VANILLOID RECEPTOR: STRUCTURE AS A KEY FOR UNDERSTANDING THE FUNCTION KLÁRA SUŠÁNKOVÁ, VIKTORIE VLACHOVÁ Fyziologický ústav AV ÈR, Praha
SOUHRN Vaniloidní receptor TRPV1 je chemicky aktivovaný 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 membránovì vázaných receptorù, z nichž mnohé jsou aktivovány podnìty pøicházejícími z okolního prostøedí: svìtlem, tlakem, teplem, èi chladem. TRPV1 receptor je charakteristický tím, že jeho aktivaci zpùsobí podnìty vyvolávající u èlovìka bolest (algogeny), jako jsou bradykinin, prostaglandin, serotonin, slabé kyseliny, kapsaicin (úèinná složka pálivých paprik) nebo zvýšení teploty nad 43 °C. Studium mechanizmù, kterými je tento iontový kanál otvírán pùsobením bolestivých a za nìkterých patologických stavù i nebolestivých podnìtù, smìøuje k poznání pøíèiny nìkterých zánìtlivých a neuropatických bolestivých onemocnìní a je nutnou podmínkou pro vyhledávání nových látek se specifickým analgetickým pùsobením. Cílem tohoto pøíspìvku je informovat o souèasných poznatcích, které byly získány o struktuøe a polymodální funkci vaniloidního receptoru TRPV1, a naznaèit cesty dalšího výzkumu v oblasti studia mechanizmù nocicepce na bunìèné a molekulární úrovni. Klíèová slova: primární senzorický neuron, nocicepce, vaniloidní receptor, kapsaicin, TRP kanály, senzorická transdukce
SUMMARY The TRPV1 vanilloid receptor is a nociceptor specific ligand-gated ion channel that plays an important role in transducing thermal and inflammatory pain. This channel belongs to a diverse collection of membrane-bound proteins: transient receptor potential (TRP) channel family, some members of which can be opened in response to various environmental stimuli: light, pressure, heat or cold. The TRPV1 vanilloid receptor is a channel activated preferentially by stimuli with the potential to produce pain associated with inflammation and tissue damage: bradykinin, prostaglandin, serotonin, weak acids, specifically, by a pungent component of hot chili peppers, capsaicin and, also, by temperatures above 43°C. Understanding the mechanisms of activation and modulation of the TRPV1 channels at the cellular and molecular levels gives a promise for providing an insight into the pathogenesis of various inflammatory and neuropathic pain states and for developing novel, more specific pain-relieving drugs. The aim of this article was to give an overview of the current status of research into the TRPV1 receptor and summarize the structural information of this channel as seen from a rich complexity of the functional states and conformational transitions the protein undergoes in response to the noxious and, under some pathological conditions, normally sub-noxious stimuli. Key words: primary sensory neuron, nociception, vanilloid receptor, capsaicin, TRP channels, sensory transduction
Vaniloidní receptor TRPV1 jako molekulární senzor Senzorický systém všech živých organizmù je vybaven pøesnými a dùmyslnými mechanizmy, které umožòují rozpoznávat podnìty pøicházející z vnìjšího i vnitøního prostøedí, odlišit nebezpeèné a život ohrožující od neškodných a pøedat informaci o nich do centrálního nervového systému. Tato schopnost je dána zejména vlastnostmi iontových kanálù, které jsou exprimovány na periferních zakonèeních primárních senzorických neuronù. Podle typu a intenzity podnìtu jsou aktivovány specifické receptory-iontové kanály, jejichž otevøení umožní prùtok kladnì nabitých iontù, depolarizuje bunìènou membránu a tím vznikne impulzní aktivita. Bìhem evoluèního vývoje se objevila pozoruhodná specializace tìchto bílkovinných komplexù tak, že mohou mìnit svou konformaci vlivem rùzných chemických látek, svìtlem, zmìnami tlaku nebo osmolarity, teplem nebo chladem. Hlavní skupinou tìchto transdukèních molekul jsou receptory, jejichž do znaèné míry podobná primární struktura je øadí do homologní skupiny TRP (transient receptor potential) iontových kanálù. BOLEST 3/2005
