Резюме
Рибальченко Т.В., Дзюбенко Н.В., Опанасенко С.М., Бурлай В.Г.*, Рибальченко В.К. Мембранні каналопатії: короткий історико-логічний аналіз на прикладі окремих захворювань.
У данній статті розглядаються молекулярні та клітинні механізми деяких захворювань, викликаних мутаціями іонних каналів. Серед важливих досягнень в даному напрямку є встановлення того факту, що спадкова епілепсія є наслідком мутацій як ліганд-керованих, так і потенціалозалежних іонних каналів. Нейрональні каналопатії є також доказом фенотипової конвергенції (епізодична атаксія може бути наслідком мутацій або кальцієвих, або калієвих каналів) та дивергенції (різні мутації одного і того ж гена можуть бути причиною сімейної геміплегічної мігрені, епізодичної атаксії, коми чи епілепсії). Сучасні дослідження в області каналопатій включають вивчення генів, котрі кодують білки іонних каналів, пов’язаних зі спадковими і спорадичними розладами, регуляцією об’єму клітин і тонусу судин, секрецією інсуліну та ін.
Ключові слова: каналопатії, іонні канали, епізодична атаксія, мутації.
Резюме
Рыбальченко Т.В., Дзюбенко Н.В., Опанасенко С.М., Бурлай В.Г., Рыбальченко В.К. Мембранные каналопатии: краткий историко-логический анализ на примере отдельных заболеваний.
В данной статье рассматриваются молекулярные и клеточные механизмы некоторых заболеваний, вызванных мутациями ионных каналов. Среди важных достижений в данном направлении имеет место быть установление того факта, что наследственная эпилепсия является результатом мутаций как лиланд-управляемых, так и потенциалзависимых ионных каналов. Нейрональные каналопатии являются также доказательством фенотипической конвергенции (эпизодическая атаксия может быть результатом мутаций или кальциевых, или калиевых каналов) и дивергенции (разные мутации одного и того же гена могут быть причиной семейной гемиплегической мигрени, эпизодической атаксии, комы или эпилепсии). Современные исследования в области каналопатий включают изучение генов, которые кодируют белки ионных каналов, связанных с наследственными и спорадическими расстройствами, регуляцией объема клеток и тонуса сосудов, секрецией инсулина и др.
Ключевые слова: каналопатии, ионные каналы, эпизодическая атаксия, мутации.
Summary
Rybalchenko T.V., Dziubenko N.V., Opanasenko S.M., Burlaj V.G., Rybalchenko V.K. The membrane channelopathies: short historical and logical analysis by the example of some diseases.
This review addresses the molecular and cellular mechanisms of diseases caused by mutations of ion channels. Among important recent advances is the elucidation of inherited epilepsies caused by mutations of both voltage-gated and ligand-gated ion channels. The neuronal channelopathies show evidence of phenotypic convergence (episodic ataxia can be caused by mutations of either calcium or potassium channels) and divergence (different mutations of the same calcium channel gene are associated with familial hemiplegic migraine, episodic ataxia, coma or epilepsy). Modern developments include the discovery of ion channel genes associated with inherited and sporadic disorders, regulation of cell volume and vassels tone, insuline secretion and other.
Key words: channelopathies, ione channels, episodic ataxia, mutations.

Рецензент: д.біол.н., проф. Б.П. Романюк

УДК 576.32/.36; 576.385; 576.314.2

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко

Taras Shevchenko National University of Kyiv

*Національний медичний університет ім. О.О. Богомольця (Київ)

Национальный медицинский университет имени А. А. Богомольца

O.O. Bogomolets National medical universityKyiv

rybalchenko@univ.kiev.ua

Література
1. Богач П.Г. Основы электрофизиологии / П.Г. Богач, М.Ю. Клевец, В.К. Рыбальченко. - Київ: Вища школа, 1984. - 231 с.
