УДК 616.152.21:612.017:576.32/.36
СИГНАЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ АДАПТАЦИИ К ГИПОКСИИ И ИХ РОЛЬ В СИСТЕМНОЙ РЕГУЛЯЦИИ
© 2012 г. Л. Д. Лукьянова, Ю. И. Кирова, Г. В. Сукоян
НИИ общей патологии и патофизиологии РАМН, 125315, Москва, Балтийская ул., 8; электронная почта: ldlukyanova@gmail.com Поступила в редакцию 06.10.2011 г.
Изучена роль специфического фактора Н!Р-1а в формировании срочной и долгосрочной адаптации к гипоксии и взаимодействие этого фактора со свободнорадикальными процессами, цитокина-ми и N0. Показано, что формирование срочной и долгосрочной адаптации генетически детерминировано, наблюдается только у неустойчивых к гипоксии животных и сопряжено с двухфазной экспрессией Н1Б-1а. У высокоустойчивых животных, не обладающих способностью адаптироваться к гипоксии, экспрессия Н!Р-1а отсутствует или выражена слабо. Ни свободнорадикальные процессы, ни цитокины, ни N0 не участвуют в индукции срочной адаптации и не взаимодействуют в этот период с Н!Р-1а. Однако они могут влиять на формирование долгосрочной адаптации у неустойчивых особей. Предполагается, что индуктором срочной адаптации, ответственным за формирование срочной резистентности и раннюю постгипоксическую аккумуляцию Н!Р-1а, является сукцинат-зависимая сигнальная регуляторная система, контролируемая рецептором ОРЯ-91.
Ключевые слова: адаптация, гипоксия, Н!Р-1а, перекисное окисление липидов, цитокины, N0, резистентность, митохондрии, сукцинат, ОРЯ-91.
Адаптация к гипоксии — это эволюционно сформировавшаяся реакция организма, направленная на поддержание жизнедеятельности в условиях дефицита кислорода. Она контролируется как центральными, так и межклеточными и внутриклеточными регуляторными механизмами, необходимыми для обеспечения внутриклеточного уровня кислорода, генерирования энергии и энергозависимых процессов. При этом различают две стадии формирования механизмов адаптации: 1) фазу индукции адаптации; 2) фазу формирования геном-зависимых реакций долгосрочной адаптации [1].
Фаза индукции адаптации — это период срочного генерализованного ответа на любое гипо-ксическое воздействие, в результате которого происходит одномоментная активация различных сигнальных регуляторных систем и увеличивается срочная толерантность (резистентность) организма к гипоксии, которая в постгипоксиче-ский период сравнительно быстро возвращается к исходному уровню. Ведущую роль в этом процессе играет система гипоталамус—гипофиз—надпочечники и ее основные медиаторы — катехола-мины и кортикостероиды. В этот период активируются также множественные соподчиненные сигнальные системы, которые обеспечивают формирование срочной компенсаторной защитной реакции организма в ответ на гипоксию и составляют основу для формирования отсроченных
геном-зависимых защитных эффектов долгосрочной адаптации. Известно, что при этом происходит выброс аденозина, N0, опиоидов, бради-кинина и других интермедиатов, которые связываются с рецепторами, сопряженными с О-белками (ОРСЯ), и инициируют сигнальные пути, контролируемые различными киназами. Особое значение в этом процессе придается семейству протеинки-наз. Активация различных изоформ протеинкина-зы С (РКС) — главного медиатора процесса приводит к открытию митохондриального КАХР-канала, усилению связанного с ним АХР-зависимого транспорта К+, повышению генерации Н2О2, что сопровождается активацией кальциевой и фосфоинози-тольной регуляторных систем, а также глутаматер-гических, аденозин- и ацетилхолинергических сигнальных путей, входящих в каскадные механизмы внутриклеточной передачи сигнала [1, 2].
На этом раннем этапе приспособительных реакций особую роль играют семейства так называемых ранних генов, продукты которых — транскрипционные факторы — регулируют экспрессию генов позднего действия. Индукция группы низкомолекулярных белков в коре головного мозга крыс уже через 1 ч после острого гипокси-ческого воздействия, качественно и количественно различная у особей с неодинаковой толерантностью к гипоксии, описана нами ранее [3]. В настоящее время установлено, что в мозге к таким генам относятся ЫО¥1-А, с-]ип, ]ипВ, которые иг-
рают важную роль в процессах нейрональной пластичности, обучения, выживаемости/гибели нейронов. Увеличение срочной толерантности чувствительных к гипоксии структур мозга под влиянием гипоксического воздействия в режиме прекондиционирования способствовало повышению экспрессии мРНК всех этих генов, так же как и мРНК генов митохондриальных антиокси-дантов [4, 5].
