SUR2

Рис. 1 Мембранна топологія і структурна організація К_АТФ-каналу кардіоміоциту по Moreau C. et al (2005).

SUR2 - сульфонілсечовинний рецептор 2 (sulfonylurea receptor 2) кодується геном ABCC9 (ATP binding cassette subfamily C member 9), та відноситься до родини SUR білків, що включають SUR1, SUR2А і SUR2В. SUR2 рецепторні білки входять до складу К_АТФ-каналів сарколемальних мембран м’язових клітин. SUR2А переважно відповідають К_АТФ-каналам міокарду, тоді як SUR2В переважно зустрічаються в судинах.

SUR2 (~160 kDa) відноситься до нуклеотид-зв'язуючих білків та в більшості входять до структури АТФ-чутливих калієвих (К_АТФ) каналів (рис. 1, SUR-рецептор показано синім). Слід зауважити, що насамперед ступінь відкривання/інгібірування каналу залежить від стану нуклеотид-зв'язуючих ділянок каналу та співвідношення інгібуючих та стимулюючих канал нуклеотидів, а саме АТФ і АДФ відповідно.

Основними структурними компонентами К_АТФ-каналу кардіоміоциту є Kir6.2 субодиниця (390 амінокислот) і SUR2А регуляторний рецептор (1549 амінокислот).

Подібність SUR2А і SUR2В рецепторів

Рис. 2 Подібність різних SUR-рецепторів (у відсотках) по Мoreau et al. et al (2005).

Структура SUR2 рецепторних білків, що переважно входять до складу К_АТФ-каналів м’язових клітин, має значні відмінності від рецептору SUR1, що переважно відповідає К_АТФ-каналам нейрональних клітин, b-клітин підшлункової залози та каналам мітохондріальної мембрани (рис. 2). Проте структура SUR2А та SUR2В співпадає на 99%

Структура SUR-рецептору

Рис. 3 Просторова будова цитоплазматичних нуклеотид-зв’язуючих доменів NBD1 і NBD2, що утворюють дві ділянки для зв’язування АТФ по Campbell J.D. et al. (2003).

У структурі SUR-рецептору виділяють три окремих ділянки, названих TMD0, TMD1 и TMD2, що складаються з 5, 6 і 6 трансмембранних доменів відповідно (див. рис.1, SUR2А). NH₂-кінець SUR білка від плазматичної мембрани розташований зовні. COOH-кінець – в цитоплазмі клітини. SUR-рецептор каналу також містить два гідрофільні АТФ-зв'язуючі домени (нуклеотид-зв’язуючі ділянки): NBD1 і NBD2, кожен з яких утворює по дві ділянки, названі Walker А і Walker В motifs, що сполучені так званою Linker L-сайтом, та утворюють каркас для LSGGQ-зв'язуючої ділянки та два залишки – глутаміновий (Q-петля) і гістаминовий (H-петля).

Структура гомологічних білків показує, що ε-амінокислота і азот у складі лізину ланцюжка амінокислот Walker А бере участь в зціплені γ- і β- фосфатів АТФ, тоді як, аспартат з ділянки Walker В орієнтований на спорідненість до Mg²⁺, за допомогою водню зв'язаного з молекулою води. Імовірно, що в ділянці з гістидіном відбувається поляризація приєднаної молекули води для гідролізу так само, як у Q-петлі, де за допомогою води відбувається взаємодія з γ-фосфатом АТФ. Водночас ділянки Walker motifs утворюють місця прикріплення та гідролізу нуклеотидів на комплексі SUR рецепторів. Отже, два нуклеотид-зв’язуючі домена NBD1 і NBD2 відповідають – перший за зчеплення АТФ, другий за його гідроліз (рис. 3). З SUR також взаємодіють Mg²⁺-нуклеотиди, фармакологічні відкривачі та інгібітори каналу.

