ankyrinový receptor – iontový kanál ankyrinový receptor

Pùvodní práce
PSYC HIATR IE ƒ ROÈNÍK 14 ƒ 2010 ƒ SUPPLEMENTUM 2
ANKYRINOVÝ RECEPTOR – IONTOVÝ KANÁL
AKTIVOVANÝ PSYCHOAKTIVNÍMI LÁTKAMI:
SOUVISLOST S MECHANIZMY NOCICEPCE
ANKYRIN RECEPTOR – ION CHANNEL ACTIVATED BY PSYCHOACTIVE DRUGS:
ITS RELATION TO THE MECHANISMS OF NOCICEPTION
LUCIE SURÁ, VLASTIMIL ZÍMA, FILIP TOUŠKA, VIKTORIE VLACHOVÁ
Fyziologický ústav AV ÈR, v.v.i., Praha
SOUHRN
Ankyrinový receptor typu 1 (TRPA1) je iontový kanál, jehož funkce se uplatòuje v pøenosu bolestivých podnìtù na primárních nociceptivních
neuronech. Tento receptor patøí do skupiny TRP (transient receptor potential) iontových kanálù, rùznorodé tøídy membránových receptorù,
z nichž mnohé zprostøedkovávají senzorické vjemy pøicházející z okolního prostøedí: algogenní, pálivé nebo chladivé látky nacházející se v rùzných
rostlinách, bolestivé teplo nebo chlad. TRPA1 kanál lze aktivovat øadou dráždivých látek, organosulfátù, obsažených v hoøèici, køenu, èesneku
nebo cibuli, dráždivými aldehydy nacházejícími se ve výfukových a slzných plynech nebo v cigaretovém kouøi. Tento iontový kanál je ale také
pøímo aktivován chladem, mediátory zánìtu, endogenními produkty oxidativního stresu a pøekvapivì i psychoaktivními látkami, jako jsou
fytokanabinoidy. Cílem tohoto pøíspìvku je informovat o souèasných poznatcích týkajících se strukturálních, funkèních a farmakologických
vlastností TRPA1 receptoru, zejména z hlediska možného fyziologického významu a pøípadných souvislostí s periferními mechanizmy nocicepce,
které byly v uplynulých letech studovány na oddìlení bunìèné neurofyziologie Fyziologického ústavu AV ÈR, v.v.i. (http://www2.biomed.cas.
cz/d331/index.htm).
Klíèová slova: nocicepce, ankyrinový receptor, bolest, chlad, termo-TRP receptory, ganglia zadních koøenù míšních, senzorická transdukce,
hyperalgezie
SUMMARY
The ankyrin transient receptor potential subtype 1 (TRPA1) is an ion channel that is highly expressed in primary sensory neurons with nociceptive properties. This channel belongs to a diverse collection of membrane proteins: transient receptor potential (TRP) channel superfamily,
some members of which mediate a variety of sensory qualities that are clearly related to pain: stinging, pricking, warmth, burning or cold. The
TRPA1 channel can be activated by some organosulfur compounds contained in mustard oil, horse radish or garlic, environmental irritants
contained in air polution, cigarette smoke or tear gas, by cold, inflammatory mediators and, interestingly, also by some psychoactive drugs such
as phytocannabinoids. The purpose of this article is to give an overview of the pharmacological, structural and functional properties of the TRPA1
receptor with a focus on its potential physiological role in peripheral mechanisms of nociception that have been studied at the Department of
Cellular Neurophysiology of the Institute of Physiology AS CR, v.v.i. (http://www2.biomed.cas.cz/d331/index_eng.htm).
Key words: nociception, ankyrin receptor, pain, cold, thermo-TRP receptors, dorsal root ganglia, sensory transduction, hyperalgesia
Surá L, Zíma V, Touška F, Vlachová V. Ankyrinový receptor – iontový kanál aktivovaný psychoaktivními látkami: souvislost s mechanizmy
nocicepce. Psychiatrie 2010; 14(Suppl. 2): 4–8.
Úvod
Mechanizmy zajišśující vnímání bolesti jsou spolu s dalšími
orgány smyslového èití souèástí senzorického systému, který informuje organizmus o aktuálním stavu zevního prostøedí a umožòuje
mu tak èelit pøípadnému nebezpeèí v jeho okolí. Specializované
proteiny, které na periferních zakonèeních primárních aferentních senzorických neuronù pøevádìjí podnìty rùzných modalit
na elektrickou signalizaci, pøedstavují tak zøejmì jeden z vývojovì
nejstarších obranných mechanizmù, který hraje nezastupitelnou
úlohu z hlediska zachování života a integrity vnitøního prostøedí
organizmù. Významnou skupinou proteinù, která právì takovou úlohu polymodálních senzorù v organizmu zastává, je rozsáhlá rodina
tzv. transient receptor potential (TRP) iontových kanálù (Montell,
2005; Nilius et al., 2007; Wang and Woolf, 2005). TRP proteiny jsou
exprimovány na mnoha buòkách a tkáních lidského tìla, v jejichž
plazmatických membránách vytváøejí komplexy iontových kanálù
úèastnící se regulace rùzných bunìèných funkcí. Objev specifické
4
podskupiny TRP iontových kanálù, které se nacházejí v hojné míøe
na periferních zakonèeních nociceptivních neuronù, v posledním
desetiletí silnì poznamenal nové smìry výzkumu mechanizmù nocicepce, motivované snahou nalézt nové úèinnìjší látky s analgetickým
pùsobením (Wong a Gavva, 2009).
