CC BY
69
УДК 616.127:616-001.16
И.В. Бабушкина, A.A. Рунович, Г.Б. Боровский, В.К. Войников, Т.Е. Курильская, Ю.И. Пивоваров, Б.К. Бадуев, A.C. Сергеева
ЭНДОГЕННАЯ ЗАЩИТА МИОКАРДА: РОЛЬ БЕЛКОВ ТЕПЛОВОГО ШОКА В МЕХАНИЗМАХ ПРЕКОНДИЦИОНИРОВАНИЯ
НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН (Иркутск) СИФИБР СО РАН (Иркутск)
Рассматриваются возможные механизмы прекондиционной защиты сердца, роль белков теплового шока в ее формировании. Обсуждается, использование феномена метаболической адаптации. Ключевые слова: прекондиционирование, белки теплового шока
ENDOGENOUS PROTECTION OF MYOCARDIUM: ROLE OF HEAT SHOCK PROTEINS IN MECHANISMS OF PRECONDITIONING (REVIEW)
I.V. Babushkina, A.A. Runovich, G.B. Borovskiy, V.K. Voynikov, T.E. Kurilskaya, Yu.I. Pivovarov, B.K. Baduyev, A.S. Sergeyeva
SC RRS ESSC SB RAMS, Irkutsk Siberian Institute of Physiology and Biology of Plants SB RAS, Irkutsk
The authors consider the possible mechanisms of preconditional protection of the heart, and role of heat shock proteins in its formation. The use of metabolic adaptation phenomenon is discussed. Key words: preconditioning, heat shock proteins
Открытие таких ишемических синдромов как «гибернация», «оглушенность» и метаболическая адаптация миокарда («прекондиционирование») привело к разработке качественно новых подходов в современной клинической практике [22]. Впервые «прекондиционирование» было описано Миггу е! а1. как повышение резистентности миокарда к ишемическому воздействию в результате повторяющихся кратковременных эпизодов сублетальной ишемии, чередующихся с периодами реперфузии [21]. Выделяют два периода прерывистой ишемии: ранний (классическое прекондиционирование) и поздний, получивший название «второго окна защиты». Ранний — защищает миокард в интервале от нескольких минут до 2-х часов. Поздний — развивается через 12 — 24 часа после адаптационного воздействия и длится до 72 часов [26]. В литературе также распространены следующие названия этого феномена «феномен адаптации к ишемии» [6, 7], «феномен прерывистой ишемии» [4, 14], «феномен ишемичес-кой предпосылки» [5] или «аутоиндуцированная толерантность миокарда к ишемии» [8]. Фундаментальные исследования, проведенные в последние годы, показали, что метаболическая адаптация является наиболее эффективным из известных способов защиты клеток от ишемического повреждения. В связи с чем, раскрытие механизмов «аутоиндуцированной толерантности миокарда к ишемии» имеет большое клиническое значение. Целью данного обзора был анализ современных литературных данных, рассматривающих этот феномен.
ПРЕДПОЛАГАЕМЫЕ МЕХАНИЗМЫ МЕТАБОЛИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ МИОКАРДА
В последние годы достигнут значительный прогресс в изучении феномена прекондиционирова-ния, однако процессы, лежащие в основе ишеми-ческой метаболической адаптации, остаются не до конца понятыми.
Существуют несколько гипотез, объясняющих феномен прекондиционирования. Эффект целого ряда индукторов, таких как аденозин, опи-оиды, норадреналин, ацетилхолин и брадикинин, опосредуется через активацию рецепторов, регулируемых С белком (С1), чувствительным к коклюшному токсину [17]. Так, действие катехолами-нов опосредуется через стимуляцию а1-адренер-гических рецепторов, а ацетилхолина — через его действие на мускариновые рецепторы М2 [15]. Аденозин стимулирует активацию аденозиновых А1 рецепторов, которая, по мнению ряда авторов, является одним из пусковых элементов реакции адаптации [23]. В свою очередь, активация этих рецепторов, сопряженных с И белком, различными лигандами запускает каскад киназных реакций, центральное место в которых занимает про-теинкиназа С (ПКС) [17]. Конечным итогом процессов передачи сигнала является фосфорилиро-вание и активация одного или нескольких конечных эффекторов. Имеются данные о том, что одними из этих эффекторов являются АТФ-зави-симые калиевые каналы [18, 20]. Открытие АТФ-зависимых К + -каналов уменьшает вход Са++, что приводит к снижению сократительной спо-
собности кардиомиоцитов, уменьшению потребления клетками энергии и расхода АТФ [15]. Кроме того, показана роль АТФ-зависимых К + -каналов в формировании механизма так называемого дистанционного прекондиционирования, когда кратковременная региональная ишемия ткани на известном расстоянии от органа мишени способна обеспечить его защиту, сходную по эффективности с локальным ишемическим прекондици-онированием [24].
