Дипломная работа: Антипролиферативное действие карнозина и его производных на опухолевые клетки нейрального происхождения

О₂ + 1е^- + (H⁺) О₂*^- (НО₂*)

НО₂*^- + 1е^- + H⁺ Н₂О₂

Н₂О₂ + 1е^- + Н⁺ Н₂О + НО*

НО* + 1е^- + H⁺ Н₂О

В результате воздействия ионизирующего или УФ-излучения, некоторых химических соединений (ксенобиотики и др.), а также при старении и опухолевой трансформации происходит повышение внутриклеточного уровня АФК, что приводит к окислительному повреждению макромолекул (ДНК, белки, липиды), нарушению их структуры, функции и в итоге к гибели клетки. В то же время, на сегодняшний день накоплено множество данных о том, что в небольших количествах АФК играют важную роль в жизни клетки [41-44]. В независимых исследованиях было продемонстрировано участие АФК в регуляции пролиферативных процессов. Добавление O₂*^- к среде культивирования нормальных фибробластов или лимфоцитов усиливало пролиферацию клеток [45, 46]. Laurent et al. показали, что небольшие концентрации Н₂О₂ (0,02 - 0,13 мкМ) индуцируют пролиферацию нормальных мышиных фибробластов NIH 3T3, а также опухолевых клеток линий СТ26 (карцинома прямой кишки мыши) и Нера 1-6 (гепатома мыши) [28]. Сравнительный анализ образования АФК в нормальных и опухолевых клетках выявил, что уровень АФК в опухолевых клетках значительно выше по сравнению с нормальными клетками того же вида [29]. Образование АФК в нормальных клетках происходит в главным образом за счет работы НАДФН-оксидаз, в то время как основным источником АФК в опухолевых клетках являются митохондрии [28].

1.1.2 Основные представители антиоксидантной системы клетки и их роль в поддержании редокс-статуса

Концентрация внутриклеточных прооксидантов регулируется антиоксидантной системой клетки, которая включает как низкомолекулярные вещества (витамин Е, С, в-каротин, глутатион, НАДФН, пируват, тиоредоксин и др.), так и ферменты (супероксиддисмутаза, глутатионпероксидаза, каталаза, тиоредоксин пероксидаза и др.). Таким образом, в норме в клетке постоянно поддерживается равновесие между скоростью образования прооксидантов и их устранением с помощью системы антиоксидантов. Это равновесие называется окислительно-восстановительным балансом или редокс-статусом [47].

Самым распространенным низкомолекулярным антиоксидантом клетки является цистеин-содержащий трипептид - глутатион (Gly-Cys-Glu, GSH), его концентрация в цитоплазме может достигать 11 мМ [48]. Благодаря наличию чувствительной к окислению -SH группы цистеина GSH способен улавливать малейшие изменения редокс-статуса и реагировать на них. Соотношение восстановленной формы глутатиона (GSH) и окисленной (GSSH) часто используется для оценки состояния внутриклеточного окислительно-восстановительного баланса [47, 49].

Одним из основных антиоксидантных ферментов клетки является супероксиддисмутаза (СОД), катализирующая реакцию дисмутации супероксида: О₂^-* + О₂^-* O₂ + H₂O₂. Несмотря на то, что дисмутация О₂^-* происходит быстро и сама по себе, СОД делает реакцию практически молниеносной (k=2х10⁹ M^-1*s^-1) [50]. Cуществует три изоформы СОД: митохондриальная (MnСОД) [50], цитоплазматическая (CuZnСОД) [51] и внеклеточная, на поверхности клеточных мембран, (ЕС(CuZn)СОД) [52]. Поскольку митохондрии являются главным источником АФК в клетке, митохондриальная MnСОД представляется первым барьером защищающим клетку от окислительного повреждения. Несколькими независимыми лабораториями было показано, что полное ингибирование MnСОД (Sod2^-/-) у новорожденных мышей приводит к гибели животных в течение 1-18 дней после рождения и сопровождается дилатационной кардиомиопатией, усилением накопления липидов в печени и метаболическим ацитодозом [53, 54]. Ингибирование экспрессии других изоформ СОД, каталазы или глутатионпероксидазы было совместимо с жизнью. Частичное ингибирование активности MnСОД (Sod2^+/-) приводило к нарушению функционирования митохондрий и усилению их окислительного повреждения, а также увеличению риска развития опухолей [55-57]. Окислительное повреждение митохондрий и нарушение их функции, видимо, и являются причиной усиления образования митохондриальных АФК в опухолевых клетках. Пероксид водорода, образующийся в результате дисмутации О₂^-*, утилизируется в пероксисомах с помощью каталазы (H₂O₂ + H₂O₂ H₂O + O₂) [58, 59] или в цитоплазме с помощью глутатионпероксидазы (GPx) (H₂O₂ + 2GSH 2H₂O + GSSG). Причем, GPx катализирует реакцию не только с H₂O₂, но и с ROOH приводя к образованию спиртов (ROH) [60, 61].

