Науковий семінар кафедри біофізики 7 грудня 2015 р. Органи чуттів клітин проф. О.В. Жолос He who would study organic existence, First drives out the soul with rigid persistence; Then the parts in his hand he may hold and class, But the spiritual link is lost, alas! Faust, Johann Wolfgang von Goethe

TRP BK Ca Ca 2+ Na + K+K+ Cl - Іонні канали

Сенсорні рецептори: хемо-, фото-, механо-, термо-, баро-, ноцицептори тощо. Молекулярні рецептори: мебранні білки – переважно спряжені з G-білками рецептори і іонні канали. Clapham D.E. TRP channels as cellular sensors. Nature 426, , TRPs mediate sensory transduction, not only in a classical sense, for the entire multicellular organism, but also at the level of single cells Деякі сенсорні функції TRP каналів: Комахи – зір (фоторецептори). Дріжджі –гіпертонічне середовище. Нематоди – шкідливі речовини. Самці мишей –феромони. Людина – солодкий і гіркий смак, тепло і холод, біль.

3,5 млрд років тому - перші прокаріоти 1,8 млрд років тому – перші еукаріотичні клітини Архебактерії (1 млрд р., Bitter Springs Formation in Australia) 5-7 нм Е = 10 МВ/м Електрична міцність: скло - 10 МВ/м тефлон - 20 МВ/м

Інтегральні білки мембран KcsA – бактеріальний K + канал Streptomyces lividans Doyle et al., Science, 1998 Нобелівська премія 2003 року в галузі хімії

Будова KcsA та інших К + каналів VMD (KcsA, MthK, Kv1.2) Ідентичні Висока гомологія Низька гомологія Morais-Cabral J.H., Zhou Y., MacKinnon R. Nature 414, 2001 K+K+ Селективний фільтр канала

Будова KcsA та інших каналів Capener C.E. et al. Hum Mol Genet 11: , 2002 KcsA і MthK – бактеріальні К + канали Shak & Shaw - Kv канали дрозофіли Kir1.1 & Kir6.2 – К + канали вхідного випрямлення GluR0 – бактеріальний глютаматний рецептор. G99 – активація К + канала

Перші форми клітинної чутливості Потенціалчутливий К + канал (K4QYN4 Streptomyces davawensis) pH-чутливий К + канал (P0A334 Streptomyces lividans) UniProt

Еволюція іонних каналів – від К + каналів до TRP К + канали бактерій – ідентичність 8% UniProt Clustal X

Еволюція іонних каналів – від К + каналів до TRP UniProt Clustal X dTRP – центральний елемент фототрансдукції у фоторецепторах Drosophila melanogaster

Сигнальний комплекс INAD Hardie R.C. & Raghu P. Visual transduction in Drosophila. Nature 413, , Фоторецептори Drosophila мають один з найбільш швидких шляхів клітинної сигналізації за участі спряжених з G-білками рецепторів, які відповідають у ~100 разів швидше, ніж фоторецептори жаби

Фенотип trp Cosens D. Blindness in a Drosophila mutant. J Insect Physiol 17, 285–302, Minke B. & Cook B. TRP channel proteins and signal transduction. Physiol Rev 82, , 2002.

Клонування першого гомолога dTRP ссавців TRPC1 – рецептор-активований неселективний Са 2+ -проникний катіонний канал Zhu X. et al. FEBS Lett 373, , Wes P.D. et al. PNAS 92, , 1995.

Філогенетичне дерево TRP каналів Christensen A.P. & Corey D.P. Nature Reviews Neuroscience 8, , 2007 ce, Caenorhabditis elegans dm, Drosophila melanogaster mm, Mus musculus sc, Saccharomyces cerevisiae xl, Xenopus laevis

Порівняльний аналіз структури TRP і К + каналів Palovcak E. et al. J Gen Physiol 146, 37-50, 2015

Порівняльний аналіз структури TRP і К + каналів Palovcak E. et al. J Gen Physiol 146, 37-50, 2015 TRP послідовностей Kv послідовностей

80K-H Calmodulin Cav1.2 Caveolin-1 D2R FKBP5 FKBP52/FKBP4 FYN GJA1 Gαi2 Сatenin Spectrin Homer-3 IP3R1 IP3R2 IP3R3 LYN MxA NHERF1 NHERF2 α1-syntrophin PLCβ Protein 4.1 RNF24 SESTD1 SHANK Src STIM1 TARBP2 TRPC1 TRPC3 TRPC5 TRPC6 TRPP1 VASP VE-cadherin ZO-1 Партнери TRPC4

TRP канали – універсальні сенсори клітин vanilloid mucolipin melastatin canonical polycystin ankyrin Flockerzi V, Nilius B. Handbook of Experimental Pharmacology 2014

Considering that temperature is an intensive thermodynamic parameter, and since temperature is an intensive measure of the average speed of atoms and molecules, everything is subject to thermal fluctuations. This makes the search of the molecular structures in charge of sensing temperature (i.e., the temperature sensor) in temperature-sensitive type of channels something similar to be looking for the Holy Grail. It is still a mystery how the thermal energy leads to channel opening with such exquisite temperature sensitivity as in the case of some TRP channels. Latorre R. et al. Gating of Thermally Activated Channels. Current Topics in Membranes, 2014

