Kloridionkanaler og transportører: fra naturens kuriositeter og kilden til menneskelig sykdom til legemiddelmål

dette tilfredsstiller nesten alle tilfeller fra klasserommet til forskningslaboratoriet til vi vurderer kloridkanaler. Vi vet at de eksisterer, er viktige og kan gjøre gode narkotikamål på flere sykdomsområder, men inntil nylig har de forblitt noe stigmatisert og umoderne i terapiens verden. Mangelen på selektive ligander har ikke hjulpet i det hele tatt. Det eneste unntaket til DETTE har VÆRT GABA-en reseptor som er koblet til en egen kloridkanal som åpnes ved binding av den hemmende nevrotransmitteren GABA. Benzodiazepiner har potensert denne reseptoren helt Siden Valium ble tilgjengelig på 1960-tallet, og gir beroligende og antikonvulsive effekter. Dette introduserer et viktig konsept: det er flere genfamilier og forskjellige proteintyper som kan beskrives som kloridkanaler.

Dette er i motsetning til hva vi forstår av kation-selektive ionekanaler hvor det er liten fleksibilitet i proteinstrukturen som kan danne en pore som er selektiv for kalium, natrium eller kalsium; mangfoldet av disse ionkanalene er forårsaket av variasjonene i proteindomenene forskjellig fra porene som påvirker åpnings-lukkeadferd. For å være rettferdig synes det ikke å være mange fysiologiske grunner til at en anionkanal skal utvise kloridselektivitet, da det er liten fysiologisk rolle i membrantransporten av andre halogenider eller små anioner; enhver anionkanal vil som standard være en kloridkanal fra et fysiologisk synspunkt. På den annen side spiller kalium -, natrium-og kalsiummembranstrømmer forskjellige grunnleggende roller, og selektiv membranpermeabilitet for disse kationene er avgjørende for cellulær funksjon og faktisk livet selv.

GABA-a-reseptorer er medlemmer av cys-loop pentameric ligand-gated ion kanal familier, som inkluderer flere typer eksitatoriske og hemmende nevrotransmitter-gated kanaler. CYSTISK fibrose transmembrane regulator (CFTR) protein er en nukleotidregulert kloridkanal. DET er medlem AV DEN mangfoldige ATP-bindende kassett (ABC) transporter familien og er den eneste som ikke ser ut til å transportere noe substrat over en membran, men fungerer som en kloridkanal. CLC-familien av spenningsstyrte kloridkanaler oppstår fra en annen distinkt genfamilie og har en generell struktur unik blant membranproteiner. Denne familien av proteiner har ført til mange overraskelser de siste 30 årene, og medlemmer av denne familien vil bli introdusert her og også hvordan de kan betraktes som narkotikamål.

Andre spennende utviklinger fra kloridkanalfeltet har oppstått etter molekylær identifisering av proteiner som ligger til grunn for kalsiumaktiverte kloridkanaler(ClCa). Funksjonelt har vi kjent om deres fysiologiske roller i noen tid, men nylig molekylær identifikasjon av kanalproteinene har tillatt utvikling av molekylære og farmakologiske verktøy for å sonde og endre deres aktivitet. Denne gjennomgangen fokuserer på det farmakologiske potensialet for å målrette ClCa-kanaler og CLC-proteiner; deres funksjon og subcellulær lokalisering er oppsummert I Figur 1.

Figur 1

en introduksjon til CLC-proteiner

de ni medlemmene av denne proteinfamilien er CLC-1 til 7, CLC-KA og KB. Grunnleggeren medlem, CLC-1, er spenning-gated klorid kanal av skjelettmuskel og vil bli diskutert nedenfor. Mange funksjonelle studier har blitt utført på en homolog med æres tittelen CLC-0, isolert fra Elektroplax elektrisk organ, som gjør at strålen kan stunne sine akvatiske ofre. Rekonstituering AV CLC-0 i lipid bilayers og elektrofysiologiske opptak av strømmer som strømmer gjennom enkelt ionekanaler avslørte en spennende egenskap. Vanligvis, når man registrerer strøm fra en liten lapp av membran som inneholder en enkelt ionkanal, observerer man svingninger mellom to strømamplituder: en representerer den lukkede kanalen og den andre representerer strømmen som strømmer gjennom den åpne kanalen. Svingningene reflekterer overganger mellom åpne og lukkede kinetiske tilstander. MED CLC-0 var det imidlertid tydelig at enkelt ionkanalproteinet besto av to ekvivalente porer som kunne åpne uavhengig1. Denne kanalen ble derfor beskrevet som dobbeltløpet(Figur 2). Det kom derfor ingen stor overraskelse at krystallstrukturer av homologer fra enteriske bakterier viste at proteinkomplekset var en dimer, med hver underenhet som hadde en ionledende pathway2 (Figur 2).

