Кислотно-чувствительные ионные каналы ( ASIC ) представляют собой нейронные натриевые каналы, нечувствительные к напряжению, активируемые внеклеточными протонами, проницаемыми для Na + . ASIC1 также демонстрирует низкую проницаемость для Ca2 + . [2] Белки ASIC являются подсемейством суперсемейства ионных каналов ENaC /Deg . Эти гены имеют варианты сплайсинга , которые кодируют несколько изоформ , отмеченных суффиксом. У млекопитающих кислотно-чувствительные ионные каналы (ASIC) кодируются пятью генами , которые производят субъединицы белка ASIC: ASIC1, ASIC2, ASIC3, ASIC4 и ASIC5 . [3] Три из этих белковых субъединиц собираются, образуя ASIC, который может объединяться как в гомотримерные, так и в гетеротримерные каналы, обычно встречающиеся как в центральной нервной системе , так и в периферической нервной системе . [2] Однако наиболее распространенными ASIC являются ASIC1a и ASIC1a/2a и ASIC3. ASIC2b нефункционален сам по себе, но модулирует активность канала, участвуя в гетеромультимерах, а ASIC4 не имеет известной функции. В широком смысле ASIC являются потенциальными мишенями для лекарств из-за их участия в патологических состояниях, таких как повреждение сетчатки, судороги и ишемическое повреждение мозга. [4] [5]
Каждый кислоточувствительный ионный канал состоит из последовательности из 500-560 аминокислот, которая сконструирована в шесть трансмембранных сегментов — по два на субъединицу (TMD1 и TMD2), цитоплазматические амино-карбоксильные концы и большой внеклеточный домен. [3] Внутриклеточные амино-карбоксильные концы доменов жизненно важны для внутриклеточных белковых взаимодействий и модуляций канала, ионной проницаемости и пропускания. Однако пропускание и механика каждого кислоточувствительного ионного канала определяются комбинацией субъединиц ASIC, которые формируют его структуру. [3]
Механика функции поры имеет основополагающее значение для структуры канала. Между тремя субъединицами ASIC1 туннель простирается от вершины внеклеточных доменов до цитоплазмы клетки. Центральный туннель проходит непосредственно между тримерной единицей, где он имеет большие суженные области, которые меняют размер и форму в зависимости от состояния канала. [3]
Два трансмембранных домена (TMD1 и TMD2) каждой из трех субъединиц ASIC отвечают за пору канала. TMD2 в первую очередь участвует в выстилании просвета внутри поры и инактивационных ворот канала, тогда как TMD1 удерживает белок внутри липидного бислоя клетки . [6] TMD1 соединен с β-слоями внеклеточного домена, которые изгибаются, расширяя внеклеточный домен, чтобы обеспечить прохождение ионов через канал. [3] Между сегментами TMD2 находится селективный фильтр, который образует самую узкую часть поры, которая отвечает за проницаемость ASIC в основном для Na + . Для ASIC1 селективный фильтр образуют девять аминокислотных остатков , три из которых вносятся каждой субъединицей ASIC (Gly443, Ala444, Ser445). Названный «поясом GAS», все три карбонильных кислорода выстилают пору, создавая отрицательный потенциал, который способствует проводимости катионов. [3] Конкретный аминокислотный остаток аспартата на внеклеточном боковом просвете TMD2 в ASIC1 был связан с низкой проводимостью канала Ca 2+ . Кроме того, n-концевые остатки трансмембранной области также показали селективность для Na + , поскольку мутации в этой области изменили функцию и проводимость Na + . [3]
