Konneksiini

Konneksiinit ovat joukko solujen väliseen viestintään osallistuvia proteiineja, jotka muodostavat aukkoliitoksia solukalvolle. Näiden aukkoliitosten kautta pienet metaboliitit ja ionit pääsevät kulkemaan solusta soluun. Aukkoliitosten kautta tapahtuva viestintä on tärkeää muun muassa yksilönkehityksessä, homeostasian ylläpidossa, solujen erilaistumisessa ja kasvun säätelyssä. Sähköisesti ärtyvissä kudoksissa, kuten sydänlihaskudoksessa, sileässä lihaskudoksessa ja hermostossa, aukkoliitokset muodostavat solujen välille matalan resistanssin omaavia reittejä joiden avulla solut voivat toimia synkronoidusti esimerkiksi lihassupistuksen aikana. Konneksiinit nimetään yleensä arvioidun molekyylipainon perusteella: siten esimerkiksi Cx32 on konneksiini, jonka molekyylimassa on arviolta 32 kDa. Vaikka konneksiinien rakenne selkärankaisissa on hyvinkin samanlainen verrattuna selkärangattomien eliöiden konneksiinien (”inneksiinien”) kanssa, kuuluvat ne täysin eri proteiiniperheeseen. Tämä korostaa osaltaan konneksiinirakenteiden tärkeyttä eliöille.

Konneksiinien ja konneksonien rakenne

Konneksiinien rakenteen tutkiminen on ollut haastavaa. Ihmisellä on tähän mennessä löydetty 20 erityyppistä konneksiinia joiden fysiologiset ja säätelyominaisuudet poikkeavat toisistaan. Kaikilla konneksiineilla on kuitenkin yhteisenä piirteenä neljä solumembraanin lävistävää -helixrakennetta, jotka ovat sijoittuneet solukalvolle niin, että aminohappoketjun aminopää ja karboksyylipää jäävät solun sisäpuolelle. Soluliman sisäpuolelle jäävissä rakenteissa (eli N-terminuksessa, -helixien 2 ja 3 väliin jäävässä luupissa ja C-terminaalisessa ”hännässä”) on havaittu lyhyitä-helixjaksoja, joiden välissä on hyvin taipuisia ”random coil”-rakenteita. Tämä rakennemalli saattaa olla tärkeä konneksonin toiminnan säätelyssä. Suurin variaatio konneksiinien välillä onkin juuri solunsisäisissä osissa.

Konneksiinit syntetisoidaan solulimakalvostolla. Ne oligomerisoituvat kehämäisesti kuuden konneksiinin heksameereiksi tyypistä riippuen joko solulimakalvostolla tai Golgin laitteessa. Heksameeria kutsutaan konneksoniksi ja se muodostaa toisen puolen aukkoliitoksesta. Konneksonit kuljetetaan kalvorakkulassa solukalvolle, jossa ne limittyvät toisen solun konneksonin kanssa muodostaen tiiviin aukkoliitoksen.

Erityyppisetkin konneksiinit voivat muodostaa konneksoneja; konneksoni jossa on vain yhdentyyppistä konneksiinia on homomeerinen, kun taas erityyppisistä konneksoneista koostuvat konneksonit ovat heteromeerejä. Samoin aukkoliitokseen osallistuvat konneksonit voivat olla identtisiä tai erilaisia, jolloin ne jaetaan samoin homotyyppisiin ja heterotyyppisiin. Konneksonit toimivat, vaikkakin harvoin, myös itsenäisesti kanavina solukalvolla. Tällaisen kanavan permeabiliteetti- ja konduktanssiominaisuuksien on todettu vastaavan läheisesti vastaavaa aukkoliitosta, joten konneksonit ovatkin toimineet tutkimusmalleina aukkoliitoksille.

