Роль Na⁺,K⁺-АТФазы в функционировании клеток и проведении сигналов

Руководитель группы - ведущий научный сотрудник, д.б.н. Лопина Ольга Дмитриевна

Na,K-АТPаза (Na-насос) - это встроенный в плазматическую мембрану фермент, который переносит ионы Na и K через мембрану против электрохимического градиента. Он был открыт Йенсом Скоу в 1957 году. За открытие и исследование этого фермента в 1997 году Йенс Скоу получил Нобелевскую премию.

Изучение Na,K-АТPазы на нашей кафедре началось еще в 1967 году под руководством профессора А.А. Болдырева. Затем часть этих исследований сосредоточилась в нашей группе. Основное их направление - изучение некласических функций Na,K-АТPазы. В настоящее время установлено, что Na,K-АТPаза играет важную роль в выполнении многих функций клетки: благодаря ее работе на плазматической мембране клеток создается мембранный потенциал покоя, в возбудимых тканях (нервная, мышечная) этот насос обеспечивает возможность генерации потенциала действия, созданный Na,K-АТPазой градиент ионов натрия используется как источник энергии для обеспечения вторичного транспорта некоторых катионов (например, Н+ и Са2+) и метаболитов (сахара, аминокислоты). Кроме того, обнаружено, что Na,K-АТPаза является рецептором для соединений, названных кардиотоническими стероидами, среди которых наиболее известными являются уабаин и дигоксин (алкалоид из наперстянки). Недавно было показано, что эти соединения есть не только у растений, но и в организмах животных, где они выполняют функцию гормонов.

Кардиотонические стероиды, связываясь с Na,K-АТPазой, ингибируют этот фермент. В сердце ингибирование насоса приводит к повышению внутриклеточной концентрации Na+ и к активации Na/Ca-обменника, который увеличивает вход в клетку Са2+. Это, в свою очередь, усиливает сокращение сердечной мышцы. Но одновременно связывание уабаина обеспечивает изменение конформации Na,K-АТPазы. Это приводит к связыванию с ней Src-киназы и к активации последней. После этого происходит фосфорилирование Src-киназой эпидермального фактора роста и мобилизация малых GTP-связывающих белков, что включается сигнальный каскад, влияющий в конечном итоге на экспрессию генов, вызывая гипертрофию сердечной мышцы.

Иная ситуация наблюдается в эпителии почек: связывание уабаина с Na,K-АТPазой приводит к смерти клеток эпителия, эта смерть не связана с ингибированием Na,K-АТPазы, а, скорее всего, c изменением ее конформации и со связыванием с ферментом белков сигнального каскада, приводящего к активации Erk-киназы и последующей смерти клеток. Другой кардиотонический стероид, маринобуфагенин, не приводит к смерти клеток эпителия почек, хотя он ингибирует Na,K-АТPазу так же, как и уабаин. Таким образом, связывание кардиотонических стероидов с Na,K-АТPазой приводит к осуществлению неклассических функций Na,K-АТPазы, которые обеспечиваются включением сигнальных каскадов.

В настоящее время в нашей группе проводится изучение конформационных изменений фермента под действием уабаина и маринобуфагенина с целью выявления конформации фермента, которая обеспечивает связывание белка, включающего сигнальный каскад, приводящий к смерти клеток. Кроме того, мы пытаемся идентифицировать белок, который, связываясь с Na,K-АТPазой, включает сигнальный каскад, обеспечивающий смерть клеток эпителия почек.

Второе направление работы связано с изучением процесса глутатионилирования SH-групп Na,K-АТРазы. Внутриклеточный трипептид глутатион представлен в цитоплазме клеток в двух формах: окисленной и восстановленной. Соотношение окисленного и восстановленного глутатиона определяет редокс-состояние клетки, оно снижается при окислительном стрессе за счет повышения концентрации окисленного глутатиона. Мы установили, что при повышении концентрации окисленного глутатиона возможно его связывание с 13 из 15 цитозольных SH-групп каталитической субъединицы Na,K-АТPазы. Модификация окисленным глутатионом трех SH-групп, расположенных поблизости от активного центра фермента, приводит к полной потере его активности.

