CC BY
1439
© КОЛПАКОВА А.Ф., ШАРИПОВ Р.Н., ЛАТЫШЕВА Е.Н., КОЛПАКОВ Ф.А.
ТРАНСКРИПЦИОННЫЙ ФАКТОР NF-kB ИГРАЕТ КЛЮЧЕВУЮ РОЛЬ В РЕГУЛЯЦИИ ГЕНОВ, УЧАСТВУЮЩИХ В ВОСПАЛИТЕЛЬНЫХ И ИММУННЫХ РЕАКЦИЯХ
А.Ф. Колпакова, Р.Н. Шарипов, Е.Н. Латышева, Ф.А. Колпаков Красноярский государственный медицинский университет им. проф. В.Ф.
Войно-Ясенецкого, ректор - д. м. н., проф.И.П. Артюхов; Институт системной биологии, директор - Ф.А. Колпаков, г. Новосибирск;
Конструкторско-технологический институт вычислительной техники СО РАН, директор - к.т.н. А.С. Зензин, г. Новосибирск.
Резюме. В результате анализа данных собственных исследований, литературных источников и баз данных TRANSPATH, GeneNet, GeneOntology, EMBL, GeneBank, BMOND с использованием авторской компьютерной программы BioUML (http://www.biouml.org) выполнено формализованное описание роли транскрипционного ядерного фактора -kB (NF-kB) в патогенезе воспалительных и иммунных реакций.
Ключевые слова: NF-kB, формализованное описание, патогенез,
хронические неинфекционные заболевания.
Колпакова Алла Федоровна - д.м.н., проф. кафедры поликлинической терапии и семейной медицины с курсом ПО КрасГМУ; e-mail: [email protected], тел. 8 (391)2023703.
Колпаков Федор Анатольевич - зав. лабораторией биоинформатики Конструкторско-технологический институт вычислительной техники. Научно-исследовательское учреждение СО РАН, Новосибирск; e-mail: [email protected], тел. (383)3303070.
Шарипов Руслан Нильевич - научный сотрудник лаборатории биоинформатики Конструкторско-технологический институт
вычислительной техники. Научно-исследовательское учреждение СО РАН, г. Новосибирск; e-mail: [email protected], тел. (383)3303070.
Хронические неинфекционные заболевания являются одной из основных причин временной нетрудоспособности, инвалидности и смертности населения. Несмотря на многочисленные исследования, в том числе и на молекулярном уровне, этиология и патогенез этих заболеваний недостаточно изучены, а поэтому их терапия мало эффективна. Чтобы понять патогенез воспалительного процесса на молекулярном уровне и разрабатывать новые противовоспалительные препараты нужно знать сигнальные трансдукционные пути и генные регуляторные механизмы, приводящие к экспрессии воспалительных генов.
С помощью авторской компьютерной программы BioUML: visual modeling, automated code generation and simulation of biological systems для визуального моделирования и оптимизации биологических систем [16] выполнено формализованное описание роли транскрипционного ядерного фактора NF-кВ в патогенезе воспалительных реакций. Использованы результаты собственных исследований, литературных источников и базы данных TRANSPATH, GeneNet, GeneOntology, EMBL, GeneBank, BMOND.
Транскрипционный ядерный фактор (NF)- kB представляет семейство транскрипционных факторов, играющих ведущую роль в патогенезе многих хронических воспалительных процессов, в частности при бронхиальной астме. NF-kB регулирует гены, участвующие в иммунной и воспалительной реакциях. NF-kB регулирует многие гены, участвующие в кодировании цитокинов (IL-1, Il-2, IL-6, IL-12, фактора некроза опухоли - TNF-a, GM-CSF), хемокинов (IL-8, MIP1, RANTES и эотоксин), белков острой фазы, молекулы адгезии, индуцибельных эффекторов ферментов (например, iNOS ,
COX-2). NF-kB является центральным звеном иммунных реакций через возможность активации генов, кодирующих регуляторы апоптоза и клеточной пролиферации [1-4, 9, 15].
