Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

рецептора родопсина, где субстратом является его обесцвеченная форма.

Одним из сигналов для интериализации рецепторов может быть фосфорилирование по специфичным сайтам. Например, фосфорилирование рецептора ФРЭ протеинкиназой С приводит к его интериализации. Этот процесс блокируется замещением остатка специфичного треонина (номер 654) на остаток аланина с помощью сайт-специфического мутагенеза. Однако ФРЭ-стимулируемая интернализация рецептора не прекращается, что указывает на множественность сигналов интериализации. Как мы уже говорили, форболо-вые эфиры вызывают фосфорилирование н интернализацию транс-ферринового рецептора [673, 943].

Интернализация не является единственным механизмом, с помощью которого фосфорилирование ослабляет рецепторный ответ. Активность рецептора, локализованного в плазматической мембране, тоже может регулироваться. Например, фосфорилированный рецептор ФРЭ обладает меньшей тирозинкиназной активностью, а также меньшим сродством к агонисту ФРЭ. Фосфорилированный мускариновый ацетилхолиновый рецептор также дезактивируется в плазматической мембране [166].

Реакции аутофосфорилирования рецепторов, обладающих тиро-зинкииазиой активностью, как правило, являются стимуляторными.

Клеточная поверхность 449

Это было показано для инсулинового рецептора, при аутофосфори-лировании которого увеличивалась его способность фосфорилиро-вать другие белки, а рецепторная активность становилась независимой от инсулина. С помощью мутагенеза было показано участие в регуляции этих эффектов специфических остатков тирозина, локализованных в цитоплазматическом домене /З-субъединицы.

9.7.5. НЕКОТОРЫЕ РЕЦЕПТОРЫ, ПРИНИМАЮЩИЕ УЧАСТИЕ В ПЕРЕДАЧЕ СИГНАЛОВ В ЖИВОТНЫХ КЛЕТКАХ

В этом разделе мы остановимся на некоторых наиболее важных особенностях трех типичных систем передачи сигнала в животных клетках. Эти системы относительно хорошо изучены и иллюстрируют интересные особенности механизма ответа животных клеток на внешние раздражители. Основной особенностью является то, что центральную роль в изменении ионных токов играют протеинкиназы.

Рецептор фактора роста эпидермиса [187]

Фактор роста эпидермиса является Сильнодействующим мито-генным белком, который связывается со специфическим рецептором, находящимся на поверхности различных эпителиальных, эпи-дермальных и фибробластных клеток. Рецептор представляет собой один гликозилированный полипептид с мол. массой около 170 кДа и относится к семейству митогенных рецепторов [187] (рис. 9.14). Его N-концевая часть расположена вне клетки и является ФРЭ-связывающим доменом. Рецептор имеет единственный мембранный сегмент и большой внутриклеточный домен, обладающий тирозинкиназной активностью. ФРЭ-рецептор, как и другие рецепторные белки, содержит внеклеточные домены, богатые цистеином, но их функция неизвестна.

ФРЭ-рецептор находится на плазматической мембране в высокоаффинной и низкоаффинной формах. Возможно, это связано с существованием в мембране различных состояний ассоциации этого белка (мономер/димер). Показано, что связывание с ФРЭ стабилизирует димерную форму очищенного рецептора в детергенте; это указывает на важность агрегации рецептора для передачи сигнала [1614, 120]. Биохимические исследования показывают, что связывание с ФРЭ индуцирует тирозинкиназную активность, в частности аутофосфорилирование рецептора, по нескольким остаткам тирозина в цитоплазматическом домене. Как связаны между собой киназ-ная активность и клеточный ответ, неясно [1185, 867]. В некоторых типах клеток существует какой-то независимый механизм, с помощью которого ФРЭ влияет на фосфатидилинозитольную систе-

450 Глава 9

му, возможно, путем стимулирования фермента, фосфорилирующе-го фосфатндилинозитол с образованием монофосфорилированного производного [1158].

