БИОХИМИЯ, 2006, том 71, вып. 7, с. 882 - 893
УДК 577.125
СФИНГОЛИПИДЫ И КЛЕТОЧНАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ: УЧАСТИЕ В АПОПТОЗЕ И АТЕРОГЕНЕЗЕ
Обзор
© 2006 г. О.М. Ипатова1, Т.И. Торховская12*, Т.С. Захарова12, Э.М. Халилов2
1 ГУ НИИ биомедицинской химии РАМН, 119832 Москва, ул. Погодинская, 10
2 ГУ НИИ физико-химической медицины Росздрава, 119828 Москва, ул. Малая Пироговская, 1а; факс: (495)246-4884, электронная почта: torti@mail.ru
Поступила в редакцию 19.01.06 После доработки 17.02.06
В обзоре рассмотрены различные аспекты функционирования в клетке сфинголипидов (сфингомиелина, церамидов) и лизосфинголипидов (сфингозин-1-фосфата (Б1Р) и сфингозинфосфохолина), например их участие в передаче сигналов при многих клеточных процессах. Показано, что ферменты, контролирующие пути образования и взаимопревращения сфинголипидов в клетке, — сфингомиелиназы, церамидаза, сфин-гозинкиназа, 81Р-лиаза — обладают высокой чувствительностью к ряду стимулирующих факторов, что определяет содержание отдельных сфинголипидов, а значит, и характер клеточного ответа. Обращается особое внимание на преимущественную локализацию сфинголипидов в жестких доменах на поверхности плазматической мембраны (рафтах), сопряженных со многими сигнальными белками. В связи с этим обсуждается предположение, что передача церамидами сигнала осуществляется за счет модификации молекулярных взаимодействий в липидных рафтах и возможной их кластеризации, индуцирующей сигнальный процесс. Рассмотрены вопросы участия сфинголипидов в клеточной пролиферации, в процессах, связанных с развитием атеросклероза, а также в апоптозе клеток.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: сфинголипиды, церамиды, сфингозин-1-фосфат, пролиферация, гладкомышечные клетки, атеросклероз, апоптоз.
Сфингомиелин (СМ) — третий по содержанию в мембранах фосфолипид (после фосфати-дилхолина и фосфатидилэтаноламина) — привлекает внимание исследователей как структурный элемент мембран уже в течение многих десятилетий. В последние годы представления о роли СМ и его метаболитов в обеспечении функционирования биомембран значительно расширились, выявив регуляторную роль в важнейших клеточных процессах [1—4] не только самого СМ, но и ряда других сфинголипидов (СФЛ) — церамидов, гликосфинголипидов, лизосфинголипидов (рисунок). Были отмечены
Принятые сокращения: СМ — сфингомиелин, СФЛ — сфинголипиды, ФНО — фактор некроза опухоли, S1P — сфингозин-1-фосфат, SPC — сфингозин-фосфохолин, ЭР — эндоплазматический ретикулум, GCS — гликозилцерамид-синтаза, ФНО — фактор некроза опухолей, ЛНП — ли-попротеины низкой плотности, ЛВП — липопротеины высокой плотности, FasL — Fas-лиганд. * Адресат для корреспонденции и запросов оттисков.
эффекты СФЛ как модуляторов клеточной пролиферации, их роль в процессе апоптоза клетки, клеточной миграции, адгезии, регуляции тона сосудов, в ангиогенезе, в атеросклерозе и его осложнениях, в проявлениях кардиотоксичности, вызванных антрациклинами [2—12]. СФЛ и их производные — медиаторы ряда биологических эффектов фактора некроза опухоли (ФНО-а), включающих в себя также дифференциацию моноцитов, пролиферацию фибробластов, экспрессию адгезивных молекул и резистентность к инсулину [13—15]. В основе этих эффектов лежит участие СФЛ в разнообразных процессах передачи клеточных сигналов.
В настоящем обзоре рассмотрены некоторые аспекты сигнальных процессов с участием СФЛ, в первую очередь с акцентом на их локализацию в мембранных доменах («рафтах»), а также обсуждается значение СФЛ на отдельных этапах апоптоза клеток и атерогенеза.
В отличие от фосфатидилхолина, присутствующего примерно в равных количествах в
мембранах различных клеток, сфинголипиды (главным образом СМ) в основном представлены в мозге, нервных волокнах, а также в сосудистой стенке — тканях с наибольшими требованиями к механической прочности составляющих их клеток. Это может быть связано частично с риджифицирующим действием СМ на мембраны (благодаря сочетанию двух насыщенных углеводородных цепей), а также с высокой аффинностью к холестерину. Показан интегрированный характер метаболизма СМ и холестерина в клетках, что подтверждается повышенным их содержанием в одних и тех же клеточных компартментах — плазматической мембране и аппарате Гольджи [16—18]. В мембранах присутствуют и другие СФЛ, причем большая часть их локализуется в плазматической мембране, преимущественно на наружной ее стороне [17]. Кроме того, СФЛ (в основном СМ) обнаружены во всех классах липопротеинов крови [19].