2. Венкстерн Т.В., Энгельгардт В.А. // Докл. АН СССР. - 1955. - Т. 102, № 1. - С. 133-136.
3. Геннис Р. Биомембраны. Молекулярная структура и функции / Р. Геннис. - М.: Мир, 1997. - 622 с.
4. Костюк П.Г. Кальций и клеточная возбудимость / П.Г. Костюк. - М.; Наука, 1986. - 225 c.
5. Куликова Н.В. Екто-АТФазная активность клеток и тканей / Н.В. Куликова, В.К. Рыбальченко. - Київ, 1986. - Деп. В Укр. НИИНТИ 29.10.86. №2422-Ук86. - 30 с.
6. Мельников К.Н. Разнообразие и свойства кальциевых каналов возбудимых мембран / К.Н. Мельников // Психофармакология и биологическая наркология - 2006 - Т. 6, вып. 1-2. - C. 1139-1155.
7. Мецлер Д. Биохимия. В 3 т. / Д. Мецлер. - М.: Мир, 1980. - Т. 3. - 488 c.
8. Пидевич И.Н. Фармакология серотониннореактивных структур / И.Н. Пидевич. - М.: Медицина, 1977. - 280 с.
9. Регистрация одиночных каналов / под ред. Сакман Б., Неер Э. - М.: Мир, 1987. - 447 c.
10. Физиология человека / под. ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. - Т. 1. - М.; Мир, 1996. - 323 с.
11. Alvarado-Castillo C. Regulation of P2Y1 receptor-mediated signaling by the ectonucleoside triphosphate diphosphohydrolase isozymes NTPDase1 and NTPDase2 / C. Alvarado-Castillo, T.K. Harden, J.L. Boyer // Mol. Pharmacol. - 2005. -Vol. 67. - P. 114-122.
12. Ashcroft F. K(ATР) channels and insulin secretion: a key role in health and disease / F. Ashcroft // Biochem. Soc. Trans. - 2006. - Vol. 34. - P. 243-246.
13. Ashcroft F.M. Ion channels and disease. / F.M. Ashcroft - San Diego: Academic Press., 2000. - 481 p.
14. Barish M.E. A transient calcium-dependent chloride current in the immature Хenopus oocyte / M.E. Barish // J. Physiol. - 1983. - Vol. 342. - P. 309-325.
15. Baulac S. First genetic evidence of GABA(A) receptor dysfunction in epilepsy: a mutation in the gamma2-subunit gene / S. Baulac, G. Huberfeld, I. Gourfinkel-An [е.а.]// Nature Genet. - 2001. - Vol. 28. - P. 46-48.
16. Episodic ataxia/myokymia syndrome is associated with point mutations in the human potassium channel gene, KCNA1 / D.L. Browne, S.T. Gancher, J.G. Nutt [е.а.] // Nature Genet. - 1994 - Vol. 8. - P. 136-140.
17. ABCC8 and ABCC9: ABC transporters that regulate K+ channels / J. Bryan, A. Munoz, X. Zhang [е.а.]// Plug. Arch. - 2007. - Vol. 453, № 5. - P. 703-718.
18. Butt A.M. Inwardly rectifying potassium channels (Kir) in central nervous system glia: a special role for Kir4 in glia functions / A.M. Butt, A. Kalsi // J. Cell Mol. Med. - 2006. - Vol. 10, № 1. - P. 33-34.
19. Celesia G.G. Disorders of membrane channels or channelopathies / G.G. Celesia // Clin. Neurophysiol. - 2001. - Vol. 112, № 1. -P. 2-18.
20. Chen T.Y. ClC-o and CFTR-: chloride channels evolved from transporters / T.Y. Chen, T.C. Hwang // Physiol. Rev. - 2008. - Vol. 88, № 2 - P. 351 - 387.
