5.5. Регуляторные блоки

5.5. Регуляторные блоки

В течение долгого времени постулировалась специфичность регуляторных сигналов и рецепторов, воспринимающих эти сигналы. В отношении химических сигналов идея специфичности достигла наибольшего развития. Действительно, эти сигналы, действующие через кровь, должны находить свои клетки-мишени и оказывать на них определенный эффект. В то же время число сигнальных молекул по сравнению с тем количеством, которое следовало бы ожидать, исходя из специфичности химических сигналов, невелико. Рецепторы для каждого типа сигнальных молекул локализованы практически в клетках всех типов. Кроме того, на примере кишечной гормональной системы продемонстрировано, что клетки, продуцирующие казавшийся ранее уникальным гормон, могут быть дублированы или даже мультиплицированы.

Попытаемся показать, что многообразные высокоразвитые формы управления в сложных организмах достигаются благодаря комбинации стандартных функциональных блоков, образующих специализированные и приспособленные для определенных задач цепи.

Химические сигналы. Первоначально предполагалось, что каждый эффект и каждый источник физиологически активного вещества связан с особым гормоном. При действии на мишень нескольких гормонов принималось, что лишь один из них оказывает физиологическое действие, а другие — фармакологическое. Однако множественный контроль клеток различных типов пищеварительной системы известен. Например, обмен воды между тканями тонкой кишки и ее полостью контролируется многими гормонами (гастрин, секретин, холецистокинин, ВИП, ГИП, вазопрессин, субстанция Р, бомбезин, серотонин и др.), продуцируемыми эндокринными клетками как желудочно-кишечного тракта, так и другими эндокринными органами, а также простагландинами. Чувствительность к различным гормонам и другим физиологически активным веществам означает наличие рецепторов многих типов или сложных рецепторов, способных связывать не один, а два или более видов лигандов. (Под рецепторами понимается большая группа структур, обладающих высоким сродством и способностью связываться с определенными типами лигандов). Можно ли считать, что рецепторные блоки различных органов идентичны или они специфичны для каждого соответствующего органа? Мембранные рецепторы являются гликопротеинами, и варьирование их свойств может зависеть от уровня посттрансляционного гликозилирования. В то же время существуют данные в пользу сходства или идентичности одноименных рецепторов в различных органах. В частности, это показано для таких ранее казавшихся локальными факторов, как субстанция Р, холецистокинин, ВИП, гастрин и др.

Внутриклеточные сигналы. На уровне сигнальных рецепторных блоков концепция их универсальности и специализации на основе рекомбинации находит новое подтверждение. Например, секреторные процессы в ацинарных клетках поджелудочной железы контролируются системой нервных и гормональных сигналов. В частности, выброс секреторных гранул происходит под влиянием холецистокинина и ацетилхолина. Холецистокинин длительное время рассматривался как специфический стимулятор секреции ферментов. Однако позднее было обнаружено, что этот механизм не специфичен, а включен в систему вторичных мессенжеров — цАМФ и Са²⁺. Так, холецистокинин контролирует многие цАМФ- и Са²⁺-зависимые процессы, в том числе внутренней секреции, стимулируя выделение ряда гормонов, и действует аналогично медиатору. Многие гормоны выполняют также функции нейротрансмиттеров. Эту роль могут играть гастрин и холе-цистокинин; серотонинподобные вещества, вызывающие возбуждение в межнейронных синапсах; АТФ — скорее всего в тормозящих нейронах; субстанция Р, выполняющая функции возбуждающего, а энкефалин и соматостатин — тормозящего нейротрансмиттеров. Предполагается также нейротрансмиттерная функция ВИПа (рис. 29).

Рис. 29. Схема способа передачи пептидов, действующих в качестве паракринных мессенжеров (А), кишечных гормонов ( Б ), нейротрансмиттеров (В) и нейрогормонов (Г).

Те же самые молекулы могли бы функционировать в каждой из систем одного и того же организма.

Принцип работы рецепторных блоков можно проиллюстрировать на примере рецепторно-аденилатциклазного комплекса. Такой комплекс осуществляет передачу сигналов путем их ретрансляции с помощью аденилатциклазы. Сущность процесса сводится к образованию комплекса рецептор—гормон, что приводит к стимуляции активности аденилатциклазы, локализованной на внутренней стороне мембраны. Активация аденилатциклазы первичным мессенжером связана с его взаимодействием с рецептором, каталитической и, возможно, промежуточной субъединицами фермента. При стимуляции активности фермента происходит увеличение образования цАМФ, что вызывает цепную реакцию с отрицательной обратной связью, приводящую к ее выключению. Ниже приведен список гормонов, стимулирующих или подавляющих активность аденилатциклазы (табл. 11).

