Эндоканнабиноидная система

Эндоканнабиноидная система

Условно, эндоканнабиноидная система (ЭКС) состоит из трех компонентов:

  • Метаболические ферменты
  • Эндоканнабиноиды
  • Эндоканнабиноидные рецепторы

В этой статье мы попробует разобрать каждый из компонентов. Где-то текст будет изобиловать терминами, но без них никуда.

Метаболические ферменты

Эндоканнабиноидная система включает в себя метаболические ферменты, которые участвуют в синтезе Анандамида и 2-AG, а также быстро разрушают эндоканнабиноиды после их использования. На данный момент выделяют 5 основных ферментов. Их можно разделить на те вещества, которые участвую в синтезе эндоканнабиноидов, и те, который участвую в разрушении анандамида и 2AG.

  • N-ацил-фосфатидил-этаноламин-селективная фосфолипаза D (NAPE-PLD) – основной фермент при синтезе анандимида;
  • Диацилглицероллипазы (DAGL) – фермент основного пусти синтеза 2-AG. Данный фермент в двух формах - α и β;
  • Гидролаза амидов жирных кислот (FAAH) – разлагает АЭА в свободную арахидоновую кислоту и этаноламин;
  • Моноацилглицероллипаза (MAGL) – гидролизирует 2-AG в арахидоновую кислоту и глицерин

Два последних фермента гарантируют, что эндоканнабиноиды используются не дольше, чем необходимо организму. Это отличает эндоканнабиноиды от многих других веществ в организме, таких как гормоны или классические нейротрансмиттеры, которые могут сохраняться в течение многих секунд или минут и могут упаковываться и храниться организмом для дальнейшего использования.

Опять же, эндоканнабиноидными ферментами будут не только NAPE-PLD, два DAGLs, FAAH и MAGL, но и ферменты, ответственные за биосинтез и инактивация других медиаторов. Но на данный момент это непопулярное мнение.

Эндоканнабиноиды

Выделяют два основных эндоканнабиноида:

  • Анандамид (AEA или N-арахидоноил-этаноламин);
  • 2-арахидоноилглицерин (2-AG)

Хотя “эндоканнабиноиды” не должны быть эндогенными лигандами рецепторов CB1 и CB2, а скорее лигандами всех тех “каннабиноидных рецепторов”, которые однозначно и избирательно связываются с каннабиноидами в целом (таким образом, анандамид и 2-AG могут быть не единственными эндоканнабиноидами).

Большинство исследований эндоканнабиноидной системы сосредоточено на этих двух соединениях, несмотря на существование недавно идентифицированных CB1-взаимодействующих пептидов и ряда производных арахидоновой кислоты, которые генерируют эндоканнабиноидоподобные эффекты (Mono-acyl-glycerol, N-acyl-ethanolamine).

AEA и 2-AG, будучи фармакологически охарактеризованными, имеют разные механизмы действия. AEA оказывается высокоаффинным, частичным агонистом CB1 и почти неактивным к CB2; в то время как 2-AG действует как полный агонист для обоих рецепторов с умеренным и низким сродством.

Интересно, что как AEA, так и 2-AG взаимодействуют с различными рецепторами. Среди них наиболее хорошо документирована транзиторная рецепторная способность катионного канала подсемейства V-1 (TRPV1), активируемая AEA, которая играет значительную роль в синаптической передаче и регуляции боли, тогда как взаимодействие 2-AG и не-CBRs появилось лишь недавно.

Хотя AEA и 2-AG имеют значительные различия в селективности рецепторов, оба эндоканнабиноида продуцируются по требованию (хотя в случае 2-AG существуют противоречия) в ответ на повышенную внутриклеточную концентрацию Ca2+. Однако анандамид и 2-AG синтезируются, транспортируются и инактивируются в соответствующих тканях-мишенях по-разному.

Метаболизм эндоканнабиноидов

На картинке ниже разобраны известные на текущее время механизмы синтеза эндоканнабиноидов и варианты их инактивации.