Zvláštní místo mezi TRP kanály zaujímá vaniloidní receptor TRPV1, jenž tvoøí iontový kanál v membránì primárních senzorických nervových bunìk a je aktivován podnìty, které vyvolávají u èlovìka bolest. 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 TRPV1 receptor do nedráždivých bunìk, jako jsou napø. oocyty drápatky (Xenopus laevis) nebo lidské embryonální ledvinové buòky (HEK293). Výhody heterologního expresního systému spoèívají v tom, že lze vlastnosti receptoru studovat nezávisle na ostatních iontových kanálech, které jsou typické pro nervové buòky, a tak izolovanì zkoumat i jeho rùzné varianty, mutanty èi konstrukty. Vaniloidní receptor TRPV1 je èasto nazýván „molekulárním integrátorem“ chemických a fyzikálních bolestivých podnìtù, neboś je aktivován nejen látkami, jako jsou kapsaicin a rùzné algogenní mediátory vznikající v místì poranìní nebo 139
Pøehledné èlánky
VANILOIDNÍ RECEPTOR: STRUKTURA JAKO KLÍÈ K POZNÁNÍ FUNKCE
Pøehledné èlánky
zánìtu, ale také zvýšením okolní teploty nad 43 °C (Caterina a Julius, 2001; Szallasi a Blumberg, 1999). Teplotní citlivost TRPV1 receptoru je v rozsahu teplot, jež u èlovìka vyvolávají bolest, (43–52 °C), charakterizována neobvykle vysokým teplotním koeficientem Q10 (>25) (Vlachová et al., 2002; Vyklický et al., 2001; Vyklický et al., 1999). Pøítomnost zánìtlivých mediátorù (prostaglandin, bradykinin, serotonin, histamin), ATP (adenozintrifosfát) a zvýšené koncentrace protonù snižuje teplotní práh pro aktivaci TRPV1, což mùže být pøíèinou zvýšení vjemu bolestivých podnìtù (hyperalgezie) typické pøi zánìtech a anoxii (Cesare et al., 1999). U neuronù ganglií zadních koøenù míšních (DRG) izolovaných z myší, u kterých je umìle vylouèen gen vaniloidního receptoru (knock-out), dochází k odstranìní kapsaicinové a protonové citlivosti. Zároveò se ztrácí senzitizace k teplotním podnìtùm bìhem zánìtu, což dokazuje nezastupitelnou úlohu TRPV1 receptoru pøi vzniku tepelné hyperalgezie (Caterina et al., 2000; Davis et al., 2000). Strukturálnì-funkèní studie prokázaly, že teplotní práh vaniloidního receptoru je regulován pøedevším distální èástí jeho karboxylového konce (Prescott a Julius, 2003; Vlachová et al., 2003). Schopnost TRPV1 receptoru být aktivován zmìnami teploty je mezi iontovými kanály ojedinìlá. Urèení funkèní domény proteinu, jejíž konformaèní zmìny vyvolané v úzkém rozsahu teplot (~43 °C) zpùsobují otevøení póru iontového kanálu, by významnì pøispìlo k poznání mechanizmu teplotní aktivace nejen vaniloidního receptoru. Vaniloidní receptor patøí do rodiny TRP kanálù Identifikace a charakterizace dosud objevených receptorù z rodiny TRP kanálù se stala zásadním vodítkem k bližšímu pochopení senzorické transdukce na molekulární úrovni. Tato skupina kationtových kanálù, pro nìž bylo u èlovìka zatím identifikováno 27 rùzných genù, je uspoøádána podle podobnosti aminokyselinových sekvencí do sedmi podskupin: TRPC (canonical, classical), TRPV (vanilloid), TRPM (melastatin), TRPA (ankyrin), TRPN (podle prvního identifikovaného iontového kanálu této skupiny NOMPC), TRPML (mucolipin) a TRPP (polycystin). TRP kanály se uplatòují v senzorických procesech v orgánech zraku, èichu, mechanické a osmotické citlivosti, chuti a èití nociceptivních podnìtù, ale mohou hrát roli napøíklad i ve vazorelaxaci, øízení bunìèného cyklu, nebo kancerogenezi (pro pøehled viz Montell, 2005). Vaniloidní receptor patøí do TRPV podskupiny kanálù spoleènì s dalšími pìti receptory (TRPV1-TRPV6). Ètyøi z nich jsou aktivovány teplotními podnìty s rùznými prahovými hodnotami. TRPV2 receptor, který je z 50 % identický s TRPV1, je otvírán bolestivým teplem (> 52 °C), TRPV3 pøi teplotách pøekraèujících hodnoty 33 °C a osmoticky aktivovaný TRPV4 teplotami nad 24°C. TRPV5 a TRPV6, kanály selektivní pro vápenaté kationty, se nacházejí v epitelech ledvin a støeva. Všechny