trp iontové kanály : molekulární senzory trp iontové kanály

Pùvodní práce
P S Y C H I A T R I E  ROÈNÍK 9  2005  SUPPLEMENTUM 3
TRP IONTOVÉ KANÁLY: MOLEKULÁRNÍ SENZORY
V NERVOVÉ SOUSTAVÌ
TRP ION CHANNELS: MOLECULAR SENSORS IN THE NERVOUS SYSTEM
JAN BENEDIKT, LADISLAV VYKLICKÝ,
KAROLINA TOUŠOVÁ, VIKTORIE VLACHOVÁ
Fyziologický ústav AV ÈR, Praha 4
SOUHRN
Skupina TRP (transient receptor potential) iontových kanálù je rozsáhlou tøídou membránových receptorù, z nichž mnohé jsou aktivovány podnìty pøicházejícími z okolního prostøedí: svìtlem, tlakem, teplem èi chladem. Nedávná molekulární identifikace teplotnì
aktivovaného iontového kanálu TRPV1, který se uplatòuje v pøenosu bolestivých podnìtù na primárních nociceptivních neuronech,
vedla k prudkému zvýšení zájmu fyziologù o další iontové kanály této skupiny a díky rozsáhlým a cíleným genomickým projektùm naznaèila existenci obecných molekulárních principù senzorické transdukce. Souèasné poznatky ukazují, že TRP kanály zajišśují dùležité
biologické funkce jako teplotní, mechanické, chuśové i feromonové vnímání. Studium mechanizmù, kterými jsou tyto iontové kanály
otvírány pùsobením rùzných podnìtù, smìøuje k odhalení pøíèiny nìkterých onemocnìní nervového systému a je nutnou podmínkou
pro vyhledávání nových látek se specifickým pùsobením. Cílem tohoto pøíspìvku je informovat o souèasných poznatcích, které byly
získány o struktuøe a polymodální funkci TRP receptorù v nervové soustavì, a naznaèit cesty dalšího výzkumu v oblasti studia mechanizmù senzorické transdukce na bunìèné a molekulární úrovni.
Klíèová slova: TRP kanály, senzorická transdukce, primární senzorický neuron, nocicepce, vaniloidní receptor, kapsaicin, mentol
SUMMARY
The TRP (transient receptor potential) group of ion channels comprises a large subset of membrane receptors, many of them are activated by environmental stimuli such as light, pressure, heat or cold. Identification of the vanilloid receptor TRPV1, an ion channel that
can be activated by temperatures over 43°C and plays an important role in transduction of noxious stimuli in primary sensory neurons,
has attracted recent attention of physiologists to other members of this group of channels. Owing to recent extensive and aimed genomic
projects, strong evidence had been gained for the existence of general molecular mechanisms of sensory transduction. It is supposed that
TRP channels are responsible for important biological functions as temperature, mechanical, taste and pheromone sensation. Better
understanding of the mechanisms involved in gating of these ion channels by different stimuli may lead to identification of the cause
of some nervous-system diseases and is a neccessary requirement for searching new compounds with specific effects. The aim of this
report is to focus on recent new insights concerning the structure and polymodal function of TRP receptors in nervous system and to
indicate ways of further research of the mechanisms involved in sensory transduction at the cellular and molecular level.
Key words: TRP channels, sensory transduction, primary sensory neurone, nociception, vanilloid receptor, capsaicin, menthol
Benedikt J, Vyklický L, Toušová K, Vlachová V. TRP iontové kanály: molekulární senzory v nervové soustavì. Psychiatrie 2005; 9(Suppl. 3):???–???
Úvod
Schopnost organizmù rozpoznávat i nepatrné zmìny
vnìjšího a vnitøního prostøedí a reagovat na nì v pøípadì
ohrožení je jednou z nejdùležitìjších podmínek zachování
života. Senzorický systém, který tuto úlohu zajišśuje, je
vybaven pøesnými a dùmyslnými mechanizmy, které umož-
òují rozeznat podnìty rùzných modalit, odlišit nebezpeèné
a život ohrožující od neškodných a pøedat informaci o nich
do centrálního nervového systému. Tato schopnost je dána
zejména specifickými vlastnostmi iontových kanálù, které
jsou exprimovány na periferních zakonèeních primárních
senzorických neuronù. Podle typu a intenzity podnìtu jsou
aktivovány specifické receptory-iontové kanály, jejichž otevøe-
5
Pùvodní práce
ní umožní prùtok kladnì nabitých iontù do nitra buòky, což
vede k depolarizaci bunìèné membrány a vzniku impulzní
aktivity, která je dále pøenášena do centrálního nervového
systému. Hlavní skupinou tìchto tzv. transdukèních molekul
jsou receptory, jež se na základì podobné primární struktury
øadí do poèetné homologní tøídy TRP (transient receptor
potential) iontových kanálù. Bìhem evoluèního vývoje došlo
k pozoruhodné specializaci tìchto bílkovinných komplexù
tak, že mohou mìnit svou konformaci vlivem rùzných chemických i fyzikálních podnìtù: svìtlem, zmìnami tlaku nebo
osmolarity, teplem nebo chladem. TRP receptory nacházíme
již od vývojovì nejnižších organizmù, napø. kvasinky jejich
pomocí rozpoznávají osmolaritu prostøedí, hlístice (Caenorhabditis elegans) se vyhýbají škodlivým chemickým látkám
a octomilky (Drosophila
Drosophila melanogaster
melanogaster) reagují na svìtelné podnìty (pro pøehled viz Clapham, 2003; Montell, 2005). Savci
prostøednictvím TRP receptorù rozpoznávají sladké a hoøké
chutì, teploty v rozsahu fyziologických i patofyziologických
hodnot a chemické látky, které vyvolávají bolest. Nìkteré TRP
kanály fungují jako bunìèná èidla, která pøevádìjí zmìny
okolního prostøedí na produkci druhých poslù uvnitø bunìk, a to pøedevším vápníku, èímž dochází k aktivaci nebo
modulaci èinnosti dalších receptorù.