Ацетилхолин и брадикинин, как было показано, запускают прекондиционное состояние по одному механизму, который включает открытие АТФ-зависимых К + -каналов и продукцию активных форм кислорода (АФК). Способность бради-кинина запускать генерацию АФК в кардиомио-цитах зависит от фосфатидилинозитол 3-киназы, как и в случае для ацетилхолина. Последние исследования показали, что для того, чтобы запустить продукцию АФК как для ацетилхолина, так и для брадикинина требуется активация протеинкина-зы B, которая имеет целый ряд фосфориляцион-ных мишеней в каскаде реакций, включая эндоте-лиальную синтазу оксида азота [16]. Таким образом, действие ацетилхолина также связано с активацией выработки NO эндотелием, что в свою очередь стимулирует растворимую гуанилатцик-лазу в кардиомиоцитах и существенно повышает в них уровень циклического гуанилатмонофосфа-та. Последний вызывает вазодилатацию за счет открытия К + -каналов и одновременной блокады входа Са++ через кальциевые каналы [15].
Любопытно, что аденозин, четвертый Gi-сцеп-ленный рецептор, отклоняется от этой общей схемы и обходит как открытие АТР-зависимых калиевых каналов, так и продукцию АФК в его триг-герном пути [16]. Также существует мнение, что главной причиной развития аутоиндуцированной толерантности к ишемии является снижение метаболической активности миокарда, проявляющееся в виде снижения скорости распада АТФ, ослабления гликогенолиза [8].
Все возможные механизмы, перечисленные выше, вносят свой вклад в развитие раннего периода ишемического прекондиционирования. Проявление эффекта «второго окна защиты» связано, в том числе, с усилением экспрессии генов белков теплового шока семейства HSP (heat shock protein).
ФУНКЦИИ БЕЛКОВ ТЕПЛОВОГО ШОКА
Своим названием белки теплового шока обязаны тому случайному обстоятельству, что впервые они были обнаружены в клетках, подвергнутых острому тепловому воздействию. Далее было показано, что синтез HSP увеличивается при разных ситуациях и воздействиях. Поэтому более компромиссным обозначением для этих белков является название «стресс-белки» [9].
HSP отличаются по специфике связывания и клеточной локализации. Большое количество HSP изменяет клеточное распределение в ответ на
стресс. Н8Р60 считался до недавнего времени ми-тохондриальным белком, но он также обнаружен в цитозоле и от 25 до 30 % суммарного Н8Р60 имеет цитозольную локализацию в сердце и мускульных клетках в норме. Н8Р имеют сложную роль в апоптозе, но главенствующая роль это антиапоп-тотическая. Объединяющая особенность их анти-апоптотической роли это ингибирование протео-литического созревания и/или активности каспаз, и расщепление их мишеней-субстратов. Сверхэкспрессия Н8Р27 и Н8Р72 предотвращает апоптоз, сверхэкспрессия Н8Р90 не всегда защищает от апоптоза, а в ряде случаев даже ускоряет его.
Снижение содержания Н8Р60 ускоряет апоптоз, но в то же время Н8Р60 ускоряет активацию каспазы 3 при апоптозе. Таким образом, роль Н8Р60 в апоптозе может быть как про-, так и анти-апоптотической, что возможно, зависит от клеточного типа и стимула, вызывающего апоптоз [19].
Наиболее изученным на сегодняшний день является семейство белков теплового шока с молекулярной массой 70 кДа — Н8Р70. Несмотря на то, что исторически индукция синтеза Н8Р была обнаружена в условиях стресса, белки этой группы играют существенную роль и в нормальных условиях, отвечая за: 1) образование третичной и четвертичной структур некоторых вновь синтезированных белков; 2) транслокацию белков через мембраны различных органелл клеток; 3) разборку олигомерных белковых комплексов; 4) регуляцию протеолиза нестабильных белков; 5) контроль биологической активности регуляторных белков, в том числе, транскрипционных факторов (рис. 1).
