Никотин и его рецепторы — о вредном и полезном

Статья из журнала «Природа» (№ 4, 2012 г., с. 23-30, © Цетлин В.И., Кашеверов И.Е.).
Виктор Ионович Цетлин
Виктор Ионович Цетлин, член-корреспондент РАН, доктор химических наук, руководитель отдела молекулярных основ нейросигнализации Института биоорганической химии им. М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова, лауреат Гумбольдтовской премии (1992) и Государственной премии СССР (1985). Область научных интересов — структурная биология.

Игорь Евгеньевич Кашеверов
Игорь Евгеньевич Кашеверов, доктор химических наук, руководитель лаборатории лиганд-рецепторных взаимодействий того же отдела. Занимается конструированием и синтезом биологически активных полипептидов и изучением механизмов их работы.

Общеизвестная истина: никотин, как правило, попадает в организм при курении, а оно повышает вероятность заболевания раком легких. Вместе с тем известны и благотворные эффекты никотина: успокаивающее действие, улучшение настроения и памяти, возможность в критических ситуациях собраться, способность дольше обходиться без сна, лучше переносить боль, избегать лишнего веса. Действие никотина реализуется через его взаимодействие с мишенью — никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами. Попытаемся показать, как на молекулярном уровне происходит этот процесс и как вызываются те или иные эффекты.

Многие, наверное, помнят расхожую фразу:

«Один грамм никотина убивает лошадь».

И хотя слово «никотин» знакомо всем, его химическую формулу, возможно, некоторые читатели статьи увидят впервые (рис.1). Поскольку структуры никотина и ацетилхолина схожи, то и рецепторы, с которыми они связываются, тоже оказываются общими и называются они никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами (АХР).

Ацетилхолин или никотин, соединяясь с рецепторами, активируют их: открываются каналы и поток катионов устремляется через мембрану. В результате включается клеточная сигнализация, в которой участвуют различные рецепторы и ионные каналы, ферменты и многочисленные другие компоненты сигнальных каскадов. Активация мышечных никотиновых рецепторов приводит к сокращению мышц, а никотиновых рецепторов мозга — к влиянию на высшую нервную деятельность, например формирование памяти. Соединения, которые активируют никотиновые рецепторы (ацетилхолин, никотин и др.), называются агонистами, а угнетающие их активность,антагонистами. Центры их связывания находятся на поверхности молекул никотиновых рецепторов. Конкурентные антагонисты садятся там же, где ацетилхолин или никотин, другие (блокаторы канала) — непосредственно в канале рецептора. Кроме того, есть соединения, которые сами по себе не индуцируют токи в никотиновых рецепторах, но в их присутствии действие агонистов усиливается или ослабляется.
НИКОТИНРис.1. Наиболее известные агонисты и конкурентные антагонисты никотиновых ацетилхолиновых рецепторов. Изображения α-конотоксина GI и α-бунгаротоксина построены на основе их пространственных структур. Аминокислотный остов показан серым; α-спиральные и β-структурированные участки — зеленым и синим соответственно; дисульфидные-S–S-связи — оранжевым.

Участки связывания таких позитивных или негативных модуляторов могут располагаться в самых разных местах — на поверхности или внутри рецептора, но вне пределов участков связывания агонистов и конкурентных антагонистов. Важно отметить, что не только агонисты, но и антагонисты, а также модуляторы никотиновых ацетилхолиновых рецепторов могут быть лекарствами. В последние годы все большие надежды возлагаются на позитивные аллостерические модуляторы, поскольку, в отличие от агонистов, имеющих достаточно консервативный участок связывания, они могут по-разному связываться с различными подтипами никотиновых рецепторов и проявлять более высокую избирательность.

СТРОЕНИЕ НИКОТИНОВЫХ АЦЕТИЛХОЛИНОВЫХ РЕЦЕПТОРОВ

Первый никотиновый ацетилхолиновый рецептор выделилив начале 80-х годов прошлого века из электрического ската. Успех был обусловлен высоким содержанием рецептора в электрическом органе ската, а также способностью некоторых нейротоксинов змей прочно связываться с этим рецептором [1]. Следует отметить, что белковые и пептидные нейротоксины из самых разных организмов (из ядов пауков, скорпионов, пчел, змей и морских моллюсков) и сегодня позволяют целенаправленно пометить тот или иной рецептор и/или ионный канал, усилить или ослабить его работу или даже полностью выключить соответствующую мишень. Это дает возможность оценить участие конкретного канала в сложном физиологическом ответе (например, в сокращении мышцы, проведении болевого сигнала, процессе запоминания), в котором задействованы и множество рецепторов одного типа, и совершенно иные молекулы.

