CC BY
480
ОБЗОР ЛИТЕРА ТУРЫ ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ... 85
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
УДК 612.014.464
Н.Г. Кормош
ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА
НА КЛЕТОЧНОМ УРОВНЕ И ОРГАНИЗМА В ЦЕЛОМ - ВЗГЛЯД КЛИНИЦИСТА. Ч. 2.
ФГБУ «РОНЦ им Н.Н. Блохина» РАМН, Москва
Контактная информация:
Наталия Геннадьевна Кормош, врач-хирург отделения опухолей женской репродуктивной системы НИИ КО Адрес: 115478, Москва, Каширское шоссе, 24; тел. +7(495)-324-98-35 E-mail: nkormosh@hotmail.com
Статья поступила: 29.04.2011, принята к печати 18.01.2012.
Резюме
Представлен анализ литературы по вопросам физиологической роли активных форм кислорода (АФК) на клеточном уровне и в организме в целом. Показано, что изменение уровня АФК приводит к широкому спектру клеточных ответов, таких как пролиферация, дифференцировка, миграция и гибель клеток. Образование АФК в ряде случаев имеет значение для регуляции функций организма в целом: уровня неспецифической и специфической иммунной защиты, сосудистого тонуса, ангиогенеза, поддержания парциального давления кислорода в органах и средах, синтеза гормонов щитовидной железы. Многие из этих процессов носят адаптационный характер.
Ключевые слова: активные формы кислорода, физиология, редокс-гомеостаз.
Kormosh N. G.
PHYSIOLOGICAL ROLE OF REACTIVE OXYGEN
AT THE CELLULAR LEVEL AND THE ENTIRE ORGANISM - LOOK CLINICIANS. PART 2.
N.N. Blokhin Russian Cancer Research Center RAMS, Moscow
Abstract
Redox-homeostasis is critical in regulating many cellular processes pertinent to cell survival. Change the level of ROS leads to a wide range of cellular responses such as proliferation, differentiation, migration and cell death. ROS also are signaling molecules for many physiological functions: nonspecific and specific immune protection, regulation of vascular tone, angiogenesis, monitoring of oxygen tension, and the synthesis of thyroid hormones. Many of the ROS-mediated responses are adaptive in nature.
Key words: ROS, physiology, redox homeostasis.
Введение
Ранее [2] нами рассмотрены данные о физиологической роли активных форм кислорода на субклеточном уровне. В ней было показано, что АФК постоянно образуются и являются необходимым компонентом жизнедеятельности клеток и организма в целом, а АФК и антиоксидантная система образуют редокс-гомеостатическую систему, обеспечивающую возможность функционального ответа на сигнал. Также продемонстрировано, что для поддержания физиологического уровня АФК требуется постоянная регенерация различных компонентов АОС, а это активные энергоемкие процессы, требующие согласованной работы на всех физиологических уровнях - генном, субклеточном, клеточном и органном.
Данные литературы, обсуждаемые в первой статье, свидетельствуют о том, что интенсификация окисления с участием АФК, расцениваемая как окислительный стресс, может быть проявлением различных процессов происходящих в клетках: интенсификации метаболизма, мобилизации защитных сил и деструкции. Какие изменения вызывают АФК на клеточном уровне и как они влияют на организм в целом - рассмотрено в настоящем обзоре.
Роль АФК на клеточном уровне
Изучение окислительного стресса на клеточном уровне показало, что воздействие одного и того же окислителя (например, H2O2) на пролиферирующие клетки млекопитающих приводит к широкому спектру клеточных ответов, таких как пролиферация, дифференцировка, миграция и гибель клеток. Комплексный анализ этих данных позволяет предположить, что АФК могут функционировать как "классические" вторичные мессенджеры: конкретный ответ зависит от типа клеток, места внутриклеточной генерации и вида АФК, дозы и длительности воздействия [14]. В целом низкий уровень способствует пролиферации или дифференциации; большее количество АФК приводит к остановке деления клетки, а при дальнейшем увеличении концентрации АФК наблюдается её гибель.
Реакция на окислительный стресс в постми-тотических клетках зависит от компенсаторных возможностей, а при недостаточности последних может привести только к гибели клетки.
Роль АФК в дифференцировке в основном изучена на эмбриональных клетках in vitro. Показано, что дифференцировка в различные клеточные линии может быть связана с увеличением уровня АФК. Причем в одних исследованиях это было обу-
словлено активацией НАДФ^Н-оксидазы [39], в других рост митохондриальных АФК совпадал с глобальным повышением антиоксидантных ферментов [13]. Длительность воздействия АФК так же, как и их уровень, влияет на процессы диффе-ренцировки эмбриональных клеток: продолжительное воздействие АФК приводит к угнетению кар-диомио- и васкулогенеза, в то время как импульсное воздействие невысокими дозами АФК усиливает дифференциацию в кардиомиоциты, а также образование сосудов [52].
Значимость АФК показана при изучении регуляции Wnt/p-катенина - сигнального пути, который имеет важное значение для эмбрионального развития, регенерации тканей взрослого организма, а также при злокачественном росте. Установлена роль нуклеоредоксина в модуляции Wnt-сигнализации [22]; показано, что семейство белков Wnt по структуре цистеиннасыщенные гликозилированные, а значит, чувствительны к редокс-регуляции [43].