NF-kB является гетеродимерическим комплексом, состоящим из 2 субъединиц. В состав семейства входят 5 гомологов: p50 (и его
предшественник р105), p52 (и его предшественник р100), p65(RelA), c-Rel и RelB (рис. 1). Все эти белки имеют в своем составе Rel домен - высоко консервативную N-концевую последовательность из 300 аминокислот, -который необходим для димеризации, связывания с ДНК и ассоциации с белками семейства IkB - цитоплазматическим ингибитором NF-kB [7, 9].
Гомодимеры р50 и р52 играют роль репрессоров генной экспрессии, тогда как р65, с-Rel и RelB в любых сочетаниях в том числе и с р50 и р52 играют роль активаторов транскрипции. Помимо Rel домена данные белки имеют специальные NLS (nuclear localizing signal) последовательности, которые необходимы для транспорта данных белков в ядро из цитоплазмы. В отсутствие стимулов NF-kB находится в цитоплазме в неактивном виде, будучи в комплексе с белками семейства IkB [3, 9, 24]. Семейство IkB
насчитывает 6 отдельных белков: 1кВ-а, 1кВ-в, IkB-y (С-концевой домен белка р100 семейства Rel), IkB-5 (С-концевой домен белка р105 семейства Rel), IkB-s и Bcl-3. Все члены данного семейства содержат в своей последовательности анкириновый повтор, который позволяет им связываться с NF-kB и обеспечивать его цитоплазматическую локализацию [12, 21]. IkB белки являются мишенями для разнообразных сигнальных путей, активируемых внутри- и внеклеточными стимулами (цитокины, вирусы, оксиданты, факторы роста)[5, 6, 9, 10, 24].
В покоящейся клетке NF-kB накапливается и сохраняется в неактивном состоянии ингибирующим протеином IkB. В результате действия различных провоспалительных стимулов, например, IL-1, фактора некроза опухоли
запускаются пути сигнальной трансдукции, что немедленно приводит к активации специфической IkB киназы - IKK. IkBs являются также членами
генной семьи (IkBa, IkBß, IkBG, IkBy). Активация IKK комплекса и последующая деградация IkB приводит к освобождению NF-kB. Освобожденный NF-kB перемещается в ядро и связывается с k-B-сайтами внутри промоторов соответствующих генов для активации их транскрипции [7, 9, 24].
G. Haegeman [13] предлагает следующую модель индукции воспалительного гена, включающую двойные сигнальные пути. С одной стороны, транскрипционный фактор NF-kB освобождается от ингибирующей его молекулы и способен связаться с различными промоторами воспалительных генов. С другой стороны, происходит активация путей митоген активирующей протеин киназы (MAPK), что приводит к фосфорилированию р65 - субъединицы NF-kB через митоген и стресс-активирующую протеин киназу (MSK 1). MSK 1, будучи рекрутированной в регионы воспалительных промотров, фосфорилирует хроматиновые хвосты, способствует релаксации местного хроматина и облегчает генную транскрипцию.
Многочисленные стимулы (рис. 2), которые активируют NF-kB (цитокины, липосахариды, гипоксия, некоторые микроорганизмы: сальмонеллы, ши-геллы, листерии, Helicobacter, E. coli) увеличивают уровень внутриклеточных активных форм кислорода [5, 18].
Активность NF-kB может быть скорректирована рядом различных классов веществ-ингибиторов, действие которых нацелено либо на пути, активирующие NF-kB, либо на его непосредственное блокирование (рис.3). В экспериментах показано, что N-ацетил-Ь-цистеин (NAC), дитиокарбаматы, производные витамина Е, глютатионпероксидаза могут тормозить активность NF-kB при воспалении [30]. Установлено, что салицилаты [28] и глюкокортикоиды могут ингибировать активность NF-kB [8, 22].