Никотиновый рецептор из электрического органа ската Torpedo (главным образом видов T.marmorata и T.californica) стал прообразом всех известных сегодня мышечных и нейрональных рецепторов и долгие годы служит объектом для многих лабораторий, занимающихся белковой химией. Его общую форму и размеры установили с помощью электронной микроскопии более 30 лет назад, еще до клонирования субъединиц. Затем, благодаря многолетним усилиям Н.Анвина из Оксфорда — одного из крупнейших в мире специалистов в области электронной микроскопии, — удалось довести разрешение до 4 Å [2].

Рецептор этот состоит из пяти субъединиц (двух α1, β1, γ и δ, между которыми располагается канал) и имеет три основных домена (рис.2): наружный (экстрацеллюлярный), трансмембранный, а также внутриклеточный (цитоплазматический). О границах доменов и об их пространственной организации до недавнего времени судили по данным оптических методов и аминокислотной последовательности субъединиц. Оказалось, что в наружном домене преобладает β-структура; цитоплазматический с довольно неупорядоченной структурой может содержать и короткую амфипатическую спираль, а трансмембранный — четыре α-спиральных фрагмента (М1—М4). Канал образован М2_фрагментами пяти субъединиц, сгруппированными вокруг центральной оси. Сегодня экспериментально доказано, что в каждой субъединице имеется четыре трансмембранных фрагмента, представленных α-спиралями.

Такой же состав имеют и мышечные рецепторы млекопитающих, с тем отличием, что γ-субъединица присутствует только у эмбрионов, а в зрелых формах ее заменяет ε-субъединица. Как и весь рецептор, каждая субъединица содержит наружный и цитоплазматический домены и четыре трансмембранных фрагмента (М1—М4).

Для полного функционального ответа ацетилхолиновый рецептор Torpedo (или мышц) должен связать две молекулы ацетилхолина. На те же два участка садятся и другие агонисты (например, никотин), а также конкурентные антагонисты (такие, как α-бунгаротоксин). Соответственно, молекула АХР может находиться в трех состояниях: в покое, когда в основной массе молекул каналы закрыты (в небольшом числе молекул канал открыт даже в отсутствие агониста); с открытым каналом в присутствии агониста; в десенситизированном состоянии с уменьшенной чувствительностью, когда агонист связан, но канал уже закрыт. В каждом из этих состояний в определенных случаях можно различить и «подсостояния». Вообще, конформационные переходы при работе АХР достаточно сложны. Неслучайно ацетилхолиновый рецептор был первым белком, для которого Ж.-П.Шанжё доказал справедливость концепции аллостерических переходов, предложенной ранее для некоторых ферментов и гемоглобина.
НИКОТИНРис.2. Электронная плотность одной молекулы АХР из мембран электрического органа Torpedo marmorata (а, вид сверху) и схематичное изображение канала, образованного пятью субъединицами рецептора (б). Отмечены домены рецептора — наружный (или экстрацеллюлярный, ЭД), трансмембранный (МД) и внутриклеточный (цитоплазматический, ЦД), а также участки связывания ацетилхолина (АХ) и место входа в канал ионов натрия.

В результате вызванного агонистом открытия канала и катионного потока внутрь клетки мембраны деполяризуются и запускаются разнообразные процессы (например, активация мышечного сокращения в нервно-мышечном сочленении).

Интерес к никотиновым ацетилхолиновым рецепторам значительно вырос после того, как обнаружили связывание радиоактивного α-бунгаротоксина с препаратами мозга млекопитающих, а затем доказали присутствие там самых различных подтипов нейрональных никотиновых рецепторов, в том числе и нечувствительных к α-бунгаротоксину. Большая группа таких рецепторов построена из субъединиц двух типов: девяти вариантов α (α2—α10) и трех вариантов β (β2—β4). Другая важная группа нейрональных АХР состоит из одинаковых субъединиц; из них лучше всего изучены рецепторы, построенные из пяти α7-субъединиц. Эти субъединицы отличаются от всех остальных (включая и β1, δ, γ и ε рецепторов мышечного типа) тем, что имеют дисульфидный мостик между соседними остатками Сys192—Cys193 (по нумерации α1-субъединицы АХР Тоrpedo) в петле, участвующей в связывании агонистов и антагонистов.