Mnoho cenných informací o mechanizmech pøenosu bolestivých
podnìtù bylo v prùbìhu druhé poloviny minulého století získáno
na neuronech izolovaných z ganglií zadních koøenù míšních a na
neuronech trigeminálních ganglií. Postupnì bylo prokázáno, že
zvláštní vlastností neuronù vykazujících nocicepèní charakteristiku
je citlivost ke kapsaicinu a že tato vlastnost je zprostøedkována specifickými receptory. Vaniloidní (také zvaný kapsaicinový) receptor
typu 1 (TRPV1, døíve oznaèovaný VR1), byl prvním identifikovaným
zástupcem iontových kanálù skupiny TRP receptorù, jejichž exprese
je charakteristická pro senzorické neurony (Caterina et al., 1997).
V prùbìhu deseti let se postupnì ukázalo, že nocicepèní vlastnosti
neuronù souvisejí s citlivostí nejen ke kapsaicinu, ale také k øadì
dalších algogenních látek, které obvykle doprovázejí zánìtlivé stavy,
a k pùsobení tepla, jež pøekraèuje fyziologický práh bolesti (> 43 °C)
P S Y CH I A T R I E ƒ ROÈNÍK 14 ƒ 2010 ƒ SUPPLEMENTUM 2
Obrázek 1: Èasová osa znázoròující hlavní objevy týkající se ankyrinového TRP receptoru a jeho úlohy v nocicepci.
(Cesare a McNaughton, 1996). Na specifické podmnožinì senzorických neuronù citlivých na kapsaicin (tedy na tìch, které exprimují
TRPV1) byl o šest let pozdìji molekulárnì identifikován ještì jeden
významný iontový kanál z rodiny TRP kanálù: ankyrinový receptor
typu 1 (TRPA1; obr. 1). Objevem tohoto receptoru byla v roce 2003
uzavøena øada celkem šesti novì molekulárnì identifikovaných TRP
kanálù, jejichž vlastnosti jsou dosud intenzivnì studovány v souvislostech s mechanizmy bolesti a nocicepce: TRPV1-TRPV4, TRPM8
a TRPA1. Pro vìtšinu z tìchto receptorù byla na experimentálních
zvíøecích modelech prokázána dùležitá úloha v chemické, teplotní,
nebo mechanické citlivosti (viz pøehledné èlánky Boukalová a Vlachová, 2008; Sušánková a Vlachová, 2006).
Ve snaze porozumìt mechanizmùm aktivace a fyziologické funkci TRP kanálù jsou vyhledávány funkèní, strukturální a evoluèní
souvislosti mezi receptory rùzných TRP podskupin. Všech šest výše
uvedených zástupcù TRP tøídy iontových kanálù mùže být aktivováno zmìnami okolní teploty a pro nìkteré z nich již bylo prokázáno,
že skuteènì hrají fyziologickou úlohu teplotních senzorù: TRPV1,
TRPV3, TRPV4 a TRPA1. Existují dùkazy o tom, že mechanizmy
teplotní citlivosti se v prùbìhu evoluce obratlovcù mìnily závisle
na prostøedí, a proto porovnání primární struktury homologních
receptorù bylo prvním záchytným bodem pro vytvoøení hypotéz
o molekulární podstatì teplotní aktivace (Latorre et al., 2007; Saito
a Shingai, 2006). Experimentální úsilí strukturálnì-funkèních studií
bylo zejména zamìøeno na hledání takových oblastí proteinù, jejichž
zámìna nebo mutace by poškodila jen jednu z aktivaèních modalit
receptoru. Vzhledem k výrazné alosterii, která je typická pro teplotnì
aktivované TRP kanály, bylo však výsledkem vìtšiny genetických
manipulací poškození celkové funkce receptoru, tedy všech zpùsobù
aktivace: nejen teplotní, ale také chemické modality.
Molekulární mechanizmy aktivace ankyrinového receptoru
TRPA1 jsou detailnì studovány od roku 2003, kdy byl tento iontový
kanál identifikován v nociceptivních drahách (Story et al., 2003),
vyklonován však byl již o ètyøi roky døíve z lidských fibroblastù
(Jaquemar et al., 1999). Cílem tohoto pøehledného èlánku je shrnout souèasné poznatky o ankyrinovém receptoru TRPA1, možné
úloze v mechanizmech pùsobení kanabinoidù a nìkterých dalších
aspektech aktivace, zvláštì tìch, které se uplatòují v pøenosu bolestivých podnìtù v periferním nervovém systému a na nìž je nejvíce
soustøedìna pozornost v souvislosti se souèasnými smìry výzkumu
zamìøeného na hledání nových pøístupù k léèbì bolestivých stavù
u lidí.