U èlovìka bylo dosud identifikováno 27 genù pro TRP
receptory a jejich fyziologická úloha byla prokázána v souvislosti s nìkterými onemocnìními, jako jsou poruchy metabolizmu hoøèíku (hypomagnesémie), polycystická onemocnìní
ledvin, nebo mukolipidózy (poruchy odbourávání glykoproteinù a jejich hromadìní ve tkáních). Nìkteré podtypy TRP
receptorù se nacházejí v nedráždivých buòkách, jako jsou
napø. keratinocyty, ledvinný epitel a prostata, v poslední
dobì jsou však vlastnosti tìchto receptorù velmi intenzivnì
studovány pøedevším v souvislosti s jejich specifickou expresí
v nervovém systému (pro pøehled viz Clapham, 2003; Moran
et al., 2004; Wang and Woolf, 2005) a poznatky o nich se staly
novì vznikajícím pohledem na oblast senzorické fyziologie.
PSYCHIATRIE  ROÈNÍK 9  2005  SUPPLEMENTUM 3
receptor pøevádí chemické a fyzikální podnìty na otevøení
kanálu, vycházejí ze strukturnì-funkèních studií a pøedevším
z podobnosti membránového uspoøádání a vzdálené homologie s draslíkovými kanály (Doyle et al., 1998; Ferrer-Montiel et al., 2004). S výjimkou nìkterých polycystinù (TRPP1;
Hanaoka et al., 2000), je struktura TRP kanálù tvoøena ètyømi
podjednotkami, pøièemž jejich hydrofobní klièky se podílejí
na vytvoøení centrálního póru iontového kanálu. Souèástí
póru je selektivní filtr, jenž v závislosti na typu receptoru
propouští jednomocné nebo dvojmocné kationty, èasto kationty obou valencí.
Pøedpokládá se, že podobnì jako je tomu u ostatních
iontových kanálù, dùležitou funkèní oblastí TRP receptorù
je oblast póru iontového kanálu vèetnì selektivního filtru.
Právì èást póru spolu se šestou transmembránovou doménou
patøí mezi nejvíce konzervované oblasti, což nasvìdèuje tomu,
že pro tyto iontové kanály existují do urèité míry spoleèné
principy selektivity a propustnosti. Naproti tomu hydrofilní
N- a C-koncové èásti jsou napøíè skupinou všech TRP receptorù nejménì konzervované, a proto se pøedpokládá, že obsahují
funkèní domény, jež urèují specifické vlastnosti jednotlivých
typù receptorù (obr. 1).
N
Ank Ank Ank Ank
cc
TRPbox
TRPC
PDZ
C
CIRB
TRPV
Molekulární struktura TRP kanálù
TRP kanály jsou jednou z nejrozsáhlejších skupin iontových kanálù, ale byly objeveny teprve v nedávné dobì
díky rozsáhlým a cíleným genomickým projektùm. Tato
skuteènost vedla k tomu, že na rozdíl od tradièního èlenìní
jiných iontových kanálù založeném na funkci, specifických
ligandech nebo selektivitì, TRP kanály jsou klasifikovány
podle homologie primárních aminokyselinových sekvencí.
Pøíèinou je nejen rùznorodost jejich biofyzikálních vlastností
a komplexnost regulaèních mechanizmù, ale pøedevším
skuteènost, že fyziologická úloha tìchto receptorù dosud
není z velké èásti známa a pøedpokládá se, že strukturální
podobnost je podkladem existence spoleèných mechanizmù
aktivace a modulace.
Podle souèasné nomenklatury (Montell, 2005) jsou TRP
kanály øazeny do dvou skupin: skupinu 1 tvoøí receptory podtypu TRPC (classical, canonical), TRPV (vanilloid), TRPM
(melastatin), TRPA (ankyrin) a TRPN (NOMP, první èlen této
skupiny). Do skupiny 2 byly zaøazeny kanály TRPP (polycystin)
a TRPML (mucolipin). Typická molekulární struktura TRP
receptorù je tvoøena šesti transmembránovými segmenty
(S1–S6), jednou kratší hydrofobní klièkou mezi S5 a S6 (tzv.
P-loop) a intracelulárnì lokalizovanými N- a C-konci (obr. 1).
