Трансдукция температурного сигнала. TRP ионные каналы презентация

Dorsal horn
Ventral horn
Efferent (motor)
Low-threshold mechanoreceptor
Afferent (sensory )
Temperature and pain receptors
Proprioceptors
Epidermis
Spinal cord and dorsal root ganglion
Skin
Dermis
Pacinial corpuscle
Meissner’s corpuscle
Merkel cells
Free nerve endings
Hair-root plexus
Hair follicle
Ruffin’s endinds
Skeletal muscle
Efferent fibres
Afferent fibres
Позвоночные воспринимают внешний температурный стимул через сенсорные нейроны тригеминального и заднекорешковых ганглиев.

Терморецепторы – немиелинизированные, неинкапсулированные свободные терминали аксона, содержащие многочисленные митохондрии.
Hensel, 1973

Повышение температуры
Внутренняя поверхность мембраны
Диффузия
K+/Na+ насос
Понижение температуры

Мембрана быстро заморожена до температуры жидкого азота и вскрыта сколом. Плоскость скола проходит через середину липидного бислоя. Показано, как белки погружены в мембрану, а также положение углеводных цепей, проецирующихся с наружной поверхности (“string of sausages”).
Ионные каналы встроены в мембрану

TRP (Transient Receptor Potential) каналы, как и другие ионные каналы, служат для осуществления реакции клетки на различные внешние стимулы путем усиления или ослабления проницаемости для определенных ионов, в результате чего изменяется разность потенциалов между внешней и внутренней сторонами мембраны.
Ионные каналы участвуют во многих процессах, требующих быстрых изменений в клетке.
Возбуждение нервных клеток
Сокращение сердечной, скелетной и гладкой мускулатуры
Эпителиальный транспорт
Активация иммунных Т-клеток
Выделение инсулина β-клетками поджелудочной железы и т. д.

TRPС (canonical) TRPP (polycystin)
TRPV (vanilloid) TRPML (mucolipin)
TRPM (melastatin) TRPA (ankyrin transmembrane protein)
Селективные для Са2+ Селективные для К+
Неселективные катионные Селективные для Na+
TRP каналы подразделяются на несколько классов:
TRP каналы различны по типу ионов, для которых проницаемы:

TRP каналы различны по способу их активации
Напряжение
Концентрация внутриклеточного Са2+, Температура,
рН,
Осмолярность,
Механический стимул,
Некоторые TRP каналы открыты постоянно.

Fig. 1
Diagram portraying 3 different molecular roles of TRP channels in the digestive system: (1) TRP channels as molecular sensors (detectors or primary transducers) of chemical and physical stimuli, (2) TRP channels as secondary transducers (downstream transducers or effectors) of cell activation induced by G protein-coupled receptors or ion channel receptors, and (3) TRP channels as Ca2+ or Mg2+ transport channels.
Первичный молекулярный сенсор
Вторичный сенсор
Транспорт ионов
Сенсорные TRP каналы подразделяются на три класса.
Каналы, являющиеся рецепторами, которые могут активироваться сенсорным стимулом,
Каналы, которые активируются сенсорными стимулами не прямо, а через G-белки.
Каналы, которые открыты постоянно и служат для транспорта ионов.

Сигнальная система G-белка в мембране клетки
Скорость движения G-белка в мембране 0.1 - 0.001 мкм/сек.

Термочувствительные TRP ионные каналы
– молекулярная основа терморецепции.

Термочувствительные TRP ионные каналы
Шесть идентифицированных термочувствительных TRР каналов характеризуются необычно высокой температурной чувствительностью (Q10>10-20).
Все вместе эти каналы охватывают широкий диапазон температур, воспринимаемый большинством млекопитающих.