21. Choi J.Y. Сl(-) - dependent HCO3- transport by cystic fibrosis transmembrane conductance regulator / J.Y. Choi, M.G. Lee, S. Muallem //  JOP. - 2001. - Vol. 2. - Р. 243 - 246.
22. The 5-HT3B subunit is a major determinant af serotonin-receptor function/P.A.Davies, M.Pistis, M.C.Hanna [е.а.]//   Nature. - 1999. - Vol. 397. - P. 359-363.
23. Dean M. The human ATP - binding cassette (ABC) transporter superfamily / M. Dean, Y. Hamon, G. Chimini//  J. Lipid Res. - 2001. - Vol. 42, № 7. - P. 1007-1017.
24. High prevalence of CACNA1A truncations and broader clinical spectrum in episodic ataxia type 2 / C. Denier, A. Ducros, K. Vahedi [е.а.] // Neurology. - 1999. - Vol. 52. - P. 1816-1821.
25. Dingledine R. The glutamate receptor ion channels / R. Dingledine, К. Borges, D. Bowie // Pharmacol. Rev. - 1999 - Vol. 51 - P. 7-61.
26. Doroshenko P. Cell cycle-related chander in regylatory volume decreage and volume-sensitive chloride conductance in mouse fibroblasts / P.Doroshenko, V.Sabanov, N.Doroshenko // J. Cell Physiol. - 2001. - Vol. 187, № 1. - P. 65-72.
27. Postsynaptic clustering of major GABAA receptor subtypes requires the gamma 2 subunit and gephyrin / C. Essrich, M. Lorez, J.A. Benson [е.а.] //  Nature Neurosci. - 1998. - № 1. - P. 563-571.
28. Potassium channels: new targets in cancer therapy / A. Felipe, R. Vicente, N. Villalonga [е.а.]// Cancer Detect. Prev. - 2006. - Vol. 30, № 4. - P. 375-385.
29. Gancher S.T. Autosomal dominant episodic ataxia: a heterogeneous syndrome / S.T. Gancher, J.G. Nutt// Mov Disord. - 1986. - Vol. 1. - P. 239-253.
30. George A.L. Jr. Inherited disorders of voltage-gated sodium channels / A.L. George Jr. J. // Clin. Invest. - 2005. - Vol. 115, № 8. - P. 1990-1999.
31. Goepfert C. CD39 modulates endothelial cell activation and apoptosis / C. Goepfert, M. Imai, S. Brouard // Mol. Med. - 2000. - Vol. 6. - P. 591-603.
33.Greene J.G.Bioenergetics and glutamate exitotoxicity/ J.G. Greene, J.T.Greenamyre// Pog.Neurobiol. -1996.-Vol.48.-P. 613-634.
33. Impoveal patch-clamp techniques for high-resoluxion current recording from cells and cell-free membrane patches / O.P. Hamill, A. Marty, E. Neher [е.а.]// J. Plug Arch. - 1981. - Vol. 391, № 2. - P.85-100.
34. Molecular physiology of bestrofins: multifunctional membrane proteins linked to best disease and other retinopathies / H.C. Hartzell, Z. Qu, K. Yu [е.а.]// Physiol. Rev. - 2008. - Vol.88, № 2. - P. 639-672.
35. Hille B. Ion channels of excitable membranes. 3rd ed. / B. Hille -Sunderland (MA): Sinauer, 2001. - 814 p.
36. Hodgkin A.L. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. / A.L. Hodgkin, A.F. Huxley// J. Physiol. - 1952. - Vol. 117. - P. 500-544.
37. Hodgkin A.L. Currents carried by sodium and potassium ions through the membrane of the giant axon of Loligo / A.L. Hodgkin, A.F. Huxley// J. Physiol. - 1952. - Vol. 116. - P. 449-472.
38. ABC proteins: from bacteria to men / I.B. Holland, S.P. Cole, K. Kuchler, C.F. Higgins. - New York: Academic Press, 2003. - 251 p.