ASIC имеют большую, похожую на кулак внеклеточную область, которая потребляет большую часть структуры белков. Внутри ее «подобной кулаку» структуры есть домены запястья, ладони, пальца, сустава, большого пальца и β-шарика. «Ладонь» составляет большую часть внеклеточного домена, образованного семью β-слоями, тогда как остальные вторичные структурные домены состоят из α-спиральных сегментов. [3] Отличаясь своими специфическими конфигурациями аминокислот, внеклеточная область имеет основополагающее значение для индукции активации/инактивации вместе с регулированием pH . Специфическая область петли β-слоя между доменами «ладони» и «большого пальца» показала участие в передаче сигнала из внеклеточного домена в трансмембранные области, что приводит к конформационному изменению ASIC в его открытое состояние. [3] Однако остается довольно неопределенным, какие именно остатки взаимодействуют с протонами для активации канала. В 2009 году исследования, возможно, установили связь между ароматическими остатками Tyr72, Pro287 и Trp288 и протонным управлением ASIC. [3] Эти остатки образуют кислотный карман, который выражает электростатические потенциалы, которые отвечают за зависимость от pH при активации и модуляции канала. [7] Этот карман во внеклеточном домене действует как резерв для катионов, чтобы концентрироваться для дальнейшей помощи в притоке Na + . Гликозилирование также очевидно во внеклеточном регионе, играя важную роль в перемещении канала к поверхности мембраны, а также устанавливая чувствительность ASIC к уровням pH. Дальнейшие экспериментальные данные показали, что Ca2 + также может играть ключевую роль в модуляции протонного сродства ASIC как внутри поры, так и во внеклеточном домене. [3]
Роль ASIC заключается в том, чтобы определять пониженные уровни внеклеточного pH и вызывать ответ или сигнал от нейрона. Долгое время считалось, что лиганд, связывающийся с сайтом активации, состоит исключительно из протонов; однако недавние исследования показали, что ASIC4 и ASIC1 могут активироваться при нормальных уровнях pH, что указывает на другие типы связывателей лигандов. [8] В условиях повышенной кислотности протон связывается с каналом во внеклеточной области, активируя ионный канал для прохождения конформационного изменения, тем самым открывая трансмембранный домен 2 (TMD2). Это приводит к притоку ионов натрия через просвет TMD2. Все ASIC специфически проницаемы для ионов натрия. Единственным вариантом является ASIC1a, который также имеет низкую проницаемость для ионов кальция. Приток этих катионов приводит к деполяризации мембраны. Активируются потенциалзависимые каналы Ca 2+, что приводит к притоку кальция в клетку. Это вызывает деполяризацию нейрона и высвобождает возбуждающую реакцию. В ASIC1a увеличение Ca 2+ внутри клетки является результатом притока кальция непосредственно через канал. [8]
После активации ASIC может продолжать запускать множество различных эффекторных белков и сигнальных молекул, что приводит к различным реакциям клетки. А именно, α-актинин приводит к повышенной чувствительности к pH и восстановлению десенсибилизации. Они также могут увеличивать плотность тока через канал. [8] Существует также много протеинкиназ , которые регулируют функцию ASIC посредством фосфорилирования . К ним относятся протеинкиназа A (PKA) и протеинкиназа C (PKC). Считается, что существует гораздо больше регуляторов, однако их эффекты не были экспериментально подтверждены. [8]
Есть и другие факторы, которые могут играть роль в регуляции ASIC. Говорят, что наличие зрелых N-связанных гликанов на поверхности канала позволяет каналу преимущественно перемещать ASIC1a. Это является результатом увеличения участков N-гликозилирования на ASIC1a и ASIC2a. [8] Высокие уровни глицерина (известного как ускоряющий созревание белка) на поверхности ASIC2 также способствуют выводу о том, что регуляция функции этих каналов зависит от созревания белка. Также предполагается, что окисление играет роль в перемещении. [8]
Большинство ASIC экспрессируются в нервной системе. ASIC1, ASIC2, ASIC2b и ASIC4 обычно экспрессируются как в центральной, так и в периферической нервной системе, тогда как ASIC1b и ASIC3 обычно локализуются только в периферической.