Pøestože zatím nebyla urèena krystalová struktura žádného
z TRP kanálù, základní pøedstavy o mechanizmech, kterými
6
TRPM oblast
TRPM
kinázová doména
TRPA
TRPN
ER retenční motiv
KDEL
TRPP
TRPML
KDEL
Obrázek 1: Membrá
Membránov
ánová
nová topologie sedmi skupin TRP kanál
áù
ál
Molekulární struktura receptorů je tvořena šesti transmembránovými
segmenty (S1–S6) a jednou kratší hydrofobní kličkou mezi S5 a S6
(vyznačeno zelenou barvou). Extracelulární klička mezi segmenty S1
a S2 je delší u TRPP a TRPML receptorů (označeno fialovou barvou).
Charakteristické domény intracelulárně lokalizovaných N- a C-koncových
terminál: TRP box, charakteristická sekvence aminokyselin EWKFAR;
CIRB, předpokládaná vazebná doména pro kalmodulin a pro IP3R; PDZ,
sekvence čtyř aminokyseliny, které s vysokou afinitou váží PDZ domény
jiných proteinů (VTTRL v případě TRPC4 a TRPC5); ankyrinová doména
(Ank); ER retenční motiv, charakteristická sekvence aminokyselin KDEL
způsobujících retenci proteinu v endoplazmatickém retikulu; cc, coiledcoil doména, tj. 2–5 vzájemně obtočených helikálních struktur. Struktura
většiny TRP kanálů je tvořena čtyřmi podjednotkami, přičemž jejich
hydrofobní kličky se podílejí na vytvoření centrálního póru iontového
kanálu (schéma v levém horním rohu).
P S Y C H I A T R I E  ROÈNÍK 9  2005  SUPPLEMENTUM 3
TRPC (klasické, neboli kanonické TRP iontové kanály)
Primární struktura TRPC iontových kanálù vykazuje nejvyšší homologii s prvním, zakládajícím èlenem skupiny TRP
receptorù, který byl objeven u octomilky (Cosens and Manning, 1969; Montell and Rubin, 1989). Mutace v jeho genu
zpùsobila výrazné funkèní zmìny fotoreceptorù a vyvolání jen
pøechodné odpovìdi na pøetrvávající svìtelný podnìt (odtud
název „transient receptor potential“). Cytoplazmatická oblast
N-konce TRPC receptorù je charakteristická tøemi až ètyømi
tzv. ankyrinovými doménami, které pøedstavují konzervované
sekvence ~33 aminokyselin. Sekundární struktura ankyrinových domén je typicky tvoøena dvìma antiparalelními α-helixy (pravotoèivými šroubovicemi) spojenými se zkøíženými
β-vlásenkami (skládaný list se zpìtnou otoèkou) a tento
strukturální motiv se èasto opakuje nìkolikrát za sebou.
Pøedpokládá se, že ankyrinové domény, které jsou jedním
z èastých motivù mezi proteiny, hrají úlohu v interakcích
s jinými proteiny, zejména s proteiny cytoskeletu. Proximální
èást N-konce obsahuje α-helikální doménu („coiled-coil“),
jejíž úloha se pravdìpodobnì uplatòuje v oligomerizaci receptorù. Pro C-konec TRPC (ale také TRPV, TRPM a TRPN)
receptorù je typická doména obsahující tzv. „TRP box“,
charakteristickou sekvenci s konzervovaným motivem Glu-Trp-Lys-Phe-Ala-Arg. Nedávné funkèní studie prokázaly, že
právì tato doména je odpovìdná za tetramerizaci TRPV1
receptorù a že jejím prostøednictvím membránový fosfolipid
fosfatidylinozitol-4,5-bisfosfát moduluje aktivitu TRPM8
receptoru (Rohacs et al., 2005), iontového kanálu, který je
aktivován chladem.
TRPC kanály jsou aktivovány prostøednictvím receptorù
spøažených s G-proteiny a tyrozinkinázovými receptory
(obr. 2), ale dosud není zcela jasné, na které úrovni signálních
enzymatických kaskád. Chemickou stimulací metabotropních
receptorù spojených s G proteiny typu Gq/11 (napøíklad muskarinového acetylcholinového M1 nebo bradykininového)
je prostøednictvím αq/11 podjednotky aktivována fosfolipáza
Cβ (PLCβ).
). Jiný typ fosfolipázy, PLCγ, je aktivován stimulací
tyrozinkinázových receptorù, jejichž pøíkladem jsou dimerní
Pùvodní práce
receptory trkA nebo p75 pro neurotrofický faktor NGF (nerve
growth factor). Aktivace uvedených izoforem fosfolipázy C
vede k hydrolýze membránového fosfolipidu fosfatidylinozitol-4,5-bisfosfátu (PIP2) na rozpustný inozitol-1,4,5-trisfosfát
(IP3) a membránovì vázaný diacylglycerol (DAG, diester glycerolu se dvìma mastnými kyselinami).