Ацетилсалициловая кислота (АСК) проявляет свое противоспалительное действие через ингибирование активности циклооксигеназы (СОХ) и продукции простагландинов (PG). Известны две изоформы СОХ. СОХ-1 конститутативно экспрессируется в большинстве тканей. СОХ-2 в основном
индуцируется митогенами, цитокинами и бактериальными продуктами. Ацетилсалициловая кислота ингибирует СОХ-1 активность при ацетилировании. Однако механизм действия не совсем ясен. Так, дозы АСК, используемые при лечении хронических воспалительных заболеваний, значительно выше тех, которые ингибируют синтез PG. Оказалось, что есть другой механизм: салицилаты ингибируют активность NF-kB. Салицилаты связывают и блокируют АТФ связывающие сайты IKK. Экспрессия СОХ-2 кодируемого гена, связанного с выработкой большого количества PG в местах воспаления траскрипционно регулируется NF-kB. Снижение уровня PG при лечении высокими концентрациями аспирина может быть обусловлено уменьшением экспрессии СОХ-2 при дополнительной инактивации СОХ-1 изоформы. Возможность ингибирования салицилатами NF-kB активности и экспрессии кВ-зависмого гена доказана экспериментально на разных видах клеток - синовиальных фибробластах и легочном эпителии. Торможение активности NF-kB при лечении аспирином предупреждает продукцию IL-12 и IL-10, но влияет на клеточно опосредованную контактную гиперчувствительность in vivo. Торможение NF-kB аспирином предотвращает продукцию IL-12 в моноцитах человека, блокирует развитие Th1 субпопопуляцию в Т-клетках [29]. Другие нестероидные противоспалительные препараты, например, ибупрофен тормозит активность NF-kB в Т-клетках так же как экспрессию СОХ-2 и продукцию PGE2 в макрофагах. Сулиндак снижает активность IKKP киназы и активацию NF-kB [27]. Напроксен и зилеутон не влияют на активность NF-kB. Терапевтический эффект кортикостероидов связывают с их взаимодействием с ядерными рецепторами, при котором увеличивается экспрессия IKBa, в результате NF-kB остается неактивным в цитоплазме [7, 22]. Внутривенное введение гидрокортизона здоровому человеку увеличивает уровень IKBa и уменьшает транслокацию NF-kB в ядра периферических моноцитов [6].
Тормозить активность NF-kB могут и природные вещества (рис.3) -различные полифенолы, выделенные из сырья растительного
происхождения: полифенолы зеленого чая и полифенол красного вина ресвератрол (блокируют IKK киназу in vitro) [18]; сесквитерпен лактон партенолид (PAR) из лекарственных трав (ингибитор транслокации NF-kB и деградации 1кВ-а) [28] куркумин (желтый пигмент куркумы - индуктор апоптоза в ряде раковых клеток) [30] и капсацин (жгучий компонент красного перца) [25].
Другим классом веществ, тормозящих активность NF-kB, являются
ингибиторы протеасомы 26S, которая осуществляет деградацию IkB и освобождение NF-kB из комплекса. На данный момент применяются лактацистин, PSI, MG132, N-a-P-тозил-Ь-лизин хлорометилкетон (TLCK) и N-тозил-фенилаланин хлорометилкетон (TPCK). Особенно интенсивно ведутся исследования бортезомиба (ранее известного как PS-341), в связи с положительными эффектами в лечении миелоидных опухолей [19].
Разрабатываются и другие препараты (антисенс-олигодезоксинуклеотиды)
- потенциально важные подавители экспрессии генов NF-kB, способные специфически выключать различные гены или блокировать активные молекулы активирующего фактора, непосредственно взаимодействуя с ним в роли обманки [14,17, 20].
Проникающие синтетические пептиды - это искусственные пептидные конструкции, несущие NLS последовательность NF-kB, а также последовательности различных факторов роста, необходимые для свободного проникновения в клетку. Задача таких пептидов - нарушать белок-белковые взаимодействия, критичные для активации и выполнения функции NF-kB, например, для транслокации его в ядро. Так были созданы пептиды SN50 и NLS, однако, несмотря на их неплохую эффективность, ввиду слабой специфичности к мишени и блокирования других транксрипционных факторов (STAT, AP-1 и NFAT), широкое распространение они не получили [26].
