CC BY
149
БИОИНФОРМАТИКА В ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ГЕНЕТИКЕ
И.Л. Степаненко
Институт цитологии и генетики РАН, г. Новосибирск
В базе данных велеКе! (1Шр://\у\т. mgs.bionet.nsc.ru/ п^*^1т^епепе1/) накапливается информация о путях передачи сигнала активными формами кислорода (АФК) и регуляции транскрипционных факторов в зависимости от окислительновосстановительного (редокс) потенциала клетки. Генная сеть редокс-регуляции, обеспечивающая адаптацию организма к окислительному стрессу, объединяет через ключевые транскрипционные факторы локальные генные сети. В интегрированной генной сети происходит пересечение путей передачи сигнала и интерференция генных сетей.
Ключевые слова: базы данных, активные формы кислорода, воспаление, экспрессия генов, регуляция транскрипции, генные сети, редокс-регуляция.
РЕГУЛЯЦИЯ ГЕННЫХ СЕТЕЙ СТРЕССОВОГО ОТВЕТА АКТИВНЫМИ ФОРМАМИ КИСЛОРОДА
Регуляция экспрессии генов, обеспечивающих выполнение определенных физиологических функций в организме, осуществляется в рамках генных сетей (1-3). Генные сети представляют собой комплексную сеть взаимодействий, в которой белки регулируют транскрипцию генов и трансляцию мРНК, метаболические реакции и пути передачи сигнала. В настоящее время мало известно о принципах построения регуляторных сетей, контролирующих экспрессию генов в клетке.
Свободные радикалы и другие активные формы кислорода (АФК) образуются в процессе жизнедеятельности клеток и в высоких концентрациях приводят к окислительному стрессу [4]. Некоторые окислительные реакции обратимы и определяют динамику регуляторных процессов и экспрессию генов через модификацию путей передачи сигнала при изменении окис-лительно-восстановительного (редокс) статуса клетки [5]. АФК регулируют экспрессию генов через цистеиновые остатки в ДНК-связывающих доменах транскрипционных факторов, инактивируют цистеины в каталитических центрах протеин фосфатаз и изменяют активность киназ [6, 7].
АФК участвуют в регуляции нормальных физиологических функций организма, тогда как окислительный стресс связан со многими патологиями, включая ишемию, образование опухолей, атеросклероз, патологии нервной системы, диабет [8]. Развитие современных методов изучения экспрессии генов дает информацию о координированной экспрессии десятков и сотен генов стрессового ответа [9, 10]. Для накопления и систематизации экспериментальных данных и для анализа архитектуры природных генных сетей нами развивается база данных GeneNet [11].
Для описания структурно-функциональной организации генных сетей мы использовали химико-кинетический подход, выделяя в генной сети элементарные структуры (гены, мРНК, белки, сигнальные молекулы и метаболиты) и элементарные события: регуляторные воздействия и метаболические реакции [1]. База данных GeneNet содержит информацию о 25 генных сетях, регулирующих ответ клетки на стресс, морфогенез и эндокринную регуляцию [11]. В базе данных генных сетей в формализованном виде представлены основные генетические процессы, такие как транскрипция, трансляция, посттранс-ляционная модификация белков, формирование и деградация комплексов белков, транспорт макромолекул в различные компартменты клетки и регуляция этих процессов. Раздел базы REDOX REGULATION доступен по адресу (http:// wwwmgs.bionet.nsc.ru/mgs/gnw/genenet/applet_genenet_viewer.shtml).
ГЕННАЯ СЕТЬ РЕДОКС-РЕГУЛЯЦИИ
Регуляция экспрессии генов происходит главным образом на уровне транскрипции и определяется составом и активностью белков-активаторов и репрес-соров, связывающихся с cis-регуляторными последовательностями ДНК и определяющими скорость инициации транскрипции при взаимодействии с базаль-
ным транскрипционным комплексом. Гены, экспрессия которых зависит от окислительно-восстановительного потенциала клетки, называют редокс-чувствительными генами.
В базе данных TRRD [12], в разделе Redox-sensitive Genes (ROS-TRRD database) http://wwwmgs.bionet.nsc.ru/ mgs/papers/stepanenko/ros-trrd/ накапливается информация о регуляции транскрипции редокс-чувствительных генов, регуляторных районах этих генов и сайтах связывания транскрипционных факторов, а также данные о паттернах экспрессии генов при действии индуктора или
репрессора в зависимости от типа клетки, возраста и т. д. В таблице приведены данные о транскрипционных факторах, регулирующих экспрессию редокс-чувствительных генов. Информация о совокупности редокс-чувст-вительных генов, в регуляторных областях которых выявлены сайты связывания редокс-регулируемых транскрипционных факторов, позволило построить генную сеть редокс-регуляции.