Таблица 11

Гормоны, оказывающие влияние на аденилатциклазную активность различных тканей

Ясно, что с помощью различных соотношений стандартных рецепторных и циклазных блоков может быть достигнута высокая избирательность регуляции различных органов (рис. 30). Вместе с тем при некоторых условиях даже небольшое количество определенных рецепторов может быть важным при развитии адаптационных (например, адаптационно-компенсаторных) реакций или при развитии патологических процессов, например вследствие побочных эффектов гормональных веществ.

Рис. 30. Предполагаемая схема действия цАМФ на транспорт ионов в ворсинках и криптах тонкой кишки млекопитающих.

Показаны два секреторно-чувстительных процесса, разделенных пространственно: абсорбтивный электронезависимый, локализованный в клетках ворсинок, и электрогенный секреторный, локализованный в клетках крипт. Эта же схема иллюстрирует предполагаемую цАМФ-медиироваввую секрецию электролитов в тощей кишке. Антиабсорбтивные (в клетках ворсинок) и секреторные (в клетках крипт) эффекты ввутриклеточных мессенжеров разделены. Гипотеза может иметь отношение ко всей секреции, стимулируемой циклическими нуклеотидами и Са²⁺, так как цАМФ и Са²⁺ -ионофоры оказывают эффект на транспорт, сходный с эффектами цАМФ.

Таким образом, наряду с воспринимающим блоком — собственно рецептором — существует эффекторный блок — аденилатциклаза. Эта система универсальна и присутствует в клетках всех органов и тканей. Система циклических нуклеотидов имеется не только у позвоночных, большинства беспозвоночных, включая первичноротых, но и у одноклеточных организмов. У последних, так же как и у грибов, цАМФ выполняет роль передатчика сигналов не внутрь клеток, а от одной особи к другой. Следовательно, цАМФ первично возникает на весьма ранних стадиях формирования эукариотов как типичный гормон и, сохраняясь как химический мессенжер и постепенно подвергаясь интернализации, превращается во вторичный мессенжер.

Таблица 12

Внутриклеточные ферменты, регулируемые кальмодулином

Одновременно с цАМФ существует и взаимодействует с ним другой регуляторный механизм — система Са²⁺—кальмодулин. Многие Са²⁺-зависимые процессы обусловлены присутствием внутриклеточного белка — кальмодулина. Последний служит основным Са²⁺-связывающим белком как мышечных, так и немышечных клеток. Многие известные процессы, опосредованные Са²⁺, включают кальмодулин как промежуточный комплекс. Тот факт, что кальмодулин служит внутриклеточным рецептором Са²⁺, позволяет думать, что Са²⁺ играет роль вторичного мессенжера подобно цАМФ. Они имеют много общего в механизме действия. С влиянием кальмодулина на метаболизм циклических нуклеотидов и гликогена, а также на транспорт Са²⁺ связана регуляция многих ферментов в клетках различных типов (табл. 12). Это относится также к контролю сократительной активности клеток. Кальмодулин является компонентом цитоскелета кишечных клеток и обнаружен в микроворсинках этих клеток и клеток плаценты, в клетках мозга, матки, семенников, скелетной мускулатуры и т.д. Кальмодулин и Са²⁺ универсальны и характерны для всех эукариотов и прокариотов. У эукариотов кальмодулин связан в единый регуляторный блок с системой циклических нуклеотидов. Сходный феномен наблюдается и у простейших, для которых характерна развитая система Са²⁺—кальмодулин, взаимодействующая с аденилатциклазной системой.

Таким образом, системы управления организмов также являются общими.

***

В течение длительного времени гормоны рассматривались как филогенетически новый механизм химического управления. Однако сейчас известно, что многие гормоны, обнаруженные у человека и млекопитающих, присутствуют и выполняют важные функции у прими-

тивных организмов, включая простейших. Рассмотрим две группы гормонов: 1) пептидные гормоны (в основном желудочно-кишечные) и нейропептиды; 2) стероидные гормоны.

