Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №5 - Смолин

Нет сомнений, что сигнал-трансдукторных систем больше. В 90-е годы открыты новые ВП: церамид, фосфатидная кислота, цАДФ (циклоаденозиндифосфат) — рибоза и даже 5'-АМФ (аденозинмонофосфат). Сейчас интенсивно изучаются связанные с ними сигнал-трансдукторные системы.

Ядро

Многие гормоны и другие внеклеточные факторы (некоторые витамины, сыворотка крови) регулируют матричные синтезы, деление и дифференцировку клеток и другие процессы, определяемые ядром клетки. Однако в ядро проникает очень небольшая группа гормонов (стероиды, иодтиронины). Все остальные гормоны регулируют ядерные процессы без проникновения не только в ядро, но даже в клетку. Это возможно только в том случае, если вместо самого гормона в ядро будет поступать его сигнал. Очевидно, что для этого межклеточный сигнал, передаваемый гормоном, должен трансдуцироваться вначале во внутриклеточный, а затем во внутриядерный сигнал.

Первый этап преобразования гормонального сигнала нами уже разобран. Он приводит к накоплению в клетке ВП и/или активации ПК, то есть особой специфики здесь нет. Отметим только, что ядерные эффекты гормонов наиболее часто связаны с активацией ТК, ПК С и А [5].

Гормоны, наиболее эффективно регулирующие ядерные процессы, — это факторы роста клеток (ФРК) и цитокины. ФРК регулируют деление и дифференцировку всех клеток и, кроме того, поддерживают их витальность (жизнестойкость). Аналогичные эффекты соматотропного гормона (гормона роста) и инсулина реализуются через ФРК. Цитокины регулируют деление и дифференцировку иммунных клеток и вообще процессы иммунитета и воспаления. Иммунологи часто включают ФРК в состав цитокинов.

Теперь и начинается самое интересное — как цитозольный сигнал трансдуцируется во внутриядерный. Наиболее частым механизмом регуляции транскрипции на этапе инициации является специфическое взаимодействие белковых транскрипционных факторов с регуляторными участками ДНК. Поэтому основные усилия были направлены на выявление взаимодействия этого механизма с цитозольными событиями. В результате в 1990–1994 годы были выявлены три основных варианта [5] (рис. 3).

Рис. 3. Основные пути передачи сигнала из цитозоля в ядро.

ТФ — транскрипционный фактор, Р — остаток фосфата, И — ингибитор. —> — транслокация сигнальной молекулы в ядро, —> — другие варианты передач и сигнала

При первом, характерном для действия сыворотки крови или цАМФ-зависимых гормонов в ядро проникают цитозольные ПК, например киназа митогенактивированного белка (MAP-киназа) или каталитическая субъединица ПК А. В ядре такие ПК фосфорилируют один (или более) из внутриядерных транскрипционных факторов, что изменяет его сродство к ДНК и/или степень его активности. Например, ПК А участвует в развитии клеток (спермы и др.), синтезе гормонов и поддерживании суточного ритма, то есть функции цАМФ намного шире, чем думали недавно. При втором варианте, установленном для ряда ФРК, цитокинов и противовирусных белков интерферонов, сигнал в ядро передает не ПК, а фосфорилированный ею белок (например, Stat). До этого он был латентным транскрипционным фактором, но в результате фосфорилирования становится активным, проникает в ядро и специфически связывается с ДНК. При третьем варианте, реализующем эффекты ФРК, активных форм кислорода и ультрафиолета и регулирующем процессы воспаления и иммунитета, в белковом комплексе фосфорилируется и в результате отщепляется ингибиторная или якорная субъединица. Освобожденный от нее и ставший активным транскрипционный фактор проникает в ядро и связывается с ДНК. Это установлено, например, для NF-kB-ядерного фактора, первым (из очень многих) открытым эффектом которого была стимуляция синтеза k-легкой цепи иммуноглобулинов в В-лимфоцитах.

Таким образом, все три уже изученных варианта передачи сигнала в ядро связаны с протеинкиназным фосфорилированием регуляторных белков — транскрипционных факторов или их предшественников. При всех трех вариантах связывание активного транскрипционного фактора с регуляторным участком ДНК происходит быстро и запускает или увеличивает процесс транскрипции ранних генов, то есть генов, определяющих быстрые (в пределах ~ 15 мин) ответы клетки. Возникающие мРНК определяют синтез белковых продуктов ранних генов, которые становятся новыми транскрипционными факторами. Последние, как хорошо известно, стимулируют поздние гены (их активность реализуется в течение часов и суток) [5].

Напомним, что такие гормоны, как стероидные и иодтиронины, и активированные витамины А (ретиноевая кислота) и D (кальцитриол) после образования комплекса со своими ядерными рецепторами также взаимодействуют с регуляторными участками ДНК (см. рис. 1). Это означает, что конечный этап в регуляции ядерных процессов разными гормонами оказывается близким — это взаимодействие гормон-рецепторного комплекса (при механизме I на рис. 1) или — при механизме 116-модифицированного транскрипционного фактора (см. рис. 3) с регуляторными участками ДНК. Однако очевидны глубокие различия и в процессах трансдукции гормонального сигнала в ядро, и в регуляторных участках ДНК. Отметим, что изобилие последних почти в каждом гене эукариот привело к термину "мозг гена", а сам такой ген заслужил название "умного" (smart gene).

Изложенные данные не исчерпывают возможных механизмов и уровней регуляции. Показано, что при стимуляции деления клеток в ядре увеличивается концентрация Са2+. Следовательно, проникать в ядро могут не только ПК и модифицированные ими транскрипционные факторы, но и ВП. Однако трансдукция сигнала Са2+ в ядре пока не выяснена. Ясно также, что цитозольные ВП и ПК могут регулировать экспрессию генов и на посттранскрипционном и трансляционном уровнях. Но конкретные механизмы передачи сигналов в ядро еще не установлены.

Митохондрии

В последние годы окончательно доказано, что существует множественная регуляция гормонами и ВП всех основных функций митохондрий (MX) [6]: активности ферментов, включая цикл трикарбоновых кислот Кребса, работы дыхательной цепи, окислительного фосфорилирования и процессов энергопотребления. Регуляция осуществляется двумя группами гормонов: Са2+-мобилизующими (катехоламины через а1-рецепторы, вазопрессин, ангиотензин) и цАМФ-зависимыми (глюкагон и катехоламины через b-рецепторы). Схема передачи гормонального сигнала в MX представлена на рис. 4. Общее для обоих механизмов — первичный регуляторный сигнал в клетке возникает в гормональных рецепторах плазматической мембраны и затем трансдуцируется в увеличение цитозольной концентрации ВП — Са2+ и/или цАМФ. Их влияние на MX является вторичным — в результате воздействия на наружную сторону внутренней мембраны MX или проникновения через нее в матрикс (внутренняя растворимая часть MX).

Рис. 4. Передача гормонального сигнала в митохондрии.

Е — фермент MX

Конкретные механизмы этих процессов различны. Для Са2+ существует постоянный обмен через внутреннюю мембрану MX: вход в матрикс (к минусу внутри) за счет энергии мембранного потенциала и выход назад в гиалоплазму в обмен на Na+ или Н+ за счет энергии, связанной с различиями pH. Расход энергии на это невелик и оправдан: он является основой для кальциевой регуляции функций MX. Кроме того, Са2+ активирует как минимум один фермент наружной стороны внутренней мембраны MX (глицерофосфатдегидрогеназу). цАМФ взаимодействует с рецепторным белком внутренней мембраны MX, что, очевидно, и приводит к активации их функций.