Aukkoliitoksen rakenne

Solukalvolla konneksonit liittyvät soluadheesion avustamana toisen solun konneksoniin. Kahden konneksonin kahdenkymmenenneljän solunulkoisen luupin uskotaan muodostavan kaksi antiparalleelista-tynnyrirakennetta jotka rakentuvat konneksiiniproteiinien solun ulkopuolelle jäävistä luupeista. Tätä rakennetta stabiloivat yksittäisten konneksiinien luuppirakenteiden väliin syntyvät rikkisillat ja todennäköisesti myös konneksiinien väliset ioniset vuorovaikutukset. Muihin kanavarakenteisiin verrattuna aukkoliitoksen rakenteesta tekee poikkeavan se, että noin kolmasosa kanavasta on solukalvon ulkopuolella. Rakenne on varsin erikoinen, sillä siinä proteiinit ilman lipidikerroksen apua muodostavat eristetyn alueen kahden vesipitoisen faasin välille. Muodostuneet aukkoliitokset pakataan tiiviisiin plakkeihin, joissa voi olla 10–10 000 aukkoliitosta.

Kulkeutumisen spesifisyys

Aukkoliitosten kautta tapahtuva solujenvälinen viestintä on pienten (alle 1000 Da), hydrofiilisten molekyylien passiivista diffuusiota liitosten kautta. Tällaisia molekyylejä ovat muun muassa metaboliitit (esimerkiksi ATP), ravintoaineet (esimerkiksi glukoosi) ja toisiolähetit (esimerkiksi Ca2+, IP3 ja cAMP). Aiemmin aukkoliitosten kuviteltiin olevan täysin epäspesifejä huokosia solun seinässä, mutta jo erilaisten konneksiinien lukuisa määrä on osoittanut ajatuksen vääräksi. Aukkoliitosten spesifisyyden ajatellaan perustuvan konneksonien erilaisiin konneksiiniyhdestelmiin. Kulkeutumistutkimuksiin käytetään yleensä leimattuja tai värillisiä molekyylejä. Tutkimuksissa on saatu tuloksia, joiden mukaan eri konneksiineista muodostuneiden konneksonien läpäisemien molekyylien läpimitta vaihtelee välillä 8Å–12Å.

Väriaineilla tehtyjen tutkimusten perusteella arvellaan, että kulkeutuvan molekyylin ja huokosen seinämän välillä on heikkoja vuorovaikutuksia, jotka kasvattavat molekyylin todennäköisyyttä siirtyä kanavaan ja sitä kautta toiseen soluun. Ei vielä tiedetä tarkkaan, mikä osa konneksiinien rakenteessa säätelee spesifisyyttä. Mutaatiotutkimusten perusteella on esitetty, että myös solunsisäisten osien rakenteella voisi olla vaikutusta aukkoliitoksen permeabiliteettiin, mutta todennäköisemmin solunulkoisten luuppien aminohapot rajaavat huokosen seinämiä vaikuttaen huokosen selektiivisyyteen.

Aukkoliitosten toiminnan säätely

Aukkoliitoskanavan toimintaan vaikuttavat monenlaiset muutokset kummassa tahansa aukkoliitokseen osallistuvassa solussa. Muuttuvia tekijöitä ovat muun muassa jännite pH, Ca2+- konsentraatio, konneksiinien fosforylaatio ja muutokset soluliman redox-ominaisuuksissa. Muutosten laatu ja nopeus riippuvat aukkoliitoksen konneksiinikoostumuksesta. Muutokset vaikuttavat usein solunsisäisiin domeeneihin, jotka taipuisien rakenteidensa avulla voivat muuttaa konformaatiotaan niin, että huokonen sulkeutuu.

Tärkein säätelymekanismeista on C-terminaalisen hännän fosforylaatio, tosin kaikkia konneksiinityyppejä ei fosforyloida. Esimerkiksi v-src, ERK, PKC, PKA ja MAPK- kinaasijärjestelmien on todettu osallistuvan kanavien toiminnan säätelyyn. Fosforylaatio vaikuttaa joko suoraan aukkoliitoksen sulkemiseen tai kanavan konduktanssiin. Fosforylaatio voi myös toimia merkkinä jonka perusteella koko aukkoliitos poistetaan solukalvolta lysosomiin tai proteasomiin tuhottavaksi. Yleensä konneksiinit ovat varsin lyhytikäisiä, puoliintumisaikojen ollessa muutamia tunteja. Pitkäaikaisempi säätely tapahtuu konneksiinien transkription säätelyllä. Konneksiinien esiintymisessä on niin kudos- kuin solujenvälisiäkin eroja. Säätelytekijöitä on lukuisia, joista mainittakoon erilaiset hormonit ja retinoidit.