В периферической нервной системе ASIC расположены в телах клеток постсинаптических мембран и сенсорных нервных окончаний. Кроме того, ASIC обычно находятся в афферентных нервных волокнах кожи, мышц, суставов и внутренних органов, где они, как было обнаружено, связаны с болью, вкусом и желудочно-кишечными функциями. [6]
В центральной нервной системе ASIC обычно находятся в заднем роге спинного мозга . [4] ASIC1 особенно сконцентрирован в миндалевидном теле , что иллюстрирует его роль в тревожном поведении, а ASIC3 был обнаружен в органе Корти и спиральном ганглии, что иллюстрирует роль этого специфического канала в слуховом и зрительном восприятии. [6] Субъединицы ASIC1a, ASIC2a и ASIC2b также были обнаружены в гиппокампе. [9]
ASIC являются потенциальными лекарственными мишенями для лечения широкого спектра состояний, связанных как с ЦНС, так и с ПНС. [4] [5] Особый интерес для области боли представляет рецептор подтипа ASIC3, который специфически экспрессируется в ноцицепторах . Этот подтип демонстрирует двухфазный ток при активации протонов, где за начальным внутренним током Na + вскоре следует устойчивый катионный ток.
ASIC играют важную роль в функционировании сетчатки и обеспечивают защиту в ответ на яркий свет. Восприимчивость к повреждению сетчатки увеличивается после удаления гена ASIC2. Повышенный апоптоз происходит в ответ на яркий свет в гене ASIC2 -/- по сравнению с сетчаткой дикого типа. [8]
Каналы ASIC1a также играют роль в защите от судорожной активности. Судороги вызывают повышенную, неконтролируемую нейронную активность в мозге, которая высвобождает большое количество кислотных везикул. [5] Каналы ASIC1a открываются в ответ и, как было показано, защищают от судорог, уменьшая их прогрессирование. Исследования, изучающие это явление, показали, что удаление гена ASIC1a приводит к усилению судорожной активности. [8]
Каналы ASIC1a специфически открываются в ответ на pH 5,0-6,9 и способствуют патологии ишемического повреждения мозга, поскольку их активация вызывает небольшое увеличение проницаемости Ca 2+ и входящий поток Ca 2+ . Каналы ASIC1a дополнительно облегчают активацию потенциалзависимых каналов Ca2+ и каналов рецепторов NMDA при начальной деполяризации, способствуя значительному увеличению внутриклеточного кальция, что приводит к гибели клеток. [10] Возможный механизм гибели клеток, опосредованной каналами ASIC1a, обусловлен активацией других каналов, что приводит к повышению уровня Ca 2+ , что создает сигнальные пути для апоптоза и некроза в клетке. [5] Исследования по нокауту генов, а также блокады ASIC показали снижение объема инфаркта мозга на целых 60%, что позволяет предположить, что каналы ASIC играют важную роль в развитии патологических состояний, возникающих в результате ацидоза и повреждения нейронов, вызванного ишемией . [10] Эффекты блокад ASIC и NMDA были изучены для определения роли обоих каналов в токсичности Ca 2+ и оценки их соответствующих вкладов. Использование блокады для обоих каналов обеспечивает большую нейропротекцию, чем использование блокады только одного канала, а блокада ASIC создает пролонгированную эффективность блокады NMDA. [10]
Из-за роли кислоточувствительных ионных каналов в восприятии боли и нескольких патофизиологических процессах они имеют фармакологическое значение как лекарственная мишень для ингибирования. Кислоточувствительные ионные каналы обнаружены как в центральных, так и в периферических нейронах. Модуляция активности ASIC может дополнительно контролировать неблагоприятные поведенческие и эмоциональные симптомы хронической боли, такие как тревога и депрессия.