В отличие от этого, отсроченная или долговременная адаптация формируется при длительном или многократном гипоксическом воздействии на организм. Она сопровождается экспрессией специфических мРНК, белков и генов адаптации и характеризуется переходом регуляции кислородного гомеостаза на новый уровень. Функциональными показателями завершения этого периода является формирование механизмов, обеспечивающих оптимизацию масс-переносящих свойств крови, увеличение эффективности работы и мощности дыхательной и сердечно-сосудистой систем. При этом происходит снижение температуры тела, потеря веса, увеличение гематокрита, уменьшение скорости дыхания, увеличение концентрации гемоглобина в результате активации эритропоэза и сродства гемоглобина к кислороду, изменение кинетических свойств ферментов окислительного метаболизма. Последнему сопутствует увеличение эффективности окислительного фосфорилирова-ния, появление новой популяции мелких митохондрий с набором ферментов, позволяющим им работать в новом режиме, ремоделирование сосудов, направленное на уменьшение расстояния между капиллярами (ангиогенез), повышение эффективности гликолиза и транспорта глюкозы через гистогематологические барьеры и пр.
Ведущая роль в формировании адаптации к гипоксии принадлежит специфическому белковому фактору, индуцируемому при гипоксии — HIF-1 (Hypoxia Inducible Factor), который выполняет функцию активатора транскрипции и ключевого регулятора самых различных клеточных и системных ответов на гипоксию [7—12]. Молекулярная структура HIF-1 изучена достаточно хорошо. HIF-1 — это гетеродимерный редокс-чувстви-тельный белок, состоящий из двух субъединиц: индуцибельной цитоплазматической кислород-чувствительной субъединицы 1а, экспрессируе-мой практически во всех клетках млекопитающих, и конститутивной субъединицы 1р [8, 9]. Активность HIF-1 зависит от субъединицы HIF-1a, синтез которой контролируется сигнальными системами MAPK и PI3K, активируемыми рецептором тирозинкиназы [8, 9], специфическим сукцинат-зависимым рецептором GPR-91 и др. [13]. Агони-стами рецептора являются тирозингидроксилаза, цитокины, факторы роста (например, инсулино-подобный фактор), а также сукцинат.
В норме внутриклеточный уровень субъединицы И1Р-1а низок, так как она подвергается про-теасомной деградации в кислородзависимых реакциях пролил-гидроксилирования и убиквити-нации [9]. При гипоксии создаются предпосылки инактивации пролилгидроксилазных реакций, что способствует стабилизации и накоплению И1Р-1а, индукции транскрипции, транслокации И1Р-1а в ядро, его гетеродимеризации с субъединицей (И1Р-1р/АЯМТ), образованием активного комплекса транскрипции ИЯЕ, экспрессией Н1Р-1-зависимых генов-мишеней и синтезом защитных адаптивных белков [7—12].
Роль И1Р-1 в формировании долгосрочной адаптации хорошо изучена. Согласно последним данным, прямыми или опосредованными мишенями И1Р-1 являются около 180 генов, кодирующих в условиях сниженного уровня О2 белки, необходимые для активации альтернативных компенсаторных аэробных и анаэробных реакций, ответственных за образование энергии и сохранение функциональной активности клетки. Можно выделить следующие основные группы этих белков [8—10], список которых непрерывно пополняется:
— белки, связанные с усилением функционирования сосудистой системы (промоторы ангио-тензина — фактор роста сосудистого эндотелия (УБОР), его рецептор РИ-1 или модуляторы сосудистого тонуса), и белки, осуществляющие вазомоторный контроль (индуцибельная МО-синта-за, гемоксигеназа-1, эндотелин 1, адреномедул-лин, а1р — адренергический рецептор и др.);
— белки, индуцирующие эритропоэз (эритро-поэтин, церулоплазмин, трансферрин и его рецептор, облегчающий снабжение эритроидных тканей железом и др.);
— белки, вовлеченные в энергетический обмен (их кооперация ведет к увеличению потребления глюкозы и активации гликолиза, а также к появлению изоформ ферментов дыхательной цепи, прежде всего митохондриального комплекса 1, с новыми свойствами, позволяющими им работать в условиях гипоксии);
— белки, ответственные за пролиферацию и жизнедеятельность клетки.
Гораздо менее изучены эффекты И1Р-1 и его взаимодействие с другими сигнальными системами на ранней стадии адаптации. До настоящего времени открытым остается вопрос о триггерных механизмах, ответственных за индукцию срочной адаптации. Несмотря на то, что механизмы стабилизации и активации И1Р-1 хорошо изучены, неясно, может ли этот фактор претендовать на главную роль в процессе срочной адаптации и что вызывает его экспрессию при гипоксии.
Зависимость активности пролилгидроксилаз-ных реакций и накопления И1Р-1а от молекуляр-
ного кислорода, наблюдаемая лишь в ограниченном диапазоне его концентраций, и потеря их чувствительности к кислороду при аноксии не позволяет считать кислород главным индуктором экспрессии этого белкового фактора [12].
Вместе с тем в научной литературе широко обсуждается гипотеза о сигнальной роли свободно-радикальных процессов в механизмах адаптации к гипоксии и их прямому влиянию на аккумуляцию ШБ-1а, а также рассматриваются различные механизмы образования активных форм кислорода (АФК) при низких концентрациях кислорода.
Согласно одной гипотезе, во время гипоксиче-ского воздействия активируется образование АФК преимущественно митохондриального происхождения, связанное с их образованием в области третьего митохондриального комплекса и подавлением электрон-транспортной функции дыхательной цепи на ее терминальном участке. Считается, что этот процесс может усиливаться в постгипоксический период и приводить к развитию окислительного стресса, инактивации п
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.