Figur 2

den andre overraskelsen oppstod da detaljerte funksjonelle eksperimenter ble utført PÅ CLC-ec1 Fra E. coli. I stedet for å fungere som en kloridkanal, som sin lange tapte slektning i vertebrate skjelettmuskulatur, ER CLC-ec1 en 2cl – / H+ utvekslingstransportør, eller antiporter, med streng 2:1 utvekslingsstøkiometri3. Dette proteinet er viktig for overlevelse av enteriske bakterier i lav pH4 og vil sannsynligvis utnytte en kloridgradient for å holde cellulær pH på et tolerabelt nivå. Prokaryote CLCs kan derfor være mål for inhibitorer for behandling av patogen E. coli-eller Salmonellainfeksjon4. Oppdagelsen av ionebytteradferd stimulerte naturlig ytterligere anstrengelser for å avgjøre om noe av denne klorid-for-protonutvekslingen eksisterte i pattedyrs Clc – er, forutsatt at Cl – / H + – utveksling kan være den sanne funksjonen til arketypiske Clc-Er, og de som er identifisert som kloridkanaler, kan bare være unntak fra regelen. Dette ser ut til å være tilfelle da det er sterke bevis for AT CLC-3 til CLC-7 fungerer som 2cl – / H+ utvekslingstransportører, hovedsakelig bosatt i intracellulære organeller, MENS CLC-1, CLC-2, KA og KB er sanne plasmamembrankloridledende ionekanaler5-9. Fordi den arketypiske CLC-egenskapen er utvekslingstransport, som finnes over alle former for cellulært liv, kan sistnevnte underklasse av proteiner, bona fide kloridkanaler, derfor betraktes som ‘ødelagte’ kloridtransportører, som har mistet koblingen av kloridtransport til bevegelsen av et andre substration.

CLC-1

denne grunnleggeren AV CLC-familien er den spenningsstyrte kloridkanalen i skjelettmuskulaturen og tjener til å regulere membranpotensialet og repolarisere membranen etter handlingspotensialer for å slappe av muskelen. I de fleste vev forventer vi at kaliumkanaler spiller denne rollen, som de gjør i hjerte – og glatt muskel, samt regulerer membranens spenning i andre celletyper. Det tverrgående rørsystemet er en forlengelse av plasmamembranen (sarcolemma) og trenger inn i det kontraktile vevet. Det er kritisk for rask spredning av elektrisk aktivitet gjennom muskelen og orkestrerer rask og kontrollert sammentrekning. Kaliumutstrømning fra muskelcellene inn i det trange rommet i t-tubulen vil øke den ekstracellulære kaliumkonsentrasjonen og kollapse denne ionegradienten, noe som vil føre til langvarig membrandepolarisering. Med kloridkanaler som spiller den dominerende repolariserende rollen, forhindres dette. Tap av funksjonsmutasjoner i CLC-1 fører til myotoni hos mennesker, geiter og mus (for en nylig gjennomgang see10) og karakteriseres av nedsatt muskelavslapping, i samsvar med tap av en repolariserende membranstrøm.

med uttrykk begrenset til skjelettmuskulatur, KAN CLC-1 være et attraktivt mål for legemidler som kontrollerer muskelkontraksjon ved å øke eller redusere CLC-1-funksjonen og dermed redusere eller øke muskeleksitabiliteten. Forbindelser som øker CLC – 1-funksjonen kan være i stand til å behandle myotoni, spesielt i tilfeller der de kan kompensere for delvis tap av kloridkanalaktivitet. Hemming AV CLC-1 kan redusere terskelen for muskelkontraksjon og kan være nyttig i tilfeller av muskelsvakhet eller degenerative sykdommer som muskeldystrofi.

CLC-2

den innadrettende kloridkanalen, CLC-2, har noe utbredt vevsfordeling. Det finnes i sentrale nevroner der det regulerer nevronaktiviteten11-13. I astrocytter reguleres dets subcellulære målretting mot cellekryss ved en interaksjon Med GlialCAM (MLC1), mutasjoner som forstyrrer denne målrettingen og forårsaker megalencefalisk leukoencefalopati14. Nylige terapeutiske interesser involverer CLC – 2-uttrykk i tarmslimhinner og lungebronkioler hvor det spiller en rolle i henholdsvis tarm-og lungesekresjoner. Lubiprostone, et stoff som brukes klinisk for å lindre forstoppelse, ble foreslått å utøve sin effekt ved å aktivere CLC-2, men denne effekten er kontroversiell. Mens denne forbindelsen aktiverer CLC – 2-kanaler i noen studier, regulerer DEN I andre clc-2-handel og øker CFTR-funksjonen via prostaglandinreseptoraktivering15, 16. Det er imidlertid tilstrekkelig bevis på at økende luftveis CLC-2-funksjon kan gi en alternativ kloridvei ved cystisk fibrose17.

