Липидная сигнализация - Lipid signaling
лизофосфатидная кислота (LPA),
сфингозин-1-фосфат (S1P),
фактор активации тромбоцитов (PAF),
анандамид или арахидоноилэтаноламин (AEA).
Липидная сигнализация в широком смысле относится к любому биологическому сигнальному событию, в котором участвует липидный мессенджер, который связывает белковая мишень, такая как рецептор , киназа или фосфатаза , которые, в свою очередь, опосредуют эффекты этих липидов на специфические клеточные ответы. Считается, что передача липидных сигналов качественно отличается от других классических парадигм передачи сигналов (таких как нейротрансмиссия моноаминов ), поскольку липиды могут свободно диффундировать через мембраны ( см. Осмос ). Одним из следствий этого является то, что липидные мессенджеры не могут храниться в везикулах до высвобождения, и поэтому они часто биосинтезируются «по требованию» в предполагаемом месте действия. Таким образом, многие сигнальные молекулы липидов не могут свободно циркулировать в растворе, а, скорее, существуют связанными со специальными белками-носителями в сыворотке .
Сфинголипидные вторичные мессенджеры
Керамид
Церамид (Cer) может образовываться при расщеплении сфингомиелина (SM) сфингомиелиназами (SMases), которые являются ферментами , гидролизующими фосфохолиновую группу из остова сфингозина . В качестве альтернативы, этот сфингозин -derived липидов ( сфинголипидов ) могут быть синтезированы с нуля ( De Novo ) ферментами серин - пальмитоил - трансферазы (СПТ) и церамидного - синтазы в органеллы , такие как эндоплазматический ретикулум (ER) и , возможно, в митохондриях -associated мембраны (МАМ) и перинуклеарные мембраны . Находясь в метаболическом узле, церамид приводит к образованию других сфинголипидов , с С1- гидроксильной (-ОН) группой в качестве основного места модификации. Сахар может быть присоединен к церамиде (гликозилирования) под действие ферментов, глюкозный или галактозили церамиды синтаза . Керамид также может быть разбит на ферментах , называемых ceramidases , что приводит к образованию сфингозина , Кроме того, фосфатная группа может быть присоединена к церамиде (фосфорилирования) с помощью фермента, церамиды - киназы . Кроме того , можно регенерировать сфингомиелина от церамидов, приняв фосфохолин головная группа из фосфатидилхолина (PC) под действием фермента , называемого сфингомиелинового - синтазы . Последний процесс приводит к образованию диацилглицерина (ДАГ) из ПК.
Керамид содержит две гидрофобные (« водобоязненные ») цепи и нейтральную головную группу. Следовательно, он имеет ограниченную растворимость в воде и ограничен органеллой, в которой он был образован. Кроме того, из-за своей гидрофобной природы церамид легко перемещается по мембранам, что подтверждается исследованиями на моделях мембран и мембранах из красных кровяных телец ( эритроцитов ). Однако церамид может взаимодействовать с другими липидами, образуя более крупные области, называемые микродоменами, которые ограничивают его способность к переворачиванию. Это может иметь огромное влияние на сигнальные функции церамида, поскольку известно, что церамид, генерируемый кислыми ферментами SMase во внешнем листке мембраны органеллы, может иметь разные роли по сравнению с церамидом, который образуется во внутреннем листке под действием нейтральной SMase. ферменты.
