Липидно-зависимые ионные каналы - Lipid-gated ion channels

«Ионотропный» перенаправляется сюда, не путать с инотропный.
Липид-зависимый ионный канал Kir2.2
TREK PIP2.png
Тетрамерный Kir2.2 (серый след) связан с четырьмя молекулами PIP2 (углерод: желтый; кислород: красный). Ионы калия (фиолетовый) показаны в открытом пути проводимости. Серые прямоугольники обозначают границу мембраны.
Идентификаторы
СимволKir2.2
Белок OPM3 САУ

Липидно-зависимые ионные каналы являются классом ионные каналы проводимость ионов через мембрану напрямую зависит от липиды. Классически липиды представляют собой резидентные в мембране анионные сигнальные липиды, которые связываются с трансмембранным доменом на внутреннем листке плазматической мембраны со свойствами классического лиганда. Другие классы липид-зависимых каналов включают механочувствительные ионные каналы, которые реагируют на натяжение липидов, толщину и гидрофобное несоответствие. Липидный лиганд отличается от липидного кофактор в этом лиганд выполняет свою функцию, отделяясь от канала, в то время как кофактор обычно выполняет свою функцию, оставаясь связанным.[1]

PIP2закрытые каналы

Фосфатидилинозитол 4,5-бисфосфат (PIP2) был первым и остается наиболее изученным липидом для ионных каналов. PIP2 представляет собой липид клеточной мембраны, и его роль в закрытии ионных каналов представляет собой новую роль для молекулы.[1][2]

Kir каналы: PIP2 связывает и напрямую активирует внутренне выпрямляющие калиевые каналы (Kir).[3] Липид связывается в четко определенном сайте связывания лиганда в трансмембранном домене и заставляет спирали расширяться, открывая канал. Все члены Kir Считается, что суперсемейство калиевых каналов напрямую управляется PIP.[1]

Kv7 каналов: PIP2 связывает и напрямую активирует Kv7.1.[4] В том же исследовании PIP2 было показано, что он действует как лиганд. Когда канал был преобразован в липидные пузырьки с помощью PIP2 канал открыт, когда PIP2 был пропущен, канал был закрыт.[4]

Каналы TRP: Каналы TRP были, возможно, первым классом каналов, признанных липид-зависимыми.[5] PIP2 регулирует проводимость большинства Каналы TRP либо положительно, либо отрицательно. Для TRPV5 привязка PIP2 к сайту в трансмембранном домене вызвали конформационные изменения, которые, по-видимому, открыли путь проводимости,[6] предполагая, что канал является классически зависимым от липидов. PIP2 совместимый сайт был обнаружен в TRPV1, но не было показано, может ли липид сам по себе блокировать каналы.[2] Другие каналы TRP, которые напрямую связывают PIP2 это TRPM8 и TRPML.[7][8] Прямая привязка не исключает PIP2 от воздействия на канал косвенными механизмами.

PA-каналы

Фосфатидная кислота (PA) недавно появился как активатор ионных каналов.[9]

K2p: PA непосредственно активирует ТРЕК-1 калиевые каналы через предполагаемый сайт в трансмембранном домене. Сродство PA к TREK-1 относительно слабое, но фермент PLD2 производит высокую локальную концентрацию PA для активации канала.[10][11]

нАЧР: PA также активирует нАЧР в искусственных мембранах. Первоначально высокая концентрация PA, необходимая для активации nAChR[12] предположили, что связанный анионный липид может активировать канал, однако обнаружение локальной высокой концентрации PA, активирующей TREK-1, может указывать на иное.

Кв: Связывание PA может также влиять на среднюю точку активации напряжения (Vmid) для активируемых напряжением калиевых каналов.[13] Истощение PA сдвигает Vmid -40 мВ вблизи мембранного потенциала покоя, что может открыть канал без изменения напряжения, что позволяет предположить, что эти каналы также могут быть липид-зависимыми. Было предложено, что липиды PA неспецифически закрывают гомологичный канал из бактерий KvAP,[14] но эти эксперименты не исключили, что анионный липид фосфатидилглицерин вносит специфический вклад в стробирование.

PG-каналы

Фосфатидилглицерин (PG) представляет собой анионный липид, который активирует многие каналы, в том числе большинство каналов, активируемых PA. Физиологический сигнальный путь изучен недостаточно, но PLD может продуцировать PG в присутствии глицерина.[15] предполагая, что тот же механизм, который, как считается, генерирует локальные градиенты PA, может также генерировать высокие локальные градиенты PG.