В предыдущем разделе уже отмечалось, что рецептор ФРЭ фосфорилируется протеинкиназой С, которая десенсибилизирует рецептор и индуцирует его поглощение путем эндоцитоза [1340]. Одним из ранних событий, связанных с ФРЭ-стимуляцией клеток, является активация Na + /H +-антипортера в плазматической мембране. Это приводит к замене внутриклеточного Н+ на внеклеточный Na+ и к незначительному повышению рН [1246]. Это ранний ответ на многие митогенные агенты [1258], и изменения рН может быть достаточно для индукции активности других клеточных ферментов. Митогенный ответ, т. е. индукция синтеза ДНК, является длительным ответом, требующим присутствия ФРЭ во внешней среде в течение нескольких часов [1185]. Механизм этого явления остается непонятным.

ФРЭ-рецептор поглощается путем рецепторзависимого эндоцитоза, как описано в разд. 9.5. Исходно рецепторы распределены в плазматической мембране случайным образом, но при связывании ФРЭ комплекс рецептор/ФРЭ концентрируется в окаймленных ямках, поглощается и попадает в лизосому, где происходит его деградация [357]. Это очищает поверхность с эффективностью примерно 80% рецепторов за 20 мин. Латеральная подвижность рецептора, измеренная с помощью метода FRAP (разд. 5.4), составила 1,5-10~ 10 см2-с' ', что указывает на существование каких-то препятствий при его латеральном движении. Мутанты, у которых отсутствует ббльшая часть цитоплазматического домена, тоже диффундируют медленно, из чего следует, что этот домен не связан с с уменьшением латеральной подвижности [866]. Возможно, для этого важны взаимодействия с компонентами внеклеточного матрикса. Однако цитоплазматический домен необходим для эндоцитоза [868, 1185], как и у других рецепторов. Деления 63 аминокислотных остатков с С-конца приводит к потере рецептором сайта аутофос-форилирования и высокого сродства к ФРЭ. Тем не менее этот рецептор остается способным к эндоцитозу и обладает митогенными свойствами [868].

Мутагенез очень полезен для выяснения механизма функционирования рецепторов, но важным фактором, который пока не удалось выяснить, является степень ассоциации рецептора в мембране. Это особенно интересно для тех рецепторов, которые имеют единственный спиральный трансмембранный сегмент, с точки зрения передачи конформационного изменения во внеклеточном агонист-связывающем домене к внутриклеточному тирозинкнназному домену через единственную спираль. Вряд ли связывание ФРЭ изменяет геометрию спирали; спираль не может также «скользить» вдоль

Клеточная поверхность 451

другой спирали внутри трансмембранного домена, если рецептор имеет один трансмембранный сегмент. Возможно, связывание ФРЭ изменяет белково-липидные взаимодействия, благодаря которым спираль может проталкиваться через бислой. Другая возможность — изменение степени агрегации рецепторов при связывании с ФРЭ; об этом свидетельствует изучение выделенных белков [1614, 120].

d-Адренергический рецептор [342]

Многие важные особенности /5-адренергических рецепторов мы уже обсуждали. Несколько таких рецепторов было клонировано (в том числе рецепторы клеток хомяка, человека и индюка); при этом было показано, что они структурно сходны с семейством опсинов, в том числе родопсином, и с мускарииовыми холинергическими рецепторами ([342]; табл. 9.1). По-видимому, все эти белки имеют по семь трансмембранных спиралей [341]; экспериментальное подтверждение этому было получено для родопсина (рис. 4.1). Консервативные остатки этих рецепторов локализованы главным образом в гидрофобных областях, а не в гидрофильных петлях, соединяющих трансмембранные сегменты. Среди этих консервативных остатков в трансмембранных сегментах находится несколько полярных остатков. Заметим, что эти белки негомологичны бактериоро-сопсину.

