CC BY
36
®
ребенка
Теоретична медицина / Theoretical Medicine
u VJ
УДК 612.015.3:546.215
АБАТУРОВ А.Е.1, ВОЛОСОВЕЦ А.П.2, БОРИСОВА Т.П.1
1ГУ «Днепропетровская медицинская академия Министерства здравоохранения Украины» 2Национальный медицинский университет им. А.А. Богомольца, г. Киев
АКТИВИРОВАННЫЕ АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ МЕТАБОЛИТЫ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА ПРИ ЗАБОЛЕВАНИЯХ ОРГАНОВ ДЫХАНИЯ. ГЕНЕРАТОРЫ И ГЕНЕРАЦИЯ (часть 2-я)
Резюме. В обзоре литературы изложены современные данные об индукции и ингибиции синтеза монооксида азота (NO) при заболеваниях органов дыхания. Детально рассмотрены индукция генерации NO цитокинами, регуляция генерации NO П- и П2-лимфоцитами. Представлены сигнальные пути основных индукторов индуцибельной или макрофагальной нитрооксидсинтазы (iNOS), а также факторы транскрипции, участвующие в регуляции активности гена iNOS. Показаны особенности продукции NO в зависимости от локальных условий.
Ключевые слова: активированные азотсодержащие метаболиты, легкие.
Введение
Монооксид азота (NO), являясь молекулярным мессенджером и регулятором клеточных функций, участвует в различных физиологических и патологических процессах в респираторной системе. В дыхательных путях NO продуцируется нитро-оксидсинтазами (NOS) самых разнообразных клеток — эпителиоцитов, эндотелиоцитов, провоспа-лительных клеток иммунной системы (макрофаги, нейтрофилы, тучные клетки, Т-лимфоциты), нейронов. Несмотря на то что уровень продукции NO эпителиоцитами не превышает объемы генерации NO макрофагами, эпителий респираторного тракта считают уникальным континуумным паттерном, который участвует в обмене NO [9, 22].
Индукция синтеза монооксида азота
В респираторном тракте содержание NO обусловлено ферментативной работой всех трех изо-форм NOS [29]: нейрональной (nNOS, NOS1), ин-дуцибельной, или макрофагальной (iNOS, mNOS, NOS2), эндотелиальной (eNOS, NOS3).
Конститутивная продукция NO обусловлена возбуждением ионотропных и метаботропных рецепторов. Активация iNOS не зависит от концентрации внутриклеточного Са2+. Возбуждение iNOS связано с активацией TLR, цитокиновых рецепторов [23].
Возбуждение ионотропных рецепторов способствует повышению внутриклеточной концентрации ионов Ca2+. Последние, формируя комплекс Са2+/ кальмодулин, способствующий передаче электронов от НАДФ к редуктазному домену, возбуждают предсуществующие конститутивные формы NOS (nNOS и еNOS) [15].
Возбуждение метаботропных рецепторов приводит к фосфорилированию сопряженных с ними G-белков. За счет замены ГДФ на ГТФ происходит диссоциация тримерного G-белка на две части — ГТФ-связанную а-субъединицу и гете-родимер ру ГГФ-а и гетеродимер Ру индуцируют фосфоинозитол-3-киназу (PI3-K), аденилатцикла-зу, фосфолипазу-А^ фосфолипазу-С и фосфодиэ-стеразу. Аденилатциклаза и PI3-K фосфорилируют сериновые аминокислотные остатки Ser617, Ser1179 протеинкиназы-А и Ser635, Ser1179 протеинкиназы-Akt, которые затем активируют eNOS. Также стресс-индуцированный распад АТФ индуциру-
Адрес для переписки с авторами: Абатуров Александр Евгеньевич E-mail: alexabaturov@i.ua
© Абатуров А.Е., Волосовец А.П., Борисова Т.П., 2015 © «Здоровье ребенка», 2015 © Заславский А.Ю., 2015
ет АМФ-киназу (AMPK), которая фосфорилирует Ser1179 eNOS [2, 15].