Все эти функции определяются АТФ/АДФ регулируемым связыванием Н8Р70 с короткими гидрофобными участками на молекуле субстрата,
Мммшньц'мя
Рис. 1. Функции шаперонов в клетке [13].
предотвращая тем самым дальнейшую сборку или агрегацию, закрывая этот участок. В процессе связывания/высвобождения из комплекса с белком участвуют белки-«помощники»: HSP40, Хип и Хоп. Функция связывания с внутриклеточными белками и оказания им помощи в достижении функциональной конформации получила название «ша-перонной», а белки, участвующие в этих процессах, отнесены к классу «молекулярных шаперо-нов» (фр. chaperon — компаньонка) [2, 3].
В условиях стресса общий биосинтез белка снижается, а синтез HSP70 резко увеличивается. При этом большинство HSP70 находится в ядре среди поврежденных в результате стресса прери-босом. Постепенно содержание HSP70 в ядре уменьшается, а в цитоплазме увеличивается. К этому времени поврежденная структура прерибосом восстанавливается, а общий биосинтез достигает исходного дострессорного уровня. В более позднюю фазу после стресса HSP70 накапливаются в цитоплазме (рис. 2) [25].
Известно, что характерным клеточным проявлением стресса является агрегация и накопление денатурированных белков, активация свободнора-дикальных процессов и кальциевая перегрузка. Как оказалось, HSP70 могут ограничивать эти сдвиги, дизагрегируя аномальные белковые агрегаты, участвуя в деградации необратимо поврежденных белков, повышая мощность антиоксидан-тных ферментов и ограничивая повреждающие эффекты кальциевой перегрузки за счет связывания рецептора кальция — кальмодулина. Наконец недавно стали появляться данные еще об одном механизме защитного действия HSP70 — блокаде гиперпродукции оксида азота (NO). Значимость этого эффекта HSP70 определяется тем, что гиперпродукция NO играет ключевую роль в развитии многих патологических состояний, таких как вос-
паление, гипотензия, ишемические повреждения органов и т.д.
РОЛЬ БЕЛКОВ ТЕПЛОВОГО ШОКА В ПРЕКОНДИЦИОННОЙ ЗАЩИТЕ СЕРДЦА
Развитие ишемического повреждения сердца связано с активацией свободнорадикальных процессов, кальциевой перегрузкой, денатурацией белков, истощением запасов АТФ и глюкозы, накоплением токсических метаболитов и снижением клеточного рН. Все эти факторы в той или иной мере вовлечены в активацию синтеза И8Р70. Значение индуцированного ишемией синтеза И8Р70 стало понятным при изучении феномена ишемического прекондиционирова-ния. Было показано, что кратковременная ишемия (несколько минут), индуцирующая накопление в сердце И8Р70, значительно повышает устойчивость миокарда к последующей длительной ишемии. Аналогичная ситуация наблюдается при тепловом прекондиционировании, когда синтез И8Р70 предварительно стимулируют с помощью теплового шока.
В результате был сделан вывод о том, что активация И8Р70 с помощью повреждающих факторов лежит в основе адаптации миокарда к повреждениям (рис. 3) [9].
Необходимо также отметить возможность сопряжения различных потенциальных механизмов феномена прекондиционирования сердца. Например, И8Р70 и И8Р90 являются основными структурными компонентами глюкокортикоидного, стероидного и прогестеронового рецепторов, тем самым участвуя в генерации сигнала после взаимодействия рецептора со своим лигандом. Кроме того, И8Р70 связывает рецептор кальция кальмо-дулин и участвует в регуляции транскрипции N0-синтазы [2].
Рис. 2. Влияние перенесенного стресса на внутриклеточное содержание НБР70 и общий белковый синтез [12]. Примечание: по оси абсцисс - время после стресса, ч; по оси ординат: 1 - динамика содержания НБР70 в ядре; 2 - то же в цитоплазме; 3 -динамика постстрессорного восстановления общего белкового синтеза.
Рис. 3. Роль белков теплового шока на основных этапах адаптационной защиты сердца.
ВОЗМОЖНЫЕ ПОДХОДЫ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ МЕХАНИЗМА ПРЕКОНДИЦИОНИРОВАНИЯ
В настоящее время использование HSP70 в качестве прогностического параметра в клинике сопряжено с рядом трудностей. Сложность клинических исследований состоит в невозможности оценить содержание HSP70 непосредственно в миокарде у нехирургических больных [9], кроме того, методы выявления HSP достаточно трудоемки, чтобы быть введенными в клиническую практику.