Molekulární struktura
a topologické uspoøádání TRPA1 kanálu
Molekulární struktura TRP receptorù je zpravidla tvoøena šesti
transmembránovými doménami (S1-S6) a cytoplazmaticky orientovaným karboxylovým a aminovým koncem (obr. 2). Iontové kanály
TRPA1 receptoru jsou vytváøeny vždy ètyømi podjednotkami, které
jsou symetricky uspoøádány tak, že vždy 5. a 6. transmembránový
segment receptoru s hydrofobní èástí klièky mezi nimi se podílejí
Pùvodní práce
na vytvoøení centrálního póru kanálu (Ramsey et al., 2006). Tato
oblast iontového kanálu patøí mezi nejvíce konzervované oblasti
napøíè rodinou TRP proteinù, a proto existuje øada spoleèných
principù selektivity, propustnosti a blokujících úèinkù nìkterých
nekompetitivních inhibitorù (rutheniové èervenì nebo lanthanidù).
Souèástí vnìjší èásti póru TRPA1 kanálu je selektivní filtr, který
urèuje charakter propustnosti a selektivity iontového kanálu. Iontovým kanálem TRPA1 procházejí jednomocné i dvojmocné kationty,
zøejmì ale také organické kationty vìtšího prùmìru (Banke et al.,
2010; Chen et al., 2009).
Jakým zpùsobem urèuje proteinová struktura a topologické uspoøádání iontového kanálu jeho funkci? Zatím byla urèena krystalová
struktura jen pro nìkolik cytoplazmatických úsekù TRP receptorù,
navíc jen vzdálenì pøíbuzných TRPA1 kanálu. Základní pøedstavy
o mechanizmech, kterými TRPA1 receptor pøevádí chemické a fyzikální podnìty na otevøení kanálu, vycházejí ze strukturnì-funkèních
studií, z podobnosti membránového uspoøádání a vzdálené homologie TRP receptorù s draslíkovými kanály. Pøedpokládá se, že podobnì
jako je tomu u ostatních iontových kanálù, dùležitými a specifickými
funkèními strukturálními oblastmi TRPA1 receptoru jsou vazebná
doména pro specifický ligand, oblast póru iontového kanálu vèetnì
selektivního filtru a N- a C-koncové èásti receptoru.
Hydrofilní N- a C-koncové èásti jsou u všech TRP receptorù nejménì konzervované, a proto se pøedpokládá, že obsahují funkèní domény, jež urèují specifické vlastnosti jednotlivých podtypù receptorù.
TRPA1 je jediným zástupcem ankyrinového podtypu TRP kanálù u
savcù (Story et al., 2003). Své oznaèení získal díky opakujícímu se
sekvenènímu motivu nazývanému ankyrinová doména, který nacházíme na N-konci tohoto kanálu. Repetice 17 ankyrinových domén
zabírá dominantní èást (716 aminokyselin, tj. pøibližnì 80 %) relativnì dlouhého cytoplazmatického N-konce. Ankyrinová doména je
pomìrnì èastý strukturní motiv popsaný u tisícù rùzných proteinù.
Obecnì se pøedpokládá, že je to místo protein-proteinové interakce,
ale mùže také zprostøedkovávat vazbu s ligandy neproteinové povahy, jako je napø. vazba adenosintrifosfátu na ankyrinovou doménu
TRPV1 receptoru (Gaudet, 2008). Na C-konci receptoru není zatím
predikována žádná konzervovaná doména, ale vzhledem k tomu,
že tato èást proteinu obsahuje znaèné množství kladnì nabitých
aminokyselinových zbytkù (27 u lidského ortologu), je pravdìpodobné, že nìkteré z nich se budou podílet na modulaci receptoru
prostøednictvím interakce s negativnì nabitými molekulami nebo
rezidui ve svém okolí.
Ze strukturálnì-funkèních studií postupnì vyplývá, že homologie,
která existuje mezi nejblíže pøíbuznými TRP kanály, nemusí nutnì
znamenat analogii v mechanizmech pøevodu jednotlivých aktivaèních
signálù nebo v mechanizmech otevírání/zavírání (vrátkování neboli
gating) iontového kanálu (Latorre, 2009). Zatímco ve vrátkování TRPV1
kanálu hrají hlavní úlohu dva hydrofobní aminokyselinové zbytky
v intracelulární èásti pórové domény (Salazar et al., 2009; Susankova
et al., 2007), rozhodující úlohu v procesu otevírání a zavírání póru
TRPA1 iontového kanálu má zøejmì lokální flexibilita prolinového
zbytku pøibližnì uprostøed 6. transmembránové domény. Šroubovice
vytváøející tuto doménu je v místì výskytu prolinového zbytku ‚zalomená‘ (obr. 2) a právì tato vlastnost hraje zøejmì významnou úlohu
v otvírání a zavírání TRPA1 kanálu (Benedikt et al., 2009).
Polymodální aktivace TRPA1
Pøi studiu TRPA1 jsou intenzivnì využívány poznatky, které byly
nashromáždìny o pøíbuzných TRP receptorech, a proto se mnoho
informací o distribuci, struktuøe, farmakologických vlastnostech
a mechanizmech aktivace tohoto receptoru podaøilo získat mnohem
rychleji na základì èetných analogií. Jedním z takových charakteristických znakù, který je spoleèný mnoha TRP kanálùm, je jejich polymodalita, tedy schopnost integrovat signály rùzné povahy (chemické
èi fyzikální) a rùzného pùvodu (intra- a extracelulární). TRPA1 lze
aktivovat chemickými podnìty, ale také chladem, zmìnami osmotického tlaku nebo depolarizací bunìèné membrány.