TRP kanály se vyznaèují typickou membránovou topologií charakterizovanou šesti segmenty (S1-S6) s jednou kratší hydrofobní klièkou spojující oblast S5 a S6 (P-loop). Vaniloidní receptor TRPV1 je protein o 838 aminokyselinách a pøedpokládané molekulové hmotnosti 92–95 kDa (obr. 1). Hydrofilní N-konec receptoru je orientován intracelulárnì, tvoøí vìtší polovinu proteinu (432 aminokyselin) a obsahuje oblasti bohaté na prolin a tøi ankyrinové domény, které pravdìpodobnì interagují s proteiny cytoskeletu. C-konec receptoru také smìøuje do nitra buòky, je podstatnì kratší než N-konec (154 aminoky140
selin) a obsahuje dùležitá fosforylaèní místa pro proteinkinázy a vazebné domény pro kalmodulin, fosfatidylinozitol-4,5-bisfosfát (PIP2) a ATP. TRPV1 receptor podobnì jako ostatní èlenové skupiny TRPV kanálù tvoøí v plazmatické membránì pøevážnì homotetramer (Jahnel et al., 2001; Kedei et al., 2001), ve kterém se hydrofobní klièky jednotlivých podjednotek podílejí na utváøení póru iontového kanálu. Není dosud vylouèeno, že se vaniloidní receptor mùže i heteromerizovat s podjednotkami kanálù pøíbuzných (Smith et al., 2002). Jakým zpùsobem proteinová struktura a topologické uspoøádání iontového kanálu urèuje jeho funkci? Pøestože zatím nebyla urèena krystalová struktura žádného z TRP kanálù, základní pøedstavy o mechanizmech, kterými receptor pøevádí chemické a fyzikální podnìty na otevøení kanálu, vycházejí ze strukturnì-funkèních studií a 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 vaniloidního receptoru jsou vazebná doména pro specifický ligand, oblast póru iontového kanálu vèetnì selektivního filtru a N- a C-koncové èásti receptoru. Vazba ligandu na TRPV1 receptor Specifickým ligandem vaniloidního receptoru je kapsaicin, látka, která je pálivou složkou rùzných druhù paprik a podle které byl døíve vaniloidní receptor TRPV1 oznaèován jako kapsaicinový. Jiným, vysoce úèinným, exogenním agonistou TRPV1 receptoru je reziniferatoxin, diterpenoid obsažený v latexu afrického sukulentu Euphorbia resinifera. Tato látka sdílí s kapsaicinem stejnou chemickou skupinu, homovanilyl, která dala vaniloidnímu receptoru svùj název. Chemická struktura kapsaicinu obsahuje tøi funkèní oblasti: A, aromatickou, kterou pøedstavuje homovanilylová skupina, B, spojovací èást tvoøenou esterem, a C, alifatickou lipofilní èást reprezentovanou oktanylovým øetìzcem, který se patrnì úèastní interakce s vazebným místem vaniloidního receptoru, ale pøesné místo navázaní na receptor je dosud pøedmìtem diskuze. Pøedpokládá se, že kapsaicin pùsobí na receptor z vnitøní strany bunìèné membrány. Pomalý nástup vyvolaných membránových proudù naznaèuje, že k úèinnému navázání na receptor je zapotøebí prùchod kapsaicinu plazmatickou membránou z extracelulární strany (Vyklický et al., 2003). K identifikaci aminokyselinových zbytkù zodpovìdných za aktivaci TRPV1 receptoru kapsaicinem nìkteøí autoøi využili mezidruhové homologie s variantami receptoru živoèišných druhù necitlivých na kapsaicin (obr. 1). Porovnáním sekvencí TRPV1 z kuøete a potkana urèili v oblasti první intracelulární klièky aminokyselinový zbytek tyrozin 511 jako molekulární determinantu kapsaicinové senzitivity (Jordt a Julius, 2002). Práce vycházející z podobnosti králièí proteinové sekvence TRPV1 receptoru odhalila další aminokyselinové zbytky, které se podílejí na vazbì kapsaicinu nebo reziniferatoxinu a jejich schopnosti aktivovat iontový kanál. Jsou to threonin 550 a methionin 547, jež se nacházejí v místì ètvrté transmembránové domény S4 (Gavva et al., 2004). U potkana se methionin 547 úèastní hlavnì vazby reziniferatoxinu. Jeho afinita je u lidského TRPV1 receptoru desetkrát nižší, zøejmì proto, že se v tomto místì nachází leucin (Chou et al., 2004). Na aktivaci vaniloidního receptoru kapsaicinem se také kromì S3-S4 domény pravdìpodobnì podílí intracelulární konce receptoru.