Индукция гена iNOS обусловлена взаимодействием РАМР инфекционных агентов с TLR или цитокинов — эпидермального фактора роста (EGF), IL-ip, IL-2, IL-17, IL-22, TNF-a, TNF-p, IFN-a, IFN-y — со специфическими рецепторами клеток-продуцентов NO (рис. 1) [6, 13, 16, 19].
Возбуждение TLR-клеток ведет к активации ре-цептор-ассоциированной 1апи8-киназы-2 (JAK2), экстрацеллюлярной сигнал-регулируемой киназы 1/2 (Erk1/Erk2) и р38-митоген-активируемой проте-инкиназы (p38-MAPK). Это определяет индукцию факторов транскрипции — NF-£B, NF-ILC, STAT1, IRF-1 и GAF, которые и обусловливают активацию транскрипции гена iNOS. После индукции триггер-ными факторами активность iNOS появляется через 6—8 часов, в течение этого времени происходит индукция генов и синтез фермента (табл. 1) [12, 17].
Промотор гена iNOS содержит несколько сайтов связывания различных факторов транскрипции (NF-kB, AP-1, STAT-1a, IRF-1, NF-IL-6), что свидетельствует о сложности регуляции продукции ин-дуцибельной нитрооксидсинтазы (табл. 2) [26, 27].
Учитывая, что активация гена iNOS происходит при одновременном возбуждении нескольких его специфических сайтов связывания, для инду-цибельной продукции NO требуется комплексный стимул в виде сочетания PAMP с IFN-y, или PAMP с IL-1ß, или PAMP с TNF-a [11]. EGF активирует PI3-K, протеинкиназу Akt, предопределяя усиление активности iNOS, а также экспрессии IL-1Rt [6, 12].
Также активация а1Д-адренорецепторов индуцирует экспрессию iNOS [21] и малой ГТФазы Rac2 [20]. При заболеваниях органов дыхания в индукции синтеза NO особую роль играет активация регулирующих гипоксией элементов промотора гена iNOS.
Ингибиция синтеза монооксида азота
Продукция NO регулируется на транскрипционном, посттранскрипционном и посттрансляционном уровнях.
Предупреждение повышения концентрации NO выше цитотоксического уровня обусловлено ингибицией iNOS собственно самим монооксидом азота, по типу обратной отрицательной связи; производными L-аргинина (NG-монометил-L-аргинином (NMMA), асимметричным NG,NG-диметил^-аргинином (ADMA), ^нитро^-аргининметиловым эфиром (NAME)), действием ингибирующих протеинов, деградацией iNOS [20, 21]. Ингибирующее действие на iNOS оказывают гуанин-нуклеотид-фактор обмена калирин и NOS-ассоциируемый протеин-110 kDa (NAP110). Калирин связывается с первыми 70 аминокислотными остатками iNOS, а NAP110 взаимодействует с NH2 терминальным доменом iNOS, предотвращая ди-меризацию NOS. Ингибирующее действие калирин проявляет в нейронах, а NAP110 — в макрофагах. Основными протеолитическими системами, ответственными за регулируемую деградацию iNOS, являются кальпаиновый и убиквитин-протеосом-ный пути протеолиза. В процессе деградации NOS
\
а
И
1Ы7 IFrJ-T IL-22 "í-1
¡4 Д—ч Д—V
Ч§ iL-e^NO-iNOS ^
Р J _3QCS3, IL-10, Вес
\J/ ¡Эпителий I I
Д д
Рисунок 1. Индукция генерации NO цитокинами [16]
Таблица 1. Сигнальные пути основных индукторов iNOS
Индуктор Сигнальные пути
Вирусные и бактериальные продукты
LPS TLR4 ^ ERK1/2 и p38 MAPK ^ iNOS
19-кДа липопротеин Mycobacterium tuberculosis TLR2 ^ ERK1/2 и p38 MAPK ^ iNOS
Флагеллин TLR5 ^ ERK1/2 и p38 MAPK ^ iNOS
Бактериальная ДНК TLR9 ^ MyD88 ^ p38 MAPK ^ iNOS
Вирусная дцРНК TLR3 ^ IRF-1 ^ iNOS
Цитокины
IL-1F2/IL-1ß Рецептор IL-1ß ^ р38 MAPK ^ NF-kB ^ iNOS
IL-12 (p40) Рецептор IL-12 ^ NF-kB ^ iNOS
IL-17 Рецептор IL-17 ^ NF-kB ^ iNOS Рецептор IL-17 ^ ERK1/2 и p38 MAPK ^ iNOS
IL-22 Рецептор IL-22 ^ ERK1/2 и p38 MAPK ^ iNOS Рецептор IL-22 ^ STAT3 ^ iNOS
IFN-y Рецептор IFN-y ^ JAK ^ STAT ^ iNOS
участвуют глюкокортикоиды, кавеолин-1, белок Hsp90, нейротоксические молекулы, ингибиторы NOS [10, 18, 21, 28].