První z produktù této signální dráhy, IP3, aktivuje specifické receptory IP3R v endoplazmatickém retikulu, což vede
k výlevu vápníku do nitra buòky. Není pochyb o tom, že
pøechodné zvýšení koncentrace vápníku moduluje, pøímo
i nepøímo, aktivitu všech TRP iontových kanálù z vnitøní
strany bunìèné membrány. Není však dosud jednoznaènì
prokázáno, že výlev vápníku sám o sobì aktivuje nìkterý
z TRPC iontových kanálù in vivo. Diacylglycerol, druhý produkt enzymatické kaskády, aktivuje proteinkinázu C, která
dále fosforyluje receptory a moduluje tak jejich aktivitu. DAG
však také mùže aktivovat TRPC receptory pøímo (Hofmann
et al., 1999), nebo pøemisśovat jiné proteiny (napø. RasGRPs,
Ras guanine nucleotide releasing protein) smìrem k cílovým
receptorùm v membránì.
První objevený savèí TRP kanál, TRPC1, se vyskytuje spolu s TRPC4 a TRPC5 kanály v mozkové kùøe, hipokampu,
mozeèku a amygdale (Funayama et al., 1996; Philipp et al.,
1998). Bylo prokázáno, že aktivace TRPC1 zprostøedkovaná
metabotropními glutamátovými receptory GluR1 a PLCβ
kaskádou je nezbytná pro vyvolání excitaèních postsynaptických proudù na Purkyòových buòkách v mozeèku, a proto
je možné, že se tento iontový kanál uplatòuje v mechanizmech neuronální plasticity (Kim et al., 2003). TRPC1 tvoøí
heteromultimery s TRPC4 a TRPC5, v novorozeném mozku
s TRPC3 (Strubing et al., 2003; Strubing et al., 2001), ale
nebylo doposud prokázáno, že by se vyskytoval ve formì
homomeru. TRPC1/5 heteromery jsou lokalizovány v bunìèném tìle, zatímco TRPC5 je transportován do rùstových
kónusù, kde tvoøí homomerní kanály, které se podílejí na
modulaci rùstu neuritù. V podobných mechanizmech mùže
hrát úlohu také TRPC3, který je ve zvýšené míøe exprimován
v novorozeném savèím mozku a k jehož aktivaci dochází vlivem neurotrofického faktoru BDNF (Li et al., 1999). TRPC2
se podílí na vnímání feromonových signálù u myší, u èlovìka
se vyskytuje pouze jako pseudogen. Samèí myši, které postrádají gen TRPC2 receptoru, nevykazují agresi typickou pro
samce a páøí se se samci i samicemi. Toto atypické chování
je pravdìpodobnì zpùsobeno chybìjící neuronální aktivitou
v jejich vomeronazálních orgánech.
TRPV (vaniloidní TRP iontové kanály)
Obrázek 2: Aktivace TRPC iontov
iontovýýých
ch kanál
áù
G protein typu Gq/11 aktivuje fosfolipázu Cβ (PLCβ). Fosfolipáza Cγ
(PLCγ) je aktivována stimulací tyrozinkinázových receptorů (trkR).
Aktivace fosfolipáz C vede k hydrolýze membránového fosfolipidu
fosfatidylinozitol-4,5-bisfosfátu (PIP2) na rozpustný inozitol-1,4,5trisfosfát (IP3) a membránově vázaný diacylglycerol (DAG). IP3 aktivuje
receptory v endoplazmatickém retikulu (ER), což vede k výlevu vápníku
do nitra buňky.
Savci exprimují šest odlišných TRPV kanálù, zatímco
u èervù nacházíme pìt a u hmyzu dva kanály této rodiny. Molekulární struktura TRPV proteinù obsahuje 3–5 ankyrinových domén a sdílí ∼25% aminokyselinovou identitu s TRPC
kanály v oblasti transmembránových segmentù S5 a S6 a TRP
boxu. Vaniloidní receptory TRPV patøí zatím k nejlépe prozkoumaným TRP kanálùm. Dùvodem intenzivního zájmu
o tyto receptory je pøedevším skuteènost, že nìkteré z nich
jsou specificky exprimovány na primárních senzorických
neuronech s nociceptivní charakteristikou a znalost jejich
vlastností by tak mohla mít potenciální význam pøi hledání
možností farmakologického ovlivnìní bolestivých stavù.
