Решение загадок хлоридного канала ASOR

Хлоридный канал ASOR присутствует почти во всех клетках. Однако, помимо его участия в гибели клеток, о его физиологической роли известно не так много.

Два года назад исследователи из FMP и MDC под руководством профессора Томаса Йентша смогли идентифицировать ген, кодирующий этот кислотно-чувствительный ионный канал. Теперь, в сотрудничестве с профессором Лонгом (Нью-Йорк), они получили удивительные данные о его структуре и механизмах активации. Результаты, опубликованные в Science Advances, — ещё один шаг на пути к разгадке тайны ASOR.

Ионные каналы выполняют жизненно важные функции: они обеспечивают поток ионов, таких как хлорид, калий или натрий, в клетки и из них. Тем самым они регулируют электролитный состав клеток и их окружения и могут генерировать электрические сигналы. Ионные каналы также очень важны для функции внутриклеточных органелл. ASOR — это pH-чувствительный хлоридный канал, присутствующий как во внешних, так и во внутренних мембранах клеток.

До сих пор о кислотно-чувствительном выпрямляющем анионном канале (Acid-Sensitive Outwardly Rectifying Anion Channel, ASOR) было известно мало. В 2019 году команда профессора Томаса Йентша из Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) и Max Delbrück Center for Molecular Medicine (MDC) в Берлине идентифицировала ген этого канала, параллельно с другой группой в США. Давно было известно, что этот канал открывается только тогда, когда внеклеточная среда становится очень кислой. Это необычно, потому что такой низкий pH обычно возникает только при гибели клеток — например, при инсульте или инфаркте.

На сегодняшний день неясно, почему практически все клетки человека и животных обладают этим ионным каналом. Недавние данные свидетельствуют о том, что ASOR играет важную роль во внутриклеточных везикулах, pH которых достаточно кислый для активации ASOR. Однако механизм этой активации и структура хлорид-проводящей поры были неизвестны. Знание этих свойств является предпосылкой для разработки фармацевтических препаратов, которые могут воздействовать на ASOR. В тесном сотрудничестве со структурными биологами из Нью-Йорка берлинские исследователи получили важные новые данные: впервые была показана структура открытого канала и идентифицирован новый механизм активации.

Описана структура открытого канала

С помощью крио-электронной микроскопии совместная команда под руководством профессора Стива Лонга в Memorial Sloan Kettering Cancer Institute в Нью-Йорке получила высокоразрешающие структуры канала при разных значениях pH. Модели молекулярных механизмов, лежащих в основе функции ASOR, были выведены из сравнения этих структур. Они были проверены берлинской командой с помощью замен отдельных аминокислот и последующего электрофизиологического анализа.

«То, что мы обнаружили, довольно необычно для ионного канала, — говорит постдок Майя Половитская, один из первых авторов исследования. — Изменения pH приводят к сокращению внеклеточного домена канала, который тем самым тянет за собой пронизывающие мембрану спиральные сегменты белка канала. В отличие от других каналов, где открытие поры включает лишь относительно небольшие изменения в положении одной или нескольких аминокислот, мы наблюдаем драматическое изменение в пронизывающем мембрану сегменте ASOR. Этот процесс, который мы называем трансмембранной метаморфозой, приводит к образованию поры, через которую течёт хлорид. Эта перестройка разительно отличается от механизма открытия других известных каналов».

Кислота вызывает метаморфозу канала посредством электрических сил

Сравнивая структуры канала при нейтральном и кислом pH, исследователи также выявили лежащий в основе механизм активации. Для каждой субъединицы канала, который состоит из трёх идентичных белков, во внеклеточном домене есть три пары отрицательно заряженных аминокислот. Они обычно отталкиваются друг от друга электрически. При кислом pH, то есть высокой концентрации H+ (протонов), эти положительно заряженные частицы вклиниваются между отрицательными боковыми цепями пар аминокислот и «склеивают» их вместе. Это приводит к описанному выше сокращению внеклеточной части и образованию мембранной поры. Этот механизм объясняет сильную зависимость ASOR от pH.

Натриевый канал ASIC, известный десятилетиями, также открывается под действием кислого pH. Однако механизм pH-чувствительности и ирисообразное открытие поры ASIC принципиально отличаются от ASOR. «В нашей работе мы открыли новые механизмы и заложили основу для разработки соединений, влияющих на ASOR», — говорит Половитская.

Остаётся вопрос: для чего на самом деле нужен ASOR? Некоторое время назад группа из США показала, что ионный канал играет роковую роль при инсульте. Нокаутные мыши, у которых ASOR был выключен, переживали инсульт с меньшими необратимыми повреждениями, чем их собратья с функционирующим каналом.

Гибель клеток может быть не единственной функцией ASOR

«ASOR определённо играет роль в индуцированной кислотой гибели клеток, но теперь на первый план выходит его роль во внутриклеточных процессах, например, в транспорте везикул», — говорит руководитель исследовательской группы профессор Томас Йентш. Он уже открыл ряд ионных каналов, описал их биологические функции и показал, что некоторые из них мутированы при заболеваниях человека. Исследователь уверен, что сможет разгадать и тайну ASOR. «У нас уже есть доказательства того, что ингибирование канала может смягчить гибель клеток мозга при инсульте. Но, будучи фундаментальными исследователями, мы, естественно, также хотим понять биологическую функцию у здоровых организмов», — говорит Йентш. «Значительная часть наших усилий направлена на решение этого захватывающего вопроса».