БИОХИМИЯ, 2006, том 71, вып. 9, с. 1183 - 1197
УДК 577.352.3
АКТИВНАЯ ЗАЩИТА ПРИ ОКИСЛИТЕЛЬНОМ СТРЕССЕ. АНТИОКСИДАНТ-РЕСПОНСИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
Обзор
© 2006 г. В.В. Ляхович1, В.А. Вавилин1,
Н.К. Зенков2, Е.Б. Меньшикова2*
1 НИИ молекулярной биологии и биофизики СО РАМН, 630117 Новосибирск, ул. Тимакова, 2; факс: (383)332-3147, электронная почта: drugsmet@soramn.ru
2 Научный центр клинической и экспериментальной медицины СО РАМН, 630117 Новосибирск, ул. Тимакова, 2; факс: (383)333-6456, электронная почта: lemen@soramn.ru
Поступила в редакцию 13.03.06 После доработки 11.04.06
Рассмотрены механизмы и факторы, стимулирующие транскрипцию контролируемых антиоксидант-рес-понсивным элементом (ARE) генов. Показана важность ARE для защиты клеток в условиях окислительного стресса, а также детоксикации электрофильных ксенобиотиков. Анализируются различия регуляции внутриклеточного гомеостаза транскрипционным фактором Nrf2, активирующим ARE, и другими редокс-чувствительными факторами (NF-kB и АР-1).
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: окислительный стресс, антиоксидант-респонсивный элемент.
Считается, что одной из первых глобальных экологических катастроф, происшедших на нашей планете, было «загрязнение» биосферы молекулярным кислородом — продуктом жизнедеятельности сине-зеленых водорослей. Этим были обусловлены как вымирание большей части древних анаэробных прокариот, так и мощный эволюционный рывок в развитии живых организмов, который привел к появлению аэробных эукариот, а в последующем — к огромному разнообразию животных и растительных организмов. Живые организмы весьма успешно справились с возникшей проблемой: появились эффективный энергопродуцирующий механизм (окислительное фосфорилирование) и универсальный механизм биотрансформации ксенобиотиков (цитохромы Р450 — монооксигеназы, внедряющие атомы кислорода в молекулу субстрата) [1]. Многоклеточные организмы научились исполь-
Принятые сокращения: АКМ — активированные кислородные метаболиты, ПОЛ — перекисное окисление липидов, ARE — антиоксидант-респонсивный элемент, у-GCS — у-глутамилцистеинсинтетаза, GST — глутатион-S-трансфераза, NO' — оксид азота, NQO — NAD(P)H : хинон-оксидоредуктаза, NRH — дигидроникотинамидрибозид, XRE — ксенобиотик-респонсивный элемент. * Адресат для корреспонденции и запросов оттисков.
зовать реакционные продукты неполного восстановления О2 для своей защиты от бактериальных агрессий (так, микробицидный потенциал фагоцитирующих клеток на 90% определяется продукцией О-, Н2О2, ОН', N0' и др. [2]), а также в качестве эффективного механизма внутри-и межклеточной коммуникации [2-4].
У млекопитающих описано ~20 так называемых редокс-чувствительных регуляторных элементов, которые отвечают на изменение соотношения восстановленных и окисленных 8Н-групп в белках (или про- и антиоксидантов в более общем случае), приводящее к развитию окислительного или восстановительного стресса [5]. Активация редоксчувствительных факторов транскрипции №£2, NF-кB и АР-1 приводит к изменению экспрессии нескольких сотен генов и, соответственно, активности многих метаболических процессов [3]. Существенно, что эти факторы являются ключевыми регуляторами клеточной пролиферации, дифференциров-ки и апоптоза, а также отвечают за развитие множественной лекарственной устойчивости. Основное назначение NF-кB и АР-1 — переключение клеток с одной программы развития на другую в целях сохранения функции органа и всего организма, что необходимо в определенных адаптивных или патологических ситуациях
[6, 7]. В отличие от регуляции факторами NF-kB и АР-1 регуляция посредством антиоксидант-респонсивного элемента (ARE — antioxidant responsive element) служит для поддержания внутреннего гомеостаза при апоптозиндуциру-ющих [8, 9], канцерогенных [10—12] и стрессовых [13, 14] воздействиях. Этим определяется биологическая важность ARE, ибо от его функционирования зависит работа других редокс-чувствительных факторов и систем, в том числе отвечающих на внешние сигналы [9].
Цель настоящего обзора — рассмотрение механизмов регуляции ARE.
КСЕНОБИОТИКИ-АНТИОКСИДАНТЫ, АКТИВИРУЮЩИЕ ARE
Первые свидетельства существования ARE были получены в конце 80-х годов прошлого столетия при изучении метаболизма ксенобиотиков. Оказалось, что некоторые соединения вызывают индукцию ферментов первой и второй фаз метаболизма ксенобиотиков. Например, стимуляция синтеза цитохрома P4501A1 полициклическими ароматическими углеводородами, оказывающими свой эффект посредством взаимодействия с рецептором для ароматических углеводородов и последующей активации ксенобиотик-респонсивного элемента (XRE - xenobiotic responsive element), приводила к одновременной индукции еще ~20 ферментов, в том числе и ферментов второй фазы метаболизма ксенобиотиков. Другие же соединения индуцировали только синтез ферментов второй фазы метаболизма ксенобиотиков, таких как глутатион-8-трансфераза (GST - glutathione-S-transferase), глюкуронозилтрансфераза, NAD(P)H : : хиноноксидоредуктаза (NQO - NAD(P)H : qui-none oxidoreductase) и др. Дальнейшие исследования действия на клетки электрофильных фе-нольных соединений позволили идентифицировать новый регуляторный элемент, отличный от XRE, который первоначально был назван в-нафтофлавониндуцируемым [15], однако вскоре был переименован в антиоксидант-респонсив-ный, так как большая часть индуцирующих его соединений относилась к группе фенольных ан-тиоксидантов [16]. Важнейшей характеристикой полициклических ароматических соединений, действующих через рецептор для ароматических углеводородов, была планарная структура молекулы, в то время как для активаторов ARE были важны окислительно-восстановительные свойства молекул [17].
