Низькопорогові кальцієві канали

Низькопорогові кальцієві канали (англ. Low Voltage Activated або T-type calcium channels) — потенціалзалежні іонні канали, які пропускають вхідний кальцієвий струм у відповідь на невеликі (низькопорогові) зміни мембранного потенціалу в бік деполяризації (між -60 та -40 мВ). Струм через НПКК характеризується маленькою (англ. tiny) провідністю та швидкоплинною (англ. transient) формою. Тому ці канали ще називають кальцієвими каналами Т-типу.

Різні ізоформи кальцієвих каналів Т-типу функціонують у нейронах, кардіоміоцитах, м'язовій тканині, секреторних клітинах, сперматозоїдах тощо. Але одночасно всі три гени низькопорогових кальцієвих експресуються лише в нервовій тканині, в першу чергу в головному мозку хребетних. Ключову роль низькопорогові кальцієві канали відіграють у таламусі, де беруть участь в перемиканні між тонічною та пачковою активністю нейронів у таламокортикальній петлі. Перехід таламічних нейронів у режим пачкової активності відбувається під час сну, а також за деяких патологіях, зокрема абсансній епілепсії.

Класифікація та номенклатура

До підродини низькопорогових кальцієвих каналів належать три представники, які відрізняються один від одного послідовністю амінокислот головної пороформуючої субодиниці. У більшості хребетних і ссавців наявно 3 гени, які кодують альфа1-субодиниці низькопорогових кальцієвих каналів: CACNA1G (кальцієвий канал Са_ν3.1), CACNA1H (Са_ν3.2) та CACNA1I (Са_ν3.3). Ca_v3 — спільна назва всіх Т-каналів (Са — головний іон, що проходить через канал; v — від англ. voltage, що означає потенціалкерованість; 3 — третя група серед потенціалзалежних кальцієвих каналів).

Безхребетні зазвичай мають лише один канал групи Ca_v3.

Молекулярна структура

Канали Т-типу складаються лише з порформувальної субодиниці α1, яка є трансмембранним білком. Додаткових субодиниць для свого функціонування вони не потребують. Субодиниця α1 — відносно велика (>200 кДа) білкова молекула, що складається з чотирьох повторів — мотивів (І, ІІ, ІІІ та IV). Кожен мотив має 6 трасмембранних сегментів, сформованих α-спіралями (S1-S6). Між сегментами S5 та S6 знаходиться петля, що формує внутрішню поверхню пори (англ. pore-forming loop — Р) та іон-селективного фільтру. Сегмент S4 є сенсором потенціалу, має в своєму складі залишки амінокислот аргініну та лізину, що надають йому позитивний заряд.

Чотири повторювані білкові мотиви поєднані між собою великими внутрішньоклітинними петлями, які містять сайти для взаємодії з цитоплазматичними білками, допоміжними субодиницями та іншими факторами. Довгі N- та C-кінцеві фрагменти білка також знаходяться на цитоплазматичному боці клітинної мембрани.

Функціональні відмінності між підтипами каналів Т-типу визначаються відмінностями амінокислотних послідовностей їх порформувальних субодиниць. Відповідно для підтипу Саν3.1 — це субодиниця α1G (ген, що її кодує CACNA1G), підтипу Саν3.2 — α1H (ген CACNA1Н), та Саν3.3 — α1I (ген CACNA1І). У людини ці гени розташовані відповідно на 17-й, 16-й і 22-й хромосомі.

Порівняльний аналіз послідовностей генів Cav3 каналів у людини, щура, миші, собаки та корови визначив ступінь гомології членів підродини в ссавців. Ca_v3.1 канали є висококонсервативними, із гомологією 90-95 % між згаданими п'ятьма видами, Са_v3.2 менш консервативні — 70-80 %, а Са_v3.3 мають проміжні значення — 80-90 %.

Електричні властивості

Низькопорогові канали активуються за невеликих негативних значень мембранного потенціалу (між -60 та -40 мВ) і швидко інактивуються. Струм через ці канали характеризується маленькою (англ. tiny) провідністю та швидкоплинною (англ. transient) формою.

За кінетичними властивостями кальцієві струми Т типу ділять на «швидкі» (Са_ν3.1, Са_ν3.2) та «повільні» (Са_ν3.3). У «швидких» постійна часу активації становить кілька мілісекунд (мс), інактивації — десятки, а у «повільних» активаційна — десятки мс, постійна часу інактивації може досягати сотень мс.

Активація Т-каналів відбувається за умови попередньої гіперполяризації клітини. Вважається, що попередня гіперполяризація нейрона нижче -70 мВ виводить НПКК з інактивації.