Кислотно-чувствительные ионные каналы (ASIC) активируются при pH ниже ~6 с вариабельностью в зависимости от типа канала и его расположения. Снижение pH может быть вызвано различными причинами, включая воспаление тканей, ишемический инсульт, накопление молочной кислоты из-за повышенного клеточного метаболизма. Активация канала вызывает повышенную проницаемость ионов натрия, что деполяризует клетку и вызывает запуск потенциала действия . Результирующие потенциалы действия можно модулировать с помощью ингибиторов малых молекул.
Амилорид является примером ингибитора ASIC, хотя и не считается высокоэффективным из-за значения IC50 в микромолярном диапазоне, но позволил провести исследования эффектов ингибирования ASIC при мигрени. Во время мигрени наблюдается кортикальная распространяющаяся депрессия, которая вызывает ионный дисбаланс и высвобождение заряженных молекул, которые могут активировать ASIC. Тестирование амилорида на грызунах показало снижение кортикальной распространяющейся депрессии во время мигрени. Исследования показали, что амилорид действует как конкурентный ингибитор глав ASIC. Использование амилорида также показало побочные эффекты у грызунов из-за ингибирования обменников натрия/кальция. Ингибирование этих обменников нарушает клеточный гомеостаз кальция и вызывает высокие уровни кальция в клетке, что объясняет сниженную нейропротекторную эффективность при использовании амилорида. Результаты, полученные в результате ингибирования ASIC амилоридом, являются многообещающими и подтверждают терапевтический потенциал. Однако из-за отсутствия специфичности и эффективности амилорида необходимо провести дальнейшую разработку препарата на его основе, прежде чем препарат может быть выпущен на рынок. [11] [10]
Маломолекулярный ингибитор, A-317567, демонстрирует больший терапевтический потенциал, чем амилорид, с более высокой специфичностью к каналам ASIC и повышенной эффективностью. Хотя A-317567 демонстрирует низкую селективность к различным типам каналов ASIC, результаты исследований in vivo показали, что побочные эффекты, наблюдаемые при использовании амилорида, избегаются благодаря специфичности A-317567 к ASIC. Кроме того, A-317567 обладает способностью поддерживать ингибирование устойчивых токов, что может быть многообещающим, особенно при хронических состояниях, опосредованных ацидозом. [10]
Самым эффективным и самым известным ингибитором ASIC является PcTX1. PcTX1 специфически ингибирует ASICa и имеет значение IC50 в наномолярном диапазоне — меньшее значение IC50, чем у всех других известных ингибиторов ASIC, которые находились в микромолярном диапазоне. Кроме того, PcTX1 не ингибирует другие потенциалзависимые ионные каналы или лигандзависимые каналы . Структура этого ингибитора представляет собой 40 аминокислот, связанных дисульфидными связями . Он был идентифицирован как пептидный токсин из южноамериканского тарантула Psalmopoeus Cambridge . [10] Когда PcTX1 вводили в базолатеральную миндалину крыс, симптомы, связанные с эмоциями и тревогой, связанные с болью, значительно уменьшались. [12] Мамбалгины, выделенные из яда черной мамбы, также были идентифицированы как мощные ингибиторы ASIC. [13]
Было обнаружено, что широко используемые нестероидные противовоспалительные препараты ( НПВП ) играют роль в ингибировании ASIC, что способствует модуляции боли. Хорошо известным механизмом действия НПВП является их ингибирование синтеза простагландина, основного воспалительного соединения. Однако результаты показывают, что НПВП, ибупрофен и аспирин, ингибируют ASIC со значениями IC50 350 мкМ и 260 мкМ соответственно. НПВП, вероятно, ингибируют ток ASIC во время острой боли, особенно вызванной воспалением тканей, и, таким образом, ингибируют сигнал к нейронам, чувствительным к боли. [10]
Благодаря дальнейшему исследованию фармакологического потенциала ингибирования ASIC, пациенты, страдающие от хронической боли и различных патологий, связанных с ацидозом, могут иметь больше вариантов лечения в будущем. Кроме того, исследования по открытию лекарств ASIC предоставляют больше знаний о функции самих каналов и их физиологическом значении.