BOLEST 3/2005
Chemická aktivace TRPV1 receptoru Znalost lokalizace a struktury vazebného místa pro vaniloidy je dùležitým pøedpokladem pro hledání vhodných kompetitivních antagonistù TRPV1 receptoru, které by mohly být úèinnými analgetiky pøi léèbì bolestivých stavù u lidí. Z tohoto hlediska je dùležitou, ale dosud neobjasnìnou otázkou, jaké jsou pøirozené (endogenní) ligandy, které aktivují TRPV1 receptor buï pøímo vazbou, v kombinaci s jiným podnìtem, nebo prostøednictvím signálních drah modulujících jeho aktivitu. Jedním z pøirozenì se vyskytujících aktivátorù TRPV1 in vivo mùže být lokální snížení hodnoty pH (< 6,8), které vzniká v okolí poranìné, zanícené nebo ischemické tkánì. Zvýšená koncentrace protonù má dvojí úèinek na aktivitu TRPV1 kanálu. Mírnì kyselé okolní prostøedí pùsobí modulaènì, neboś zesiluje TRPV1 aktivaci navozenou napøíklad vazbou kapsaicinu èi jiného ligandu. Vyšší koncentrace protonù (pH < 6) však sama otevírá iontový kanál. Kyselý roztok aktivuje TRPV1 receptor, pouze pokud je aplikován z vnìjšku membrány, což svìdèí o tom, že protony interagují s negativnì nabitými aminokyselinovými zbytky z extracelulární strany receptoru (Tominaga et al., 1998). Tato hypotéza byla potvrzena identifikací aminokyselinových zbytkù (E478, E600, D601, E648, E563), které se podílejí na protonové aktivaci TRPV1 receptoru (Jordt et al., 2000) (obr. 1). Mezi kandidáty pøirozených ligandù TRPV1 receptoru, jejichž vazbou se otevírá iontový kanál a pøenášejí bolestivé informace, dále patøí bioaktivní lipid anandamid, který je souèasnì hlavním endogenním aktivátorem kanabinoidních receptorù CB1 a CB2 (Zygmunt et al., 1999), eikosaniody – produkty lipooxygenáz (12-HPETE, 15-HPETE, leukotrien LB4) (Hwang et al., 2000) a látka NADA (N-arachidonyl dopamin), jejíž katecholová funkèní skupina se podobá struktuøe kapsaicinu (Premkumar et al., 2004). Žádná z tìchto látek však neprokázala tak vysokou a specifickou afinitu, jakou mají nìkteré exogenní aktivátory, a proto se pøedpokládá, že se jejich fyziologický význam mùže uplatòovat pouze v kombinaci s jiným aktivátorem napøíklad pùsobením zvýšené teploty nebo zvýšené koncentrace protonù. Molekulární mechanizmy modulace vaniloidního receptoru Poranìní spojená se zanícením, infekcí a hypoxií, jež jsou provázeny výlevem mediátorù zánìtu, lokálním zvýšením kyselosti a teploty, usnadòují aktivaci nociceptorù a vznik bolesti (Julius and Basbaum, 2001). Aktivita vaniloidního receptoru TRPV1 je v plazmatické membránì nervových bunìk ovlivòována dalšími receptory, které pøedstavují adaptorové a signální molekuly a proteiny cytoskeletu. Dalším velmi významým regulátorem TRPV1 aktivity je fosfolipáza C, která rozštìpením PIP2 (fosfatidylinozitol-4,5-bisfosfát) uvolòuje tento receptor z konstitutivní inhibice (Prescott and Julius, 2003). Bunìèné enzymy (proteinkinázy, fosfolipázy, fosfatázy atd.), které regulují funkci TRPV1 kanálu, jsou v mnoha pøí-
BOLEST 3/2005