Благодаря способности модулировать внутриклеточный уровень АФК антиоксиданты способны влиять на пролиферацию клеток. Как было отмечено выше (см. 1.1.1), в небольших количествах АФК индуцируют пролиферацию клеток. Снижение уровня Н₂О₂ за счет усиления экспрессии каталазы в эндотелиальных клетках и HER-2/Neu-трансформированных Rat-1 фибробластах приводило к ингибированию пролиферации этих клеток [62, 63]. Понижение уровня АФК под действием синтетического антиоксиданта N-ацетил-цистеина (NAC) в клетках слизистой оболочки полости рта тажке приводило к замедлению пролиферативных процессов [64, 65].

Исследование пролиферации эмбриональных мышиных фибробластов с различным уровнем экспрессии MnСОД выявило, что пролиферация клеток содержащих MnСОД (+/+) замедляется по мере увеличения плотности популяции (контактное торможение). Частичное подавление экспрессии MnСОД приводило к тому, что MnСОД (+/-) клетки были нечувствительны к контактному торможению и продолжали пролиферировать. Рост MnСОД (-/-) фибробластов был существенно замедлен. Усиление экспрессии MnСОД в MnСОД (+/-) клетках приводило к замедлению пролиферации. Ингибирование MnСОД в клетках экспрессирующих MnСОД (+/+), наоборот, приводило к усилению пролиферации. Интересно отметить, что обработка MnСОД (+/-) клеток с помощью Tiron, ловушки для O₂^-*, приводила к понижению уровня O₂^-* и замедлению пролиферации, указывая на важную роль O₂^-* в поддержании пролиферации. Замедление пролиферации также сопровождалось повышением концентрации Н₂О₂, продукта работы MnСОД [66]. Исследование посттрансляционных модификаций в молекуле MnСОД выявило различия в сайтах метилирования в пролиферирующих и покоящихся клетках. Уровень метилирования MnСОД в активно пролиферирующих клетках был ниже, чем в клетках, пролиферация которых была замедленна [27].

Опухолевые клетки часто характеризуются смещением редокс в более окисленное состояние, что происходит в результате усиления образования АФК и ослабления работы антиоксидантных ферментов [67-70]. В отличие от нормальных клеток, в которых уровень GSH снижался по мере увеличения количества клеток (т.н. контактное торможение), уровень GSH в опухолевых клеток был постоянно высоким [71]. Вероятно, поэтому опухолевые клетки были невосприимчивы к действию NAC, предшественнику GSH. Обработка клеток карциномы молочной железы с помощью NAC не приводила к восстановлению редокс и формированию G₁ блока [72]. Снижение внутриклеточного уровня GSH за счет ингибирования г-глутамилцистеинсинтетазы с помощью DL-бутионин-S,R-сульфоксимина (BSO), приводило к смещению внутриклеточного редокс-статуса в более окисленное состояние и аресту клеточной пролиферации [73].

