синдром анкирина-б и синдром бругада (анкирина-г

СИНДРОМ АНКИРИНА-Б И СИНДРОМ БРУГАДА
(АНКИРИНА-Г) – ДВА ТИПА АРИТМОГЕННЫХ
ФАТАЛЬНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ
Andrés Ricardo Pérez Riera
Edgardo Schapachnik
Sergio Dubner
Ключевые слова: Анкирины – Внезапная сердечная смерть – Синдром Бругада – Синдром
Анкирина-Б
Для нормального сцепления между возбуждением и сокращением а также для поддержания
сердечного ритма необходима координированная деятельность ионных каналов сердечной
мышцы.
Разновидность человеческих генов, которая влияет на биохимические свойства каналов ,
связана с возникновением фатальных аритмий.
Анкирины
–
это
внутриклеточные
полипептиды,
необходимые
для
биосинтеза
и
поддержания мембранных доменов в возбудимых и невозбудимых клетках. Кроме того, они
являются мембранными адаптивными молекулами, которые играют важную роль во
взаимодействии интегральных мембранных белков и спектриновой сети цитоскелета.
Семейство анкириновых (anchor, в переводе с английского – якорь) полипептидов берёт
участие в распределении-прикреплении
и стабилизации мембранных белков, включая
ионные каналы, переносчики, ионообменники и клеточные адгезивные молекулы в
различных тканях и типах клеток организма: эритроцитах, почках, лёгких и головном мозге.
Анкирин – это цитоскелетный белок, адаптирующий и контролирующий выход Ca2+ в
инозитол 1, 4, 5-трифосфатных рецепторах (IP(3)R) эндоплазматического ретикулума.
Ранее, нарушение функции анкиринового механизма связывалось с такими патологиями
позвоночных как: наследственный сфероцитоз, анемия, атаксия и аксонная дегенерация.
Недостаток анкирина – это одна из наиболее частых причин человеческого наследственного
сфероцитоза1. Недавние исследования показали важность анкиринового механизма в
возбудимости сердечных клеток. Так, мутация генов анкирина приводит к тяжёлым
наследственным заболеваниям как, например, фатальный аритмический синдром. При этом
2 анкириновые генные продукты, 220-kDa анкирин-Б (также известный как анкирин 2) и 190-
www.scd-symposium.org
kDa анкирин-Г, связанные с распределением-прикреплением различных мембранных
ионных каналов и переносчиков к возбуждаемым мембранным доменам кардиомиоцитов.
Aнкирин-Б – это спектрин-связанный белок, который необходим для локализации инозитол
1,4,5-трифосфатных и рианодиновых рецепторов в неонатальных кардиомиоцитах. В этих
клетках происходит взаимодействие между анкирином-Б и бэта(2)-спектрином. Анкирин-Б и
бета(2)-спектрин находятся во внутриклеточном исчерченном пространстве, окружающем Mлинии, отдельно от T-трубочек, саркоплазматического ретикулума, коплекса Гольджи,
эндоплазматического ретикулума, лизосом и эндосом. Бэта(2)-спектрин отсутствует в
анкирин-Б-«нулевых» кардиомиоцитах и при окраске зелёным флюоресцентным протеином220-kDa анкирин-Б восстанавливается нормальный исчерченный порядок.
Анкирин-Б и анкирин-Г есть признанными составными частями сердечной мышцы, которые
прикрепляют различные ионные каналы, насосы, переносчики к физиологическим сайтам
воздействия. В экспериментах с мышами мутации анкирина-Б вызывают сердечный
аритмический синдром, связанный с нарушением кальциевого гомеостаза.
Анкирин-Г связан с основными потенциалозависимыми сердечными натриевыми каналами и
потеря этого взаимодействия, вследствие мутации Nav1.5, приводит с синдрому Бругада2.
Mohler и соавт. выявили человеческую генетическую мутацию (E1053K) в связанных с
анкирином Na(v)1.5, которая приводит к синдрому Бругада – фатальной аритмии, вызванной
нарушениями функционирования Na(v)1.5. Мутация E1053K препятствует связыванию
Na(v)1.5 и анкирина-Г а также предотвращает накопление Na(v)1.5 на клеточной
поверхности желудочковых кардиомиоцитов. Анкирин-Г и Na(v)1.5 находятся во вставочных
дисках и T-трубочках мембран кардиомиоцитов, Na(v)1.5 преципитирует с 190-kDa
анкирином-Г в растворе лизата сердца крыс.
Эти данные предполагают связь между Na(v)1.5 и анкирином-Г и показывают, что анкирин-Г
необходим для локализации Na(v)1.5 в возбуждаемых мембранах кардиомиоцитов.
