Основные системы посредников, активируемые при взаимодействии веществ-регуляторов с клетками организма

При взаимодействии веществ-регуляторов, например цитокинов, с рецепторами 1-го типа запускаются различные сигнальные системы, связанные с регуляцией пролиферации, апоптоза, подвижностью клеток, компоненты которых в настоящее время активно изучаются. В общем виде события, происходящие после соединения вещества-регулятора с рецептором, можно описать следующим образом.

К комплексу лиганд — рецептор присоединяется второй рецептор, то есть рецептор димеризуется. Как упоминалось, рецепторы 1-го типа обладают тирозинкиназной активностью. Они могут фосфорилировать остатки тирозина или в своей молекуле, то есть способны к автофосфорилированию, или остатки тирозина в других молекулах. Образование комплекса лиганд — рецептор приводит или к автофосфорилированию остатков тирозина в молекуле рецептора, или к взаимному фосфорилированию тирозина в разных молекулах димера.

Молекулы фосфорилированного димера взаимодействует со специальными белками-переносчиками сигнала (БПС). Комплекс лиганда и рецептора присоединяет определенные регуляторные белки клетки — белки-переносчики сигнала БПС (белки GP 130, (З_с, у_с). Некоторые из них после фосфорилирования могут непосредственно активировать транскрипцию определенных генов. В большинстве случаев БПС присоединяются к цитоплазматической тирозинкиназе — Янус-киназе (ЯК). Ферменты семейства ЯК-з имеют два активных центра. Один из них катализирует или фосфорилирование тирозинкиназного участка рецепторов 1-го типа, или БПС, а на другом активном центре происходит фосфорилирование таких регуляторных белков клетки, как факторы транскрипции, называемые переносчиками сигнала и активаторами транскрипции — ПСАТ (signal trandusers and activator of transcription — STAT). ПСАТ также относят к группе БПС. Они имеют в своем составе SH-2 домен, узнающий остаток фосфотирозина. Поэтому они способны ассоциировать или с фосфорилированным цитокиновым рецептором, или с какими-либо БПС. После фосфорилирования ПСАТ на втором активном центре ЯК-активированные ПСАТ отсоединяются и образуют димер, который перемещается в ядро клетки. В ядре этот димер связывается с промотором определенного гена и активирует его транскрипцию.

Таким образом, посредниками веществ-регуляторов, взаимодействующих с мембранными рецепторами 1-го типа, являются БПС, в том числе и ПСАТ, и ферменты семейства ЯК-з. Связывание веществ-регуляторов с этими мембранными рецепторами приводит к активации транскрипции определенных генов. Причем в некоторых случаях комплексы разных веществ-регуляторов, а именно цитокинов и их рецепторов, могут активировать одни и те же БПС. Это приводит к одинаковому результату, например к усилению транскрипции определенного гена.

Системы посредников (вторичных мессенджеров) веществ-регуляторов, взаимодействующих с рецепторами 3-го типа, — это аденилатциклазная, гуанилатциклазная и фосфоинозитная системы.

Механизм действия аденилатциклазной и гуанилатциклазной систем одинаков. В обеих Gs-белки после их взаимодействия с комплексом вещество-регулятор — рецептор активируют фермент, локализованный на внутренней поверхности мембраны: аденилатциклазу или гуанилатциклазу. Эти ферменты катализируют реакцию образования в клетке таких вторичных мессенджеров, как циклические мононуклеотиды. Они образуются из нуклеозидтрифосфатов. Аденилатциклаза катализирует образование из АТФ циклического аденозинмонофосфата (ц-АМФ), а гуанилатциклаза превращает ГТФ в циклический ГМФ (ц-ГМФ). Например, аденилатциклазу активирует соединение с рецепторами клеток-мишеней глюкогона (гормон поджелудочной железы), а мембранную гуанилатциклазу — натрийуретический фактор (тканевый гормон правого предсердия). Вместе с тем аденилати гуанилатциклаза также могут быть активированы веществами, находящимися в цитозоле клеток. Так, активатором аденилатциклазы в некоторых случаях может быть комплекс ионов Са²⁺ с белком кальмодулином. Для гуанилатциклазы, кроме мембранной формы, активируемой G-белками, известна еще и цитозольная форма этого фермента.

Она активируется низкомолекулярными водои жирорастворимыми веществами. Это могут быть низкомолекулярные нейромедиаторы N0 и СО. Предполагается, что они могут проходить через мембраны клеток. Кроме того, эти низкомолекулярные активаторы цитозольной гуанилатциклазы могут образовываться в клетке при активации в ней определенных ферментов, происходящей в результате взаимодействия с этой клеткой некоторых веществ-регуляторов.

Циклические нуклеозидмонофосфаты ц-АМФ и ц-ГМФ активируют путем фосфорилирования протеинкиназу, А и протеин-киназу Г соответственно. Эти вторичные мессенджеры являются ферментами, фосфорилирующими различные белки: ферменты, каналоформеры, сократительные белки, факторы транскрипции, которые в активной форме выполняют свою функцию или по увеличению каталитической активности ферментов, или активации каналоформеров, или по увеличению интенсивности транскрипции какого-либо гена.