Мята, ментол – TRPM8
Жгучий перец - TRPV1
Камфора - TRPV3
Чеснок, горчичное масло - TRPA1
Имбирь, корица – TRPA1

Термочувствительный TRP- канал, образует пору между 5 и 6 доменом
Температура модулирует работу многих ионных каналов. Термочувствительные TRP ионные каналы могут активироваться непосредственно температурой через конформационные изменения молекулы с высоким Q10.
Открытие и закрытие каналов могут происходить с разным Q10.
анкирины

Образование ионного канала

Встраивание ионных каналов в мембрану клетки

Анандомин
горчичное масло
эвкалипт
Природные агонисты термочувствительных TRP ионных каналов

Имеет температурный порог активации 28°С с увеличивающимся током вплоть до 8°С.
Преимущественно Са2+ канал.
Биофизические свойства клеток, экспрессирующих TRPM8, сходны с таковыми у холодо-чувствительных сенсорных нейронов.
У мышей с дефицитом TRPM8 изменена чувствительность к холоду.
Холодовой рецептор

TRPM8 активируется ментолом, эвкалиптом, ицилином.
TRPM8 угнетается капсазепином, снижением рН
Мята
Терпеновый спирт

Структура TRPM8

TRPM8 экспрессируется на нейронах заднекорешковых ганглиев у 15% сенсорных нейронов малого диаметра, что сходно с % ментол- и холод-чувствительных нейронов.
Клетки, экспрессирующие TRPM8, не экспрессируют TRPV1.
TRPM8 не экспрессируется на пептидсодержащих афферентах, относящихся к ноцицепторам.
Dhaka et al., 2008; Kobayashi et al., 2009

McKemy et al., 2002
Холод и ментол имеют сходный механизм действия, через активацию Са(2+) канала TRPM8, изменяя внутриклеточную концентрацию Ca2+ в сенсорном нейроне.

Single channel recordings of TRPM8 channels

Активация TRPM8 требует присутствия PIP2
PIP2 – phosphatidylinositol-4,5biphosphate
Liu, Qin, 2005
PIP2
PIP2

Активация рецептора ведет через G-белок связывающую систему к активации Са(2+)-зависимой фосфолипазы С (или протеинкиназы С), которая расщепляет PIP2 (фосфотидил-инозитол-бифосфат).
Liu, Qin, 2005
PIP2

TRPА1 активируется холодом при более низкой температуре <17°С. Возможно, является сенсором холодового повреждения.
Неселективный катионный канал, не чувствителен к ментолу.
Кроме температуры активируется горчичным маслом, имбирным маслом, корицей, гвоздичным маслом, слезоточивым газом, чесноком.
Чувствителен к брадикинину, по-видимому, обусловливает гиперчувствительность к холоду, участвует в воспалении.
Холодочувствительный ионный канал
TRPА1 экспрессируется на сенсорных нейронах, которые не экспрессируют TRPM8, но экспрессируют CGRP, SP (маркеры ноцицепторов)
TRPА1, экспрессируется также на нейронах, содержащих TRPV1.
Воспаление и повреждение нерва увеличивает экспрессию TRPA1, возможно за счет действия NGF (фактора роста нервов), что может приводить к гипералгезии к холоду (нейропатические боли).
TRPА1 может быть активирован через фосфолипазу С.

Figure 2.Topology diagram of functional domains of TRPA1. Topology diagram of TRPA1, highlighting domains implicated in thermosensation and electrophile-reactive cysteines (yellow circles).
(A) Pre-AR N-terminal domain (blue) is suspected to suppress heat activation of dTRPA (A). 83
(B)AR 3-8 (pink) contribute to heat activation of rattlesnake TRPA1 15;AR6 is specifically important for heat sensitivity in mouse and fly TRPA1. 16
(C) AR 10-15 (dark red) from both rattlesnake and fly TRPA1 is a portable heat sensitive module.15
(D) Only fly TRPA1 isoforms with TRP ankyrin cap (red) are activated in response to heat.91
(E) G878 in S5 (light orange) is necessary for cold activation of rat TRPA1. 119
(F) Point mutation of R1073 or N1066 and I1067 in PH (orange) eliminate heat activation of fly TRPA1.137
(G) Point mutation of L1105 and I1106 in S6 (orange red) abolish heat sensitivity of fly TRPA1. 137 216 Volume 2 Issue 2 Temperature Downloaded by [84.237
TRPA1 имеет участки чувствительные к теплу и холоду

Cold sensitive
Warm sensitive
TRPA1

The divergent thermal sensitivity of TRPA1 channels. TRPA1 is heat-sensitive in invertebrate and ancestral vertebrate (e.g., rattle snake), cold-sensitive in rodents (e.g., rat) and temperature-insensitive in primates (e.g., human). A Glycine (G) residue is critical for cold-activation of rodent TRPA1, whereas an equivalent Valine (V) residue is preserved in other species.