Согласно с результатами исследований невронов и кардиомиоцитов предполагается, что
анкирин-Г берёт участие в общем механизме локализации потенциалозависимых Na(v)
каналов в местах функционирования в различных возбудимых клетках3.
На рисунках 1, 2 и 3 показана структура анкирина а также его различная локализация,
функции и спектр мутаций человеческого анкирина.
www.scd-symposium.org
Рисунок 1
ОРГАНИЗАЦИЯ ДОМЕНА АНКИРИНА
Каноническая организация домена анкирина. Анкирин имеет большой домен связанный с
мембраной, состоящий из 24 ANK повторений (жёлтые ячейки), домен связанный со
спектрином (красный), смертельный домен с неизвестной функцией (синий) и Cтерминальный регуляторный домен (зелёный).
Рисунок 2
Альтернативный сплайсинг генов анкирина приводит к синтезу большого количества
анкириновых полипептидов с различной локализацией и функциями.
www.scd-symposium.org
Рисунок 3
Спектр мутаций в человечеком ANK2 спектрин-связанном и С-терминальном регуляторном
доменах, связанных с желудочковой аритмией и внезапной сердечной смертью. Аномалии
клеточного анкиринового белка, вызывающие фатальный сердечный синдром.
Исследования у человека и у мышей определили механизмы влияния анкирина на
нормальную сердечную возбудимость.
Cai и Zhang показали, что дупликация генов анкирина происходит в две стадии. Первая –
отображает независимый эволютивный процесс у Arthropoda после дивергенции от
Chordata. Отделившись от Urochordata, развитие анкиринов у позвоночных включает
унаследованные геномные дупликации. Автора не нашли доказательств
координации
семейства генов мембранных протеинов, связанных с анкирином в паралогичных
хромосомах.
Кроме
ограниченными
того,
сайтами
эволюция
генов
24
анкирина,
ANK-повторений
которые,
тесно
возможно,
связана
возникли
с
экзон
перед
их
дупликацией у позвоночных. Эта связь, по-видимому, является довольно сложной. Более
того,
основываясь
на
филогенетическом
анализе
ANK-повторных
доменов,
они
способствуют возникновению новой модели предполагаемого примордиального анкирина,
содержащего четвёртый 6-ANK-повторный поддомен и спектрин-связанный домен. Эти
данные дадут направление для будущих исследований, касающихся структуры, функции,
эволютивного происхождения анкиринов и, возможно, других цитоскелетных белков4.
Снижение уровней экпрессии 220-kDa анкирина-Б у крыс или присутствие мутаций,
приводящих к потере функции анкирина-Б у человека, ведёт к развитию нового сердечного
аритмического синдрома, названного синдромом анкирина-Б – кардиологической болезни со
спектром клинических презентаций, включающих:
www.scd-symposium.org
1) брадикардию с дисфункцией синусного узла;
2) желудочковую тахикардию;
3) идиопатическую желудочковую фибрилляцию;
4) катехоламинергическую полиморфную желудочковую тахикардию;
5) внезапную сердечную смерть в ответ на катехоламинергические стимулы.
Вначале, синдром был классифицирован как IV тип удлинённого синдрома QT (LQTS, long
QT syndrome). Новый сердечный аритмический синдром отличается от LQTS. Удлинение
коррегированного интервала QT не является постоянным признаком, указывая на то, что
дисфункция анкирина-Б представляет собой самостоятельную клиническую единицу,
отличающуюся от классического LQTS. Mohler и соавт. раскрыли роль анкирина-Б как
цитоскелетного "адаптирующего" белка или неионного канального протеина при IV типе
LQTS. При данном синдроме нарушается кальциевая передача сигналов и в присутствии
мутации гена анкирина-Б нарушаются функции различных каналов и бомб, которые в
нормальном состоянии взаимодействуют с анкирином-Б. Автора предполагают, что
нарушение функции этих каналов является новым механизмом, ведущим к развитию
сердечной миопатии5.
Мутация анкирина-Б вызывает повышенный кальциевый транзит в кардиомиоцитах (все
мутации нарушают способность анкирина-Б возобновлять анормальную динамику Ca2+), что
приводит к потери клеточного распределения анкирин-связывающих протеинов Na/K АТФазы, Na+/Ca2+ ионоообменников и InsP3 рецепторов кардиомиоцитов в мембранных доменах.
220-kDa
анкирин-Б
необходим
для
координированного
функционирования
Na/Ca
ионообменника, Na/K АТФ-азы и инозитол 1,4,5-трифосфатных рецепторов в сайтах
поперечных
трубочек
саркоплазматического
ретикулума
кардиомиоцитов6.