Роль данного транскрипционного фактора в развитии большого ряда социально значимых заболеваний велика, и с каждым годом неуклонно
растет параллельно с увеличением наших знаний о КР-кВ. Несмотря на большое количество различных эффективных ингибиторов КР-кВ, не все они могут быть использованы для лечения заболеваний в силу наличия у них нежелательных побочных реакций. Анализ литературных данных позволяет заключить, что создание эффективных и безопасных ингибиторов -регуляторов активности КР-кВ - является одной из приоритетных задач фармакотерапии. Возможность контролировать или тормозить его активность локально способствует созданию новых классов лекарственных препаратов [7, 11, 23].
£±
Рис.1. Разнообразие форм ЫГ-кБ у человека (1 - неактивные мономеры, пунктирные стрелки - непрямое отношение между объектами).
активирующие стимулы (липополисахариды, цитокины, и др.)
/
Рис. 2. Схема пути активации ЫГ-кБ и влияние на него тяжелых металлов и активных форм кислорода по О’ЛсдшзШ а!., 2002.
Рис. 3. Схема действия различных классов природных и синтетических ингибиторов на критические точки ЫГ-кБ активирующего пути.
Литература
1. Baldwin A.S. Jr. Series introduction: the transcription factor NF-kappaB and human diseases // J. Clin. Invest. - 2001. - Vol. 107, № 1. - P. 3-6.
2. Barnes P.J., Karin M. Nuclear factor-kappaB: a pivotal transcription factor in chronic inflammatory diseases // N. Engl. J. Med. - 1997. - Vol. 336, № 15. - P. 1066-1071.
3. Beinke S., Ley S.C. Functions of NF-kappaB1 and NF-kappaB2 in immune cell biology // Biochem. J. - 2004. - Vol. 382. - P. 393-409.
4. Chen F., Castranova V., Shi X. New insights into the role of nuclear factor-kappaB in cell growth regulation // Am. J. Pathol. - 2001. - Vol. 159. - P. 387-397.
5. Chen L.W., Egan L., Li Z.W., et al. The two faces of IKK and NF-kappaB inhibition: prevention of systemic inflammation but increased local injury following intestinal ischemia-reperfusion // Nat. Med. - 2003. - Vol. 9. - № 5. - P. 575-581.
6. D'Acquisto F., May M.J., Ghosh S. Inhibition of Nuclear Factor Kappa B (NF-B): An Emerging Theme in Anti-Inflammatory Therapies // Mol. Intervent. - 2002. - Vol. 2, № 1. - P. 22-35.
7. de Boer W.I., Alagappan V.K., Sharma H.S. Molecular mechanisms in chronic obstructive pulmonary disease: potential targets for therapy // Cell Biochem. Biophys. - 2007. - Vol. 47, №1. - P. 131-148.
8. Doucas V., Shi Y., Miyamoto S., et al. Cytoplasmic catalytic subunit of protein kinase A mediates cross-repression by NF-kappa B and the glucocorticoid receptor // Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. - 2000. - Vol. 97, № 22. - P. 11893-11898.
9. Ghosh S., May M.J., Kopp E.B. NF-kappaB and Rel proteins: evolutionarily conserved mediators of immune responses // Ann. Rev. Immunol. - 1998. - Vol.16. - P. 225-260.
10. Guttridge D.C., Albanese C., Reuther J.Y., et al. NF-kappaB controls cell growth and differentiation through transcriptional regulation of cyclin D1 // Mol. Cell. Biol. - 1999. - Vol. 19. - P. 5785-5799.
11. Higuchi Y, Kawakami S, Hashida M. Development of cell-selective targeting systems of NFkappaB decoy for inflammation therapy//Yakugaku Zasshi. - 2008. - Vol.128, №2. - P.209-218.
12. Hayakawa M., Miyashita H., Sakamoto I., et al. Evidence that reactive oxygen species do not mediate NF-kappaB activation // EMBO J. 2003. - Vol. 22, № 13. - P. 3356-3366.
13. Haegeman, G. Inhibition of signal transduction pathways involved in inflammation // Eur. Respir. J. - 2003. - Vol.. 44. - P.16-19
14. Horie R., Watanabe T., Umezawa K. Blocking NF-kappaB as a potential strategy to treat adult T-cell leukemia/lymphoma // Drug News Perspect. - 2006. - Vol. 19, № 4. - P. 201-209.