По имеющимся сегодня данным, все известные типы нейрональных ацетилхолиновых рецепторов — пентамеры (т.е. построены из пяти одинаковых или различных субъединиц). Такой вывод основан на биохимических и электрофизиологических результатах, хотя ни для одного нейронального рецептора пока нет данных электронной микроскопии или рентгеноструктурного анализа.

Согласно экспериментальным данным, в гомоолигомерном α7-АХР имеется пять центров связывания агонистов или антагонистов. Недавно обнаружили рецепторы, построенные из одних и тех же α- и β-субъединиц, но в разной стехиометрии, например из двух α4- и трех β2-субъединиц или из трех α4- и двух β2-субъединиц. Эти два подтипа сильно отличаются по сродству к никотину, что вносит еще большее разнообразие в вариабельность структур и функциональных активностей различных АХР.

Сравнительно недавно субъединицы нейрональных ацетилхолиновых рецепторов обнаружили и в клетках иммунной системы, кожи, легких. Эти так называемые «ненейрональные» никотиновые рецепторы играют важную роль в регуляции воспалительных и ростовых процессов.

АЦЕТИЛХОЛИН-СВЯЗЫВАЮЩИЕ БЕЛКИ МОЛЛЮСКОВ

Сейчас трудно сказать, как развивались бы структурно-функциональные исследования никотиновых рецепторов, если бы в 2001 г. не появилась кристаллическая структура ацетилхолин-связывающего белка (АХБ) из прудовика Lymnaea stagnalis [3]. Этот водорастворимый белок, соединяясь с ацетилхолином, модулирует нейропередачу. Он содержит около 200 аминокислотных остатков, т.е. имеет тот же размер, что и N-концевой наружный домен всех субъединиц АХР. Общая гомология этого белка с ацетилхолиновым рецептором не более 25%, но у него есть все необходимые остатки для связывания различных агонистов и антагонистов, например, того же α-бунгаротоксина, что позволило выделить АХБ. Это свойство использовалось еще 30 лет назад при выделении никотинового ацетилхолинового рецептора Torpedo.

Ацетилхолиновый белок в растворе и кристалле образует пентамер (как и полноразмерные никотиновые рецепторы) и служит прекрасной структурной моделью «верхнего этажа» (т.е. наружного домена) всех никотиновых рецепторов. Рентгеноструктурный анализ АХБ дал информацию о топографии центров, связывающих лиганды в ацетилхолиновых рецепторах. В настоящее время известно более 30 кристаллических структур различных АХБ с агонистами, антагонистами, частичными антагонистами и аллостерическими модуляторами (рис.3). Именно эти структуры и легли в основу моделирования связывающих участков в индивидуальных подтипах АХР.
КомплексыРис.3. Графическое изображение кристаллических структур комплексов: слева — ацетилхолин-связывающего белка (АХБ) из Lymnaea stagnalis с агонистом никотином; справа — АХБ из Aplysia сalifornica с конкурентным антагонистом α-конотоксином. Верхний ряд — вид сверху; нижний ряд — вид сбоку (желтым и синим цветом показаны две субъединицы АХБ). Для изображения лигандов (красный цвет) выбрано «сферическое» представление; для субъединиц (протомеров) АХБ — «ленточное». Одинаковые протомеры каждого белка окрашены в разные цвета; в обоих случаях показано расположение петли С для одного протомера. Петля С, в которой находятся остатки, непосредственно участвующие в связывании никотина и других агонистов, смещается к центральной оси молекулы (слева); в комплексах с такими антагонистами, как α-кобратоксин или α-конотоксин, она смещена от центра к периферии молекулы до 10 Å (справа). Это говорит о том, что антагонисты (препятствующие открытию канала) и агонисты (открывающие канал) вызывают перегруппировки противоположного характера.

