Представление модели двухэтапного действия альдостерона в главных клетках дистальных канальцев почек на основе технологии gene-net ¹

Логвиненко Н.С., Игнатьева Е.В., Иванова Л.Н.
Институт цитологии и генетики СО РАН, Новосибирск

Компьютерная технология GeneNet, разработанная в ИЦиГ СО РАН, делает возможным накопление и визуализацию данных о молекулярно-генетических механизмах, лежащих в основе регуляции физиологических функций организма [7]. Формат базы GeneNet позволяет накапливать в формализованном виде информацию об основных компонентах генных сетей: объектах (генах, белках, низкомолекулярные веществах, индукторах), взаимодействиях и связях между объектами, а также органах, клетках и клеточных компартментах, где локализованы объекты и в которых реализуются рассматриваемые взаимодействия. Java-вьюер системы GeneNet обеспечивает возможность просмотра всей имеющейся в базе графической и текстовой информации об изображенных на диаграмме объектах и связях между ними. В настоящее время база данных GeneNet содержит информацию по различным разделам [17]. Анализ информации из базы данных GeneNet, а также имеющихся литературных данных позволяет выделить несколько основных типов генных сетей: а) обеспечивающие осуществление циклических процессов, например, клеточного цикла, цикла сокращения сердечной мышцы и т.д.; б) обеспечивающие процессы роста и дифференцировки клеток, морфогенеза тканей и органов, роста и развития организмов (эритропоэз, прорастание семени); в) обеспечивающие гомеостаз биохимических и физиологических параметров организма; г) обеспечивающие реакции организмов на изменение состояния внешней среды, например, тепловой шок, противовирусный ответ. Целью настоящей работы явилось создание на основе технологии GeneNet генной сети нового типа, отражающей механизм действия гормона на клетку-мишень. В качестве модели нами был рассмотрен молекулярный механизм действия альдостерона на Na⁺,K⁺-АТФазу клеток дистальных канальцев почек.

Фермент Na⁺, K⁺ -АТФаза, или натриевый насос, присутствует во всех клетках эукариот. Это мембранный фермент, состоящий из и субъединиц, которые собираются со стехиометрией 1:1, образуя стабильный гетеромер. Этот фермент способен против градиента выводить из клетки 3 иона Na⁺ и вводить 2 иона K⁺> на каждую использованную молекулу АТФ [13]. Он участвует в создании трансмембранного потенциала, в регуляции клеточного объема, Na⁺ -зависимого транспорта протонов и других ионов, сахаров и аминокислот. Активность Na⁺, K⁺ -АТФазы регулируется в различных тканях гормонами и нейротрансмиттерами [4].

Главные клетки кортикальных собирательных канальцев (CCD) почек высших животных являются основной мишенью действия альдостерона, обеспечивая таким образом гормон-зависимую регуляцию реабсорбции натрия.

Альдостерон - ключевой стероидный гормон, регулирующий активность Na⁺, K⁺-АТФазы в главных клетках дистальных канальцев почек.

Реконструкция генной сети

До настоящего времени данные о регуляции активности Na⁺, K⁺-АТФазы в главных клетках CCD были разбросаны по статьям, каждая из которых содержала результаты исследования определенного аспекта или этапа этой регуляции. Для интеграции экспериментальной информации по механизмам действия альдостерона на клетки CCD мы осуществили реконструкцию генной сети с помощью системы GeneNet. Ввод информации в GeneNet осуществляли через Internet c использованием системы интерактивного ввода данных [8]. Каждый компонент генной сети имеет свое изображение, отражающее его особенности (рисунок 1а). Например, белок-мономер обозначен кружком, белок-гомодимер сдвоенным овалом и т.д. Диаграмма была построена путем объединения данных, приведенных в научных статьях, об элементарных молекулярных событиях и процессах. Примеры графического представления элементарных событий и процессов представлены на рисунках 1 (б-е).

Рис. 1. Генная сеть двухэтапного действия альдостерона на клетки дистальных канальцев почек.

Представленная в базе GeneNet модель включает два механизма действия альдостерона на Na⁺ ,K⁺ -АТФазу в главных клетках CCD почек животных (рис. 2). Один их них - классический, геномный путь действия альдостерона, так называемый долгий путь (обозначение на рисунке 2 - Long). Он требует часы и дни для проявления эффекта альдостерона на активность натриевого насоса [15]. Внутриклеточное проведение гормонального сигнала начинается со взаимодействия альдостерона с минералокортикоидным рецептором (МR) [6,11]. Связывание альдостерона с рецептором ведет к активации образовавшегося комплекса с диссоциацией хит-шоковых белков (на диаграмме не показано). Активированный гормон-рецепторный комплекс транслоцируется в ядро, взаимодействует с сайтами связывания минералокортикоидных рецепторов в регуляторных районах генов 1 и 1-субъединиц Na⁺, K⁺ -АТФазы (NAKA alpha 1 gene и NAKA beta 1 gene) и повышает синтез соответствующих мРНК (NAKA alpha 1 mRNA и NAKA beta 1 mRNA) [14,18,9,5]. Это ведет к увеличению количества новых насосов, встроенных в базолатеральную мембрану главных клеток (SodPump) и, как следствие, к увеличению реабсорбции натрия и повышению секреции калия. Таким образом, эта часть модели описывает появление новых дополнительных молекул натриевого насоса и представляет собой традиционную область действия альдостерона.