Два нуклеотид-зв'язуючі домени NBD1 і NBD2 мають значний взаємовплив – зчеплення з нуклеотидом і подальша зміна конформації одного домена приводить до аллостеричної зміни іншого. Зокрема, взаємодія NBD2 з MgАДФ стабілізує зчеплення АТФ з NBD1 в SUR рецерторі, а зчеплення АТФ з NBD1 стабілізує нуклеотид-зв'язання з NBD2. Відомо, що АТФ і АДФ мають велику спорідненість до NBD1 домену в SUR1, що не залежить від наявності Mg²⁺ і, Водночас обидва нуклеотиди мають Mg²⁺-залежну низьку спорідненість взаємодії з NBD2 доменом в SUR1 субодиниці. Показано, що іони Mg²⁺ послаблюють чутливість вищезгаданих каналів до рівня [АТФ]i. Зокрема, взаємодія MgАДФ з другим інгібіторним місцем, дещо послаблює АТФ-обумовлене інгібування цього каналу. Взагалі, специфічною рисою нуклеотиддифосфатів (зокрема – УДФ, ЦДФ, ІДФ та, особливо АДФ) є здатність до стимуляції активності вищезазначених каналів, а Mg²⁺ значно посилює цю здатність. Слід зазначити, що за відсутності іонів Mg²⁺, АДФ не активує, а навпаки, інгібує К_АТФ-канал в кардіоміоцитах (напівмаксимальне пригнічення активності каналу відбувається за концентрації АДФ 275 мкмоль/л) і найімовірніше, зв'язується з інгібіторним місцем для АТФ. Водночас у присутності іонів Mg²⁺, АДФ протистоїть інгібіторним ефектам АТФ і стимулює канальну активність. Ймовірно, що збільшення активності цих каналів молекулами АДФ може відбуватися через антагонізм АТФ-індукованого інгібування каналу. Збільшення активності цих каналів при дії інших нуклеотідфосфатов, можливо, не залежить від АТФ-зв'язуючої інгибіторної ділянки каналу.

Зміна функціональної активності К_АТФ-каналів за алельних поліморфізмів SUR2

Алельний поліморфізм (заміна поодиноких нуклеотидів) по гену ABCC9 (кодує білок SUR2)  може призводити до зміни функції K_ATФ- каналу та розвитку патології. K_ATФ-каналопатії залучені в захворювання з механічними та електричними вадами серця, що включають дилатаційну кардіоміопатію з тахікардією та аритмією шлуночків, та адренергічну фібриляцію передсердь. Що є наслідком поліморфізму rs608569 в екзоні 38 ABCC9 (OMIM #608569), який кодує С-кінцевий домен SUR2А, та може зменшувати реакційну активність канальної АТФ-ази, з порушенням метаболічного сигналювання. Заміна треоніна в положенні 1547 на ізолейцин (T1547I) поліморфізму с.4640С>T в екзоні 38 гена ABCC9, що кодує С-кінцевий домен каналу субодиниці SUR2А, не змінює інгібуючу дію АТФ на провідність каналу, проте пригнічує його реакцію на вміст АДФ, що може унеможливити пригнічення адренерго-індукованої фібриляції передсердь, що походять з вени Маршалла, в якій є багато симпатичних волокон і яка є визнаним джерелом фібриляцій такого типу. Зміна функціональної активності K_ATФ-каналів ендотеліальних клітин коронарних судин (Kir6.2/SUR2B) за алельного поліморфізму V734I в 17 екзоні гена ABCC9 (SUR2), який кодує ділянку з 13 амінокислот у першому нуклеотид-зв’язуючому домені (NBD1), призводить до спазмів коронарних судин та, як наслідок, можливого гострого інфаркту міокарда. Показано, що даний поліморфізм у людей збільшує імовірність його розвитку у віці до 60 років у 6,4 раза. Відомо, що ця ділянка домену NBD1 бере участь у відповіді каналу до нуклеотидів. Взагалі, цей поліморфізм має місце як в SUR2A так і SUR2B рецепторах. Проте, Smith K.J. et al (2013) виявили, що він не змінює реакцію каналів Kir6.2/SUR2A (сарколемальні канали кардіоміоцитів, переважно шлуночків) і Kir6.1/SUR2B (сарколемальні канали ГМК коронарних судин) до нуклеотидфосфатів. Водночас у K_ATФ-каналів ендотеліальних клітин коронарних судин (Kir6.2/SUR2B) знижується чутливість до інгібування MgATФ та до активації MgНДФ (MgAДФ, MgГДФ і MgУДФ). Тобто, поліморфізм Kir6.2/SUR2B-V734I може бути основною причиною порушення регуляції каналів нуклеотидами через зміну чутливості до MgATФ на NBD1 домені SUR2B рецептору. Одним із наслідків цього в ендотеліальних клітинах імовірно може бути підвищення генерації ендотеліну-1. Підтвердженням цьому може бути збільшення вмісту останнього якраз у тварин з нокаутом Kir6.1/SUR2B, що сприяло спазмам коронарних судин. Отже, алельний поліморфізм V734I гена ABCC9 (SUR2) є першим відомим поліморфізмом людини в іонному каналі, який може залучатися в розвиток інфаркту міокарда.