padech aktivovány metabotropními receptory prostøednictvím G proteinù. Pøíkladem jsou bradykininový receptor B2, TrkA receptor pro nervový rùstový faktor (NGF) a P2Y1 receptor pro ATP (adenozintrifosfát). Jedním z hlavních mechanizmù modulace aktivity vaniloidního receptoru je senzitizace, která je závislá na míøe fosforylace TRPV1 proteinu. Je dokázáno, že rùzné typy proteinkináz pøipojují fosfátovou skupinu na specifické serinové, threoninové èi tyrozinové aminokyselinové zbytky proteinu, èímž se zvýšuje citlivost vaniloidního receptoru s následnou potenciací vyvolané membránové odpovìdi. Napøíklad serinovému zbytku na pozici 502 byla prokázána klíèová úloha pøi fosforylaci vaniloidního receptoru proteinkinázou C (Numazaki et al., 2002), cAMP-závislou proteinkinázou (PKA) i kalmodulin-závislou proteinkinázou II (CaMKII) (Bhave et al., 2002; Bhave et al., 2003; Mohapatra a Nau, 2003; Mohapatra et al., 2003). Naproti tomu defosforylace fosfatázou 2B (kalcineurinem) je zodpovìdná za desenzitizaci vaniloidního receptoru, pøi níž se v pøítomnosti agonisty rychle ztrácí aktivita receptoru následkem jeho konformaèní zmìny (Mohapatra a Nau, 2005). Oblast póru TRPV1 receptoru Oblast póru vaniloidního receptoru je tvoøena ètyømi S5-P-S6 proteinovými úseky jednotlivých podjednotek. Pátá a šestá transmembránová doména tvoøí vnìjší a vnitøní helix póru. Negativnì nabitý aminokyselinový zbytek aspartát 646 spoleènì s glutamáty E648 a E651 vytváøejí na vnìjší èásti vestibulu póru tetramerního TRPV1 kanálu negativní prstenec koordinující propustnost a prùchod kladnì nabitých iontù (Ferrer-Montiel et al., 2004; Garcia-Martinez et al., 2000). Všechny studie týkající se struktury pórové oblasti TRPV1 dokládají, že tato funkènì kritická doména receptoru je evoluènì velmi blízká napìśovì závislým draslíkovým kanálùm, u jejichž zástupce, bakteriálního KcsA kanálu, je známa krystalografická struktura (Doyle et al., 1998). Dùležité aminokyselinové zbytky, mimo jiné i konzervovaná sekvence TIGMG (threonin, izoleucin, glycin, methionin, glycin), jsou u TRPV1 receptoru soustøedìny v oblasti hydrofobní klièky (P-loop). Není pochyb o podobnosti této sekvence s aminokyselinovým úsekem TXGYG, jenž má prokazatelnì úlohu selektivního filtru u Shaker-like K+ kanálu. C-koncová doména TRPV1 receptoru Dùležitou funkèní doménou vaniloidního receptoru TRPV1 je cytoplazmaticky orientovaný C-konec (obr. 1). Tato 154aminokyselinová sekvence se podílí nejen na tetramerizaci receptorù a tím vytváøení iontových kanálù, ale úèastní se také významných mechanizmù, jakými jsou procesy aktivace/deaktivace, senzitizace/desenzitizace a modulace citlivosti kanálu na tepelné podnìty. Zkrácení této èásti o 31 aminokyselin významnì snižuje práh pro teplotní aktivaci, a chybí-li receptoru necelá polovina C-konce, klesá jeho citlivost na kapsaicin, pH a zmìny membránového potenciálu (Vlachová et al., 2003). Hlavním mechanizmem senzitizace proudových odpovìdí vyvolaných na primárních nociceptorech bolestivým teplem èi kapsaicinem v pøítomnosti nìkterých mediátorù zánìtu (bradykinin, serotonin, prostaglandin) je fosforylace vaniloidního receptoru. C-terminální doména TRPV1 receptoru je velmi bohatá na potenciální fosforylaèní místa, jejichž pøesným urèením se zabývá mnoho vìdeckých týmù. Mezi zatím po141
Pøehledné èlánky
Bylo prokázáno, že citlivost ke kapsaicinu je urèena i pozitivním aminokyselinovým zbytekem argininem 114 na N-konci a negativním zbytekem glutamátem 761 C-konce (Jung et al., 2002). Zdá se, že lipofilní transmembránová oblast S3-S4 se úèastní hydrofobních interakcí s alifatickou èástí molekuly kapsaicinu, kdežto nabité aminokyselinové zbytky lokalizované na terminálách receptoru tvoøí hydrofilní èást vazebné domény.