CLC-KA / KB

disse kloridkanalene er spesielt uttrykt i nyreepitel og bidrar til permeabiliteten av cellemembraner til passiv kloridfluks. De har en nøkkelrolle i nevronets stigende lem og distale tubuli, og gir en basolateral rute for kloridreabsorpsjon, etter transport fra primær urin via apikalmembranen. Clckb-genet, som koder FOR CLC-KB, er et av fem gener som ligger til Grunn For Bartters syndrom. Tap-of-funksjon mutasjoner I CLC-KB resultere i defekt klorid reabsorpsjon og så fører til en salt-sløse lidelse, som er forbundet med polyuri. En av hovedtrekkene til individer som påvirkes AV clc-KB-mutasjoner (Bartters TYPE III) er lavt blodtrykk. En mer alvorlig form for sykdommen er forårsaket av mutasjoner I bsnd-genet (Bartters TYPE IV), som koder For Barttin, et tilbehørsprotein som er viktig for handel med BÅDE CLC-KA OG KB til plasmamembranen18. Denne formen for sykdommen inkluderer også sensorisk døvhet, som antas å være forårsaket av tap av menneskehandel AV BÅDE CLC-KA OG KB til epitelmembraner i det indre øret. Formentlig kan tap av ENTEN CLC-KA eller KB-aktivitet, men ikke begge, tolereres av hørselssystemet. Dette antyder at inhibitorer som er selektive for ENTEN CLC-KA ELLER CLC-KB, eller delvis hemming av begge, kan fungere som et nytt sløyfediuretisk middel med potensial til å senke blodtrykket og med få bivirkninger. Dette har ført til studiet av deres farmakologi og utviklingen av nye inhibitorderivater med lav mikromolar slektskap19, som hadde vanndrivende effekter når de ble administrert til rotter20. På den annen side kan legemidler som aktiverer clc-KB-kanaler øke restaktiviteten til defekte kanaler hos Bartters TYPE III-pasienter.

CLC-7

av 2cl–/H+ exchange transporter underklasse, CLC-7 ER et lovende mål for narkotika handling og dens hemming kan være gunstig i osteoporose. Igjen tar denne indikasjonen sin opprinnelse fra observasjoner av menneskelig sykdom forårsaket av tap av funksjon mutasjoner I CLC-7, som forårsaker osteropetrosis21. I denne lidelsen er benremodellering av osteoklaster mangelfull, noe som antas å være forårsaket av defekt syre og enzymutskillelse. Dette fører til tett bein, som hvis det reproduseres AV EN CLC-7-hemmer, kan redusere oppløsningen av bein og dermed styrke skjelettet til osteoporosepatienter22, 23. I proof-of-concept studier, farmakologisk hemming av surgjøring24 eller forstyrrelse AV CLC-7 funksjon av antistoffer25 redusert benresorpsjon. Clc-7-hemming kan imidlertid ikke være uten komplikasjoner fordi studier på mennesker og mus tyder på at mangel PÅ CLC-7-funksjon også kan være forbundet med neuronal lagring og degenerasjonsforstyrrelser på grunn av redusert lysosomal funksjon26.

tap av funksjon humane mutasjoner-leksjoner fra CFTR

det er verdt en kort pause på dette punktet for å vurdere at noen av de terapeutiske indikasjonene for nye CLC-målrettede stoffer tar sikte på å behandle lidelser som er forskjellige og i motsatt ende av spekteret til de som er forårsaket av defekt CLC-funksjon. I tillegg til de som er beskrevet ovenfor, Er Dents I-sykdom En x-bundet nyresykdom som skyldes tap AV CLC – 5-funksjon (se27 for en nylig gjennomgang). Alle er sjeldne arvelige lidelser, og en stor proteindefekt innebærer enten redusert proteinaktivitet eller handel med målmembranen. Faktisk forårsaker mange individuelle mutasjoner er-retensjon og mangel på proteinmodning. En parallell kan gjøres med cystisk fibrose, med de fleste av de berørte individer som har er-beholdt Δ 508-mutasjonen. Nylige og stratifiserte tilnærminger til behandling av cystisk fibrose har vært et resultat av et todelt angrep for å korrigere mutantproteinfolding (CF-korrektorer) og/eller øke aktiviteten til PLASMAMEMBRAN CFTR-kloridkanaler (CF-potensiatorer). Suksess oppstår med potensiatorklassen28, som er effektive hos pasienter med mutasjoner som reduserer CFTR-aktivitet uten tap av proteinbiosyntese ELLER menneskehandel (F.eks. G551D), men effektiviteten av foldingskorrektorer (som kreves i de fleste tilfeller) gjenstår å bli etablert29. Selv om sykdommene forbundet med TAP AV CLC-funksjon er alle sjeldne genetiske lidelser, kan vi en dag være i stand til å behandle personer med myotoni, Bartters syndrom, Dents sykdom og osteopetrose, samt cystisk fibrose med legemidler som korrigerer den faktiske årsaken til deres lidelse.