39. Hoyver D. Molecular, pharmacological and funtctional diversity of 5-HT receptors / D. Hoyver, J.P. Hannon, G.R. Martin // Pharmacol. Biochem. Behav. - 2002. - Vol. 71, № 4. - P. 533-554.
40. Jen J. A novel nonsense mutation in CACNA1A causes episodic ataxia and hemiplegia / J. Jen, Q. Yue, S.F. Nelson [е.а.]// Nutt. J. Neurology. - 1999. - Vol. 53. - P. 34-37.
41. Molecular structure and physiological function of chloride channels / T.J. Jentsch, V. Stein, F. Weinreich, A.A. Zdebik// Physiol. Rev. - 2002. - Vol. 82, № 2. - P. 503-568.
42. Jentsch T.J. Primary structure of Torpedo marmorata chloride channel isolated by expression cloning in Хenopus oocytes / T.J. Jentsch, K. Steinmeyer, G. Schwarz // Nature. - 1990. - Vol. 348. - P. 510-514.
43. Episodic ataxia type 2 (EA2) and spinocerebellar ataxia type 6 (SCA6) due to CAG repeat expansion in the CACNA1A gene on chromosome 19p / C. Jodice, E. Mantuano, L. Veneziano [е.а.]// Hum. Mol. Genet. - 1997 - Vol. 6. - P. 1973-1978.
44. Evidence for proteasomal degradation of Kv1.5 channel protein / M. Kato, K. Ogura, J. Miake [е.а.] // Biochem. Biophys. Res. Commun. - 2005. - Vol. 337, № 1. - P. 343-348.  
45. Kofuji P. Potassium buffering in the central nervous system / P. Kofuji, E.A. Newman // Neuroscience. - 2004. - Vol. 129, № 4 - P. 1045-1056.
46. Estradiol binding to maxi-K channels induces their down-regulation via proteasomal degradation / V.P. Korovkina, A.M. Brainard, P. Ismail [е.а.]  // The Journ. of Biol. Chem. - 2004. - Vol. 279, № 2. -P. 1217-1223.
47. Kullmann D.M. The neuronal channelopathies / D.M. Kullmann // Brain. - 2002 - Vol. 125, № 6. - P. 1177-1195.
48. Cell volume regulatori ion channels in cell proliferation and cell death / F. Lang, M. Foller, K. Lang [е.а.] // Metods Enzymol. - 2007. - Vol. 428. - P. 209-225.
49.Functional significance of cell volume regulatory mechanisms / F. Lang, G.L. Busch, M. Ritter [е.а.]// Physiol. Rev. - 1998. - Vol. 78, № 1. - P. 247-306.
50. Lazarowski E.R. Mechanisms of release of nucleotides and integration of their action as P2х-and P2у-receptor activating molecules / E.R. Lazarowski, R.C. Boucher, T.K. Harden // Mol. Pharm. - 2003. - Vol 64, № 4. - P. 785-75.
51. Bcl-2-dependent modukation of swelling - activated Cl-current and ClC-3 expresion in human prostate cancer epithelial cells / L. Lemonnier, Y. Shuba, A. Crepin [е.а.]// Cancer Res. - 2004. - Vol. 64, № 14. - P. 4841-4848.
52. Lennon V. Humoral factors in myasthenia gravis / V. Lennon // Nature. - 1975. - Vol. 258. - P. 11-12.
53. Loeven M.E. Sturture and function of ClCa proteins / M.E. Loeven, G.W. Forsyth// Physiol. Rev. - 2005. - Vol. 85, № 3. - P. 1061-1092.
54. Lynch J.W. Molecular structure and function of the glycine receptor chloride channel / J.W. Lynch // Physiol. Rev. - 2004. - Vol. 84, № 4. - P. 1051-1095.
55. Malenka R.C. A long-term potentiation a decade of progress? / R.C. Malenka, R. Nicoll// Science. - 1999. - Vol. 285. - P. 1870-1874.