Экспрессию iNOS ингибируют и некоторые ци-токины: TGF-p, IL-4, IL-10, IL-11, IL-13, IFN-a/p [3]. Таким образом, Thj-ассоциированные цито-кины стимулируют, а Т^-ассоциированные цито-кины ингибируют экспрессию и активность iNOS (рис. 2).
Синтез монооксида азота
Фермент NOS производит NO из L-аргинина в результате реакции JL-аргинин + 3НАДФН + 4O2 + + 3H+ ^ JL-цитруллин + 2NO + 3НАДФ+ + 4H2O.
Электроны, полученные в результате деятельности НАДФ, переносятся из редуктазного в ок-
сигеназный домен молекулы нитрооксидсинтазы, где, взаимодействуя с ионом железа и BH4, катализируют реакцию взаимодействия кислорода и L-аргинина. В результате вначале образуется №-OH-L-аргинин как промежуточная форма окисления, а в последующем — L-цитруллин и монооксид азота (рис. 3) [2, 14].
Функционирование NOS зависит от локальных условий, особенности влияния которых представлены на рис. 4 на примере eNOS.
Нитрооксидсинтазы могут генерировать NO и в мономерном виде [5, 8].
Эпителиоциты респираторного тракта на протяжении всей слизистой оболочки и альвеолоциты обладают способностью экспрессировать мРНК iNOS и индуцибельно генерировать NO. Показано, что iNOS эпителиоцитов расположена рядом с субмембранным белковым комплексом, который тесно связан с кортикальным F-актином и физически взаимодействует с апикальным эзринрадик-синмоэзин-связанным фосфопротеином (EBP50). Взаимодействие iNOS с EBP50 и обусловливает высвобождение NO из внутриклеточного континуума
Рисунок 2. Регуляция генерации NO Th1 и П2-лимфоцитами [30]
Рисунок 3. Синтез монооксида азота [4] Таблица 2. Факторы транскрипции, участвующие в регуляции активности гена iNOS [24]
Фактор транскрипции Триггеры Регион связывания промотора Эффект
NF-kB (р50; р65) LPS, вирусные PAMP, цитокины, окислительный стресс MP: (i)-76-85 (ii)-974-960 RP: (i)-107-98 (ii)-965-956 HP: (i)-115-106 Трансактивация
C/EBP LPS, вирусные продукты, лигация CD40, цАМФ, гипоксия IL-1F2/IL-1P, дцРНК, метаболиты глюкозы MP: (i)-153/-142 RP: (i)-155-163 HP: (i)-205 + 88 Ко-активация
STAT-1 IFN-y MP: (i)-934-942 RP: (i)-936-928 В зависимости от стимула
IRF-1 IFN-y MP: (i)-901-913 (ii)-913-923 RP: (ii)-929-881 HP: ? Специфично
AP-1 Галактозилсфингозин, цитокины MP: (i)-1125 HP: (i)-5115 (ii)-5301(78) Может как индуцировать, так и ингибировать активность гена ¡ЫОБ
Рисунок 4. Особенности продукции NO в зависимости от локальных условий [8] Примечания: 1) все изоформы NOS включают металлсодержащий кластер, образованный ионом цинка и двумя CXXXXC мотивами димерной формы молекулы NOS. Этот сайт связывает не только ионы цинка, но и кофактор BH4 и L-аргинин. Перенос электрона из области редуктазного домена (1) позволяет красно-коричневому оксиду железа (Fe3+) гема взаимодействовать с 02 и переходить в черный оксид железа (Fe2+). Черный оксид железа может получить второй электрон преимущественно от BH4 или от редуктазного домена (2). Это активирует кислород и обусловливает гидроксилирование L-аргинина.