Vaniloidní receptory, døíve nazývané OTRPC, osm–9-like,
byly pojmenovány podle specifického ligandu prvního identifikovaného savèího èlena této rodiny TRPV1, vaniloidní látky
7
Pùvodní práce
PSYCHIATRIE  ROÈNÍK 9  2005  SUPPLEMENTUM 3
Tabulka 1: Teplotou aktivované TRP iontov
iontové kanály,
ály, jejichž exprese byla prokáz
á
á á
áz
ána na primárn
á íích nociceptorech
Iontový kanál
Dřív
ří ější označení
řív
TRPV1
VR1, kapsaicinový
receptor
> 43 °C, vaniloidy, H+
Aktivace
DRG, TG, míšní
neurony, mozek
Exprese
(Caterina et al., 1997)
Reference
TRPV2
VRL-1
> 52 °C, PPDB
insulin like growth factor, IGF-I, translokace
DRG, mozek, mícha,
plíce, slezina, tenké
i tlusté střevo
(Caterina et al., 1999)
TRPV3
VRL3
> 33 °C, 2-aminoetoxy- difenyl borát (2-APB)
DRG, TG, keratinocyty (Peier et al., 2002; Smith et
al., 2002; Xu et al., 2002)
TRPV4
VR-OAC
> 24 °C, forbol estery, hypoosmolarita,
mechanické podněty
Mozek, ledviny, srdce,
játra, slinné žlázy,
průdušnice, varle
(Liedtke et al., 2000)
TRPA1
ANKTM1
< 17 °C, icilin
DRG, fibroblasty
(Story et al., 2003)
TRPM8
CMR1
< 20 °C, mentol, icilin, esenciální oleje obsažené
ve skořici, hřebíčku, hořčici nebo zázvoru
DRG, TG, prostata
(McKemy et al., 2002)
DRG = ganglia zadních kořenů míšních, TG = trigeminální ganglia
kapsaicinu, úèinné složky pálivých paprik. TRPV1 receptor
je charakteristický tím, že k jeho aktivaci dochází podnìty,
které vyvolávají u èlovìka bolest (algogeny), jako jsou rùzné
mediátory vznikající v místì poranìní nebo zánìtu, bradykinin, prostaglandin, serotonin, slabé kyseliny, ale také
zvýšením okolní teploty nad 43 °C. Právì pro tuto vlastnost
polymodální aktivace je vaniloidní receptor TRPV1 èasto
nazýván „molekulárním integrátorem“ chemických a fyzikálních bolestivých podnìtù (Caterina and Julius, 2001; Szallasi
and Blumberg, 1999). Na neuronech ganglií zadních koøenù
míšních izolovaných z myší, u kterých byl umìle vyøazen gen
TRPV1 receptoru, dochází k odstranìní citlivosti na kapsaicin
a slabé kyseliny. Rovnìž se nezvyšuje citlivost mutovaných
zvíøat k teplotním podnìtùm bìhem experimentálnì navozeného zánìtu, což dokazuje nezastupitelnou úlohu TRPV1
receptoru pøi vzniku tepelné hyperalgezie (Caterina et al.,
2000; Davis et al., 2000).
Základní znalosti o struktuøe, funkci a fyziologické úloze
TRPV1 receptoru jsou získávány od roku 1997, kdy byl tento
receptor vyklonován originální strategií funkèního mapování
cDNA knihovny získané z neuronù ganglií zadních koøenù
míšních potkana (Caterina et al., 1997). Molekulární identifikace umožnila transfekovat rekombinantní TRPV1 receptor
do nedráždivých bunìk, jako jsou napø. oocyty drápatky
((Xenopus laevis) nebo lidské embryonální ledvinné buòky
(HEK293). Teplotní citlivost TRPV1 receptoru je v rozsahu
teplot, jež u èlovìka vyvolávají bolest, 43–52 °C, charakterizována mimoøádnì vysokým teplotním koeficientem Q10
(> 25) (Vyklický et al., 1999), což naznaèuje, že proteinová
struktura receptoru obsahuje specifickou teplotnì citlivou
doménu, jejíž konformaèní zmìny se vyznaèují vysokou
aktivaèní energetickou bariérou. Pøítomnost zánìtlivých
mediátorù (prostaglandin, bradykinin, serotonin, histamin),
ATP (adenozintrifosfát) a snížení hodnoty pH extracelulárního prostøedí snižuje teplotní práh pro aktivaci TRPV1, což
mùže být pøíèinou zvýšení vjemu bolestivých podnìtù (hyperalgezie) typické pøi zánìtech a anoxii (Cesare et al., 1999).
Strukturálnì-funkèní studie v nedávné dobì prokázaly, že
teplotní práh vaniloidního receptoru je regulován pøedevším
distální èástí jeho karboxylového konce (Prescott and Julius,
2003; Vlachová et al., 2003).
V posledních nìkolika letech byly molekulárnì identifikovány další tøi podtypy teplotnì aktivovaných TRP receptorù
8
(TRPV2, TRPV3 a TRPV4) a u nìkterých z nich bylo zjištìno,
že urèují, nebo alespoò významnì ovlivòují senzorické funkce
primárních nociceptivních neuronù. TRPV2, který je z 50 %
identický s TRPV1, je aktivován zvýšením teploty s aktivaèním
prahem nad 52 °C (Caterina et al., 1999). Jeho exprese byla
zjištìna v neuronech ganglií zadních koøenù míšních, v trigeminálních neuronech, v míše a mozku. Zvýšení teploty nad
30 °C aktivuje receptor TRPV3, který je exprimován v centrálním i periferním nervovém systému, v kùži (keratinocytech)
a jazyku (Peier et al., 2002; Smith et al., 2002; Xu et al., 2002).
Teplotní citlivost osmoticky aktivovaného iontového kanálu
TRPV4 (Liedtke et al., 2000) je zøejmì závislá na expresním
systému, protože aktivaci teplotami > 27 °C zaznamenali jen
nìkteøí autoøi (Guler et al., 2002).