Регуляция генной сети осуществляется редокс-ак-тивными белками тиоредоксином и редокс-фактором
Таблица
Информация о регуляции транскрипции некоторых редокс-чувствительных генов, содержащихся в базе данных Т[*ГШ (http://wwwmgs.bionet.nsc.ru/mgs/papers/stepanenko/ros-trrd/)
Название гена в базе данных TRRD Вид организма Транскрипционные факторы TRRD номер
aldolase А Homo sapiens RSRFC4; TR2; USF; HIF-la; HIF-ip A00924
apurinic/apyrimidinic endonuclease Homo sapiens Ref-1; c-Jun; ATF-2; Spl; USF AO 1007
c-fos protooncogene Mus musculus Spl; RXRa; CTF/NF-1; p53 A00107
c-myc protooncogene Homo sapiens AP-1; Oct; E2F A00191
Cu/Zn superoxide dismutasc Homo sapiens SP1; Egr-1 A00564
cytochrome с oxidase Vila liver isoform Bos taurus Spl; NRF-2; NRF-1 A01010
cyclooxygcnase 2 Mus musculus NF-кВ; NF-IL6; C/EBPP; C/EBP5; AP-1; CREB; p53; TBP A00883
endothelial leukocyte adhesion molecule 1 Homo sapiens HFH-8; ATF3; ATF2; ATFa; HMG-I(Y); NF-кВ; STAT6 A00198
gamma-glutamylcysteinc synthetase light subunit Homo sapiens c-Fos; Nrfl; Nf-E2; p45; Nrf2; JunD; Maf; MafG; MafK. A01086
glutathione transferase P Rattus norvcgicus AP-1; c-jun; SF-A; SF-B; C/EBPa; C/EBPP; BTEB2; LKLF; MZFP; TFI1IA; NF1-A; NF1-B; NF1-C A00262
granulocytc/macrophagc colony stimulating factor Homo sapiens NFATp; AP-1; CBF; NF-кВ; HMG I(Y) A00450
growth arrest and DNA damage-inducible Cricctulus longicaudatus C/EBPP; ATF4; ATF3; AP-1; Spl A00960
heat shock protein 27 Homo sapiens AP2; Spl A00516
heat shock protein 70 Homo sapiens Spl; c-myc; HSF1; HSF2; CTF; HSF3; HSF4; TFIID A00102
heme oxygenase 1 Mus musculus Nrf2; ATF4; MafK; ATF2; ATF3; FosB; JunB; MafG; HIF-1; AP-1 A00725
inducible nitric oxide synthase Rattus norvcgicus C/EBP5; CREB; NF-кВ; C/EBPP AO 1053
interleukin 6 Homo sapiens NF-IL6; GR A00115
intcrlcukin-8 Homo sapiens HFH-8; Tcf4; IRF-1; PE A3; JunD; Fra-2; c-Fos; c-jun; C/EBP-a; C/EBP-p; C/EBP-5; Oct-1; NF-кВ; NRF A00038
mangancsc-containing supcroxidc dismutase Homo sapiens CREB-1; ATF-1; AP-2 AO 1087
multidrug resistance Homo sapiens HSF1; NF-IL6; NF-R1; NF-кВ; c-Fos; NF-Y; YB-1; Spl; WT1 A00171
NAD(P)H:quinonc oxidoreductase Homo sapiens ER; hPMC2; AP-1; jun-D/c-fos AO 1011
p21 Wafl kinase inhibitor Homo sapiens STAT 1; STAT 5; RXRa/RARp; VDR/RXR; AR; Sp-1; AP-2; Sp-3; E47 A00359
p53 tumor suppressor Mus musculus NF-kB A00308
transferrin Homo sapiens Tf-LF2; NF-1 ; Spl; YY1; CREB; C/EBP-a; C/EBP-p; LPII; COUP-TF; HNF4; Tf-LF1 A00087
transferrin receptor Homo sapiens HlF-lalpha/HIF-iP; PIF; CREB 1/ATF-1; TRAC; Spl A00505
tumor necrosis factor alpha Homo sapiens NF-кВ; Spl; Egr-1; NFATp; Ets-1; Elk-1; ATF-2/c-Jun; CREB; C/EBP-P A00266
tyrosine phosphatase Homo sapiens Egr-1; Spl A00666
vascular cell adhesion molecule Homo sapiens NF-кВ; IRF-2; IRF-1 A00301
Примечание: Редокс-регулируемые транскрипционные факторы выделены шрифтом.
Ref-l. Тиоредоксин (TRX) — небольшой многофункциональный белок с редокс-чувствительными аминокислотными остатками в активном центре Cys-Gly-Pro-Cys. Тиоредоксин защищает клетку от окислительного стресса, модулирует экспрессию генов, участвует в путях передачи сигналов, регулирует пролиферацию клеток и апоптоз [13]. Ref-1 или ДНК репарирующая эндонуклеаза (АРЕ) — белок, обладающий ДНК репарирующей и редокс-регулирующей активностью [14]. Ref-1 образует комплекс с тиоредоксином и регулирует активность транскрипционных факторов через восстановление тиоловых групп цистеиновых остатков в ДНК-связывающих и трансактивационных доменах транскрипционных факторов.
Тиоредоксин, один из основных факторов тиол-ре-дуцирующей системы, существует в клетке в восстановленной или окисленной форме и участвует в редокс-ре-гуляции через обратимое окисление цистеинов в его активном центре. Экспрессия гена тиоредоксина Тгх индуцируется оксидантами [15]. Редуцирующая активность тиоредоксина зависит от редокс-статуса сенсора АФК тиоредоксинредуктазы TRXR1 [16]. Образование АФК приводит к стабилизации мРНК TRXR1 и увеличению уровня фермента [17]. Тиоредоксинредуктаза восстанавливает окисленный тиоредоксин TR_X, который транспортируется в ядро и образует гетеродимер с ядерным белком Ref-1.
Редокс-регуляция транскрипционного фактора АР-1 опосредована консервативными цистеиновыми остатками в ДНК-связывающих доменах Fos и Jun белков [18]. Тиоредоксин и Ref-1 восстанавливают ДНК-связываю-щую и транскрипционную активность NF-кВ, взаимодействуя с цистеином 61 его р50 субъединицы [19]. К транскрипционным факторам, регулируемым тиоредоксином и Ref-1 белками, относятся широко экспрессирующийся фактор Spl [20], HSF1, фактор теплового шока [21], и продукт гена супрессора опухолей р53 [22, 23], HIF-1, фактор, индуцируемый гипоксией [24, 25]. ДНК, связывающий домен МуЬ, содержащий цистеин 43 в R2 , служит молекулярным сенсором редокс-меха-низма [26]. ДНК-связывающая активность фактора роста раннего ответа Egr-1 [27], транскрипционного фактора АР-2, играющего значительную роль в развитии позвоночных и дифференцировке клеток [28], NF-Y, который подавляет экспрессию гена CYP1A1 и образование АФК [29] и USF [30], HNF-4alpha, экспрессирующегося в клетках печени, модифицируется изменением редокс-статуса клетки [31]. АФК определяют не только ДНК-связывающую активность транскрипционных факторов, но и трансактивационную активность, регулируют транспорт в ядро [32].