Діяльність таких НПКК разом з деякими іншими каналами призводить до генерації низькопорогових спайків (НПС), що є основою пейсмекерної та ритмічної активності клітин. Гіперполяризація зумовлює появу Ih-струму, створеного неселективними катіонними каналами, активованими гіперполяризацією. Ih-струм деполяризує мембрану до такого рівня потенціалу, при якому активуются НПКК і виникає низькопороговий спайк. На вершині спайку, внаслідок подальшої деполяризації мембрани і досягнення порогового потенціалу активуються потенціалзалежні натрієві канали (генерується пачка швидких ПД). Далі активуються Са2±залежні калієві канали. Струми через них зумовлюють гіперполяризацію мембрани і повернення потенціалу до рівня, необхідного для активації Ih-струму. Далі події повторюються.

Фізіологічні функції

Канали Т-типу представлені у різних ділянках нервової системи (найбільш високу їх концентрацію виявлено у таламусі та сенсорних нейронах), вони знайдені у таламокортикальних нейронах перемикальних та ретикулярних ядер таламуса, а також у корі головного мозку. Окрім нервової системи Т-канали розповсюджені й у інших тканинах: серцевому м'язі, нирках, гладеньких м'язах, печінці, наднирникових залозах, сітківці ока, яєчках. Є відомості, що НПКК переважно експресуються в тканинах на ембріональних та ранніх постанатальних стадіях розвитку. Це наводить на думку про роль Т-каналів у диференціації та проліферації.

Завдяки тому, що НПКК здатні активуватись при потенціалах близьких до потенціалу спокою, вони відіграють важливу роль у генерації спонтанної ритмічної активності так званих ендогенних пейсмекерних (beaters) та залпових клітин (bursters).

Регуляція експресії генів

Сплайсинг

Транскрипти всіх трьох генів підродини Са_v3 підлягають альтернативному сплайсінгу, що відображається на функції каналів. Кожен ген складається з 35-38 екзонів. Так для Са_v3.1 відомо декілька десятків сплайс-ізоформ, деякі з яких мають більшу щільність на мембрані та змінені характеристики активації, інактивації та проникності. У гені Са_v3.2 виявлено 14 сайтів сплайсингу, які впливають на проявлення мутантних фенотипів та на активацію струму через канал. Декілька сплайс-варіантів, що впливають на електрофізіологію каналу, відомі й для Са_v3.3.

Незважаючи на те, що відсутні відомості про пряму бохімічну взаємодію між α1-субодиницею та допоміжними білковими субодиницями потенціалкерованих кальцієвих каналів, коекспресія γ- та α2δ-білків призводила до змін у воротних струмах та щільності каналів на мембрані, проте цей вплив неспівставний з таким для високопорогових кальцієвих каналів.

Транскрипційні фактори

Відомо декілька транскрипційних факторів, які впливають на зчитування генів низькопорогових кальцієвих каналів. Найкраще вивчена регуляція транскрипції ізоформи Ca_v3.2.

У 2016 році група китайських дослідників описала підвищення активності експресії генів каналів Ca_v3.1 і Ca_v3.3 під впливом фактору GDF15 у префронтальній корі мишей.

Роль у патології

Мутації в генах низькопорогових кальцієвих каналів знайдені при деяких захворюваннях нервової та серцево-судинної систем.

У 2015 році знайдено мутацію в гені Ca_v3.1 у пацієнтів з мозочковою атаксією^[en]. Ця мутація призводила до зсування кривої активації каналів до більш позитивних значень та за даними моделювання знижували здатність нейронів мозочка активуватися та генерувати нервові імпульси.

Зміни експресії генів низькопорогових кальцієвих каналів є фізіологічно необхідними, проте порушення нормальної регуляції цих змін призводить до патологій. Патологічне підвищення експресії генів низькопорогових кальцієвих каналів пов'язують з розвитком абсансної епілепсії. Дитяча абсансна епілепсія людини — це поширена неконвульсивна форма епілепсії, на яку страждає 1 дитина на 2000 у віці від 4 до 15 років. Етіологія абсансної епілепсії залишається невідомою, хоча виявлені генетичні кореляції захворювання з декількома нуклеотидними поліморфізмами в генах Т-каналів.