Однако активность можно полностью восстановить после устранения окислительного стресса за счет снятия глутатиона с соответствующих SH-групп. Этот процесс имеет важное физиологическое значение, поскольку Na,K-АТPаза потребляет до 40% от общего количества АТФ в кардиомиоцитах. Таким образом, за счет глутатионилирования SH-групп, влияющих на активность Na,K-АТPазы, можно снизить потребление АТФ, что крайне важно в условиях гипоксии.

Остается невыясненным вопрос, какую функцию выполняют другие свободные SH-группы Na,K-АТPазы, и какова роль процесса их глутатионилирования. Мы предполагаем, что глутатионилирование остальных SH-групп фермента может играть важную роль в связывании с Na,K-АТPазой определенных лигандов, например, регуляторных белков или кардиотонических стероидов, что может привести к выключению определенных сигнальных каскадов.

Группа работает на кафедре биохимии в комнатах 136 и 138. Руководитель группы - Лопина Ольга Дмитриевна, ведущий научный сотрудник, доктор биологических наук, профессор. Под ее руководством защищено 6 кандидатских диссертаций. В настоящее время в группе работают два аспиранта: Елизавета Андреевна Климанова и Елена Александровна Дергоусова, а также соискатель Юлия Владимировна Каманина. Работа исследовательского коллектива на протяжении последних 20 лет поддерживается за счет финансирования грантами Российского Фонда Фундаментальных исследований, а также международными грантами (гранты Сороса и INTAS). Группа работает в тесном сотрудничестве с Университетом Монреаля, Канада (профессор Орлов Сергей Николаевич), а также с Институтом молекулярной биологии (Лаборатория конформационной стабильности белков и физических методов анализа, руководитель академик РАН Макаров Александр Александрович).

Основные публикации группы, сделанные в сотрудничестве с этими коллективами, представлены ниже:

1. Yakushev S, Mitkevich V.A., Kamanina Y.V., Ziganshin R.H., Meng X, Anashkina A.A., Makhro A, Lopina O.D., Gassmann M, Makarov A.A., Bogdanova A., Petrushanko I.Y. S-glutathionylation of the Na,K-ATPase catalytic α subunit is a determinant of the enzyme redox sensitivity. (2012) J Biol Chem.;287(38):32195-205.
2. Akimova O.A., Lopina O.D., Rubtsov A.M., Hamet P, Orlov S.N. Investigation of mechanism of p38 MAPK activation in renal epithelial cell from distal tubules triggered by cardiotonic steroids. (2010) Biochemistry (Mosc). 75(8):971-8.
3. Akimova O.A., Lopina O.D., Rubtsov A.M., Gekle M, Tremblay J, Hamet P, Orlov S.N. Death of ouabain-treated renal epithelial cells: evidence for p38 MAPK-mediated Na (i) (+) /K (i) (+) -independent signaling. (2009) Apoptosis. 14(11):1266-73.
4. Akimova O.A., Lopina O.D., Tremblay J, Hamet P, Orlov S.N. Altered phosphorylation of RRXS*/T* motif in ouabain-treated renal epithelial cells is not mediated by inversion of the [Na](i)/[K+](i) ratio. (2008) Cell Physiol Biochem. 21(4):315-24.
5. Akimova O.A., Lopina O.D., Hamet P, Orlov S.N. Search for intermediates of Na+,K+-ATPase-mediated [Na+]i/[K+]i-independent death signaling triggered by cardiotonic steroids. (2005) Pathophysiology. 12(2):125-35.
6. Akimova O.A., Bagrov A.Y., Lopina O.D., Kamernitsky A.V., Tremblay J, Hamet P, Orlov S.N. Cardiotonic steroids differentially affect intracellular Na+ and [Na+]i/[K+]i-independent signaling in C7-MDCK cells. (2005) J Biol Chem. 280(1):832-9.
7. Pchejetski D, Taurin S, Der Sarkissian S, Lopina O.D., Pshezhetsky A.V., Tremblay J, deBlois D, Hamet P, Orlov SN. Inhibition of Na+,K+-ATPase by ouabain triggers epithelial cell death independently of inversion of the [Na+]i/[K+]i ratio. (2003) Biochem Biophys Res Commun. 301(3):735-44.

Состав группы:

Руководитель группы: в.н.с., д.б.н., профессор О.Д. Лопина,
Инженер-исследователь: Ю.В. Каманина,
Аспиранты: Е. Климанова, Е. Дергоусова.

Комната ? 138

версия для печати
Страница последний раз обновлялась 21.11.2013