2) В условиях дефицита L-аргинина происходит активная генерация супероксида аниона радикала.
3) Сочетанная выраженная продукция супероксида аниона радикала НАДФН оксидазой и NO-нитрооксидсинтазой приводит к образованию аниона пероксинитрита ONOO-, который окисляет BH4, обусловливая подавление генерации NO. 4
4) Окисление ONOO -тиоловых групп металлсвязывающего кластера приводит к потере иона цинка и дестабилизирует димер NOS, что обусловливает преобладание генерации супероксида аниона радикала за счет генерации NO.
через апикальную поверхность мембраны клетки [7, 21]. Молекулы NO, несмотря на свою высокую биохимическую активность, способны транспортироваться на расстояния, не превышающие размеры нескольких клеток [1].
Список литературы
1. Ванин А.Ф. NO в биологии: история, состояние и перспективы исследований//Биохимия. — 1998. — T. 63, вып. 7. — C. 867-869.
2. Alderton W.K. Nitric oxide synthases: structure, function and inhibition / W.K. Alderton, C.E. Cooper, R.G. Knowles // Biochem. J. — 2001. — Vol. 357. — P. 593-615. PMID: 11463332.
3. Bogdan C. Nitric oxide and the immune response//Nat. Immunol. — 2001. — Vol. 2, № 10. — P. 907-916. PMID: 11577346.
4. Comhair S.A. Redox control of asthma: molecular mechanisms and therapeutic opportunities / S.A. Comhair, S.C. Erzurum // Antioxid. Redox Signal. — 2010. — Vol. 12, № 1. — P. 93-124. doi: 10.1089/ARS.2008.2425.
5. Daff S. NO synthase: structures and mechanisms// Nitric Oxide. - 2010. - Vol. 23, № 1. - P. 1-11. doi: 10.1016/j. niox.2010.03.001. Epub 2010Mar 18.
6. Epidermal growth factor and interleukin-1 synergistically stimulate the production of nitric oxide in rat intestinal epithelial cells / K. Kitagawa, Y. Hamada, Y. Kato et al. //Am. J. Physiol. Gastroin-test. Liver Physiol. - 2004. - Vol. 287. - P. G1188-G1193. PMID: 15271652
7. Epithelial inducible nitric-oxide synthase is an apical EBP50-bindingprotein that directs vectorial nitric oxide output/ Glynne P.A., Darling K..E, Picot J., Evans T.J. // J. Biol. Chem. - 2002. -Vol. 277. - P. 33132-33138. PMID: 12080081
8. Forstermann U. Endothelial nitric oxide synthase in vascular disease: from marvel to menace/ U. Forstermann, T. Munzel// Circulation. - 2006. - Vol. 113, № 13. - P. 1708-1714. doi:10.1161/ CIRCULATI0NAHA.105.602532.
9. Goodrum K.J. Cytokine Responses to Group B Streptococci Induce Nitric Oxide Production in Respiratory Epithelial Cells / K.J. Goodrum, J. Poulson-Dunlap// Infect Immun. - 2002 Jan. -70(1). - P. 49-54. doi: 10.1128/IAI.70.1.49-54.2002.
10. Krajewska W.M. Caveolins: structure and junction in signal Transduction / W.M. Krajewska, I. Maslowska // Cell. Mol. Biol. Lett. - 2004. - Vol. 9. - P. 195-220. PMID: 15213803.