Heterolognì i nativnì exprimovaný TRPA1 je pøímo aktivován
teplotami < 17 °C, a to zpùsobem, který není závislý na extracelulární
koncentraci vápenatých iontù ani na jejich intracelulárních zásobách
5
Pùvodní práce
PSYC HIATR IE ƒ ROÈNÍK 14 ƒ 2010 ƒ SUPPLEMENTUM 2
protony, oxid dusnatý (NO), peroxid vodíku (H2O2) a prostaglandin
(15-deoxy-∆12,14-prostaglandin J2).
Druhou, ménì úèinnou skupinou látek, které aktivují TRPA1,
jsou látky typu alkylfenolù, kanabinoidù, icilinu, eugenolu, metysalicylátu a karvakrolu. Mechanizmus aktivace tìmito látkami dosud
neznáme, nebo máme jen nepøímé dùkazy o jejich pùsobení, jako
v pøípadì mnoha dalších fytochemických látek obsažených napø. ve
skoøici (cinnamaldehyd), seèuánském pepøi (hydroxy-α-sanshool),
tymiánu (tymol), dobromysli (karvakrol též nazývaný cymofenol),
mátì (mentol), nebo v zázvoru (gingerol). Podle nìkterých strukturních motivù, kterými se nìkteré z tìchto látek vyznaèují, lze soudit,
že mechanizmus aktivace TRPA1 tìmito látkami by mohl spoèívat
v klasické vazbì ligand-receptor. Jinými, z klinického hlediska
významnými, aktivátory TRPA1 receptoru jsou celková anestetika:
látky jako napø. izofluran, desfluran èi propofol. Je známo, že tyto
slouèeniny aktivují nociceptivní neurony, èímž pøispívají ke zvýšení nežádoucí bolesti spojené s aplikací anestetik (Matta et al., 2008).
Vzhledem k tomu, že úlohu TRPA1 receptoru v bolesti je dnes již
možné považovat za velmi pravdìpodobnou, problematika chemické
aktivace TRPA1 je mimoøádnì intenzivnì studována mnoha specializovanými farmakologickými pracovišti (Baraldi et al., 2010).
Obrázek 2: Topologické uspoøádání receptorové podjednotky TRPA1
kanálu. Struktura je tvoøena šesti transmembránovými segmenty, kratší
hydrofobní klièkou mezi 5. a 6. transmembránovým segmentem a cytoplazmatickým aminovým a karboxylovým koncem. Dominantní èást aminového konce (N) receptoru je tvoøena opakujícím se sekvenèním motivem
ankyrinových domén. N-konec obsahuje vazebnou doménu (EF-hand), která
zodpovídá za modulaci TRPA1 vápenatými ionty (Doerner et al., 2007;
Zurborg et al., 2007). Cysteiny interagující s cystein-reaktivními látkami
typu isothiokyanát jsou vyznaèeny písmenem „C“. Iontové kanály TRPA1
jsou tvoøeny symetrickým uspoøádáním ètyø stejných podjednotek, pøièemž
hydrofobní klièky mezi segmenty 5 a 6 se podílejí na vytvoøení centrálního
póru. Propustnost kanálu pro Ca2+ je urèena aspartátem D915 (èervený
symbol). Helikální struktura 6. transmembránové domény je ‚zalomená‘
v místì výskytu prolinového zbytku (šipka ukazuje strukturu prolinu). Toto
zalomení hraje zøejmì významnou úlohu v otvírání a zavírání TRPA1 kanálu (Benedikt et al., 2009). Úloha karboxylového konce (C-konce) v aktivaci
TRPA1 je zatím zcela neprozkoumána.
(Bandell et al., 2004; Karashima et al., 2009; Macpherson et al., 2006;
Sawada et al., 2007; Story et al., 2003). Na základì behaviorálních
studií bylo prokázáno, že myši, kterým byl vyøazen gen pro TRPA1
receptor, vykazují zmìny v reaktivitì na pùsobení bolestivého chladu
(Kwan et al., 2006) a že je tedy možné TRPA1 považovat za molekulární senzor pro bolestivý chlad in vivo (Karashima et al., 2009).
Chemicky lze aktivovat ankyrinový receptor širokou škálou
exogenních i endogenních látek, mezi nìž patøí slouèeniny, které
vyvolávají bolest, nebo látky, které se vyskytují v místech zánìtu.
