Исследование выявило недостающее звено в механизмах, лежащих в основе реакции «бей или беги»

By Антуан Кочевой No comments

skydiver
                Кредит: CC0 Public Domain

Мы все почувствовали эффект выброса адреналина. Перед лицом реальной или предполагаемой опасности сердце бьется быстрее, дыхание учащается, а мышцы напрягаются, когда тело готовится к борьбе с угрозой или спасается бегством от нее.
                                                                                       

Роль адреналина в инициировании реакции «сражайся или беги» является одним из наиболее хорошо изученных явлений в биологии. Однако точные молекулярные механизмы того, как гормон стимулирует сердечную функцию, остаются неясными.

Теперь исследователи из Гарвардской медицинской школы и Колумбийского университета раскрыли давнюю загадку того, как адреналин регулирует ключевой класс мембранных белков — потенциал-управляемые кальциевые каналы — которые отвечают за инициацию сокращения клеток сердца.

Используя технику, известную как бесконтактная протеомика, команда обнаружила, что в нормальных условиях белок, называемый Rad, ослабляет активность кальциевых каналов. Когда клетки сердца подвергаются действию препарата, имитирующего адреналин, Rad выделяется из канала, что приводит к большей активности и усилению сердцебиения.

Результаты, опубликованные в журнале Nature 22 января, дают механистическое описание того, как адреналин стимулирует сердце, и представляют новые цели для открытия сердечно-сосудистых препаратов.

В частности, по словам авторов, результаты могут открыть новые пути для разработки лекарств, столь же эффективных, но потенциально более безопасных, чем бета-блокаторы — широко назначаемый класс лекарств, которые блокируют действие адреналина для решения сердечно-сосудистых проблем такие как высокое кровяное давление.

«В нормальных условиях кальциевые каналы в сердце работают эффективно, но у них есть ручной тормоз в виде белка Rad», — говорит Мариан Калоксай, преподаватель системной биологии и директор по протеомике в Лаборатории системной фармакологии в HMS и соавтор с Стивеном Марксом, профессором медицины Колумбийского университета, Коллегией врачей и хирургов.

«Когда нам нужна полная мощность, адреналин отпускает этот ручной тормоз, так что эти каналы открываются быстрее и дают импульс, необходимый для борьбы или бегства от опасности», — сказал Калоксай.

Результаты, отмеченные авторами, дают понимание, которое может представлять интерес для исследователей в других областях, особенно в нейробиологии, поскольку управляемые напряжением кальциевые каналы играют центральную роль в возбуждении нейронов.

Отсутствующая ссылка

В качестве основного фактора сердечной функции, управляемые напряжением кальциевые каналы встраиваются в мембраны кардиомиоцитов — клеток, которые составляют сердечную мышцу. Эти каналы открываются и закрываются, чтобы контролировать поток ионов кальция в клетку. Когда открыто, приток кальция вызывает сокращение сердца.

Близость протеомика, анимация. Кредит: Стефани Датчен/Рик Груло

Адреналин стимулирует управляемые напряжением кальциевые каналы, активируя белок, известный как PKA, который, в свою очередь, активирует канал. В течение десятилетий считалось, что PKA делает это путем изменения определенных областей в канале, известном как сайты фосфорилирования PKA, но все больше доказательств указывает на то, что эта гипотеза была неверной.

В данном исследовании команда генетически сконструированных мышей с кардиомиоцитами, лишенными сайтов фосфорилирования PKA. Они обнаружили, что модифицированные клетки продолжали реагировать, когда стимулировались подобным адреналину лекарством, предполагая присутствие неизвестного фактора.

Исследователи обратились к бесконтактной протеомике — методике, которая позволила им идентифицировать почти каждый белок, расположенный вблизи управляемых напряжением кальциевых каналов, на расстоянии около 20 нанометров или в 10 раз больше ширины нити ДНК. Они профилировали белки как в кардиомиоцитах мыши, так и в интактных, функциональных сердцах мыши до и после воздействия препарата, подобного адреналину.

Анализ показал, что только один белок, Rad, постоянно демонстрировал значительное изменение уровней после воздействия адреналина, снижаясь примерно на 30-50% в непосредственной близости от каналов.

Для дальнейшего изучения, исследователи воссоздали эту сигнальную систему вне клеток сердца, экспрессируя как Rad, так и потенциал-управляемые кальциевые каналы в клетках почек человека, которые обычно не содержат ни того, ни другого. Когда клетки с радикальными и кальциевыми каналами подвергались воздействию подобного адреналину лекарственного средства, активность каналов резко возрастала. Клетки без Рэда почти не реагировали. До сих пор не было возможности воспроизвести модуляцию кальциевых каналов таким образом, потому что Rad как критический ингредиент отсутствовал, говорят авторы.

Дополнительные эксперименты подтвердили, что Rad действует, чтобы ослабить активность управляемых напряжением кальциевых каналов. Получая адреналиноподобный сигнал, PKA модифицирует участки белка Rad, которые затем отделяются от канала, увеличивая его активность.

Простой, элегантный

Открытие открывает новые возможности для исследований, поскольку управляемые напряжением кальциевые каналы играют центральную роль в широком спектре функций органов.

Кроме того, методы, использованные в исследовании, в том числе количественная масс-спектрометрия и тандемная маркировка масс, впервые предложенные соавтором исследования Стивеном Гиги, профессором клеточной биологии в Институте Блаватника в HMS, позволяют исследователям исследовать биологию и взаимодействия белков. с беспрецедентной точностью, включая поведение белка в функциональных, неповрежденных органах, как было в этом исследовании.

Полученные данные могут послужить основой для новых терапевтических подходов, считают авторы. Например, нарушение взаимодействия между Rad и кальциевым каналом может улучшить работу сердца за счет увеличения притока кальция в клетки. И наоборот, блокирование модификации Rad с помощью PKA может представлять собой альтернативную, более конкретную, чем бета-блокаторы, стратегию по уменьшению притока кальция в сердце.

«Это интересно, наконец, решить, как сердечные кальциевые каналы стимулируются в ответ борьбы или бегство. Эта тайна остается упорно неуловимой более 40 лет,» сказал Маркс. «В конце концов, основной механизм оказался простым и элегантным. Используя эту информацию, мы можем потенциально разработать новые методы лечения, нацеленные на этот путь для лечения сердечных заболеваний».

Добавить комментарий