Ввиду того, что протективная активность HSP70 была выявлена на значительном числе типов клеток и агентов, специалисты наряду с изучением механизмов этого эффекта переходят к проектированию средств, позволяющих повысить внутриклеточное или внутритканевое содержание этого белка. Существуют два способа увеличения количества HSP70 — трансфекция клеток соответствующим геном под контролем сильного конститутивного промотора и мобилизация клетками или тканью собственных резервов HSP путем нагрева или другими средствами.
Результаты первых экспериментов в этом направлении показывают высокую эффективность метода трансфекции в защите от ишемического повреждения клеток первичной культуры нейронов и глий [10]. Однако, использование этих методов в клинике возможно только при их тщательном и многостороннем изучении.
Альтернативный подход для защиты сердца могут обеспечить методы адаптационной медицины, разрабатываемые профессором Ф.З. Меерсо-ном и его учениками в течение последних 30 лет. Это направление науки и практики опирается на известное теперь положение о перекрестном защитном эффекте адаптации, который состоит в том, что адаптация к определенному фактору повышает не только устойчивость к нему, но также защищает от многих других факторов и болезней. Так, адаптация к умеренным систематическим физическим нагрузкам уменьшает атерогенные нарушения липидного обмена, улучшает функцию сердца при ишемической болезни и даже после перенесенного инфаркта миокарда [11, 12].
Также недавно было показано, что суспензионные культуры эмбриональных и неонатальных клеток содержат высокий уровень HSP70 и трансплантация клеточных органотипических ксеногенных культур способна значительно увеличить скорость накопления стрессовых белков в клетке, причем только при повреждающем на нее воздействии. Эти исследования открывают несколько новых направлений. Во-первых, перспективным кажется изучение того, сможет ли превентивная, органоспецифи-ческая, клеточная трансплантация защитить сердце от влияния различных патогенных факторов? И, если это возможно, то, как долго будет сохраняться этот эффект? Это открыло бы прямой путь к созданию «защиты» сердечной мышцы от негативных последствий предполагаемого инфаркта миокарда. Во-вторых, не менее важно определить, какие фак-
торы (нуклеиновые кислоты, белки, пептиды, орга-неллы и т.п.) порождают активацию накопления HSP при трансплантации? Ответ на этот вопрос дал бы в перспективе возможность перейти на очищенные лиофилизированные препараты, удобные в применении и, вероятно, более доступные по цене [1]. Кроме того, может быть перспективным использование трансплантации суспензий клеток с повышенным содержанием HSP.
ЛИТЕРАТУРА
1. Атеросклероз и клеточная терапия / А.А. Ру-нович, В.К. Войников, Ю.И. Пивоваров и др. — Иркутск, 2005. - 300 с.
2. Аутоиндуцированная толерантность миокарда к ишемии: роль стресс-белков в механизмах ее возникновения / Ю.Л. Шевченко, А.С. Свистов, В.В. Тыренко и др. // Физиология человека. — 1999. — Т. 25, № 1. — С. 134—139.
3. Белки теплового шока: новые перспективы миокардиальной цитопротекции / Ю.Л. Шевченко, А.С. Свистов, В.В. Тыренко и др. // Вестник РАМН. — 1999. — № 7. — С. 16 — 20.
4. ГуринА.В. Прерывистая ишемия — уникальный адаптационный феномен. Перспектива новых путей фармакологического воздействия /
A.В. Гурин, А.И. Молош, Г.И. Сидоренко // Кардиология. — 1997. — № 6. — С. 45 — 52.
5. Защитный эффект ишемической предпосылки (прекондиционирования): влияние длительности ишемии / А.Н. Хаткевич, С.Н. Дворянцев,
B.И. Капелько и др. // Кардиология. — 1998. — №5. — С. 4 — 8.
6. Каган-Пономарев М.Я. Влияет ли предшествующая инфаркту миокарда стенокардия на его размер, лечение и прогноз? Клинические аспекты феномена адаптации к ишемии / М.Я. Каган-Пономарев, А.Н. Самко, Г.В. Ходеев // Кардиология. — 1998. — № 9. — С. 60 — 64.
7. Кузнецов В.А. Оценка феномена адаптации к ишемии методом суточного мониторирования ЭКГ / В.А. Кузнецов, В.В. Тодосийчук // Кардиология. — 1998. — № 9. — С. 4 — 6.