Pøehledné èlánky
E478 E563
M646
D601
G I T
D600
G
D646 D648
M547
1
3
M550
5
6
vnitøní strana Y511
E761 R114
pH aktivace vazba kapsaicinu PKC fosforylace PKA fosforylace CaMKII fosforylace
T704
Walker motiv (777–820) vazba ATP E761 vazba PIP2 726–740 vazba kapsalicinu S774 S800
S820 -COOH
E684–R721 asociaèní doména
767–801 vazba kalmodulinu
Obr. 1: Molekulární struktura vaniloidního receptoru TRPV1. Typická transmembránová topologie je charakterizována šesti segmenty (S1-S6) s jednou kratší hydrofobní klièkou spojující oblast S5 a S6 (P-loop). Vyznaèeny jsou oblasti a aminokyselinové zbytky, jejichž úloha v aktivaci a modulaci TRPV1 receptoru byla dosud popsána. Oblast selektivního filtru (TIGMG). Hydrofilní N-konec receptoru obsahuje tøi ankyrinové domény (fialové elipsy) a arginin na pozici 114 podílející se na vazbì kapsaicinu. C-konec obsahuje dùležitá fosforylaèní místa pro proteinkinázy, vazebné domény pro kalmodulin, fosfatidylinozitol-4,5-bisfosfát (PIP2) a ATP (adenozintrifosfát) a asociaèní doménu.
znaná patøí serin 800 a threonin 704, která jsou fosforylována proteinkinázou C (PKC) (Numazaki et al., 2002), seriny 774 a 820, jež pøedstavují fosforylaèní místa pro cAMP-závislou proteinkinázu (PKA) (Mohapatra a Nau, 2003), a threonin 704, který je fosforylován kalmodulin-závislou kinázou II (CaMKII) (Jung et al., 2004). Kromì fosforylaèních míst obsahuje C-konec nìkolik dalších funkènì dùležitých oblastí. Pøíkladem mohou být vazebná doména pro fosfatidylinozitol4,5-bisfosfát (777–820) mající inhibièní charakter (Prescott a Julius, 2003), vazebná doména pro adenozintrifosfát (ATP) (726–740) (Kwak et al., 2000), vazebná oblast pro kalmodulin (E767–T801), která hraje roli v desenzitizaci závislé na pøítomnosti vápenatých iontù (Numazaki et al., 2003) a tzv. TRP box, asociaèní doména zodpovìdná za tetramerizaci receptoru (684–721) (Garcia-Sanz et al., 2004). N-konec i C terminála se úèastní vazby receptoru s proteiny cytoskeletu (Goswami et al., 2004). 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 vaniloidního receptoru TRPV1 prokazují, že tento iontový kanál je molekulární strukturou, jejímž prostøednictvím senzorické neurony rozpoznávají podnìty ohrožující organizmus a jež se za patofyziologických podmínek podílí na vzniku chronické bolesti. Pøestože zatím zùstává nezodpovìzeno mnoho otázek týkajících se skuteèného fyziologického významu TRP receptorù v pøenosu bolestivých podnìtù na primárních senzorických neuronech, 142
