Биохимические процессы трансдукции ионных каналов в клетке на начальных этапах эмбриогенеза

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биохимические процессы трансдукции ионных каналов в клетке на начальных этапах эмбриогенеза

Проблема изучения механизмов развития на ранних этапах эмбриогенеза (начальный, ранний эмбриональный периоды), то есть до начала функциональной дифференцировки и устойчивых генетических каскадов, остается актуальной и по сей день. В эмбриологии крайне часто структурные признаки возникают и исчезают еще до проявления активности генов. Органы и системы эмбриона возникают как результат индукционных, коммуникативных и межтканевых взаимодействий. Их природа в большинстве случаев неизвестна, однако рядом авторов особое место в развитии данных процессов отводится механочувствительным ионным каналам.

Ключевые слова: Механозависимые ионные каналы, сигнальные пути, вторичные мессенджеры, механотрансдукция

Biochemical processes of ion channel transduction in the cell at the initial stages of embryogenesis

Введение

Для выяснения механизмов специфических клеточных реакций в норме и патологии, при формировании мозга, рядом отечественных ученных проводились эксперименты на животных. При изучении рецепторных свойств эмбриональных клеток проводилось кратковременное и обратимое растяжение или сжатие нейроэктодермы на стадиях бластулы, гаструлы, нейрулы и нервной трубки у четырех видов амфибий.

Полученные учеными данные доказывают, что наиболее вероятно роль механорецепторов в нейроэпителиальных клетках выполняют механозависимые ионные каналы, описанные в большинстве тканей животных и растений. Использование рентгеновской микроспектрометрии в сочетании со сканирующей электронной микроскопией показало, что у нейроэпителиальных клеток, находящихся в поле экспериментального растяжения, через 7 мин возрастает концентрация некоторых внутриклеточного ионов (хлора), в то время концентрация других (калий, кальций) не изменяется. Проведение эксперимента при температуре тающего льда показало, что активации механозависимых ионных каналов у амфибий не происходит. Это позволило сделать вывод о том, что процесс активации является энергозависимым [1].

В ряде экспериментов зарубежных авторов (Хегер и Френч, 1999) было обнаружено, что механотрансдукция чувствительна к теплу. Полученные данные были хорошо согласованы с уравнением Аррениуса, чтобы дать среднюю энергию активации 23 ккал / моль (97 кДж / моль или Q10 = 3,2 при 20 ° C). Это подтверждает общий вывод о том, что механотрансдукция сопряжена со значительным энергетическим барьером, сравнимым с энергией, необходимой для разрыва ковалентной химической связи [2].

Результаты исследования

Существует несколько типов каналов, активируемых растяжением. К первому относится механически закрытые каналы, на которые непосредственно влияют механические деформации мембраны. Ко второму относятся механически чувствительные каналы, которые открываются вторичными мессенджерами, высвобождаемыми из истинного механически закрытого канала.

В ряде исследований зарубежными учеными были обнаружены два разных механизма открытия ионных каналов, активируемых растяжением: механические деформации в клеточной мембране могут увеличить вероятность открытия каналов. Белки внеклеточного матрикса и цитоскелета связаны с вне- и внутриклеточными доменами ионных каналов активируемых растяжением. Напряжение заставляет эти белки действовать как промежуточное звено передачи сигналов, что приводит к открытию ионного канала [3].

Механическая деформация клеточной мембраны может быть достигнута с помощью ряда экспериментальных вмешательств, включая магнитное возбуждение наночастиц. Примером этого является контроль поступления кальция в аксоны в нейронных сетях. Обратите внимание, что это не указывает на "магнитную стимуляцию" механочувствительных каналов. Чем больше положительное напряжение, тем выше вероятность открытия канала [4].

Модель пружинного троса заключается в том, что он прикреплен непосредственно к каналу и может находиться как в цитоскелете, так и во внеклеточном матриксе, связывая эти элементы вместе. Когда внешние раздражители отклоняют трос, смещение открывает канал [5]. Было продемонстрировано, что этот конкретный механизм отвечает за стробирование волосковых клеток, которые отвечают за слух у позвоночных [6].

Механотрансдукция Rac (подсемейство Rho GTPases (гуанозинтрифосфатаз), которые координируют клеточный ответ на внеклеточные сигналы) рассматривается как принудительный процесс, инициирующий биохимические реакции, такие как изменение состояния фосфорилирования и/или конформации. Помимо этого белки подсемейства Rac инициируют сигнальные пути, ведущие к экспрессии генов, синтезу белка и изменению клеточного фенотипа. Активация запускается механическим стрессом через вторичные мессенджеры и экспрессию генов.

К другим принципам механотрансдукции относятся ионные каналы активируемые растяжением, мембранная механотрансдукция (через G-белки и рецепторы, связанные с G- белком) и различные другие белки, которые соединяются с FAs / adhesion (фокальные контакты) и цитоскелетом [7].

Фокальные контакты (англ. focal adhesions) -- межклеточные контакты, которые представляют собой скопление интегриновых рецепторов на клеточной мембране, которые связывают клетку с внеклеточным матриксом. Они обеспечивают сильное прикрепление клеток к внеклеточному матриксу и участвуют в передаче механического напряжения на мембране клетки. Они задействованы во многих сигнальных путях клетки, в частности, активирующихся в ответ на механический стресс, благодаря наличию в них киназы фокальных контактов (FAK). Участвуя в передаче сигнала, они влияют на рост, выживание и миграцию клеток [8].