Пептидные гормоны. Одной из сенсаций последнего десятилетия было открытие единства регуляторных механизмов у столь далеких организмов, как человек с его высокоспециализированной нервной и эндокринной системами, и весьма примитивные кишечнополостные. Оказалось, что нейропептиды и некоторые другие гормоны, характеризующие, как предполагалось, высшие этапы эволюции, встречаются на обоих указанных полюсах. Сопоставление гормонально активных пептидов млекопитающих и насекомых показало их поразительное сходство. Идентичность этих пептидов может означать лишь одно: такие пептиды возникли очень давно.

Уже в начале 60-х гг. мною обращалось внимание на необходимость признания древнего происхождения гормональной регуляции, так как к этому времени у кишечнополостных был выявлен окситоцин. В дальнейшем многие гормоны, первоначально обнаруженные в клетках млекопитающих, были продемонстрированы у примитивных многоклеточных и даже у простейших. К числу таких гормонов относятся некоторые гормоны гипофиза, иммуноподобные факторы и т.д. Существуют сведения, что у одноклеточных организмов обнаружены субстанции, подобные таким гормонам, как АКТГ, ?-эндорфин, соматостатин, хорионный гонадотропин, а также рецепторы этих субстанций.

Некоторые основные пептиды, используемые в качестве химических мессенжеров простыми организмами, очевидно, сохранились на всем протяжении эволюции лишь с весьма незначительными изменениями. Однако у высших организмов эти пептиды применяются для самых различных целей, т.е. обладают мультифункциональностью. Например, активная часть АКТГ, по-видимому, используется как сигнал в регуляции репродукции на реем протяжении ряда эукариотов. Кроме того, она включается в контроль выделения глюкокортикоидов и т.д. Сходная аминокислотная последовательность этого пептида у различных организмов позволяет полагать, что он играет универсальную роль в активации специфических рецепторов.

Пептиды, идентичные или родственные кишечным гормонам млекопитающих, широко встречаются не только в кишечных эндокринных клетках, но и в клетках центральной или периферической нервной системы, кожных желез амфибий, в ряде тканей беспозвоночных и т.д. Такая локализация пептидных гормонов в кишке и мозгу, возможно, существовала уже в начале линии позвоночных. Действительно, локализация того же самого пептида в кишке и мозгу обнаружена у самых древних позвоночных. У представителей этой группы — круглоротых (речные миноги) в экстрактах мозга и кишки обнаружены два фактора с холецистокининподобной иммунореактивностью. Эти факторы сходны, но не идентичны холецистокинину-8, но оба обладают холецистокинин-8-подобной иммунореактивностью. Присутствие холецистокинина-8 и соматостатинподобной иммунореактивности в кишке и мозгу круглоротых, так же как у челюстноротых, позволяет полагать, что такое распределение характерно для всех позвоночных и получено ими «в наследство» от беспозвоночных животных.

Многие физиологически активные пептиды были уже у беспозвоночных организмов. Так, гастрин-холецистокининподобная и соматостатинподобная активности обнаружены в эндокринных клетках кишечного эпителия протохордовых Amphioxus и Ciona. Сходные пептиды, возможно, существуют и у первичноротых. Имеются сведения об иммунореактивном гастрине в кишечных экстрактах и гемолимфе моллюсков и в ганглиях насекомых. Из ганглиев моллюска Macrocallista изолирован пептид, обладающий сходством с активным С-терминальным тетрапептидом гастрина и холецистокинина млекопитающих. Выявленный у кишечнополостных гормон, активирующий генерацию головы, присутствует также в гипоталамусе и кишечнике млекопитающих. Гормон FMRF-амид, выделенный из нервных ганглиев моллюсков и вызывающий у них ряд эффектов, в том числе стимуляцию сердечной деятельности, обнаружен в центральной нервной системе и в кишечнике млекопитающих (табл. 13). Эти данные могут рассматриваться как новое подтверждение правила «эволюционной универсальности», вытекающего из концепции функциональных блоков.

Категории пептидов мозга млекопитающих

Сходная последовательность аминокислотных остатков у ряда кишечных пептидов, а именно у гастрина и холецистокинина (семейство гастрин-холецистокинина) и секретина, глюкагона, ВИПа, ГИПа (семейство секретина), указывает на эволюцию общих предшественников молекул путем дупликации генов и дивергенции, причем в плане концепции функциональных блоков важно, что функционально значимые аминокислотные остатки сохраняются. Существуют также эволюционные изменения на уровне рецепторных механизмов органов-мишеней. Например, секретин регулирует секрецию панкреатического сока у млекопитающих, тогда как структурно близкий ему ВИП вызывает сходный эффект у птиц.