poznání bunìèných a molekulárních mechanizmù aktivace této specifické tøídy iontových kanálù smìøuje k hlubšímu porozumìní mechanizmùm chronických bolestivých stavù a cílenému hledání prostøedkù pro jejich léèení. Práce byla podpoøena Grantovou agenturou Èeské republiky (grant è. 305/03/0802), Grantem Ministerstva školství, mládeže a tìlovýchovy (1M0002375201 a LC 554) a Výzkumným projektem AV ÈR (AVOZ 50110509). Literatura Bhave G, Hu HJ, Glauner KS, Zhu W, Wang H, Brasier DJ, Oxford GS, Gereau RWt. Protein kinase C phosphorylation sensitizes but does not activate the capsaicin receptor transient receptor potential vanilloid 1 (TRPV1). Proc Natl Acad Sci U S A 2003;100:12480–12485. Bhave G, Zhu W, Wang H, Brasier DJ, Oxford GS, Gereau RWt. cAMP-dependent protein kinase regulates desensitization of the capsaicin receptor (VR1) by direct phosphorylation. Neuron 2002;35:721–731. Caterina MJ, Julius D. The vanilloid receptor: a molecular gateway to the pain pathway. Annu Rev Neurosci 2001;24:487–517. 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. 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.
BOLEST 3/2005
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 architecture of the vanilloid receptor. Insights for drug design. Eur J Biochem 2004;271:1820–1826. Garcia-Martinez C, Morenilla-Palao C, Planells-Cases R, Merino JM, Ferrer-Montiel A. Identification of an aspartic residue in the P-loop of the vanilloid receptor that modulates pore properties. J Biol Chem 2000;275:32552–32558. Garcia-Sanz N, Fernandez-Carvajal A, Morenilla-Palao C, Planells-Cases R, Fajardo-Sanchez E, Fernandez-Ballester G, Ferrer-Montiel A. Identification of a tetramerization domain in the C terminus of the vanilloid receptor. J Neurosci 2004;24:5307–5314. Gavva NR, Klionsky L, Qu Y, Shi L, Tamir R, Edenson S, Zhang TJ, Viswanadhan VN, Toth A, Pearce LV, Vanderah TW, Porreca F, Blumberg PM, Lile J, Sun Y, Wild K, Louis JC, Treanor JJ. Molecular determinants of vanilloid sensitivity in TRPV1. J Biol Chem 2004;279:20283–20295. Goswami C, Dreger M, Jahnel R, Bogen O, Gillen C, Hucho F. Identification and characterization of a Ca2+ -sensitive interaction of the vanilloid receptor TRPV1 with tubulin. J Neurochem 2004;91:1092–1103. Hwang SW, Cho H, Kwak J, Lee SY, Kang CJ, Jung J, Cho S, Min KH, Suh YG, Kim D, Oh U. Direct activation of capsaicin receptors by products of lipoxygenases: endogenous capsaicin-like substances. Proc Natl Acad Sci U S A 2000;97:6155–6160. Chou MZ, Mtui T, Gao YD, Kohler M, Middleton RE. Resiniferatoxin binds to the capsaicin receptor (TRPV1) near the extracellular side of the S4 transmembrane domain. Biochemistry 2004;43:2501–2511. Jahnel R, Dreger M, Gillen C, Bender O, Kurreck J, Hucho F. Biochemical characterization of the vanilloid receptor 1 expressed in a dorsal root ganglia derived cell line. Eur J Biochem 2001;268:5489–5496. Jordt SE, Julius D. Molecular basis for species-specific sensitivity to „hot“ chili peppers. Cell 2002;108:421–430. Jordt SE, Tominaga M, Julius D. Acid potentiation of the capsaicin receptor determined by a key extracellular site. Proc Natl Acad Sci U S A 2000;97:8134–8139.
