УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2008, том 39, № 1, с. 3-22
УДК 575.117.2:577.1:004
АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ИНСУЛИН-ЗАВИСИМЫХ РЕГУЛЯТОРНЫХ КОНТУРОВ ЗРЕЛЫХ АДИПОЦИТОВ
© 2008 г. Т. Н. Кузнецова1, Е. В. Игнатьева1' 2, В. А. Мордвинов1, А. В. Катохин1, 2, М. Ю. Шаманина1, Д. Ю. Ощепков1, Н. А. Колчанов1, 2
1 Институт цитологии и генетики СО РАН, Новосибирск 2 Новосибирский государственный университет, Новосибирск
Зрелые адипоциты - основные клетки жировой ткани - активно участвуют в поддержании энергетического и эндокринного гомеостаза организма. С использованием компьютерной технологии GeneNet была реконструирована регуляторно-эффекторная сеть адипоцита, обобщающая экспериментальные данные относительно основных инсулин-зависимых сигнальных путей и их мишеней в контексте инсулиночувствительных метаболических процессов и транскрипционных событий у млекопитающих. Выявлены положительные и отрицательные регуляторные контуры, включающие МАР-киназный, Cbl/TC10- и Р/3К-зависимые сигнальные пути. Определены также регуляторные контуры, функционирующие с участием транскрипционных факторов SREBP-^, PPARy/RXRa, C/EBPa, FOXO1. Важнейшими эффекторными звеньями регуляторных контуров является глюкоз-ный транспортер GLUT4 и киназа mTOR.
Ключевые слова: инсулиновый сигнальный путь, адипоцит, регуляторно-эффекторная сеть, экспрессия генов, липидный метаболизм, метаболизм глюкозы.
ВВЕДЕНИЕ
Инсулин - основной анаболический гормон у млекопитающих. Он влияет на такие биологические процессы в инсулиночувствительных тканях и органах, как транспорт глюкозы, метаболизм глюкозы и липидов, рост клеток и др. [27]. Снижение реакции инсулиночувствительных тканей на инсулин (инсулинорезистентность), часто развивающееся при ожирении, является фактором риска развития диабета 2-го типа и, как следствие, сердечно-сосудистых заболеваний [28, 35, 72].
Развитие ожирения и инсулинорезистентности обусловлено многими факторами. К их числу относятся как средовые (питание, физическая активность и т.д.), так и генетические (мутации и полиморфизмы). Поскольку анализ и систематизация данных о генетических нарушениях, вносящих вклад в развитие этих патологий, является предметом отдельного большого исследования, приведем лишь некоторые примеры. Белки рецепторы пролиферации пероксисом (РРЛ^я) являются транскрипционными факторами, участвующими в регуляции экспрессии генов энергетического гомеостаза. При обследовании пациентов, страдающих диабетом 2 типа, Баррозо и соавторы выявили двух человек, имеющих мутации в гене РРЛЯО, кодирующем гамма форму рецептора. [11]. У первого больного выявлена мутация С —Т, приводящая к замене пролина на лейцин в 467 позиции аминокислотной последовательности бел-
ка PPARG (P467L). У второго больного обнаружена мутация G —► A, и кодируемый таким образом белок PPARG содержал вместо валина в 290 позиции метионин (V290M). Обе аминокислотные замены приходились на лиганд-связывающий домен белковой молекулы и, по данным экспериментов in vitro, нарушали трансактивационную активность PPARG [11]. В другом исследовании, посвященном роли фактора PPARG в развитии ожирения [74], в числе обследованных пациентов обнаружены четыре человека с мутантным генотипом. У всех четырех индивидов выявлена мутация G —»- T в кодирующей части гена, приводившая к образованию белка, у которого в 115 позиции аминокислота пролин была заменена на глутамин (Pro115Gln). Аминокислота пролин в 115 позиции находится в непосредственной близости от функционально важного участка белка -сайта фосфорилирования (серин в 114 позиции), через который осуществляется регуляция активности PPARG. В дополнительных экспериментах было показано, что у мутантной формы белка PPARG (Pro115Gln) способность к фосфорилиро-ванию действительно нарушена. А фибробласты, в которых экспрессировался мутантный белок PPARG (Pro115Gln) превышали нормальные клетки по скорости дифференцировки в адипоциты и количеству накопленных триглицеридов [74]. В следующем исследовании [90] изучена мутация в гене SREBF-1, выявленная у пациента, больного диабетом. Ген SREBF-1 кодирует две
изоформы белка (SREBP-la и SREBP-lc), которые являются транскрипционными факторами и контролируют экспрессию многих генов энергетического обмена. Мутация (C —► T) находилась в кодирующей части гена и приводила к образованию мутантных белков SREBP-la и SREBP-lc, у которых аминокислота триптофан была заменена на метионин (позиции 226 для SREBP-la и 202 для SREBP-lc, то есть T226M и T202M ). В опытах in vitro было выявлено, что мутантные белки SREBP-la и SREBP-lc обладают пониженной по сравнению с нормой функциональной активностью, поскольку у них нарушена способность к связыванию с ДНК [90].