Тиоредоксин регулирует активность различных транскрипционных факторов и через модификацию редокс-чувствительных цистеиновых остатков в ДНК-
связывающих доменах транскрипционных факторов регулирует экспрессию многих генов. Редокс-регуляция представляет собой консервативную в эволюционном плане систему, контролирующую один из жизненно важных параметров, — уровень АФК в клетках как прокариот, так и эукариот. Любая специализированная генная сеть, возникшая в ходе эволюции многоклеточных организмов, должна удовлетворять тем ограничениям, которые накладываются системой ре-докс-регуляции. В клетках щитовидной железы образование АФК происходит после действия тиротропина и играет ключевую роль при синтезе тироидного гормона. Ref-1 контролирует ДНК-сязывающую активность транскрипционного фактора Рах-8, необходимого для развития щитовидной железы [33], и активность ДНК-связывающего и трансактивационного домена ти-роиного транскрипционного фактора TTF-1, регулирующего экспрессию генов щитовидной железы [34].
Таким образом, если какая-то генная сеть продуцирует в ходе своего функционирования повышенный уровень АФК, тогда она интегрируется с генной сетью редокс-регуляции через свои ключевые управляющие звенья, в качестве которых выступают транскрипционные факторы.
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ГЕННОЙ СЕТИ РЕДОКС-РЕГУЛЯЦИИ ПРИ ВОСПАЛЕНИИ
Активные формы кислорода образуются в результате неполного восстановления кислорода, главным образом, в митохондриях, а также оксидазами (НАДФН оксидаза-ми, ксантиноксидазами, моноаминоксидазами) в других компартментах клетки. НАДФН оксидазы продуцируют АФК при передаче сигнала через мембранные рецепторы при действии различных физиологических стимулов [35]. Активация ГТФ-связывающего белка Racl, входящего в состав активного НАДФН оксидазного комплекса, модулирует активность транскрипционных факторов и экспрессию генов [36-38]. Ref-1, экспрессия которого усиливается при действии окислительного стресса, подавляет активность Ras-регулируемого белка Racl и контролирует образование АФК [39].
Цитокины, вызывающие воспаление, такие как TNF-a и IL-(3, стимулируют транслокацию восстановленного тиоредоксина в ядро и активацию стресс-ин-дуцируемых транскрипционных факторов АР-1, HSF1, NF-кВ, HIFl-a, р53 и координированную экспрессию генов, регулирующих различные физиологические функции в организме.
АКТИВАЦИЯ ГЕННОЙ СЕТИ ИММУННОГО ОТВЕТА
Фактор некроза опухолей TNF-a и интерлейкин IL-P индуцирует NF-кВ - 1кВ путь передачи сигнала.
NF-кВ находится в цитоплазме в латентной форме в комплексе с 1кВ ингибиторами. TNF-a, связываясь со своим рецептором, присоединяет адапторный белок TRADD, TRAF-2 и RIP киназу, действие IL-(3 опосредованно IL-1R рецептором, адапторным белком MyD88 и IRAK киназой и TFAR-6. Пути передачи сигнала сходятся на NF-кВ киназе, которая в свою очередь активирует 1кВ киназный комплекс (IKK). При активации NF-кВ и фосфорилировании его ингибитора 1кВ , происходит деградация 1кВ 26S проте-асомой, NF-кВ транспортируется в ядро, где активирует транскрипцию генов иммунного ответа TNF-a, IL-2, IL-6, IL-8, GM-CSF, iNOS. Сигнал от TNF-a передается через 1кВ киназный комплекс и посттрансля-ционную модификацию NF-кВ РКА, PI-3K, МАРК киназами и усиливается редокс-регуляцией [40].
При стимуляции клетки цитокинами TNF-a и IL-1 ¡3 происходит активация НАДФН оксигеназы, фосфоли-пазы PLA2 и 5-липоксигеназы в зависимости от типа клеток [41, 42], что приводит к образованию активных форм кислорода и усилению сигнала в данной генной сети. Тиоредоксин перемещается в ядро и индуцирует NF-кВ-зависимую экспрессию генов, восстанавливая ДНК-связывающую активность транскрипционного фактора [19]. Различные антиоксиданты, в том числе природный антиоксидант восстановленный глутатион (GSH), являются ингибиторами NF-кВ. Глутатион действует как буфер при передаче редокс-сигнала от АФК к генам и подавляет фосфорилирование ингибитора 1кВ и экспрессию NF-кВ, индуцируемую TNF-a [43]. Тиоредоксин в цитоплазме блокирует деградацию 1кВ [44].
Фактор некроза опухолей TNF-a модулирует активность транскрипционных факторов. При воспалении индуцируется экспрессия гена нитритсинтетазы iNOS и образуется окись азота NO, которая ингибирует ДНК-связывающую активность редокс-регулируемого фактора АР-1 (45). N0 ингибирует активацию фактора NF-кВ цитокином TNF-a, образуя негативную регуляторную петлю [46] и индуцирует или ингибирует апо-птоз в зависимости от концентрации [47].
АКТИВАЦИЯ ГЕННОЙ СЕТИ ОТВЕТА НА ТЕПЛОВОЙ ШОК
Клетки всех организмов отвечают на действие факторов внешней среды, химический и физиологический стресс экспрессией консервативной группы белков, известных как белки теплового шока (HSP). Образование активных форм кислорода вызывает активизацию транскрипционного фактора теплового шока HSF1 [21]. HSF1 при действии стресса образует тример, транспортируется в ядро и активирует кассету генов теплового шока, молекулярных шаперонов. Активация HSF1 и индукция белков теплового шока является адаптивным
ответом и имеет противовоспалительное действие через ингибирование NF-кВ сигнального пути [48-50].
