Нарушения передачи внутриклеточных сигналов

Нарушения могут возникать в тех случаях, когда снижается число рецепторов (например, при постоянно высоких концентрациях гормона), уменьшается сродство рецептора к гормону или нарушается связь с внутриклеточным сигнальным каскадом (дефекты рецепторов).

Гетеротримерные G-белки состоят из трех субъединиц: α, β и γ. Когда гормон связывается с рецептором, гуанозин-5'-трифосфат (ГТФ) связывается с субъединицей а в обмен на гуанозин-5'-дифосфат (ГДФ), а субъединица а отсоединяется от субъединицы β. Активированная по такому пути субъединица а в последующем инактивируется за счет дефосфорилирования ГТФ в ГДФ (внутренняя ГТФаза) и в результате может повторно присоединяться к субъединицам β—γ.

Многие пептидные гормоны через стимуляторный G-белок (G_s) активируют аденилатциклазу, которая образует циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). цАМФ активирует протеинкиназу А (РКА), которая фосфорилируется и, соответственно, влияет на ферменты и транспортные молекулы. цАМФ также может влиять на экспрессию генов через РКА и фосфорилирование цАМФ-чувствительного элементсвязывающего белка (CREB). Внутриклеточные фосфодиэстерозы превращают цАМФ в нециклический АМФ, в результате чего сигнал прекращается. Через увеличение концентрации внутриклеточного цАМФ действуют следующие гормоны: кортикотропин (АКТГ), лютеотропин (лютеинизирующий гормон [ЛГ]), тиреотропин (тиреотропный гормон [ТТГ]), пролактин, соматотропин (СТГ), некоторые из либеринов (рилизинг-гормоны) и статины (рилизинг-ингибирующие гормоны), глюкагон, паратиреоидный гормон (ПТГ), кальцитонин, адиуретин (АДГ, V₂-рецепторы), гастрин, секретин, ВИП, окситоцин, аденозин (А₂-рецептор), серотонин (S₂-рецептор), дофамин (D₁-рецептор), гистамин (Н₂-рецептор) и простагландины.

Некоторые пептидные гормоны и нейротрансмиттеры, например соматостатин, аденозин A₁-рецептор), серотонин (S1α), ангиотензин II, ацетилхолин (М₂-рецептор), действуют за счет подавления аденилатциклазы и тем самым уменьшают концентрацию внутриклеточного цАМФ через ингибирующий G-белок (G_i). Ряд гормонов, связываясь с различными рецепторами, может как повышать концентрацию цАМФ (адреналин: β-рецептор; дофамин: D₁-рецептор), так и понижать ее (адреналин: α₂-рецептор; дофамин: D₂-рецептор).

На сигнальный каскад цАМФ могут влиять токсины и лекарственные вещества, а именно холероген Vibrio choleroe и другие токсины, которые препятствуют деактивации α_s-субъединицы. В результате происходит неконтролируемая активация аденилатциклазы и впоследствии цАМФ-зависимых Cl^--каналов, что из-за безудержной секреции NaCI в просвет кишки приводит к тяжелой диарее. Коклюшный токсин, выделяемый Hemophilus pertussis, блокирует G_i-белок и тем самым повышает, в частности, концентрацию цАМФ (растормаживание аденилатциклазы). Форсколин непосредственно стимулирует аденилатциклазу, в то время как производные ксантина, например теофиллин или кофеин, ингибируют фосфодиэстеразу и, следовательно, распад цАМФ. Тем не менее действие производных ксантина преимущественно основано на ингибировании пуринергических рецепторов.

Помимо цАМФ внутриклеточным проводником является циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ). цГМФ образуется при участии гуанилилциклазы. цГМФ достигает своего эффекта в первую очередь за счет активации протеинкиназы G (PKG). Предсердный натрийуретический фактор (ANF) и оксид азота (NO) наряду с некоторыми другими факторами также действуют через цГМФ.

К другим внутриклеточным медиаторам относятся 1,4,5-инозитолтрифосфат (IP₃), 1,3,4,5-инозитол-тетракифосфат (IP₄) и диацилглицерин (DAG). После активации G₀-белком мембраносвязанная фосфолипаза С (PLC) расщепляет фосфатидилинозитол-дифосфат (PIP₂) до IP₃ и DAG. Эта реакция запускается, в частности, адреналином (α₁), ацетилхолином (M₁-рецептор), гистамином (H₁-рецептор), АДГ (V₁-рецептор), панкреозимином (ССК), ангиотензином II, тиреолиберином (ТТГ), веществом Р и серотонином (S₁-рецептор). IР₃ высвобождает Са²⁺ из внутриклеточных депо. Опорожнение депо открывает Са²⁺-каналы в клеточной мембране. Са²⁺ также может входить в клетку через лигандзависимые Са²⁺-каналы. Са²⁺ частично связан с кальмодулином и посредством последующей активации кальмодулинзависимой киназы (СаМ-киназы) влияет на множество клеточных функций, таких как эпителиальный транспорт, секреция гормонов и клеточная пролиферация. DAG и Са²⁺ стимулируют протеинкиназу С (РКС), которая, в свою очередь, регулирует другие киназы, факторы транскрипции и цитоскелет. РКС также активирует Na⁺/H⁺-обменник, что приводит к ощелачиванию цитозоля и увеличению объема клетки. Этот путь влияет на многочисленные функции клеток, среди которых метаболизм, активация К*-каналов и клеточное деление. РКС активируется форболовыми эфирами.