ОТ МОЛЛЮСКОВ К СКАТУ

Координаты АХБ использовали при анализе криоэлектронной микроскопии никотинового ацетилхолинового рецептора T.marmorata [2]. При этом удалось не только добиться атомного разрешения для наружного домена, но и получить картину с разрешением 4 Å для внутримембранной части и для прилежащего к мембране короткого фрагмента большой цитоплазматической петли (рис.4, а). Полученная структура подтверждает присутствие в каждой субъединице четырех α-спиральных трансмембранных фрагментов. Таким образом, появилась возможность сравнить пространственные структуры ацетилхолинового белка и наружного домена истинного никотинового рецептора, в данном случае рецептора мышечного типа. Более того, теперь можно было проверить (с помощью компьютерного моделирования), как в этом рецепторе реализуются контакты с агонистами или антагонистами, наблюдавшиеся в кристаллических структурах высокого разрешения соответствующих комплексов АХБ. С учетом структур рецептора Torpedo, кристаллических структур свободных АХБ и их комплексов создали компьютерные модели лиганд-связывающих доменов всех подтипов нейрональных АХР и проанализировали их взаимодействие с самыми разнообразными лигандами.

С помощью мутаций, выбранных на основе кристаллических структур АХБ и структуры рецептора Torpedo, изучен возможный механизм работы АХР. Вероятно, конформационные изменения в области петли С, вызванные агонистами, передаются в область цистеиновой петли, находящейся вблизи мембранной поверхности. Эти изменения затрагивают ионную пару Glu45—Arg209 и влияют на взаимодействие нижней части наружного домена с петлей, соединяющей трансмембранные фрагменты М2 и М3. Отсюда конформационные изменения передаются во фрагменты М2, выстилающие стенки канала у всех никотиновых рецепторов, — и в итоге ионный канал открывается.

ОТ БАКТЕРИЙ К МЛЕКОПИТАЮЩИМ

Никотиновые ацетилхолиновые рецепторы наиболее хорошо изучены среди большого семейства лиганд-управляемых ионных каналов со сходной пространственной организацией. К нему относятся самые разные рецепторы: глициновые, ионотропные γ-аминомасляной кислоты (GАВА-А), подтип 5НТ-3 серотониновых и др. Гомология между аминокислотными последовательностями никотиновых ацетилхолиновых рецепторов и остальных членов семейства невелика, но их объединяет один и тот же тип укладки полипептидной цепи: большой внеклеточный домен, внутримембранный домен из четырех трансмембранных фрагментов, а также большой цитоплазматический домен. У них есть и еще одно общее свойство: наличие в наружном домене всех субъединиц цистеиновой петли Cys128—Cys142 (по нумерации α1-субъединицы АХР Тоrpedo). Именно поэтому рецепторы указанного семейства получили название Суs-петельных [4].
Структуры АХРРис.4. Структуры АХР из Torpedo marmorata в состоянии покоя (а), бактериальных рецепторов ELIC из Erwinia chrysanthemi (б) и GLIC из Gloeobacter violaceus (в). Субъединицы АХР α1, β1, γ и δ окрашены в красный, зеленый, голубой и синий цвета, соответственно. Одинаковые субъединицы бактериальных белков окрашены в разные оттенки оранжевого и серого цветов.

Недавно рецепторы, во многом похожие на ацетилхолиновые, и другие Суs-петельные, обнаружены в бактериях. Судя по нуклеотидной (и выведенной аминокислотной) последовательности, наличие четырех трансмембранных фрагментов не вызывает сомнения, но большая цитоплазматическая петля отсутствует. Можно было ожидать, что пространственные структуры микробных рецепторов и Суs-петельных лиганд-правляемых каналов млекопитающих подобны. Для двух таких белков (ELIC и GLIC из Erwinia chrysanthemi и Gloeobacter violaceus) получены кристаллические структуры с разрешением 3.3 и 2.9 Å соответственно; в первой канал, видимо, закрыт, а во второй — открыт [5]. Эти структуры (рис.4 б, в) в целом очень похожи на структуру рецептора Тоrpedo, а в своей верхней части — и на кристаллические структуры АХБ моллюсков, хотя имеются и некоторые отличия.

Сейчас такие структуры используют при построении моделей всех типов фармакологически важных Суs-петельных рецепторов млекопитающих. Это позволяет планировать эксперименты по выяснению тонких особенностей их взаимодействия с анестетиками, блокаторами и активаторами канала (как уже существующими, так и новыми лекарственными средствами). Путь к ним открывают структурно-функциональные исследования подобного рода [6].