АКТИВАЦИЯ ГЕННОЙ СЕТИ ОТВЕТА НА ГИПОКСИЮ
Низкая концентрация кислорода (гипоксия) активирует экспрессию ряда генов, таких как гены эритропо-этина, фактора роста VEGF, гемоксигеназы, ферментов гликолиза. В условиях нормоксии TNF-a и IL-p регулируют активацию индуцируемого гипоксией фактора HIF-alpha через образование АФК [51, 52]. HIFl-a постоянно экспрессируется в клетке и быстро разрушается протеасомой после убиквитинизации [53]. Провос-палительные цитокины стимулируют стабилизацию транскрипционного фактора HIFl-a, его транслокацию в ядро и активацию транскрипции генов. Сигнал к индукции передается через тиоредоксин и редокс-фак-тор 1. АФК регулируют взаимодействие HIF1 -а с коак-тиватором СВР/рЗОО и его транс активационную активность [25]. По-видимому, АФК играют основную роль в активации HIFl-a и служат сенсором кислорода в клетке, хотя существуют противоположные мнения [54, 55].
АКТИВАЦИЯ ГЕННОЙ СЕТИ АНТИОКСИДАНТНОЙ ЗАЩИТЫ
Редокс-регуляция представляет собой динамический процесс, поддерживающий баланс между образованием АФК, оксидантов и антиоксидантов и обеспечивающий поддержание гомеостаза. TNF-a индуцирует экспрессию гена MnSOD митохондриальной супероксиддисмутазы, обеспечивающую антиоксидант-ную защиту клетки [56]. При повышении уровня АФК подавляется экспрессия генов эндогенной системы образования АФК [57]. NRF2 (nuclear respiratory factor 2) регулирует экспрессию ядерных генов, кодирующих митохондриальные белки, участвующие в окислительном фосфорилировании, включая субъединицы IV and Vb цитохром с оксидазы, и митохондриальный транскрипционный фактор 1. ДНК-связывающая активность и экспрессия генов ингибируется в условиях окислительного стресса и восстанавливается тиоредоксином, что служит механизмом регуляции образования АФК в митохондриях [58].
Глутатион и тиоредоксин — два основных антиоксиданта, вовлеченых в редокс-регуляцию в клетке. Глута-тион-тиольный трипептид-антиоксидант y-Glu-Cys-Gly, может быть в окисленной (GSSG) или в восстановленной форме (GSH). Соотношение между этими двумя формами определяет главным образом окислительно-восста-новительный потенциал клетки. Транскрипционный фактор Nrf2 (nuclear factor erythroid 2-related factor 2) определяет уровень глутатиона [59] и тиоредоксина [60]
в клетке. Механизм активации Nrf2 осуществляется на нескольких уровнях. Nrf2 усиливает экспрессию своего гена [61], но в цитоплазме Nrf2 быстро разрушается через убиквитинзависимый путь. Фосфорилирование Nrf2 протеинкиназой С в ответ на действие индукторов, вызывающих окислительный стресс, приводит к повышению стабильности белка и его активности [62, 63]. Цитоплазматический Keapl, негативный регулятор Nrf2, служит сенсором окислительного стресса. Редокс-зави-симое освобождение Nrf2 от его ингибитора и транспорт транскрипционного фактора в ядро [64, 65] обеспечивает координированную экспрессию генов ферментов фазы 2 и биосинтеза глутатиона, защищающих клетку от токсического и канцерогенного действия оксидантов и элек-тофилов [59, 66].
АКТИВАЦИЯ ГЕННОЙ СЕТИ КАТАБОЛИЗМА ЖЕЛЕЗА
Экспрессия гена гемоксигеназы при действии медиаторов воспаления возрастает при переходе восстановленного тиоредоксина в ядро и активации транскрипционного фактора АР-1 [67]. Стрессовый белок гемо-ксигеназа является ключевым ферментом распада гема до биливердина, окиси углерода и железа. Биливердин и его продукт билирубин являются антиоксидантами, тогда как железо усиливает окислительный стресс. Экспрессия гена гемоксигеназы защищает клетку от окислительного стресса и индуцируется оксидантами, включая ее субстрат гем. Механизм активации гемом обеспечивается стабилизацией Nrf2, его накоплением в ядре, где он, образуя димер с MafG, связывается со стресс-ре-гулируемыми элементами StREs и активирует транскрипцию гена [68]. Освобождающееся железо захватывается ферритином, экспрессия которого также регулируется транскрипционным фактором Nrf2 [69]. Редокс-статус клетки модулирует экспрессию гена на уровне транскрипции и трансляции. Редокс-регулируе-мые белки IRP-1 и IRP-2 контролируют синтез ферри-тина и рецептора трансферрина, связываясь с IRE элементами, локализованными в 5', З'-нетранслируемых областях их мРНК [70]. При воспалении происходит обратимое ингибирование РНК-связывающей активности IRP-2 окисью азота N0 и восстановление ее тиоре-доксином [71], что является еще одним примером координированной экспрессии генов при редокс-регуляции.
АКТИВАЦИЯ ГЕННОЙ СЕТИ АПОПТОЗА ИЛИ АРЕСТА КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА
Образование АФК регулируется генной сетью ан-тиоксидантной защиты, однако высокие дозы вызывают АФК-индуцируемый апоптоз в различных клетках при воспалении [72]. Плейотропный цитокин TNF-a
вызывает апоптоз, связываясь со своим рецептором и активируя прокаспазу-8, и через образование АФК митохондриями [42]. Окислительный стресс стабилизирует транскрипционный фактор р53 и модулирует экспрессию р53-регулируемых генов. Редокс-регулируе-мая активация р53 вызывает арест клеточного цикла в G1 фазе и подавление пролиферации клеток через ингибитор циклин-зависимых киназ р21 [73]. Арест клеточного цикла дает время для синтеза ферментов ан-тиоксидантной защиты и репарации ДНК, тогда как значительные повреждения ДНК вызывают апоптоз.
р53 активирует транскрипцию генов многих про-апоптозных белков, в том числе функционирующих в митохондриях Вах, Puma, NOXA [74]. р53 индуцирует транслокацию проапоптозного белка Ьах, формирующего поры, в митохондрию, высвобождение цитохрома с [75]. Цитохром с и фактор, активирующий апоптозные протеазы Apaf-1, в составе апоптосомы активируют прокаспазу 9 и каспазный каскад, осуществляющий апоптоз.
