Мембранные рецепторы

Мембранные рецепторы – мембранные гликозилированные белки трёхдоменной структуры с мультирецепторным принципом действия, инициирующие физические, метаболические и транскрипционные эффекты в клетках. После связывания лиганда рецепторы сначала активируются, передавая сигнал внутрь клетки, затем происходит гормонзависимая инактивация рецептора. Эту группу рецепторов можно разделить на:

Рецепторы без ферментативной
активности

Рецепторы без ферментативной активности – подтип трансмембранных рецепторов, которым для воздействия на каскад вторичных мессенджеров необходимо связать цитоплазматический или мембранный фермент. После активации рецепторы запускают несколько сигнальных путей, однако лишь один из них является доминирующим, в то время как остальные играют второстепенные роли, например, обеспечивая перекрёстное взаимодействие (т н. «cross-talking») между рецепторами. Спустя некоторое время после связывания гормона рецептор десенсетизируется и временно теряет активность. Это происходит за счёт фосфорилирования внутриклеточной петли рецепторного белка киназой, после чего фосфорилированный конец связывается с β-аррестином. Это даёт возможность собрать вокруг будущей везикулы клатриновое покрытие и отделить везикулу с помощью динамина.

Рецепторы, ассоциированные с G-белками

Рецепторы, ассоциированные с G-белками – один из наиболее изученных классов мембранных рецепторов. Белки этой группы состоят из внеклеточного домена, семидоменной трансмембранной части и внутриклеточного домена. С такими рецепторами связан G-белок – мембрано-ассоциированный адапторный белок с ГТФазной (способностью гидролизовать ГТФ до ГДФ) активностью (рис. 18). G-белки входят в надсемейство гуанозиннуклеотид связывающих белков, к которому также относятся малые ГТФазы (напр., Ras-белки), контролирующие форму, деление, дифференцировку клеток. При связывании лиганда рецептор претерпевает конформационные изменения, передающиеся на G-белок. Тот, в свою очередь, воздействует на эффекторные молекулы, изменяя концентрации вторичных мессенджеров в цитоплазме.

Рисунок 18. G-белок

G-белки – гетеротримерные комплексы, состоящие из (рис. 18):

Несмотря на консервативность структуры и небольшую молекулярную массу, βγ-субъединицы не менее важны. В неактивном G-белке они связываются с α-субъединицей, удерживая её в неактивном (связанном с ГДФ) состоянии, и регулируют сродство рецептора к лиганду. А после диссоциации – активируют фосфолипазу А2, регулируют активность аденилатциклазы, ионных каналов и фосфорилирование рецепторов, обеспечивая «cross-talking» рецепторных систем.

Так как β- и γ-субъединицы достаточно консервативны, классификация G-белков происходит на основании их α-субъединиц, определяющих специфическую функцию белкового комплекса.

Выделяют следующие G-белки (см. таблицу):

12. Потенциалзависимые каналы

Для прикладной физиологии имеют значение три хорошо изученные группы G-белков, регулирующих основные сигнальные системы:

Несмотря на многообразие G-белков, их работа завязана на ограниченном наборе эффекторных систем клетки, регулируя которые, они осуществляют свою функцию. Сигнализация преимущественно осуществляется через аденилатцикланую и фосфоинозитидную системы.

Аденилатциклазная система

Работа аденилатциклазной системы (рис. 20) связана с ферментом аденилатциклазой и его продуктом – цАМФ (Циклический Аденозинмонофосфат). цАМФ, в свою очередь, активирует цАМФ-зависимую протеинкиназу А (в литературе и далее в курсе обозначается как ПКА), фосфорилирующую эффекторные белки (ионные каналы, транспортеры, белки цитоскелета и т. д.). Эту систему активируют рецепторы, сопряжённые с G_s-белками, а ингибируют – сопряженные с G_i-белками.

Рисунок 20. Аденилатциклазная система

Фосфоинозитидный путь

Часть рецепторов передаёт сигнал через мессенджеры на основе фосфатидилинозитолов: диацилглицерола (ДАГ) и инозитолтрифосфата (IP₃) – ключевых участников фосфатидилинозитольного пути (рис. 21). Эти вещества образуются под действием гормональных сигналов из мембранного полифосфоинозида - фосфатидилинозитол-4,5-бифосфата (PIP₂). βγ-субъединицы G-белков, а также вторичные мессенджеры тирозинкиназных рецепторов (см. далее) активируют фосфатидилинозитол-3-киназу 1 типа (PI₃K₁), превращающую фосфатидилинозитолбифосфат в фосфатидилинозитолтрифосфат (PIP₃), и фосфолипазы С_β и С_γ. Фосфолипаза Сβ активируется βγ-субъединицами G-белков, фосфолипаза Сγ - вторичными мессенджерами тирозинкиназных рецепторов.
α-субъединица G_q-белков стимулирует фосфолипазу С_δ, которая вместе с С_β и С_γ изоформами обеспечивает образование ДАГ и IP₃. Выделившийся в цитоплазму IP₃ активирует Ca²⁺- IP₃-зависимые каналы эндоплазматического ретикулума, повышая внутриклеточную [Ca²⁺].

