G-proteinstyrd jonkanal
G-protein-styrda jonkanaler är en familj av transmembrana jonkanaler i neuroner och förmaksmyocyter som är direkt gated av G-proteiner .
Översikt över mekanismer och funktion
Generellt är G-proteinstyrda jonkanaler specifika jonkanaler belägna i plasmamembranet hos celler som är direkt aktiverade av en familj av associerade proteiner . Jonkanaler möjliggör selektiv rörelse av vissa joner över plasmamembranet i celler. Mer specifikt, i nervceller, tillsammans med jontransportörer, är de ansvariga för att upprätthålla den elektrokemiska gradienten över cellen.
G-proteiner är en familj av intracellulära proteiner som kan förmedla signaltransduktionsvägar. Varje G-protein är en heterotrimer av tre subenheter: a-, β- och y-subenheter. α-subenheten (G α ) binder typiskt G-proteinet till ett transmembranreceptorprotein känt som en G-proteinkopplad receptor eller GPCR . Detta receptorprotein har en stor, extracellulär bindningsdomän som kommer att binda sina respektive ligander (t.ex. neurotransmittorer och hormoner). När liganden väl är bunden till sin receptor sker en konformationsförändring. Denna konformationsförändring i G-proteinet tillåter Ga att binda GTP. Detta leder till ytterligare en konformationsförändring i G-proteinet, vilket resulterar i separationen av βγ-komplexet (Gβγ ) från Ga . Vid denna tidpunkt är både Ga och Gβy aktiva och kan fortsätta signaltransduktionsvägen. Olika klasser av G-proteinkopplade receptorer har många kända funktioner inklusive signaltransduktionsvägarna cAMP och fosfatidylinositol . En klass känd som metabotropa glutamatreceptorer spelar en stor roll i indirekt jonkanalaktivering av G-proteiner. Dessa vägar aktiveras av andra budbärare som initierar signalkaskader som involverar olika proteiner som är viktiga för cellens svar.
G-proteinstyrda jonkanaler är associerade med en specifik typ av G-proteinkopplad receptor. Dessa jonkanaler är transmembranjonkanaler med selektivitetsfilter och ett G-proteinbindningsställe. GPCR associerade med G-proteinstyrda jonkanaler är inte involverade i signaltransduktionsvägar. De aktiverar endast dessa jonkanaler direkt med effektorproteiner eller själva G-proteinsubenheterna (se bild). Till skillnad från de flesta effektorer har inte alla G-proteinstyrda jonkanaler sin aktivitet medierad av Ga av deras motsvarande G-proteiner. Till exempel förmedlas öppningen av inåtriktande K + (GIRK)-kanaler av bindningen av Gpy .
G-proteinstyrda jonkanaler finns främst i CNS - neuroner och förmaksmyocyter och påverkar flödet av kalium (K + ), kalcium (Ca2 + ), natrium (Na + ) och klorid (Cl- ) över plasmamembranet .
Typer av G-proteinstyrda jonkanaler
Kaliumkanaler
Strukturera
Fyra G-proteinstyrda inåtriktande kalium- kanalsubenheter ( GIRK ) har identifierats i däggdjur: GIRK1 , GIRK2 , GIRK3 och GIRK4 . GIRK-underenheterna går samman för att bilda GIRK-jonkanaler. Dessa jonkanaler, när de väl har aktiverats, tillåter flödet av kaliumjoner (K + ) från det extracellulära utrymmet som omger cellen över plasmamembranet och in i cytoplasman . Varje kanal består av domäner som spänner över plasmamembranet och bildar det K + -selektiva porområdet genom vilket K + -jonerna kommer att flöda. Både de N- och C-terminala ändarna av GIRK-kanalerna är belägna i cytoplasman. Dessa domäner interagerar direkt med βγ-komplexet av G-proteinet, vilket leder till aktivering av K + -kanalen. . Dessa domäner på de N- och C-terminala ändarna som interagerar med G-proteinerna innehåller vissa rester som är kritiska för korrekt aktivering av GIRK-kanalen. I GIRK4 är den N-terminala resten His-64 och den C-terminala resten är Leu-268; i GIRK1 är de His-57 respektive Leu-262. Mutationer i dessa domäner leder till kanalens okänslighet för βγ-komplexet och minskar därför aktiveringen av GIRK-kanalen.
