Газотрансмиттеры

Ничто не слишком!

Когда-то в мини-монографии, посвященной роли трансмиттеров в регуляции развития, авторы обсуждали вопрос о «кажущейся избыточности сигнальных веществ в зародышевой клетке», поскольку в бластомерах одновременно присутствуют серотонин с катехоламинами и различные вторичные мессенджеры – цАМФ, ИТФ, ОАГ и ионы кальция (Shmukler, Buznikov. 1998. Perspect. Dev. Neurobiol., 5, 469-480). С тех пор ситуация только усложняется с обнаружением одновременной экспрессии в одноклеточных и дробящихся зародышах компонентов сигнальных путей различных катехоламиновых трансмиттеров (Čikoš et al., 2015, Biologia 70/9: 1263—1271), а также различных типов серотониновых рецепторов у птиц (Olszanska et al), земноводных (Shmukler, Nikishin. In: Cell Interactions, InTech, 2012, Ch. 2, pp. 31-65) и млекопитающих (Čikoš et al., 2011, Human Reproduction, Vol.26, No.9 pp. 2296–2305; Nikishin et al, in press). Ныне же картину регуляции раннего эмбрионального развития приходится дополнить еще и включением механизмов с участием газотрансмиттеров – NO и H₂S:

Gasotransmitters in Gametogenesis and Early Development: Holy Trinity for Assisted Reproductive Technology—A Review

Jan Nevoral, Jean-Francois Bodart, and Jaroslav Petr

Oxidative Medicine and Cellular Longevity Volume 2016, Article ID 1730750, 12 pages

Авторы обзора рассматривают газотрансмиттеры NO и H₂S как существенные компоненты различных путей сигнализации, обеспечивающей полноценный гамето- и эмбриогенез, наряду с ранее известными ключевыми сигнальными факторами. В частности, NO является позитивным сигналом при оплодотворении и в раннем развитии. Изменения гамет и их взаимодействие в процессе оплодотворения регулируются сигнализацией через каскад киназ, таких как протеинкиназа А, митоген-активируемая протеинкиназа (MAPK) и кальмодулин-зависимая ПК II (CaMKII), с непосредственным либо косвенным участием вторичных мессенджеров - Ca²⁺ и цАМФ. В дополнение к ним описано также участие в этой сигнализации и NO, и предполагается участие в клеточной сигнализации H₂S (см. рисунок).

NO-синтазы – эндотелиальная (eNOS), нейрональная (nNOS) и индуцибельная (iNOS) присутствуют в ооците млекопитающих в различных субклеточных локализациях. Воздействие NO приводит к овуляции зрелых пригодных к оплодотворению ооцитов.

NO способна стимулировать растворимую гуанилатциклазу (sGC), которая является NO-специфическим рецептором, повышая продукцию цГМФ и, таким образом, активность протеинкиназы G (PKG). NO-sGC-cGMP-PKG сигнальный путь способен индуцировать спонтанную активацию ооцита и последующее партеногенетическое развитие. В ооцитах Xenopus партеногенетический эффект NO является Ca²⁺-зависимым и происходит благодаря инактивации MAPK. При этом в активации ооцитов млекопитающих и Xenopus NO не является критичным, в отличие от процесса оплодотворения яйцеклеток морских ежей. Влияние NO на выживание эмбрионов может основываться на S-нитрозилировании или активации сигнального пути NO/GC/cGMP.

Еще один путь действия газотрансмиттеров в ходе оогенеза и преимплантационного развития – это посттрансляционные модификации белка. NO реализует свою сигнальную функцию путем S-нитрозилирования - связывания сульфгидрильных групп цистеиновых остатков в белках-мишенях. Спектр S-нитрозилированных белков включает цитоскелет и белки клеточного цикла, вовлеченные в процессы от прохождения мейоза до имплантации эмбриона. Хотя нет данных о том, что S-нитрозилирован сам фактор, запускающий М-фазу (MPF), состоящий из циклина В и циклин-зависимой киназы 1 (CDK1), это показано для CDK2, CDK5 и CDK6. Тогда как CDK2-нитрозилирование повышает его активность, эффект S-нитрозилирования CDK5 и CDK6 остается неясным. Помимо регуляторов клеточного цикла, S-нитрозилирование также существенно для преимплантационных эмбрионов и в процессе имплантации. В ходе последней NO влияет на подвижность трофобласта через нитрозилирование металлопротеиназы матрикса MMP9.

Сходным образом, S-сульфгидрилирование представляет собой посттрансляционную модификацию остатков, путем образования персульфидных связей (-SSH). S-сульфгидрилирование считается первичным путем молекулярного действия H₂S без участия известных специфических рецепторов. Все три фермента, выделяющих H₂S, обнаружены в ооцитах свиньи и окружающих клетках кумулюса, что соответствует более ранним данным об участии H₂S в фолликулогенезе и созревании ооцита. Имеются наблюдения защитного действия H₂S против старения ооцитов и позитивного эффекта на эмбриональное развитие. Описано физиологическое действие H₂S, эндогенно выделенного непосредственно в ооците, при котором наблюдается модифицированная активность MPF и MAPK, вследствие, вероятно, S-сульфгидрилирования этих киназ и их активирующих факторов, что сближает значение этого процесса с фосфорилированием белков.

Среди фосфатаз, вовлеченных в сигнальные пути раннего эмбриогенеза, чья активность может модулироваться S-сульфгидрированием, гомолог фосфатазы и тензина (PTEN), протеин-тирозин фосфатаза 1B (PTP1B) и CDC25. Протеинфосфатаза PTEN необходима на ранних стадиях нормального эмбрионального развития. В случае PTEN S-сульфгидрирование поддерживает активность фосфатазы путем предупреждения его S-нитрозилирования, которое приводит к деградации белка. PTP1B принадлежит к семейству ErbB, вовлеченному в многочисленные сигнальные пути, модулирующие пролиферацию, адгезию, миграцию клеток или выживание эмбрионов. Показано, что PTP1B инактивируется S-сульфгидрированием цистеина C215, расположенного в каталитическом сайте. Также, CDC25 может быть сульфгидрирован и инактивирован, вероятно, путем модификации цистеина в его активном сайте. Предполагается, что список S-сульфгидрируемых белков включает также MKP1, ERK1 и CDK5, CDC25 и MMP9 CDK2.

Таким образом, газотрансмиттерная регуляция гамето- и эмбриогенеза представляется столь же широкой и разнообразной, как и продемонстрированная для нейротрансмиттеров, уже считающихся традиционными сигнальными молекулами донервного развития. Интересно, какие еще трансмиттеры и регуляторы развития будут найдены на жизни поколения физиологов развития, начинавшего эти исследования в ХХ веке….

Обзор снабжен развитой библиографией и ориентирован исходно на исследователей в области ЭКО и вспомогательных репродуктивных технологий ART.