Механочувствительные каналы

Специализированный набор механочувствительные ионные каналы регулируется деформацией липидов в мембране в ответ на механическую силу. Считается, что теория, касающаяся липидной мембраны, называемая «сила липидов», напрямую открывает ионные каналы.[16] Эти каналы включают бактериальные каналы MscL и MscS которые открываются в ответ на литическое давление. Многие механочувствительные каналы требуют для активности анионных липидов.[17]

Каналы также могут реагировать на толщину мембраны. Считается, что амфипатическая спираль, которая проходит вдоль внутренней мембраны каналов TREK-1, улавливает изменения толщины мембраны и закрывает канал.[18]

PEth представляет собой фосфолипидный метаболит этанола, который накапливается в мембране нервов и конкурентно ингибирует активацию PIP2 K + каналов.

Активация за счет локального производства липидов

Когда фермент образует комплекс с каналом, считается, что он продуцирует лиганд около канала в концентрациях, которые выше, чем у лиганда в объемных мембранах. [10] Теоретические оценки предполагают, что начальная концентрация сигнального липида, образующегося около ионного канала, вероятно, миллимолярная;[9] однако из-за теоретических расчетов диффузии липидов в мембране, лиганд, как полагали, диффундирует далеко слишком быстро, чтобы активировать канал.[19] Однако Комольо и его коллеги экспериментально показали, что фермент фосфолипаза D2 напрямую связывается с TREK-1 и продуцирует PA, необходимый для активации канала.[10] Вывод Комольо и др. Был экспериментально подтвержден, когда было показано, что константа диссоциации ПА для ТРЕК-1 составляет 10 микромолей,[11] a Kd намного слабее, чем объемная концентрация в мембране. В совокупности эти данные показывают, что PA должен иметь локальную концентрацию около 100 микромолярных или более, что позволяет предположить, что диффузия липида каким-то образом ограничена в мембране.

Активация путем транслокации мембранного белка

Теоретически ионные каналы могут быть активированы путем их диффузии или доставки в высокие концентрации сигнального липида.[9] Механизм аналогичен производству локальных высоких концентраций сигнального липида, но вместо изменения концентрации липида в мембране около канала, канал перемещается в область плазматической мембраны, которая уже содержит высокие концентрации сигнального липида. Изменение липидного состава в канале может происходить намного быстрее и без каких-либо изменений общей концентрации липидов в мембране.

Конкуренция липидов

Анионные липиды конкурируют за сайты связывания внутри ионного канала. Подобно нейротрансмиттерам, конкуренция антагониста отменяет действие агониста. В большинстве случаев PA имеет эффект, противоположный PIP2.[9] Следовательно, когда PA связывается с каналом, который активируется PIP2, PA ингибирует эффект PIP2. Когда PA активирует канал, PIP2 блокирует эффект PA, запрещающий каналы.

Этиловый спирт Когда этанол потребляется, фосфолипаза D включает этанол в фосфолипиды, образуя неестественный и долгоживущий липид. фосфатидилэтанол (PEth) в процессе, называемом трансфосфатидилированием. PEth конкурирует с PA, и конкуренция противостоит каналам TREK-1. Считается, что конкуренция PEth на калиевом канале способствует анестезирующему эффекту этанола и, возможно, похмелью.[20]