Редокс-регулируемый р53 активирует транскрипцию генов PIG1-PIG12 (p53-induced genes), связанных с образованием АФК в клетке [76]. Экспрессия гена PIG3 приводит к увеличению продукции АФК митохондрией [77]. Образование высоких доз АФК вызывает изменение Д\|/ потенциала митохондриальной мембраны и апоптоз [78].
Активация каскада редокс-регулируемых генных сетей, объединенных общим путем передачи сигнала, инициируется при воспалении. При активации общего пути передачи сигнала через АФК происходит обмен информацией между различными генными сетями, что приводит к усилению или подавлению ответа на действие сигнала.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сложные регуляторные сети исследуются во многих областях науки, в биохимии, нейробиологии, экологии, инженерном деле. Особенностью реальных генных сетей является свойство «малого мира», лежащее в основе даже больших метаболических сетей [79]. Высокая кластеризация и наличие близких связей между узлами генной сети характерно и для генной сети редокс-регуляции. Связь между транскрипционными факторами, узлами генных сетей со многими связями осуществляется через тиоредоксин и Ref-1. Бе-лок-белковые взаимодействия обеспечивают быстрый ответ генных сетей и усиление сигнала при действии внешнего фактора через образование АФК.
В генной сети редокс-регуляции происходит активация ряда генных сетей (рис.). Генная сеть редокс-регуляции, получая через входную систему рецепции возбуждающий ее сигнал, перерабатывает его и рас-
Активные формы кислорода
| hypocla |
Цитокины
| Heats lock I
Рис. 1. Генная сеть редокс-регуляции, обеспечивающая адаптацию организма к окислительному стрессу, объединяет через ключевые транскрипционные факторы локальные генные сети.
1) антиоксидантной защиты, 2) регуляции ареста клеточного цикла, 3) иммунного ответа, 4) катаболизма железа, 5) ответа на тепловой шок и гипоксию, 6) апоптоза. Генная сеть редокс-регуляции, получая сигнал, распределяет его между связанными с ней генными сетями. Каждая локальная генная сеть может передать сигнал на одну или несколько других генных сетей
пределяет по своим выходам, возбуждая связанные с ней генные сети, каждая из которых может передавать возбуждающий сигнал на одну или несколько других генных сетей.
Изучение генных сетей, описанных в базе данных ОспсЫе1:, позволило нам сформулировать концепцию интерференции генных сетей. Интерференция генных сетей — это прохождение возбуждения по определенному домену глобальной генной сети организма, приводящее к последовательному возбуждению ряда генных сетей. Интерференция генных сетей может приводить к координированной экспрессии генных сетей либо к подавлению одной генной сетью функционирование другой [80]. Для организации интерференции генных сетей в глобальной генной сети организма существуют генные сети — интеграторы. Таким образом, генные сети-интеграторы могут рассматриваться как
ключевые элементы, обеспечивающие передачу сигнала в глобальной генной сети всего организма.
Автор благодарит H.A. Колчанова за плодотворную дискуссию, О.Г. Смирнову за помощь в наполнении базы данных, Ю.М. Константинова за информацию о редокс-регулируемых генах.
Работа частично поддержана РФФИ (гранты 01-07-90376-в, 01-07-90084, 02-07-90359, 03-07-90181-в, 03-04-48506-а, 03-04-48469-а, 03-07-96833-р2003югра_в), Министерством промышленности, науки и технологий Российской Федерации (№ 43.073.1.1.1501), проектом РАН (физ.-хим. биология 10.4), СО РАН (Интеграционные проекты № 119,145), INTAS Project No. 21-2382.
Литература
1. Колчанов H.A., Ананько Е.А., Колпаков Ф.А. и др. Генные сети // Молекулярная биология. — 2000. — Т. 34. 4. — С. 533-544.
2. Lee T.I., Rinaldi N.J., Robert F. el al. Transcriptional regulatory networks in Saecharomyecs cercvisiae // Science. — 2002 — Vol. 298. 5594. — P. 799-804.
3. Vogelstein B., Lane D., Levine A.J. Surfing the p53 network // Nature. — 2000. — Vol. 408. 6810. — P. 307-310.
4. Зенков H.K., Ланкин B.3., Меньшикова Е.Б. Окислительный стресс: Биохимический и патофиологичский аспекты. — М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2001.
5. Allen R.G., Tresini М. Oxidative stress and gene regulation // Free Radic. Biol. Med. — 2000 — Vol. 28, N 3. — P. 463-499.
6. Gabbita S.P., Robinson K.A., Stewart C.A. el al. Redox regulatory mcchanisms of cellular signal transduction // Arch. Biochem. Biophys. — 2000. — Vol. 376. — P. 1-13.
7. Турпаев К. Т. Активные формы кислорода и регуляция экспрессии генов // 2002. — Т. 67. 3. — С. 339-352.
8. Droge W. Free radicals in the physiological control of cell function // Physiol. Rev. — 2002. — Vol. 82, N 1. — P. 47-95.
9. Thimmulappa R.K., Mai K.H., Srisuma S. el al. Identification of Nrf2-regulated genes induced by the chemoprcvcntivc agent sulforaphanc by oligonucleotide microarray // Cancer Res. — 2002. — Vol. 62. 18. — P. 5196-5203
10. Mirza A., Wu Q., Wang L. et al. Global transcriptional program of p53 target genes during the process of apoptosis and cell cycle progression// Oncogene. — 2003. — Vol. 22. 23. — P. 3645-3654.
11. Ananko E.A., Podkolodny N.L., Stepanenko I.L. et al. GcneNct: a database on structure and functional organisation of gene networks // Nucleic Acids Res. — 2002. — Vol. 30. — P. 398-401.
12. Kolchanov N.A., Ignatieva E.V., Ananko E.A. et al. Transcription Regulatory Regions Databases (TRRD): its status in 2002 // Nuclcic Acids Res. — 2002. — Vol. 30. — P. 312-317.