Ученые The Scripps Research Institute (США) исследовали уровень АФК в процессе развития мозга крыс. Они обнаружили высокий уровень АФК в нейрональных клетках в течение эмбриогенеза и постнатального периода, который не был связан с апоптозом нейронов. Клетки с более низким уровнем АФК дифференцировались в олигодендроциты и астроциты. Нейроны с высоким уровнем АФК затем дифференцировались в большие пирамидальные и мелкие нейроны. Добавление антиоксидантов в культуру не изменяло количества нейронов, но вызывало сдвиги в дифференцировке - увеличивало долю мелких нейронов [59]. Эти данные свидетельствуют, что модуляция уровня АФК влияет на ряд аспектов дифференцировки нейронов.
Одним из механизмов индукции пролиферации клеток является участие АФК в активации ми-тогенных сигнальных путей. Было показано, что различные факторы роста с митогенной активностью, такие как PDGF, FGF2 и EGF активируют МАР-киназные митогенные пути, в которых АФК, генерируемые НАДФ^Н-оксидазой, являются необходимым компонентом [34]. Ингибирование этого фермента приводит к снижению уровня АФК и, в зависимости от дозы, блокированию EGF и PDGF-индуцированной пролиферации клеток лейомиомы [45]. Пролиферация гладкомышечных клеток сосудов, вызванная стимуляцией EGF, подавляется гиперэкспрессией каталазы и СОД, что подтверждает роль АФК в этом процессе [55].
Окислительные изменения, обусловленные ростом АФК, могут приводить к остановке деления клетки, так называемому аресту клеточного цикла. Этот процесс происходит из-за умеренного повреждения клеток и включает системы репарации. Davies K.J., изучая клеточный цикл, показал, что после остановки деления клетки, вызванной ростом АФК, наблюдается преимущественная экспрессия генов окислительной защиты и репарации ДНК [16]. При недостаточности систем репарации и окислительной защиты арест клеточного цикла может стать необратимым или запускаются механизмы клеточной гибели.
Необратимый арест клеточного цикла как следствие редокс-опосредованной дисрегуляции известен как «репликативное старение». В культурах in vitro фибробласты и эпителиальные клетки человека после 50-60 делений (так называемое " число Хейфлика ") необратимо останавливаются в Gi - или G2-фазе клеточного цикла. Исследования in vitro показали, что пролиферативный потенциал
фибробластов и различных Т-клеточных линий людей старшего возраста ниже, чем аналогичных клеток молодых людей [25; 44]. Установлено, что лимит деления клеток обусловлен уменьшением те-ломер при предыдущих делениях. Показано, что теломеры очень чувствительны к повреждениям, вызванными АФК, а сокращение длины теломер происходит более быстрыми темпами во время окислительного стресса [28]. С другой стороны, редокс-состояние микроокружения также влияет на пролиферацию клеток. Так, обработка фибробла-стов человека Н202 в сублетальных дозах т уИго приводила к остановке клеточного деления [11], а в условиях гипоксии пролиферативный потенциал фибробластов повышался [48]. Однако изменение редокс-состояния как самой клетки, так и окружающей среды приводило к остановке деления не всех клеток - в части их наблюдался апоптоз. Комплексный анализ клеточного ответа на окислительный стресс показал, что имеются отличия в экспрессии генов, в частности р53, уровень которого в апоптотический клетках был значительно выше [12]. В ответ на низкий уровень окислительного стресса р53 проявлял антиоксидантную активность, что и обеспечивало выживаемость клеток; в ответ на высокий уровень окислительного стресса р53 действовал прооксидантно, что вело к дальнейшему повышению стрессорного уровня и приводило к гибели клеток [40].
Высокий уровень АФК при недостаточности компенсаторных механизмов может приводить к различным типам клеточной смерти: апоптозу, ау-тофагии и некрозу. Механизм гибели клетки определяется уровнем и скоростью роста АФК. При этом первичный источник образования АФК в клетке не имеет значения, поскольку существуют перекрестные связи между образованием АФК различными источниками. Показано, что быстрый рост митохондриальных АФК приводит к активизации изофором НАДФ^Н-оксидазы, которые обеспечивают медленный, но длительный рост АФК, а также снижение активности №+-, К -АТФазного насоса, что, в свою очередь, ведет к деполяризации митохондриальной мембраны, разобщению окислительного фосфорилирования и росту митохондриальных АФК [15].
Два основных пути могут инициировать апоп-тоз клетки: внутренний - митохондриальный и внешний - рецептор-опосредованный. При митохондриально-зависимой клеточной смерти АФК индуцируют выход цитохрома С из митохондрий и активацию каспазного каскада, р53, и киназ, в том числе С-1ип N терминальную киназу и р38 МАРК [61].
Активация рецептора Т№-а также может проводить к образованию АФК различными источниками, но в основном митохондриями [26]. В отдельных случаях НАДФ^Н-оксидаза и 5-
липоксигеназа тоже могут вносить свой вклад в гибель клетки [32]. В любом случае апоптоз - генетически детерминированный клеточный процесс, при котором гибель клетки сопровождается активацией генома, синтезом многих ферментов и требует энергии.
В последние годы достигнут существенный прогресс в понимании процесса аутофагии. 8сИегс-8Ио^а1 Я. показал, что независимо от типа аутофагии и факторов её вызывающих АФК неизменно участвуют в этом процессе; при этом источником АФК являются митохондрии, а в физиологических условиях процесс митофагии средство для элиминации АФК играет защитную роль [53]. Уи Ь. е! а1.,
изучая процесс гибели клеток, пришли к выводу, что причина патологического накопления АФК - селективная аутофагическая деградация каталазы [65].
