Как древние сигнальные молекулы cAMP и cGMP доставляют свои сообщения
Две очень похожие молекулы с важными, но часто противоположными сигнальными ролями у большинства форм жизни оказывают различное действие благодаря тонким различиям в связывании со своими партнерами. Это показало новое исследование учёных из Weill Cornell Medicine.
В исследовании, опубликованном 27 марта в Nature Structural & Molecular Biology, учёные использовали высокочувствительные методы измерений, чтобы на уровне одной молекулы показать, как сигнальные молекулы cAMP и cGMP связываются с ионным каналом из семейства пейсмекерных каналов — одного из основных типов белков, активность которых они регулируют.
Ионные каналы — обычные элементы клеточных мембран, они контролируют основные функции клетки, позволяя кальцию, натрию, калию и другим заряженным элементам (ионам) протекать внутрь и наружу клетки. Многие ионные каналы могут связывать и cAMP, и cGMP, но эффективно открываться только под действием одной из них. То, как именно две молекулы оказывают разное влияние на активность канала, оставалось загадкой.
Исследование детально описывает, как cAMP/cGMP связываются с ионными каналами, и углубляет понимание фундаментального аспекта клеточной биологии. Эти результаты в будущем могут помочь в разработке методов лечения расстройств, связанных с неисправностью ионных каналов.
Ключевой механизм различия
Циклический аденозинмонофосфат (cAMP) и циклический гуанозинмонофосфат (cGMP) — это циклические нуклеотиды. Они эволюционировали как универсальные переключатели, способные регулировать активность широкого спектра белков. Часто только один из них (cAMP или cGMP) является активатором, а другой, связываясь с тем же сайтом, может переводить белок в неактивное состояние. Таким образом, конкуренция между двумя молекулами включает и выключает каналы.
Белки, регулируемые cAMP/cGMP, включают большой класс ионных каналов, называемых циклическими нуклеотид-управляемыми (CNG) каналами. CNG-каналы играют важную роль в нервной системе, включая сенсорные нейроны обоняния и зрения, а также в пейсмекерных клетках, управляющих ритмом сердцебиения.
Экспериментальные методы и результаты
Используя метод силовой спектроскопии одиночных молекул на атомно-силовом микроскопе (AFM single molecule force spectroscopy), учёные измерили силу связывания одной молекулы cAMP или cGMP с сайтом связывания на ионном канале SthK (бактериальный CNG-канал). С помощью вычислительного моделирования они количественно оценили различия в силе и глубине связывания двух молекул с одним и тем же сайтом на SthK.
«Мы обнаружили чёткие различия во взаимодействии и силе связывания этих двух молекул с ионными каналами, что, как мы думаем, объясняет, почему одна может открыть канал, а другая — нет», — сказал старший автор исследования доктор Саймон Шойринг.
«cAMP может достигать более прочно связанного состояния; то есть он дольше остаётся на своём сайте связывания на ионном канале по сравнению с cGMP, что позволяет предположить, что это глубоко связанное состояние является ключом к активации канала», — пояснил первый автор исследования доктор Янган Пан.
Значение и перспективы
Канал SthK — лишь одна модель для млекопитающих CNG-каналов, и учёные планируют будущие исследования с каналами млекопитающих. Однако они считают, что их результаты с SthK уже проливают свет на фундаментальный механизм работы cAMP и cGMP как регуляторов в их многочисленных биологических ролях.
«Сайты связывания для cAMP/cGMP находятся не только на ионных каналах, но и на сигнальных ферментах, факторах транскрипции и других белках, — сказала доктор Крина Нимиджиан. — Мы подозреваем, что в каждом случае природа настроила то, как эти белки распознают cAMP/cGMP, в соответствии с их функциями».