Ретинальсвязывающий сайт родопсина находится в гидрофобном ядре, образуя шнффово основание с остатком лизина в спирали VII (рис. 4.1). Было бы заманчиво предположить, что агонистсвя-зывающий сайт в /3-адренергическом рецепторе также локализован в гидрофобном ядре. Для проверки этого предположения был проведен сайт-специфический мутагенез (3-адренергического рецептора хомяка [1396, 388, 339]. Полученные результаты свидетельствуют о том, что гидрофильные петли несущественны для связывания агониста или антагониста, а также показывают, что для связывания агониста необходим остаток аспартата в положении 113, находящийся в спирали III. Не являются неожиданностью полученные в этих работах данные о том, что, вероятно, гидрофильная петля участвует во взаимодействии с G-белком [1397].

lgE-рецептор мастоцитов и базофилов

Мастоциты и базофилы содержат секреторные гранулы, наполненные гистамином. При соответствующей стимуляции эти экзоци-озные везикулы сливаются с плазматической мембраной и высвобождают запасенный гистамин [1632]. Показано, что этот процесс

452 Глава 9

запускается агрегацией IgE-рецепторов клеточной поверхности, которая индуцируется связыванием либо с IgE, либо с другими лигандами, сшивающими рецепторы. IgE-система представляет особенный интерес, поскольку для нее действительно показана роль агрегации рецепторов в передаче сигнала [973, 972], а кроме того, она является примером системы, связанной с деградацией фосфатидилинозитола, которая инициируется G-белком [65, 1054].

IgE-рецептор представляет собой а^-тетрамер; он был очищен [1222], а ген а-субъединицы — клонирован и секвенирован [754]. Эта субъединица гомологична Fc-рецептору IgG [1202], который относится к иммуноглобулиновому суперсемейству (табл. 9.1). В отсутствие сшивающего лиганда IgE-рецепторы распределены в мембране равномерно (103 рецепторов на 1 см2) и обладают ограниченной подвижностью (коэффициент латеральной диффузии равен примерно 3 10 10 см2/с). Каждый рецептор может связать одну молекулу IgE, и ответ возникает только под действием мультимерных форм IgE, которые способны связывать несколько рецепторов одновременно. Олигомеры, содержащие лишь несколько молекул IgE, вызывают быструю иммобилизацию рецепторных кластеров, которая, по-видимому, осуществляется благодаря последовательным взаимодействиям с элементами цитоскелета и не может определяться простой гидродинамикой [973].,В результате всех этих событий запускается клеточный ответ, при котором образуются фосфоинози-тиды и арахидоновая кислота, мобилизация Са2+ и секреция гиста-мина [65, 1054, 1177]. Этот ответ ингибируется коклюшным токсином, по-видимому, при участии G-белка.

9.8. Онкогены и передача сигнала [1036, 1563, 101, f02, 350].

Рецепторы и механизм передачи сигнала, описанные в предыдущем разделе, играют существенную роль в регуляции клеточного роста и дифференцировки. Те же факторы, как показывают молеку-лярно-генетические исследования, участвуют в процессах перерождения опухолей. Наилучшими экспериментальными моделями явились онкогены ретровирусов [101]. Было показано, что за опухолевую трансформацию инфицированных клеток отвечают 20 разных ретровирусных генов, называемых онкогенами. Эти онкогены в большинстве случаев имеют клеточные аналоги. Например, белок, кодируемый вирусным онкогеном v-erbB, является укороченным вариантом ФРЭ-рецептора (рис. 9.14). В этом случае вирусный онкоген родствен клеточному гену, кодирующему ФРЭ-рецептор. Такие клеточные гены называются протоонкогенами. Используя способность онкогенов трансформировать клетки в культуре [102], уда-

Клеточная поверхность 45?