13. Liu H., Nishitoh H., Ichijo H., et al. Activation of apoptosis signal-regulating kinase 1 (ASK1) by tumor necrosis factor rcccptor-associatcd factor 2 requires prior dissociation of the ASKI inhibitor thioredoxin // Mol. Cell Biol. — 2000. — Vol. 20. 6. — P. 2198-208.
14. Flaherty D.М., Monick M.M., Hunninghake G. W. AP endonucleases and the many functions of Rcf-1 // Am J. Respir. Cell. Mol. Biol. —
2001. 6. — P. 664-667.
15. Kim Y.C., Yamaguchi Y., Kondo N. et al. Thioredoxin-dcpcndcnt redox regulation of the antioxidant responsive element (ARE) in electrophile response // Oncogene. — 2003.— Vol. 22. 12. — P. 1860-1865.
16. Mustacich D., Powis G. Thioredoxin reductase // Biochem J.— 2000. — Vol. 346. — P. 1-8.
17. Sun Q.A., Wu Y, Zappacosta F., et al. Redox regulation of cell signaling by sclcnocysteinc in mammalian thioredoxin rcductascs // J. Biol. Chcm. — 1999, —Vol. 274. 35, —P. 24522-24530.
18. Hirota K., Matsui М., Iwata S., et al. AP-1 Transcriptional Activity is Regulated by a Direct Association between Thioredoxin and Rcf-1 // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 1997. — Vol. 94. 8. — P. 3633-8
19. Mitomo K., Nakayama K., Fujimoto K., et al. Two different cellular redox systems regulate the DNA-binding activity of the p50 subunit of NF-kappa В in vitro // Gene. — 1994. — Vol. 145. 2. — P. 197— 203.
20. Wu X., Bishopric N.H., Discher D.J. et al. Physical and functional sensitivity of zinc finger transcription factors to redox change // Mol. Cell Biol. — 1996. — V. 16. 3. — P. 1035-1046.
21. Jacquier-Sarlin M.R., Polla B.S. Dual regulation of heat-shock transcription factor (HSF) activation and DNA-binding activity by H202: role of thioredoxin // Biochcm J. — 1996. — Vol. 318. — P. 187-193.
22. Jayaraman L., Murthy K.G., Zhu C. et al. Identification of redox/ repair protein Ref-1 as a potent activator of p53 // Genes Dev. —
1997. — Vol. 11. 5. — P. 558-570.
23. Parks D., Bolinger R., Mann K. Redox state regulates binding of p53 to scqucncc-spccific DNA, but not to non-specific or mismatched DNA // Nucleic Acids Res. — 1997. — Vol. 25. 6. — P. 1289-95.
24. Lando D., Pongratz I., Poellinger L., et al. A redox mcchanism controls differential DNA binding activities of hypoxia-induciblc factor (HIF) 1 alpha and the HIF-likc factor // J. Biol. Chcm. — 2000. — Vol. 275. 7. — P. 4618^1627.
25. Erna M., Hirota K., Mimura J. et al. Molecular mcchanisms of transcription activation by HLF and HIF 1 alpha in response to hypoxia: their stabilization and redox signal-induccd interaction with CBP/p300 // EMBO J. — 1999. — Vol. 18. 7. — P. 1905-1914.
26. Myrset A.H., Bostad A., Jamin N., et al. DNA and redox state induccd conformational changes in the DNA-binding domain of the Myb oncoprotcin // EMBO J. — 1993. — Vol. 12. 12. — P. 4625-4633.
27. Huang R.P., Adamson E.D. Characterization of the DNA-binding properties of the early growth response-1 (Egr-1) transcription factor: cvidcncc for modulation by a redox mcchanism // DNA Cell Biol. — 1993. — Vol. 12. 3. — P. 265-273.
28. Huang Y., Domann F.E. Redox modulation of AP-2 DNA binding activity in vitro // Biochcm. Biophys. Res. Commun.— 1998. — Vol. 249. 2. — P. 307-312.
29. Nakshatri H., Bhat-Nakshatri P., Currie RA. Subunit association and DNA binding activity of the hctcrotrimcric transcription factor NF-Y is regulated by cellular redox // J. Biol. Chcm.— 1996. — Vol. 271. 46. — P. 28784-28791.
30. Pognonec P., Kalo H., Roeder R.G. The hclix-loop-helix/lcucinc repeat transcription factor USF can be functionally regulated in a redox-dependent manner // J. Biol. Chcm. — 1992. — Vol. 267. 34. — P. 24563-24567.
31. Guo H., Cai C.Q., Kuo P C. Hcpatocytc nuclcar factor-4alpha mediates redox sensitivity of inducible nitric-oxidc synthase gene transcription // J. Biol. Chcm. — 2002. — Vol. 277. 7. — P. 5054-5060.
32. Okamoto K., Tanaka H., Ogawa H. et al. Rcdox-dcpcndcnt regulation of nuclcar import of the glucocorticoid rcccptor // J. Biol. Chcm. — 1999. — Vol. 274. 15. — P. 10363-10371.
33. Tell G., Pellizzari L., Cimarosti D. et al. Rcf-1 controls pax-8 DNA-binding activity // Biochcm. Biophys. Res. Commun.— 1998. — Vol. 252. 1. — P. 178-183.
34. Tell G., Pines A., Paron I. et al. Redox effector factor-1 regulates the activity of thyroid transcription factor 1 by controlling the redox state of the N transcriptional activation domain Hi. Biol. Chem. — 2002. — Vol. 277. 17. — P. 14564-14574.
35. Babior B.M. The NADPH oxidase of endothelial cells // IUBMB Life. — 2000. — Vol. 50. 4-5. — P. 267-269.
36. Ozaki M., Deshpande S.S., Angkeow P. et al. Racl regulates stress-induced, redox-dependent heat shock factor activation // J. Biol. Chcm. — 2000. — Vol. 275. 45. — P. 35377-35383.
37. Sanlioglu S., Williams C.M., Samavati L. et al. Lipopolysaccharidc induccs Racl-dependent rcactivc oxygen species formation and coordinates tumor necrosis factor-alpha secretion through IKK regulation of NF-kappa B // J. Biol. Chcm. — 2001. — Vol. 276. 32.— P. 30188-30198.