Рисунок 21. Фосфатидилинозитольный путь

Высокая внутриклеточная концентрация Ca²⁺ активирует фосфолипазу А2, отвечающую за активность каскада арахидоновой кислоты (и, соответственно, синтез простагландинов, лейкотриенов и тромбоксана), а также кальмодулин (Ca²⁺-связывающий белок, активизирующийся после взаимодействия с ионами кальция). Остающийся в мембране ДАГ совместно с цитоплазматическим Ca²⁺ активирует протеинкиназу С (ПКС), фосфорилирующую зависимые белки. Помимо этого, мембранный PIP₃ отвечает за активацию протеинкиназ С_γ и С_ε, ингибирующих апоптоз, и эффекторных протеинкиназ (Akt и др.), также обеспечивающих выживание клетки.

МАР-киназный путь

Помимо указанных выше, для рецепторов, сопряженных с G-белками, существует важный дополнительный сигнальный путь – каскад митоген-активируемых протеинкиназ (МАР-киназ), регулирующих выживание, дифференцировку и апоптоз (рис. 22). Принцип их действия заключается в поэтапном фосфорилировании МАР-киназами верхнего уровня МАР-киназ нижнего уровня. Сначала комплекс лиганд-рецептор активирует малые ГТФазы, которые запускают киназы киназ МАР-киназ (МАРККК). Те, в свою очередь, активируют киназы МАР-киназ (МАРКК), которые запускают эффекторные МАР-киназы (МАРК). Далее МАРК фосфорилирует факторы, определяющие будущее клетки – дифференцировку или апоптоз.

Рисунок 22. МАР-киназный путь

MAP-киназный путь у человека устроен сложнее, чем каскад у модельных организмов, за счёт того, что его участники представлены не одним белком, а группой структурно близких ферментов, которые кодируются несколькими генами (например, ERK1, ERK2 и др.). Кроме того, дополнительное разнообразие ферментов достигается альтернативным сплайсингом.

Рецепторы, ассоциированные с тирозинкиназами класса Janus

Принципиально отличным классом рецепторных молекул являются рецепторы, сопряженные с тирозинкиназами класса Janus (Jak-киназами). К ним относятся Tyk2, JAK1, JAK2 (экспрессируются многими клетками) и JAK3 (экспрессируется Т-лимфоцитами). В отличие от описанных ранее молекул, для эффективной передачи сигнала с таких рецепторов необходима их димеризация вокруг молекулы-агониста. При малой концентрации гормона (число молекул гормона много меньше числа рецепторов) он связывается с двумя молекулами рецептора, позволяя их внутриклеточным доменам связать Jak-киназы, которые начинают фосфорилировать друг друга, активируя передачу сигнала. Однако при равной концентрации агониста и рецептора передача сигнала по такому механизму невозможна, так как каждый рецептор связан с лигандом, что препятствует их димеризации.

К рецепторам, сопряжённым с JAK-киназами относятся три семейства:

Рецепторы, ассоциированные с тирозинкиназами класса Janus, передают сигнал по нескольким сигнальным каскадам: STAT, МАР-киназному и фосфатидилинозитольному путям.

STAT-путь (англ. «Signal Transducers and Activators of Transcription»)

Активированные Jak-киназы передают сигнал по STAT-пути  (рис. 24). После связывания гормона, димеризации рецепторов и фосфорилирования их внутриклеточных доменов JAK-киназами на них садятся STAT-белки. Под действием Jak-киназ они претерпевают активирующее фосфорилирование, после чего направляются в ядро, где активируют транскрипцию генов-мишеней (гены дифференцировки, роста и др.) и генов, кодирующих ингибиторы STAT-пути (белки SOCS, CIS и PIAS).

Важно отметить, что пути передачи сигнала зависят от изоформ рецептора, образовавших гомодимер. Так короткие изоформы рецептора пролактина активируют только МАР-киназный путь, в то время как длинные – и МАР-киназный и STAT-пути. Однако обе изоформы задействуют фосфоинозитидный путь через PI3K (фосфатидилинозитид-3-киназу) и активацию эффекторных протеинкиназ (Akt и др.).

Рисунок 24. STAT-путь передачи сигнала  

Рецепторы с ферментативной активностью

Рецепторные тирозинкиназы

Рецепторные тирозинкиназы – трансмембранные белки с ферментативной активностью и одним трансмембранным доменом, связывающие инсулин, ИФР (Инсулиноподобный Фактор Роста) и другие ростовые факторы. Как и рецепторы, связанные с Jak-киназами, рецепторные тирозинкиназы димеризуются вокруг лиганда, после чего фосфорилируют друг друга. Однако, в отличие от описанных ранее молекул, рецепторные тирозинкиназы не нуждаются в цитоплазматических Jak-киназах, так как сами обладают тирозинкиназным доменом.