Биосинтетические эксперименты показали, что снижение количества или потеря анкирина-Б
в анкирин-Б (+/-) или анкирин-Б (-/-) кардиомиоцитах новорождённых ведёт к 3-разовому
снижению периода полувыведения синтезированного InsP(3)R. Более того, взаимодействие
с анкирином-Б требует стабильности рецепторов инозитол-трифосфата (IP3) как и
анормального фенотипа InsP(3)R, включающего ошибочную локализацию и сниженный
период полувыведения анкирин-Б (+/-) кардиомиоцитов, которые могут быть закрашены
зелёным флюоресцентным протеином (GFP)-220-kDa анкирин-Б, но не изменённым GFP220-kDa анкирином-Б, который не связан с InsP(3)R. Для ранней пост-трансляционной
стабильности InsP(3)R
необходим молекулярный партнёр7. IP3 рецепторы являются
www.scd-symposium.org
интегральными белками SR мембраны, которая регулирует выход Ca+2 из внутриклеточных
запасов. Кроме того, IP3 рецепторы могут играть роль в поддержании диастолической
функции и в физиологической модуляции сократительной способности миокарда в ответ на
различные лекарственные средства и гормоны. IP3 рецепторы синтезируются при гидролизе
мембранных
фосфолипидов
фосфатидилинозитол-бифосфата,
ферментом
фосфатидилинозито-биофосфатом,
катализируемого
катализируемая
ферментом
фосфолипазаой С в сердце.
Mohler и соавт. открыли 2 мутации (A1000P и DAR976AAA), локализованные в домене ZU5,
которые подавляют спектрин-связывающую активнось анкирина-Б. При мутации анкирина-Б
нарушается
его
спектрин-связывающая
активность,
при
этом
мутантный
белок
распределяется нормально, но не восстанавливает бета(2)-спектрин в анкирин-Б(+/-)
кардиомиоцитах.
возобновлять
Однако
обеи
локализацию
мутантные
рецепторов
формы
инозитол
анкирина-Б
всё
1,4,5-трифосфата
ещё
и
способны
нормальную
сократительную частоту кардиомиоцитов. Таким образом, необходима прямая связь бета(2)спектрина
с
анкирином-Б
для
нормального
распределения
бета(2)-спектрина
в
неонатальных кардиомиоцитах. В отличие от этого, локализация и функция анкирина-Б не
зависит от бета(2)-спектрина. Связь между семействами анкирина и бета-спектрина, которая
была установлена ранее в эритроцитах и начальном сегменте аксонов, также возникает в
неонатальных
кардиомиоцитах
–
между
анкирином-Б
и
бета(2)-спектрином.
Есть
функциональная иерархия при которой анкирин-Б определяет локализацию бета(2)спектрина и функционирует независимо от бета(2)-спектрина в организации мембранных
протеинов8.
Основные сердечные потенциалозависимые Na+ каналы, Nav1.5, прямым образом связаны с
анкирином-Г, который кодируется геном, отличающимся от гена анкирина-Б. Мутации
Nav1.5, вызывающие нарушение связывания с анкирином-Г приводят к развитию синдрома
Бругада и потери распределения Nav1.5 на клеточной поверхности кардиомиоцитов.
Анкирин-Г необходим для экспрессии сердечных потенциалозависимых Na(v) каналов,
Na(v)1.5, в специализированных доменах мембран сердечных клеток. Изменения в SCN5A
(кодирует Na(v)1.5) у человека, которые блокируют взаимодействие Na(v)1.5 с анкирином-Г
приводят к нарушению мембранной экспрессии Na(v)1.5 и синдрому Бругада. Все эти
результаты недавних исследований подчёркивают важность механизма действия анкирина в
нормальной физиологии позвоночных и поднимает новые волнующие вопросы о клеточной
роли анкирина в сердечных и других возбудимых клетках. В то время как анкирины были
лишь недавно выявлены в сердце, наше настоящее понимание вопроса предполагает, что
www.scd-symposium.org
важнейшая роль анкиринов в организации и прикреплении белковых комплексов к
возбуждаемым мембранным доменам прольёт свет на молекулярный механизм сердечных
аритмий9. В прошлом десятилетии, уже была найдена связь между генетическими
вариантами,
которые
нарушали
биофизические
свойства
каналов,
и
фатальными
аритмиями. Анкирины являются семейством "адаптирующих" белков, играющих важнейшую
роль в экспрессии и мембранной локализации ионных каналов и переносчиков в возбудимых
и невозбудимых клетках. Недавние исследования показали новую парадигму человеческих
сердечных аритмий, основанную не на том, что генные мутации влияют на биофизические
свойства каналов, а на том, что мутации
влияют на локализацию ионных каналов и
переносчиков возбудимых сердечных мембран. Мутации в человеческом гене ANK2 связаны
с «синдромом анкирина-Б» (атипичный аритмический синдром с риском внезапной
сердечной смерти). Мутации в человеческом генотипе, при которых нарушается механизм
влияния анкирина-Г на локализацию потенциалозависимых Na(v) каналов, были связаны с
синдромом Бругада, второй по значимости в возникновении фатальных аритмий. Все эти
данные
показывают
мембранных
доменов
важность
молекулярного
возбудимых клеток. Это
механизма
открывает
клеточной
организации
исследовательское
поле
деятельности изучения «каналопатий», возникающих вследствие нарушения локализации и
распределения-прикрепления каналов10.