Активируется температурой >42°С.
Известен, как ваниллоидный рецептор.
Высоко чувствителен к температуре, Q10>20.6.
Неселективный катионный канал, проницаем для ионов Са2+ и Na+.
У TRPV1-дефицитных мышей изменен порог теплового ответа.
Ответственен за гипералгезию при воспалении
Теплочувствительный канал
Экспрессируется на С- и Аδ-волокнах пептидэргических сенсорных нейронах, а также в мозге, включая спинной мозг, в коже, мочевом пузыре, языке.
Не соэкспрессируется с TRPM8, но соэкспрессируется с TRPA1.
Локализация

TRPM8
ментол
TRPA1
горчица, корица
TRPV1
жгучий перец

Активируется: капсаицином, низким рН (в противоположность TRPM8).
Сенситизируется также факторами, участвующими в воспалении:
NGF (фактор роста нервов), вызывает температурную гипералгезию, увеличивает уровень TRPV1 в коже в 25 раз, но не в мозге),
брадикинином (температурная гипералгезя),
липидами (температурная гипералгезия),
простагландинами,
АТФ,
протеинкиназой С.
Угнетается – капсазепином и рутением красным.
Десенситизируется - протеинкиназой А, АТФ, кальмодулином

Лидокаин блокирует боль и тактильную чувствительность через закрытие натриевых каналов.
Если активировать TRP каналы капсаицином, то последующее введение лидокаина будет избирательно блокировать только каналы, расположенные в болевых нейронах и не будет блокировать тактильную чувствительность.
Капсаицин, который в изобилии содержится в стручках перца Чили открывает ионные каналы TRPV1

Участие TRPV1 в температурной гипералгезии
У мышей с дефицитом TRPV1 наблюдается уменьшение температурной гипералгезии при воспалении.
Медиаторы воспаления могут повышать чувствительность TRPV1, прямо или косвенно действуя на эти каналы. Один из механизмов – разрушение PIP2 с помощью PLC.
Р

реагирует на температуру >52°С
не активируется капсаицином и низкой рН активируется NGF (у мышей)
блокируется рутением красным
Теплочувствительный канал
Локализация
Обнаружен в Аδ-волокнах сенсорных нейронов заднекорешковых ганглиев (в тех нейронах, где не экспрессируется TRPV1), а также в нейронах мозга, включая спинной мозг, и в селезенке.

Реагирует при температуре 31-39°С.
Кроме температуры активируется камфорой.
Обнаруживает сильную сенситизацию при повторяющихся тепловых стимулах, увеличивая ответ.
Теплочувствительный канал
Локализация
Высокий уровень экспрессии на нейронах заднекорешковых ганглиев и сенсорных волокнах кожи.
Экспрессируется также на кератиноцитах, которые, модулируя уровень Са2+ или активируя сигнальные факторы, такие как АТФ, способны возбуждать сенсорные терминали.
Наблюдается соэкспрессия с TRPV1.

Активируется при 27-34°С. В диапазоне до 42°С обогрев вызывает увеличение тока.
Кроме температуры активируется анандомином (метаболит арахидоновой кислоты)
Блокируется рутением красным
В отличие от TRPV3 десенситизируется при повторяющихся тепловых стимулах.
Теплочувствительный канал
Локализация
TRPV4 экспрессируется на нейронах преоптической области гипоталамуса, а также на сенсорных волокнах и нейронах заднекорешковых ганглиев, эндотелии и кератиноцитах.
Возможен вклад в вазодилятацию при обогреве.

Известно, что существуют 2 типа терморецепторов – холодовые и тепловые.
Детектор температуры встроен в структуру ионного канала.

В 2003 году Нобелевская премия по химии была присуждена американскому учёному Родерику Маккиннону (Roderick McKinnon) за открытие структуры ионного канала. В 1998 году ему удалось кристаллографическими методами получить трёхмерную молекулярную структуру калиевого канала бактерии Streptomyces lividans.
Этот белок состоит из 4 субъединиц, имеющих α-спиральное строение. Через полость в центре и переносится катион калия.

