CC BY
105
ТЕЛОМЕРЫ И АРТЕРИАЛЬНАЯ ГИПЕРТОНИЯ: ПАТОФИЗИОЛОГИЯ И КЛИНИЧЕСКИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ
Кобалава Ж. Д., Котовская Ю. В.
Старение — основной фактор риска артериальной гипертонии (АГ) и сердечно-сосудистых заболеваний. Естественное старение при нормальном АД сопровождается параллельными структурными и функциональными изменениями в крупных артериях (ригидность), миокарде (гипертрофия) и процессах расслабления и наполнения сердечной мышцы (диастолическая дисфункция). При АГ эти изменения начинаются раньше, прогрессируют с возрастом быстрее, наблюдаются при старении с нормальным давлением и при АГ в любом возрасте. Длина теломер — особых концевых структур хромосом соматических клеток — зависит от возраста и укорачивается по мере старения. Данный обзор посвящен современным представлениям о роли теломер как биологических индикаторов старения для понимания патофизиологии эссенциальной АГ как синдрома ускоренного старения сердечно-сосудистой системы.
Российский кардиологический журнал 2014, 6 (110): 77-84
Ключевые слова: артериальная гипертония, теломеры, ускоренное сердечно-сосудистое старение.
ФПК МР Российский университет дружбы народов, Москва, Россия.
Кобалава Ж. Д.— д.м.н., профессор, зав.кафедрой пропедевтики внутренних болезней медицинского факультета РУДН, зав. кафедрой внутренних болезней, кардиологии и клинической фармакологии ФПК МР РУДН, Котовская Ю. В.* — д.м.н., профессор кафедры пропедевтики внутренних болезней медицинского факультета РУДН, профессор кафедры внутренних болезней, кардиологии и клинической фармакологии ФПК МР РУДН.
*Автор, ответственный за переписку (Corresponding author): kotovskaya@bk.ru
АГ — артериальная гипертония, АД — артериальное давление, ГМК — гладко-мышечные клетки, ДАД — диастолическое артериальное давление, ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота, РНК — рибонуклеиновая кислота, САД — систолическое артериальное давление, ЭПФ — эндотелин-превращающий фермент, SHR — спонтанно-гипертеннзивные крысы, TERC — теломеразные РНК-компоненты, TERT — теломерная обратная транскриптаза, TRF — фактор связывания повторов теломер, WKY — крысы Wistar-Kyoto.
Рукопись получена 30.04.2014 Рецензия получена 12.05.2014 Принята к публикации 19.05.2014
TELOMERES AND ARTERIAL HYPERTENSION: PATHOPHYSIOLOGY AND CLINICAL PERSPECTIVES
Kobalava J. D., Kotovskaya Yu. V.
The ageing is the main risk factor for arterial hypertension (AH) and cardiovascular diseases. Natural ageing with normal BP is followed by changes in large arteries (rigidity), myocardium (hypertrophy) and diastolic relaxation and filling of cardiac muscle (diastolic dysfunstion). In AH these changes develop earlier and progress faster. These can be found at any age in AH. The telomere length (TL) — a special terminal structures on somatic cells chromosomes — is dependent on the age and is being shortened with age. This review concerns modern views on the role of telomeres as biological markers of ageing to understand the pathophysiology of
essential arterial hypertension as a syndrome of accelerated cardiovascular system ageing.
Russ J Cardiol 2014, 6 (110): 77-84
Key words: arterial hypertension, telomeres, accelerated cardiovascular ageing. Peoples' Friendship University of Russia, Moscow, Russian Federation.
Старение является основным фактором риска артериальной гипертонии (АГ) и сопутствующих сердечно-сосудистых заболеваний. Параллельные структурные и функциональные изменения в крупных артериях (ригидность), миокарде (гипертрофия) и процессах расслабления и наполнения сердечной мышцы (диастолическая дисфункция) наблюдаются при старении с нормальным давлением и при АГ в любом возрасте. Эти зависимые от возраста изменения просто ускоряются у пациентов с длительной АГ и, таким образом, аналогичные изменения появляются в более раннем возрасте или в более выраженной степени. Сходство между процессом старения и АГ настолько велико, что процесс старения может рассматриваться, как "немая гипертония", тогда как АГ можно сравнить с "ускоренным старением". Следовательно, необходимо введение биологических индикаторов старения в модели, разработанные для обеспечения лучшего понимания патофизиологии эссенциальной АГ. В качестве одного из таких индикаторов может быть длина теломер соматических клеток, зависящая от возраста (табл. 1).
Что такое теломеры?
Теломеры представляют собой специализированные хроматиновые структуры, покрывающие концы эукариотических хромосом, предупреждающие распознавание концов хромосом, как фрагментов двух-спиральной ДНК. Таким образом, функциональные теломеры являются основным механизмом предупреждения клеточного ДНК-ответа на повреждение, возникающее в результате рекомбинации и деградации хромосом. Теломеры содержат большое количество некодирующих двухспиральных повторов, состоящих из идущих друг за другом ДНК-последовательностей с большим числом оснований G (TTAGG у позвоночных) размером 10—15 т.п.н. у человека и 25—40 т.п.н. у мыши, с З'-одноцепочечным концом ^-цепь) длиной в 150—200 нуклеотидов [1, 2]. К тело-мер-ассоциированным белкам относятся теломераз-ные компоненты ТЕRC (теломеразные РНК-компоненты, которые служат шаблоном для синтеза новых теломерных повторов) и TERT (компонент теломер-ной обратной транскриптазы, катализирующей синтез новых теломерных повторов). Как правило, сома-
тические клетки взрослого человека имеют низкую теломеразную активность или вовсе ее не имеют. Исключение составляют популяции клеток с высоким пролиферативным потенциалом, такие как активированные лимфоциты и некоторые типы стволовых клеток [3—5]. В результате так называемой "проблемы концевой репликации", клетки с низкой или отсутствующей теломеразной активностью демонстрируют прогрессирующее изнашивание теломер с каждым митотическим циклом. Таким образом, длина теломер в соматической клетке отражает историю их делений и может быть индикатором их оставшегося пролиферативного потенциала. В клетках с критической малой длиной теломер происходит слияние концов хромосом, истощение репликации, клетки подвергаются апоптозу [6, 7].