Эндоканнабиноидные ферменты

Анандамид

  1. Биосинтетические предшественники анандамида - N-арахидоноилфосфатидилэтаноламины (N-arachidonoyl-phosphatidylethanolamine или NAPE) - образуются в результате ремоделирования фосфолипидов под действием N-ацилтрансфераз (NATs).
  2. N-арахидоноилфосфатидилэтаноламины в анандамид могут преобразовываться несколькими путями
    1. В один шаг под воздействием фермента N-ацил-фосфатидилэтаноламин-селективная фосфолипаза D (N-acyl phosphatidylethanolamine phospholipase D или NAPE-PLD);
    2. α,β -гидролаза-4 (ABHD4) приводит к образованию глицерофосфоанандамида (Grlycerophosphoanandamide), из которого под действием фосфодиэстеразы GDE1 (Phosphodiesterase GDE1) образуется Анандамид;
    3. Под воздействием растворимой фосфолипазы А2 (sPLA2 или Phospholipases A2) образуется 2-lyso-N-arachidonoyl-phosphatidyl-ethanolamide, из которого под действием lysophospholipase D (lyso-PLD) образуется Анандамид;
    4. При воздействии PLC образуется фосфоанандамид (Phosphoanandamide), из которого под действием фосфатазы PTPN22 (Protein tyrosine phosphatase, non-receptor type 22) образуется Анандамид;
  3. Когда эндоканнабиноид перестает быть нужным, активируется гидролаза Амида жирных кислот (FAAH или Fatty acid amide hydrolase) и из анандамида образуются свободная арахидоновая кислота (Arachidonate) и этаноламин (Ethanolamine);
  4. Также Анандамид может быть окислен циклооксигеназой-2 (ЦОГ-2 или COX-2) до Prostamide endoperoxide, а затем обработан простагландинсинтазой (PGF2α synthase) с образованием простамида (Prostamide F2α).

2-AG (2-арахидоноилглицерин)

  1. Из фосфолипидов под действием PLCß образуются SN-2-арахидонатсодержащие диацилглицеролы (sn-2-arachidonate-containing diacylglycerol), из которых под действием sn-1-DAG липазы образуется 2-AG;
  2. Из фосфатидной кислоты (Phosphatidic acid) под действием фосфогидролазы PA (PA phosphohydrolase) образуются SN-2-арахидонатсодержащие диацилглицеролы (sn-2-arachidonate-containing diacylglycerol), из которых под действием sn-1-DAG липазы образуется 2-AG;
  3. 2-AG может быть также получен из sn-1-лизофосфолипидов (sn-1-lysophospholipid) под действием Lyso-PLC;
  4. Инактивируется каннабиноид моноацилглицероллипазой (MAGL) с образованием свободной арахидоновой кислоты (Arachidonate) и глицерола (Glycerol). В некоторых клетках FAAH; α, β-гидролаза-6 (ABHD6) и, еще реже, α,β-гидролаза-12 (ABHD12) также могут гидролизовать 2-AG;
  5. 2-AG может быть окислен циклооксигеназой-2 (ЦОГ-2 или COX-2) до Prostaglandin glycerol ester endoperoxide, а затем обработан PGE2 synthase с образованием простогландина (Prostaglandin E2 glycerol ester).

Хотя то, что было изображено и разобрано выше, кажется естественной "эволюцией" определения "эндоканнабиноидной системы", вероятно, все будет еще более сложным. Во-первых, эндоканнабиноиды, а также каннабиноиды, имеют больше молекулярных мишеней, чем просто CB1, CB2 или thermo-TRPs, и эти рецепторы, по-видимому, реагируют также на белки, которые нацелены на другие эндогенные и экзогенные вещества. Кроме того, анандамид и 2-АГ, как и большинство других липидных медиаторов, имеют более чем 1 набор биосинтетических и деградирующих путей и ферментов. В некоторых случаях эти деградирующие пути и ферменты приводят к образованию молекул, таких как простамиды и простагландин-глицериновые эфиры, которые не являются неактивными, а вместо этого взаимодействуют с другими рецепторами. То есть эти ферменты являются “деградирующими” для эндоканнабиноидов и “биосинтетическими” для других медиаторов. Наконец, некоторые из этих ферментов могут также иметь дополнительные совершенно разные функции, например участвовать в химической модификации молекул, которые имеют очень мало общего с эндоканнабиноидными и каннабиноидными мишенями.

В результате вышеизложенных рассуждений некоторые авторы теперь используют определение "расширенная эндоканнабиноидная система". Мы для большей ясности предпочитаем использовать определение ”эндоканнабиноидоподобных " медиаторов, то есть медиаторов, принадлежащих к тому же химическому классу, что и эндоканнабиноиды (амиды или сложные эфиры длинноцепочечных жирных кислот), которые не обязательно метаболически связаны с анандамидом и 2-АГ, а имеют в качестве предпочтительных рецепторов белки, отличные от CB1 и CB2.