Esimerkkinä konneksiini 43

Cx43 on yksi yleisimmistä konneksiineista ihmisessä. Sen läpi kulkee muun muassa ATP:tä, glutamaattia, NAD+:ta. Cx43:n tuotetaan eri soluissa mRNA:ta silmikoimalla hieman eri tyyppejä. IRES (internal ribosome entry site)-sekvenssinsä vuoksi Cx43-mRNA:ta transloidaan myös sellaisissa stressitilanteissa, joissa normaali translaatio on vähentynyt. Cx43:lla on tärkeä tehtävä homeostasian ylläpidossa, lihastoiminnan synkronoinnissa, solukasvun säätelyssä ja apoptoosissa. Sen C-terminalisella osalla oletetaan olevan funktioita myös geeninsäätelijänä ja proteiinin arvellaan vaikuttavan solun morfologian ylläpitoon vuorovaikuttamalla solutukirangan kanssa.

Cx43:n toimintaa säädellään lähinnä fosforyloimalla, ja fosforylointikohtia onkin C-terminaalisessa hännässä 12 joiden tiedetään olevan viiden eri kinaasiproteiinin kohde. Fosforylaatiota on tutkittu käyttäen hyväksi vasta-aineita, jotka sitoutuvat spesifisesti fosforyloituneeseen Cx43-proteiiniin. Kinaasiproteiinista riippuen fosforylaatio voi edistää Cx43-konneksiinien liittymistä aukkoliitoksiin tai edistää aukkoliitoksen poistoa solukalvolta. Cx43 reagoi myös hyperosmolaarisuuteen vielä tuntemattomalla mekanismilla. Solun redox-potentiaalin on todettu vaikuttavan Cx43-konneksonin avautumistodennäköisyyteen mahdollisesti aminohappojen kovalenttisella muokkauksella hapettavissa olosuhteissa.

Lähteet

• C. Stout, D.A. Goodenough, D.L. Paul, Connexins: functions without junctions, Current Opinion in Cell Biology 16 (2004) 507-512
• C.I. Foote, L. Zhou, X. Zhu, B.J. Nicholson, The pattern of disulfide linkages in the extracellular loop regions of connexin32 suggests a model for the docking interface of gap junctions, Journal of Cell Biology 140 (1998) 1187–1197
• D.W. Laird, Connexin phosporylation as a regulatory event linked to gap junction internalization and degradation, Biochimica et Biophysica Acta 1711 (2005) 172-182
• L.S. Musil, D.A. Goodenough, Biochemical Analysis of Connexin43 Intracellular Transport, Phosporylation, and Assembly into Gap Junctional Plaques, The Journal of Cell Biology, 115 (1991) 1357-1374
• M. Oyamada, Y. Oyamada, T. Takamatsu, Regulation of connexin expression, Biochimica et Biophysica Acta 1719 (2005) 6-23
• J.C. Sáez, M.A. Retamal, D. Basilio, F.F. Bukauskas, M.V.L. Bennet Connexin-based gap junction hemichannels: Gating mechanisms, Biochimica et Biophysica Acta 1711 (2005) 215-224
• G.E. Sosinsky, B.J. Nicholson, Structural organisation of gap junction channels, Biochimica et Biophysica Acta 1711 (2005) 99-125
• M. Vinken, T. Vanhaecke, P. Papeleu, S. Snykers, T. Henkens, V. Rogiers, Connexins and their channels in cell growth and cell death, Cellular signaling 18 (2006) 529-600

Aiheesta muualla

• Solunetti: Konneksiinit