Длина теломер значительно отличается среди индивидов одного возраста, как у грызунов [8, 9] так и у человека [10—14]. Несмотря на существующее представление о том, что на индивидуальную длину теломер оказывают воздействие генетические факторы [11, 13, 15], становится все более очевидно, что влияние окружающей среды может также иметь большое значение в определении длины теломер в период зрелости организма [16]. Имеются данные о том, что у взрослых женских особей в разных тканях теломе-разная активность выше [17] и длина теломер больше [8, 13, 18, 19] по сравнению с мужскими особями того же возраста, что может быть вызвано, по крайней мере отчасти, эстроген-зависимой активацией теломеразы [20, 21].
Последовательность разрушения теломер на орга-низменном уровне была точно оценена на мышах с дефицитом TERC, у которых происходило прогрессирующее укорочение теломер в каждом поколении и которые теряли жизнеспособность при достижении критической малой длины теломер (как правило, после трех-пяти поколений). Примечательно, что в поздних поколениях TERC-нулевых мышей наблюдались симптомы преждевременного старения и сопутствующие нарушения [22—29]. Таким образом, поддерживается концепция возможного вовлечения прогрессирующего укорочения теломер в патогенез возрастных нарушений в человеческом орга-
низме. В этом смысле важен тот факт, что ослабление теломеразной активности или усиление изнашивания теломер наблюдается у человека при различных синдромах, связанных с преждевременным старением, таких как врожденный дискератоз [30], синдром Вер-нера [31] или телеангиэктатическая атаксия [32]. Важная роль дефицита теломеразы в патогенезе этих нарушений подчеркивается наблюдением, показавшим, что эктопическая экспрессия теломеразы в культуре клеток, полученных от больных врожденным дискератозом, помогает избежать дефектов теломер [33].
Связь между длиной теломер у человека и артериальным давлением
Связь между артериальным давлением (АД) и длиной теломер в лейкоцитах изучалась в ряде популяци-онных исследований. Исследование с участием 49 близнецовых пар (38 мужчин и 60 женщин, в возрасте 18—44 лет) с нормальным АД [13] показало, что между длиной фрагмента теломеры, подвергшегося рестрикции, в лейкоците и диастолическим АД (ДАД) существует прямая связь и обратная связь — между длиной фрагмента теломеры, подвергшегося рестрикции, и систолическим АД (САД) и пульсовым давлением (пульсовое давление = САД — ДАД). Длина теломер и уровень пульсового давления носили наследственный характер, обнаруженная связь не зависела от пола. В исследовании [18] с участием 120 мужчин (САД 134,8±1,5 мм рт.ст.; ДАД 85,2±0,9 мм рт.ст.; средний возраст — 55±1 год) и 73 женщин (САД 131,2+1,9 мм рт.ст.; ДАД 81,3±1,2 мм рт.ст.; средний возраст — 56±1 год), не получающих антигипертен-зивную терапию, была выявлена обратная связь между возрастом и длиной теломер у обоих полов. Тем не менее, оказалось, что более короткие тело-меры способствуют повышению пульсового давления и увеличению ригидности артерий только у мужчин [18]. Исследование у 327 мужчин их Фремингемской когорты [34] подтвердило связь АГ с меньшей длиной теломер в лейкоцитах. Было выдвинуто предположение, что эта связь в значительной степени является результатом инсулинорезистентности — нарушением, часто сочетающимся с АГ [35, 36].
Таблица 1
Исторические вехи изучения теломер
• Теломеры — концевые участки хромосом, характеризуются отсутствием способности к соединению с другими хромосомами или их фрагментами и выполняют защитную функцию. Термин "теломера" предложил Г Мёллер в 1932 г.
Muller H. J. Further studies on the nature and causes of gene mutations. Proc. Sixth Int. Congr. Genet. 1932; 1: 213-55.
• При каждом делении клетки теломерные участки укорачиваются. Существование механизма, компенсирующего укорочение теломер (теломеразы), было предсказано в 1973 году А. М. Оловниковым.
Olovnikov AM. A theory of marginotomy. The incomplete copying of template margin in enzymic synthesis of polynucleotides and biological significance of the phenomenon. J Theor Biol. 1973 Sep 14;41 (1): 181-90.
• Теломераза была открыта Кэрол Грейдер в 1984 году.
• За открытие защитных механизмов хромосом от концевой недорепликации с помощью теломер и теломеразы в 2009 году присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине Элизабет Блэкбёрн, Кэрол Грейдер и Джеку Шостаку.
Десятилетнее наблюдение за 419 пожилыми людьми (средний возраст — 74,2±5,2 года) из когорты Cardiovascular Health Study позволило выявить пограничную обратную связь (P-value 0,06) между длиной теломер лейкоцитов и ДАД [37]. Подобный характер взаимосвязи у пожилых объясним с позиции известной возрастной динамики ДАД: снижение ДАД у пожилых является следствием артериальной ригидности. Следует отметить, что для установления статистически достоверных различий в перекрестных исследованиях потребуются большие когорты, так как длина теломер у людей сильно варьирует. Меньшие размеры выборки могут быть достаточными для длительных повторных исследований, направленных на установление возможных различий в изнашивании теломер.
Механистическое представление
о роли теломеразы и теломер в патогенезе АГ
Предполагается, что нарушения теломеразной активности и изменение длины теломер может играть роль в патогенезе АГ.