8. Кулешова Э.В. Аутоиндуцированная толерантность миокарда к ишемии / Э.В. Кулешова, П.А. Казеннов // Рос. физиол. журн. — 1997. — Т. 83, № 11 — 12. — С. 105.
9. Малышев И.Ю. Белки теплового шока и защита сердца / И.Ю. Малышев, Е.В. Малышева // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. — 1998. — Т. 126, № 12. — С. 604 — 611.
10. Маргулис Б.А. Белки стресса в эукариоти-ческой клетке / Б.А. Маргулис, И.В. Гужова // Цитология. — 2000. — Т. 42, № 4. — С. 323 — 339.
11. Меерсон Ф.З. Защита сердца от ишемичес-ких повреждений: роль стресс-лимитирующих систем и стабилизации структур миокарда / Ф.З. Меерсон // Российский кардиологический журнал. — 2001. — № 5 (31). — С. 49 — 59.
12. Меерсон Ф.З. Феномен адаптационной стабилизации структур и защита сердца / Ф.З. Ме-ерсон, И.Ю. Малышев. — М., 1993. — 158 с.
13. Наградова Н.К. Внутриклеточная регуляция формирования нативной пространственной структуры белка / Н.К. Наградова // Соросовский Образовательный Журнал. — 1996. — № 7. —
C. 10-18.
14. Феномен прерывистой ишемии у человека и его роль в клинических проявлениях ишеми-ческой болезни / Г.И. Сидоренко, А.В. Гурин, Ю.В. Сополева и др. // Кардиология. — 1997. — № 10. — С. 4—16.
15. Шабалин А.В. Защита кардиомиоцита. Современное состояние и перспективы / А.В. Шаба-лин, Ю.П. Никитин // Кардиология. — 1999. — №3. — С. 4—10.
16. Acetylcholine and bradykinin trigger preconditioning in the heart through a pathway that includes Akt and NOS / T. Krieg, Q. Qin, S. Philipp et al. // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. — 2004.
— N 287. — P. 2606 — 2611.
17. Brooks G. Role of protein kinase C in ischemic preconditioning: player or spectator? / G. Brooks,
D. Hearse // Circ. Res. — 1996. — N 79. — P. 627 — 630.
18. Cardioprotective effect of diazoxide and its interaction with mitochondrial ATP-sensitive K + channels. Possible mechanisms of cardioprotection / K.D. Garlid, P. Paucek, V. Yarov-Yarovoy et al. // Circ. Res. — 1997. — N81. — P. 1072—1082.
19. Gupta S. HSP60, Apoptosis and the Heart / S. Gupta, A.A. Knowlton // J. Cell. Mol. Med. — 2005.
— Vol. 9, N 1. — P. 51—58.
20. Mitochondrial ATP dependent potassium channels: novel effectors of cardioprotection / Y. Liu, T. Sato, B. O'Rourke et al. // Circulation. - 1998. -N97. - P. 2463-2469.
21. Murry C.E. Preconditioning with ischemia: a delay of lethal cell injury in ischemic myocardium / C.E. Murry, R.B. Jennings, K.A. Reimer // Circulation. - 1986. - N 74. - P. 1124-1136.
22. Opie L.H. Недавно выявленные ишемичес-кие синдромы и эндогенная цитопротекция миокарда: их роль в клинической кардиологии сегодня и в будущем / L.H. Opie // Медикография. -1999. - Т. 21, №2. - С. 65-73.
23. Protect against infarction afforded by preconditioning is mediated by A1 adenosine receptors in rabbit heart / G.S. Liu, J. Thornton, D.M. Van Winkle et al. // Circulation. - 1991. - N 84. -P. 350-356.
24. Remote preconditioning reduces ischemic injury in the explanted heart by a K ATP channel-dependent mechanism / S.B. Kristiansen, O. Henning, R.K. Kharbanda et al. // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. - 2005. - N 288. - P. 1252-1256.
25. Welch W.J. Cellular and biochemical events in mammalian cells during and after recovery from physiological stress / W.J. Welch, J.P. Suhan // J. Cell. Biol. - 1986. - N 103. - P. 2035-2052.
26. Yellon D.M. Эндогенная защита миокарда: значение метаболической адаптации («прекондици-онирования») / D.M. Yellon, A. Dana, J.M. Walker // Медикография. - 1999. - Т. 21, № 2. - С. 80-83.