Созвездие компонентов холодочувствительного нейрона

С открытием TRP каналов стало возможным понимание молекулярной основы термочувствительности и ее кодирования.
Понимание, физиологического значения этих каналов в температурных ощущениях и их регуляторное значение в поддержании температурного гомеостаза организма приобретает важное значение .

Влияет ли агонист ионного канала TRPM8 ментол на активность и количество функционирующих холодовых афферентов?

А = f (T°, dT°/dt) * N (ρ, S)
Т° - temperature
dT°/dt - rate of temperature changes
ρ - frequency of thermoreceptors distribution
S – area of stimulation
Козырева Т.В. 2006
Поток афферентной информации от периферических терморецепторов
Козырева, 1986
Kozyreva, 2006

Schafer, Braun, Isenberg, 1986
Влияние ментола на импульсную активность холодового рецептора кожи

Влияние 1% ментола на количество холодовых точек у человека
Влияние охлаждения на количество холодовых точек у человека
Холод
Агонист TRPM8
Козырева, Ткаченко, 2008
Козырева, Якименко, 1978

*
Синонимичная замена гуанина (G119662G) на цитозин (G119662С) в 6 экзоне гена, кодирующего ионный канал TRPM8, сопровождается повышением количества функционирующих холодовых рецепторов кожи у человека.
Полиморфизм rs11562975 гена холодочувствительного ионного канала TRPM8 обусловливает повышение чувствительности человека к холоду
Чем больше количество функционирующих холодовых рецепторов, тем более высокая температура среды воспринимается человеком, как «холодно»
G119662G G119662С
Козырева, Ткаченко, Абрамова, Ромащенко, Воевода, 2011, 2014

Группа G119662C реагирует снижением минутного объема дыхания (МОД) на ментол и охлаждение, тогда как группа G119662G снижает МОД только при сочетанном воздействии холода и ментола
*
*
Минутный объем дыхания

Экспрессия генов разных TRP ионных каналов в структурах мозга в норме и при длительной адаптации организма к холоду

<17°C <25°C 35-39°C >39°C
Адаптация к холоду снижает экспрессию гена ионного канала TRPV3 в гипоталамусе.
Изменение экспрессии генов термочувствительных TRP- каналов может лежать в основе молекулярных механизмов изменений импульсной активности термочувствительных нейронов гипоталамуса, наблюдаемых при адаптации к холоду.
Kozyreva, 2007
Voronova, Tuzghikova, Kozyreva, in press
35-38º
38-41º
35-41º

Каково влияние активации холодочувствительного ионного канала TRPM8 в коже на терморегуляторные и иммунные показатели?

В термонейтральных условиях активация ионного канала TRPM8 приводит к повышению потребления кислорода и снижению дыхательного коэффициента, последнее свидетельствует об усилении жирового обмена
*
Дыхательный коэффициент – СО2 выдыхаемого воздуха / потребленный О2

Активация ионного канала TRPM8 ментолом изменяет параметры иммунного ответа в термонейтральных условиях.

Активация ионного канала TRPM8 ментолом в термонейтральных условиях, как и холод, увеличивает уровень IL-6 и L-1β в крови.

Под влиянием холода у гипертензивных животных не увеличивается концентрация провоспалительных цитокинов в крови, тогда как у нормортензивных это четко прослеживается

У гипертензивных животных изменена экспрессия генов термочувствительных каналов в гипоталамусе и селезенке, что может являться молекулярной основой чувствительности к температурным нагрузкам и активации периферического ионного канала TRPM8 при артериальной гипертензии.
Гипоталамус
Селезенка
Нормотензивные Гипертензивные
Нормотензивные Гипертензивные

Активация ионного канала TRPM8 ментолом не приводит к повышению в крови провоспалительных цитокинов у гипертензивных животных, тогда как у нормотензивных это повышение четко прослеживается

Как активация холодо-чувствительного ионного канала TRPM8 влияет на терморегуляторные и иммунные показатели при действии холода на организм?

Активация ионного канала TRPM8 приводит к снижению температурных порогов терморегуляторных реакций и улучшению поддержания глубокой температуры тела при охлаждении.