Специфичность связывания факторов роста рецепторными тирозинкиназами достигается за счёт вариабельности внеклеточного домена, который может содержать:

Рисунок 25. Пути передачи сигнала с рецепторной тирозинкиназы на примере рецептора FGF

Передача сигнала рецепторными тирозинкиназами осуществляется по фосфоинозитидному (за счёт активации фосфолипазы С_γ) и MAP-киназному каскадам. Общий механизм передачи сигнала на эти пути заключается в связывании адапторных белков, которые после фосфорилирования тирозинкиназным доменом рецептора активируют сигнальные каскады. Особенностью таких белков является наличие SH2 и SH3 доменов (SH – от «Src-homology», гомологичности белку Src, в котором впервые была обнаружена последовательность, связывающая фосфорилированные остатки тирозина) позволяющих взаимодействовать с фосфорилированными остатками тирозина. Рецепторы семейства ErbB также способны запускать STAT-путь, связывая цитоплазматические тирозинкиназы класса Janus и белок Src.

Фосфоинозитидный путь

Фосфоинозитидный путь стимулируется тирозинкиназными рецепторами на нескольких этапах. Фосфорилированные остатки тирозина в молекуле рецептора прямо активируют фосфодипазу С_γ. Помимо этого через адапторный белок IRS1 (англ. Insulin Receptor Substrate 1– субстрат рецептора инсулина 1) стимулируется PI₃K, обеспечивающая образование фосфатидилинозитолтрифосфата из фосфатидилинозитол-4, 5-бифосфата (см. рис. 21).

МАР-киназный путь

После фосфорилирования рецептора на появившиеся фосфатные группы садятся адапторные белки (Crk, SNT– гомолог субстрата рецептора инсулина (IRS)), которые после модификации тирозинкиназным доменом рецептора прямо или через Shc (цитоплазматическая тирозинкиназа) белок активируют Grb. Grb в присутствии фактора SOS заменяет ГДФ на ГТФ в Ras (малая ГТФаза), позволяя ему активировать МАР-киназный путь (см. рис. 22). Примечательно, что для связывания каждого следующего адапторного белка, предыдущий должен быть фосфорилирован тирозинкиназным доменом рецепторной молекулы. Также предполагают, что рецептор FGF способен активировать ERK (один из эффекторных белков МАР-киназного пути, отвечающий за выживание клетки) через адаптерный белок Shp.

Рецепторные серинтреонинкиназы

Рецепторные серинтреонинкиназы – трансмембранные белки с ферментативной активностью, связывающие димерные лиганды (TGFβ, активины, ингибины, АМГ (АнтиМюллеров Гормон), белки морфогенеза кости, миостатин) и состоящие из рецепторов двух типов: пары рецепторов с конститутивной активностью (рецепторы II типа) и пары рецепторов с индуцибельной активностью, активируемых фосфорилированием (рецепторы I типа). После связывания димера гормона парой рецепторов II типа они фосфорилируют пару рецепторов I типа, активируя их каталитическую активность.

Рецепторные серинтреонинкиназы преимущественно проводят сигнал по Smad и TAK путям (рис. 26).

Рисунок 26. Пути передачи сигнала с рецепторной серинтреонинкиназы

Smad-путь

После взаимодействия димера сигнальной молекулы рецепторы II типа активируют рецепторы I типа, позволяя тем связать и активировать фосфорилированием R-Smad (регуляторный Smad – англ. Smad – «Similar to Mothers Against Decapentaplegic»). Фосфорилированный R-Smad, объединяясь со Smad4, проникает в ядро, где в комплексе с ко-факторами воздействует на гены-мишени (в т.ч. гены-активаторы МАР-киназного пути). Для предотвращения гиперактивности Smad-пути в клетке постоянно присутствует белок ингибитор – i-Smad, блокирующий фосфорилирование R-Smad и его последующее объединение со Smad4.

TAK путь

Активированный рецептор фосфорилирует ТАК1-киназу (также активируется через рецепторы с доменами смерти), которая активирует JNK-киназу (входит в МАР-каскад) и белок p38, которые отвечают за выживание/гибель клетки.

Рецепторные гуанилатциклазы

Рецепторные гуанилатциклазы – трансмембранные белки, способные индуцировать синтез цГМФ, связывающие натрийуретические пептиды, гуанилины и термостабильный бактериальный энтеротоксин. Отличительной чертой рецепторов являются система из 3 петель во внеклеточном домене, образованных дисульфидными связями, и внутриклеточный домен, содержащий примембранный киназа-гомологичный домен и С-концевой гуанилатциклазный домен. Рецепторы с гуанилатциклазной активностью классифицируются на основании входящего в их состав гуанилатциклазного домена (ГЦ-А, ГЦ-В, ГЦ-С). Причём рецептор, связанный с ГЦ-С, обладает коротким внутриклеточным доменом и существует для связывания избытка сигнального соединения.

Механизм работы рецепторных гуанилатциклаз заключается в связывании киназогомологичными участками молекул АТФ, что позволяет гуанилатциклазным доменам сблизиться и начать выполнять свою функцию. Однако синтез цГМФ прекращается, как только киназогомологичные домены теряют эту способность.