Pøíkladem typických exogenních aktivátorù TRPA1 receptoru jsou
isothiokyanáty – pálivé substance hoøèice, wasabi a køenu (Bandell et al., 2004; Jordt et al., 2004). Z hlediska specifické interakce
chemických látek s TRPA1 receptorem byly doposud rozpoznány
dvì hlavní skupiny chemických aktivátorù (tab. 1). První skupina
látek, které jsou nejvíce úèinné, je charakterizována pøítomností
elektrofilního uhlíku nebo síry, které preferenènì interagují s nukleofilními skupinami, jako jsou cysteinové nebo lyzinové zbytky
proteinu receptorového komplexu. Tyto látky vytváøejí kovalentní
vazby s cysteinovými zbytky na aminovém konci TRPA1 receptoru
(Hinman et al., 2006; Macpherson et al., 2007), a proto je dùležité,
aby byly propustné pøes plazmatickou membránu. Prostøednictvím
kovalentní modifikace TRPA1 proteinu pùsobí dráždivì akrolein,
látka obsažená ve výfukových plynech a døíve souèást slzných plynù
(Bautista et al., 2006; Brone et al., 2008), α,β-nenasycené aldehydy
v cigaretovém kouøi (Andre et al., 2008) a øada fytochemických látek,
mezi nìž patøí organosulfáty obsažené napø. v èesneku (alicin), cibuli
a pažitce. Kromì dráždivých exogenních látek pùsobí na TRPA1 jako
agonisté také endogenní mediátory zánìtu a cystein-reaktivní látky,
které vznikají vlivem oxidativního stresu (nerovnováha mezi produkcí
volných kyslíkových radikálù a jejich odstraòováním antioxidanty):
6
Aktivace TRPA 1 psychotropními látkami
Nìkteré návykové psychotropní látky pùsobí na TRPA1 jako
agonisté, nebo èásteèní agonisté. Mezi tyto látky patøí zejména
kanabinoidy, jejichž mechanizmus pùsobení bývá tradiènì uvádìn
do souvislosti s metabotropními kanabinoidními receptory, spojenými s G-proteiny (GPCR), které jsou exprimovány v rùzných tkáních
nejen CNS. Existují však dùkazy, že mnoho úèinkù kanabinoidù,
které mùžeme u savcù pozorovat, není zprostøedkováno metabotropními receptory. Kanabinoidy snižují pøecitlivìlost zanícené tkánì
(antihyperalgezie) i u zvíøat, která byla zbavena dvou hlavních genù
GPCR kanabinoidních receptorù (pøehledný èlánek viz (Akopian et
al., 2009)). Výsledky nedávných studií vedly k identifikaci skupiny
ionotropních kanabinoidních receptorù, z nichž prozatím všechny
patøí do TRP rodiny iontových kanálù (TRPV1, TRPV2, TRPV4,
TRPM8, TRPA1). Je zajímavé, že pøestože kanabinoidy pùsobí typicky na tyto excitaèní ionotropní receptory jako agonisté (pouze
èásteèní), nevyvolávají pocit bolesti (Patwardhan et al., 2006). Místo
toho navozují efektivní antihyperalgezii a antinocicepci (Hohmann
a Suplita, 2006).
Jinou psychoaktivní látkou, pro kterou byla prokázána schopnost
aktivovat TRPA1, je rozšíøená psychotropní droga nikotin. Dráždivý
úèinek, který nikotin vyvolává, je zøejmì rozhodujícím zpùsobem
zprostøedkován aktivací TRPA1 (Talavera et al., 2009). Je známo, že ve
vysokých koncentracích vyvolává nikotin silné pálení a ostrou bolest.
Pøi odvykání kouøení pomocí náhradní terapie nikotinem se jako
vedlejší úèinek objevuje lokální dráždìní, které je z kùže a sliznice
pøenášeno prostøednictvím nikotinových acetylcholinových receptorù. Ty však pøi vysoké lokální koncentraci nikotinu (až 60 mM),
jaká se používá pøi odvykací terapii, podléhají rychlé desenzitizaci
a dùležitìjší úlohu sehrává právì aktivace TRPA1.
Nedávné výsledky elektrofyziologických pokusù prokázaly, že
mùže existovat bezprostøední souvislost úèinku kofeinu s pøítomností TRPA1 receptorù v inervovaných èástech jazyka a že by tento
iontový kanál mohl za urèitých okolností zprostøedkovávat farmakologický úèinek kofeinu (Nagatomo a Kubo, 2008). Kofein vyvolává
proudové odpovìdi bunìk, ve kterých byl exprimován myší ortolog
TRPA1 receptoru, nelze je však vyvolat na buòkách transfekovaných
lidským ortologem TRPA1, které jsou naopak kofeinem blokovány.
Podobné mezidruhové rozdíly výraznì komplikují souèasný farmakologický výzkum, protože výsledky vìtšiny experimentù provedených na zvíøecích modelech nemohou být vhodným základem
preklinických výzkumù.
Modulace TRPA1
TRPA1 je neselektivním iontovým kanálem, který propouští
jak monovalentní, tak divalentní kationty. Procházející vápenaté
Pùvodní práce
P S Y CH I A T R I E ƒ ROÈNÍK 14 ƒ 2010 ƒ SUPPLEMENTUM 2
Obrázek 3: Membránové proudy HEK293T buòky transfekované cDNA
lidského TRPA1 receptoru, snímané technikou patch-clamp v konfiguraci ‚whole-cell‘ (snímání aktivity iontových kanálù z membrány celé
buòky). A: Proudová odpovìï vyvolaná aplikací allyl-izothiokyanátu (AITC;
trvání aplikace znázornìno èarou nad záznamem a žlutým obdélníkem).
B: TRPA1 je modulován napìtím. Proudové odpovìdi vyvolané aplikací tøí
sérií napìśových pulzù (vyznaèeno nad záznamem): a) v kontrolním extracelulárním roztoku, b) v pøítomnosti saturující koncentrace AITC, c) ~20
s po odmytí AITC opìt v kontrolním extracelulárním roztoku. Membránový
potenciál buòky byl mezi pulzy udržován na –70 mV. (Upraveno podle
Benedikt et al., 2009).