Vzhledem k tomu, že teplotnì citlivé TRPV receptory
byly molekulárnì identifikovány teprve v nedávné dobì,
zatím neexistuje dostatek údajù o jejich fyziologické úloze
a mnohé interpretace experimentálních výsledkù jsou nejednoznaèné (napø. Woodbury et al., 2004 vs. Caterina et al.,
2000 a Davis et al., 2000). Schopnost TRPV receptorù být
aktivován zmìnami teploty je mezi všemi iontovými kanály
ojedinìlá, a proto zatím ani neznáme molekulární podstatu
jejich aktivace (tab. 1).
TRPM (melastatinové TRP iontové kanály)
TRPM tøída iontových kanálù je tvoøena osmi savèími receptory, které sdílejí zhruba 20% aminokyselinovou identitu
s TRPC kanály. Fyziologická úloha této skupiny receptorù
není dosud z velké èásti prozkoumána (pro pøehled viz Harteneck, 2005). N-koncová doména TRPM proteinù neobsahuje
žádné ankyrinové domény a je znaènì delší než N-terminála
TRPV a TRPC receptorù (obr. 1). TRPM4 spolu s TRPM5 jsou
jedinými TRP kanály, které jsou selektivní pro monovalentní
ionty. Tyto kanály jsou aktivovány podobnì jako nìkteré
TRPC kanály prostøednictvím receptorù spøažených s Gq/11
proteiny (viz obr. 2), pøièemž aktivací fosfolipázy C dochází ke
zvýšení koncentrace intracelulárního vápníku, který se pøímo
váže na tyto kanály, a tím je aktivuje. TRPM4 je kromì ledvinného epitelu exprimován v centrálním nervovém systému,
ale jeho fyziologická funkce zatím není známa. Iontový kanál
TRPM5 nacházíme v senzorických buòkách exprimujících
Pùvodní práce
P S Y C H I A T R I E  ROÈNÍK 9  2005  SUPPLEMENTUM 3
chuśové receptory T1R, T2R/TRB a metabotropní glutamátové receptory. Studie využívající Northern-blot analýzy ukázaly,
že mRNA tohoto receptoru je obsažena také v žaludku, tenkém støevì a pankreatu. U myší, které postrádají TRPM5, je
poškozeno vnímání sladké, hoøké a umami („masové“) chutì,
zatímco vnímání slaných a kyselých chutí zùstává zachováno.
Tato zjištìní naznaèují, že TRPM5 je spoleèný transdukèní
prvek, podílející se na pøenosu a integraci signálù z rùzných
chuśových receptorù (Zhang et al., 2003).
TRPM7, TRPM6 a TRPM2 jsou unikátní mezi ostatními
TRP iontovými kanály svou funkèní kinázovou doménou
lokalizovanou na C-konci, díky které dostaly název „chanzyme“ (= kanál a enzym). Substrát(y) pro tyto kinázové domény
nejsou zatím známy a jejich enzymatická aktivita není nutnou
podmínkou pro otevøení iontového kanálu. Kanály TRPM6
a TRPM7 jsou kromì vápníku vysoce propustné také pro
hoøèík, který je souèasnì inhibuje. TRPM7 je propustný i pro
nìkteré stopové prvky, jakými jsou zinek a nikl, èímž mùže
pøispívat k akumulaci a toxicitì tìchto kovù. Podobnì jako
u nìkterých dalších TRP kanálù je aktivita TRPM7 receptoru
regulována hydrolýzou PIP2.
V nervovém systému byla zatím prokázána exprese dvou,
vzájemnì strukturálnì nejbližších, receptorù podskupiny
TRPM: TRPM2 a TRPM8. Iontový kanál s kinázovou doménou TRPM2 je aktivován zmìnami v oxidaènì redukèní
rovnováze a vzhledem k tomu, že jeho exprese byla nalezena
pøedevším v mozku, mùže tento kanál pùsobit jako redox
senzor v mechanizmech souvisejících s hypoxií. TRPM8 je
aktivován chladem (< 25 °C) a látkami vyvolávajícími pocit
chladu, jako jsou mentol nebo syntetická látka icilin. Tento
iontový kanál se vyskytuje na neuronech ganglií zadních
koøenù míšních a v trigeminálních gangliích, ale také v prostatických a jiných nádorech. Studium vlastností TRPM8
receptoru na primárních nociceptivních neuronech prokázalo, že mentol mùže vyvolávat pocit chladu tím, že posouvá
aktivaèní práh TRPM8 k vyšším teplotám a že tento receptor
mùže hrát úlohu v detekci chladu.
TRPA (ankyrinové TRP kanály)
TRPA1 (døíve ANKTM1) je jediný savèí receptor z této
specifické skupiny TRP iontových kanálù. Je charakteristický
vysokým poètem ankyrinových domén (∼14) na svém N-konci.
Tento protein je aktivován teplotami pod 15 °C, vykazuje
však nízkou homologii s jiným chladovì aktivovaným re-
ceptorem TRPM8. Mezi chemické aktivátory tohoto kanálu
patøí štiplavé (pálivé) slouèeniny obsažené v hoøèièném oleji
a jiných pøírodních zdrojích a také psychoaktivní látka obsažená v konopí, ∆9-tetrahydrokannabinol (THC). TRPA1
receptor se vyskytuje v neuronech zadních koøenù míšních
spolu s vaniloidním receptorem TRPV1, nikoli však s mentolovým receptorem TRPM8. Vzhledem k tomu, že pøítomnost
vaniloidního receptoru je typická pro neurony s nociceptivní
charakteristikou, je TRPA1 receptoru pøedvídána úloha specifického senzoru pro bolestivý chlad (Story et al., 2003).