56. Marban E. Cardial channelopathies / E. Marban// Nature. - 2002. - Vol. 415, № 10. -P. 213-218.
57. Primiari structure and functional expression of the 5HT3 receptor, a serotonin-gated ion channel / A.V. Marieq, A.S. Peterson [е.а.] // Science. - 1991. - Vol. 254. - P. 432-437.
58. Meldrum B. S. The glutamate synapse as a therapeutical target: perspectives for the future / B.S. Meldrum // Progr. Brain Res. - 1998. - Vol. 116. - P. 441-458.
59. Miller C. Open-state substructure of single chloride channels from Torpedo electroplax / C. Miller // Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. - 1982. - Vol. 299. - P. 401-411.
60. Nichols C.G. KATP channels as moleculas sensor of cellular metabolism / C.G. Nichols // Nature. - 2006. - Vol. 440. - P. 470-476.
61. Noma A. ATР-regulated K+ channels in cardiac muscle / A. Noma // Nature. - 1983. - Vol. 305. - P. 147-148.
62. Volume-sensitive chloride channels involve in apoptopic volume decrease and cell death / Y. Okada, T. Shimizu, E. Maeno [е.а.] // J. Membr. Biol. - 2006. - Vol. 209, № 1. - P. 21-29.
63. Receptor-mediated control of regylatory volume decrease (RVD) and apontotic volume decrease (AVD) / Y. Okada, E. Maeno, T. Shimizu [е.а.]// J. Physiol. - 2001. - Vol. 532. - P. 3-16.
64. Okada Y. Volume expansion-sensing outward-rectifier Cl-channel: fresh start to the molecular identity and volume sensor / Y. Okada// Ami. J. Physiol. - 1997. - Vol. 273. - P. 755-789.
65. Familial hemiplegic migraine and episodic ataxia type-2 are caused by mutations in the Ca2+ channel gene CACNL1A4 / R.A. Ophoff, G.M. Terwindt, M.N. Vergouwe , [е.а.]//Cell. - 1996. - Vol. 87. - P. 543-552.
66. Cloning of genomic and complementary DNA from Shaker, a putative potassium channel gene from Drosophila / D.M. Papazian, T.L. Schwarz, B.L. Tempel [е.а.] // Science. - 1987. - Vol. 237. - P. 749-753.
67. Rolе of voltage-gated potassium channels in cancer / L.А. Pardo, C. Contreras-Jurado, M. Zientkowska [е.а.]// J.Membr. Biol. - 2005. - Vol. 205. - P. 115-124.
68. Patel A.J. The 2p-domain K+ channels: role in apoptosis and tumori genesism / A.J. Patel, M. Lazdunski // Pflug. Arch. - 2004. - Vol. 448, № 3. - P. 261-273.
69. Pfeiffer F. Purification by affinity chromatography of the glycine receptor of rat spinal cord / F. Pfeiffer, D. Graham, H. Betz  //  J.Biol.Chem. - 1982. - Vol. 275, № 16. - P. 9389-9393.
70. Plesner L. Ecto-ATPases: identities and functions / L.Plesner //  Int. Review Cytol. - 1995. - Vol. 158. - P. 141-214.
71. Rajendra S. The glycine receptor / S. Rajendra, J.W. Lynch, P.R. Schofild //   Pharmacol. Ther. - 1997. - Vol. 73, № 2. - P. 121-146.
72. Rapport M.M. Serum vasoconstrictor (serotonin) / M.M. Rapport, A.A. Green, I.H. Pagl //  J. Biol. Chem. - 1948. - Vol. 176. -P. 1243-1251.
73. Robbins J. KCNQ potassium channels: physiology, pathophysiology, and pharmacology / J. Robbins//  Pharmacol. Ther. - 2001. - Vol. 90, № 1. - P. 1-19.