Эндоканнабиноидные рецепторы

Начиная с 70-х годов, ученые начали активно синтезировать вещества, схожие по своей структуре с натуральными соединениями, присутствующими в конопле. Также продолжали открывать новые классические и неклассические каннабиноиды и аминоалкилиндолы. Уже в те годы появились доказательства того, что ТКГ и аналогичные ему вещества обладают способностью вступать во взаимодействие с некоторыми рецепторами головного мозга и периферической НС, оказывая лечебное действие.

Опыты, проводимые на грызунах, позволили установить, что молекулы синтетических каннабиноидов взаимодействуют с рецепторами, находящимися в головном мозге. Результатом такого союза становится устранение болей.

В дальнейшем ученые получили возможность выстроить схему рецепторов головного мозга человека, восприимчивых к ТГК. Главным из них был признан GPCR (спаренный G-белковый рецептор, известный также как семиспиральный рецептор). Через некоторое время такие же нервные окончания были найдены на других участках нервной системы человека. Эти соединения получили название СВ1. Похожие по структуре белки были обнаружены в системе рецепторов СВ2. Они отвечают за работу иммунной системы и за механизмы разрушения клеток. Было выяснено, что СВ2 присутствуют в костной ткани, печени, селезенке и тканях мозга.

CB1 кодируется геном CNR1 и состоит из 472 аминокислот у человека (473 аминокислоты у крыс и мышей, с 97-99% идентичностью аминокислотных последовательностей среди этих видов). Несколько вариаций CNR1 были связаны с зависимостью от каннабиса.

В дополнение к канонической длинной форме CB1 было сообщено о двух дополнительных изоформах с более коротким N-концом, которые являются результатом альтернативного сплайсинга. В последнее время различные паттерны экспрессии этих трех изоформ были охарактеризованы на уровне мРНК в головном мозге человека, скелетных мышцах, печени и островке поджелудочной железы. Полноразмерный CB1 доминирует в головном мозге и скелетных мышцах, тогда как CB1Rb (с 33 аминокислотными делециями на N-конце) демонстрирует более высокий уровень экспрессии в клетках печени и островков поджелудочной железы, где он участвует в метаболизме. Фармакологические и физиологические свойства двух вариантов сплайсинга еще предстоит изучить, поскольку текущие исследования, проведенные на нечеловеческих моделях, выявили расхождения.

CB2 кодируется геном CNR2, который состоит из 360 аминокислот в организме человека. Он различается только на 44% гомологии последовательности с CB1 на уровне белка. CB2 также, как и CB1 имеет большие видовые различия у людей и грызунов, поскольку гомология аминокислотных последовательностей немного выше 80% между людьми и грызунами. У человека были идентифицированы две изоформы CB2.

С другой стороны, данная классификация рецепторов немного неверная. Из более чем 80 каннабиноидов, естественно обнаруженных в каннабисе (с различным относительным составом в зависимости от сорта каннабиса), только ТГК и его менее распространенный пропиловый аналог, Δ9-тетрагидроканнабиварин (THCV), способны связываться с высоким сродством с CB1 и CB2 (с агонистической и антагонистической активностью для THC и THCV, соответственно); следовательно, эти 2 рецептора не следует определять как ”каннабиноидные" рецепторы, а скорее как рецепторы THC/THCV (альтернативно определение “каннабиноидного рецептора" должно также включать те белки, которые часто связываются с каннабиноидами, такие как термочувствительные переходные рецепторные потенциалы (TRP) катионных каналов (thermo-TRPs).

Ученые не остановили свои изыскания на рецепторах СВ1 и СВ2. Они продолжают работы, направленные на обнаружение новых нервных окончаний в эндотелии, отвечающих за выработку кровяных телец, а также в области глютаминовых рецепторов гиппокапма.

Нельзя не отметить еще одно интересное открытие, касающееся GPR-55. Он реагирует на различные каннабиноиды, а при взаимодействии с HU-210 способствует развитию седативного эффекта и приводит к снижению артериального давления. В тоже время GPR-55 располагается за пределами эндотелия, но при контакте с G12/G13 и с Р-киназами приводит к сужению кровеносных коллатералей. Исходя из вышесказанного, специалисты сделали выводы, что этот рецептор способен давать реакцию на нестандартные каннабиноиды. Работы по изучению его характеристик продолжаются.
И СВ1, и СВ2 состоят из белков, но их структура различается. Совпадения по протеинам не превышает 44%, а по составу клеточной мембраны – 68%. Однако оба этих рецептора хорошо отзываются на ТГК и на другие вещества, имеющих схожую структуру.