38. Hirota K., Semenza G.L. Racl activity is required for the activation of hypoxia-induciblc factor 1 Hi. Biol. Chcm. —2001. — Vol. 276. 24. — P. 21166-21172.
39. Ozaki M., Suzuki S., Irani K. Redox factor-l/APE suppresses oxidative stress by inhibiting the racl GTPasc // FASEB J. —
2002. — Vol. 16. 8. P. 889-890.
40. Janssen-Heininger Y.M., Poynter M.E., Baeuerle PA. Recent advances towards understanding redox mechanisms in the activation of nuclear factor kappaB // Free Radic. Biol. Med. —2000. — Vol. 28. 9.— P. 1317-13127.
41. Bonizzi G., PietteJ., Merville M.P et al. Distinct signal transduction pathways mediate nuclcar factor-kappaB induction by IL-lbcta in
epithelial and lymphoid cells // J. Immunol.— 1997. — Vol. 159.
11.— P. 5264-52672.
42. Woo C.H., Eom Y.W., Yoo M.H. et al. Tumor nccrosis factor-alpha generates rcactivc oxygen spccics via a cytosolic phospholipasc A2-linked cascadc // J. Biol. Chcm. — 2000. — Vol. 275. 41. — P. 32357-32362.
43. Cho S., Urata X, Iida T. et al. Glutathione downrcgulatcs the phosphorylation of I kappa B: autoloop regulation of the NF-kappa B-mcdiatcd expression of NF-kappa B subunits by TNF-alpha in mouse vascular endothelial cells // Biochcm. Biophys. Res. Commun. — 1998. — Vol. 253, 1. — P. 104-108.
44. Hirota K., Murata M., Sachi Y. el al. Distinct roles of thiorcdoxin in the cytoplasm and in the nucleus. A two-step mechanism of redox regulation of transcription factor NF-kappaB // J. Biol. Chem. — 1999. — Vol. 274. 39. — P. 27891-27897.
45. Nikitovic D., Holmgren A., Spyrou G. Inhibition of AP-1 DNA binding by nitric oxide involving conserved cysteine residues in Jun and Fos // Biochem. Biophys. Res. Commun. — 1998. — Vol. 242. 1. — P. 0109-112.
46. Peng H.B., Spiecker M., Liao J.K. Inducible nitric oxide: an autoregulatory feedback inhibitor of vascular inflammation // J. Immunol. — 1998.— Vol. 161.4.— P. 1970-1976.
47. Shen Y.H., Wang X.L., Wilcken D.E. Nitric oxide induces and inhibits apoptosis through different pathways // FEBS Lett. —
1998. — Vol. 433. 1-2. — P. 125-131.
48. Yoo C.G., Lee S., Lee C.T. et al. Anti-inflammatory effect of heat shock protein induction is related to stabilization of I kappa B alpha through preventing I kappa B kinase activation in respiratory epithelial cells//J. Immunol. — 2000. — Vol. 164. 10. — P. 5416-5423.
49. Wong H.R., Ryan M., Wispe J.R. Stress response decreases NF-kappaB nuclear translocation and increases I-kappaBalpha expression in A549 cells // J. Clin. Invest. — 1997. — Vol. 99.
10.— P. 2423-2428.
50. Ianaro A., Ialenti A., Maffia P. et al. HSFl/hsp72 pathway as an endogenous anti-inflammatory system // FEBS Lett. — 2001. — Vol. 499. 3. — P. 239-244.
51. Haddad J.J., Land S.C. A non-hypoxic, ROS-scnsitivc pathway mediates TNF-alpha-dcpendent regulation of HIF-1 alpha // FEBS Lett. — 2001. — Vol. 505. 2. — P. 269-274.
52. Haddad J.J. Recombinant human interleukin (IL)-l beta-mediated regulation of hypoxia-induciblc factor-1 alpha (HIF-1 alpha) stabilization, nuclcar translocation and activation requires an antioxidant/rcactivc oxygen spccics (ROS)-sensitive mechanism // Eur. Cytokine Nctw. — 2002. — Vol. 13. 2. — P. 250-260.
53. Kallio P.J., Wilson W.J., O’Brien S. et al. Regulation of the hypoxia-inducible transcription factor 1 alpha by the ubiquitin-protcasomc pathway // J. Biol. Chem. — 1999. — Vol. 274. 10. — P. 6519-6525.
54. Chandel N.S., McClintock D.S., Feliciano C.E. et al. Reactive oxygen spccics generated at mitochondrial complex III stabilize hypoxia-induciblc factor-lalpha during hypoxia: a mechanism of 02 sensing // J. Biol. Chcm. — 2000. — Vol. 275. 33. — P. 25130-25138.
55. Srinivas V, Leshchinsky L, Sang N. et al. Oxygen sensing and HIF-1 activation docs not require an active mitochondrial respiratory chain clectron-transfer pathway // J. Biol. Chcm. —2001. — Vol. 276. 25. — P. 21995-21998.
56. Rogers R.J., Monnier J.M., Nick H.S. Tumor necrosis factor-alpha selectively induces MnSOD expression via mitochondria-to-nucleus signaling, whereas interleukin-lbeta utilizes an alternative pathway // J. Biol. Chem. — 2001. — Vol. 276. 23. — P. 20419-20427.
57. Morel Y. and Barouki R. Down-rcgulation of Cytochrome P450 1A1 Gene Promoter by Oxidative Stress. Critical contribution of nuclear factor 1 // J. Biol. Chcm. — 1998. — Vol. 273. 41.— P. 26969-26976.
58. Martin M.E., Chinenov Y, Yu M. et al. Redox regulation of GA-binding protein-alpha DNA binding activity // J. Biol. Chcm. — 1996. — Vol. 271. 41. — P. 25617-2523.
59. Wild A.C., Moinova H.R., Mulcahy R.T. Regulation of gamma-glutamylcystcinc synthetase subunit gene expression by the transcription factor Nrf2 // J. Biol. Chcm. — 1999. — Vol. 274.