Активность антиоксидантных ферментов в опухолевых клетках часто понижена по сравнению с нормальными клетками того же типа что, вероятно, является одной из причин активной пролиферации опухолевых клеток. Например, активность CuZnСОД и MnСОД в нормальных клетках печени мыши составляла, соответственно, 122 и 35 ед/мг, в то время как, в клетках гепатомы активность CuZnСОД падала до 40 ед/мг, а активность MnСОД вообще не определялась [74]. Повышение экспрессии MnСОД в опухолевых клетках приводило к замедлению опухолевого роста [74-76]. Сходные данные были получены для каталазы и некоторых изоформ GPx. Снижение активности ферментов приводило к повышению уровня АФК, усилению пролиферативных процессов, а также способствовало развитию опухолевой трансформации [77, 78]

Резюмируя вышесказанное, важно отметить следующее: в клетке постоянно поддерживается баланс между про- и антиоксидантами. Наиболее распространенными прооксидантами являются АФК, к которым относятся: О₂*^-, Н₂О₂, НО*, ROO* и др. Основные регуляторы уровня внутриклеточных прооксидантов - антиоксиданты MnСОД, каталаза и GSH. Повышение уровня АФК приводит к гибели клетки, однако в небольших количествах АФК способны индуцировать пролиферативные процессы. Быстро делящиеся опухолевые клетки часто характеризуются повышенным уровнем АФК и пониженной активностью антиоксидантной системы, что возможно является одной из причин их активной пролиферации. Повышение антиоксидантной активности и понижение уровня АФК приводят к замедлению пролиферативных процессов, это открывает возможность контролировать пролиферацию опухолевых с помощью антиоксидантов.

РАЗДЕЛ 1.2 Редокс-регуляция клеточной пролиферации

Для того чтобы понять, механизм редокс-регуляции пролиферации, необходимо вспомнить - что такое пролиферация. Пролиферация - это процесс увеличения количества клеток, определяющийся соотношением скоростей деления клеток и их гибели. Гибель клеток может происходить как в результате повреждения целостности клетки (некроз), так и путем активации внутриклеточных программ (апоптоз). Деление клетки строго регулируется как внутренними программами, так и внешними факторами (факторы роста, цитокины и др.), воздействующими на внутренние программы. Каждому делению предшествует комплекс последовательных внутриклеточных изменений, т.н. клеточный цикл, основная цель которого - удвоение содержимого клетки и его равномерное распределение между двумя дочерними клетками при делении.

1.2.1 Клеточный цикл и его регуляция

Клеточный цикл представляет собой высокоорганизованную и строго регулируемую последовательность переходов от G₁ фазы к S, к G₂ и митозу (М). Переход от одной фазы к другой регулируется последовательной экспрессией белков циклинов и активацией циклин-зависимых киназ (cyclin dependent kinase, CDK). CDK представляют собой серин/треоининовые протеинкиназы, которые активируются при соединении с циклинами и запускают события клеточного цикла, путем фосфорилирования соответствующих остатков в белках-мишенях [79]. На Рис. 1.1. представлены основные циклин/CDK комплексы позвоночных, специфичные для той или иной фазы клеточного цикла. Уровень циклинов меняется по мере прогрессии клеточного цикла, приводя к колебаниям активности CDK (См. Рис. 1.1). Помимо циклинов активность CDK комплексов регулируется с помощью CDK-активирующей киназы (CDK-activating kinase, CAK), ингибиторов CDK (cyclin-dependent kinase inhibitor protein, CKI), а также протеолитическими процессами (убиквитинирование) [80, 81].

Для полной активации комплекса циклин/CDK необходимо фосфорилирование CDK по Thr161 (CDK1), Thr160 (CDK2) или Thr172/177 (CDK4/6), которое осуществляется в ядре с помощью CAK [83-85]. САК состоит из трех субъединиц: CDK7, циклин H и белка Mat1, который активирует комплекс циклин H/CDK7. Связывание с циклином приводит к конформационным изменениям в CDK, которые делают возможным фосфорилирование CDK с помощью CAK [86]. Активность CAK-киназы постоянна на протяжении всего клеточного цикла [87].