С возрастом теломеры клеток эндотелия и гладко-мышечных клеток (ГМК) сосудов человеческого организма изнашиваются [39, 40]. В эксперименте у спонтанно-гипертеннзивных крыс (SHR) установлено, что в возрасте до развития АГ экспрессия TERT и теломеразная активность индуцируются в аорте [41]. Неясно, сопровождается ли это увеличением длины теломер и пролиферацией клеток в тканях аорты in vivo, но при изучении первичных культур ГМК медии, полученных из аорты SHR, выявляется повышенная теломеразная активность и увеличение длины теломер, а также как более высокая пролифе-ративная активность по сравнению с ГМК крыс Wistar-Kyoto (WKY). Более того, снижение теломераз-ной активности уменьшало пролиферативную активность и вызвало гибель ГМК, полученных от SHR, но не WKY [41]. С другой стороны, эндотелиальные клетки-предшественники (EPC), полученные от пациентов с АГ, от SHR и от крыс с АГ, индуцированной ацететатом дезоксикортикостерона, показали сниженную теломеразную активность и ускоренное старение [42], а EPC от крыс с АГ, индуцированной с помощью ангиотензина II, показали сниженную теломеразную активность, ускоренное старение и сниженную митогенную активность [43]. На основании этих наблюдений, заманчиво предположить, что повышенная пролиферативная активность ГМК медии, вызванная ранней теломеразной активностью и увеличенной длиной теломер, может способствовать развитию начальных фаз ремоделирования сосудов, связанного с АГ (например, гипертрофии медии). Длительное воздействие некоторых факторов, ассоциированных с АГ, может стимулировать старение клеток, что, по крайней мере, частично является
следствием сниженной теломеразной активности и ускоренного разрушения теломер (рис. 1). Среди этих факторов, возможно, наиболее важными являются воспаление, окислительный стресс и инсулино-резистентность, так как все они связаны с АГ [35, 36, 44—49] и ускоряют разрушение теломер [50—54]. Безусловно, необходимы дополнительные исследования на человеке и животных для выявления возможных связей между теломеразной активностью/длиной теломер и инсулинорезистентностью, окислительным стрессом и маркерами воспаления на различных стадиях АГ, как в клетках артерий, так и в циркулирующих клетках. Заслуживает внимания тот факт, что ангиотензин II, являющийся центральным звеном в развитии АГ [55], может индуцировать старение ГМК без уменьшения длины теломер [56], что свидетельствует о роли теломер-независимых механизмов старения сосудов в развитии АГ. У мужчин с нормальным АД и с АГ была выявлена обратная связь между концентрацией альдостерона в плазме крови и длиной теломер в лейкоцитах [57]. Несоответственно высокие концентрации этого гормона, наблюдаемые при различных формах АГ у человека [58], могут быть связаны с более высоким изнашиванием теломер и, возможно, усиленным биологическим старением этих пациентов.
Причинно-следственные взаимосвязи между дисфункцией теломер и АГ подтверждены в эксперименте [29]. В первом и третьем поколении мышей с дефицитом TERC, выявлялись более высокие уровни вазоконстриктора эндотелиального происхождения — эндотелина 1 — в крови и моче, и развивалась АГ. Поскольку различий в экспрессии предшественника — препроэндотелина 1 в аорте и корковом веществе почки TERC-нулевых мышей не отмечалось, было сделано теоретическое допущение, что повышенные уровни циркулирующего эндотелина 1 могут быть вызваны повышенной экспрессией эндо-телин-превращающего фермента (ЭПФ-1), который превращает препроэдотелин 1 в биологически активный эндотелин 1. ЭПФ-1-мессенджерная РНК-экспрессия была значительно выше у мышей с дефицитом TERC, чем у их клонов дикого типа, а промотор-ная активность ЭПФ-1 была повышена в мышечных эмбриональных фибробластах, полученных от мышей с дефицитом TERC. Эти клетки также демонстрировали усиленную продукцию химически активных кислородных радикалов и их обработка антиоксидан-тами (каталазой и ^ацетилцистеином) уменьшала промоторную активность ЭПФ-1. Эти данные позволяют предположить причинную связь между синтезом химически активных кислородных радикалов и уровнем эндотелина 1 и поддерживают точку зрения о роли окислительного стресса в разрушении теломер при АГ. Было также показано, что экспрессия фактора связывания повторов теломер 2 (TRF2) —
доминантного негативного мутанта, разрушающего структуру теломер, индуцирует фенотип старения в клетках и сниженную активность эндотелиальной NO-синтазы [59]. В совокупности, эти наблюдения говорят о том, что дисфункция теломер может индуцировать преждевременное старение и модифицирует фенотипические характеристики клеток сосудов, способствуя развитию АГ (например, нарушая выработку вазомодуляторов) [29].
Теломеры, теломераза и повреждение органов-мишеней при АГ
Исследования у человека и животных продемонстрировали связи между дисфункцией теломер и поражением органов-мишеней при АГ (рис. 2). При АГ развиваются изменения в строении сердечной мышцы, что приводит к структурному ремоделирова-нию миокарда. Структурное ремоделирование является следствием ряда патологических процессов, опосредованных механическими, нейрогумональ-ными путями и цитокинами, в кардиомиоцитах и в немышечных структурах сердца. Принято считать, что гипертрофия кардиомиоцитов, ведущая к гипертрофии левого желудочка, обеспечивает адаптацию сердца к повышенному АД и попытку компенсации систолической перегрузки. Экспериментальные и клинические исследования также выявили стимуляцию апоптоза кардиомиоцитов, ведущую к гибели клеток или их дисфункции в сердце при АГ [66]. Более того, доступные данные свидетельствуют о том, что апоптоз кардиомиоцитов превалирует над ухудшением функции желудочков, и его усиление сопровождает развитие сердечной недостаточности у пациентов с АГ и гипертрофией миокарда.
Роль теломеразы в патофизиологических процессах, происходящих в сердце, активно изучалась в исследованиях на поздних поколениях TERC-нуле-вых мышей: критически малая длина теломер ассоциировалась с дилатацией желудочков, истончением миокарда, нарушением функции сердца и внезапной смертью, а также сниженной пролиферацией и усиленным апоптозом кардиомиоцитов [27]. Вопреки классическому представлению о том, что сердце взрослого человека представляет собой постмитоти-ческую ткань, получены данные о существовании продуцирующих теломеразу мультипотентных стволовых клетках сердца, которые могут способствовать регенерации поврежденной ткани в сердце [63, 67—69]. Более того, при гипертрофии миокарда, вызванной стенозом отверстия аортального клапана, возможно образование новых миоцитов путем дифференциации теломераза-положительных стволовых клеток сердца [63]. На кардиоспецифических моделях TERT-трансгенных мышей продемонстрирована ранняя гиперплазия кардиомиоцитов и позднее начало гипертрофии миокарда [70].