Kalsiumaktiverte kloridkanaler

til Slutt vil det bli nevnt kalsiumaktiverte kloridkanaler (ClCa), som har klart definerte fysiologiske roller i en rekke celletyper, men deres molekylære identifikasjon led noen få falske og stammede starter. Historien involverer fire typer protein: medlemmer AV CLCA, Bestrophin, Tweety og TMEM16 genfamilier. I alle tilfeller resulterte rekombinant overuttrykk i dannelsen av membrankloridstrømmer som stimuleres ved å øke den intracellulære kalsiumkonsentrasjonen og i varierende grad membrandepolarisering. Reisen FOR CLCA kom til en slutt da det ble funnet at dette var et protein som ble utskilt, men også sannsynligvis oppregulert membranuttrykket Av ClCa-kanaler endogent til uttrykket system30. Tweety og Bestrophin proteiner ikke viser alle egenskapene Til ClCa kanaler studert i store vev, Selv Om Best1 vises ansvarlig for en komponent Av ClCa i sensoriske neurons31 og kan også være en viktig regulator av kalsium utgivelsen fra endoplasmatisk retikulum32, 33. Tre uavhengige studier foreslo TMEM16A (også kalt Ano1) som kandidat for en hovedkomponent, om ikke i sin helhet, for en kalsiumaktivert kloridkanal34-36. Mange etterfølgende studier, tilrettelagt av generering av molekylære verktøy, har støttet dette. TMEM16A er viktig for å regulere membran eksitabilitet i vaskulær glatt muskulatur, er oppregulert i en dyremodell av pulmonal hypertensjon og tone kan reduseres ved kanal hemming37,38. I sensoriske nevroner, TMEM16A par tilstedeværelse av inflammatoriske mediatorer til membran hyperexcitability OG TMEM16A hemming har antinociceptive effekter39. I dyremodeller av astma øker ekspresjonen av denne spesielle kloridkanalen, og dens inhibering kan ha gunstige effekter40. Det er også funnet i interstitiale celler Av Cajal i tarmen og kanalfunksjonen er nødvendig for rytmisk sammentrekning av glatt muskel i tarmveggen41. VIDERE KAN TMEM16A-aktivering gi en alternativ vei for epitelkloridsekresjon ved cystisk fibrose42. Mens det fortsatt er noen debatt rundt den nøyaktige funksjonen til resten av TMEM16-familien, Har ClCa-funksjonen også blitt tilskrevet TMEM16B (Ano2), som antas å ligge til grunn For ClCa-kanalen i olfaktoriske hårceller43, 44. Det kan også være roller for denne klassen av ionekanal i kreftcellebiologi, og dens hemming kan forhindre celleproliferasjon45-48.

Avsluttende bemerkninger

denne gjennomgangen har fremhevet de ulike rollene klorid utfører eller transporterer proteiner og hvordan deres dysfunksjon er koblet til menneskelig lidelse eller sykdomslignende symptomer i dyremodeller. Det er en alvorlig mangel på farmakologiske reagenser som hemmer, aktiverer eller forbedrer membranhandel av kloridkanaler og transportører. Fremgang blir gjort med legemidler som reverserer DEN defekte funksjonen AV CFTR ved cystisk fibrose, noe som forhåpentligvis vil resultere i medisiner som er spesifikke for de forskjellige typer arvelig mutasjon. Inhibitorer og aktivatorer AV TMEM16A kalsiumaktiverte kloridkanaler42, 49 viser nyttige laboratorieverktøy og nye forbindelser kan gjøre effektive stoffer, spesielt hvis de kan levere vevsspesifikke effekter. Molekyler spesifikke for bestemte CLCs er trolig den mest unnvikende. Å forstå det strukturelle grunnlaget FOR spenningsstyrt CLC activation50 kan identifisere proteindomener som kan målrettes ved rasjonell strukturbasert stoffdesign. Slike verktøy vil gjøre det mulig for oss å sette noen av de nye terapeutiske ideene som er gjennomgått og presentert her til testen.

Forfatter Biografi

Dr Jon Lippiat fullførte Sin Doktorgrad på struktur, funksjon og farmakologi av kaliumkanaler ved University Of Leicester. Han studerte bukspyttkjertelbetacellefunksjon og diabetes ved University of Oxford før han ble Utnevnt Som Foreleser I Farmakologi ved University Of Leeds. Hans forskning innebærer å belyse de strukturelle og fysiologiske egenskapene til flere forskjellige typer ionkanal og transportør og deres potensielle målretting av nye farmakologiske reagenser.