Рис. 2.

Негеномный путь действия альдостерона (обозначение на диаграмме - Fast), охватывает данные по быстрым эффектам альдостерона на активность Na⁺, K⁺-АТФазы и опосредован через взаимодействие с вторичными посредниками [16]. Этот путь требует на свое развитие секунды и минуты. Альдостерон связывается мембранным рецептором (MRm), что стимулирует активность фосфолипазы С (PLCi - неактивная форма, PLC - активная форма). Активация фосфолипазы С вызывает гидролиз мембранных фосфоинозитидов (Inositol Phospholipoid) с образованием двух следующих вторичных посредников: инозитолтрифосфата (IP3), который вызывает повышение внутриклеточного Са2+ , и диацилглицерола (Diacylglycerol) [12]. Диацилглицерол и Са2+ активируют Са2+-зависимую протеинкиназу С (РКС_i - неактивная форма, PKC_a - активная форма) и включают каскад фосфорилирования предсуществующих молекул насоса [2]. Активация протеинкиназы С (PKC_a) ведет к фосфорилированию серина-23 в N-терминальной части 1-субъединицы Na⁺, K⁺-АТФазы и к снижению гидролитической активности насоса в условиях in vitro (SodPump_1P_23) [10]. Данный путь регуляции активности Na⁺, K⁺>-АТФазы может быть модулирован предварительным фосфорилированием 1-субъединицы ц-АМФ-зависимой протеинкиназой А (РКА_a) по серину 943 (фосфорилированный белок обозначен на диаграме как SodPump_1P_943 ) [1]. Предшествующее фосфорилирование серина 943 протеинкиназой А значительно усиливает эффект фосфорилирования серина -23 протеинкиназой С и выражается в появлении дополнительных сайтов фосфорилирования, локализованных в большой цитоплазматической петле 1-субъединицы (эта форма фосфорилированной по нескольким позициям Na⁺, K⁺-АТФазы обозначена на диаграмме как SodPump_>2P). Интересно отметить, что обратная последовательность фосфорилирования не обладает потенциирующим эффектом. Функциональное значение киназного фосфорилирования Na⁺, K⁺-АТФазы линейно зависит от внутриклеточной концентрации ионов Са2+ [3] (на диаграмме не показано). При низкой концентрации (125 нM) стимуляция РКА и РКС вызывает снижение активности натриевого насоса, тогда как при высокой концентрации Са2+ (450 нМ) фосфорилирование ведет к ее повышению

Охарактеризованная нами новая генная сеть базы GeneNet описывает механизмы реализации действия гормона на клетку-мишень. Существенной особенностью созданной нами новой модели регуляции активности Na⁺, K⁺-АТФазы в главных клетках CCD под действием альдостерона является включение как классического, геномного, так и негеномного пути действия гормона. Заслуживает внимания тот факт, что ключевую роль в реализации быстрого, негеномного пути играют белки, локализованные на мембране клетки - мембранный рецептор альдостерона и фосфолипаза С. Как следует из модели, альдостерон может действовать, используя оба пути проведения гормонального сигнала внутри клетки одновременно и взаимодействие этих механизмов способно обусловить широкий спектр клеточных реакций. Исследование этих процессов имеет большое физиологическое значение, поскольку проясняет понимание многих противоречивых данных, описывающих внутриклеточные эффекты альдостерона. Компьютерное представление модели оставляет открытым дальнейшее ее развитие при появлении новых экспериментальных данных. В будущем нам представляется чрезвычайно полезным систематизация в рамках данной модели сведений о пересечении путей реализации эффекта альдостерона с путями действия других гормонов (в частности, вазопрессина) на клетки CCD. Помимо отмеченных достоинств, созданная с помощью системы GeneNet компьютерная модель, согласно нашим знаниям, является первым компъютерным имиджем молекулярных путей проведения эффекта альдостерона в клетке-мишени.

Примечание

... ии gene-net ¹

Работа поддержана РФФИ (98-04-49479; 99-04-49907, 00-15-97974)

Ваши комментарии

[Головная страница] [Конференции] [СО РАН]

© 2001, Сибирское отделение Российской академии наук, Новосибирск
© 2001, Объединенный институт информатики СО РАН, Новосибирск
© 2001, Институт вычислительных технологий СО РАН, Новосибирск
© 2001, Институт систем информатики СО РАН, Новосибирск
© 2001, Институт математики СО РАН, Новосибирск
© 2001, Институт цитологии и генетики СО РАН, Новосибирск
© 2001, Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, Новосибирск
© 2001, Новосибирский государственный университет
Дата последней модификации Friday, 28-Sep-2001 19:53:24 NOVST