Са²⁺ активирует эндотелиальную NО-синтазу (NOS), которая освобождает NO от аргинина. NO стимулирует PKG, например, в гладкомышечных клетках, что способствует выталкиванию Са²⁺ и уменьшению его концентрации в цитозоле, а следовательно, ведет к расширению сосудов. В дальнейшем NO проявляет свое действие за счет нитрозилирования белков.

Инсулин и факторы роста активируют тирозинкиназы, которые сами могут быть частью рецепторов или присоединяться к рецептору при его стимуляции. Киназы часто реализуют свою активность, фосфорилируя последующие киназы и вызывая тем самым киназный каскад. Тирозинкиназы, например, активируют с помощью малого G-белка Ras протеинкиназу Raf, которая запускает через киназу МАР-киназы MAP (митоген-активированную) киназу. Этот эффект«снежного кома» приводит к лавинообразному усилению клеточного сигнала. Киназы р38 и Jun, которые регулируют экспрессию генов через факторы транскрипции, также активируются посредством таких каскадов. Путем фосфорилирования фактора транскрипции Stat тирозинкиназа Jak1 опосредует эффекты интерферонов, гормонов роста и пролактина. Активин, антимюллеров гормон и TGF-β сходным образом регулируют фактор транскрипции Smad через серин/треонинкиназу.

Фосфорилированные белки дефосфорилируются фосфатазами, которые таким образом прекращают действие киназ. Кальциневрин, Са²⁺-активированная фосфатаза, активирует, кроме того, ядерный фактор NFAT, который наряду с другими факторами способствует гипертрофии гладкомышечных клеток сосудов и активации Т-лимфоцитов.

Факторы транскрипции регулируют синтез новых белков. Они перемещаются в ядро и связываются с соответствующими последовательностями ДНК, контролируя таким образом экспрессию генов. Факторы транскрипции могут регулироваться путем фосфорилирования.

Деградация белков также находится под строгим контролем Убиквитинлигазы прикрепляют сигнальный пептид убиквитин к соответствующим белкам. Убиквитинированные белки разрушаются через протеосомный путь. Регулирование убиквитинлигаз происходит за счет фосфорилирования.

Арахидоновая кислота, являющаяся полиненасыщенной жирной кислотой, может отщепляться отлипидов мембраны, включая DAG, фосфолипазой А. Сама по себе арахидоновая кислота оказывает ряд клеточных воздействий (например, на ионные каналы). В результате действия циклооксигеназы (ЦОГ) она может также превращаться в простагландины и тромбоксан, действие которых частично проявляется за счет активации аденилилциклазы и гуанилилциклазы. Кроме того, арахидоновая кислота может превращаться в лейкотриены под воздействием липоксигеназы (ЛОГ). Простагландины и лейкотриены играют большую роль в воспалении и служат не только внутриклеточными посредниками, но и внеклеточными медиаторами. Ингибиторы ЛОГ и ЦОГ, которые часто используют в терапевтических целях (например, для подавления воспаления и агрегации тромбоцитов), подавляют образование лейкотриенов и простагландинов.

Некоторые медиаторы (например, TNF и CD95 [Fas/Apo1] лиганд) активируют кислую сфингомиелиназу, которая образует церамид из сфингомиелина. Церамид запускает серию клеточных эффектов, таких как активация малых G-белков (например, Ras), киназ, фосфатаз и каспаз, т. е. протеаз, которые расщепляют белки в участках цистеин — аспартат. Эффекты церамида особенно важны в передаче сигнала при апоптотической гибели клетки.

Стероидные гормоны (глюкокортикоиды, альдостерон, половые гормоны), гормоны щитовидной железы (TR), кальцитриол (VDR), ретиноиды (RAR) и липиды (PPAR) связываются с внутриклеточными рецепторами белков. Гормон-рецепторный комплекс присоединяется к ДНК клеточного ядра и таким образом регулирует синтез белка.