Tabulka 1: Strukturní vzorce nìkterých aktivátorù TRPA1 receptoru.
Žlutì jsou vyznaèeny elektrofilní látky, které aktivují TRPA1 prostøednictvím kovalentních vazeb s cysteinovými zbytky na aminovém konci TRPA1
receptoru (Hinman et al., 2006; Macpherson et al., 2007). Pro ostatní látky
dosud neexistují dùkazy o možných mechanizmech aktivace. Podle nìkterých
strukturních motivù se pøedpokládá, že mechanizmus aktivace TRPA1 by
mohl spoèívat v klasické vazbì tìchto látek na (zatím neznámém) hydrofobním vazebném místì receptoru.
ionty mají kromì své úlohy nosièù náboje navíc dvì speciální role:
významnì aktivují kanál z intracelulární strany, zøejmì vazbou na
specifickou doménu N-konce (obr. 2), a souèasnì aktivitu naopak
postupnì snižují zatím neznámým mechanizmem. Vápenaté ionty
jsou dùležitým faktorem urèujícím míru aktivace TRPA1, ovlivòují
jeho jednotkovou vodivost a pravdìpodobnost otevøení, pøispívají
k potenciaci a inaktivaci (Nagata et al., 2005; Wang et al., 2008).
Modulace vápníkem se zøejmì výraznì uplatòuje v inflamaèním
prostøedí, kdy napø. mediátor zánìtu bradykinin aktivuje TRPA1
nepøímo prostøednictvím bradykininového receptoru B2, který stimuluje signální dráhu fosfolipázy C. Tato aktivita vede ke zvýšení
vnitrobunìèné koncentrace vápníkových iontù a pøedpokládá se, že
právì vápník je bezprostøední stimul, který aktivuje TRPA1 (Bautista
et al., 2006).
Aktivita TRPA1 kanálu je významnì modulována membránovým
potenciálem (obr. 3B). Tato vlastnost TRPA1, která je charakteristická
i pro jiné iontové kanály TRP skupiny receptorù, se mùže výraznì
uplatòovat ve fyziologickém kontextu, kdy aktivace receptorù je
usnadnìna pøi depolarizaci jakéhokoliv pùvodu, aniž by k aktivaci
došlo pøímo, tj. chemicky nebo chladem. Modulace napìtím je zvlášś
výrazná, je-li pøítomen ještì jiný aktivaèní podnìt, kdy dochází k výrazné synergii, tj. vyššímu než aditivnímu úèinku obou podnìtù.
Všude, kde v periferním nervovém systému dochází k dynamickým
zmìnám membránového potenciálu a kde jsou pøítomny TRPA1
kanály, mùže tak být variabilnì uplatòován jejich vliv.
Ankyrinový receptor TRPA1 se vyskytuje v pøibližnì polovinì
malých a støedních neuronù ganglií zadních koøenù míšních savcù,
v nichž jsou typicky exprimovány strukturálnì pøíbuzné vaniloidní
receptory typu 1. Zcela nedávno bylo prokázáno, že tyto dva receptory
mohou dokonce funkènì interagovat a vzájemnì modulovat míru
své aktivace (Staruschenko et al., 2010). Je tedy pravdìpodobné, že
aktivita TRPA1 je na nociceptorech významnì modulována také
prostøednictvím specifických protein-proteinových interakcí.
Fyziologická úloha TRPA1
Do jaké míry se TRPA1 iontový kanál podílí na nocicepci a na
vzniku chronické bolesti je za souèasného stavu poznání zatím jen
obtížné pøedvídat. Nepochybnì však lze øíci, že TRPA1 receptory, které jsou souèástí plazmatických membrán primárních polymodálních
nociceptorù, jsou aktivovány podnìty, které vyvolávají u lidí bolest.
Vyøazení funkèního genu pro TRPA1 receptor u experimentálních
zvíøat vede ke sníženému vnímání tepelných, mechanických a chemických podnìtù (Bautista et al., 2006; Kwan et al., 2006). Je tedy velmi
pravdìpodobné, že hlavní fyziologická úloha TRPA1 v nervovém
systému spoèívá v zajištìní adekvátní odpovìdi na úèinky rùzných
zánìtlivých mediátorù. Rozsáhlá distribuce TRPA1 receptorù v dýchacím systému a zjištìní, že inhalace rùzných aktivátorù TRPA1
má silnì dráždivé úèinky, orientuje souèasný výzkum na vyhledávání
látek s možnými analgetickými a antitusivními úèinky. Ve fázi preklinického výzkumu se nalézá již první látka, antagonista TRPA1
receptoru, který na zvíøecím modelu prokázal vysokou úèinnost proti
mechanické pøecitlivìlosti u experimentálnì vyvolané diabetické
neuropatie (Wei et al., 2009). Skuteènost, že TRPA1 je aktivován
7
Pùvodní práce
PSYC HIATR IE ƒ ROÈNÍK 14 ƒ 2010 ƒ SUPPLEMENTUM 2
velmi rùznorodými látkami s mnoha dalšími úèinky nesouvisejícími
s aktivací tohoto receptoru, však svìdèí o tom, že výzkum v oblasti
mechanizmù aktivace TRP kanálù má ještì podstatnou èást cesty
pøed sebou.