Керамид опосредует многие реакции клеток на стресс, включая регуляцию запрограммированной гибели клеток ( апоптоз ) и старения клеток ( старение ). Многочисленные исследовательские работы сосредоточили интерес на определении прямых белковых мишеней действия церамида. Они включают ферменты называют церамидами -активированных Ser-Thr фосфатазов (Капс), такими как белки фосфатазами 1 и 2А (РР1 и PP2A), которые были найдены , чтобы взаимодействовать с церамидой в исследованиях , проведенных в контролируемой среде вне живой организма ( в пробирке ). С другой стороны, исследования на клетках показали, что агенты, индуцирующие церамид, такие как фактор некроза опухоли-альфа (TNFα) и пальмитат, вызывают церамид-зависимое удаление фосфатной группы (дефосфорилирование) продукта гена ретинобластомы RB и ферментов. , протеинкиназы B ( семейство белков AKT ) и C α (PKB и PKC). Кроме того, существует также достаточно доказательства , которые подразумевают церамиду к активации киназы супрессора Ras (KSR), PKCζ и катепсин D . Катепсин D был предложен в качестве основной мишени для церамида, образующегося в органеллах, называемых лизосомами , что делает лизосомальные кислые ферменты SMase одним из ключевых участников митохондриального пути апоптоза . Керамид также было показано , чтобы активировать PKCζ , вовлекая его к ингибированию из AKT , регулирования разности напряжений между внутренней и внешней поверхности клетки (мембранного потенциала) и сигнальных функций , которые способствуют апоптозу. Химиотерапевтические агенты, такие как даунорубицин и этопозид, усиливают синтез церамида de novo в исследованиях, проведенных на клетках млекопитающих. Такие же результаты были обнаружены для некоторых индукторов апоптоза, особенно для стимуляторов рецепторов в классе лимфоцитов (тип лейкоцитов), называемых В-клетками . Регуляция синтеза церамида de novo пальмитатом может играть ключевую роль в развитии диабета и метаболического синдрома . Экспериментальные данные показывают, что при добавлении пальмитата наблюдается значительное повышение уровня церамидов . Керамиды накопление активирует PP2A и последующее дефосфорилирование и инактивацию AKT , решающий посредник в метаболическом контроле и инсулин сигнализации . Это приводит к значительному снижению чувствительности к инсулину (то есть к глюкозе) и к гибели продуцирующих инсулин клеток поджелудочной железы, называемых островками Лангерганса . Ингибирование синтеза церамидов у мышей с помощью лекарств или методов нокаута гена предотвращало резистентность к инсулину, вызванную жирными кислотами , глюкокортикоидами или ожирением .
Повышение активности кислой SMase in vitro наблюдалось после применения множества стрессовых стимулов, таких как ультрафиолет (УФ) и ионизирующее излучение, связывание рецепторов смерти и химиотерапевтических агентов, таких как платина , ингибиторы гистондеацетилазы и паклитаксел . В некоторых исследованиях активация SMase приводит к ее транспортировке к плазматической мембране и одновременному образованию церамида.
Белок- переносчик церамидов (CERT) переносит церамид из ER в Golgi для синтеза SM. Известно, что CERT связывает фосфатидилинозитолфосфаты , что указывает на его потенциальную регуляцию посредством фосфорилирования , стадии метаболизма церамидов, которая может ферментативно регулироваться протеинкиназами и фосфатазами , а также путями метаболизма липидов инозита . На сегодняшний день существует по крайней мере 26 различных ферментов с различной субклеточной локализацией, которые действуют на церамид как субстрат или продукт. Следовательно, регулирование уровней церамидов может осуществляться одним из этих ферментов в отдельных органеллах с помощью определенных механизмов в разное время.
Сфингозин
Сфингозин (Sph) образуется под действием ферментов церамидазы (CDase) на церамид в лизосоме . Sph также может образовываться на внеклеточной (наружная створка) стороне плазматической мембраны под действием нейтрального фермента CDase. Затем Sph либо возвращается обратно в церамид, либо фосфорилируется одним из ферментов сфингозинкиназы , SK1 и SK2. Продукт сфингозин-1-фосфат (S1P) может быть дефосфорилирован в ER, чтобы регенерировать сфингозин с помощью определенных ферментов S1P- фосфатазы внутри клеток, где спасенный Sph рециклируется в церамид . Сфингозин представляет собой одноцепочечный липид (обычно в длину 18 атомов углерода), благодаря чему он обладает достаточной растворимостью в воде. Это объясняет его способность перемещаться между мембранами и переворачиваться через мембрану. Оценки, проведенные при физиологическом pH, показывают, что примерно 70% сфингозина остается в мембранах, а остальные 30% растворимы в воде. Образующийся Sph обладает достаточной растворимостью в жидкости, находящейся внутри клеток ( цитозоле ). Таким образом, Sph может выходить из лизосомы и перемещаться в ER без необходимости транспорта через белки или заключенные в мембраны мешочки, называемые везикулами . Однако его положительный заряд способствует разделению в лизосомах . Предполагается, что роль SK1, расположенного рядом с лизосомой или в ней, заключается в «улавливании» Sph посредством фосфорилирования .