Závìr
Souèasné experimentální pøístupy výzkumu nervové soustavy na bunìèné a molekulární úrovni umožòují získávat
podrobné informace o struktuøe a funkci membránových
receptorù a o mechanizmech jejich aktivace. Nové poznatky
o funkèních vlastnostech TRP receptorù prokazují, že tyto
iontové kanály jsou molekulárními strukturami, jejichž prostøednictvím senzorické neurony rozpoznávají podnìty pøicházející z okolního prostøedí a umožòují tak organizmùm
správnì reagovat na ty, které je ohrožují. Objevùm v této oblasti ještì není zdaleka konec, avšak již naše souèasné znalosti
potvrzují, že pøíbuzné strukturální vlastnosti tìchto bílkovin
mohou být podkladem vývojovì pøíbuzných aktivaèních
mechanizmù. Pøestože zatím zùstává nezodpovìzeno mnoho
otázek týkajících se skuteèného fyziologického významu TRP
receptorù v pøenosu podnìtù na primárních senzorických
neuronech, poznání bunìèných a molekulárních principù
aktivace této specifické tøídy iontových kanálù smìøuje
k hlubšímu porozumìní mechanizmùm, které se uplatòují
pøi vzniku nìkterých onemocnìní nervového systému a k cílenému hledání prostøedkù pro jejich léèbu.
Podìkov
ìková
ìkov
kován
án í
Prááce
Prá
ce byla podpoøøena
ena granty Ministerstva kultury, ml
mlááde
ádežee a ttìlov chovy 1M0002375201 a LC 554, Grantovou agenturou Èeské
lový
republiky (grant èè.. 305/03/0802), a V
Výýzkumn
ýzkumný
zkumným projektem AV
ÈR (AVOZ 50110509).
È
RNDr. Viktorie Vlachová, Dr.Sc.
Fyziologický ústav AV ÈR
Vídeòská 1083, 142 20 Praha 4
e-mail: [email protected]
LITERATURA
Caterina MJ, Julius D. The vanilloid receptor: a molecular gateway to the
pain pathway. Annu Rev Neurosci 2001; 24:487–517.
Clapham DE. TRP channels as cellular sensors. Nature 2003; 426:
517–524.
Caterina MJ, Leffler A, Malmberg AB, Martin WJ, Trafton J, Petersen-Zeitz KR, Koltzenburg M, Basbaum AI, Julius D. Impaired nociception
and pain sensation in mice lacking the capsaicin receptor. Science 2000;
288:306–313.
Cosens DJ, Manning A. Abnormal electroretinogram from a Drosophila
mutant. Nature 1969; 224:285–287.
Caterina MJ, Rosen TA, Tominaga M, Brake AJ, Julius D. A capsaicin-receptor homologue with a high threshold for noxious heat. Nature
1999; 398:436–441.
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.
Cesare P, Dekker LV, Sardini A, Parker PJ, McNaughton PA. Specific
involvement of PKC-epsilon in sensitization of the neuronal response
to painful heat. Neuron 1999; 23:617–624.
Davis JB, Gray J, Gunthorpe MJ, Hatcher JP, Davey PT, Overend P, Harries
MH, Latcham J, Clapham C, Atkinson K, Hughes SA, Rance K, Grau E,
Harper AJ, Pugh PL, Rogers DC, Bingham S, Randall A, Sheardown SA.
Vanilloid receptor-1 is essential for inflammatory thermal hyperalgesia.
Nature 2000; 405:183–187.
Doyle DA, Morais Cabral J, Pfuetzner RA, Kuo A, Gulbis JM, Cohen
SL, Chait BT, MacKinnon R. The structure of the potassium channel: molecular basis of K+ conduction and selectivity. Science 1998;
280:69–77.
Ferrer-Montiel A, Garcia-Martinez C, Morenilla-Palao C, Garcia-Sanz N,
Fernandez-Carvajal A, Fernandez-Ballester G, Planells-Cases R. Molecular
9
Pùvodní práce
PSYCHIATRIE  ROÈNÍK 9  2005  SUPPLEMENTUM 3
architecture of the vanilloid receptor. Insights for drug design. Eur J
Biochem 2004; 271:1820–1826.
mi M, Cavalie A, Flockerzi V. A novel capacitative calcium entry channel
expressed in excitable cells. Embo J 1998; 17:4274–4282.
Funayama M, Goto K, Kondo H. Cloning and expression localization of
cDNA for rat homolog of TRP protein, a possible store-operated calcium
(Ca2+) channel. Brain Res Mol Brain Res 1996; 43:259–266.
Prescott ED, Julius D. A modular PIP2 binding site as a determinant of
capsaicin receptor sensitivity. Science 2003; 300:1284–1288.