Суммируя данные вышеупомянутых исследований, можно предполагать значимую роль активации теломеразы в адаптативных изменениях кардиомиоцитов в гипертоническом сердце. Тем не менее, дисфункция теломер также может способствовать не обеспечивающей адаптации гипертрофии миокарда и последующей сердечной недостаточности. Во-первых, изнашивание теломер было выявлено в сердечной ткани пациентов с гипертрофией миокарда, возникшей в результате аортального стеноза, продолжительностью, в среднем, 3 года, несмотря на повышенную теломеразную активность [63]. Повышенная теломеразная активность в пораженном стареющем человеческом сердце не предупреждает изнашивания теломер [61]. Во-вторых, как на модели гипертрофии миокарда и сердечной недостаточности, вызванной тяжелой механической перегрузкой в течение 1 недели, так и у пациентов с сердечной недостаточностью последней стадии, в ткани сердца выявляются сниженные уровни TRF2, укороченные теломеры и активированный Chk2 [62]. Подобным образом, инактивация TRF2 в культивированных кардиомиоцитах быстро приводила к укорочению теломер, активации Chk2 и апоптозу, а экзогенный TRF2 защищал кардиомиоциты от окислительного стресса. In vivo реакции на механическую перегрузку ингибировались эктопической экспрессией TERT в количестве, нормальном для сердца эмбриона, которая также уменьшала заместительный фиброз и обладала защитным действием на систолическую функцию. Тем не менее, при отсутствии сердечной недостаточности, в гипертрофированном миокарде не было выявлено изнашивания теломер и изменений регуляции выработки TRF2 [62].
Окислительный стресс играет большую роль в гипертрофии миокарда и ее переходе в сердечную недостаточность [64, 71] и ускоряет разрушение тело-мер [50—52, 54]. В соответствии с этими наблюдениями, в стволовых клетках сердца и кардиомиоцитах, полученных от мышей со стрептозотоцин-индуциро-ванным сахарным диабетом, обнаруживались более короткие теломеры в сочетании с окислительным стрессом [72]. В кардиомиоцитах мышей с дефицитом p66s c, сахарным диабетом и ослабленной выработкой химически активных кислородных радикалов истощения теломер не наблюдалось [72—74], что указывает на связи между укорочением теломер в сердце, окислительным стрессом и сахарным диабетом.
Пока неизвестно, обязательно ли старение сопровождается ухудшением функции почек или как скоро это может происходить. Тем не менее, допускается, что некоторые состояния, такие как АГ, способствуют и ускоряют ухудшение функции почек, связанное с возрастом. Было выдвинуто предположение о роли длины теломер как одного из молекулярных механизмов, регулирующих подобные взаимоотношения [75].
БНЯ (до развития АГ)
Активация теломеразы в артериальной стенке
В ГМК медии происходит удлинение теломер и клетки усиленно пролиферируют
Активация теломеразы и удлинение теломер в стенке человеческой
артерии при предгипертонии?
Патологическое ремоделирование сосудов при предгипертонии
Длительное воздействие факторов риска АГ, ингибирующих теломеразную активность и/или ускоряющих изнашивание теломер (окислительный стресс, воспаление, инсулинорезистентностъ)
Больные АГ, БОСА -солевые крысы и БНЯ
Низкая теломеразная активность в ЕРС (более короткие теломеры?)
Больные АГ
Более короткие теломеры в лейкоцитах
Каковы эффекты теломеразы и д лины теломер в стенке артерии приАГ?
ПЖС-нулевые мыши Преждевременное старение клеток
Повышенное образование ЕС-1
Нарушение синтеза вазомодулягоров 1
ЕС мутантные по ТЯР2 Ригидность артерий?
• Аномальная структура теломер • Старение клеток • Снижение активности е1>ГО8 Другие эффекты? г
АГ
Рис. 1. Гипотетическая модель повреждения теломер и теломеразы на разных этапах развития АГ.
Анализ 24 человеческих почек, удаленных при хирургических вмешательствах, выявил, что в стареющей почке, особенно в корковом веществе, происходит укорочение теломер [76]. Этой концепции соответствует обнаружение в почках SHR более коротких теломер, чем у крыс с нормальным АД во всех исследованных возрастах [65]. Поскольку у SHR период полужизни клеток почек фактически уменьшен примерно на 50% по сравнению с крысами с нормальным АД [77], возможно, что гипертоническая почка характеризуется ускоренным старением с усиленным обновлением клеток. Потенциальная патофизиологическая значимость этой гипотезы поддерживается следующими фактами: 1) люди с эссенциальной АГ имеют повышенный риск развития специфической формы хронического заболевания почек (например, нефроангиосклероза) [78]; и 2) в почках пациентов с нефроангиосклерозом обнаруживаются патологические черты, сходные с микроскопическими изменениями, происходящими в почках более пожилых людей с нормальным уровнем АД [79].
Установлено, что пациенты с АГ имеют повышенный риск развития атеросклероза. Однако не у всех пациентов с АГ проявляются осложнения атеросклероза. Причины этого неизвестны, но они могут отражать различия в факторах окружающей среды и генетических факторах, таких как окислительный стресс, воспаление, и других молекулярных и клеточных механизмах, связанных со старением. Некоторые данные говорят о том, что атеросклеротические поражения более распространены среди людей с более короткими теломерами в лейкоцитах, и эти люди подвержены большему риску развития сердечнососудистых событий, связанных с атеросклерозом
[80]. Так, показано, что у мужчин с АГ и атеросклеро-тическими бляшками в сонных артериях длина тело-мер в лейкоцитах меньше, чем у мужчин с гипертонией, но без бляшек [60]. Многофакторный анализ показал, что, наряду с возрастом, длина теломер является значимым прогностическим фактором наличия атеросклеротических бляшек в сонных артериях. Данные, полученные в ходе этого исследования, позволяют предполагать, что при наличии хронической АГ, являющейся основным фактором риска развития атеросклероза, меньшая длина теломер в лейкоцитах сочетается с большей предрасположенностью к атеросклерозу сонных артерий. Обсуждается возможная роль дисфункции теломер в развитии атеросклероза и негативное влияние факторов риска сердечно-сосудистых заболеваний на теломеразную активность и длину теломер [16].