Рисунок 1.1. Основные фазо-специфические комплексы циклинов с циклин-зависимыми киназами у позвоночных. Из [82], с изменениями. См. пояснения в тексте.

На сегодняшний день насчитывается два семейства CKI: INK4 и Cip/Kip. Семейство INK4 включает белки р15, р16, р18 и р19, которые специфически связываются с CDK4/6, препятствуя образованию комплекса с циклином D [88, 89]. Увеличение уровня белка р16 часто наблюдается в стареющих клетках и сопровождается снижением пролиферативных способностей [90]. Белки р21, р27 и р57, относящиеся к Cip/Kip семейству, связываются с CDK2 и контролируют прогрессию через S фазу [91]. Ингибирование CKI часто приводит к нарушению контроля пролиферации и опухолевой трансформации [92-94].

Важную роль в регуляции протеолитических процессов во время клеточного цикла играет Комплекс стимулирующий анафазу (Anaphase promoting complex, АРС), который представляет собой убиквитин-лигазу, фермент катализирующий реакцию присоединения множественных копий белка убиквитина к боковым цепям лизина в молекуле белка-мишени [95, 96]. Полиубиквитинированние часто является сигналом к деградации белка, которое происходит в 26S протеасоме [97]. АРС присутствует в клетке на протяжении всего цикла, однако активность комплекса варьирует. АРС активируется в середине митоза, а ингибирование АРС происходит в конце G₁ фазы [98, 99].

Некоторые химические соединения, ионизирующее и УФ излучение, ингибиторы репликации ДНК, а также ошибки при репликации или репарации ДНК приводят к нарушению структуры ДНК и остановке клеточного цикла. Главную роль в этом процессе играют 2 серин/треониновые протеин киназы - АТМ (ataxia telangiectasia mutated) и ATR (ATM-Rad3-related protein). АТМ активируется в ответ на появление двуцепочечных разрывов ДНК, образующиеся под воздействием ионизирующего облучения. ATR активирует под действием УФ-облучения или при нарушениях репликации ДНК. ATM и ATR прикрепляются к сайту повреждения ДНК и фосфорилируют различные белки, в том числе Chk1 и Chk2, которые приводят к остановке клеточного цикла в G₁ фазе, препятствуя удвоению ДНК, или в G₂ фазе, блокируя вход в митоз [100-103].

Инициация пролиферации. Сигнальные молекулы, стимулирующие деление клетки, называются митогенами. К наиболее распространенным митогенам относятся факторы роста (ФР; эпидермальный ФР (EGF), ФР фибробластов (FGF), ФР тромбоцитов (PDGF), инсулиноподобный фактор роста (IGF) и др.). Факторы роста связываются со специфическими рецепторами на поверхности клетки, приводя к их активации. Активированные рецепторы индуцируют внутриклеточные сигнальные каскады митоген-активируемых протеинкиназ (mitogen-activated protein kinases, МАРК). Существует 4 вида МАРК: ERK1/2, JNK, p38 и ERK5. Каскад ERK1/2 активируется в ответ на пролиферативные стимулы, например взаимодействие ФР с рецептором на поверхности мембраны. Каскады JNK, p38 и ERK5 активируются в основном при стрессе. ERK1/2 представляют собой консервативные серин/треониновые протеинкиназы, способные фосфорилировать различные белки-мишени в цитопламе, мембранах и ядре, и, таким образом, регулировать большое разнообразие внутриклеточных процессов [104, 105]. Показано, что активация ERK1/2 необходима для пролиферации клеток. Активированные ERK1/2 киназы принимают участие в синтезе пиримидинов, ремоделировании хроматина, синтезе новых рибосом, активации факторов трансляции и транскрипции, а также в регуляции G₁/S и G₂/M переходов между фазами клеточного цикла. Ингибирование ERK1/2 приводило к остановке пролиферации и накоплению клеток в одной из фаз клеточного цикла. Финальным шагом ERK1/2 киназ является активация факторов транскрипции (Myc, Elk-1, Sap-1, TIF-IA, и др.), которые индуцируют экспрессию генов, запускающих события клеточного цикла [106-109].