Важно отметить, что, поскольку сфингозин проявляет сурфактантную активность, он является одним из сфинголипидов, обнаруженных на самых низких клеточных уровнях. Низкие уровни Sph и их увеличение в ответ на стимуляцию клеток, в первую очередь за счет активации церамидазы индуцирующими рост белками, такими как тромбоцитарный фактор роста и инсулиноподобный фактор роста , согласуются с его функцией в качестве второго мессенджера . Было обнаружено, что немедленный гидролиз только от 3 до 10% вновь образованного церамида может удвоить уровни Sph. Обработка клеток HL60 (тип линии лейкозных клеток) органическим соединением растительного происхождения, называемым сложным эфиром форбола, увеличивает уровень Sph в три раза, в результате чего клетки дифференцируются в белые кровяные тельца, называемые макрофагами . Обработка тех же клеток экзогенной Sph вызвала апоптоз . Специфическая протеинкиназа фосфорилирует 14-3-3, иначе известную как сфингозин-зависимая протеинкиназа 1 (SDK1), только в присутствии Sph.
Также известно, что Sph взаимодействует с белками-мишенями, такими как гомолог протеинкиназы H (PKH) и протеинкиназа дрожжей (YPK). Эти мишени, в свою очередь, опосредуют эффекты Sph и связанных с ним сфингоидных оснований с известной ролью в регуляции актинового цитоскелета , эндоцитоза , клеточного цикла и апоптоза . Однако важно отметить, что функция второго мессенджера Sph еще не установлена однозначно.
Сфингозин-1-фосфат
Сфингозин-1-фосфат (S1P), как и Sph, состоит из одной гидрофобной цепи и обладает достаточной растворимостью для перемещения между мембранами. S1P образуется фосфорилированием из сфингозина по сфингозинкиназе (SK). Фосфатная группа продукта может быть отделена (дефосфорилирована) для регенерации сфингозина с помощью ферментов S1P- фосфатазы, или S1P может быть расщеплен ферментами S1P- лиазой до этаноламинфосфата и гексадеценала. Как и в Sph, его функция второго мессенджера пока не ясна. Однако есть существенные доказательства того, что S1P влияет на выживаемость клеток, миграцию клеток и воспаление . Некоторые индуцирующие рост белки, такие как фактор роста тромбоцитов (PDGF), инсулиноподобный фактор роста (IGF) и фактор роста эндотелия сосудов (VEGF), способствуют образованию ферментов SK, что приводит к повышению уровней S1P. Другие факторы, которые индуцируют СК, включают молекулы клеточной связи, называемые цитокинами , такие как фактор некроза опухоли α (TNFα) и интерлейкин-1 (IL-1), гипоксия или недостаток поступления кислорода в клетки, окисленные липопротеины низкой плотности (oxLDL) и некоторые другие. иммунные комплексы .
S1P, вероятно, образуется на внутренней створке плазматической мембраны в ответ на TNFα и другие изменяющие активность рецептора соединения, называемые агонистами . S1P, присутствующий в клетке в низких наномолярных концентрациях, должен взаимодействовать с рецепторами с высоким сродством, которые способны воспринимать их низкие уровни. Пока что единственными идентифицированными рецепторами для S1P являются высокоаффинные рецепторы, связанные с G-белком (GPCR), также известные как рецепторы S1P (S1PR). S1P необходим для достижения внеклеточной стороны (внешнего листка) плазматической мембраны для взаимодействия с S1PR и запуска типичных сигнальных путей GPCR . Однако цвиттерионная головная группа S1P делает маловероятным спонтанное переключение. Чтобы преодолеть эту трудность, АТФ-связывающая кассета (ABC) транспортер C1 (ABCC1) служит «выходной дверью» для S1P. С другой стороны, трансмембранный регулятор муковисцидоза (CFTR) служит средством входа S1P в клетку. В отличие от своей низкой внутриклеточной концентрации, S1P обнаруживается в высоких наномолярных концентрациях в сыворотке, где он связан с альбумином и липопротеинами . Внутри клетки S1P может индуцировать высвобождение кальция независимо от S1PR, механизм которого остается неизвестным. На сегодняшний день внутриклеточные молекулярные мишени для S1P все еще не идентифицированы.