Действие аденилат и гуанилатциклазной системы посредников может прерываться несколькими способами. Так, активная форма фермента фосфодиэстеразы катализирует превращение ц-АМФ (ц-ГМФ) в неактивную форму 5ЧАМФ (5'-ГМФ). При этом увеличение концентрации циклических нуклеозидмонофосфатов до определенного уровня может активировать фосфодиэстеразу. Фосфодиэстеразу также активирует Са²⁺-кальмодулиновый комплекс. Ингибиторами фосфодиэстеразы являются производные ксантина, например кофеин. Кроме того, действие аденилатциклазной системы может прерываться с помощью веществ-регуляторов, активирующих Gj-белки. Эта группа G-белков ингибирует аденилатциклазу.

Фосфоинозитольная система посредников начинает действовать в клетке при активации в ней фосфолипазы С. Этот фермент может активироваться или веществами-регуляторами, активирующими G-белки, или комплексом лиганда и мембранного рецептора 1-го типа.

Фосфолипаза С катализирует реакцию расщепления фосфолипида мембраны фосфатидилинозит-4,5-дифосфата (ФИФ₂ (PInsP₂)). Результат этой реакции — это образование 2 вторичных мессенджеров: инозит-1,4,5-трифосфата (ИФЗ) и диацилглицерина (ДАТ).

ИФЗ поступает в эндоплазматический ретикулум (ЭПР) и инициирует освобождение ионов Са²⁺, которые в этой системе также относят к вторичным мессенджерам. Диацилглицерин (ДАТ) активирует протеинкиназу С. Этот фермент в присутствии ионов Са²⁺ активирует белки клетки, выполняющие различные функции.

Фосфоинозитольная система посредников, запускаемая фосфолипазой С, активируется взаимодействием веществ-регуляторов как с рецепторами 3-го типа, так и с рецепторами 1-го типа. Эта система «запускается» при взаимодействии с рецепторами цитокинов: факторов роста (эпидермальных и тромбоцитов); гормонов (инсулина, антидиуретического гормона); нейромедиаторов (ацетилхолина, норадреналина), а также белков — продуктов онкогенов.

Системы посредников веществ-регуляторов, взаимодействующих с мембранными рецепторами, являются молекулярным аналогом таких технических устройств, как «усилитель» и «прерыватель процесса». Соединение даже одной молекулы вещества-регулятора с его рецептором и запуск каскада вторичных мессенджеров приводит в одних случаях к появлению множества молекул активированного фермента или усилению интенсивности процесса биосинтеза определенного белка, а в других, напротив, происходит инактивация какого-либо фермента или прерывание транскрипции гена и биосинтеза его белковых продуктов. Активация веществом-регулятором его рецептора, взаимодействующего с ним G-белка и даже одной молекулы аденилат-, гуанилатциклазы или фосфолипазы С приводит к тому, что, пока эти ферменты активны, в клетке активируются протеинкиназы, фосфорилирующие регуляторные белки клетки: ферменты, различные факторы транскрипции.

В последнее десятилетие, в связи с развитием таргетной терапии, предполагающей адресную доставку различных веществ к определенным группам клеток (фармакологических препаратов, маркеров клеток, наночастиц), продолжаются исследования по идентификации рецепторов различных веществ-регуляторов, изучаются детали структуры их рецепторов. Идентифицируются вещества, которые могут быть лигандами мембранных и внутриклеточных рецепторов, а также вещества, модулирующие активность веществ-регуляторов, веществ, входящих в системы посредников, которые запускаются при активации рецепторов, уточняются элементы этих систем. Так, обнаружено, что быть лигандами рецепторов, выполнять функцию вторичных мессенджеров в различных системах посредников могут не только те вещества, которые упоминаются в данной работе. В настоящее время изучены основные элементы и функции таких сигнальных путей, как PI3K/AKT/mTOR, МАРК, Wnt, Notch, Hedgehog, Erk.

В эти сигнальные системы (пути) нередко «вписаны» G-белки, элементы фосфоинозитольной, гуанилат-аденилатциклазной систем.

Несмотря на то, что основные принципы взаимодействия различных веществ-регуляторов с клеткой изучены, многие детали функционирования сигнальных путей и конечных результатов их регуляторных воздействий не известны. Вместе с тем обнаружено, что при различных заболеваниях, в том числе при разных формах онкологических заболеваний, происходят изменения, обусловленные управляющими сигналами веществ-регуляторов, транслируемых элементами систем посредников. Это изменения транскриптома (набора и интенсивности транслируемых генов, и, соответствено, набор и соотношение различных видов и (м)-РНК) и протеома (количества и набора различных белков), а также изменения переноса вещества через биологические мембраны. Эти изменения, в свою очередь, приводят к направленным перестройкам метаболизма, специфичным различным процессам в клетке (аутофагии, дифференцировке, трансдифференцировке), процессам, обуславливающим подвижность клеток, их адгезивные способности, межклеточные взаимодействия (в том числе образование и выделение экзосом), а также ее состояниям (переходам к различным фазам клеточного цикла при пролиферации, апоптозу, некрозу).