74. Roden D.M. Genetics of acquired long QT syndrome / D.M. Roden, P.C. Viswanathan//  J. Clin. Invest. - 2005. - Vol. 115, № 8. - P. 2025-2032.
75. Sanguinetti M.C. HERG potassium channels and cardiac arrhythmia / M.C. Sanguinetti, M. Tristani-Firouzi//  Nature. - 2006. - Vol. 440. - P. 463-469.
76. Cell volume regulation and swelling-activated chloride channels / A. Sardini, J.S. Amey, K.H. Weylandt [е.а.]//  Biochim. Bioplys. Acta. - 2003. - Vol. 1618, № 2. - P. 153-162.
77. Schofield P.R. New insights into the role of the GABA (A)-benzodiazepine receptor in psychiatric disorder / P.R. Schofield, D.J. Nutt, A.L. Malizia //   Br. J. Psychiatry. - 2001. - Vol. 179. - P. 390-396.
78. Schofield P.R. Sequence and functional expression of the GABA A receptor shows a ligand-gated receptor-family / P.R. Schofield, M.G. Darlison, N. Fujita//  Nature. - 1987. - Vol. 328. - P. 221-227.
79. Sharom F.G. ABC multigrug transporters: structure, function and role in chemoresistance / F.G. Sharom//  Pharmacogenomics. - 2008. - Vol. 9, № 1. - P. 105-127.
80. Sheppard D.N. Structure and function of the CFTR chloride channel / D.N. Sheppard//  Physiol. Rev. - 1999. - Vol. 79, № 1. - P. S23-S45.
81. Potassium channels: molecular defects, diseases, and therapeutic opportunities / C.C. Shieh, Coghlan, J.P. Sullivan, M. Gopalakrishnan//  Pharmacol Rev.-2000.-Vol.52, №4. - P. 557-594.
82. Unvin N. Refined structure of the nicotinic acetylcholine receptor at 4A resolution / N. Unvin //  J. Mol. Biol. - 2005. - Vol. 346, № 4 - P. 968-989.
83. Valera S. A new class of ligand-dated ion channel de fined by P2? receptor for extracellular ATP / S. Valera, N. Hussy, R.J. Evans, N. Adami, R.A. North, A. Surprenant, G. Buell//  Nature. - 1994. - Vol. 371. - P. 516-519.
84. Valverde M.A., Diaz M., Sepulveda F.V., Gill D.R., Higgins C.F. Volume-regulated chloride channels associated with the human multidrug - resistance P-glycoprotein / M.A. Valverde, M. Diaz, F.V. Sepulveda, D.R. Gill, C.F. Higgins//  Nature. - 1992. - Vol. 355. - P. 830-833.
85. Wallace R.H. Mutant GABA(A) receptor gamma2-subunit in childhood absence epilepsy and febrile seizures / R.H. Wallace, C. Marini, S. Petrou, L.A. Harkin, D.N. Bowser, R.G. Panchal //  Nature Genet. - 2001. - Vol. 28. - P. 49-52.
86. Wallace R.H. Febrile seizures and generalized epilepsy associated with a mutation in the Na+-channel beta1 subunit gene SCN1B / R.H. Wallace, D.W. Wang, R. Singh, I.E. Scheffer, A.L. George, H.A. Phillips, S.F. Berkovic, J.C. Mulley //  Nature Genet. - 1998. - Vol. 19. - P. 366-370.
87. White М.М. A voltage-gated anion channel from the electric organ of Torpedo californica / М.М. White, C. Miller //  J. Biol. Chem. - 1979. - Vol. 254. - P. 10161 - 10166.
88. Zhuchenko O. Autosomal dominant cerebellar ataxia (SCA6) associated with small polyglutamine expansions in the alpha 1A-voltage-dependent calcium channel / O. Zhuchenko, J. Bailey, P. Bonnen, T. Ashizawa, D.W. Stockton, C. Amos//  Nature Genet. - 1997. - Vol. 15. P. 62-69.