Путь SK1-S1P был тщательно изучен в отношении действия цитокинов, при этом многочисленные функции связаны с эффектами TNFα и IL-1, способствующими воспалению . Исследования показывают, что нокдаун ключевых ферментов, таких как S1P- лиаза и S1P-фосфатаза, увеличивает производство простагландинов параллельно с повышением уровней S1P. Это убедительно свидетельствует о том, что S1P является медиатором действия SK1, а не последующие соединения. Исследования, проведенные на эндотелиальных и гладкомышечных клетках, согласуются с гипотезой о том, что S1P играет решающую роль в регулировании роста и движения эндотелиальных клеток. Недавняя работа над аналогом сфингозина , FTY270, демонстрирует его способность действовать как сильнодействующее соединение, изменяющее активность рецепторов S1P ( агонистов ). В ходе клинических испытаний было дополнительно подтверждено, что FTY270 играет роль в иммунной модуляции, например, при рассеянном склерозе . Это подчеркивает важность S1P в регуляции функции лимфоцитов и иммунитета . Большинство исследований S1P используются для более глубокого понимания таких заболеваний, как рак , артрит и воспаление , диабет , иммунная функция и нейродегенеративные расстройства .
Глюкозилцерамид
Глюкозилцерамиды (GluCer) - это наиболее широко распространенные гликосфинголипиды в клетках, служащие предшественниками для образования более 200 известных гликосфинголипидов. GluCer образуется в результате гликозилирования церамида в органелле, называемой Гольджи, с помощью ферментов, называемых глюкозилцерамидсинтазой (GCS), или в результате распада сложных гликосфинголипидов (GSL) под действием определенных ферментов гидролазы . В свою очередь, некоторые β-глюкозидазы гидролизуют эти липиды с регенерированием церамида. GluCer, по-видимому, синтезируется во внутренней створке Гольджи. Исследования показывают, что GluCer должен перемещаться внутрь Гольджи или перемещаться к месту синтеза GSL, чтобы инициировать синтез сложных GSL. Перенос к сайту синтеза GSL осуществляется с помощью транспортного белка, известного как четырехфосфатный адаптерный белок 2 (FAPP2), в то время как переключение внутрь Гольджи становится возможным благодаря транспортеру ABC P- гликопротеину , также известному как мультифосфатный белок-адаптер 2 (FAPP2). -переносчик лекарственной устойчивости 1 ( MDR1 ). GluCer причастен к торговле людьми после Гольджи и устойчивости к лекарствам, особенно к химиотерапевтическим агентам . Например, исследование продемонстрировало корреляцию между клеточной лекарственной устойчивостью и модификациями метаболизма GluCer .
Помимо их роли в качестве строительных блоков биологических мембран, гликосфинголипиды долгое время привлекали внимание из-за их предполагаемого участия в росте, дифференцировке и образовании опухолей клеток . Было обнаружено, что производство GluCer из Cer играет важную роль в росте нейронов или клеток мозга. С другой стороны, фармакологическое ингибирование GluCer-синтазы считается методом предотвращения инсулинорезистентности .
Церамид-1-фосфат
Церамид-1-фосфат (C1P) формируется под действием церамидов киназы (CK) ферментов на Cer. C1P несут ионный заряд при нейтральном pH и содержат две гидрофобные цепи, что делает его относительно нерастворимым в водной среде. Т.о., C1P находится в органелле, где он был сформирован, и маловероятно, что он самопроизвольно перемещается через бислои мембран.
C1P активирует фосфолипазу A2 и, как было обнаружено, наряду с CK, является медиатором арахидоновой кислоты, высвобождаемой в клетках в ответ на белок, называемый интерлейкин -1β (IL-1β), и липидорастворимую молекулу, которая переносит ионы кальция (Ca 2+ ) через бислой, также известный как ионофор кальция . Ранее сообщалось, что C1P стимулирует деление клеток ( митогенное ) в фибробластах , блокирует апоптоз путем ингибирования кислой SMase в лейкоцитах в тканях ( макрофагах ) и увеличивает внутриклеточную концентрацию свободного кальция в клетках щитовидной железы. C1P также играет известную роль в везикулярном переносе , выживании клеток, фагоцитозе («поедании клеток») и дегрануляции макрофагов .