De fyra GIRK-subenheterna är 80-90% lika i sina porbildande och transmembrana domäner, en egenskap som beror på likheterna i deras strukturer och sekvenser. GIRK2, GIRK3 och GIRK4 delar en total identitet på 62 % med varandra, medan GIRK1 bara delar 44 % identitet med de andra. På grund av sin likhet kan GIRK-kanalsubenheterna lätt sammanföras för att bilda heteromultimerer (ett protein med två eller flera olika polypeptidkedjor). GIRK1, GIRK2 och GIRK3 visar riklig och överlappande distribution i det centrala nervsystemet (CNS) medan GIRK1 och GIRK4 främst finns i hjärtat. GIRK1 kombineras med GIRK2 i CNS och GIRK4 i förmaket för att bilda heterotetramerer; varje slutlig heterotetramer innehåller två GIRK1-subenheter och två GIRK2- eller GIRK4-subenheter. GIRK2-subenheter kan också bilda homotetramerer i hjärnan, medan GIRK4-subenheter kan bilda homotetramerer i hjärtat. GIRK1-subenheter har inte visats kunna bilda funktionella homotetramerer. Även om GIRK3-subenheter finns i CNS, är deras roll i att bilda funktionella jonkanaler fortfarande okänd.
Undertyper och respektive funktioner
- GIRKs finns i hjärtat
En G-proteinstyrd kaliumkanal är den inåtriktande kaliumkanalen (IKACh) som finns i hjärtmuskeln (särskilt den sinoatriala noden och atria ), som bidrar till regleringen av hjärtfrekvensen. Dessa kanaler är nästan helt beroende av G-proteinaktivering, vilket gör dem unika jämfört med andra G-proteinstyrda kanaler. Aktivering av IKACh-kanalerna börjar med frisättning av acetylkolin (ACh) från vagusnerven till pacemakerceller i hjärtat. ACh binder till M2 muskarina acetylkolinreceptorer, som interagerar med G-proteiner och främjar dissociationen av Ga- subenheten och Gβγ - komplexet. IKACh är sammansatt av två homologa GIRK-kanalsubenheter: GIRK1 och GIRK4. Gβγ -komplexet binder direkt och specifikt till IKACh-kanalen genom interaktioner med både GIRK1- och GIRK4-subenheterna . När jonkanalen väl är aktiverad flyter K + -joner ut ur cellen och får den att hyperpolarisera. I sitt hyperpolariserade tillstånd kan neuronen inte avfyra aktionspotentialer lika snabbt, vilket saktar ner hjärtslaget.
- GIRKs som finns i hjärnan
G-proteinet inåtriktande K + -kanalen som finns i CNS är en heterotetramer som består av GIRK1- och GIRK2-subenheter och är ansvarig för att upprätthålla vilomembranpotentialen och excitabiliteten hos neuronen. Studier har visat att de största koncentrationerna av GIRK1- och GIRK2-subenheterna finns i de dendritiska områdena av neuroner i CNS. , GABAB - receptorer som är både extrasynaptiska (utanför en synaps) och perisynaptiska (nära en synaps), korrelerar med den stora koncentrationen av i samma områden. När GABAB- receptorerna väl har aktiverats av sina ligander tillåter de dissociering av G-proteinet till dess individuella a-subenhet och βγ-komplex så att det i sin tur kan aktivera K+ -kanalerna . G-proteinerna kopplar de inåtriktande K + -kanalerna till GABAB- receptorerna , vilket förmedlar en betydande del av den postsynaptiska GABA-hämningen.
Dessutom har GIRKs visat sig spela en roll i en grupp serotonerga neuroner i den dorsala raphe-kärnan , särskilt de som är associerade med neuropeptidhormonet orexin . 5-HT1A-receptorn , en serotoninreceptor och typ av GPCR, har visats vara kopplad direkt med α-subenheten av ett G-protein, medan βγ-komplexet aktiverar GIRK utan användning av en andra budbärare. Den efterföljande aktiveringen av GIRK-kanalen förmedlar hyperpolarisering av orexin-neuroner, som reglerar frisättningen av många andra neurotransmittorer inklusive noradrenalin och acetylkolin .