Жировая ткань - одна из инсулиночувстви-тельных тканей, играет важную роль в поддержании гомеостаза организма. Жировые клетки (адипоциты) запасают энергию в форме жиров (триглицеридов) и высвобождают ее в виде свободных жирных кислот в процессе липолиза. Посредством секреции эндокринных, паракринных и аутокринных сигналов жировая ткань участвует в регуляции многих биологических процессов. Так, адипоциты экспрессируют и секретируют цитокины, гормоны, факторы роста и регуляторы липопротеинового обмена, например, лептин, адипонектин, ангиотензин. [30, 95]. При ожирении вклад адипоцитов в плазматический уровень регуляторных факторов существенно повышается, что может способствовать нарушению гомеостаза организма и развитию заболеваний [58, 95].
Исследованию молекулярных механизмов, обеспечивающих реакцию адипоцитов в ответ на действие инсулина, посвящено огромное количество экспериментальных работ. Известно, что инсулин активирует многие метаболические и секреторные функции жировой ткани: стимулирует адипогенез [52], транспорт глюкозы в адипоциты [45], накопление липидов [47], а также секрецию адипокинов, например, лептина [47], ангио-тензина [36], ингибитора тканевых активаторов плазминогена [77]. Инсулин оказывает эффекты на адипоциты (так же, как и на другие ткани), не проникая внутрь клеток, и его действие реализуется через взаимодействие с инсулиновым рецептором (INSR), и активацию внутриклеточных путей сигнальной трансдукции [3, 59, 60, 67]. Характерная черта действия инсулина на жировые клетки - двухэтапность. На первом этапе происходит быстрая активация клеточных процессов. На втором этапе происходит подавление ответа и десенситизация клеток, т.е. снижение чувствительности к инсулину.
Цель настоящей работы - систематизация данных экспериментальных исследований и анализ структуры регуляторных контуров, обеспечивающих ответ дифференцированных адипоцитов млекопитающих на инсулин. Ранее была разрабо-
тана информационно-компьютерная технология ОепеИе1, обеспечивающая накопление и систематизацию разрозненных экспериментальных данных о регуляторных событиях, лежащих в основе функционирования генных сетей [6, 7]. Технология ОепеИе1 позволяет заполнять базу данных с описанием объектов (гены, белки, мРНК, низкомолекулярные соединения) и связей между ними (регуляторных событий, биохимических реакций и т.д.) в текстовом виде (база данных Оепе^е(), и осуществлять реконструкцию генных сетей в графическом виде (редактор ОепеЕй). С использованием технологии ОепеИе1 была проведена систематизация экспериментальных данных, представленных в 442 публикациях [40]. Данные внесены в базу вепеКе1 только при наличии в статьях указаний на то, что они получены на адипо-цитах млекопитающих, либо адипоцитарных клеточных линиях. В результате нами была реконструирована регуляторно-эффекторная сеть, объединяющая пути сигнальной трансдукции от рецептора инсулина и контролируемые ими процессы: 1) транспорт глюкозы в клетку; 2) метаболизм глюкозы; 3) синтез гликогена; 4) липоге-нез; 5) синтез белков; 6) ингибирование липолиза; 7) секрецию адипокинов.
Логический анализ сети позволил выделить регуляторные контуры (пути регуляции процессов), обеспечивающие ответ на инсулин: а) контуры положительного ответа, приводящие к активации ответа адипоцитов на инсулин; б) контуры с отрицательными обратными связями, обеспечивающие затухание ответа адипоцитов на инсулин. Контуры из вышеназванных групп были классифицированы по механизмам реализации на два типа: быстрые, реализующиеся в цитоплазме адипоцитов и не зависящие от активации (или подавления) экспрессии генов; медленные, действующие через ядро клетки, для реализации которых необходима активация либо подавление экспрессии генов.
Данные регуляторные контуры являются составной частью механизмов, контролирующих переключение клеточных функций и саморегуляцию регуляторно-эффекторной сети. Гены и белки, входящие в состав регуляторных контуров, представляют собой потенциальные мишени для разработки фармакологических препаратов, корректирующих дисфункции инсулинозависимых метаболических процессов.
1. РЕКОНСТРУКЦИЯ
РЕГУЛЯТОРНО-ЭФФЕКТОРНОЙ СЕТИ
Понятие о регуляторно-эффекторных сетях основано на концепции генных сетей, предложенной несколько лет назад [1]. Регуляция происходящих в организме процессов (биохимических, физиологических и др.) осуществляется при уча-
стии продуктов координированно экспрессирую-щихся генов, составляющих основу конкретной генной сети. Такая сеть обеспечивает выполнение определенной функции клетки, органа, организма и в ней можно выделить несколько обязательных типов структурных и функциональных компонент: 1) группа координированно экспрес-сирующихся генов - ядро сети; 2) белки, кодируемые этими генами, выполняющие структурные, транспортные, ферментативные, регуляторные и другие функции; 3) пути передачи сигналов от клеточных мембран в ядра клеток, обеспечивающие активацию или подавление транскрипции генов в ответ на внешние по отношению к клетке стимулы; 4) отрицательные и положительные обратные связи, стабилизирующие параметры сети на определенном уровне или, напротив, отклоняющие их от исходного значения, обеспечивая переход к новому функциональному состоянию и т.д. [1].
Во многих случаях можно определить направленность процессов в пределах определенного фрагмента генной сети (регуляторно-эффектор-ного контура)
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.