11. Kwon S. Synergistic cytokine-induced nitric oxide production in human alveolar epithelial cells / S. Kwon, S.C. George // Nitric. Oxide. - 1999. - Vol. 3. - P. 348-357. PMID:10444374.
12. Liu J. Exhaled breath condensate as a method oj sampling airway nitric oxide and other markers oj inflammation / J. Liu, P.S. Thomas // Med. Sci. Monit. - 2005. - Vol. 11, № 8. -P. MT53-MT62. PMID:16049390.
13. Lipopolysaccharide and interjeron-gamma-induced nitric oxide production and protein oxidation in mouse peritoneal macrophages are affected by glutathione peroxidase-1 gene knockout/Fu Y, McCormick C.C., Roneker C., LeiX.G.//FreeRadic. Biol. Med. -2001. - Vol. 31. - P. 450-459. PMID:11498278
14. MacMicking J. Nitric oxide and macrophage junction /Mac-Micking J., Xie Q.W., Nathan C. //Annu. Rev. Immunol. - 1997. -Vol. 15. - P. 323-350. PMID:9143691.
15. Mechanisms of nitric oxide synthesis and action in cells / Ar-zumanian V., Stankevicius E, Laukeviciene A., Kevelaitis E. //Me-dicina. - 2003. - Vol. 39, № 6. - P. 535-541. PMID: 12829875.
16. Mühl H. Inducible NO synthase and antibacterial host defence in times of Th17/Th22/T22 immunity / Mühl H., Bachmann M, Pfeilschifter J. // Cell. Microbiol. - 2011. - Vol. 13, № 3. - P. 340348. doi: 10.1111/j.1462-5822.2010.01559.x. Epub 2010Dec 28.
17. Nitric Oxide in Health and Disease of the Respiratory System / Ricciardolo F.L.M., Sterk P.J., Gaston B, Folkerts G. // Physiol. Rev. - 2004. - Vol. 84, № 3. - P. 731-765. doi: 10.1152/phys-rev.00034.2003.
18. Nitric oxide synthase localization in the rat neutrophils: im-munocytochemical, molecular, and biochemical studies / R. Saini, S. Patel, R. Saluja et al. // J. Leukocyte Biol. - 2006. - Vol. 79. -P. 519-528. PMID:16387842.
19. Oxidation of nitric oxide by oxomanganese-salen complexes: a new mechanism for cellular protection by superoxide dismutase/cata-lase mimetics/SharpeM.A., Ollosson R., Stewart V.C, Clark J.B.// Biochem. J. - 2002. - Vol. 366. - P. 97-107. PMID:11994046.
20. Protein-protein interactions involving inducible nitric oxide synthase/ W. Zhang, T. Kuncewicz, Z.Y. Yu et al. //Acta Physiol. Scand. - 2003. - Vol. 179. - P. 137-142. PMID:14510776.
21. Protein interactions with nitric oxide synthases: controlling the right time, the right place, and the right amount of nitric oxide / Kone B.C., Kuncewicz T., Zhang W., Yu Z.-Y. //Am. J. Physiol. Renal Physiol. - 2003. - Vol. 285. - P. F178-F190. doi: 10.1152/ ajprenal.00048.2003.
22. Rao K.M.K. Molecular mechanisms regulating iNOS expression in various cell types // J. Toxicol. Environ Health B Crit. Rev. - 2000 Jan-Mar. — 3 (1). — P. 27-58. doi: 10.1080/109374000281131.
23. Ricciardolo F.L.M. Multiple roles of nitric oxide in the airways // Thorax. - 2003. - Vol. 58. - P. 175-182. doi: 10.1136/ thorax.58.2.175.
24. Saha R.N. Regulation of inducible nitric oxide synthase gene in glial cells / R.N. Saha, K. Pahan // Antioxid. Redox. Signal. -2006. - Vol. 8, № 5-6. - P. 929-947. PMID:16771683.