Распределение каннабиноидных рецепторов

CB1 был впервые обнаружен в головном мозге. Позже с помощью ауторадиографии, гибридизации in situ и иммуногистохимии было доказано, что CB1 является наиболее широко экспрессируемым рецепторным белком из семейства GPCR в головном мозге. К областям мозга с наиболее высоким уровнем экспрессии CB1 относятся обонятельная луковица, гиппокамп, базальные ганглии и мозжечок. Умеренная экспрессия CB1 обнаруживается в коре головного мозга, перегородке, миндалине, гипоталамусе, а также в частях ствола головного мозга и спинного рога спинного мозга. В то время как такие области, как таламус и вентральный рог спинного мозга, имеют низкую экспрессию CB1.

В ряде предыдущих исследований было высказано предположение о высокой концентрации экспрессии CB1 на пресинаптических терминалях, где он опосредует ретроградную сигнализацию эндоканнабиноидов. Однако это не исключает существования CB1Rs в постсинаптических участках, поскольку функциональные исследования демонстрируют самоингибирование неокортикальных нейронов эндоканнабиноидами. Помимо нейронов, CB1 экспрессируется, хотя и в значительно меньшей степени, в астроцитах, олигодендроцитах и микроглии, где он, как было показано, опосредует синаптическую передачу.

CB1 также в больших количествах находится в периферической нервной системе (в основном в симпатических нервных окончаниях) и в периферических тканях (Рис.2). Кроме того, CB1 наблюдается в тройничном ганглии, ганглии дорсального корня и дермальных нервных окончаниях первичных сенсорных нейронов, где он регулирует ноцицепцию от афферентных нервных волокон. В желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) CB1 обогащается как в кишечной нервной системе, так и в нейронных клетках слизистой оболочки кишечника, включая энтероэндокринные клетки, иммунные клетки и энтероциты. Через нейрональные и не нейрональные пути CB1 модулирует подвижность желудочно-кишечного тракта, секрецию желудочных кислот, жидкостей, нейромедиаторов и гормонов, а также проницаемость кишечного эпителия. Таким образом, CB1 может контролировать аппетит из гипоталамуса в ЦНС и регулировать энергетический баланс и потребление пищи из желудочно-кишечного тракта.

Интересно, что печеночный CB1 также участвует в регуляции энергетического баланса и метаболизма, но необычным образом. В норме экспрессия CB1 в печени очень низкая. Однако при патологических состояниях экспрессия CB1 в нескольких типах печеночных клеток заметно повышается, причем CB1 активно участвует в развитии печеночной инсулинорезистентности, фиброза и липогенеза.

Аналогично, CB1 повышается в сердечно-сосудистой системе при патологических состояниях, что, в свою очередь, способствует прогрессированию заболевания и нарушению функции сердца. Оксидативный стресс, воспаление и фиброз наблюдаются в результате активации CB1 в кардиомиоцитах, сосудистых эндотелиальных клетках и гладкомышечных клетках. В дополнение к вышеупомянутым тканям, экспрессия CB1 также была зарегистрирована в жировой ткани, скелетных мышцах, костях, коже, глазах, репродуктивной системе и нескольких типах раковых клеток.

Эндоканнабиноидная система человека

Рисунок 2. Основные места локализации и связанные с ними функции CB1 в организме человека. Большинство CB1s, экспрессируемых в организме человека, находится в головном мозге, где он участвует в различных неврологических активностях. CB1s на периферических участках, хотя и в меньшей степени, участвует в регуляции местных тканевых функций.

Как и многие другие GPCR, CB1 в основном локализован в клеточной мембране. Однако, помимо хорошо известной локализации CB1 на плазматической мембране, которая является типичным распределительным паттерном GPCR, значительные наблюдения сообщают о преобладающей внутриклеточной локализации Cb1r в различных типах клеток, включая трансфецированные не нейрональные клетки, недифференцированные нейрональные клетки и культивируемые нейроны гиппокампа.