Значительное повышение уровня АФК приводит к деструкции внутриклеточных мембран, выходу АФК из компартментов клетки и разрушению клеточных структур непосредственно самими АФК. Такой процесс называется некрозом. Показано, что при этом также индуцируются и защитный ответ, и апоптотический, но они не успевают реализоваться, поскольку происходит более быстрый процесс - разрушение клеточных структур в результате прямого повреждающего действия АФК [3]. Так, на модели экспериментального сахарного диабета у крыс было показано, что на фоне некроза секретирующих клеток поджелудочной железы инициируются и программы клеточной выживаемости [49].
АФК играют также важную роль в регуляции клеточного цикла. W.C. Burhans и N.H. Heintz, изучая редокс-регуляцию клеточного цикла, обнаружили, что в фазе G1 АФК стимулируют митогенные пути, которые контролируют активность циклинза-висимых киназ и фосфорилирование белка рети-нобластомы ^RB), что приводит к вхождению клетки в фазу S клеточного цикла. В ответ на окислительный стресс активизируются факторы транскрипции Nrf2 и Foxo3a, вызывая экспрессию анти-оксидантных ферментов и ингибиторов циклинза-висимых киназ - P27. В фазе S АФК вызывают «арест» клеточного цикла, принимая участие в де-фосфорилировании рRB [9].
Процесс ПОЛ - частный случай окислительных процессов в мембранах клеток. Изучение его позволило установить взаимосвязи между составом клеточных мембран, их структурой и функцией.
Жирные кислоты, определяющие состав липидов, в зависимости от наличия двойных связей между атомами углерода могут быть насыщенными, ненасыщенными и полиненасыщенными. При этом количество и расположение двойных связей определяет их пространственную конфигурацию, а также скорость их окисления. Так, ненасыщенные жирные кислоты образуют цис-изомеры с формированием множественных изгибов по местам двойных связей; поэтому преобладание таких жирных кислот в мембране ведет к изменению её проницаемости. С другой стороны, высокая скорость окисления полиненасыщенных жирных кислот приводит к структурной перестройке мембран, что сопровождается изменением их вязкости [1]. Стационарный, базовый уровень ПОЛ регулирует липидный состав мембран, изменяя долю полине-насыщенных жирных кислот и обеспечивая процесс обновления и перестройки мембран. Это процесс ведет к функциональным изменениям клетки - изменению проницаемости мембран и активности мембраносвязанных ферментов, обеспечивая адаптацию клетки к изменяющимся условиям микроокружения. Кроме того, перекиси липидов участвуют в биосинтезе лей-котриенов, простагландинов, тромбоксанов, стероидных гормонов. Перекиси липидов образуются в любых клетках, однако дальнейшее их преобразование зависит от ферментных систем конкретной клетки. Так, в клетках артериальных сосудов образуется простацик-лин, а в тромбоцитах - тромбоксаны. Образующиеся простагландины оказывают влияние на метаболизм костной ткани, кровообращение и транспорт ионов через мембраны, принимая участие в ремоделировании костной ткани. Синтез высокоактивных веществ с различными биологическими свойствами из одного и того же предшественника - перекиси арахидоновой кислоты - делает процесс ПОЛ универсальным.
Роль АФК на уровне организма
Прежде всего, показано, что действие АФК в многоклеточных организмах зависит от типа и функциональной активности каждой клетки [7]. Благодаря высокой реакционной способности АФК, место, где они производятся, имеет решающее значение для их биологических эффектов [57].
Реакции многоклеточного организма на АФК подразделяют на защитные (защита от окислительного стресса и поддержание окислительно-восстановительного гомеостаза), метаболические, функциональные (физиологические) и патологические. Такое подразделение удобно с теоретических позиций для изучения различных процессов, происходящих в организме, однако накопленная экспериментальная информация о структурно-функциональной организации многоклеточных организмов свидетельствует, что существует тесная взаимосвязь между всеми этими реакциями. Многоклеточность подразумевает специализацию клеток для выполнения различных функций, а значит и различный уровень метаболической активности; даже однотипные клетки одного органа могут отличаться по уровню метаболизма и редокс-статусу. Например, активированные макрофаги и нейтрофилы в зоне воспаления генерируют огромное количество АФК, чтобы убить патогенные микроорганизмы, в тоже время другие клетки макроорганизма должны быть защищены от этого окислительного взрыва. С другой стороны, миграция лимфоцитов в зону воспаления и индукция антигенспецифического иммунологического ответа возможна только потому, что они могут активировать мощные защитные механизмы против окислительного стресса.
Хорошо известным примером защиты клеток организма от АФК является индукция гемоксигеназы (HO-1) в фибробластах кожи. АФК, физиологические дозы ультрафиолетового облучения, окислительный стресс вызывают экспрессию НО-1 мРНК [31; 60]. Окисление гема, который в свободном состоянии высокотоксичен и является прооксидантом, катализируется НО-1 (НО-1 - антиоксидантный фермент, экспрессия которого коррелирует с содержанием кислорода в тканях. Устойчивая индукция HO-1 мРНК во многих тканях различных видов млекопитающих позволила использовать HO-1 мРНК как надежный маркер клеточного окислительного стресса на уровне мРНК). W.Y. Seo et al., показали, что регулирование синтеза НО-1 в клетках эпидермиса осуществляется АФК-зависимым сигнальным каскадом ERK/p38-Nrf2-ARE [54].