15. Karin M., Greten F.R. NF-kappaB: linking inflammation and immunity to cancer development and progression // Nat. Rev. Immunol.
2005. - Vol. 5, № 10. - P. 749-759.
16. Kolpakov F., Puzanov M., Koshukov A. BioUML: visual modeling, automated code generation and simulation of biological systems // Proceedings of The Fifth International Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure. - Novosibirsk, Russia. - 2006. - Vol. 3.
- P. 281-285.
17. Lim F.L., Hayes A., West A.G., et al. Mcm1p-induced DNA bending regulates the formation of ternary transcription factor complexes // Mol. Cell. Biol. 2003. - Vol. 23, № 2. - P. 450-461.
18. Nomura M., Ma W., Chen N., et al. Inhibition of 12-O-tetradecanoylphorbol-13-acetate-induced NF-kappaB activation by tea polyphenols, (-)-epigallocatechin gallate and theaflavins // Carcinogenesis. 2000. - Vol. 21, № 10. - P. 1885-1890.
19. Olivier S., Robe P., Bours V. Can NF-kappaB be a target for novel and efficient anti-cancer agents? // Biochem. Pharmacol. - 2006. - Vol. 72. № 9. - P. 1054-1068.
20. Park G. Y., Christman J.W. Nuclear factor kappa B is a promising therapeutic target in inflammatory lung disease // Curr. Drug Targets. -
2006. - Vol. 7, № 6. - P. 661-668.
21. Ray P., Zhang D.H., Elias J.A., et al. Cloning of a differentially expressed I kappa B-related protein // J. Biol. Chem. 1995. - Vol.270. №
18. - P. 10680-10685.
22. Saklatvala J. Glucocorticoids: do we know how they work? // Arthritis Res. - 2002. - Vol. 4, № 3. - P. 146-150.
23. Roth M., Black JL. Transcription factors in asthma: are transcription factors a new target for asthma therapy? // Curr. Drug Targets. - 2006. -Vol. 7, № 5. - P. 589-595.
24. Solan N.J., Miyoshi H., Carmona E.M., et al. RelB cellular regulation and transcriptional activity are regulated by p100 // J. Biol. Chem. - 2002. -Vol. 277, № 2. - P. 1405-1418.
25. Surh Y.J., Han S.S., Keum Y.S., et al. Inhibitory effects of curcumin and capsaicin on phorbol ester-induced activation of eukaryotic transcription factors, NF-kappaB and AP-1 // Biofactors. - 2000. - Vol. 12.
- P. 107-112.
26. Torgerson T.R., Colosia A.D., Donahue J.P., et al. Regulation of NF-kappa B, AP-1, NFAT, and STAT1 nuclear import in T lymphocytes by noninvasive delivery of peptide carrying the nuclear localization sequence of NF-kappa B p50 // J. Immunol. - 1998. - Vol. 161, № 11. - P. 60846092.
27. Yamamoto Y., Yin M.J., Lin K.M., et al. Sulindac inhibits activation of the NF-kappaB pathway // J. Biol. Chem. - 1999. - Vol. 274, № 38. - P. 27307-27314.
28. Yip K.H., Zheng M.H., Feng H.T., et al. Sesquiterpene lactone parthenolide blocks lipopolysaccharide-induced osteolysis through the suppression of NF-kappaB activity // J. Bone Miner. Res. - 2004. - Vol. 19. № 11. - P. 1905-1916.
29. Yoo C.G., Lee S., Lee C.T., et al. Effect of acetylsalicylic acid on endogenous I kappa B kinase activity in lung epithelial cells // Am. J. Physiol. Lung. Cell. Mol. Physiol. - 2001. - Vol. 280, № 1. - P. 3-9.
30. Zheng M., Ekmekcioglu S., Walch E.T., et al. Inhibition of nuclear factor-kappaB and nitric oxide by curcumin induces G2/M cell cycle arrest and apoptosis in human melanoma cells // Melanoma Res. - 2004. - Vol.
14, № 3. - P. 165-171.