Многие фенолы природного (эллаговая кислота, флавоноиды, полифенолы экстрактов зе-
леного чая) и синтетического (трет-бутилгид-рохинон, бутилгидроксианизол, пробукол) происхождения, а также SH-содержащие соединения (изотиоцианаты, дитиолтионы, димеркап-таны) способны усиливать транскрипцию генов, регулируемых ARE (табл. 1). Помимо ароматических и тиолсодержащих соединений ARE-активирующей способностью обладают гидроперекиси, каротиноиды, атомы тяжелых металлов (Cd, Co, Cu, Au, Hg, Pb) и гемовые комплексы [18—21]. Прямое действие на клетки Н2О2, OH', NO', ONOOH, О3 и, по-видимому, других АКМ, а также радиации и коротковолнового УФ-света сопровождается активацией Nrf2 и экспрессии ARE-контролируемых генов [3, 8, 22]. Оксид азота (NO'), генерируемый NO-син-тазами или при разложении S-нитрозо-N-аце-тилпеницилламина, непосредственно не стимулировал экспрессию GSTA2 в клетках гепатомы крыс, однако его трансформация в пероксинит-рит приводила к усилению синтеза фермента [22].
Среди полиеновых каротиноидов ликопин и в меньшей степени в-каротин индуцировали NAD(P)H : хиноноксидоредуктазу и у-глута-милцистеинсинтетазу (y-GCS - y-glutamylcys-teine synthetase), в то время как фитоен и астак-сантин такой способностью не обладали [19]. Анализ действия простагландинов разных классов показал, что синтез GSTP1 и гемоксигена-зы-1 индуцируется под действием простаглан-дина J2 и его метаболита 15-деокси-А12,14-прос-тагландина J2 [23]. Захват окисленных липопро-теинов низкой плотности перитонеальными макрофагами мыши и клетками макрофагаль-ной линии RAW 264.7 сопровождался усилением синтеза мРНК каталитической и модифицирующей субъединиц y-GCS. При этом окисленные липопротеины усиливали связывание факторов транскрипции Nrf1, Nrf2 и c-Jun с послед ова-тельностями ARE, входящими в промоторные участки кодирующих обе субъединицы генов [24]. Индукция транскрипции контролируемых ARE генов наблюдалась также в ответ на ише-мию-реперфузию [25], гипероксию [26] и гипоксию (1% О2) [20], сдвиговый стресс [27].
Несмотря на структурные различия активаторов ARE, все они электрофильны (поэтому ARE часто называют электрофил-респонсивным элементом) и способны модифицировать SH-груп-пы в белках посредством алкилирования или окисления-восстановления [10]. Бензол и фенол, как и бутилгидрокситолуол, не проявляли ARE-индуцирующей активности; простые ди- и три-фенолы были активны, но только при наличии ОН-групп в орто- (катехол) или пара-положениях (гидрохинон), ароматические соединения с ОН-группами в .мета-положениях (резорцинол и
1,3,5-тригидроксибензол) не вызывали экспрессии ARE-контролируемых генов [16, 28]. Аналогичная зависимость была получена при изучении фенилендиаминов, гидроксильные группы которых заменялись на аминные: 1,2- и 1,4-фенилен-диамины в отличие от 1,3-диаминов индуцировали синтез контролируемой ARE NQO1 [29]. Такая зависимость от расположения окисляющихся групп позволяет предположить, что активация ARE происходит в результате двухэлектронного окисления-восстановления комплекса Nrf2— Keap1, в котором могут участвовать полифенолы с орто- и пара-, но не с мета-расположением гидроксильных групп (схема 1).
Аскорбиновая кислота (витамин С), окисляясь в дегидроаскорбат, также может участвовать в двухэлектронных окислительно-восстановительных трансформациях. В отличие от ряда ок-сифенилкарбоновых кислот (синаповая, кофейная, феруловая, протокатехиновая), не проявляющих ARE-индуцирующей активности, аскорбиновая кислота стимулировала экспрессию ARE-контролируемых генов тиоредоксинредук-тазы и NQO1 [30]. Так как в различных экспериментальных системах оксифенилкарбоновые кислоты проявляют выраженный антиоксидант-ный эффект [5], то ясно, что ARE-индуцирую-щее действие фенолов прямо не связано с их антирадикальным действием. Исследование большой группы растительных фенилпропеноидов и их синтетических аналогов выявило наличие обратной корреляции между индуцирующей NQO1 способностью соединений и их вычисленным восстановительным потенциалом [31].
Связать структурные особенности строения фенолов с их активирующим действием на ARE достаточно сложно, так как в клетках ароматические соединения эффективно гидроксилиру-ются монооксигеназами. Поэтому часто нельзя отделить действие исходного соединения от действия его метаболитов. Еще одна сложность заключается в наличии в промоторных участках
он О ОН о
он о
он о
Схема 1. Окислитель
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.