Ядерный фактор транскрипции Nrf2 оказывает защитное действие, индуцируя экспрессию многих белков, инактивирующих АФК и восстанавливающих клеточные структуры. С использованием олигонуклеотидных микрочипов были определены Nrf2-зависимые гены, кодирующие ферменты детоксикации, глутатион-ассоцииронные белки, антиок-сидантные ферменты и противовоспалительные гены [38]. Nrf2 ингибируется цистеинсодержащим белком Keap1, с которым образует неактивный комплекс. Под влиянием АФК окисленный Keap1 отсоединяется от Nrf-2, который активизируется фосфо-рилированием. J. Maher et al., высказали предположение, что Nrf-2 защищает клетки от окислительного стресса и поддерживает редокс-баланс только при физиологических уровнях [42].
АФК принимают участие в регуляции уровней неспецифической и специфической иммунной защиты. Доказано, что активированные макрофаги и нейтрофилы могут производить значительное количество АФК при помощи фагоцитарной изо-
формы НАДФ^Н-оксидазы. Резкое увеличение потребления кислорода фагоцитирующей клеткой с образованием АФК, обладающих противомикроб-ным действием, называется «респираторным взрывом». Фагоцитарная НАДФ^Н-оксидаза активируется при участии цитозольных фосфорилированных белков р47 и р67 и белка семейсва RAC в мембранном комплексе в расположении цитохрома Ь558. Активация фагоцитарной НАДФ^Н-оксидазы может быть вызвана различными микробными компонентами, такими как бактериальный липополисаха-рид и липопротеин, а также цитокинами (ИЛ-1 и ИЛ-8) [6]. Активация НАДФ^Н-оксидазы в основном определяется изоформами RAC: RAC2 - в ней-трофилах и RAC1 - в макрофагах и моноцитах [67].
Наследственная недостаточность НАДФ^Н-оксидазы приводит к хроническому гранулематозу. При этом заболевании фагоциты не способны продуцировать супероксидный кислородный радикал и H2O2, поэтому клетки бактерий остаются жизнеспособными внутри фагоцитов, а их антигены вызывают в месте скопления фагоцитов клеточный иммунный ответ и формирование гранулём [29].
Снижение функциональной активности АОС макрофагов в зоне воспаления лимитирует эффективность воспалительного ответа организма. При исследовании перитонеальных макрофагов крыс с острым перитонитом показано, что резистентность клеток к H2O2, а также апоптоз макрофагов определяли жизнеспособность крыс. Сделан вывод, что наличие в экссудате макрофагов, склонных к апоп-тозу или к некрозу, может использоваться как диагностический критерий воспалительного процесса в брюшной полости [4].
Помимо неспецифической защиты, нейтро-филы участвуют в модулировании иммунологической, специфической защиты организма. Исследования биологических свойств нейтрофилов показали их роль в формировании микроокружения и межклеточного взаимодействия для локализации инфекции и воспаления; участие в активации и созревании макрофагов и дендритных клеток. Относительно молекулярных механизмов этих процессов высказано предположение, что АФК играют центральную роль в модулировании врожденного и адаптивного иммунного ответа [35].
Влияние АФК на иммунные процессы осуществляется, прежде всего, на начальных этапах Т-клеточного иммунного ответа. Показано, что АФК усиливают функцию молекул МНС класса II анти-генпрезентирующих клеток [58] и снижают порог активации Т-клеточного рецептора [24] при наличии достаточно большого количества антигенпре-зентирующий клеток, умеренного уровня и длительности воздействия АФК. Это приводит к активации Т-лимфоцитов при относительно невысоких концентрациях антигенов, например, на ранних этапах бактериальной инвазии при наличии физиологического уровня и активности антигенпрезенти-рующих клеток. Не менее важно, что низкие мик-ромолярные концентрации перекиси водорода, а также мягкий окислительный сдвиг внутриклеточного тиолового пула способствуют пролиферации и секреции цитокинов Т-клетками [56].
Активация Т-клеток сопровождается диффе-ренцировкой, пролиферацией и секрецией цитоки-нов. Эти процессы анаболические и энергоёмкие, требующие интенсивной работы митохондрий для синтеза АТФ. Образующиеся при этом АФК определяют фенотип Т-клеток. Показано, что источником АФК, индуцирующих продукцию интерлейки-
нов (2 и 4), являются митохондрии [30]. Наряду с активацией иммунных клеток, нейтрофилы, генерируя высокий уровень АФК, могут деактивировать КК- и Т-клетки за счет истощения внеклеточного уровня Ь-аргинина, необходимого для активации Т-клеток [47]. Исследования иммунного статуса здоровых людей показали, что у лиц со средними уровнями внутриклеточного глутатиона число СБ4 и СБ8 Т-клеток выше, чем у лиц с низким или высоким уровнем глутатиона [20].
Хотя АФК образуются и действуют локально, они принимают участие в выполнении определенных физиологических функций органов и систем всего организма.
АФК вносят свой вклад в поддержание парциального давления кислорода в кровотоке в целом и в отдельных областях организма. Хеморецептор-ные клетки каротидных тел высокочувствительны к изменению напряжения кислорода в артериальной крови. Они представлены нейроэктодермальными клубочковыми клетками I типа и высвобождают медиаторы в синапсы нейронов, ведущих к дыхательному центру. Показано, что в ответ на гипоксию в хеморецепторах увеличивается активность изоформы НАДФ^Н-оксидазы, которая генерирует АФК, которые, в свою очередь, изменяют проницаемость клеточной мембраны и работу К+-каналов [64]. Этот процесс ведет к увеличению Са2+ в клетке, деполяризации мембраны и выходу нейромедиатора в синапс. Изменение уровня электрической активности в эфферентных волокнах языкоглоточного нерва ретранслируется в сенсорную информацию в стволовых нейронах мозга, которые регулируют дыхание [19].