Таким образом, накапливаются данные о роли биологии теломер в патогенезе АГ. Длина теломер вариабельна среди организмов одного и того же возраста, и определяется как генетическими факторами, так и факторами окружающей среды. В экспериментальных моделях АГ активация теломеразы в аорте наблюдалась до начала АГ, а длина теломер в первичных культурах ГМК медии была больше, по сравнению с длиной теломер в клетках контрольных животных. Некоторые исследования выявили связь между развившейся АГ и низкой теломеразной активностью или малой длиной теломер: 1) по сравнению с пациентами с нормальным АД, у пациентов с АГ длина теломер в лейкоцитах была меньшей; 2) более низкая теломеразная активность была выявлена в ЕРС крыс с АГ и у пациентов с эссен-циальной АГ, которая может способствовать преждевременному старению; и 3) TERC-нулевые мыши
Исследования на человеке
Мужчины с АГ и
атеросклерозом сонных артерий
Более короткие теломеры
Лейкоциты
• Гипертрофия миокарда ■ Стареющее поврежденное сердце
Поздняя стадия сердечной недостаточности
Исследования на животных
Кардиоспецифи-ческие ТЕКГ-трансгенные мыши
Интактные
мыши ("дикий" тип)
Механическое повреждение
Поздние поколения ТЕЯС -нулевых мышей с критически малой длиной теломер
Изнашивание теломер
• Укорочение теломер
• Нарушение регуляции ТЫЕ2
• Активация СЬК2
Сердце
• Поддержание длины теломер
• Под держание экспрессии ТИК
• Ингибирование активации СЬК2
• Защита от апоптоза
• Более низкий уровень фиброза и защита систолической функции после механического повреждения
• Ранняя гиперплазия кардиомиоцитов и позднее развитие гипертрофии миокарда
• Поддержание теломеразной активности и длины теломер в миокарде взрослого человека
Сердце
Спонтанно-гипертензивные крысы
• Более короткие теломеры
• Усиленная смена клеток
Почка
•Дилатация желудочков
• Истончение миокарда
• Нарушение функции сердца
• Внезапная смерть
Рис. 2. Исследования на человеке и животных, подтверждающие связь между дисфункцией теломер и поражением органов-мишеней при артериальной гиперСокращения: TERC — теломеразные РНК-компоненты, TERT — компонент теломерной обратной транскриптазы, TRF2 — фактор связывания повторов тело-мер 2, DOCA — ацетат дезоксикортикостерона, ЕС — клетки эндотелия, eNOS — NO-синтаза, ЕРС — эндотелиальные клетки-предшественники, ЕТ-1 — эндоте-лин 1, TERC — теломеразные РНК-компоненты, TRF2 — фактор связывания повторов теломер 2, ГМК — гладкомышечные клетки.
демонстрировали повышенную экспрессию вазокон-стрикторного пептида эндотелина 1, и у них развивалась АГ. Повышенная активность теломеразы в артериях на стадии предгипертонии может способствовать началу патологического ремоделирования сосудов у SHR путем индуцирования гиперпластического роста артериальных ГМК. Неизвестно, имеют ли место подобные повреждения у человека. На основании данных, полученных при исследованиях лейкоцитов и ЕРС, можно предположить, что длительное воздействие факторов риска, которые часто сочетаются с высоким АД и, как известно, ингибируют теломераз-ную активность и ускоряют укорочение теломер (например, окислительный стресс и инсулинорезистентность), может в конечном счете провоцировать старение ГМК и способствовать развитию заболевания (например, путем увеличения ригидности артерий или стимулирования синтеза вазоконстрикторных молекул, таких как эндотелин 1 (рис. 1).
Относительно поражения органов-мишеней (рис. 2), как активация теломеразы, так и изнашивание теломер наблюдались при заболеваниях сердца, связанных с АГ: 1) теломеразная активность необходима для пролиферации стволовых клеток сердца
и может, таким образом, способствовать образованию новых кардиомиоцитов при гипертрофии миокарда; и 2) уменьшение длины теломер может способствовать развитию сердечной недостаточности при гипертрофии миокарда, не обеспечивающей адаптации. Эту гипотезу подтверждает истощение теломер, которое выявляется при гипертрофии миокарда вследствие аортального стеноза и в стареющей поврежденной ткани сердца, несмотря на сохранную теломеразную активность. Более того, механическое повреждение ткани сердца ухудшает регуляцию TRF2, способствует укорочению теломер и активации апоптоза, обусловленного повреждением ДНК в тканях сердца. Как и в сосудистой стенке, окислительный стресс существенно способствует разрушению теломер в больном сердце. С другой стороны, истощение теломер в корковом веществе может быть одним из факторов, приводящих к старению почки при АГ, что, в свою очередь, может способствовать развитию нефроангиосклероза.
Клинические перспективы
Знания о теломерах и сердечно-сосудистых заболеваниях постоянно накапливаются, и одной из задач
является выяснение, какое клиническое применение может иметь эта информация. Пока неизвестно, могут ли на теломеры и ассоциированные протеины быть объектом терапевтического воздействия при лечении АГ и ассоциированных с ней поражений органов-мишеней. В эксперименте степень старения и теломеразная активность в EPC были, соответственно, значительно выше и ниже у крыс, получавших только ангиотензин II, чем у крыс, получавших ангиотензинн II в сочетании с блокатором рецепторов ангиотензина II валсартаном [43]. Оба эти параметра оставались неизменными у крыс, получавших ангиотензин II в сочетании с гидралазином. Эти данные дают основания для гипотезы о том, что блокада АТ-1 рецепторов ангиотензина II может оказывать специфическое благоприятное воздействие на дисфункцию теломер при АГ. Показано, что тиазолидин-дионы могут предупреждать рестеноз [81] и вызывают торможение роста ГМК путем ингибирования TERT [82]. Имеются данные о том, что правастатин почти полностью устранял связанный с теломерами риск ИБС, который был почти вдвое повышен у людей с меньшей длиной теломер в лейкоцитах [83].