Напряжение сдвига на мембране может влиять на конформацию трансмембранных белков, что приводит к активации MAPK, Rho и других сигнальных путей, или ограничивает аутокринную передачу сигналов [7]. Работа сигнальных путей МАРК заключается в том, что рецепторы активируют ГТФазы семейств Ras и Rho. Они передают сигнал на модуль, состоящий из нескольких митоген-активируемых киназ. Этот каскадный механизм передачи приводит к тому, что MAPK фосфорилируют белки-мишени по остаткам серина и треонина и таким образом передают сигнал дальше, например, в ядро клетки. Кроме киназ, в состав сигнальных путей входят протеинфосфатазы и белки, которые обеспечивают сборку белковых комплексов [9,10].

Сигнальный путь ERK (Ras-ERK, MAPK/ERK) относится к ключевым сигнальным кассетам в системе MAPK и представлен двумя близкими по структуре белками, ERK1 и ERK2. Около цитоплазматической части рецепторов собирается сигнальный комплекс из множества белков, который, в конце концов, активирует ГТФазу Ras [11]. Она запускает каскад реакций, где конечная киназа (ERK1/2) проникая в ядро, регулирует транскрипцию через индукцию ранних генов c-Fos и c-Myc, обеспечивающих в свою очередь транскрипцию поздних генов, ответственных за пролиферацию, выживание и подвижность клеток [10].

Рядом ученых предполагается, что деформация ядра приводит к изменениям конформации хроматина, что может напрямую влиять на транскрипцию. Опосредованные несприном соединения с цитоскелетом обеспечивают механосенсорные функции в клетках, поскольку отсутствие или разрушение членов семейства несприн в ядерной оболочке мешает способности клетки ощущать механические воздействия и реагировать на них [12]. Так же исследования In vitro показали, что актин является критическим элементом в механотрансдукции модуля упругости ткани и статического натяжения. Модуль упругости субстрата влияет на экспрессию генов катаболических ферментов клетками сухожилий [13].

Заключение

биохимический трансдукция ионный эмбриогенез

Исходя из вышеизложенного, можно заключить, что механотрансдукция в действительности может иметь место в формообразовании зародыша на ранних стадиях эмбриогенеза (до 8 недели). То есть активатором генетических каскадов у человеческого зародыша будет являться формообразование, которое во времени и пространстве распределяет геном, а сам геном будет являться ингибитором (реакционно-диффузная модель Тьюринга). На поздних же стадиях морфогенетические каскады будут выключаться, но они задают тот вектор, реализующийся позже генетическими каскадами и автогенетическим контролем.

Процесс активации механозависимых ионных каналов в действительности является энергозависимым и сопряжен с разрывом ковалентных связей макроэргов, активацией вторичных мессенджеров и с запуском ими каскадных реакций для передачи информации в генетический аппарат клетки и последующим клеточным ответом.

Список литературы

1. Савельев С.В. Патология эмбрионального морфогенеза головного мозга человека // Вестник РАМН. 2012. №8. С.5-6.

2. Andrew S. French, Paivi H. Torkkeli. Mechanosensitive Ion Channels, Part B. Current Topics in Membranes. 2007. Vol. 59. P. 27-28.

3. Del Valle ME, Cobo T, Cobo JL, Vega JA. Mechanosensory neurons, cutaneous mechanoreceptors, and putative mechanoproteins // Microscopy Research & Technique. 2012. Vol. 75. Iss. 8. P. 1033-1343.

4. Tay A, Dino DC. Magnetic Nanoparticle-Based Mechanical Stimulation for Restoration of Mechano-Sensitive Ion Channel Equilibrium in Neural Networks // Nano Letters. 2017. P. 886892.

5. Lumpkin, Ellen A.; Caterina, Michael J. Mechanisms of sensory transduction in the skin // Nature. 2007. № 445 (7130). P. 858-65.

6. Hamill, O.P.; McBride, Jr. Induced membrane hypo /hyper mechanosensitivity A limitation of patch-clamp recording. // Annu. Rev. Physiol. 1997. Vol. 59. P. 621-631.

7. Wolfgang H. Goldmann. Mechanosensation: A Basic Cellular Process // Progress in Molecular Biology and Translational Science. 2014. Vol. 126. P.72-102.

8. Burridge K. Focal adhesions: a personal perspective on a half century of progress. // The FEBS Journal. 2017. Vol. 284. Iss. 20. P. 3355-3361.

9. Yang S. H., Sharrocks A. D., Whitmarsh A. J. MAP kinase signalling cascades and transcriptional regulation // Gene. 2013. Vol. 513. Iss. 1.P. 1-13.

10. Mendoza M. C., Er E. E., Blenis J. The Ras-ERK and PI3K-mTOR pathways: cross-talk and compensation // Trends Biochem Sci. 2011. № 36(6). P.320-8.

11. Cell Signaling Biology [Электронный ресурс] URL: https://portlandpress.com/biochemj (дата обращения: 03.02.2023)

12. Uzer G., Thompson W.R, Sen B., Xie Z., Yen S.S., Miller S., et al. Cell Mechanosensitivity to Extremely Low-Magnitude Signals Is Enabled by a LINCed Nucleus // Stem Cells. 2015. Vol. 33. Iss. 6. P. 2063-2076.

13. Manuela E. Gomes, Rui L. Reis and Marcia T. Rodrigues. Mechanobiology of Embryonic and Adult Tendons // Tendon Regeneration. 2015. P. 77-110.

Размещено на Allbest.ru