47. — P. 33627-33636.
60. Kim Y.C., Masutani H., Yamaguchi Y. et al. Hcmin-induced activation of the thiorcdoxin gene by Nrf2. A differential regulation of the antioxidant responsive element by a switch of its binding factors // J. Biol.Chcm. — 2001. — Vol. 276. 21. — P. 18399-18406.
61. Kwak M.K., Itoh K., Yamamoto M. et al. Enhanced expression of the transcription factor Nrf2 by cancer chemoprcvcntive agents: role of antioxidant response clcmcnt-likc scqucnccs in the nrf2 promoter // Mol. Cell Biol. — 2002. — Vol. 22. 9. — P. 2883-2892.
62. Nguyen T., Sherratt P.J., Huang H.C. et al. Increased protein stability as a mechanism that enhances Nrf2-mcdiatcd transcriptional activation of the antioxidant response element. Degradation of Nrf2 by the 26 S protcasomc // J. Biol. Chcm. —
2003. — Vol. 278. 7. — P. 4536-45341.
63. Huang H.C., Nguyen T., Pickett C.B. Phosphorylation of Nrf2 at Scr-40 by protein kinase C regulates antioxidant response element-mediated transcription // J. Biol. Chem. — 2002. — Vol. 277. 45. — P. 42769^*2774.
64. Sekhar K.R., Spitz D.R., Harris S. et al. Rcdox-sensitivc interaction between KIAA0132 and Nrf2 mediates indomethacin-induccd expression of gamma-glutamylcystcinc synthetase // Free Radic. Biol. Med. — 2002. — Vol. 32. 7. — P. 650-662.
65. Itoh K., Wakabayashi N.. Katoh Y. et al. Kcapl regulates both cytoplasmic-nuclear shuttling and degradation of Nrf2 in response to clcctrophilcs // Genes Cells. — 2003 Apr; 8(4):379—91.
66. Dhakshinamoorthy S., Jaiswal A.K. Small maf (MafG and MafK.) proteins negatively regulate antioxidant response element-mediated expression and antioxidant induction of the NAD(P)H:-Quinonc oxidorcductascl gene // J. Biol. Chcm. —2000. 275. 51. 40134-4014.
67. Wiesel P., Foster L.C., Pellacani A. et al. Thiorcdoxin facilitates the induction of heme oxygenase-1 in response to inflammatory mediators // J. Biol. Chcm. — 2000. — Vol. 275. 32. — P. 24840-24846.
68. Alam J., Killeen E., Gong P. et al. Heme activates the heme oxygcnasc-1 gene in renal epithelial cclls by stabilizing Nrf2 // Am. J. Physiol. Renal. Physiol. — 2003. — Vol. 284. 4 — P. F743-752.
69. Pietsch E.C., Chan J.Y., Torti F.M. et al. Nrf2 mediates the induction of ferritin H in response to xenobiotics and cancer chcmopre-vcntivc dithiolcthiones // J. Biol. Chcm. — 2003. — Vol. 278. 4. — P. 2361-2369.
70. Cairo G., Pietrangelo A. Iron regulatory proteins in pathobiology // Biochcm J. — 2000. — Vol. 352. — P. 241-250.
71. Oliveira L., Bouton C., Drapier J C. Thiorcdoxin activation of iron regulatory proteins. Redox regulation of RNA binding after exposure to nitric oxide // J. Biol. Chcm. — 1999. — Vol. 274. 1. — P. 516-521.
72. Simon H.U., Haj-Yehia A., Levi-Schaffer F. Role of rcactivc oxygen species (ROS) in apoptosis induction // Apoptosis. — 2000. — Vol. 5. 5. — P. 415-418.
73. Ueno M., Masutani H., Arai R.J. et al. Thioredoxin-dcpcndcnt redox regulation of p53-mediated p21 activation // J. Biol. Chcm. — 1999. — Vol. 274. 50. — P. 35809-35815.
74. Villunger A., Michalak E.M., Coultas L. et al. p53- and drug-induced apoptotic responses mediated by BH3-only proteins puma and noxa // Science. — 2003. — Vol. 302. 5647. — P. 1036-1038.
75. Schuler M., Bossy-Wetzel E., Goldstein J.C. et al. p53 induces apoptosis by caspasc activation through mitochondrial cytochrome c release // J. Biol. Chem. — 2000. — Vol. 275. 10. — P. 7337-7342.
76. Polyak K., Xia Y., Zweier J.L. et al. A model for p53-induccd apoptosis // Nature. — 1997. — Vol. 389. 6648. — P. 300-305.
77. Deng Y, Wu X. Peg3/Pwl promotes p53-mcdiatcd apoptosis by inducing Bax translocation from cytosol to mitochondria // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 2000. — Vol. 97. 22. — P. 12050-12055.
78. Li P.F., Dietz R., von Harsdorf R. p53 regulates mitochondrial membrane potential through reactive oxygen spccics and induces cytochrome e-independent apoptosis blocked by Bcl-2 // J. EMBO —
1999. — Vol. 18. 21. — P. 6027-6036.
79. Wagner A, Fell DA. The small world inside large metabolic networks // Proc. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. — 2001. — Vol. 268. 1478. — P. 1803-1810.
80. Степаненко И.Л. Интерференция генных сетей апоптоза и ответа на тепловой шок // Молекулярная биология. — 2001. — Т. 35. 6. — С. 1063-1071.
Reactive oxygen species regulate gene networks of stress response
I.L. Stepanenko
Institute of cytology and genetics CO RAS; Novosibirsk State University
THE SUMMARY: The GeneNet (http://wwwmgs.bionet.nsc.ru/mgs/ gnw/genenet/) accumulate information on reactive oxygen species (ROS) signals and reduction/oxidation (redox) regulation of transcription factors. Redox-regulation gene network is the adaptation to oxidative stress and integrative system of local gene networks via key transcription factors. The cross-talk of signals and the interference of gene networks occur in the integrative gene network.
KEY WORDS: databases, reactive oxygen species, inflammation, gene expression, transcription regulation, gene networks, redox regulation.