Рекомендации

  1. ^ а б c Хансен С.Б. (май 2015 г.). «Липидный агонизм: парадигма PIP2 лиганд-управляемых ионных каналов». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - молекулярная и клеточная биология липидов. 1851 (5): 620–8. Дои:10.1016 / j.bbalip.2015.01.011. ЧВК  4540326. PMID  25633344.
  2. ^ а б Гао И, Цао Э, Джулиус Д., Ченг И (июнь 2016 г.). «Структуры TRPV1 на нанодисках раскрывают механизмы действия лигандов и липидов». Природа. 534 (7607): 347–51. Bibcode:2016Натура.534..347G. Дои:10.1038 / природа17964. ЧВК  4911334. PMID  27281200.
  3. ^ Хансен С.Б., Тао X, Маккиннон Р. (август 2011 г.). «Структурная основа активации PIP2 классического входящего выпрямителя K + канал Kir2.2». Природа. 477 (7365): 495–8. Bibcode:2011Натура.477..495H. Дои:10.1038 / природа10370. ЧВК  3324908. PMID  21874019.
  4. ^ а б Сан Дж., Маккиннон Р. (январь 2020 г.). «Структурные основы модуляции и стробирования человеческого KCNQ1». Клетка. 180 (2): 340–347.e9. Дои:10.1016 / j.cell.2019.12.003. ЧВК  7083075. PMID  31883792.
  5. ^ Benham, CD; Дэвис, JB; Рэндалл, AD (июнь 2002 г.). «Ваниллоидные и TRP каналы: семейство катионных каналов, управляемых липидами». Нейрофармакология. 42 (7): 873–88. Дои:10.1016 / с0028-3908 (02) 00047-3. PMID  12069898.
  6. ^ Hughes TE, Pumroy RA, Yazici AT, Kasimova MA, Fluck EC, Huynh KW, et al. (Октябрь 2018 г.). «Структурные открытия TRPV5 гейтирования эндогенными модуляторами». Nature Communications. 9 (1): 4198. Bibcode:2018НатКо ... 9.4198ч. Дои:10.1038 / s41467-018-06753-6. ЧВК  6179994. PMID  30305626.
  7. ^ Fine M, Schmiege P, Li X (октябрь 2018 г.). «2-опосредованная регуляция TRPML1 человека». Nature Communications. 9 (1): 4192. Дои:10.1038 / s41467-018-06493-7. ЧВК  6180102. PMID  30305615.
  8. ^ Инь И, Ле СК, Сюй А.Л., Боргния М.Дж., Ян Х., Ли С.Ю. (март 2019 г.). «Структурная основа хладагента и восприятия липидов с помощью холодного активированного канала TRPM8». Наука. 363 (6430): eaav9334. Дои:10.1126 / science.aav9334. ЧВК  6478609. PMID  30733385.
  9. ^ а б c d Робинсон CV, Рохак Т., Хансен С.Б. (сентябрь 2019 г.). «Инструменты для понимания наноуровневой регуляции липидов ионных каналов». Тенденции в биохимических науках. 44 (9): 795–806. Дои:10.1016 / j.tibs.2019.04.001. ЧВК  6729126. PMID  31060927.
  10. ^ а б c Comoglio Y, Levitz J, Kienzler MA, Lesage F, Isacoff EY, Sandoz G (сентябрь 2014 г.). «Фосфолипаза D2 специфически регулирует калиевые каналы TREK посредством прямого взаимодействия и местного производства фосфатидной кислоты». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 111 (37): 13547–52. Bibcode:2014PNAS..11113547C. Дои:10.1073 / pnas.1407160111. ЧВК  4169921. PMID  25197053.
  11. ^ а б Кабанос С., Ван М., Хан Х, Хансен С.Б. (август 2017 г.). «2 антагонизма каналов ТРЕК-1». Отчеты по ячейкам. 20 (6): 1287–1294. Дои:10.1016 / j.celrep.2017.07.034. ЧВК  5586213. PMID  28793254.
  12. ^ Хамуда А.К., Сангви М., Саулс Д., Мачу Т.К., Блантон депутат (апрель 2006 г.). «Оценка липидных потребностей никотинового ацетилхолинового рецептора Torpedo californica». Биохимия. 45 (13): 4327–37. Дои:10.1021 / bi052281z. ЧВК  2527474. PMID  16566607.
  13. ^ Хайт РК, Баттервик Дж. А., Маккиннон Р. (октябрь 2014 г.). «Модуляция фосфатидной кислоты функции датчика напряжения канала Kv». eLife. 3. Дои:10.7554 / eLife.04366. ЧВК  4212207. PMID  25285449.
  14. ^ Чжэн Х., Лю В., Андерсон Л.Й., Цзян QX (22 марта 2011 г.). «Липид-зависимая вентиляция потенциалзависимого калиевого канала». Nature Communications. 2 (1): 250. Bibcode:2011NatCo ... 2..250Z. Дои:10.1038 / ncomms1254. ЧВК  3072105. PMID  21427721.
  15. ^ Ян С.Ф., Фрир С., Бенсон А.А. (февраль 1967 г.). «Трансфосфатидилирование фосфолипазой D». Журнал биологической химии. 242 (3): 477–84. PMID  6022844.
  16. ^ Тэн Дж., Лукин С., Анишкин А., Кунг С. (январь 2015 г.). «Принцип механочувствительности, основанный на силе липидов (FFL), в целом и в элементах». Архив Пфлюгерс. 467 (1): 27–37. Дои:10.1007 / s00424-014-1530-2. ЧВК  4254906. PMID  24888690.
  17. ^ Powl AM, East JM, Lee AG (апрель 2008 г.). «Анионные фосфолипиды влияют на скорость и степень потока через механочувствительный канал с большой проводимостью MscL». Биохимия. 47 (14): 4317–28. Дои:10.1021 / bi702409t. ЧВК  2566799. PMID  18341289.
  18. ^ Наебосадри А., Петерсен Э. Н., Кабанос С., Хансен С. Б. (2018). «Датчик толщины мембраны в каналах ТРЕК-1 преобразовывает механическую силу». Дои:10.2139 / ssrn.3155650. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  19. ^ Хильгеманн DW (октябрь 2007 г.). «Локальные сигналы PIP (2): когда, где и как?». Архив Пфлюгерс. 455 (1): 55–67. Дои:10.1007 / s00424-007-0280-9. PMID  17534652.
  20. ^ Чунг Х.В., Петерсен Э.Н., Кабанос С., Мерфи К.Р., Павел М.А., Хансен А.С. и др. (Январь 2019). «Молекулярная мишень для отсечения длины спиртовой цепи». Журнал молекулярной биологии. 431 (2): 196–209. Дои:10.1016 / j.jmb.2018.11.028. ЧВК  6360937. PMID  30529033.