Активация ионного канала TRPM8 ментолом ослабляет угнетающий эффект глубокого охлаждения на иммунный ответ
Антигенсвязывание
Антителообразование

Каково влияние острого охлаждения и активации холодочувствительного ионного канала TRPM8 в коже на экспрессию генов TRP ионных каналов в гипоталамусе?
Кожа

Итак, активация холодочувствительного ионного каналаTRPМ8 оказывает существенное влияние на регуляцию жирового обмена, терморегуляторных и иммунных показателей

N=-25.9+26.2PCa
r = 0.62
Козырева ,Тихонова, Ткаченко, Синдаровская, 1987
Влияние ионофореза Ca(2+) в кожу на количество холодовых точек у человека
Корреляция между концентрацией Ca(2+) в крови и количеством холодовых точек на предплечье у человека
Козырева, 1983

Длительная адаптация организма к холоду приводит к снижению концентрации Са(2+) в крови и уменьшению количества чувствительных холодовых рецепторов
Козырева ,Тихонова, Ткаченко, Синдаровская, 1987

Прослеживается сходство в изменении параметров иммунного ответа под влиянием активации TRPM8, ионов Са(2+) и охлаждения кожи на 2⁰С.
Глубокое охлаждение приводит к угнетению большей части параметров.
Kozyreva et al. 2013

Агонист TRPV1 (капсаицин) увеличивает импульсную активность теплового рецептора кожи
Capsaicin 10 -7
Kozyreva, Pierau, Neurophysiology, 1999
Агонист TRPV1

Агонист TRPV1 (капсаицин) угнетает импульсную активность холодового рецептора кожи
Kozyreva, Pierau, Neurophysiology, 1999

Под влиянием капсаицина – агониста TRPV1, количество холодовых точек уменьшалось, тогда как количество тепловых точек оставалось неизменным (15-20 min)
Capsaicin 1% in 85% ethanol, 20 minutes
Kozyreva, 2007

Козырева, Ткаченко, Елисеева, Симонова, Козарук, Гонсалес, Ломакина, 2004

Ионные каналы в эволюции
TRP ионные каналы обнаружены у тетрапод, рыб, млекопитающих.

Температура модулирует работу многих ионных каналов.
ТермоTRP- каналы активируются непосредственно температурой с высоким Q10.
Отдельные TRP- каналы чувствительны в определенном диапазоне температур: одни активируются теплом, другие – холодом.
Все вместе эти каналы охватывают весь диапазон воспринимаемых температур.
В настоящее время идет накопление данных о физиологическом значении термочувствительных и других TRP ионных каналов.
Мутации TRР каналов являются причинами многих генетических болезней. В последнее время при разработке новых лекарств ионным каналам, в том числе и TRР каналам, уделяется особенно пристальное внимание.

Kozyreva, 1984,2007
Dependence of the number of cold spots on the skin temperature

Figure 1.Temperature Sensitive (TRP) Ion Channels. (A) The cartoon illustrates the different ion-selectivity and current directionality of temperature-sensitive ion channels that reside in primary afferent sensory neurons detecting warm and cold temperatures, respectively. Modified with permission from
ref. 51. (B) The graphs schematically depict temperature activation curves of warm/hot sensitive ion channels (upper panel) and cold sensitive channels
(lower panel) that are found in primary afferent temperature-sensitive sensory neurons as depicted in (A).

Figure 3
Erika Yamamoto-Kasai, advance online publication
05 April 2012. doi:10.1038/jid.2012.97
Lower nerve response to acetone ether water (AEW) treatment in the skin of ICRTRPV3−/− mice. Frozen sections were prepared from dorsal skin samples obtained from ICRTRPV3+/+ and ICRTRPV3−/− mice and immunostained for mouse protein gene product 9.5 (PGP9.5). Arrows indicate PGP9.5-expressing neurites. Bar=100 μm.

The divergent thermal sensitivity of TRPA1 channels. TRPA1 is heat-sensitive in invertebrate and ancestral vertebrate (e.g., rattle snake), cold-sensitive in rodents (e.g., rat) and temperature-insensitive in primates (e.g., human). A Glycine (G) residue is critical for cold-activation of rodent TRPA1, whereas an equivalent Valine (V) residue is preserved in other species.