АФК принимают участие в регуляции продукции эритропоэтина. В экспериментальных условиях показано, что образование эритропоэтина подавляется перекисью водорода, а добавление каталазы в условиях нормальной оксигенации стимулирует его продукцию [10]. Регулятором экспрессии гена эритропоэти-на является НГР-1 - гетеродимерный белок, состоящий из 2 субъединиц, -1а и -1р. В условиях нормальной оксигенации НГР-1 а быстро расщепляется в про-теасомах с участием АФК [27; 63]. Гипоксия уменьшает АФК-опосредованную деградацию НГР-1а и тем самым увеличивает образование гетеродимерного комплекса НГР-1 [68]. Последний обнаружен в большинстве, если не во всех клетках человека. По мере изучения число генов, активируемых НГР-1, продолжает увеличиваться. На сегодняшний день показана важная роль НГР-1 в ангиогенезе, энергетическом метаболизме, эритропоэзе, контроле легочной вентиляции, клеточной пролиферации, вазомоторных и иммунных реакциях [18]. АФК принимают участие в регуляции сосудистого тонуса, способствуя дифференциации кровоснабжения, а значит, и доступности кислорода в различных тканях. Практически во всех типах клеток сосудистой стенки и кардиомиоцитах обнаружено образование АФК, основными источниками которых являются изоформы НАДФ^Н-оксидазы. Активация этого ферментного комплекса происходит при действии различных факторов - гормонов, факторов роста, цитокинов, а также при гемо-динамических и метаболических изменениях [23]. Причем, если действие гормонов и факторов роста опосредовано соответствующими мембранными рецепторами, то гемодинамические и метаболические изменения непосредственно приводят к активизации НАДФ^Н-оксидазы и образованию АФК. Такая особенность образования АФК в сосудистой системе позволяет рассматривать их как элемент единой реак-
ции на воздействие и модулятор сигнальных путей [8]. АФК, образованные комплексами НАДФ^Н-оксидазы гладкомышечных клеток сосудов, регулируют активность сигнальных белков p38 МАРК и необходимы для реализации эффекта ангиотензина II [50]. Из изученных изоформ НАДФ^Н-оксидазы в клетках сердечно-сосудистой системы в физиологических условиях обнаружены Nox1, Nox2 и Nox4. Все изоформы комплекса имеют общую каталитическую субъединицу (Nox), которая взаимодействует с различными мембранными белками, включая гуанозинтрифосфатазу, цитозольными белками (phox) и белками цитоскелета [5]. Все эти ферменты отличаются по способу активации, экспрессии или взаимодействия с другими белками, а также по виду АФК, которые генерируется.
R. Ray et al., изучали роль изоформ НАДФ^Н-ок-сидазы в регуляции артериального давления у трансгенных мышей с гиперэкспрессией эндотелиальных Nox4. У таких мышей обнаружена значительная вазо-дилятация и снижение артериального давления за счет повышения уровня ацетилхолина или гистамина в клетках эндотелия по сравнению с диким пометом. Авторами также установлено, что эндотелиальная Nox4 генерирует перекись водорода, вызывая вазоди-лятацию, причем этот эффект не связан с биологической ролью оксида азота [51]. Показана физиологическая роль Nox-4 в кардиомиоцитах как ключевого регулятора ангиогенеза миокарда, определяющего адаптацию сердечной деятельности к нагрузкам. При исследовании механизмов, лежащих в основе этого защитного эффекта, выявлено, что в отличие от других изоформ активность Nox4 регулируется, в основном, уровнем его экспрессии, которая увеличивается в кардиомиоцитах под воздействием увеличения давления или гипоксии, что приводит к активации EGFR и увеличению паракринной ангио-генной активности [66]. Активация Nox1 и Nox2 ассоциируется с гипертонией сосудистого происхождения и связана с увеличением сосудистой сократимости, гипертрофии и пролиферации гладкомышечных и других клеток сосудистой стенки. Предполагается, что одним из механизмов такого эффекта является сопряженность рецептов ангиотензина II, PDGF с комплексами Nox1 и Nox2 на мембране клеток; а также СОД-опосредованная инактивация NO [36]. АФК принимают участие в синтезе гормонов щитовидной железы. Йодирование тиреоглобулина является ключевым шагом в биосинтезе гормонов щитовидной железы. Эта реакция требует перекиси водорода, которая образуется из супероксида, генерированного щитовидной изоформой НАДФ^Н-оксидазы. Изоформы тирео-пероксидазы катализируют две реакции: йодирование тирозиновых остатков тиреоглобулина и слияние йодотирозинов в процессе синтеза тироксина и трийодтиронина. Обе формы этого фермента изучены на молекулярном уровне.
Установлено, что это гликозилированный мембраносвязанный гемопротеиновый фермент содержащий железо, изменение валентности которого играет важную роль в передаче электрона+ при образовании реакционно активных форм йода - I+ и HOI [21]. Генетические исследования позволили определить ген, кодирующий этот фермент [17]. Роль тиреопероксидазы в биосинтезе гормонов щитовидной железы была окончательно доказана in vivo - ассоциацией мутаций в этом гене с развитием гипотиреоза [62]. АФК принимают участие в регуляция адгезии клеток. Молекулы клеточной адгезии играют важную роль в эмбриогенезе, пролиферации и дифференциации клеток. Адгезия лейкоцитов на эндотелиальных клетках в посткапиллярных венулах, например, является первым шагом в хроническом воспалении. Экспрессия молекул клеточной адгезии стимулируется бактериальными липополисахарида-ми и различными цитокинами, такими как TNF-a, ИЛ-1, ИЛ-8 [37]. Адгезия лейкоцитов к эндотелиальным клеткам также может индуцироваться АФК. S.R. Kim et al. доказали, что адгезия лейкоцитов к эндотелиальным клеткам сосудов и аорты осуществляется за счет индукции ICAM-1 и VCAM-1 на мембранах эндотелиальных клеток с помощью АФК и активации фактора транскрипции NF-kB. Антиоксиданты блокировали образование АФК, инактивировали NF-kB, снижали уровень мембранных молекул ICAM-1 и VCAM-1 и купировали адгезию лейкоцитов [33]. Подобные данные получили Y.C. Liu et al., но в их исследовании индукция молекул клеточной адгезии наблюдалась при низком уровне Глу [41].
Заключение
АФК образуются ферментативно, преимущественно в процессе метаболической активности, являются вторичными мессенджерами во множественных внутриклеточных и тканевых реакциях, модулируют активность митогенных сигнальных путей. Изменение уровня АФК приводит к широкому спектру клеточных ответов, таких как пролиферация, дифференцировка, миграция и гибель клеток. Образование АФК в ряде случаев имеет значение для регуляции функций организма в целом: уровня неспецифической и специфической иммунной защиты, сосудистого тонуса, ангиогенеза, поддержания парциального давления кислорода, синтеза гормонов щитовидной железы. АФК и АОС образуют редокс-гомеостатичес-кую систему, обеспечивающую возможность функционального ответа на сигнал, а также сохранение баланса в изменяющихся условиях внешней и внутренней среды. Процесс адаптации приводит к индивидуализации различных реакций, что, в свою очередь, значительно усложняет изучение этих процессов. Изучение редокс-гомеостаза имеет значение не только для фундаментальной биологии, но и для практической медицины, поскольку окислительный стресс обнаружен при многих заболеваниях. Даже гипотетическая мысль о возможности управления системой редокс-гомеостаза представляется замечательной.
Литература
1. Бурлакова Е.Б. Биоантиоксиданты // Рос.хим.ж. (Ж.Рос. хим. Об-ва им. Менделеева). - 2007. - т. L1. -№1. - C. 3-12.
2. Кормош Н. Г. Физиологическая роль активных форм кислорода (субклеточный уровень) - взгляд клинициста // РБЖ. - 2011.- №4 . - С. 29-35.
3. Сазонтова Т.Г., Архипенко Ю.В. Роль свободнорадикальных процессов...// Российский физиологический журнал. - 2005.- N 6. - С. 636-655.
4. Трофимов В. А., Аксенова О. Н., Власов А. П. Склонность макрофагов к Н2О2-индуцированному апоптозу...// Фунд. иссл. - 2004. - №4. - С. 122-3.
5. Bedard K, Krause KH. The NOX family of ROS-generating NADPH oxidases: physiology and pathophysiology // Physiol Rev. - 2007. - №87 (1). - Р. 245-313.
6. Bonizzi G., Piette J., Merville M.P., Bours V. Cell type-specific role for reactive oxygen species in nuclear factor B activation by interleukin-1 // Biochem Pharmacol. - 2000. - №59. - Р. 7-11.
7. Bowie A., O'Neill L.A. Oxidative stress and nuclear factor-kappaB activation: a reassessment of the evidence in the light of recent discoveries // Biochem Pharmacol. - 2000. - №59 (1). - Р. 13-23.
8. Brandes R.P., Weissmann N., Schroder K. NADPH oxidases in cardiovascular disease // Free Radic Biol Med. - 2010. - №49 (5). - Р. 687-706.
9. Burhans W.C., Heintz N.H. The cell cycle is a redox cycle: linking phase-specific targets to cell fate // Free Radic Biol Med. - 2009. - №47 (9). - Р. 1282-1293.
10. Canbolat O., Fandrey J., Jelkmann W. Effects of modulators of the production and degradation of hydrogen peroxide on erythropoietin synthesis
// Respir Physiol. - 1998. - №114. - Р. 175-183.
11. Chen Q., Ames B.N. Senescence-like growth arrest induced by hydrogen peroxide in human diploid fibroblast F65 cells // Proc Natl Acad Sci
USA. - 1994. - №91. :- Р. 4130-4134.
12. Chen Q.M., Liu J., Merrett J.B. Apoptosis or senescence-like growth arrest: influence of cell-cycle position, p53, p21 and bax in H2O2 response
of normal human fibroblasts // Biochem J. - 2000. - №347 (Pt 2). - Р. 543-51.
13. Cho Y.M., Kwon S., Pak Y.K. et al. Dynamic changes in mitochondrial biogenesis and antioxidant enzymes during the spontaneous differentiation of human embryonic stem cells // Biochem. Biophys. Res. Commun. - 2006. - № 348. - Р. 1472-1478.
14. Covarrubias L., Hernandez-Garcia D., Schnabel D. et al. Function of reactive oxygen species during animal development: passive or active? // Dev Biol. - 2008. - №320(1). - Р. 1-11.
15. Daiber A. Redox signaling (cross-talk) from and to mitochondria involves mitochondrial pores and reactive oxygen species // Biochim Biophys Acta. -2010. - №1797 (6-7). - Р. 897-906.
16. Davies K.J. The broad spectrum of responses to oxidants in.// IUBMB Life. - 1999. - №48 (1). - Р. 41-47.
17. De Deken X., Wang D., Dumont J. E., Miot F. Characterization of DUOX2 proteins as components of the thyroid H(2)O(2)-generating system // Exp. Cell Res. - 2002. - № 273. -Р. 187-196.
18. Dehne N, Bmne B. HIF-1 in the inflammatory microenvironment // Exp Cell Res. - 2009. - №315 (11). - Р. 1791-1797.
19. Dinger B., He L., Chen J. et al. The role of NADPH oxidase in carotid body arterial chemoreceptors // Respir Physiol Neurobiol. - 2007. -№157 (1). - Р. 45-54.
20. Droge W., Schulze-Osthoff K., Mihm S. et al. Functions of glutathione and glutathione disulfide.// FASEB J. - 1994. - №8 (14). - Р. 1131-1138.
21. Edens W. A., Sharling L., Cheng G. et al. Tyrosine cross-linking.// J. Cell Biol. - 2001. - №154. - Р. 879-891.
22. Funato Y., Terabayashi T., Sakamoto R. et al. Nucleoredoxin sustains Wnt/p-catenin signaling by retaining a pool of inactive dishevelled protein // Curr Biol. - 2010. - №20 (21). - Р. 1945-52. .
23. Griendling K.K., Sorescu D., Lassegue B., Ushio-Fukai M. Modulation of protein kinase activity and gene expression by reactive oxygen species and their role in vascular physiology and pathophysiology // Arterioscler Thromb Vasc Biol. - 2000. - №20 (10). - Р. 2175-2183.
24. Hehner S.P., Breitkreutz R., Shubinsky G. et al. Enhancement of T cell receptor signaling by a mild oxidative shift in the intracellular thiol pool // J Immunol. - 2000. - №165. - Р. 4319 - 4328.
25. Hohn A., Jung T., Grimm S., Grune T. Lipofuscin-bound iron is a major intracellular source of oxidants: role in senescent cells // Free Radic Biol Med. - 2010. - №48 (8). - Р. 1100-1108.
26. Hughes G., Murphy M.P., Ledgerwood E.C. Mitochondrial reactive oxygen species regulate the temporal activation of nuclear factor kappaB to modulate tumour necrosis factor-induced apoptosis: evidence from mitochondria-targeted antioxidants // Biochem J. - 2005. - №389 (Pt 1). - Р. 83-89.
27. Hung L.E., Gu J., Schau M., Bunn H.F. Regulation of hypoxia- inducible factor 1.// Proc Natl Acad Sci USA. - 1998. - №95. - Р. 7987-7992.
28. Joyce M.J. Houben, Harald J.J. et al. Hageman Telomere length assessment: Biomarker of chronic oxidative stress? // Free Radical Biology and Medicine. - 2008. - №44 (3). - Р. 235-246.
29. Jurkowska M., Bernatowska E., Bal J. Genetic and biochemical background of chronic granulomatous disease // Arch Immunol Ther Exp (Warsz). - 2004. - №52 (2). - Р.113-120.
30. Kaminski M.M., Sauer S.W., Klemke C.D. et al. Mitochondrial reactive oxygen species control T cell activation by regulating IL-2 and IL-4 expression: mechanism of ciprofloxacin-mediated immunosuppression // J Immunol. -2010. - №184 (9). - Р. 4827-4841.
31. Keyse S.M., Tyrrell R.M. Heme oxygenase is the major 32-kDa stress protein induced in human skin fibroblasts by UVA radiation, hydrogen peroxide, and sodium arsenite // Proc Natl Acad Sci USA. - 1989. - №86. - Р. 99 -103.
32. Kim J.Y., Yu S.J., Oh H.J. et al. Panaxydol induces apoptosis through an increased intracellular calcium level, activation of JNK and p38 MAPK and NADPH oxidase-dependent generation of reactive oxygen species // Apoptosis. - 2010. - PubMed PMID: 21190085.
33. Kim S.R., Bae Y.H., Bae S.K. et al. Visfatin enhances ICAM-1 and VCAM-1 expression through ROS-dependent NF-kappaB activation in endothelial cells // Biochim Biophys Acta. - 2008. - №1783 (5). - Р. 886-895.
34. Kreuzer J., Viedt C., Brandes R.P. et al. Platelet-derived growth factor activates production.// FASEB J. - 2003. - №17. - Р. 38-40.
35. Kumar V, Sharma A. Neutrophils: Cinderella of innate immune system // Int Immunopharmacol. - 2010. - №10(11). - Р.1325-1334.
36. Lambeth JD. Nox enzymes, ROS, and chronic disease: an example of antagonistic pleiotropy // Free Radic Biol Med. - 2007. - №43 (3). - Р. 332-47.
37. Langer H.F., Chavakis T. Leukocyte-endothelial interactions in inflammation // J Cell Mol Med.- 2009. - №13 (7). - Р. 1211-1220.
38. Lee J.M., Calkins M.J., Chan K et al. Identification of the NF-E2-related factor-2-dependent genes conferring protection against oxidative stress in primary cortical astrocytes using oligonucleotide microarray analysis // J Biol Chem. - 2003. - №278 (14). - Р. 12029-12038.
39. Li J., Stuffs M., Serenader L. et al. The NADPH oxidase NOX4 drives cardiac differentiation: role in regulating cardiac transcription factors and MAP kinase activation // Mol. Biol. Cell. - 2006. - №17. - Р. 3978-88.
40. Liu D., Xu Y. p53, Oxidative Stress, and Aging // Antioxid Redox Signal. - 2011. - [Epub ahead of print] - PubMed PMID: 21050134.
41. Liu Y.C., Hsieh C.W., Weng Y.C et al. Sulforaphane inhibition of monocyte adhesion via the suppression of ICAM-1 and NF-kappaB is de-
pendent upon glutathione depletion in endothelial cells // Vascul Pharmacol. - 2008. - №48 (1). - Р. 54-61.
42. Maher J., Yamamoto M. The rise of antioxidant signaling-the evolution. // Toxicol Appl Pharmacol. - 2010. - №244 (1). - Р. 4-15.
43. Maiese K., Li F., Chong Z.Z., Shang Y.C. The Wnt signaling pathway: aging gracefully as a protectionist? // Pharmacol Ther. - 2008. - №118 (1). - Р.58-81.
44. McCarron M., Osborne Y., Story C.J. et al. Effect of age on lymphocyte proliferation // Mech Ageing Dev. - 1987. - №41 (3). - Р. 211-218.
45. Mesquita F.S., Dyer S.N., Heinrich D.A et al. Reactive oxygen species mediate mitogenic growth factor signaling pathways in human leiomyoma smooth muscle cells // Biol Reprod.- 2010. - №82 (2). - Р. 341-51.
46. Moskovitz J, Oien DB. Protein carbonyl and the methionine sulfoxide reductase system // Antioxid Redox Signal. -2010. - №12 (3). - Р. 405-415.
47. Oberlies J., Watzl C., Giese T. et al. Regulation of NK cell function by human granulocyte arginase // Blood. - 2009. - №182. - 5259-5267.
48. Packer L., Fuehr K. Low oxygen concentration extends the lifespan of cultured human diploid cells // Nature. - 1977. - №267. - Р. 423-425.
49. Pavlovic D., Andersen N.A., Mandrup-Poulsen T., Eizirik D.L. Activation of. ERK1/2 contributes.// Eur Cytokine Netw. - 2000. - №11(2). - Р. 267-274.
50. Petry A., Djordjevic T., Weitnauer M.et al. NOX2 and NOX4.// Antioxid. Redox Signal. - 2006. - №8. - Р. 1473-1484.
51. Ray R., Murdoch C.E., Wang M. et al. Endothelial Nox4 NADPH Oxidase.// Arterioscler Thromb Vasc Biol. - 2011. - PubMed PMID: 21415386.
52. Sauer H., Wartenberg M. Reactive oxygen species.// Antioxid Redox Signal. - 2005. - №7 (11-12). - Р. 1423-34.
53. Scherz-Shouval R., Elazar Z. Regulation of autophagy by ROS: physiology and pathology // Trends Biochem Sci. - 2011. - №36 (1). - Р. 30-38.
54. Seo W.Y., Goh A.R., Ju S.M. et al. Celastrol induces expression ofheme oxygenase-1.// Biochem Biophys Res Commun. - 2011. - PubMed PMID: 21414301.
55. Shi M., Yang H., Motley E.D., Guo Z. Overexpression of Cu/Zn-superoxide dismutase.// Am J Hypertens. - 2004. - №17. - Р. 450-456.
56. Tatla S., Woodhead V., Foreman J.C., Chain B.M. The role of reactive oxygen species.// Free Radic Biol Med. -1999. - №26(1-2). - Р. 14-24.
57. Terada, L. S. Specificity in reactive oxidant signaling: think globally, act locally // J. Cell Biol.- 2006. - №174. - Р. 615-623.
58. Tezel G., Yang X., Luo C. et al. Mechanisms of immune system activation in glaucoma: oxidative stress-stimulated antigen presentation by the retina and optic nerve head glia // Invest Ophthalmol Vis Sci. -2007. - №48 (2). - Р. 705-714.
59. Tsatmali M., Walcott E.C., Makarenkova H., Crossin K.L. Reactive oxygen species modulate the differentiation of neurons in clonal cortical cultures // Mol Cell Neurosci. - 2006.- № 33 (4). - Р. 345-57.
60. Tyrrell R. Redox regulation and oxidant activation of heme oxygenase-1 // Free Radical Res. - 1999. - №31. - Р. 335-340.
61. Ueda S., Masutani H., Nakamura H. et al. Redox control of cell death // Antioxid Redox Signal. - 2002. - №4 (3). - Р. 405-14.
62. Vigone M. C., Fugazzola L., Zamproni I.et al. Persistent mild hypothyroidism associated with novel sequence variants of the DUOX2 gene in two siblings // Hum. Mutat. - 2005. - №26 -Р. 395.
63. Wang G.L., Jiang B.H., Rue E.A., Semenza G.L. Hypoxia-inducible factor 1.// Proc Natl Acad Sci USA. - 1995. - №92. - Р. 5510-5514.
64. Weir E.K., Archer S.L. The role of redox changes in oxygen sensing // Respir Physiol Neurobiol. - 2010. - №174 (3). - Р. 182-191.
65. Yu L., Wan F., Dutta S. et al. Autophagic programmed cell death by selective catalase degradation // Proc Natl Acad Sci U S A. - 2006. - №103 (13). - Р. 4952-4977.
66. Zhang M., Brewer A.C., Schroder K. et al. NADPH oxidase-4 mediates protection against chronic load-induced stress in mouse hearts by enhancing angiogenesis // Proc Natl Acad Sci U S A. - 2010. - №107 (42). - Р. 18121-18126.
67. Zhao X. et al. Human Monocytes Use Rac1, Not Rac2, in the NADPH Oxidase Complex//J Biological Chemistry. - 2003. - №278 (42). - Р.40788-40792.
68. Zhu H., Bunn H.F. Oxygen sensing and signaling: impact on the regulation of physiologically important genes // Respir Physiol. - 1999. -№115. - Р. 239-247.
Список литературы приведен в авторской редакции.
