TRP IONTOVÉ KANÁLY: MOLEKULÁRNÍ SENZORY

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.