Фосфатидилинозитолбифосфат (PIP 2 ) Липидный агонист
PIP 2 напрямую связывается с ионными каналами и модулирует их активность. Было показано, что PIP 2 непосредственно агонизирует внутренние выпрямляющие калиевые каналы ( K ir ). В этом отношении интактный PIP 2 сигнализирует как настоящий нейротрансмиттероподобный лиганд. Взаимодействие PIP 2 со многими ионными каналами указывает на то, что интактная форма PIP 2 играет важную сигнальную роль, независимую от передачи сигналов второго мессенджера.
Второстепенные мессенджеры из фосфатидилинозита
Системы вторичных мессенджеров фосфатидилинозитолбифосфат (PIP 2 )
Общий механизм системы второго мессенджера можно разбить на четыре этапа. Сначала агонист активирует мембраносвязанный рецептор. Во-вторых, активированный G-белок производит первичный эффектор. В-третьих, первичный эффект стимулирует синтез вторичных мессенджеров. В-четвертых, второй мессенджер активирует определенный клеточный процесс.
В G-белком рецепторов для ПГИ 2 системы обмена сообщениями производит два эффекторы, фосфолипазы С (PLC) и фосфоинозитидного 3-киназы (PI3K). PLC как эффектор производит два разных вторичных мессенджера, инозитолтрифосфат (IP 3 ) и диацилглицерин (DAG).
IP 3 растворим и свободно диффундирует в цитоплазму. В качестве второго мессенджера он распознается инозитолтрифосфатным рецептором (IP3R), каналом Ca 2+ в мембране эндоплазматического ретикулума (ER), который хранит внутриклеточный Ca 2+ . Связывание IP 3 с IP3R высвобождает Ca 2+ из ER в обычно бедную Ca 2+ цитоплазму, что затем запускает различные события передачи сигналов Ca 2+ . В частности, в кровеносных сосудах увеличение концентрации Ca 2+ от IP 3 высвобождает оксид азота, который затем диффундирует в гладкие мышечные ткани и вызывает расслабление.
ДАГ остается связанным с мембраной посредством его жирных кислот «хвосты» , где она вербует и активирует как обычные и новые члены протеинкиназы С семьей. Таким образом, и IP 3, и DAG способствуют активации PKC.
Фосфоинозитид-3-киназа (PI3K) в качестве эффектора фосфорилирует фосфатидилинозитолбисфосфат (PIP 2 ) с образованием фосфатидилинозитол (3,4,5) -трифосфата (PIP 3 ). Было показано, что PIP 3 активирует протеинкиназу B , увеличивает связывание с внеклеточными белками и в конечном итоге увеличивает выживаемость клеток.
Активаторы рецепторов, сопряженных с G-белком
См. Основную статью о рецепторах, сопряженных с G-белками.
Лизофосфатидная кислота (LPA)
LPA является результатом действия фосфолипазы A2 на фосфатидную кислоту . Положение SN-1 может содержать либо сложноэфирную связь, либо эфирную связь, при этом эфирный LPA обнаруживается на повышенных уровнях при некоторых видах рака. МПУ связывает с высоким сродством G-белками рецепторов LPA1 , LpA2 и LPA3 (также известный как EDG2 , EDG4 и EDG7 , соответственно).
Сфингозин-1-фосфат (S1P)
S1P присутствует в плазме в высоких концентрациях и секретируется локально в повышенных концентрациях в местах воспаления. Она образована регулируемая фосфорилированией из сфингозина . Он действует через пять выделенного высокое сродство G-белок рецепторов , S1P1 - S1P5 . Нацеленная делеция S1P1 приводит к летальному исходу у мышей, а удаление S1P2 приводит к припадкам и глухоте. Кроме того, всего лишь 3-5-кратное повышение концентрации S1P в сыворотке крови вызывает внезапную сердечную смерть по специфическому для S1P3- рецептора механизму.
Фактор активации тромбоцитов (PAF)
PAF - мощный активатор агрегации тромбоцитов, воспаления и анафилаксии. Он похож на повсеместно распространенный мембранный фосфолипидный фосфатидилхолин, за исключением того, что он содержит ацетильную группу в положении SN-2, а положение SN-1 содержит эфирную связь. PAF передает сигнал через специальный рецептор , связанный с G-белком , PAFR, и инактивируется ацетилгидролазой PAF.