Рис. 4 Класифікація фармакологічних відкривачів К_АТФ-каналів базується на їх хімічній структурі по A. Jahangir & A. Terzic (2005)

Специфічна активність фармакологічних активаторів К_АТФ-каналів та сайти їх взаємодії з SUR- рецептором каналу

Фармакологічні відкривачі К_АТФ-каналів ділять на декілька груп, які відрізняються молекулярною будовою та кристалічною структурою. Найбільш дослідженими є ціаногуанідини (самий відомий представник – пінациділ), бензопірани (левкромакалім та кромакалім), тіоформаміди (апрікалім), піримідини (міноксідил), нікотинаміди (нікорандил) та бензотіадіазини (діазоксид) (рис. 4).

Відомості про молекулярний склад SUR рецепторів дали змогу визначити місця взаємодії з канальними білками SUR практично для всіх основних активаторів та інгібіторів К_АТФ-каналів, в тому числі фармакологічних. На рис. 6 представлено сайти взаємодії з SUR рецепторами фармакологічних активаторів – діазоксиду, пінацидилу, Р1075 та левкромакаліму. Як видно, три останніх зв’язуються з 16-17 ділянкою ТМD та 13-14 ділянкою CL SUR2-рецепторів. Водночас діазоксид взаємодіє з сегментом ТМD 6-11 та доменом NBD1 SUR1-рецепторів не залежно від присутності АДФ, та з NBD2 доменом за присутності АДФ.

Рис. 5 Сайти взаємодії з SUR рецепторами фармакологічних активаторів К_АТФ-каналів: діазоксиду, пінацидилу, Р1075 та левкромакаліму по T. Matsuoka et al. (2000).

Згодом, аналогічні сайти з’єднання фармакологічних активаторів з К_АТФ-каналом були отримані також C. Moreau et al. (рис. 6). Було підтверджено, що діазоксид взаємодіє лише з рецептором типу SUR1, тоді як більшість активаторів вищезгаданих каналів переважно з’єднується з SUR2-рецепротами. Відповідно до сайту взаємодії фармакологічних відкривачів каналу з SUR-рецептором сульфонілсечовини та типу цього рецептору – змінюється спорідненість активаторів до певного підтипу К_АТФ-каналу та їх специфічна активність. Зокрема, К_АТФ-канали, що містять ізоформу SUR1 (підшлункової залози), можуть активуватися лише активаторами, що по своїй структурі відносяться до бензотіадизінів – це діазоксид і його аналоги: NNC 55-9216, Nn414 і NNC 55-0118. Діазоксид практично не змінює активність К_АТФ-каналів кардіоміоцитів, гладеньких м’язів судин та скелетних м'язів. З іншого боку, два таких відомих активатора К_АТФ-каналів як пінациділ і кромакалім практично не відкривають калієві канали в панкреатичних β-клітинах і, водночас, дуже сильно активують канали в кардіоміоцитах і ГМК судин, канали яких складаються з SUR2А і SUR2В рецепторів відповідно. Дійсно, К_АТФ-канали дуже чутливі як до діазоксиду, так і до пінациділу та кромакаліму, проте два останніх в основному зменшують периферичний судинний опір, кров'яний тиск і ТПД кардіоміоцитів, маючи при цьому мінімальну дію на панкреатичні β-клітини (рис. 6).

Рис. 6 Місця взаємодії з К_АТФ -каналом фармакологічних активаторів: діазоксид діє лише на SUR1 субодиницю каналу, інші активатори взаємодіють переважно з SUR2 рецепторами та, в деякій мірі, з SUR1 (по C. Moreau et al., 2005)

Таким чином, специфічна активність фармакологічних активаторів вищезгаданих каналів залежить від сайту зв’язування з SUR-рецептором.