Práce byla podpoøena Centrem neuropsychiatrických studií (výzkumné
centrum MŠMT 1M0517). Autoøi byli dále podpoøeni granty Výzkumným
zámìrem MSM 0021620835 (V.Z.), MŠMT centrem LC554 (L.S.), GAUK
43-259 052 (F.T.), Grantovou agenturou Èeské republiky 305/09/0081
(V.V., F.T. a L.S.) a Výzkumným projektem AV ÈR (AV0Z 50110509).
Jordt SE, Bautista DM, Chuang HH, McKemy DD, Zygmunt PM, Hogestatt
ED, Meng ID, Julius D. Mustard oils and cannabinoids excite sensory nerve
fibres through the TRP channel ANKTM1. Nature 2004;427:260-265.
Karashima Y, Talavera K, Everaerts W, Janssens A, Kwan KY, Vennekens R,
Nilius B, Voets T. TRPA1 acts as a cold sensor in vitro and in vivo. Proc Natl
Acad Sci U S A 2009;106:1273-1278.
Kwan KY, Allchorne AJ, Vollrath MA, Christensen AP, Zhang DS, Woolf CJ,
Corey DP. TRPA1 contributes to cold, mechanical, and chemical nociception
but is not essential for hair-cell transduction. Neuron 2006;50:277-289.
Latorre R. Perspectives on TRP channel structure and the TRPA1 puzzle. J Gen
Physiol 2009;133:227-229.
Latorre R, Brauchi S, Orta G, Zaelzer C, Vargas G. ThermoTRP channels as
modular proteins with allosteric gating. Cell Calcium 2007;4-5:427-438.
RNDr. Viktorie Vlachová, DrSc.
Fyziologický ústav AV ÈR
Vídeòská 1083
142 20 Praha 4
E-mail: [email protected]
LITERATURA
Macpherson LJ, Dubin AE, Evans MJ, Marr F, Schultz PG, Cravatt BF, Patapoutian A. Noxious compounds activate TRPA1 ion channels through covalent
modification of cysteines. Nature 2007;445:541-545.
Macpherson LJ, Hwang SW, Miyamoto T, Dubin AE, Patapoutian A, Story
GM. More than cool: promiscuous relationships of menthol and other sensory
compounds. Mol Cell Neurosci 2006;32:335-343.
Matta JA, Cornett PM, Miyares RL, Abe K, Sahibzada N, Ahern GP. General
anesthetics activate a nociceptive ion channel to enhance pain and inflammation. Proc Natl Acad Sci U S A 2008;105:8784-8789.
Montell C. The TRP superfamily of cation channels. Sci STKE 2005;2005:re3.
Akopian AN, Ruparel NB, Jeske NA, Patwardhan A, Hargreaves KM. Role of
ionotropic cannabinoid receptors in peripheral antinociception and antihyperalgesia. Trends Pharmacol Sci 2009;30:79-84.
Nagata K, Duggan A, Kumar G, Garcia-Anoveros J. Nociceptor and hair cell
transducer properties of TRPA1, a channel for pain and hearing. J Neurosci
2005;25:4052-4061.
Andre E, Campi B, Materazzi S, Trevisani M, Amadesi S, Massi D, Creminon
C, Vaksman N, Nassini R, Civelli M, Baraldi PG, Poole DP, Bunnett NW,
Geppetti P, Patacchini R. Cigarette smoke-induced neurogenic inflammation
is mediated by alpha,beta-unsaturated aldehydes and the TRPA1 receptor in
rodents. J Clin Invest 2008;118:2574-2582.
Nagatomo K, Kubo Y. Caffeine activates mouse TRPA1 channels but suppresses
human TRPA1 channels. Proc Natl Acad Sci U S A 2008;105:17373-17378.
Bandell M, Story GM, Hwang SW, Viswanath V, Eid SR, Petrus MJ, Earley
TJ, Patapoutian A. Noxious cold ion channel TRPA1 is activated by pungent
compounds and bradykinin. Neuron 2004;41:849-857.
Patwardhan AM, Jeske NA, Price TJ, Gamper N, Akopian AN, Hargreaves KM.
The cannabinoid WIN 55,212-2 inhibits transient receptor potential vanilloid
1 (TRPV1) and evokes peripheral antihyperalgesia via calcineurin. Proc Natl
Acad Sci U S A 2006;103:11393-11398.
Banke TG, Chaplan SR, Wickenden AD. Dynamic changes in the TRPA1
selectivity filter lead to progressive but reversible pore dilation. Am J Physiol
Cell Physiol 2010;298:C1457-1468.
Baraldi PG, Preti D, Materazzi S, Geppetti P. Transient Receptor Potential
Ankyrin 1 (TRPA1) Channel as Emerging Target for Novel Analgesics and
Anti-Inflammatory Agents. J Med Chem 2010.
Bautista DM, Jordt SE, Nikai T, Tsuruda PR, Read AJ, Poblete J, Yamoah EN,
Basbaum AI, Julius D. TRPA1 mediates the inflammatory actions of environmental irritants and proalgesic agents. Cell 2006;124:1269-1282.