Передача сигнала

Фосфатидилинозитол-З-киназа (РI3-киназа) связывается с фосфорилированными остатками тирозина и связанным IRS1 (субстратом инсулинового рецептора 1) активированного фактора роста и рецепторов инсулина. РI3-киназа образует РI_3,4,5Р₃ (фосфатидилинозитол-3,4,5-трифосфат), который о фиксирован к клеточной мембране. РI_3,4,5Р₃ связывается с PDK1 (фосфоинозитидзависимая киназа 1) и протеинкиназой В (PKB/Akt). В последующем PDK1 фосфорилирует и таким образом активирует PKB/Akt.

PKB/Akt стимулирует некоторые транспортные процессы, в т. ч. переносчик глюкозы GLUT4. Он фосфорилирует и, соответственно, инактивирует антипролиферативный и проапоптотический фактор транскрипции семейства Forkhead FKHRL1(FoxO1), тем самым способствуя клеточной пролиферации и препятствуя апоптозу. В последующем РКВ/Akt фосфорилирует и активирует MDM2, который ингибирует проапоптотический фактор транскрипции р53.

Далее PDK1 и PKB/Akt регулируют экспрессию генов через фактор транскрипции NFkB. NFkB связан с ингибирующим белком IкВ и удерживается за счет этого в цитозоле. IкВ фосфорилируется IкВ-киназой (IKK), что приводит к его убиквитинированию и деградации. При отсутствии IkB NFkB перемещается в ядро и стимулирует экспрессию генов. NFkB усиливает также синтез белков внеклеточного матрикса и, следовательно, способствует развитию фиброза. PKB/Akt фосфорилирует и тем самым активирует IKK, что приводит к активации NFkB. Далее IKK активируется TNF-α и IL-1.

PKB/Akt фосфорилирует Bad — белок, стимулирующий освобождение цитохрома С из митохондрий, и с помощью этого запускает апоптоз. Фосфорилированный Bad связан с белком 14-3-3 и поэтому защищен от взаимодействия с митохондриями. PKB/Akt фосфорилирует и вследствие этого инактивирует каспазу 9 — протеазу, которая также участвует в сигнальном каскаде, ведущем к апоптозу. Таким образом, PKB/Akt подавляет апоптоз.

PKB/Akt фосфорилирует и с помощью этого активирует NOS. NO может аналогичным образом ингибировать апоптоз. PKB/Akt активирует p47^Phox и в результате стимулирует образование активных форм кислорода (АФК).
PKB/Akt фосфорилирует и за счет этого инактивирует туберин, который образует комплекс с гамартином (комплексом туберозного склероза — TSC). TSC инактивирует малый G-белок Rheb. Активированный Rheb стимулирует киназу mTOR (мишень рапамицина млекопитающих), белок, стимулирующий усвоение клеточного субстрата, белковый синтез и клеточную пролиферацию. Подавление туберина под действием PKB/Akt стимулирует mTOR. Далее АМФ-активированная киназа (АМРК) стимулирует и тем самым ингибирует TSC. Истощение энергетических запасов клетки повышает концентрацию клеточного АМФ, а следовательно, активирует АМРК и ингибирует mTOR.

PKB/Akt фосфорилирует и с помощью этого инактивирует киназу 3 гликогенсинтазы (GSK3α и GSK3β). GSK3 в последующем ингибируется фактором роста Wnt, что происходит с участием рецепторов семейства Frizzled и белков семейства Disheveled. GSK3 соединяется с белковым комплексом, который состоит из Axin, белка Гиппеля—Линдау (vHL) и аденоматозного полипоза толстой кишки (АРС). Этот комплекс связывается с многофункциональным белком Р-катенином. GSK3 фосфорилирует β-катенин и этим запускает его деградацию, β-катенин может связываться с Е-кадгерином, который обеспечивает контакт между соседними клетками. Свободный β-катенин перемещается в ядро, взаимодействует с комплексом транскрипции TCF/Lef и благодаря этому стимулирует экспрессию нескольких генов,необходимых для клеточной пролиферации. Wnt и активированный PKB/Akt способствуют клеточной пролиферации отчасти за счет подавления GSK3 и последующей стимуляции β-катенинзависимой экспрессии генов.

PDK1 фосфорилирует и тем самым активирует киназу, индуцируемую сывороткой и глюкокортикоидами (SGK1). Экспрессия SGK1 стимулируется глю-кокортикоидами, альдостероном, TGF-β, ишемией и гиперосмолярностью. SGK1 активирует ряд переносчиков, каналов и Na⁺/K⁺-ATФaзy. Данная киназа имеет несколько таргетных белков, общих с PKB/Akt. После стимуляции их экспрессии она может играть ведущую роль в РI3К-зависимой передаче сигнала.

Фосфатаза PTEN дефосфорилирует РI_3,4,5Р₃ и таким образом завершает РI_3,4,5Р₃-зависимую передачу сигнала. Следовательно, PTEN ингибирует клеточную пролиферацию. Оксидативный стресс инактивирует PTEN и за счет этого увеличивает активность Akt/PKB и SGK.