Таким образом, на основании оценки средней длины теломер в лейкоцитах можно выявлять больных, которые могут получить наибольшую пользу от лечения статинами. Полученные данные позволяют предполагать, что меньшая длина теломер при АГ может быть одним из факторов, объясняющих, почему некоторые пациенты с АГ более других склонны к развитию атеросклеротических поражений. Остается выяснить, найдут ли "теломеразные" стратегии практическое применение для предупреждения или улучшения функций органов-мишеней АГ [84].
Заключение
Связь между патологией теломер и АГ нуждается в дальнейших фундаментальных и популяционных исследованиях. Большинство исследований на сегод-
Литература
1. Blackburn EH. Switching and signaling at the telomere. Cell 2001; 106: 661-73.
2. Blasco MA. Telomeres and human disease: ageing, cancer and beyond. Nat Rev Genet 2005; 6: 611-22.
3. Hiyama K, Hirai Y Kyoizumi S, et al. Activation of telomerase in human lymphocytes and hematopoietic progenitor cells. J Immunol 1995; 155: 3711-5.
4. Chiu CP, Dragowska W, Kim NW, et al. Differential expression of telomerase activity in hematopoietic progenitorsfrom adult human bone marrow. Stem Cells 1996; 14: 239-48.
5. Liu K, Schoonmaker MM, Levine BL, et al. Constitutive and regulated expression of telomerase reverse transcriptase (hTERT) in human lymphocytes. Proc Natl Acad Sci U S A 1999;96:5147-52.
6. Harrington L, Robinson MO. Telomere dysfunction: multiple paths to the same end. Oncogene 2002; 21: 592-7.
7. Artandi SE, Attardi LD. Pathways connecting telomeres and p53 in senescence, apoptosis, and cancer Biochem Biophys Res Commun 2005; 331: 881-90.
8. Coviello-McLaughlin GM, Prowse KR. Telomere length regulation during postnatal development and ageing in Mus spretus. Nucl Acids Res 1997; 25: 3051-8.
9. Prowse KR, Greider CW. Developmental and tissue-specific regulation of mouse telomerase and telomere length. Proc Natl Acad Sci U S A 1995; 92: 4818-22.
няшний день сфокусированы на теломеразе, однако необходимо исследовать роль дополнительных тело-мер-ассоциированных белков АГ. Необходимы крупные поперечные и продольные популяционные исследования для ответа на вопросы: 1) является ли врожденная малая длина теломер предрасполагающим фактором для развития АГ и сопутствующих заболеваний, и 2) исходя из того, что можно ожидать ускоренного укорочения теломер при воздействии факторов, ассоциированных с повышенным АД, может ли чрезмерное истощение теломер служить замещающим маркером АГ и сопутствующих заболеваний? Если это так, то измерение степени истощения теломер может стать полезным методом для выявления пациентов с АГ, которые более предрасположены к поражению органов-мишеней.
На рисунке 2 представлена модель, основанная на результатах исследований на животных и человеке. У спонтанно-гипертензивных крыс (SHR), ранняя активация теломеразы и удлинение теломер внутри артериальной стенки может способствовать патологическому ремоделированию сосудов до повышения АД и начала АГ. На более поздних стадиях, в результате хронического воздействия факторов риска, которые часто сочетаются с высоким АД и ингибируют активность теломераз, ускоренное изнашивание теломер может стать причиной фенотипических повреждений, способствующих развитию АГ (например, старение клеток, повышенная ригидность артерий, повреждение процесса синтеза вазомодуляторов). Для подтверждения этой модели необходимы исследования на человеке, чтобы определить, сопровождаются ли стадии пред-гипертонии активацией теломеразы в артериальной стенке и удлинением теломер, как это было продемонстрировано на модели SHR. Необходимо определить, встречается ли изнашивание теломер и последующее старение клеток внутри стенки артерии у пациентов и животных с АГ.
10. Okuda K, Bardeguez A, Gardner JP, et al. Telomere length in the newborn. Pediatr Res 2002; 52: 377-81.
11. Slagboom PE, Droog S, Boomsma DI. Genetic determination of telomere size in humans: a twin study of three age groups. Am J Hum Genet 1994;55: 876-82.
12. Friedrich U, Griese E, Schwab M, et al.Telomere length in different tissues of elderly patients. Mech Ageing Dev 2000; 119: 89-99.
13. Jeanclos E, Schork NJ, Kyvik KO, et al.Telomere length inversely correlates with pulse pressure and is highly familial. Hypertension 2000; 36: 195-200.
14. Takubo K, Izumiyama-Shimomura N, Honma N, et al. Telomere lengths are characteristic in each human individual. Exp Gerontol 2002; 37: 523-31.
15. Nawrot TS, Staessen JA, Gardner JP, et al. Telomere length and possible link to X chromosome. Lancet 2004; 363: 507-10.
16. Fuster JJ, Andres V. Telomere biology and cardiovascular disease. Circ Res 2006; 99: 1167-180.
17. Leri A, Malhotra A, Liew CC, et al. Telomerase activity in rat cardiac myocytes is age and gender dependent. J Mol Cell Cardiol 2000; 32: 385-90.
18. Benetos A, Okuda K, Lajemi M, et al. Telomere length as an indicator of biological aging: the gender effect and relation with pulse pressure and pulse wave velocity. Hypertension 2001; 37: 381-5.
19. Cherif H, Tarry JL, Ozanne SE, et al. Ageing and telomeres: a study into organ- and gender-specific telomere shortening. Nucl Acids Res 2003; 31: 1576-83.