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ЭФФЕКТОВ

Напомним, что у человека многообразие подтипов никотиновых рецепторов обеспечивается различными соотношениями α- и β-субъединиц. За последние годы с помощью антител и токсинов доказано, что подтипы никотиновых рецепторов в отдельных областях мозга (или различных тканях) значительно отличаются по чувствительности к никотину. Например, у рецептора, состоящего из α4- и β2-субъединиц, сродство к никотину почти в 500 раз выше, чем у рецептора из пяти одинаковых α7-субъединиц. Различия между индивидуальными подтипами АХР проявляются и в их связывании с никотином, в скорости активации и десенситизации (утраты чувствительности или адаптации). Это отражается и на физиологическом ответе (например, короткое или более длительное ощущение от выкуренной сигареты). Активацию и десенситизацию вызывает и сам ацетилхолин («родной» эндогенный лиганд АХР), но его избыток быстро убирает фермент ацетилхолинэстераза, не затрагивающий никотин. Именно поэтому никотин остается в синаптической щели достаточно долго, чем обусловливаются его эффекты даже невысоких концентраций.

Почему же столь различна эффективность связывания никотина с разными подтипами АХР? Однозначного ответа пока нет. Есть прекрасная модель комплекса никотина с ацетилхолин-связывающим белком. Однако это не полный рецептор, а у рецепторов в лиганд-связывающих участках имеются гомологичные, но не идентичные остатки, а также множество иных (неконсервативных) фрагментов. Компьютерное моделирование позволяет построить модели связывания никотина с индивидуальными подтипами рецепторов, справедливость которых обычно проверяется мутациями. Но, как показано в недавних работах, при небольшой модификации структуры лиганда (агониста или антагониста) и при вариациях в аминокислотных остатках центров связывания возможны совсем иные контакты, чем предсказанные компьютерным моделированием [7].

Никотин и рак лёгких. Мы знаем, что никотин соединяется со своими рецепторами, в них открываются каналы и изменяется ионная проницаемость мембраны. Но почему одно и то же химическое вещество вызывает столь противоположные эффекты — от рака легких до снятия боли и улучшения памяти?

Ученые сейчас только пытаются выяснить их молекулярные механизмы, но ряд фактов не вызывает сомнений. Во-первых, как упоминалось, никотиновые рецепторы присутствуют почти везде в организме; есть они и в эпителиальной ткани легких, где их находят никотин и другие вредные компоненты дыма сигарет. Почему такое взаимодействие должно приводить к злокачественному росту? Однозначного и полного ответа пока нет, но имеется важная информация: при соединении никотина с присутствующими в легких подтипами АХР (в частности, α7) активируются некоторые ростовые факторы, которые стимулируют злокачественный рост. На клеточных линиях в нескольких лабораториях показано, что нейротоксины (например, α-бунгаротоксин), блокирующие α7-AXP, замедляют рост раковых клеток. Однако в надежности таких эффектов недавно появились сомнения [8]. Именно поэтому, когда в нашем институте (прим. - институте авторов статьи) из яда среднеазиатской кобры выделили «нетоксичный слабый нейротоксин» (WTX), блокирующий эти рецепторы [9], на него вместе с фирмой «Байер» (Германия) был получен патент как на возможное канцеростатическое средство.

Никотин и никотиновая зависимость. Если еще говорить о «плохом» никотине, то это, конечно, и никотиновая зависимость, в которой одну из основных ролей отводят рецептору α4β2 с очень высоким сродством к никотину (активируется очень малыми концентрациями). Более того, известно, что при хроническом воздействии никотина количество его рецепторов временно увеличивается. Об этом можно судить по значительному (в несколько раз) возрастанию связывания специфических радиоактивных лигандов (например, α-бунгаротоксина или эпибатидина), причем именно для рецепторов α4β2 [10]. Значит, этот подтип АХР и есть одна из главных мишеней при разработке лекарств против никотиновой зависимости. Частичным агонистом именно этого подтипа служит недавно предложенное средство варениклин, выпускаемое американской фирмой «Pfizer» (см. рис.5).

Как показали опыты на животных, рецептор α4β2 (на его долю приходится более 80% высокоаффинных центров связывания никотина в мозге) играет главную роль и в выведении никотина: оно значительно уменьшается при удалении β2-субъединицы, но увеличивается при суперэкспрессии α4-субъединицы.
Структуры лигандовРис.5. Структуры некоторых лигандов никотиновых АХР, используемых в качестве лекарственных препаратов.