Термо- і хемочутливі TRP канали Roper S.D. Handbook of Experimental Pharmacology 2014

Voets T. Handbook of Experimental Pharmacology 2014 Термочутливі домени TRP каналів

Shimizu et al. Handbook of Experimental Pharmacology 2014 Хемочутливі TRP канали

Sexton J.E. et al. Handbook of Experimental Pharmacology 2014 TRP і ноцицепція

Роль TRP каналів в захворюваннях Loss-of-function mutations TRPM1 - stationary night blindness TRPM2, TRPM7 - neurodegenerative disorders (amyotrophic lateral sclerosis and parkinsonism-dementia) TRPM6 - hypomagnesaemia with secondary hypocalcaemia TRPP2- polycystic kidney disease TRPML1 - mucolipidosis type IV Gain-of-function mutations TRPC6 – kidney disease (focal and segmental glomerulosclerosis, FSGS) TRPV4 - skeletal dysplasias, neuropathies TRPM4 - progressive familial heart block type I TRPA1 - familial episodic pain syndrome Nilius В., Owsianik G. Transient receptor potential channelopathies. Pflugers Archiv 2010

Роль TRPM8 в захворюванні на рак простати Bidaux et al. Journal of Clinical Investigation 2007 Bidaux et al. Journal of Biological Chemistry 2012 Fernandez et al. Journal of Biological Chemistry 2012 Prostate cell differentiation status determines TRPM8 channel subcellular localization and function

Вплив гіпотермії на тонус судин Діаметр судини t, O C Небезпека холода для життя людини

Експресія і функція рецептора холода і ментола TRPM8 в гладенькомязових клітинах артерій щура 300 bp bp - Prostate Aorta DRG Tail artery Mesenteric artery Femoral artery Liver kDa Pr AO MA TA FA ПЛР - мРНК Вестерн блот - білок Iмуноцито- хімічний аналіз - субклітинна локалізація Са 2+ Флуоресцентна кальційметрія (Fluo-3) - функція Johnson et al. Transient receptor potential melastatin 8 channel involvement in the regulation of vascular tone. Am J Physiol 2009.

Johnson et al. Transient receptor potential melastatin 8 channel involvement in the regulation of vascular tone. Am J Physiol Роль TRPM8 в регуляції тонусу судин

TRPC4 – центральний компонент холінергічного збудження вісцеральних гладеньких мязів

Початок нашіх досліджень холінергічного контролю гладеньких мязів шлунково-кишкового тракту Біологічні мембрани 1989 Відділ нервово-мязової фізіології Інституту фізіології ім. О.О. Богомольця НАНУ Академік М.Ф. Шуба ацетилхолін

Дослідження мускаринового катіонного струму (TRPC4/C6) в гладеньких мязах шлунково-кишкового тракту Відділ фармакології і клінічної фармакології медичного інституту Св. Георгія університету Лондона О.В. Жолос, Т.Б. Болтон

Експресія і функція TRPC4 в гладенькомязових клітинах тонкого кишечнику TRPC4 1 - WT mouse brain 2 – TRPC4-/- mouse brain 3 - ileum Otsuguro et al., J Biol Chem 2008 Tsvilovskyy et al., Gastroenterology 2009

Роль TRPC4 в генерації mIcat Tsvilovskyy et al. Gastroenterology 2009 TRPC4-/- TRPC6-/- TRPC4&C6-/-

Роль TRPC4/C6 в нейрогенних скороченнях ГМК ileum WT TRPC4-/- TRPC4/6-/-

TRP канали і захворювання дихальних шляхів

Pollutants of major public health concern include particulate matter (PM) & ozone (O 3 ) (most widespread) carbon monoxide, nitrogen dioxide, and sulfur dioxide Health risks: - chronic obstructive pulmonary disease (COPD) - acute & chronic respiratory symptoms - asthma attacks - chronic cough - bronchitis - lung damage Molecular and cellular mechanisms ? ? Many physical and chemical environmental factors affect the respiratory system, which has large surface area (~ 100 m 2 ) needed for an efficient gas exchange can be relatively easily exposed to various harmful airborne factors Key Facts Air pollution is a major environmental risk to health. Ambient (outdoor air pollution) was estimated to cause 3.7 million premature deaths worldwide in Over 4 million people die prematurely from illness attributable to the household air pollution from cooking with solid fuels.

McGarvey et al. Expression and function of bronchial epithelial Transient Receptor Potential vanilloid 1 channels in refractory asthma. Journal of Allergy and Clinical Immunology Функція TRPV1 Експресія TRP каналів в епітеліальних клітинах бронхів людини cytokeratin staining TRPV1 staining co-localisation Роль рецептора тепла і капсаіцина TRPV1 в рефрактерній астмі

Молекулярне моделювання пори TRPM8: (a) закритий стан (b) проміжний стан (c) відкритий стан каналу