Протеин боли

Боль от сильного удара нам позволяют ощущать пьезо-белки, которые открывают ионные каналы в ответ на критическую деформацию мембраны нервной клетки, отвечающей за «мониторинг» внешней среды.

Группе физиологов из Института Скриппса (США) удалось идентифицировать два класса белков, играющих ключевую роль в передаче болевых импульсов. О важном открытии, объясняющем механизм боли на клеточно-молекулярном уровне, сообщается сразу в двух статьях, опубликованных сегодня в Nature.

Расположенные в нашей коже сенсорные рецепторы – специальные образования на концах нервных волокон – транслируют воздействие различных внешних факторов в дифференцированные нервные импульсы, позволяя нам ощущать температуру внешней среды, осязать и чувствовать прикосновения, в том числе опасные для организма и болезненные.

Установлено, что рецепторы реагируют на внешние раздражители посредством специальных транспортных белков, поддерживающих разность потенциалов между внешней и внутренней сторонами клеточной мембраны.

Посредством этих белков, упакованных вокруг клеточной водной поры, или мембранного водного канала (отсюда их другое название – порообразующие протеины, или протеины ионного канала), ионы натрия, кальция, хлора и калия проникают сквозь мембрану, обеспечивая сдвиг мембранного потенциала нервной клетки, которая либо возбуждается, либо находится в состоянии покоя.

Группе из Института Скриппса удалось идентифицировать группу белков, участвующих в формировании нервных импульсов в ответ на специфичный раздражитель – механическое давление. Эти белки получили название пьезо-протеинов (от греч. piezo – давить, сжимать),

и они играют ключевую роль в механизме болевой сигнализации в ответ на внешнее механическое воздействие на рецептор.

В качестве экспериментальной модели, описывающей поведение пьезо-протеинов, были использованы мушки дрозофилы. Далее, исследуя эти белки, обширно представленные в тканях высших млекопитающих, можно будет прояснить их универсальную роль в формировании импульсов в ответ на механическое воздействие на мембраны нервных клеток, позволяющих нам слышать звуки, ощущать изменение кровяного давления и чувствовать боль, в том числе при механических повреждениях внутренних органов, например, инфарктах.

«Уже на протяжении десятилетий исследователи пытаются выделить протеины ионных каналов, реагирующие на механическое давление на мембрану, и эти пьезо-протеины – пока лучшие кандидаты на эту роль.

Теперь необходимо выяснить детали этого механизма и что конкретно в нем нарушается при различных патологиях», – комментирует статьи в Nature профессор отдела клеточной биологии Института Скриппса Ардем Патапутян, чья лаборатория специализируется на исследовании порообразующих мембранных белков.

Образованная пьезо-протеинами водяная пора открывается в ответ на механическое искривление мембраны, достигающее определенного критического порога. Через открытую пору внутрь клетки устремляются ионы кальция, натрия и калия, и электрический потенциал клетки изменяется, запуская каскад реакций, формирующих импульсы, распознаваемые мозгом как прикосновение.

Пьезо-протеины были открыты в лаборатории Патапутяна два года назад: в активно цитируемой с тех пор статье, опубликованной в Sciencе, описывались опыты, демонстрирующие, как в клеточных тканях, подвергаемых механическому давлению и обогащенных этими белками, возрастала концентрация позитивно заряженных ионов. Однако оставалось непонятным, являются ли эти протеины порообразующими, то есть формирующими ионный канал.

Теперь, согласно статьям в Nature, это можно считать доказанным.

Более того – сформированная пьезо-протеинами мембранная пора является, похоже, самым большим по размеру ионным каналом из всех открытых к настоящему моменту, представляя собой белковый тетрамерный комплекс, образованный из четырех разновидностей пьезо-белков и открывающий ионные ворота в ста с лишним локусах клеточной мембраны. Пьезо-протеины демонстрируют также прионоподобные свойства, самособираясь в тетрамерные структуры и формируя ионные каналы на искусственно сконструированных из липидных пленок квази-мембранах, показали авторы статьи «Пьезо-протеины – порообразующие субъединицы механически активированных каналов».

Во второй статье «Роль пьезо-протеинов дрозофиллы в ноцицепции» показана роль этих белковых комплексов в формировании болевых импульсов, сигнализирующих об опасном механическом воздействии на ткани.

Личинки дрозофилы с искусственно нокаутированным геном, отвечающим за экспрессию пьезо-протеинов, демонстрировали избирательную потерю чувствительности к сильным механическим воздействиям,

в то время как на другие раздражители (температурные и слабые механические) чувствительность сохранялась. Такую же невосприимчивость к сильным ударам демонстрировали и взрослые дрозофилы, у которых пьезо-белковая экспрессия избирательно выключалась в некоторых сенсорных рецепторах.

Экспериментальное доказательство роли пьезо-протеинов в формировании специфичных нервных импульсов в ответ на механическое давление – важный шаг в понимании работы нервной системы и физиологического механизма боли. По всей видимости, у животных этот механизм один из древнейших, а потому универсальных – пьезо-протеины присутствуют в различных тканях высших млекопитающих (органах слуха, в сердечной мышце, почках и других органах), и дальнейшее распутывание молекулярного алгоритма боли позволит в результате создать болеутоляющие средства нового поколения.