ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ, 2013, том 74, № 3, с. 180-189
УДК 577.15.03.
ОРНИТИНДЕКАРБОКСИЛАЗА ОРГАНОВ И ТКАНЕЙ МЛЕКОПИТАЮЩИХ ПРИ ГИБЕРНАЦИИ И ИСКУССТВЕННОМ ГИПОБИОЗЕ
©2013 г. О.С. Логвинович1, Г.Е. Аксенова2
1 Учреждение образования Гомельский государственный медицинский университет,
кафедра биологической химии 24600 Гомель, Беларусь, ул. Ланге, 5 e-mail: Ologvinovich@rambler. ru 2 Учреждение Российской академии наук Институт биофизики клетки РАН 142292 Пущино, Московской обл., ул. Институтская, 3 e-mail: AksyonovaGE@rambler.ru Поступила в редакцию 05.12.2012 г.
Орнитиндекарбоксилаза (ОДК, КФ 4.1.1.17.) - короткоживущий и динамично регулируемый фермент биосинтеза полиаминов. Регуляция функционального, метаболического и пролиферативного состояния органов и тканей включает изменения активности ОДК. На органах и тканях (печень, селезенка, костный мозг, почки, слизистая оболочка тонкого кишечника) зимоспящих млекопитающих - сусликов Spermophilus undulatus - показаны органоспецифические изменения активности ОДК в сезон зимней спячки. При этом отмечено наличие положительной корреляции между снижением и восстановлением специализированных функций органов и тканей с соответствующими модификациями ферментативной активности ОДК в течение баутов спячки. Исследование изменения активности ОДК в органах и тканях незимоспящих млекопитающих в условиях искусственного гипобиоза показало, что у крыс Wistar в тимусе, селезенке, слизистой оболочке тонкого кишечника, неокортексе, печени сразу после окончания воздействия гипотермии-гипоксии-ги-перкапнии (гипобиоз) активность ОДК находится на низком уровне. В костном мозге сусликов в состоянии оцепенения, а также в тимусе крыс после окончания воздействия гипотермии-гипок-сии-гиперкапнии изменения активности фермента ОДК соотносятся с изменениями темпа клеточной пролиферации (по критерию распределения клеток по фазам клеточного цикла).На основании полученных результатов и критического анализа литературных данных можно сделать вывод о том, что фермент ОДК участвует в биохимической адаптации млекопитающих к естественному и искусственному гипобиозу.
Одна из актуальных проблем современной биологии и медицины заключается в исследовании механизмов адаптации человека и животных к неблагоприятным факторам окружающей среды. В этом плане зимоспящие млекопитающие являются уникальными объектами, так как они способны переживать неблагоприятные условия окружающей среды, впадая в сезон гибернации (лат. hibematio - зимовка, зимняя спячка, от hibemus - зимний) в состояние оцепенения, характеризующееся снижением уровня физиологических и обменных процессов. Наиболее характерным проявлением спячки мелких зимоспящих, например сусликов, является значительное снижение температуры тела. Зимняя спячка сусликов состоит из циклов, баутов (от англ. bout), длительностью от 2-3 сут в начале сезона спячки до
нескольких недель в последующем, прерываемых кратковременными пробуждениями (активные межбаутные суслики) (Lyman et al., 1982; Кола-ева, 1996). Все изменения метаболизма, а также процессы погружения в спячку и пробуждения, наблюдающиеся в начале и в конце каждого бау-та, а также длительность самих баутов находятся под контролем эндокринной и центральной нервной систем (Демин и др., 1988; Белоусов, 1993). Важно, что за короткий период пробуждения естественные гибернанты способны полностью восстановить измененные во время баута уровень метаболизма и температуру тела благодаря специфическим эндогенным механизмам (Lyman et al., 1982; Калабухов, 1985; Колаева, 1996).
Состояние сниженной жизнедеятельности для незимоспящих млекопитающих возможно создать
в условиях гипотермии с использованием ги-поксигиперкапнических газовых сред. При этом незимоспящие животные впадают в состояние так называемого холодового наркоза, гипобиоза (Тимофеев, Прокопьева, 1997).
Известно, что в ходе гибернации при смене циклов "спячка/активное состояние" интенсивно регулируется транскрипция генов, трансляция белков и фосфорилирование-дефосфорилирова-ние ферментов. Так, активация фосфорилирова-ния №+/К+-АТФазы и Са2+-АТФазы снижает функционирование ионных каналов на 50% у спящих млекопитающих по сравнению с нормотермны-ми активными животными (Storey, 2010). Подавление трансляции белков обусловлено инактивацией факторов инициации и элонгации путем их фосфорилирования. Посредством обратимого фосфорилирования ингибируются также ферменты катаболизма углеводов, например гликоген-фосфорилаза, фосфофруктокиназа, гексокиназа, пируватдегидрогеназа. На фоне общего подавления метаболизма наблюдалось увеличение экспрессии а-макроглобулина, некоторых ингибиторов сериновых протеаз, белков, связывающих жирные кислоты, ингибитора пируватдегидроге-назы. При вхождении в состояние оцепенения и на раннем этапе торпора (состояние оцепенения) показан синтез белков теплового шока (Andrews et al., 1998; Carey et al., 2003; Storey, 1997, 2010; Morin, Storey, 2009). Исследование, проведенное на мозге суслика Spermophilus lateralis, показало повышение экспрессии транскрипционных факторов - генов раннего ответа - c-fos, с-jun, junB на поздней стадии оцепенения и при пробуждении млекопитающих (O'Hara et al., 1999). Кроме того, для зимоспящих млекопитающих известна посттрансляционная модификация белков по механизму SUMO-лирования. Small Ubiquitin-like Modifier (SUMO) - это семейство белков, которые с помощью ковалентной связи обратимо присоединяются к белкам в клетке, изменяя их свойства. SUMO-лирование - модификация, которая вовлечена во многие клеточные процессы, такие, как ядерно-цитозольный транспорт, регуляция транскрипции, апоптоз, стабилизация белков, прохождение клеток по клеточному циклу, стрессовые реакции. На зимоспящих сусликах, находящихся в состоянии оцепенения, показано увеличение количества SUMO-связанных белков в мозге, печени и почках; при пробуждении число таких конъюгатов снижается (Storey, 2010). Биологический смысл SUMO-лирования, по-видимому, заключается в стабилизации белковых молекул и предотвращении их деградации в течение торпора (Morin, Storey, 2009).