Guler AD, Lee H, Iida T, Shimizu I, Tominaga M, Caterina M. Heat-evoked
activation of the ion channel, TRPV4. J Neurosci 2002; 22:6408–6414.
Rohacs T, Lopes CM, Michailidis I, Logothetis DE. PI(4,5)P(2) regulates
the activation and desensitization of TRPM8 channels through the TRP
domain. Nat Neurosci 2005; 8:626–634.
Hanaoka K, Qian F, Boletta A, Bhunia AK, Piontek K, Tsiokas L,
Sukhatme VP, Guggino WB, Germino GG. Co-assembly of polycystin1 and -2 produces unique cation-permeable currents. Nature 2000;
408:990–994.
Smith GD, Gunthorpe MJ, Kelsell RE, Hayes PD, Reilly P, Facer P, Wright
JE, Jerman JC, Walhin JP, Ooi L, Egerton J, Charles KJ, Smart D, Randall
AD, Anand P, Davis JB. TRPV3 is a temperature-sensitive vanilloid receptor-like protein. Nature 2002; 418:186–190.
Harteneck C. Function and pharmacology of TRPM cation channels.
Naunyn Schmiedebergs Arch Pharmacol 2005; 371:307–314.
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.
Hofmann T, Obukhov AG, Schaefer M, Harteneck C, Gudermann T,
Schultz G. Direct activation of human TRPC6 and TRPC3 channels by
diacylglycerol. Nature 1999; 397:259–263.
Kim SJ, Kim YS, Yuan JP, Petralia RS, Worley PF, Linden DJ. Activation of
the TRPC1 cation channel by metabotropic glutamate receptor mGluR1.
Nature 2003; 426:285–291.
Li HS, Xu XZ, Montell C. Activation of a TRPC3-dependent cation current through the neurotrophin BDNF. Neuron 1999; 24:261–273.
Liedtke W, Choe Y, Marti-Renom MA, Bell AM, Denis CS, Sali A, Hudspeth AJ, Friedman JM, Heller S. Vanilloid receptor-related osmotically
activated channel (VR-OAC), a candidate vertebrate osmoreceptor. Cell
2000; 103:525–535.
McKemy DD, Neuhausser WM, Julius D. Identification of a cold receptor reveals a general role for TRP channels in thermosensation. Nature
2002; 416:52–58.
Montell C. The TRP superfamily of cation channels. Sci STKE 2005;
2005 (DOI: 10.1126/stke.2722005re3).
Strubing C, Krapivinsky G, Krapivinsky L, Clapham DE. Formation of
novel TRPC channels by complex subunit interactions in embryonic
brain. J Biol Chem 2003; 278:39014–39019.
Strubing C, Krapivinsky G, Krapivinsky L, Clapham DE. TRPC1 and
TRPC5 form a novel cation channel in mammalian brain. Neuron 2001;
29:645–655.
Szallasi A, Blumberg PM. Vanilloid (Capsaicin) receptors and mechanisms. Pharmacol Rev 1999; 51:159–212.
Vlachová V, Teisinger J, Sušánková K, Lyfenko A, Ettrich R, Vyklický L.
Functional role of C-terminal cytoplasmic tail of rat vanilloid receptor 1.
J Neurosci 2003; 23:1340–1350.
Vyklický L, Vlachová V, Vitásková Z, Dittert I, Kabát M, Orkand RK.
Temperature coefficient of membrane currents induced by noxious heat
in sensory neurones in the rat. J Physiol (Lond) 1999; 517:181–192.
Wang H, Woolf CJ. Pain TRPs. Neuron 2005; 46:9–12.
Montell C, Rubin GM. Molecular characterization of the Drosophila
trp locus: a putative integral membrane protein required for phototransduction. Neuron 1989; 2:1313–1323.
Woodbury CJ, Zwick M, Wang S, Lawson JJ, Caterina MJ, Koltzenburg
M, Albers KM, Koerber HR, Davis BM. Nociceptors lacking TRPV1 and
TRPV2 have normal heat responses. J Neurosci 2004; 24:6410–6415.
Moran MM, Xu H, Clapham DE. TRP ion channels in the nervous system.
Curr Opin Neurobiol 2004; 14:362–369.
Xu H, Ramsey IS, Kotecha SA, Moran MM, Chong JA, Lawson D, Ge
P, Lilly J, Silos-Santiago I, Xie Y, DiStefano PS, Curtis R, Clapham DE.
TRPV3 is a calcium-permeable temperature-sensitive cation channel.
Nature 2002; 418:181–186.
Peier AM, Reeve AJ, Andersson DA, Moqrich A, Earley TJ, Hergarden AC,
Story GM, Colley S, Hogenesch JB, McIntyre P, Bevan S, Patapoutian A.
A heat-sensitive TRP channel expressed in keratinocytes. Science 2002;
296:2046–2049.
Philipp S, Hambrecht J, Braslavski L, Schroth G, Freichel M, Muraka-
10
Zhang Y, Hoon MA, Chandrashekar J, Mueller KL, Cook B, Wu D,
Zuker CS, Ryba NJ. Coding of sweet, bitter, and umami tastes: different receptor cells sharing similar signaling pathways. Cell 2003;
112:293–301.