Как показали опыты на животных, рецептор α4β2 (на его долю приходится более 80% высокоаффинных центров связывания никотина в мозге) играет главную роль и в выведении никотина: оно значительно уменьшается при удалении β2-субъединицы, но увеличивается при суперэкспрессии α4-субъединицы.

Однако рецептор α4β2 — не единственный виновник никотиновой зависимости. За последние годы в ряде генов обнаружен полиморфизм одиночных нуклеотидов (single nucleotide polymorphism, SNP), который связывают с повышенным риском развития никотиновой зависимости и рака легких. Так, ряд SNP присутствует в кластере генов CHRNB4-CHRNA3-CHRNA5, кодирующих β4-, α3- и α5-субъединицы АХР. Недавно с помощью трансгенной модели было продемонстрировано, что рецептор α3β4α5 активируется меньшими концентрациями никотина, чем рецептор α3β2α5, благодаря замене одного остатка в β4-субъединице (S435 вместо R435 в β2-субъединице). При повышенной экспрессии субъединицы β4 мыши отказываются от питья воды, содержащей никотин, тогда как введение генной конструкции с α5, содержащей мутацию D398N (SNP, характерный для повышенного риска никотиновой зависимости), восстанавливает потребление никотина [11].

До недавнего времени полагали, что α5-субъединица АХР не участвует в образовании лигандсвязывающих центров. Однако последняя работа говорит о ее вспомогательной роли в регуляции чувствительности никотиновых рецепторов к никотину. Согласно компьютерному моделированию, остатки S435 в β4- и N398 в α5-субъединице располагаются в амфипатической спирали цитоплазматического домена примерно на одном расстоянии от поверхности мембраны. Это тоже удивительный факт, поскольку считается, что за регуляцию работы канала в основном отвечают остатки трансмембранных фрагментов М2.

ПОЛОЖИТЕЛЬНОЕ ДЕЙСТВИЕ НИКОТИНА

Сегодня надежно доказано, что никотиновые рецепторы регулируют ряд важнейших процессов высшей нервной деятельности. Установлена и четкая зависимость между локализацией конкретного подтипа ацетилхолинового рецептора и выполняемой им функцией. Для нейрональных рецепторов (в отличие от мышечных) наиболее характерна пресинаптическая локализация, где они участвуют в выбросе самых различных нейромедиаторов, в том числе глутамата, дофамина и γ-аминомасляной кислоты (GABA). Такая функция особенно ярко выражена у α7-никотинового рецептора, кальциевая проводимость которого сопоставима с таковой истинных кальциевых каналов (а роль ионов Ca+2 в регуляции выброса медиаторов хорошо известна).

Еще до выяснения детальных механизмов было известно обучастии индивидуальных подтипов АХР в конкретных видах нервной деятельности. Так, с использованием «нокаутных» мышей продемонстрирована роль β2-субъединицы в процессах обучаемости и развития памяти, а также необходимость α4β2-рецепторов для когнитивных процессов [12]. Стали ясны и причины связи между тягой к никотину (никотиновой зависимостью) и получением удовольствия. Это чувство в первую очередь зависит от уровня дофамина и активности дофаминовых рецепторов, а сейчас убедительно показано, что α6-субъединицы и содержащие ее подтипы АХР располагаются на дофаминовых нейронах. Известно также, что при высоких уровнях α4-содержащих АХР в дофаминергических пресинаптических окончаниях при хроническом воздействии никотина усиливается высвобождение дофамина. Не менее важные функции выполняют и α7 АХР, которых особенно много в гиппокампе, при этом их содержание и роль меняются в ходе развития организма. Имеются сведения, что α7-АХР гиппокампа вовлечены в формирование долговременной памяти подобно NMDA- и другим глутаматным рецепторам.

