Основным средством связи клетки с окружающим миром являются рецепторы — биологические макромолекулы (чаще всего, интегральные белки мембраны), специфически активируемые каким-либо воздействием, которое они передают внутрь клетки с помощью биохимических сигналов. Спектр воздействий, которые рецепторы способны воспринимать, необычайно широк: это и свет [1], и химические сигналы в виде малых молекул или гормонов [2], [3], и температурные ощущения вместе с болевым чувством [4], [5], и вкусовые нюансы [6], и многое другое.

Благодаря рецепторам новорожденные с молоком матери получают свою порцию антител [7], участники фуршета ощущают искристое действие коктейлей [8], а некоторые личности чересчур резко реагируют на запахи, оставляющие других равнодушными [9]. А иногда рецепторы играют совершенно неожиданные роли: например, рецепторы горечи в легких расширяют просвет бронхов, — и не оставляют при этом, к счастью, неприятного послевкусия [10]. Множество болезней является следствием расстройства работы рецепторных систем, — и лекарства, «подправляющие» эти процессы, облегчают жизнь миллионам больных [11].

Одно из важнейших рецепторных семейств — это трансмембранные тирозинкиназные рецепторы, которых в организме человека известно 58, с подразделением на 20 семейств (рис. 1). До настоящего момента считалось общепринятым, что для их активации необходим достаточно крупный лиганд белково-пептидной природы, связывающийся с рецептором одновременно в нескольких местах, вызывая его димеризацию и активацию, выражающуюся в автофосфорилировании внутриклеточной части рецептора [12]. Исключением является семейство рецептора инсулина, члены которого димеризованы «заранее» с помощью дисульфидных мостиков, а их взаимодействие с лигандом только дополнительно сближает мономеры рецептора, что и приводит к его активации. Это семейство включает в себя рецепторы инсулина и инсулиноподобного фактора роста, а также рецептор, подобный инсулиновому (в молекулярной биологии очень часто встречаются такие достаточно несуразные названия), который ранее считался «бесхозным» (то есть, его природный лиганд не был известен). Этот рецептор (обозначается IRR — от Insulin receptor-related receptor) был открыт и клонирован в 1989 году, и с тех пор многие лаборатории и биофармацевтические компании мира безуспешно пытались определить его биологическую функцию и найти природный лиганд-активатор.

В недавно завершенном исследовании коллективу российских ученых совместно с коллегами из Франции и Италии под руководством доктора хим. наук Александра Петренко удалось найти активатор IRR и доказать, что этот рецептор является сенсором слабощелочной среды [13], регулирующим удаление избыточной щелочи из организма. Такое защелачивание внутренних сред организма, называемое алкалозом, может происходить как при особых диетах (в частности вегетарианской), так и вследствие инфекционных и соматических заболеваний, а также нарушения дыхания. Некомпенсированный патологический алкалоз представляет непосредственную угрозу жизни. Проведенные исследования показали, что IRR является рН-зависимым регулятором физиологической компенсации алкалоза и важным, ранее не описанным компонентом системы поддержания кислотно-щелочного равновесия в организме.

В ключевых экспериментах, проведенных в Лаборатории клеточной биологии рецепторов Института биоорганической химии РАН кандидатом физ.-мат. наук Игорем Деевым, было показано, что активация IRR гидроксил-ионами имеет все характерные признаки лиганд-рецепторного взаимодействия:

1. Активация IRR щелочным рН специфична, так как ближайшие гомологи — рецепторы инсулина и инсулиноподобного фактора роста, а также рецептор эпидермального фактора роста — не реагируют на изменение рН. IRR, в свою очередь, не активируется лигандами родственных рецепторов.
2. Активация IRR гидроксилами дозозависима, с выраженной положительной кооперативностью, — видимо, в ответ на взаимодействие с ионами OH⁻, в молекуле рецептора происходят существенные конформационные изменения.

Эксперименты, проведенные совместно с коллективом сотрудников Института Цитологии РАН (рук. академик Никольский), показали, что фосфорилирование IRR запускает внутриклеточный сигнальный каскад, сходный с клеточным ответом на инсулин (рис. 2). Сотрудниками лаборатории моделирования биомолекулярных систем ИБХ (рук. профессор Ефремов) были вычислены основные домены внеклеточной части рецептора, отвечающие за его активацию.

Для доказательства физиологической роли IRR в лабораторном питомнике животных Филиала ИБХ в Пущино была получена линия мышей с нокаутированным («отключенным») геном IRR [15]. Совместные эксперименты сотрудников лаборатории биологических испытаний ИБХ с коллегами из Франции и Италии, проведенные на «нокаутных» мышах, показали, что у них отсутствует нормальный компенсационный ответ на экспериментально-индуцированный алкалоз, выраженный в недостаточном удалении избыточного бикарбоната почками.

Важно отметить, что IRR активируется при рН более 7,9. В современной физиологии такая величина считается за гранью физиологических значений гомеостаза, однако истинные кислотно-щелочные параметры многих жидкостей в организме остаются мало изученными. Интересно, что в отличие от гомологичных рецепторов инсулина и инсулиноподобного фактора роста, присутствующих практически во всех органах и тканях, экспрессия IRR ограничена почками, желудком и поджелудочной железой. Именно в этих органах происходит активная секреция оснований в виде бикарбоната, а омывающие их жидкости могут иметь существенно щелочную реакцию.

На данный момент IRR представляет собой уникальный пример в области фармакологии и физиологии, так как до этого не было известно рецепторных сенсоров щелочного рН (однако известны мембранные каналы, чувствительные к щелочному или кислому рН). Идентификация IRR в качестве щелочного сенсора, по всей видимости, приведет к пересмотру многих общепринятых взглядов на регуляцию кислотно-щелочного равновесия в организме.

По материалам официального пресс-релиза ИБХ РАН.

Литература

1. Зрительный родопсин — рецептор, реагирующий на свет;
2. Новый рубеж: получена пространственная структура β2-адренорецептора;
3. Структуры рецепторов GPCR «в копилку»;
4. «Мятный холодок»: почему ментол создаёт ощущение прохлады во рту;
5. Жгучий перец облегчит боль;
6. В основе вкуса газировки;
7. Чем новорожденные обязаны рецептору CCR10;
8. Действие алкоголя на мозг: найден сайт связывания молекул спиртов;
9. Загадка мужественного запаха;
10. Запах горького ветра;
11. Драг-дизайн: как в современном мире создаются новые лекарства;
12. Joseph Schlessinger. (2000). Cell Signaling by Receptor Tyrosine Kinases. Cell. 103, 211-225;
13. Igor E. Deyev, Fabien Sohet, Konstantin P. Vassilenko, Oxana V. Serova, Nadezhda V. Popova, et. al.. (2011). Insulin Receptor-Related Receptor as an Extracellular Alkali Sensor. Cell Metabolism. 13, 679-689;
14. Mark A. Lemmon, Joseph Schlessinger. (2010). Cell Signaling by Receptor Tyrosine Kinases. Cell. 141, 1117-1134;
15. Нобелевскую премию по физиологии или медицине вручили за технологию нокаутирования мышей.