Література

• Р.Б. Струтинський. Механізми кардіопротекторної дії активації SUR-рецепторів калієвих каналів. Дисертація доктора наук. 2018.
• Alekseev AE, Hodgson DM, Karger AB. at al. ATP-sensitive K⁺ channel channel/enzyme multimer: Metabolic gating in the heart. J Mol Cell Cardiology. 2005; 38:895-905.
• Andersson KE, Arner A. Urinary bladder contraction and relaxation: physiology and pathophysiology. Physiol Rev. 2004; 84: 935-86.
• Bienengraeber M, Olson TM, Selivanov VA, et al. ABCC9 mutations identified in human dilated cardiomyopathy disrupt catalytic KATP channel gating. Nat Genet. 2004; 36: 382-7.
• Campbell JD, Sansom MS, Ashcroft FM. Potassium channel regulation. EMBO Rep. 2003; 4 (1):1038-42.
• Chutkow WA, Makielski JC, Nelson DJ, Burant CF, Fan Z. Alternative splicing of sur2 Exon 17 regulates nucleotide sensitivity of the ATP sensitive potassium channel. J Biol Chem. 1999; 274: 13656-65.
• de Araujo ED, Kanelis V. Successful development and use of a thermodynamic stability screen for optimizing the yield of nucleotide binding domains. Protein Expr Purif. 2014; 103: 38-47.
• Flagg TP, Nichols CG. Sarcolemmal K_ATP channels: what do we really know?  J Mol Cell Cardiology. 2005; 39: 61-70.
• Hiraoka M, Furukawa T. Functional modulation of cardiac ATP-sensitive K⁺ channels. News Physiol Sci. 1998; 13 (6): 131-7.
• Ismail HA, Khalifa MM, Hassan MK, Ashour OM. Insights in the mechanisms underlying the anti-ulcer activity of nicorandil. Pharmazie. 2007 Jan;62(1):60-6.
• Jahandir A, Terzic A. KATP channel therapeutics at the bedsise. J Mol Cell Cardiology. 2005;39:99-112.
• Lerman A, Holmes JrDR, Bell MR, et al. Endothelin in coronary endothelial dysfunction and early atherosclerosis in humans. Circulation. 1995; 92: 2426-31.
• Matsuoka T, Matsushita K, Katayama Y, et al. C-terminal tails of sulfonylurea receptors control ADP-induced activation and diazoxide modulation of ATP-sensitive K(+) channels. Circ Res. 2000; 87 (10): 873-80.
• Minoretti P, Falcone C, Aldeghi A, et al. Novel Val734Ile variant in the ABCC9 gene associated with myocardial infarction. Clin Chim Acta. 2006; 370 (1-2): 124-8.
• Moreau C, Prost A-L, Derand R, Vivaudou M. SUR, ABC proteins targeted by KATP channels openers. J Mol Cell Cardiology. 2005; 38: 951-63.
• Morrissey A, Rosner E, Lanning J. Immunolocalization of KATP channel subunits in mouse and rat cardiac myocytes and the coronary vasculature. BMC Physiol. 2005; 5 (1): 1.
• Nichols CG, Lederer WJ. Adenosine triphosphate-sensitive potassium channels in the cardiovascular system. Am J Physiol. 1991; 261  (6): H1675-H1686.
• Olson TM, Alekseev AE, Moreau C, et al. KATP channel mutation confers risk for vein of Marshall adrenergic atrial fibrillation. Nat Clin Pract Cardiovasc Med. 2007; 4: 110-6.
• Olson ТМ, Terzic A. Human KATP channelopathies: diseases of metabolic homeostasis. Pflugers Arch. 2010; 460 (2): 295-306.
• Reyes S, Kane GC, Miki T, Seino S, Terzic A. KATP channels confer survival advantage in cocaine overdose. Mol Psychiatry. 2007; 12: 1060-1.
• Rodriguez-Pascual F, Busnadiego O, Lagares D, Lamas S. Role of endothelin in the cardiovascular system. Pharmacol Res. 2011; 63: 463-72.
• Smith KJ, Chadburn AJ, Adomaviciene A, Minoretti P, Vignali L, Emanuele E, Tammaro  P. Coronary spasm and acute myocardial infarction due to a mutation (V734I) in the nucleotide binding domain 1 of ABCC9. Int J Cardiol. 2013; 168 (4): 3506-13.
• Sobey CG. Potassium channel function in vascular disease. Arterioscler Tromb Vasc Biol. 2001; 21: 28-38.
• Trapp S, Ashcroft FM. A metabolic sensor in action: news from the ATP-sensitive K⁺ channel. News Physiol Sci. 1997; 2: 255-63.
• Yokoshiki H, Sunagawa M, Seki T, Sperelakis N. ATP-sensitive K⁺ channels in pancreatic, cardiac, and vascular smooth muscle cells. Am J Physiol Cell Physiol. 1998; 274: 25-37.
• Yoshida H, Feig JE, Morrissey A, Ghiu IA, Artman M, Coetzee WA. K ATP channels of primary human coronary artery endothelial cells consist of a heteromultimeric complex of Kir6.1, Kir6.2, and SUR2B subunits. J Mol Cell Cardiol. 2004; 37: 857-69.