Mohapatra DP, Nau C. Regulation of Ca2+-dependent desensitization in the vanilloid receptor TRPV1 by calcineurin and cAMP-dependent protein kinase. J Biol Chem 2005;280:13424–13432. Mohapatra DP, Wang SY, Wang GK, Nau C. A tyrosine residue in TM6 of the Vanilloid Receptor TRPV1 involved in desensitization and calcium permeability of capsaicin-activated currents. Mol Cell Neurosci 2003;23:314–324. Montell C. The TRP superfamily of cation channels. Sci STKE 2005;2005: re3. Numazaki M, Tominaga T, Takeuchi K, Murayama N, Toyooka H, Tominaga M. Structural determinant of TRPV1 desensitization interacts with calmodulin. Proc Natl Acad Sci U S A 2003;100:8002–8006. Numazaki M, Tominaga T, Toyooka H, Tominaga M. Direct phosphorylation of capsaicin receptor VR1 by protein kinase Cepsilon and identification of two target serine residues. J Biol Chem 2002;277:13375–13378. Premkumar LS, Qi ZH, Van Buren J, Raisinghani M. Enhancement of potency and efficacy of NADA by PKC-mediated phosphorylation of vanilloid receptor. J Neurophysiol 2004;91:1442–1449. Prescott ED, Julius D. A modular PIP2 binding site as a determinant of capsaicin receptor sensitivity. Science 2003;300:1284–1288. 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. Szallasi A, Blumberg PM. Vanilloid (Capsaicin) receptors and mechanisms. Pharmacol Rev 1999;51:159–212. Tominaga M, Caterina MJ, Malmberg AB, Rosen TA, Gilbert H, Skinner K, Raumann BE, Basbaum AI, Julius D. The cloned capsaicin receptor integrates multiple pain-producing stimuli. Neuron 1998;21:531–543. Vlachova V, Susankova K, Lyfenko A, Kuffler DP, Vyklicky L. Kapsaicinový receptor – specifický iontový kanál pro detekci bolestivých podnìtù. Psychiatrie 2002;6:6–13. 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, Lyfenko A, Kuffler DP, Vlachová VV. Vanilloid receptor TRPV1 is not activated by vanilloids applied intracellularly. Neuroreport 2003;14:1061–1065. Vyklický L, Vlachová V, Lyfenko A. Molekulární pøístupy ke studiu periferních mechanizmù nocicepce. Bolest 2001:16–23.
Julius D, Basbaum AI. Molecular mechanisms of nociception. Nature 2001;413:203–210.
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.
Jung J, Lee SY, Hwang SW, Cho H, Shin J, Kang YS, Kim S, Oh U. Agonist recognition sites in the cytosolic tails of vanilloid receptor 1. J Biol Chem 2002;277:44448–44454.
Zygmunt PM, Petersson J, Andersson DA, Chuang H, Sorgard M, Di Marzo V, Julius D, Hogestatt ED. Vanilloid receptors on sensory nerves mediate the vasodilator action of anandamide. Nature 1999;400:452–457.
Jung J, Shin JS, Lee SY, Hwang SW, Koo J, Cho H, Oh U. Phosphorylation of vanilloid receptor 1 by Ca2+/calmodulin-dependent kinase II regulates its vanilloid binding. J Biol Chem 2004;279:7048–7054. Kedei N, Szabo T, Lile JD, Treanor JJ, Olah Z, Iadarola MJ, Blumberg PM. Analysis of the native quaternary structure of vanilloid receptor 1. J Biol Chem 2001;276:28613–28619. Kwak J, Wang MH, Hwang SW, Kim TY, Lee SY, Oh U. Intracellular ATP increases capsaicin-activated channel activity by interacting with nucleotide-binding domains. J Neurosci 2000;20:8298–8304. Mohapatra DP, Nau C. Desensitization of capsaicin-activated currents in the vanilloid receptor TRPV1 is decreased by the cyclic AMP-dependent protein kinase pathway. J Biol Chem 2003;278:50080–50090.
BOLEST 3/2005
RNDr. Viktorie Vlachová, Dr.Sc. Fyziologický ústav AV ÈR Vídeòská 1083 142 20 Praha 4 Tel.: +420 29644 2711 Fax: +420 29644 2488 E-mail:
[email protected] Do redakce došlo: 15. kvìtna 2005 Pøijato k publikaci: 30. èervna 2005 143
Pøehledné èlánky
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.