20. Kyo S, Takakura M, Kanaya T, et al. Estrogen activates telomerase. Cancer Res 1999; 59: 5917-21.
21. Imanishi T, Hano T, Nishio I. Estrogen reduces endothelial progenitor cell senescence through augmentation of telomerase activity. J Hypertens 2005; 23: 1699-706.
22. Blasco MA, Lee HW, Hande MP, et al. Telomere shortening and tumor formation by mouse cells lacking telomerase RNA. Cell 1997; 91: 25-34.
23. Lee HW, Blasco MA, Gottlieb GJ, et al. Essential role of mouse telomerase in highly proliferative organs. Nature 1998; 392: 569-74.
24. Rudolph KL, Chang S, Lee HW, et al. Longevity, stress response, and cancer in aging telomerase-deficient mice. Cell 1999; 96: 701-12.
25. Herrera E, Samper E, Martin-Caballero J, et al. Disease states associated with telomerase deficiency appear earlier in mice with short telomeres. EMBO J 1999; 18: 2950-60.
26. Franco S, Segura I, Riese HH, et al.Decreased B16F10 melanoma growth and impaired vascularization in telomerase-deficient mice with critically short telomeres. Cancer Res 2002; 62: 552-9.
27. Leri A, Franco S, Zacheo A, et al. Ablation of telomerase and telomere loss leads to cardiac dilatation and heart failure associated with p53 upregulation. EMBO J 2003; 22: 131-9.
28. Wong KK, Maser RS, Bachoo RM, et al. Telomere dysfunction and Atm deficiency compromises organ homeostasis and accelerates ageing. Nature 2003; 421: 643-8.
29. Perez-Rivero G, Ruiz-Torres MP, Rivas-Elena JV, et al. Mice deficient in telomerase activity develop hypertension because of an excess of endothelin production. Circulation 2006; 114: 309-17.
30. Vulliamy T, Marrone A, Goldman F, et al. The RNA component of telomerase is mutated in autosomal dominant dyskeratosis congenita. Nature 2001; 413: 432-5.
31. Chang S, Multani AS, Cabrera NG, et al. Essential role of limiting telomeres in the pathogenesis of Werner syndrome. Nat Genet 2004; 36: 877-82.
32. Metcalfe JA, Parkhill J, Campbell L, et al. Accelerated telomere shortening in ataxia telangiectasia. Nat Genet 1996; 13: 350-3.
33. Wong JM, Collins K. Telomerase RNA level limits telomere maintenance in X-linked dyskeratosis congenita. Genes Dev 2006; 20: 2848-58.
34. Demissie S, Levy D, Benjamin EJ, et al. Insulin resistance, oxidative stress, hypertension, and leukocyte telomere length in men from the Framingham Heart Study. Aging Cell 2006; 5: 325-30.
35. Sowers JR, Frohlich ED. Insulin and insulin resistance: impact on blood pressure and cardiovascular disease. Med Clin North Am 2004; 88: 63-82.
36. Saad MF, Rewers M, Selby J, et al. Insulin resistance and hypertension: the Insulin Resistance Atherosclerosis Study. Hypertension 2004; 43: 1324-31.
37. Fitzpatrick AL, Kronmal RA, Gardner JP, et al. Leukocyte telomere length and cardiovascular disease in the cardiovascular health study. Am J Epidemiol 2007; 165: 14-21.
38. Aviv A, Valdes AM, Spector TD. Human telomere biology: pitfalls of moving fromthe laboratory to epidemiology. Int J Epidemiol 2006; 35: 1424-9.
39. Chang E, Harley CB. Telomere length and replicative aging in human vascular tissues. Proc Natl Acad Sci U S A 1995; 92: 11190-4.
40. Okuda K, Khan MY, Skurnick J, et al. Telomere attrition of the human abdominal aorta: relationships with age and atherosclerosis. Atherosclerosis 2000; 152: 391-8.
41. Cao Y Li H, Mu F-T, et al. Telomerase activation causes vascular smooth muscle cell proliferation in genetic hypertension. FASEB J 2002; 16: 96-8.
42. Imanishi T, Moriwaki C, Hano T, et al. Endothelial progenitor cell senescence is accelerated in both experimental hypertensive rats and patients with essential hypertension. J Hypertens 2005; 23: 1831-7.
43. Kobayashi K, Imanishi T, Akasaka T. Endothelial progenitor cell differentiation and senescence in an angiotensin II-infusion rat model. Hypertens Res 2006; 29: 449-55.
44. Epstein M, Sowers JR. Diabetes mellitus and hypertension. Hypertension 1992; 19: 403-18.
45. National High Blood Pressure Education Program Working Group report on hypertension in diabetes. Hypertension 1994; 23: 145-58.
46. Griendling KK, Alexander RW. Oxidative stress and cardiovascular disease. Circulation 1997;96:3593-601.
47. Gress TW, Nieto FJ, Shahar E, et al. for The Atherosclerosis Risk in Communities Study. Hypertension and antihypertensive therapy as risk factors for type 2 diabetes mellitus. N Engl J Med 2000; 342: 905-12.
48. Ceriello A, Motz E. Is oxidative stress the pathogenic mechanism underlying insulin resistance, diabetes, and cardiovascular disease? The common soil hypothesis revisited. Arterioscler Thromb Vasc Biol 2004; 24: 816-23.
49. Savoia C, Schiffrin EL. Inflammation in hypertension. Curr Opin Nephrol Hypertens 2006; 15: 152-8.
50. Xu D, Neville R, Finkel T. Homocysteine accelerates endothelial cell senescence. FEBS Lett 2000; 470: 20-24.
51. Breitschopf K, Zeiher AM, Dimmeler S. Pro-atherogenic factors induce telomerase inactivation in endothelial cells through an Akt-dependent mechanism. FEBS Lett 2001; 493: 21-5.
52. Kurz DJ, Decary S, Hong Y et al. Chronic oxidative stress compromises telomere integrity and accelerates the onset of senescence in human endothelial cells. J Cell Sci 2004; 117: 2417-26.
53. Gardner JP, Li S, Srinivasan SR, et al. Rise in insulin resistance is associated with escalated telomere attrition. Circulation 2005; 111: 2171-7.