Kalciumkanaler
Strukturera
Förutom underuppsättningen av kaliumkanaler som är direkt gated av G-proteiner, kan G-proteiner också direkt grinda vissa kalciumjonkanaler i neuronala cellmembran. Även om membranjonkanaler och proteinfosforylering vanligtvis påverkas indirekt av G-proteinkopplade receptorer via effektorproteiner (som fosfolipas C och adenylylcyklas ) och andra budbärare (som inositoltrifosfat , diacylglycerol och cyklisk AMP ), kan G-proteinerna kortsluta. andra budbärarvägen och gate jonkanalerna direkt. Sådan förbikoppling av andra budbärarvägarna observeras i hjärtmyocyter från däggdjur och associerade sarkolemala vesiklar i vilka Ca 2+ -kanaler kan överleva och fungera i frånvaro av cAMP, ATP eller proteinkinas C när de är i närvaro av det aktiverade α- subenhet av G-proteinet. Till exempel verkar Ga, som är stimulerande för adenylylcyklas, på Ca2 + -kanalen direkt som en effektor. Denna kortslutning är membranavgränsande, vilket tillåter direkt grindning av kalciumkanaler av G-proteiner för att ge effekter snabbare än cAMP-kaskaden kunde. Denna direkta gating har också hittats i specifika Ca 2+ kanaler i hjärtat och skelettmuskelns T-tubuli.
Fungera
Flera högtrösklar, långsamt inaktiverande kalciumkanaler i neuroner regleras av G-proteiner. Aktiveringen av α-subenheter av G-proteiner har visat sig orsaka snabb stängning av spänningsberoende Ca 2+ kanaler, vilket orsakar svårigheter vid avfyring av aktionspotentialer. Denna hämning av spänningsstyrda kalciumkanaler av G-proteinkopplade receptorer har visats i dorsalrotgangliet hos en kyckling bland andra cellinjer. Ytterligare studier har indikerat roller för både Ga- och Gβγ - subenheter i hämningen av Ca2 + -kanaler. Forskningen inriktad på att definiera involveringen av varje subenhet har dock inte avslöjat specificiteten eller mekanismerna genom vilka Ca 2+ -kanaler regleras.
Den syraavkännande jonkanalen ASIC1a är en specifik G-proteinstyrd Ca 2+ -kanal. Den uppströms M1 muskarina acetylkolinreceptorn binder till Gq - klass G-proteiner. Blockering av denna kanal med agonisten oxotremorin-metiodid visade sig hämma ASIC1a-strömmar. ASIC1a-strömmar har också visat sig hämmas i närvaro av oxidationsmedel och potentieras i närvaro av reduktionsmedel. En minskning och ökning av syra-inducerad intracellulär Ca 2+ ackumulering hittades, respektive.
Natriumkanaler
med lappklämmor tyder på en direkt roll för G α i hämningen av snabb Na + -ström i hjärtceller. Andra studier har hittat bevis för en andra budbärarväg som indirekt kan styra dessa kanaler. Huruvida G-proteiner indirekt eller direkt aktiverar Na + -jonkanaler har inte definierats med fullständig säkerhet.
Kloridkanaler
Kloridkanalaktivitet i epitel- och hjärtceller har visat sig vara G-proteinberoende. Den hjärtkanal som har visat sig vara direkt grindad av Ga-subenheten har dock ännu inte identifierats. Som med Na + -kanalhämning kan andra budbärarvägar inte bortses från Cl - kanalaktivering.
Studier gjorda på specifika Cl - kanaler visar olika roller för G-proteinaktivering. Det har visat sig att G-proteiner direkt aktiverar en typ av Cl - kanal i skelettmuskulaturen. Andra studier, i CHO-celler , har visat att en stor konduktans Cl - kanal kan aktiveras differentiellt av CTX- och PTX-känsliga G-proteiner. Rollen för G-proteiner i aktiveringen av Cl - kanaler är ett komplext forskningsområde som pågår.
Klinisk betydelse och pågående forskning
Mutationer i G-proteiner associerade med G-proteinstyrda jonkanaler har visat sig vara involverade i sjukdomar som epilepsi , muskelsjukdomar, neurologiska sjukdomar och kronisk smärta, bland andra.
Epilepsi, kronisk smärta och beroendeframkallande droger som kokain, opioider, cannabinoider och etanol påverkar alla nervcellers excitabilitet och hjärtfrekvens. GIRK-kanaler har visat sig vara involverade i anfallskänslighet, kokainberoende och ökad tolerans för smärta av opioider, cannabinoider och etanol. Detta samband antyder att GIRK-kanalmodulatorer kan vara användbara terapeutiska medel vid behandling av dessa tillstånd. GIRK-kanalhämmare kan användas för att behandla beroende av kokain, opioider, cannabinoider och etanol medan GIRK-kanalaktivatorer kan tjäna till att behandla abstinenssymtom.