Низькопорогові кальцієві канали безхребетних

Гомологи генів, що кодують α1-субодиниці Т-каналів широко розповсюджені в різних гілках тварин. Ортологічні гени знаходять у таких далеких групах як хоанофлагеляти, трихоплакс, комахи, молюски. Деякі групи, як наприклад губки, не мають генів кальцієвих каналів Т-типу, ймовірно внаслідок вторинної втрати. Найчастіше в геномі тварини наявний один ортолог підродини Ca_v3, але серед представників кишковопорожнинних гідра Hydra magnipapillata має один ортологічний ген, а анемона Nematostella vectensis — два гени. У геномі ссавців, як і у всіх Tetrapoda і кісткових риб, наявні 3 гени, що кодують низькопорогові кальцієві канали, що, ймовірно, є наслідком подвійної диплоїдизації генома предків риб.

Вперше низькопороговий кальцієвий струм у нейронах молюсків роду Helix було виміряно київськими біофізиками з Інституту фізіології АН УРСР 1989 року. Першого представника підродини було виділено і досліджено канадськими науковцями у 2010 році. Безхребетні мають лише один ген низькопорогового кальцієвого каналу, що має ортологи у більшості типів Animalia, включаючи Trichoplax і кишковопорожнинних. Пізніше було встановлено, що на відміну від білків хребетних цей канал має меншу кальцієву селективність, а його серцевий сплайс-варіант значно ефективніше пропускає натрій, аніж кальцій.

Історія дослідження

Низькопорогові кальцієві струми були вперше зареєстровані в Інституті фізіології ім. О. О. Богомольця на початку 1980-х років Миколою Веселовським і Світланою Федуловою під керівництвом академіка Платона Костюка. В кінці 1990-х років американським біохіміком Едвардом Перез-Реєсом (англ. Edward Perez-Reyes) було клоновано гени цих каналів.

Примітки

1. Perez Reyes E. Molecular physiology of low voltage activated T-type calcium channels // Physiol. Rev. — 2003. — V. 83. — P. 117—161.
2. Костюк П. Г. Низькопорогові потенціалкеровані кальцієві канали — властивості та функції / П. Г. Костюк // Фізіол. журн. — 1999. — Т. 45, N 4. — С. 8-19.
3. Кэндел Э. Клеточные основы поведения / Кэндел Э. — М. :Мир, 1980. — С. 203—205.
4. Liu, Dong-Dong; Lu, Jun-Mei; Zhao, Qian-Ru; Hu, Changlong; Mei, Yan-Ai (2016). Growth differentiation factor-15 promotes glutamate release in medial prefrontal cortex of mice through upregulation of T-type calcium channels. Scientific Reports 6: 28653. ISSN 2045-2322. doi:10.1038/srep28653. 
5. Coutelier, Marie; Blesneac, Iulia; Monteil, Arnaud; Monin, Marie-Lorraine; Ando, Kunie; Mundwiller, Emeline; Brusco, Alfredo; Le Ber, Isabelle; Anheim, Mathieu; Castrioto, Anna; Duyckaerts, Charles; Brice, Alexis; Durr, Alexandra; Lory, Philippe; Stevanin, Giovanni (2015). A Recurrent Mutation in CACNA1G Alters Cav3.1 T-Type Calcium-Channel Conduction and Causes Autosomal-Dominant Cerebellar Ataxia. The American Journal of Human Genetics 97 (5): 726–737. ISSN 00029297. doi:10.1016/j.ajhg.2015.09.007. 
6. Lozinskaia, I. M., IaM Shuba.  // Neirofiziologiia/Neurophysiology. — 1988. — Т. 21 (22 жовтня). — С. 127-12.
7. Senatore, A.; Spafford, J. D. (2010). Transient and Big Are Key Features of an Invertebrate T-type Channel (LCav3) from the Central Nervous System of Lymnaea stagnalis. Journal of Biological Chemistry 285 (10): 7447–7458. ISSN 0021-9258. doi:10.1074/jbc.M109.090753. 
8. Senatore, A.; Guan, W.; Boone, A. N.; Spafford, J. D. (2014). T-type Channels Become Highly Permeable to Sodium Ions Using an Alternative Extracellular Turret Region (S5-P) Outside the Selectivity Filter. Journal of Biological Chemistry 289 (17): 11952–11969. ISSN 0021-9258. doi:10.1074/jbc.M114.551473. 

Джерела

• Шуба, Я. М. (2010). . К.: Наукова думка. с. 446. ISBN 978-966-00-1042-0. Архів оригіналу за 24 червня 2016. Процитовано 7 липня 2014. 
• Болдирєв О.І. Експресія та функція низькопорогових кальцієвих каналів у таламусі та соматосенсорній корі головного мозку щурів в онтогенезі та в експериментальній моделі абсансної епілепсії. – Дис. на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.02 – біофізика. Інститут фізіології ім. О. О. Богомольця НАН України. Київ – 2016