Никотин, никотиновые рецепторы и нейродегенеративные заболевания. Во многих случаях четких представлений о функциях, присущих определенным подтипам АХР, нет, но есть убедительные данные о плохих последствиях, связанных с нарушенным уровнем содержания рецептора. Если количество рецептора при заболевании повышено, то необходимо снизить его и уменьшить соответствующую активность (например, при раке легких). Напротив, при ряде патологий содержание различных рецепторов уменьшается. Так, при шизофрении значительно снижается количество α7 АХР в мозге; больные, как правило, все заядлые курильщики, именно этим пытаются улучшить свое состояние [13]. Напомним, что при хроническом введении никотина активность этих рецепторов значительно возрастает (правда, в меньшей степени, чем для α4β2-рецепторов).

Еще один пример связи между уровнем нейрональных АХР и курением. Известно, что для курильщиков вероятность болезни Паркинсона примерно в два раза ниже, чем для некурящих. К сожалению, назвать какую-либо одну причину этого заболевания невозможно, а проявляется оно только тогда, когда большая часть дофаминовых нейронов уже разрушена [14]. Однако болезнь всегда сопровождается уменьшением числа связывающих центров для никотина. Таким образом, можно осторожно говорить, что у курильщиков проявляется и нейропротекторное действие никотина.

Другое нейродегенеративное заболевание, в которое вовлечены никотиновые рецепторы, — болезнь Альцгеймера. Она приводит к утрате когнитивных способностей, при этом нарушается работа всей холинергической системы (затрагиваются как ацетилхолиновые рецепторы, так и ферменты синтеза и транспорта ацетилхолина). Неслучайно в качестве паллиативных средств, помогающих больным недолго, используют ингибиторы ацетилхолинэстеразы (чтобы не снижать уровень ацетилхолина и активировать оставшиеся АХР). Некоторые из таких препаратов, например галантамин (cм. рис.5), — не только ингибиторы ацетилхолинэстераз, но и позитивные аллостерические модуляторы: в их присутствии увеличивается амплитуда тока, вызываемого в α7_АХР внесением агониста. Как уже отмечалось, фармацевтические фирмы возлагают большие надежды на такие соединения. В какой мере никотиновые рецепторы непосредственно участвуют в развитии болезни, пока сказать трудно. Согласно некоторым данным, α7-АХР взаимодействует с β-амилоидным пептидом, образующим в мозге бляшки — один из наиболее важных критериев диагностики болезни Альцгеймера. Кроме того, это связывание способствует проникновению β-амилоидного пептида в нейроны, а значит, антитела против него могли бы стать одним из способов лечения. В электрофизиологических опытах β-амилоидный пептид ингибирует или усиливает токи в различных подтипах АХР, но до выяснения детального механизма такого действия еще далеко [15].

Никотиновые рецепторы и боль. Среди благотворных эффектов никотина давно известна его способность помогать преодолевать стресс и боль. Анальгетические эффекты привлекли особое внимание, когда в 90-х годах прошлого столетия в коже эквадорской лягушки открыли эпибатидин (см. рис.1). Это соединение очень эффективно снимает боль (блокирует проведение болевых сигналов). Однако его мишенью служат не рецепторы морфина (хорошо известные опиоидные рецепторы), а никотиновые рецепторы. Эпибатидин оказался эффективным агонистом рецепторов α4β2; сегодня его радиоактивные производные широко используются в фармакологических исследованиях. Однако применять эпибатидин в качестве анальгетика нельзя, поскольку он связывается с остальными подтипами АХР и может вызвать нежелательные последствия. Тем не менее «структурную тему» эпибатидина использовала фирма «Abbott» (США), создававшая анальгетический препарат АВT-594 (см. рис.5). Это средство прошло первые стадии клинических испытаний, но на конечной стадии выявились побочные эффекты. Тем не менее поиск и конструирование новых лекарственных препаратов, действующих на никотиновые рецепторы, продолжается, и одним из успешных примеров служит уже упоминавшийся варениклин, помогающий преодолеть никотиновую зависимость.

***

Современная и (в еще большей степени) медицина ближайшего будущего должна быть сугубо индивидуальной. Дело в том, что очень многие лекарства не действуют на всех пациентов в равной степени. Сегодня необходимы данные расшифрованных геномов отдельных людей, чтобы в случае некоторых заболеваний однозначно поставить диагноз или увидеть большую или меньшую вероятность их возникновения с годами. По другим характеристикам генома (например, принадлежности к той или иной этнической группе) можно попытаться предсказать эффективность того или иного лекарства. Однако новое лекарство должно быть придумано и сделано, а для этого необходимы структурные характеристики как самых разных природных или искусственно созданных биологически активных соединений, так и их мишеней в организме — связывающих белков, ферментов, рецепторов и ионных каналов.