Alkoholförgiftning
Alkoholrus har visat sig vara direkt kopplat till GIRK-kanalernas agerande. GIRK-kanaler har en hydrofob ficka som kan binda etanol , den typ av alkohol som finns i alkoholhaltiga drycker. När etanol fungerar som en agonist upplever GIRK-kanaler i hjärnan förlängd öppning. Detta orsakar minskad neuronal aktivitet, vars resultat manifesteras som symtom på alkoholförgiftning. Upptäckten av den hydrofoba fickan som kan binda etanol är betydande inom området för klinisk farmakologi. Medel som kan fungera som agonister till detta bindningsställe kan vara potentiellt användbara vid skapandet av läkemedel för behandling av neurologiska störningar såsom epilepsi där neuronavfyrning överstiger normala nivåer.
Bröstcancer
Studier har visat att det finns en koppling mellan kanaler med GIRK1-subenheter och den beta-adrenerga receptorvägen i bröstcancerceller som ansvarar för tillväxtreglering av cellerna. Ungefär 40 % av primära humana bröstcancervävnader har visat sig bära mRNA som kodar för GIRK1-subenheter. Behandling av bröstcancervävnad med alkohol har visat sig utlösa ökad tillväxt av cancercellerna. Mekanismen för denna aktivitet är fortfarande föremål för forskning.
Downs syndrom
Förändrad hjärtreglering är vanligt hos vuxna med diagnosen Downs syndrom och kan vara relaterat till G-proteinstyrda jonkanaler. KCNJ6 -genen är belägen på kromosom 21 och kodar för GIRK2-proteinsubenheten av G-proteinstyrda K + -kanaler. Personer med Downs syndrom har tre kopior av kromosom 21, vilket resulterar i ett överuttryck av GIRK2-subenheten. Studier har funnit att rekombinanta möss som överuttrycker GIRK2-subenheter visar förändrade svar på läkemedel som aktiverar G-proteinstyrda K + -kanaler. Dessa förändrade svar var begränsade till sino-atrial nod och atria, båda områden som innehåller många G-protein-styrda K + -kanaler. Sådana fynd kan potentiellt leda till utvecklingen av läkemedel som kan hjälpa till att reglera den hjärtsympatiska-parasympatiska obalansen hos vuxna med Downs syndrom.
Kroniskt förmaksflimmer
Förmaksflimmer (onormal hjärtrytm) är associerad med kortare aktionspotentialvaraktighet och tros påverkas av den G-proteinstyrda K + -kanalen, IK ,ACh . I K,ACh- kanalen, när den aktiveras av G-proteiner, möjliggör flödet av K + över plasmamembranet och ut ur cellen. Denna ström hyperpolariserar cellen och avslutar därmed aktionspotentialen. Det har visats att vid kroniskt förmaksflimmer ökar denna inåtriktande ström på grund av konstant aktiverade I K,ACh- kanaler. Ökning av strömmen resulterar i kortare aktionspotentialvaraktighet vid kroniskt förmaksflimmer och leder till efterföljande flimmer i hjärtmuskeln. Blockering av I K,ACh- kanalaktivitet kan vara ett terapeutiskt mål vid förmaksflimmer och är ett område som studeras.
Smärthantering
GIRK-kanaler har in vivo visat sig vara involverade i opioid- och etanolinducerad analgesi. Dessa specifika kanaler har varit målet för nyare studier som behandlar genetisk varians och känslighet för opioidanalgetika på grund av deras roll i opioidinducerad analgesi. Flera studier har visat att när opioider ordineras för att behandla kronisk smärta, aktiveras GIRK-kanaler av vissa GPCR, nämligen opioidreceptorer, vilket leder till hämning av nociceptiv överföring och därmed fungerar smärtlindring. Vidare har studier visat att G-proteiner, specifikt Gi alfa-subenheten , direkt aktiverar GIRKs som visade sig delta i spridningen av morfininducerad analgesi i inflammerade ryggar hos möss. Forskning om kronisk smärtbehandling fortsätter att utföras inom detta område.