54. Matthews C, Gorenne I, Scott S, et al. Vascular smooth muscle cells undergo telomere-based senescence in human atherosclerosis: effects of telomerase and oxidative stress. Circ Res 2006; 99: 156-64.
55. Mehta PK, Griendling KK. Angiotensin II cell signaling: physiological and pathological effects in the cardiovascular system. Am J Physiol Cell Physiol 2007; 292: C82-C97.
56. Kunieda T, Minamino T, Nishi J, et al. Angiotensin II induces premature senescence of vascular smooth muscle cells and accelerates the development of atherosclerosis via a p21- dependent pathway. Circulation 2006; 114: 953-60.
57. Benetos A, Gardner JP, Kimura M, et al. Aldosterone and telomere length in white blood cells. J Gerontol A Biol Sci Med Sci 2005; 60: 1593-6.
58. Lim PO, Struthers AD, MacDonald TM. The neurohormonal natural history of essential hypertension: towards primary or tertiary aldosteronism? J Hypertens 2002; 20: 11-5.
59. Minamino T, Miyauchi H, Yoshida T, et al. Endothelial cell senescence in human atherosclerosis. Role of telomere in endothelial dysfunction. Circulation 2002; 105: 1541-4.
60. Benetos A, Gardner JP, Zureik M, et al. Short telomeres are associated with increased carotid atherosclerosis in hypertensive subjects. Hypertension 2004; 43: 182-5.
61. Chimenti C, Kajstura J, Torella D, et al. Senescence and death of primitive cells and myocytes lead to premature cardiac aging and heart failure. Circ Res 2003; 93: 604-13.
62. Oh H, Wang SC, Prahash A, et al. Telomere attrition and Chk2 activation in human heart failure. Proc Natl Acac Sci U S A 2003; 100: 5378-83.
63. Urbanek K, Quaini F, Tasca G, et al. Intense myocyte formation from cardiac stem cells in human cardiac ypertrophy. Proc Natl Acad Sci U S A 2003; 100: 10440-5.
64. Takimoto E, Kass DA. Role of oxidative stress in cardiac hypertrophy and remodeling. Hypertension 2007; 49: 241-8.
65. Hamet P, Thorin-Trescases N, Moreau P, et al. Workshop: excess growth and apoptosis: is hypertension a case of accelerated aging of cardiovascular cells? Hypertension 2001; 37: 760-6.
66. Gonzalez A, Ravassa S, Lopez B, et al. Apoptosis in hypertensive heart disease: a clinical approach. Curr Opin Cardiol 2006; 21: 288-94.
67. Beltrami AP, Barlucchi L, Torella D, et al. Adult cardiac stem cells are multipotent and support myocardial regeneration. Cell 2003; 114: 763-76.
68. Oh H, Bradfute SB, Gallardo TD, et al. Cardiac progenitor cells from adult myocardium: homing, differentiation, and fusion after infarction. Proc Natl Acad Sci U S A 2003; 100: 12313-8.
69. Urbanek K, Torella D, Sheikh F, et al. Myocardial regeneration by activation of multipotent cardiac stem cells in ischemic heart failure. Proc Natl Acad Sci U S A 2005; 102: 8692-7.
70. Oh H, Taffet GE, Youker KA, et al. Telomerase reverse transcriptase promotes cardiac muscle cell proliferation, hypertrophy, and survival. Proc Natl Acad Sci U S A 2001; 98: 10308-13.
71. Dhalla AK, Hill MF, Singal PK. Role of oxidative stress in transition of hypertrophy to heart failure. J Am Coll Cardiol 1996; 28: 506-14.
72. Rota M, LeCapitaine N, Hosoda T, et al. Diabetes promotes cardiac stem cell aging and heart failure, which are prevented by deletion of the p66Shc gene. Circ Res 2006; 99: 42-52.
73. Migliaccio E, Giorgio M, Mele S, et al. The p66shc adaptor protein controls oxidative stress response and life span in mammals. Nature 1999; 402: 309-13.
74. Giorgio M, Migliaccio E, Orsini F, et al. Electron transfer between cytochrome c and p66Shc generates reactive oxygen species that trigger mitochondrial apoptosis. Cell 2005; 122: 221-33.
75. Buemi M, Nostro L, Aloisi C, et al. Kidney aging: from phenotype to genetics. Rejuvenation Res 2005; 8: 101-9.
76. Melk A, Ramassar V, Helms LM, et al. Telomere shortening in kidneys with age. J Am Soc Nephrol 2000; 11: 444-53.
77. Thorin-Trescases N, deBlois D, Hamet P. Evidence of an altered in vivo vascular cell turnover in spontaneously hypertensive rats and its modulation by long-term antihypertensive treatment. J Cardiovasc Pharmacol 2001; 38: 764-74.
78. Rosario RF, Wesson DE. Primary hypertension and nephropathy. Curr Opin Nephrol Hypertens 2006; 15: 130-4.
79. Ono H, Ono Y Nephrosclerosis and hypertension. Med Clin North Am 1997; 81: 1273-88.
80. Samani NJ, Boultby R, Butler R, et al. Telomere shortening in atherosclerosis. Lancet 2001; 358: 472-3.
81. Marx N, Wohrle J, Nusser T, et al. Pioglitazone reduces neointima volume after coronary stent implantation: a randomized, placebo-controlled, double-blind trial in nondiabetic patients. Circulation 2005; 112: 2792-8.
82. Ogawa D, Nomiyama T, Nakamachi T, et al. Activation of peroxisome proliferator-activated receptor gamma suppresses telomerase activity in vascular smooth muscle cells. Circ Res 2006;98:e50-e59.
83. Brouilette SW, Moore JS, McMahon AD, et al. Telomere length, risk of coronary heart disease, and statin treatment in the West of Scotland Primary Prevention Study: a nested case-control study. Lancet 2007; 369: 107-14.
84. Fuster JJ, Diez J., Andres V. Telomere dysfunction in hypertension. Journal of Hypertension 2007, 25: 2185-92.