Мы (прим. - авторы) рассмотрели главным образом структуры двух взаимодействующих партнеров — никотина и его рецепторов. Слово «партнеры» использовано не случайно — они делают одно или несколько общих дел, но им не обязательно быть друзьями или врагами. Стоявшая перед нами задача — показать многообразие жизненно важных функций никотиновых ацетилхолиновых рецепторов в организме. Мы уделили достаточно внимания «положительным» связям» никотина и его рецепторов (усилению устойчивости к стрессу и боли, повышению внимания, улучшению памяти) и имеющимся данным о молекулярных основах этих процессов. Соответствующая структурная информация накапливается сегодня и о двух абсолютно отрицательных, вредных и взаимозависимых связях — никотиновой зависимости и раке легких. Хочется надеяться, что информацию о положительных эффектах никотина никто не будет рассматривать как призыв к курению. Его угроза для развития рака легких абсолютно достоверна и печально убедительна, поэтому все усиливающийся запрет на курение в общественных местах безусловно оправдан и хочется надеяться на резкое сокращение числа курящих и в нашей стране.

Литература

1. Changeux J.P., Taly A. Nicotinic receptors, allosteric proteins and medicine // Trends Mol. Med. 2008. V.14. P.93—102.
2. Unwin N. Refined structure of the nicotinic acetylcholine receptor at 4 Å resolution // J. Mol. Biol. 2005. V.346. P.967—989.
3. Brejc K., van Dijk W.J., Klaassen R.V. et. al. Crystal structure of an ACh_binding protein reveals the ligand-binding domain of nicotinic receptors // Nature. 2001. V.411. P.269—276.
4. Tsetlin V., Kuzmin D., Kasheverov I. Assembly of nicotinic and other Cys-loop receptors // J. Neurochem. 2011. V.116. P.734—741.
5. Hilf R.J., Dutzler R. Structure of a potentially open state of a proton-activated pentameric ligand_gated ion channel // Nature. 2009. V.457. P.115—118.
6. Nury H., Van Renterghem C., Weng Y. et. al. X-ray structures of general anesthetics bound to a pentameric ligand-gated ion channel // Nature. 2011. V.469. P.428—431.
7. Brams M., Pandya A., Kuzmin D. et. al. A structural and mutagenic blueprint for molecular recognition of strychnine and d-tubocurarine by different Cys-loop receptors // PLoS Biol. 2011. V.9. №3. P.e1001034.
8. Alama A., Bruzzo C., Cavalieri Z. et. al. Inhibition of the nicotinic acetylcholine receptors by cobra venom α-neurotoxins: is there a perspective in lung cancer treatment? // PLoS One. 2011. V.6. №6. P.e20695.
9. Utkin Y.N., Kukhtina V.V., Kryukova E.V. et. al. Weak toxin from Naja kaouthia is a nontoxic antagonist of α7 and muscle-type nicotinic acetylcholine receptors // J. Biol. Chem. 2001. V.276. P.15810—15815.
10. Nashmi R., Xiao C., Deshpande P. et. al. Chronic nicotine cell specifically upregulates functional α4*nicotinic receptors: basis for both tolerance in midbrain and enhanced long-term potentiation in perforant path // J. Neurosci. 2007. V.27. P.8202—8218.
11. Frahm S., Slimak M.A., Ferrarese L. et. al. Aversion to nicotine is regulated by the balanced activity of β4 and α5nicotinic receptor subunits in the medial habenula // Neuron. 2011. V.70. P.522—535.
12. Picciotto M.R. Knock-out mouse models used to study neurobiological systems // Crit. Rev. Neurobiol. 1999. V.13. P.103—149.
13. Ishikawa M., Hashimoto K. α7 Nicotinic acetylcholine receptor as a potential therapeutic target for schizophrenia // Curr. Pharm. Des. 2011. V.17. P.121—129.
14. Нейродегенеративные заболевания. Фундаментальные и прикладные аспекты / Под ред. М.В. Угрюмова. М., Наука. 2010. С.447.
15. Arneric S.P., Holladay M., Williams M. Neuronal nicotinic receptors: a perspective on two decades of drug discovery research // Biochem. Pharmacol. 2007. V.74. P.1092—1101.