Вывод
Недавние исследования показали новую парадигму человеческих сердечных аритмий,
основанную не на том, что генные мутации влияют на биофизические свойства каналов, а на
том, что мутации
влияют на локализацию ионных каналов и переносчиков возбудимой
сердечной мембраны. Аномалии клеточного анкиринового белка вызывает фатальный
аритмический синдром. Мутации ANK2 в генотипе человека связаны с возникновением
нового синдрома, названного «синдромом анкирина-Б», который представлен широким
спектром
клинических
желудочковой
презентаций:
тахикардией,
брадикардией,
идиопатической
дисфункцией
желудочковой
синусного
узла,
фибрилляцией,
катехоламинергической полиморфной желудочковой тахикардией и внезапной сердечной
смертью в ответ на катехоламинергические стимулы. Человеческие генные мутации,
влияющие на механизм деятельности анкирина-Г на локализацию потенциалозависимых
Na(v) каналов, связаны с синдромом Бругада, вторым по значимости фатальным
аритмическим синдромом. Это открывает новое исследовательское поле деятельности для
изучения «каналопатий», возникающих вследствие нарушения канальной локализации и их
www.scd-symposium.org
прикрепления. Сердечные аритмии, связанные с анкирином-Б и возникающие вследствие
нарушения клеточного распределения-прикрепления протеинов, являются новым классом
«каналопатий».
Литература
1) Birkenmeier CS, Gifford EJ, Barker JE. Normoblastosis, a murine model for ankyrindeficient hemolytic anemia, is caused by a hypomorphic mutation in the erythroid ankyrin
gene Ank1. Hematol J. 2003;4: 445-449.
2) Mohler PJ, Bennett V. Ankyrin-based cardiac arrhythmias: a new class of channelopathies
due to loss of cellular targeting. Curr Opin Cardiol. 2005; 20:189-193.
3) Mohler PJ, Rivolta I, Napolitano C, LeMaillet G, Lambert S, Priori SG, Bennett V. Nav1.5
E1053K mutation causing Brugada syndrome blocks binding to ankyrin-G and expression
of Nav1.5 on the surface of cardiomyocytes. Proc Natl Acad Sci U S A. 2004; 101:1753317538.
4) Cai X, Zhang Y. Molecular evolution of the ankyrin gene family. Mol Biol Evol. 2006;
23:550-558.
5) Yong S, Tian X, Wang Q. LQT4 gene: the "missing" ankyrin. Mol Interv. 2003; 3: 131-136.
6) Mohler PJ, Splawski I, Napolitano C, Bottelli G, Sharpe L, Timothy K, Priori SG, Keating
MT, Bennett V. A cardiac arrhythmia syndrome caused by loss of ankyrin-B function. Proc
Natl Acad Sci U S A. 2004; 101:9137-142.
7) Mohler PJ, Davis JQ, Davis LH, Hoffman JA, Michaely P, Bennett V. Inositol 1, 4, 5trisphosphate receptor localization and stability in neonatal cardiomyocytes requires
interaction with ankyrin-B. J Biol Chem. 2004; 279:12980-12987.
8) Mohler PJ, Yoon W, Bennett V. Ankyrin-B targets beta2-spectrin to an intracellular
compartment in neonatal cardiomyocytes. J Biol Chem. 2004;279:40185-93.
9) Cunha SR, Mohler PJ. Cardiac ankyrins: Essential components for development and
maintenance of excitable membrane domains in heart. Cardiovasc Res. 2006; 71:22-29.
10) Mohler PJ. Ankyrins and Human Disease: What the Electrophysiologist Should Know. J
Cardiovasc Electrophysiol. 2006 Jun 27; [Epub ahead of print]
www.scd-symposium.org