Последующие исследования показали, что CB1, локализованные во внутриклеточных компартментах, предположительно состоят из нескольких отдельных субпопуляций (Рис.3). Одна доля внутриклеточных CB1s происходит от непрерывной интернализации локализованного на плазматической мембране CB1.

Помимо конститутивного и индуцированного агонистами интернализованного CB1, накопленные данные свидетельствуют о существовании особого пула внутриклеточно локализованных CB1 с дифференциальными функциональными возможностями от их локализованных на плазматической мембране аналогов. Эти внутриклеточные CB1 находятся в кислотных эндо/лизосомах и не способствуют субпопуляции, экспрессирующейся на поверхности клетки. Кроме того, эндо/лизосомные CB1s увеличивают высвобождение кальция из эндоплазматического ретикулума и лизосом при активации внутриклеточным введением агониста.

Другая субпопуляция CB1s, как предполагают несколько линий доказательств, экспрессируется в митохондриях. В предыдущих исследованиях сообщалось о влиянии ТГК на митохондриально-ассоциированную ферментативную активность, что было связано с неспецифическим нарушением мембран липофильных каннабиноидов в то время. Однако недавние исследования поставили под сомнение эту концепцию, продемонстрировав наличие митохондриального CB1 и его непосредственное участие в клеточном дыхании и DSI в нейронах гиппокампа. Хотя существуют различия в амплитуде индуцированных агонистами CB1 снижений митохондриального дыхания, существование и функциональность митохондриальных CB1s неоспоримы.

Кроме того, роль митохондриального CB1 была дополнительно расширена несколькими недавними наблюдениями, предполагающими его ассоциацию с каннабиноид-индуцированным поведением питания в гипоталамических нейронах проопиомеланокортина (POMC), нарушением памяти в гиппокампе и нейропротекцией после церебральной ишемии/реперфузионного повреждения. Эти линии доказательств подчеркивают прямую связь между митохондриальным CB1 и правильным функционированием митохондрий, которые, как было предложено, участвуют во многих патологических состояниях. Поэтому роль митохондриального CB1 не может ограничиваться ранее обнаруженными ролями и заслуживает дальнейшего изучения.

Эндоканнабиноиданые рецепторы

Рисунок 3. Субклеточная локализация CB1. Как правило, CB1 расположен на поверхности клетки и ингибирует образование циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) и приток кальция при активации. Конститутивные и лиганд-индуцированные интернализованные CB1 опосредуют сигнальные пути через β-аррестин. Внутриклеточно локализованные CB1 не транслоцируются на плазматическую мембрану. Вместо этого они образуют субпопуляцию с фармакологическими свойствами, отличными от их локализованных на плазматической мембране аналогов. CB1s, расположенные на лизосомах, могут увеличивать внутриклеточную концентрацию кальция за счет высвобождения внутренних запасов кальция и повышать проницаемость лизосом. Митохондриальные CB1s ингибируют митохондриальное клеточное дыхание и продукцию цАМФ, регулируя таким образом клеточный энергетический метаболизм.

Через три года после открытия CB1 другой CB, CB2, был идентифицирован в макрофагах селезенки. Последующие исследования выявили преобладающую экспрессию CB2 в иммунных клетках и умеренную экспрессию в других периферических тканях, включая сердечно-сосудистую систему, желудочно-кишечный тракт, печень, жировую ткань, кости и репродуктивную систему. Напротив, присутствие CB2 в ЦНС не наблюдалось, поэтому его называли “периферическим CBR”.

Однако в последнее время эта концепция была оспорена рядом исследований, демонстрирующих экспрессию CB2 в головном мозге, хотя и в гораздо меньшей степени по сравнению с иммунной системой или CB1. Хотя экспрессия CB2 в ЦНС и переферической нервной системе сравнительно ограничена, неоспоримо, что CB2 играет активную роль в неврологической деятельности, такой как ноцицепция, наркомания и нейровоспаление. Кроме того, недавние исследования обнаружили внутриклеточное присутствие CB2 в префронтальных кортикальных пирамидальных нейронах, где он модулирует нейрональную возбудимость через регуляцию Ca2+-активированного Cl− канала. В трансфицированных эпителиальных клетках остеосаркомы костей человека внутриклеточно расположенный CB2 регулирует Ca2+ более быстрым и мощным способом по сравнению с CB2, экспрессируемым на поверхности клеток.

Материал взят из статей: