CC BY
890
УДК 575.17
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ И ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ БИОТРАНСФОРМАЦИИ КСЕНОБИОТИКОВ
И.С. ПОЛЯКОВА М.И. ЧУРНОСОВ С.П. ПАХОМОВ В.С. ОРЛОВА
Белгородский государственный национальный исследовательский университет
e-mail: [email protected]
В статье описан процесс биотрансформации ксенобиотиков, состоящий из трех фаз. Дана подробная характеристика ферментов, участвующих в первой фазе биотрансформации ксенобиотиков (монооксигеназы семейства цитохромов Р450), второй фазе (суперсемейство глютатион^-трансфераз (GST), ариламин^-ацетилтрансфераза-2), третьей фазе детоксикации (гликопротеи Pi). Показаны молекулярные механизмы биотрансформации ксенобиотиков, приведены полиморфизмы основных ферментов, их ассоциации с мультифакториальными заболеваниями.
Ключевые слова: ферменты биотрансформции ксенобиотиков, цитохром Р450, эпоксидгидролаза, глютатион-S-трансфераза, гликопротеин Р1.
За последние десятилетия, в связи с развитием молекулярной биологии, биотехнологии и генной инженерии, достигнут значительный прогресс в исследовании механизмов управления экспрессией генов, задействованных в физиологических и патологических процессах человеческого организма. Изучение молекулярных механизмов развития мультифакториальных заболеваний является одной из самых динамично развивающихся областей молекулярной медицины. Немаловажную роль в развитии ряда мультифакториальных заболеваний занимают гены ферментов биотрансформации ксенобиотиков. Исследования последних лет показали, что восприимчивость организма к вредным воздействиям окружающей среды в значительной мере зависит от активности ферментов системы детоксикации ксенобиотиков. При наличии функционально ослабленных вариантов таких генов риск возникновения некоторых частых мультифакториальных заболеваний (эндометриоза, невынашивания беременности, гестоза, плацентарной недостаточности, бронхиальной астмы, язвенной болезни желудка и др.) увеличивается [1, 2].
Ферменты детоксикации определяют индивидуальные реакции организма на разнообразные токсические вещества, лекарственные препараты в зависимости от генетически детерминированных особенностей биотрансформации ксенобиотиков, взаимодействия их с рецепторами и ферментными системами [3]. Большинство ксенобиотиков, попав в организм, не оказывают прямого биологического эффекта и, подвергаясь биотрансформации, выделяются в виде метаболитов. Биотрансформация представляет собой процесс, в котором участвуют многие ферменты детоксикации и состоит из трех фаз (рис. 1): активации (I фаза), собственно детоксикации (II фаза) и выведения (III фаза). В ходе первой фазы окислительно-восстановительного или гидролитического превращения молекула токсического вещества обогащается полярными функциональными группами, что делает ее, с одной стороны, более растворимой в воде, с другой стороны, этот промежуточный метаболит становится более реакционноспособным и токсичным [4, 15]. К ферментам первой фазы биотрансформации ксенобиотиков относятся монооксигеназы семейства цитохромов Р450 (СУР1-СУРз), алко-гольдегидрогеназы, альдегиддегидрогеназы, пероксидазы, эпоксидгидролазы, эстера-зы, амидазы, флавинсодержащие монооксигеназы. Превращение молекул на первой фазе биотрансформации усиливает их полярность, уменьшает способность растворяться в липидах. Благодаря этому ряд чужеродных соединений лучше выделяется с мочой [4, 6, 7]. Эффект усиливается, если к образовавшимся в ходе первой фазы метаболизма продуктам присоединяются такие эндогенные вещества, как ацетат, сульфат, глюкуро-новая кислота, глютатион. Часто сам процесс метаболизма ксенобиотика является пусковым звеном в развитии токсического процесса. В большинстве случаев токсичный метаболит является нестабильным продуктом, подвергающимся дальнейшим превра-
щениям. Его называют промежуточным или реактивным метаболитом. Такие вещества часто вызывают повреждение биосистем на молекулярном уровне. Важной особенностью ферментов первой фазы детоксикации является ее избирательная локализация и высокая мощность на главных путях поступления ксенобиотиков в организм - в желудочно-кишечном тракте и легких, а также многообразие путей метаболизма [8]. На второй фазе детоксикации промежуточные продукты метаболизма конъюгируют с эндогенными молекулами, в результате чего образуются полярные соединения, которые выводятся из организма с помощью специальных механизмов экскреции. К ферментам второй фазы детоксикации относятся: ариламин ацетилтрансферазы, метилтрансфе-разы, сульфотрансферазы, УДФ-глюкуронозилтрансферазы, глутатион^-трансферазы и многие другие. Химическая модификация липофильного ксенобиотика ферментами второй фазы детоксикации увеличивает его гидрофильные свойства, что способствует его быстрой экскреции через почки и печень. Энзимы второй фазы обладают слабой субстратной специфичностью и участвуют в превращениях большой группы химических веществ. На третьей фазе биотрансформации системы активного транспорта конъюгированных дериватов обеспечивают выведение из организма продуктов детоксикации через легкие, почки и желудочно-кишечный тракт [5, 8]. Механизм выведения ксенобиотиков обеспечивается семейством трансмембранных Р-гликопротеинов.
ФАЗА I
ФАЗАП
ФАЗА Ш
Активация ксенобиотиков с образованием реактивных промежуточных метаболитов Инактивация р е активных пр о ме жуточных метаб О ЛИТОЕ Е Е од ор аств оримые нетоксичные ко мпоненты Выведение водорастворимых нетоксичных компонентов из
организма
Цитохромы Р450, пер оксид азы; арилэ стер азы, алкогольд егид р огеназы, аль д егид д егид р огеназы
Глютатион-тр анс ф ер азы,
N - ацетилтр анс ф ер азы, сульфотрансферазы, метилтр анс ф ер азы, эпоксид гидр о лазы,
УД Ф-глюкур онилтр анс ф ер азы
Выделение ксенобиотиков через легкие, почечная экскреция, выделение печенью, выделение через кишечник и кожные покровы
Рис. 1. Основные фазы биотрансформации ксенобиотиков [3]
Способность органов и тканей метаболизировать ксенобиотики зависит от набора и активности ферментов, участвующих в процессе. В значительной степени активность энзимов является внутренней характеристикой конкретной ткани, определяется генетической изменчивостью структуры их генов, а также зависит от пола и возраста [9]. Гены ферментов биотрансформации ксенобиотиков, как и все гены человека, характеризуются значительным полиморфизмом первичной нуклеотидной последовательности ДНК, который определяет межиндивидуальные фенотипические различия в активности энзимов по обезвреживанию химических соединений. Ферменты детоксикации обладают рядом общих свойств. Во-первых, все ферменты детоксикации имеют низкую субстратную специфичность, что позволяет им метаболизировать самые разнообразные по структуре химические соединения, включая такие, с которыми организм никогда не встречался. Во-вторых, ферменты детоксикации обладают выраженным полиморфизмом, то есть существует множество изоформ ферментов с различающейся и перекрывающейся субстратной специфичностью. Вероятно наличие изоформ ферментов детоксикации связано с адаптацией человека к особенностям диеты, климатическим, экологическим факторам жизни [10]. В-третьих, все ферменты детоксикации являются индуцибельными, т.е. их концентрация в клетках может быть резко увеличена в сотни раз при действии специфических индукторов, которые зачастую являются и субстратами. В-четвертых, одновременное поступление в организм нескольких химических веществ различной структуры может приводить к нарушению регуляции процессов индукции ферментов обеих фаз, в результате чего может быть как рез-
кое усиление процессов инактивации, так и, напротив, резкое повышение токсичности ксенобиотиков. В-пятых, наиболее эффективно система детоксикации функционирует при сопряженном взаимодействии ферментов первой и второй фаз, обезвреживая десятки тысяч ксенобиотиков всех химических классов и групп (экотоксиканты, пестициды, промышленные и сельскохозяйственные яды, пищевые добавки, консерванты, красители, растворители, лекарственные препараты) [11]. Десинхронизация этих процессов вследствие одновременного действия разных ксенобиотиков или в результате неблагоприятного сочетания изоферментов с измененной активностью вследствие генетической изменчивости ведет к быстрой интоксикации организма в результате накопления реактивных высокотоксичных метаболитов. Особенно неблагоприятно сочетание высокой активности ферментов первой фазы и низкой активности ферментов второй фазы. Важно отметить, что функция большинства ферментов системы детоксикации первоначально заключалась в регуляции метаболизма эндогенных субстратов, однако, ввиду широкой субстратной специфичности этих ферментов и роста загрязнения окружающей среды, она постепенно трансформировалась в систему обезвреживания токсических веществ [8, 12]. Таким образом, именно генетически детерминированные особенности функционирования системы биотрансформации ксенобиотиков делают уникальным каждого индивида в отношении его адаптационных способностей - устойчивости или чувствительности к повреждающим факторам среды химической природы.
Важную роль в первой фазе детоксикации играют цитохромы Р450 1А1, Р450 1А2, Р450 1В1. Цитохром Р450 1А1 участвует в монооксигеназной активации по-лициклических ароматических углеводородов и ароматических гетероциклических аминов с образованием реактивных токсических метаболитов - эпоксидов, фенолов, гидроксилировании микотоксинов, флованоидов, кофеина, теофиллина. В литературы имеются данные об ассоциациях данного фермента с раком легких, раком полости рта, раком молочной железы, почечно-клеточной карциномой, острым лейкозом, В-клеточным хроническим лимфолейкозом [6,13,14].
Цитохром Р450 1А2 участвует в метаболической активации посредством N-гидроксилирования преимущественно ароматических аминов, а также гетероциклических аминов. CYP1A2 также активирует полициклические ароматические углеводороды, нитрозамины и афлотоксин В1, тем самым продуцируя различные классы метаболитов, обладающих цитотоксическими канцерогенными свойствами. CYP1A1 кодирует фермент арилуглеводородкарбоксилазу, который участвует в метаболизме эстрогенов, осуществляя активацию эстрадиола. Метаболизирует никотин, фенацетин, кофеин, теофиллин, пропранонол, гидроксилирует микотоксины, флованоиды. Выявлены ассоциации этого фермента с онкологическими заболеваниями, эндометриозом, установлено, что он повышает риск возникновения инфаркта миокарда с каждой лишней выпитой чашкой кофе [6].
Цитохром Р450 1В1 участвует в метаболизме холестерола, стероидов и липидов. Имеются данные об ассоциациях этого фермента с онкозаболеваниями, гормональными нарушениями, развитием глаукомы [13,14].
mEPHX1 - митохондриальная эпоксидгидролаза - относится к семейству эпок-сидгидролаз, которые контролируют промежуточный этап детоксикации, присоединяя воду к эпоксидам, превращая их в трансгидродиолы и далее в конъюгаты с глюкуроно-вой кислотой и глютатионом.
Различный уровень ферментативной активности митохондриальной эпоксид-гидролазы обусловлен однонуклеотидными заменами в 3 и 4 экзоне гена EPHX1: мутация Т337С (Tyr113His) - «медленный» аллель S, мутация A415G (His139Arg) - «быстрый» аллель F. Имеются данные, что эти два полиморфные варианты не влияют на экспрессию и трансляцию гена EPHX1, но могут изменять посттрансляционную стабильность белка. Показано, что «медленный» аллель гена EPHX1 приводит к синтезу фермента со сниженной способностью к гидроксилированию ксенобиотиков. Данные полиморфные варианты четко коррелируют с уровнем ферментативной активности EPHX1 [15].
Выявлена положительная корреляция «медленного» аллеля гена EPHX1 с заболеваниями органов дыхания. В сочетании с курением у таких индивидов чаще, чем в среднем в популяции, развиваются респираторные заболевания, а также эмфизема легких и обструктивная пневмония. Отмечена ассоциация некоторых полиморфных вариантов гена эпоксидгидролазы с различными нарушениями репродуктивной системы (преэклампсия, спонтанные аборты) и онкологическими заболеваниями (рак легких, яичников) [6].
Группа генов детоксикации второй фазы представлена суперсемейством глюта-тион^-трансфераз (GST). GST катализируют взаимодействие глютамата с электро-фильными атомами N, C, S, O и отвечают за конъюгацию сульфидгидрильной группы с молекулами ксенобиотиков. Полиморфизм глютатион^-трансфераз определяет индивидуальную чувствительность организма к воздействию факторов внешней среды. Глютатион относится к водорастворимым антиоксидантам, присутствует в высоких концентрациях в каждой клетке, а также в сыворотке крови. Известно, что глютатион-опосредованная детоксикация играет ключевую роль в обеспечении устойчивости клеток к перекисному окислению липидов, к свободным радикалам, алкилированию белков. Ферменты GST широко представлены во всех органах и тканях. GST могут подвергаться амплификации в опухолевых тканях и таким образом обеспечивать резистентность к химиотерапии.
Во второй фазе детоксикации важное биологическое значение имеют генные семейства глютатион^-трансфераз Т1, М1, Р.
GSTM1 и GSTT1 - генные семейства глютатион-трансфераз mu-класса (GSTM) и theta-класса (GST Т1), особенностью которых является наличие «нулевых» генотипов -генотипов с двумя аллелями, имеющими протяженные делеции, при которых не образуются полноценные ферменты. Известно, что «функционально неполноценные» варианты генов детоксикации, особенно «нулевые» варианты глютатион^-трансфераз, приводящие к отсутствию соответствующих белковых продуктов, обнаруживают наиболее выраженную ассоциацию с эндометриозом [16,17].
Важная роль в эмбриональном развитии принадлежит ферменту второй фазы детоксикации плацентарной глютатион^-трансферазе - продукту гена GSTP1. Полиморфизм гена GSTP1 обусловлен заменой нуклеотидов в положениях 313 и 341, что приводит к появлению трех функционально различных форм фермента GSTP1*a, *b, *c. Обе мутантные формы (*b и *c) функционально менее активны, особенно у гомозигот по соответствующим аллелям. Имеются данные об ассоциации данного гена с гес-тозом [6].
NAT2 - ген, продукт которого ариламин-М-ацетилтрансфераза-2 играет важную роль в ацетилировании ароматических и гетероциклических аминов. Аллельные варианты NAT2 гена связаны с точковыми мутациями, большинство из которых нарушает каталитические функции и стабильность фермента. Существуют не меньше 13 аллельных вариантов гена NAT2 [18].
К ферментам третьей фазы детоксикации относится гликопротеин Р1, функцией которого является АТФ-зависимое выведение ксенобиотиков. Субстратами этого фермента являются сердечные гликозиды, блокаторы медленных кальциевых каналов, статины, макролиды, цитостатики, противовирусные препараты. Установлены ассоциации гликопротеина Р1 с эффективностью и безопасностью лекарственной терапии.
Таким образом, проведенный анализ современной литературы позволяет заключить, что в настоящее время все больше возрастает интерес исследователей к изучению влияний химического загрязнения окружающей среды, уровень которого непрерывно возрастает в экономически развитых странах мира, на формирование распространенных заболеваний [8, 10, 19]. Для экологической генетики все больше приобретает актуальность идентификация в различных популяциях специфичных генов и средовых факторов, взаимодействие которых формирует норму реакции устойчивости человека и его адаптацию к изменяющейся среде обитания [20, 21]. В этой связи наиболее подходящими генетическими маркерами для исследований являются поли-
морфные варианты генов ферментов биотрансформации ксенобиотиков, экспрессия которых, в отличие от других классов генов, непосредственно регулируется влияниями средовых факторов химической природы [7, 22, 23]. Тем не менее, несмотря на повсеместно нарастающее загрязнение окружающей среды, высокий уровень химизации промышленности, сельского хозяйства и быта, изучение экогенетических механизмов мультифакториальной патологии по-прежнему остается недостаточным.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг (государственный контракт №16.740.11.0609).
Список литературы
1. Thornton-Wells, T.A. Genetics, statistics, and human disease: Analytical retooling for complexity / T.A. Thornton-Wells, J.H. Moore., J.L. Haines // Trends Genet. - 2004. - Vol.20. -P.640-647.
2. Rosendaal, F.R. Forum on genetic studies in complex disease / F.R. Rosendaal, P.H. Reits-ma // J. Thromb. Haemost. - 2004. - Vol.2. - P.342.
3. Генетический паспорт - основа индивидуальной и предиктивной медицины / Под ред. В.С. Баранова. - СПб. - 2009. - 528 с.
4. Кулинский, В.И. Обезвреживание ксенобиотиков / В.И. Кулинский // Соросовский образовательный журнал. 1999. - №1. - С.8-12.
5. Куценко, С.А. Основытоксикологии. - СПб. - 2002. - 720 с.
6. Ding, X. Human extrahepatic cytochromes P450: Function in xenobiotic metabolism and tissue-selective chemical toxicity in the respiratory and gastrointestinal tracts X. Ding, L.S. Kaminsky // Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. - 2003. - Vol.43. - P. 149-173.
7. Симон, В.А. Цитохром Р450 и взаимодействие лекарственных веществ / В.А. Симон // Российский журнал гастроэнтерологии, гепатологии, колопроктологии.- 2002 -№6. -С.25-30.
8. Саприн, А.Н. Ферменты метаболизма и детоксикации ксенобиотиков / А.Н. Саприн // Успехи биологической химии. - 1991. - Т.32. - С. 146-172.
9. Райе, Р.Х, Гуляева Л.Ф. Биологические эффекты токсических соединений: курс лекций / Новосибирск: Изд-во Новосиб. гос. ун-та. - 2003. - 208 с.
10. Carlson, C.S., Eberle M.A., Kruglyak L., Nickerson D.A. Mapping complex disease loci in whole-genome association studies / C.S. Carlson, M.A. Eberle, L. Kruglyak, D.A. Nickerson // Nature.
- 2004. - Vol.249. - P.446-452.
11. Худолей, В.В. Канцерогены: характеристики, закономерности, механизмы действия. СПб: НИИХимииСПбГУ. - 1999. - 419 с.
12. Bahring, S. The study of gene polymorphisms. How complex is complex genetic disease? / S. Bahring, A. Aydin, F.C. Luft // Methods. Mol. Med. - 2003. - Vol.86. - P.221-235.
13. Tsuchiya, Y. Human CYP1B1 is regulated by estradiol via estrogen receptor / Y. Tsuchiya, M. Nakajima, S. Kyo et al. // Cancer Res. - 2004. - Vol.64. - P.3119-3125.
14. Chang, T.K.H. Real-time polymerase chain reaction analysis of CYP1B1 gene expression in human liver / T.K.H. Chang, J. Chen, V. Pillay et al. // Toxicol. Sci. - 2003. - Vol.71. -P.ll-19.
15. Beata, D.P. Polymorphisms in human soluble epoxide hydrolase / D.P. Beata, PK. Srivasta-va, J. Vazquez-Matms et al. // Mol. Pharmacol. - 2003. Vol.64. - P.482-490.
16. Hayes, J.D. Glutathione transferases / J.D. Hayes, J.U. Flanagan, I.R. Jowsey // Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. - 2005. - Vol.45. - P.51-88.
17. Gilliland, F.D. Effect of glutathione S-transferase Ml and PI genotypes on xenobiotic enhancement of allergic responses: randomized, placebo-controlled crossover study / F.D. Gilliland, Y. F. Li., A. Saxon, D. Diaz-Sanchez // Lancet. - 2004. - Vol.363. - P.119-125.
18. Polonikov, A.V. The ecological toxicogenetic concept of multifactorial diseases: from understanding the etiology to clinical application / A.V.Polonikov, V.P. Ivanov, M.A. Solodilova // Medical Genetics. - 2008 Vol.7 (11) - P.3-20.
19. Polonikov, A.V. Genetic variation of genes for xenobiotic-metabolizing enzymes and risk of bronchial asthma: The importance of gene-gene and gene-environment interactions for disease susceptibility / A.V.Polonikov, V.P. Ivanov, M.A. Solodilova // Journal of Human Genetics - 2009 -
54 (8). - P.440-449.
20. Ahsan, H. Measures of genotype versus gene products: promise and pitfalls in cancer prevention / H. Ahsan, A.G. Rundle // Carcinogenesis. - 2003. - Vol. 24, №9. - P. 1429-1434.
21 Полоников, А. В. Эколого-токсикогенетическая концепция мультифакториальных заболеваний: от понимания этиологии до клинического применения / А.В. Полоников, В.П. Иванов, М.А. Солодилова // Медицинская генетика : ежемесячный научно-практический журнал. — 2008. — Том 7,N 11. — С. 3-20.
303 с.
22. Середенин, С.Б. Лекции по фармакогенетике. М.: Мед. информ. Агенство, 2004. -
23. Клинические лекции по акушерству и гинекологии / под ред. А. Н. Стрижакова, А. И. Давыдова, Л. Д. Белоцерковцевой. - М. :Медицина - 2004. - 624 с.
MOLECULAR AND GENETIC MECHANISMS OF XENOBIOTIC BIOTRANSFORMATION
I.S. POLJAKOVA M.I. CHURNOSOV S.P. PACHOMOVV.S. ORLOVA
BelgorodNational Research University
e-mail: [email protected]
The article describes the process of biotransformation of xenobiotics, which consists of three phases. The in-depth charac- terization of enzymes involved in xenobiotic biotransformation, the first phase (monooxygenase family of cytochrome P450), the second phase (the superfamily of glutathione-S-transferase (GST), arylamino-N-acetyltransferase-2), the third phase of detoxifica- tion (glycoproteins Pi). Showing the molecular mechanisms of biotransformation of xenobiotics, are key enzymes polymor- phisms and their associations with multifactorial diseases.
Key words: enzymes biotransformtsii xenobiotics, cy- tochrome P450, epoksidgidrolaza, glutathione-S-transferase, gly- coprotein P1.