Benedikt J, Samad A, Ettrich R, Teisinger J, Vlachova V. Essential role for the
putative S6 inner pore region in the activation gating of the human TRPA1
channel. Biochim Biophys Acta Mol Cell Research 2009;1793:1279-1288.
Boukalova S, Vlachova V. TRP receptory jako transdukèní molekuly nociceptivních podnìtù. Bolest 2008;4:194-206.
Nilius B, Owsianik G, Voets T, Peters JA. Transient receptor potential cation
channels in disease. Physiol Rev 2007;87:165-217.
Ramsey IS, Delling M, Clapham DE. An introduction to TRP channels. Annu
Rev Physiol 2006;68:619-647.
Saito S, Shingai R. Evolution of thermoTRP ion channel homologs in vertebrates. Physiol Genomics 2006;27:219-230.
Salazar H, Jara-Oseguera A, Hernandez-Garcia E, Llorente I, Arias O, II, SorianoGarcia M, Islas LD, Rosenbaum T. Structural determinants of gating in the
TRPV1 channel. Nat Struct Mol Biol 2009;16:704-710.
Sawada Y, Hosokawa H, Hori A, Matsumura K, Kobayashi S. Cold sensitivity
of recombinant TRPA1 channels. Brain Res 2007;1160:39-46.
Staruschenko A, Jeske NA, Akopian AN. Contribution of TRPV1-TRPA1 interaction to the single channel properties of the TRPA1 channel. J Biol Chem
2010;285:15167-15177.
Brone B, Peeters PJ, Marrannes R, Mercken M, Nuydens R, Meert T, Gijsen
HJ. Tear gasses CN, CR, and CS are potent activators of the human TRPA1
receptor. Toxicol Appl Pharmacol 2008;231:150-156.
Story GM, Peier AM, Reeve AJ, Eid SR, Mosbacher J, Hricik TR, Earley TJ,
Hergarden AC, Andersson DA, Hwang SW, McIntyre P, Jegla T, Bevan S, Patapoutian A. ANKTM1, a TRP-like channel expressed in nociceptive neurons, is
activated by cold temperatures. Cell 2003;112:819-829.
Caterina MJ, Schumacher MA, Tominaga M, Rosen TA, Levine JD, Julius D.
The capsaicin receptor: a heat-activated ion channel in the pain pathway.
Nature 1997;389:816-824.
Susankova K, Ettrich R, Vyklicky L, Teisinger J, Vlachova V. Contribution of
the putative inner-pore region to the gating of the transient receptor potential
vanilloid subtype 1 channel (TRPV1). J Neurosci 2007;27:7578-7585.
Cesare P, McNaughton P. A novel heat-activated current in nociceptive
neurons and its sensitization by bradykinin. Proc Natl Acad Sci U S A
1996;93:15435-15439.
Sušánková K, Vlachová V. Molekulární mechanizmy modulace vaniloidního
receptoru TRPV1. Bolest 2006;9:236-240.
Doerner JF, Gisselmann G, Hatt H, Wetzel CH. Transient receptor potential
channel A1 is directly gated by calcium ions. J Biol Chem 2007;282:1318013189.
Gaudet R. A primer on ankyrin repeat function in TRP channels and beyond.
Mol Biosyst 2008;4:372-379.
Hinman A, Chuang HH, Bautista DM, Julius D. TRP channel activation by reversible covalent modification. Proc Natl Acad Sci U S A 2006;103:19564-19568.
Hohmann AG, Suplita RL, 2nd. Endocannabinoid mechanisms of pain
modulation. Aaps J 2006;8:E693-708.
Chen J, Kim D, Bianchi BR, Cavanaugh EJ, Faltynek CR, Kym PR, Reilly
RM. Pore dilation occurs in TRPA1 but not in TRPM8 channels. Mol Pain
2009;5:3.
Jaquemar D, Schenker T, Trueb B. An ankyrin-like protein with transmembrane domains is specifically lost after oncogenic transformation of human
fibroblasts. J Biol Chem 1999;274:7325-7333.
8
Talavera K, Gees M, Karashima Y, Meseguer VM, Vanoirbeek JA, Damann N,
Everaerts W, Benoit M, Janssens A, Vennekens R, Viana F, Nemery B, Nilius
B, Voets T. Nicotine activates the chemosensory cation channel TRPA1. Nat
Neurosci 2009;12:1293-1299.
Wang H, Woolf CJ. Pain TRPs. Neuron 2005;46:9-12.
Wang YY, Chang RB, Waters HN, McKemy DD, Liman ER. The Nociceptor
Ion Channel TRPA1 Is Potentiated and Inactivated by Permeating Calcium
Ions. J Biol Chem 2008;283:32691-32703.
Wei H, Hamalainen MM, Saarnilehto M, Koivisto A, Pertovaara A. Attenuation
of mechanical hypersensitivity by an antagonist of the TRPA1 ion channel in
diabetic animals. Anesthesiology 2009;111:147-154.
Wong GY, Gavva NR. Therapeutic potential of vanilloid receptor TRPV1
agonists and antagonists as analgesics: Recent advances and setbacks. Brain
Res Rev 2009;60:267-277.
Zurborg S, Yurgionas B, Jira JA, Caspani O, Heppenstall PA. Direct activation
of the ion channel TRPA1 by Ca2+. Nat Neurosci 2007;10:277-279.