Эндоканнабиноиды
Эндогенные каннабиноиды или эндоканнабиноиды - это эндогенные липиды, которые активируют каннабиноидные рецепторы . Первый такой липидный быть изолированы был анандамид , который является арахидоноил амид из этаноламина . Анандамид формируется с помощью ферментативного освобождения из N-арахидоноил фосфатидилэтаноламина по N-ацил - фосфатидилэтаноламина фосфолипазы D (NAPE-PLD). Анандамид активирует рецептор CB1, который находится в основном в центральной нервной системе , и рецептор CB2, который находится в основном в лимфоцитах и на периферии. Он обнаруживается в очень низких концентрациях (нМ) в большинстве тканей и инактивируется гидролазой амида жирных кислот . Впоследствии был выделен другой эндоканнабиноид, 2-арахидоноилглицерин , который продуцируется, когда фосфолипаза C высвобождает диацилглицерин, который затем превращается в 2-AG под действием диацилглицеринлипазы . 2-AG также может активировать оба каннабиноидных рецептора и инактивируется моноацилглицерин липазой . Его концентрация примерно в 100 раз превышает концентрацию анандамида в большинстве тканей. Повышение содержания любого из этих липидов вызывает анальгезию, противовоспалительное действие и защиту тканей во время состояний ишемии, но точные роли, которые играют эти различные эндоканнабиноиды, до сих пор полностью не известны, и интенсивные исследования их функции, метаболизма и регуляции продолжаются. Один насыщенный липид из этого класса, часто называемый эндоканнабиноидом, но не имеющий соответствующего сродства к рецепторам CB1 и CB2, - это пальмитоилэтаноламид . Этот сигнальный липид имеет большое сродство к рецептору GRP55 и альфа-рецептору PPAR. Он был идентифицирован как противовоспалительное соединение еще в 1957 году и как болеутоляющее в 1975 году. Рита Леви-Монтальчини впервые определила один из его биологических механизмов действия - ингибирование активированных тучных клеток. Пальмитоилэтаноламид - единственный эндоканнабиноид, доступный на рынке для лечения в качестве пищевой добавки.
Простагландины
Простагландины образуются за счет окисления из арахидоновой кислоты с помощью циклооксигеназы и других простагландинов синтаз . В настоящее время известно девять рецепторов, связанных с G-белком ( эйкозаноидные рецепторы ), которые в значительной степени опосредуют физиологию простагландинов (хотя некоторые простагландины активируют ядерные рецепторы , см. Ниже).
FAHFA
FAHFA (сложные эфиры жирных кислот и гидроксижирных кислот) образуются в жировой ткани, улучшают толерантность к глюкозе, а также уменьшают воспаление жировой ткани. Сложные эфиры пальмитиновой кислоты и гидроксистеариновых кислот (PAHSA) являются одними из наиболее биоактивных компонентов, способных активировать рецепторы, связанные с G-белком 120. Сложный эфир докозагексаеновой кислоты и гидроксилинолевой кислоты (DHAHLA) проявляет противовоспалительные и пролонгирующие свойства.
Производные ретинола
Ретинальдегид - это производное ретинола ( витамина А ), отвечающее за зрение. Он связывает родопсин , хорошо изученный GPCR, который связывает все цис- ретиналь в его неактивном состоянии. При фотоизомеризации с помощью фотона цис-ретиналя превращают в транс-ретинального вызывая активацию родопсина , который в конечном счете приводит к деполяризации в нейроне , тем самым позволяя визуальное восприятие .
Активаторы ядерных рецепторов
См. Основную статью о ядерных рецепторах
Стероидные гормоны
Этот большой и разнообразный класс стероидов биосинтезируется из изопреноидов и структурно напоминает холестерин . Стероидные гормоны млекопитающих можно разделить на пять групп по рецепторам, с которыми они связываются: глюкокортикоиды , минералокортикоиды , андрогены , эстрогены и прогестагены .
Ретиноевая кислота
Ретинол ( витамин А ) может метаболизироваться до ретиноевой кислоты, которая активирует ядерные рецепторы, такие как RAR, для контроля дифференцировки и пролиферации многих типов клеток во время развития.
Простагландины
Большая часть передачи сигналов простагландина происходит через GPCR (см. Выше), хотя некоторые простагландины активируют ядерные рецепторы в семействе PPAR . (См. Статью о рецепторах эйкозаноидов для получения дополнительной информации).