Таким образом, описанное выше отражает стратегию биохимической адаптации зимоспящих млекопитающих к экстремальным факторам окружающей среды. В мировой литературе высказывается положение о том, что ферменты, активность которых изменяется в ходе гибернации, принимают участие в регуляции циклов "спячка/ активное состояние", а также участвуют в адаптации млекопитающих на биохимическом уровне (Carey et al., 2003; Andrews, 2007; Storey, 2010). В этом плане особый интерес представляет исследование короткоживущих и динамично регулируемых ферментов млекопитающих, одним из которых является орнитиндекарбоксилаза (ОДК, КФ 4.1.1.17). Отмечено, что ОДК принимает участие в процессах адаптации млекопитающих к низким температурам окружающей среды и перехода в состояние гипобиоза (Мельничук и др., 2000).
Разнообразные изменения в регуляции фермента в конечном итоге сводятся к изменению его активности. Поэтому на начальных этапах исследования оценить возможность вовлечения фермента ОДК в механизмы биохимической адаптации можно по изменению активности ОДК в органах и тканях млекопитающих.
ОРНИТИНДЕКАРБОКСИЛАЗА - МАРКЕР
АКТИВАЦИИ МЕТАБОЛИЗМА КЛЕТКИ
ОДК - начальный фермент биосинтеза полиаминов, катализирующий превращение аминокислоты орнитина в диамин путресцин. Полиамины (путресцин, спермидин и спермин) вовлечены в ряд ключевых процессов жизнедеятельности клетки, таких, как функционирование ионных каналов, упаковка нуклеиновых кислот, репликация ДНК, апоптоз, транскрипция и трансляция, стабилизация мембраны и цитоскелета. Показано, что истощение полиаминов приводит к ингибирова-нию перехода клеток из фазы Gx в фазу S клеточного цикла (Бердинских, Залеток, 1985; Shuber, 1989; Poulin et al., 1995; Thomas Т., Thomas TJ., 2001; Child et al., 2003; Wallace et al., 2003; Pegg et al., 2003; Jânne et al., 2004; Rider et al., 2007; Pegg, Feith, 2007). ОДК - быстро обменивающийся, ко-роткоживущий и динамично регулируемый фермент с периодом полужизни (t1/2) в нормальных тканях 10-30 мин (Бердинских, Залеток, 1985). Резкое повышение активности ОДК - одно из наиболее ранних молекулярных проявлений активированного метаболизма клетки, готовящейся к росту и делению, дифференцировке или активному выполнению специализированной функции (Hayashi, Murakami, 1995; Pegg, 2006). В покоя-
щихся клетках активность этого фермента сохраняется достаточно низкой, но под влиянием различных пролиферативных стимулов, включающих гормоны и органную регенерацию, активность ОДК кратковременно резко возрастает. В отличие от воздействия нормальных физиологических стимулов, канцерогены вызывают резкое повышение активности ОДК, что может привести к злокачественной трансформации клеток (Auvinen et al., 1992; Clifford et al., 1995). Уровень активности ОДК может быть использован как маркер пролиферации и активации клеток органов и тканей.
Регуляция ОДК осуществляется на уровне транскрипции, стабилизации мРНК, трансляции, деградации фермента, индукции специфичных белков-регуляторов семейства антизи-мов и зависит от типа клеток, тканей, характера воздействия (Hayashi, Murakami, 1995; Wallon et al., 1995; Pegg, 2006). На уровне целого организма активность ОДК регулируется ней-роэндокринной системой (табл. 1), что важно для оценки системных адаптивных реакций организма на воздействия факторов внешней среды.
Таблица 1. Влияние гормонов на активность ОДК органов и тканей млекопитающих
Гормоны
Органы и ткани
глюкокортикоиды минералокортикоиды катехоламины вазопрессин
Тимус Снижение (Richards, 1978; Снижение Нет эффекта —
Zahner et al., 1986; Gilad et (Zahner et al., 1986) (Zahner et al., 1986)
al., 2001)
Селезенка Снижение (Richards, 1978) - - -
Печень Повышение Повышение Повышение —
(Cousin et al.,1982; Zahner et (Zahner et al., 1986) (Михайловский и др.,
al.,1986; Gilad et al., 2001) 1982)
Почки Повышение Повышение Повышение
(Richards, 1978; Peng et al., (Koenig et al., 1983) - (Pass et al., 1980)
1989)
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.