25. Specific association of nitric oxide synthase-2 with Rac iso-forms in activated murine macrophages / Kuncewicz T., Balakrish-nan P., Snuggs M.B., Kone B.C. //Am. J. Physiol. Renal Physiol. -2001. - Vol. 281. - P. F326-F336. PMID: 11457725.
26. Transcriptional and post-transcriptional regulation of iNOS expression in human chondrocytes / N. Schmidt, A. Pautz, J. Art et al. // Biochem. Pharmacol. - 2010. - Vol. 79, № 5. - P. 722732. doi: 10.1016/j.bcp.2009.10.012. Epub 2009 Oct 23.
27. The role of nitric oxide in inflammatory reactions / Tripa-thi Pl., Tripathi P., Kashyap L., Singh V. // FEMS Immunol Med Microbiol. - 2007Dec. - 51 (3). - P. 443-452. doi: http://dx.doi. org/10.1111/j.1574-695X.2007.00329.x.
28. Ubiquitination of inducible nitric oxide synthase is required for its degradation/Kolodziejski P.J., Musial A., Koo J.S, Eissa N.T. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. - 2002. - Vol. 99. - P. 12315-12320. PMID:12221289.
29. Van der Vliet A. Nitric oxide: a pro-inflammatory mediator in lung disease?/ Van der Vliet A., Eiserich J.P., Cross C.E. // Respirat. Res. - 2000. - Vol. 1. - P. 67-72. PMID:11667967.
30. Yang C.S. The role of nitric oxide in mycobacterial infections/ Yang C.S., Yuk J.M., Jo E.K. // Immune Netw. - 2009. - Vol. 9, № 2. - P. 46-52.
Получено 15.11.15 ■
Абатуров O.e.1, Волосовець О.П.2, Борисова Т.П.1 1ДЗ «Ан!пропетровсы<а мелична акалем1я М!нстерства охорони злоров'я Украни»
2Нацюналыний медичний ун!верситет 1м. О.О. Богомольця, м. Ки1в
AKTMBOBAHÎ A30TYMiCHi МЕТАБОЛИИ ОРГАЖЗМУ ЛЮДИНИ ПРИ ЗАХВОРЮВАННЯХ ОРГАЖВ ДИХАННЯ.
ГЕНЕРАТОРИ i ГЕНЕРАШЯ (ЧАСТИНА 2)
Резюме. В оглядi лггератури викладеш сучасш дат щодо шдукци та шпбщП синтезу монооксиду азоту (NO) при за-хворюваннях оргашв дихання. Детально розглянуп 1ндук-цш генераци NO цитокшами, регуляцш генерацП NO Thr та Т^^мфоцитами. Представлеш сигнальш шляхи осно-вних шдуктс^в iндуцибельноï або макрофагальноï ниро-оксидсинтази (iNOS), а також фактори транскрипци, що беруть участь у регуляци активносп гена iNOS. Показаш особливосп продукцП NO залежно вщ локальних умов.
Kro40BÎ слова: активоваш азотушсш метаболии, легеш.
AbaturovO.Ye.1, Volosovets O.P.2, Borysova T.P.2
1State Institution «Dnipropetrovsk Medical Academy of Ministry of Healthcare of Ukraine», Dnipropetrovsk
2National Medical University named after O.O. Bohomolets, Kyiv, Ukraine
ACTIVATED NITROGEN-CONTAINING METABOLITES OF THE
HUMAN BODY IN RESPIRATORY DISEASES. GENERATORS AND GENERATION (PART 2)
Summary. This literature review presents current data about the induction and inhibition of the synthesis of nitric oxide (NO) in respiratory diseases. We have discussed in detail the induction of NO generation by cytokines, the regulation of NO generation by Thj- and Th2-lymphocytes. The signal pathways of the main inducers of the inducible or macrophage nitric oxide synthase (iNOS), as well as transcription factors involved in the regulation of iNOS gene activity were shown. The features of NO production were presented depending on local conditions.
Key words: activated nitrogen-containing metabolites, lungs.