лось выделить их также из ДНК опухолевых клеток. Онкогены появляются в результате генетических повреждений в протоонкогенах. Около половины протоонкогенов, идентифицированных по гомологии с вирусными онкогенами, тоже были выявлены при изучении опухолей. Однозначной корреляции между видом онкогена и возникающей опухолью или характером нарушения функционирования клетки не обнаружено. Существует гипотеза, что протоонкогены кодируют белки, которые участвуют в передаче сигнала, опосредуемой мембранами, или являются мишенями для вторых посредников [102, 1563].

Продукты некоторых идентифицированных онкогенов обладают тирозинспецифичной протеинкиназной активностью и являются аналогами мембранных рецепторов для митогенных пептидов и гормонов роста. Сверхэкспрессия онкогена, изменение специфичности для белковых субстратов или изменение регуляции активности могут приводить к патологии. Протоонкоген может превратиться в онкоген в результате простых точечных мутаций. Продукты не всех онкогенов, обладающие тирозинкиназной активностью, являются трансмембранными белками, некоторые из них представляют собой периферические мембранные белки [101].

Онкогенные белки типа \-ras гомологичны а-субъединице G-бел-ков. Соответствующие гены представляют собой модификации гена, кодирующего G-белок, который стимулирует фосфатидилинози-тольную систему. Показано, что введение этих онкогенов в геном приводит к повышению уровня диацилглицерола, хотя содержание растворимых фосфоинозитидов при этом не увеличивается [1603]. Как это связано с трансформацией — неизвестно. Отметим, что форболовые эфиры ускоряют образование опухолей, и эта функция, вероятно, связана с активацией протеинкиназы С.

Наиболее существенно то, что нарушение аппарата передачи сигнала может индуцировать рак. Изучение этой закономерности может оказаться полезным не только для установления механизмов возникновения опухолей, но и для выявления сложной сети взаимодействий в системе передачи сигнала, ответственной за нормальную клеточную пролиферацию и дифференцировку.

9.9. Резюме

Взаимодействия клетки с ее окружением осуществляются при участии рецепторов, расположенных на ее поверхности. Функции этих рецепторов существенно различаются. Одни из них определяют адгезивные свойства клеток по отношению к другим клеткам или компонентам внеклеточного матрикса. Другие участвуют в системах сигнал/ответ или в импорте макромолекул в цитоплазму.

454 Глава 9

Сравнение аминокислотной последовательности рецепторов показывает, что многие из них могут быть сгруппированы в суперсемейства структурно родственных, но функционально различающихся белков. Например, многие рецепторы, участвующие в межклеточной адгезии, принадлежат к суперсемейству иммуноглобулинов IgG. Интегрины составляют другое суперсемейство, включающее в себя множество рецепторов для внеклеточных компонентов матрикса.

Рецептор, который связывается с таким внеклеточным лигандом, как гормон или нейромеднатор, и опосредует клеточный ответ, осуществляет это одним из нескольких способов. В одних случаях рецептор сам является протеинкиназой, а в других ои образует ионный канал. Связывание лиганда с внеклеточным участком рецептора изменяет эти функции, инициируя каскад событий в цитоплазме. В других случаях рецептор связывается с гуанидиннуклео-тидсвязывающим белком (G-белком) и активирует его в цитоплазме в ответ на внешний сигнал. G-белок влияет на другие клеточные процессы, такие, как деградация фосфатидилинозитола в клеточной плазматической мембране. Рецепторы, которые взаимодействуют с G-белками, образуют одно из нескольких суперсемейств рецепторов, участвующих в системах сигнал/ответ.

Важно помнить, что поверхность животной клетки очень динамична и плазматическая мембрана участвует в удивительном явлении, называемом рециклированием мембран. Внутриклеточные везикулы постоянно сливаются с плазматической мембраной, а участки плазматической мембраны

страница 64
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97

Скачать книгу "Биомембраны - Молекулярная структура и функции" (4.40Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(19.08.2017)