Существенный факт, выявленный в последнее десятилетие, — неоднородность латерального распределения СФЛ на поверхности мембраны. Они сконцентрированы в обнаруженных недавно микродоменах — рафтах (raft — плот). Это области (островки) относительно более упорядоченной (по сравнению с основной жидкокристаллической фазой мембраны) организации липидных молекул, характеризующиеся нерастворимостью в детергенте. Помимо СФЛ (в основном СМ) в них сконцентрирована большая часть мембранного холестерина, а также фосфолипидов с насыщенными углеводородными цепями. Рафты локализуются преимущественно на наружном слое плазматической мембраны и сопряжены с рядом белков, участвующих в трансдукции клеточного сигнала. Поэтому изменение организации рафтов — один из инструментов, влияющих на функционирование этих белков и, следовательно, на сигнальные процессы. Особенно активными в этом отношении считают кавеолярные рафты, или ка-веолы, включающие в себя белок кавеолин и организованные как колбообразные инвагинации внутрь клетки (caveoles — пещеры) [17, 20, 21]. Локализация СФЛ в рафтах и кавеолах, рассматриваемых как «платформы» инициации сигнала, указывала на возможность участия этих липидов в клеточной сигнализации. Многочисленные экспериментальные данные, полученные в основном в последнее десятилетие на различных типах клеток у различных видов животных, доказали, что СФЛ играют роль вторичных мессенджеров во многих важнейших клеточных процессах [8—11].
Показана также способность СФЛ усиливать воздействие некоторых внеклеточных эффекто-
ров. СФЛ участвуют в сигнальных процессах, инициированных цитокинами, факторами роста, стрессорными агентами и липопротеинами [10—13]. При этом СФЛ являются медиаторами некоторых внеклеточных стимулов. Механизм такого эффекта в общем случае состоит в том, что воздействие стимулов на клетку приводит к генерации в ней церамида и его производных. Такой механизм подтверждается тем, что добавление экзогенных СФЛ к культуре клеток приводит к имитации биологических эффектов ци-токинов и факторов роста. В то же время какое-либо «вмешательство» во внутриклеточный синтез сфинголипидных медиаторов меняет биологический ответ клетки на внешние стимулы [14, 15, 22].
В табл. 1 показано сопряжение в ряде клеток генерации СФЛ и их производных с действием некоторых эффекторов, способствующих развитию патологий. Видно, что наиболее чувствительной к внешним стимулам является система СФЛ в эндотелиальных и гладкомышечных клетках: эти клетки отвечают на многие стимулы, генерируя широкий спектр СФЛ. Чаще всего ответом оказывается генерация церамидов, а также сфингозина и сфингозин-1-фосфата (S1P). Было показано, что еще до проявления начальных этапов атеросклеротического поражения — пролиферации гладкомышечных клеток сосудов — увеличивается активность сфин-гомиелиназы, сопровождающаяся образованием сфинголипидных метаболитов [23, 24].
Наиболее активными в биологическом отношении производными СМ оказались церамиды и лизосфинголипиды — сфингозин-1-фосфат и сфингозинфосфохолин (биологические эффекты глико-СФЛ рассмотрены в других обзорах [3, 25]).
Церамиды — соединения с двумя углеводородными цепями и слабополярной «головкой», представленной жирнокислотным карбонилом и сфингозиновыми амино- и ОН-группами (рисунок) — могут образовываться в мембране при гидролизе СМ сфингомиелиназами (СМазами), отщепляющими его фосфохолиновый фрагмент. Церамиды генерируются в любых типах клеток при клеточном напряжении и различных клеточных ответах путем действия кислой или нейтральной СМазы или синтезом de novo [3, 14, 15, 26, 27] (схема 1).
Церамиды могут снова использоваться для синтеза СМ с помощью СМ-синтазы, расположенной в аппарате Гольджи или в плазматической мембране [28, 29]. Возможен дальнейший гидролиз церамидов ферментом церамидазой с высвобождением сфингозина. Последний может быть вновь реацилирован до церамида или фос-форилирован сфингозинкиназой до S1P [1, 30].
Таблица 1. Патофизиологические воздействия, приводящие к генерации сфинголипидов в клетках сердечно-сосудистой системы [22]
Виды клеток Воздействующий фактор Генерируемые сфинголипиды
Эндотелиальные ионизирующая радиация липополисахарид окисленные ЛНП интерлейкин-1 ФНО церамиды « « « церамиды, S1P, лактозилцерамид
Гладкомышечные ФНО окисленные ЛНП снижение Mg2+ тромбоцитарный фактор роста (PDGF) церамиды церамиды, S1P, лактозилцерамид церамиды сфингозин
Тромбоциты тромбин S1P (сфингозин-1-фосфат)
Моноциты/лимфоциты Fas/FasL (факторы апоптоза) интерлейкин-2 CD28 окисленные ЛНП церамиды « « « «
Кардиомиоциты ишемия/реперфузия доксорубицин ФНО « « сфингозин
В основном расщепление СМ и образование церамидов осуществляются в кислых компарт-ментах клетки лизосомальной СМазой. При дальнейшем расщеплении из церамидов образуется сфингозин, способный перемещаться через лизосомальную мембрану. Наряду с этим в клетке происходит и нелизосомальное расщепление СМ — под действием мембранно-связанных гидролаз с нейтральным или щелочным оптимумом рН. Эти ферменты, включающие в себя СМазы и церамидазы, могут играть важную роль в трансдукции клеточных сигналов [10, 15, 31, 32].
Регуляция взаимопревращений СФЛ сопряжена с различными состояниями клетки, влияющими на активность СМазы. Активация СМа-зы может инициироваться некоторыми цитоки-нами, ионизирующей радиацией, рядом противоопухолевых лекарств, а также при апоптозе [10, 13, 33, 34]. Эффекты активаторов могут быть имитированы in vitro добавлением церами-дов или экзогенной СМазы [35, 36]. Было показано, что синтез церамидов активируется с участием рецептора к ФНО-а [37], причем в
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.