Стероидные гормоны. Стероидные гормоны являются универсальными регуляторными блоками, наблюдающимися не только у позвоночных и беспозвоночных организмов, но и у простейших, грибов и растений. Прежде всего следует сделать вывод, что стероидные гормоны — универсальные регуляторы у эукариотов. Изменения уровня гормонов в диапазоне от круглоротых до млекопитающих, т.е. на дистанции, охватывающей 500 млн. лет, очень малы. При этом системы синтеза стероидных гормонов у всех позвоночных близки или идентичны. Различия сводятся скорее к разному соотношению отдельных интермедиаторов. Все стероидные гормоны являются звеньями единого метаболического комплекса, и их взаимоотношения в значительной степени определяются интенсивностью трансформационных, синтетических и деградационных процессов.

Многие особенности конституционных типов человека определяются перераспределением стероидных гормонов. Это может зависеть от ряда условий, в том числе от особенностей питания и состава бактериальной флоры желудочно-кишечного тракта. Благодаря общности молекулярной архитектуры различных организмов, в том числе организма хозяина и населяющих его желудочно-кишечный тракт бактерий, образуются вещества, одинаковые с теми, которые синтезируются в эндокринных клетках организма-хозяина. Это справедливо как в отношении стероидов, так и в отношении дериватов аминокислот, например гистамина, входящего в общий гормональный пул, и даже пептидов (экзорфины), образующихся при переваривании белков злаков и казеина.

Некоторые однолетние растения Калифорнии продуцируют эстрогены, с помощью которых регулируют размножение поедающих их перепелов. В засушливые годы синтез стероидов в растениях возрастает, что приводит к торможению репродуктивных функций перепелов. Во влажные годы концентрация эстрогенов в этих растениях уменьшается и перепела могут усиленно размножаться. Таким образом, растительные экстрогены могут участвовать в регуляции трофически взаимодействующей пары. В обоих случаях общие химические регуляторы гармонизируют отношения в биоценозе.

Существуют данные, указывающие на появление у примитивных видов организмов, включая грибы и одноклеточные эукариоты, гормонов, подобных стероидам позвоночных. Так, у низших организмов описаны белки, связывающие стероиды позвоночных. При исследовании дрожжей также обнаружены макромолекулы рецепторподобных белков в цитозоле, которые связывают кортикоиды позвоночных. Вне концепции универсальных функциональных блоков появление у растений экдизона и эстрогенов, а у дрожжей рецепторов, связывающих кортикостероиды, едва ли поддается научному объяснению. Но если принять, что основные функциональные блоки появились в ходе эволюции давно и стали общими для всех или большинства организмов, то взаимодействия представителей далеких в систематическом положении групп на основе общих молекул уже не кажутся столь удивительными. Предполагается, что эволюционное происхождение стероидной гормональной системы по крайней мере такое же, как у простых одноклеточных эукариотов, причем возможен общий предшественник со стероидной системой млекопитающих.

***

Таким образом, регуляторные блоки (по крайней мере многие из них) широко распространены в мире живых существ, а некоторые универсальны. Это касается серотонина, различных катехоламинов, гистамина и др., выполняющих гормональные и медиаторные функции, а также стероидов и пептидов, выполняющих регуляторные функции. Складывается впечатление, что некоторые гормоны появляются на определенных этапах эволюции, затем исчезают и появляются вновь; исчезают у всей линии первичноротых, но сохранятся у вторичноротых и т.д. Идея молекулярной конвергенции была бы заманчивой, однако идентичность или сходство первичных структур возможны лишь как следствие общности происхождения гормонов. Поэтому во многих случаях отсутствие данных о существовании каких-либо гормонов на определенном уровне филогенеза скорее означает методическую неудачу, а не твердо установленный факт. Будущее покажет, какое из предположений более справедливо.

Нельзя исключить еще одну возможность, которая известна в современной генетике как эффект дремлющих генов. При всех обстоятельствах поиск регуляторных пептидов у беспозвоночных продемонстрировал стабильность функциональных блоков и привел к важной дополнительной аргументации в пользу концепции универсальных функциональных блоков.