ответ на этот отек и приток ионов, скорее всего, помогает предотвратить разрыв нейрона , поскольку высвобождение неорганических соединений из клетки было связано только с уменьшением клеточного объема примерно на 20-30%. [15] Тем не менее, в дополнение к предотвращению лизиса нейрона, высвобождение таурина и глутамата также будет продолжать распространять эффект эксайтотоксичности на соседние нейроны . Наиболее значимыми клетками для изучения роли VRAC и реакции на эксайтотоксичность являются астроциты . Это связано с их ролью в качестве сторонников нейронной коммуникации в мозге, тем фактом, что они, как было доказано, содержат VRAC, и тем фактом, что они были обнаружены в опухшем состоянии в ответ на патологии, связанные с эксайтотоксичностью . [3] Как мы уже говорили, увеличение стимуляции нейрона приводит к эксайтотоксичности , и глутамат является одним из нейротрансмиттеров , который в избытке может вызывать эту нейронную реакцию. Существует множество патологий, приписываемых этой клеточной реакции, включая инсульт и гипогликемию среди других. [16] Например, несколько исследований показали, что активация клеточного VRAC астроцитов может быть связана с увеличением таких веществ, как АТФ, связанным с инсультом . [17] Эксперименты показали, что ингибиторы VRAC способны снижать связанное с инсультом высвобождение возбуждающих нейротрансмиттеров в мозге; [6] Это означает, что VRAC, вероятно, активируются увеличением клеточного АТФ и других молекул в астроцитах , а высвобождение глутамата этими клетками приводит к деполяризации нейронов вокруг них, повышению концентрации ионов кальция и апоптозу . [6]
Другой органический осмолит, связанный с VRAC, таурин , также имеет множество внеклеточных сигнальных функций. В частности, считается, что высвобождение таурина из глии VRAC связано с системной регуляцией объема в осмочувствительном супраоптическом ядре (SON). [18] Сначала исследователи думали, что нейроны, обнаруженные в SON, не способны подвергаться RVD, но позже было обнаружено, что они в конечном итоге вырабатывают ток ионов хлора по истечении определенного периода времени. [18] Астроциты снова были изучены в связи с этим открытием, и они обнаружили, что клетки легко реагируют на гипертоническую среду, высвобождая таурин через каналы, подобные VRAC. [18] В свою очередь, таурин активирует хлоридные каналы рецептора глицина на соседних нейронах SON, что заставляет их гиперполяризоваться . [18] Поскольку нейроны SON сжимаются и деполяризуются в гипертонической среде, [18] это взаимодействие между астроцитами действует как ингибитор секреции вазопрессина SON.
На основании этих исследований, проведенных по роли VRAC как в условиях эксайтотоксичности , так и в регуляции осмочувствительного супраоптического ядра (SON), существуют большие последствия для фактического влияния этого канала на повседневную нейронную активность. Вероятно, что VRAC играют много важных ролей в нейронной регуляции; однако исследователям трудно сузить сферу их эффектов. Другим важным аспектом нейронов, который следует иметь в виду, является то, что котранспортеры калия, хлорида (KCC) являются другими белками, которые также являются частью процесса RVD и активируются, когда клетки подвергаются набуханию. [3] [1] Это важно иметь в виду, поскольку VRAC — не единственные присутствующие молекулы, которые помогают в регуляции объема клеток, и недавние исследования показали, что вероятность того, что эти два канала работают совместно, высока. [3]
В дополнение к связям, представленным в обсуждении многочисленных ролей VRAC в нейронах , исследования показали, что сокращение клеток в значительной степени предшествует гибели клеток (известной как AVD – апоптотическое уменьшение объема), [19] и были исследования, которые показали, что VRAC играют роль в этом процессе. [5] Вполне вероятно, что ингибирование сокращения клеток связано с ингибиторами VRAC или с общим нарушением белков LRRC8. [5] [19] Это ингибирование или нарушение в конечном итоге приводит к подавлению апоптоза, вызванного лекарственными средствами . Следовательно, VRAC могут играть роль в устойчивости к лекарственным средствам при определенных типах рака.