Дедов И.И.

Смирнова О.М.

Эндокринологический научный центр, Москва

Горелышев А.С.

ФГБУ "Эндокринологический научный центр" Минздрава РФ, Москва

Стресс эндоплазматического ретикулума: цитологический сценарий патогенеза заболеваний человека

Журнал: Проблемы эндокринологии. 2012;58(5): 57-65

Просмотров : 779

Загрузок : 27

Как цитировать

Дедов И. И., Смирнова О. М., Горелышев А. С. Стресс эндоплазматического ретикулума: цитологический сценарий патогенеза заболеваний человека. Проблемы эндокринологии. 2012;58(5):57-65.
Dedov I I, Smirnova O M, Gorelyshev A S. Stress of endoplasmic reticulum: the cytological "scenario" of pathogenesis of human diseases. Problemy Endokrinologii. 2012;58(5):57-65.

Авторы:

Дедов И.И.

Все авторы (3)

Эндоплазматический ретикулум (ЭР) — обширная мембранная органелла, играющая важнейшую роль в жизнеобеспечении эукариотической клетки. Неполный список ее функций включает синтез и модификацию белков, буферизацию кальция, синтез стероидов и участие в построении внутриклеточных мембран. Кроме того, ЭР принимает участие во многих сигнальных путях, регулирующих экспрессию генов и апоптоз. Во многих типах клеток (в первую очередь, специализирующихся на секреции белка) ЭР принадлежит значительная часть внутриклеточных мембран — до 50% в гепатоцитах и до 20% в β-клетках островков Лангерганса [1, 2], что делает его одной из крупнейших органелл эукариот [3]. Мембрана ЭР составляет единое целое с оболочкой клеточного ядра. Полость ЭР открывается непосредственно в перинуклеарное пространство, что благоприятствует контакту сигнального аппарата ЭР с генетическим материалом. Ряд авторов [3, 4, 6] рассматривают ядерную оболочку как домен ЭР. Нами было показано, что на начальных этапах развития клеток мембрана ядра, образуя инвагинации в цитоплазму, является первоисточником формирования мембранной системы клетки (ЭР, комплекс Гольджи), сообщающийся с перинуклеарным пространством [7]. Характерно, что если клетка выживает, например после радиационного воздействия, то сохранившаяся наружная мембрана ядра становится источником репарации мембранных систем клетки [8]. Считаем, что этот феномен филогенетически закреплен как для одноклеточных, так и для многоклеточных биосистем. Продолжением оболочки является «шероховатый» эндоплазматический ретикулум (ШЭР), представленный комплексом уплощенных полостей, уложенных в своеобразные стопки. На цитозольной поверхности мембраны ШЭР непрерывно осаждаются рибосомы, обеспечивающие трансляцию белка непосредственно в полость ЭР через систему трансмембранных каналов. Проникнув в ШЭР, незрелые белковые молекулы подвергаются сложной ферментативной обработке, что позволяет придать правильно синтезированным пептидным цепям вторичную и третичную конформацию, а аберрантные цепи — изолировать и направить на уничтожение [5].

Периферическим регионом органеллы является «гладкий» (агранулярный) ЭР, практически свободный от рибосом. В отличие от ШЭР, гладкий ЭР — менее консервативная структура, и степень его развития существенно различается в клетках разного типа. В задачи гладкого ЭР входит синтез липидов, стероидогенез, метаболизм углеводов, контроль внутриклеточной концентрации кальция, а также метаболизация лекарственных веществ и других экзогенных продуктов [6]. Между ШЭР и «гладким» ЭР имеется переходный район, где выполняется упаковка белковых молекул в транспортные везикулы для передачи в аппарат Гольджи. Наконец, в последние годы сформировалось представление об особом домене ЭР, специализирующемся на поддержании контакта с митохондриями, — «мембрана, ассоциированная с митохондриями» (Mitochondria-Associated Membrane, МАМ) [9].

ЭР — это динамическая структура, которую клетка непрерывно реорганизует в соответствии со своими меняющимися потребностями, сохраняя при этом ее базовую доменную организацию [6].

Эндоплазматический ретикулум и созревание белка

Эволюция многоклеточных организмов опирается на их способность налаживать информационные и структурные взаимосвязи между множеством разнотипных клеток. Эти опорные и сигнальные функции выполняются в основном белковыми молекулами, которые должны сохранять стабильность в межклеточном пространстве, среда которого является агрессивной для пептидных связей. Поэтому белки, предназначенные для выхода из клетки (будь то растворимые факторы или поверхностные комплексы), должны модифицироваться так, чтобы оказаться защищенными от искажения своего пространственного строения [5].

Именно ЭР обеспечивает синтез и созревание белков, предназначенных для секреции или экспозиции на поверхности клеточной мембраны. Созревание любой белковой молекулы предполагает ее «фолдинг» (от англ. to fold — «укладывать, сворачивать») — самопроизвольное приобретение единственно правильного трехмерного строения (конформации). Гликозилирование, фосфорилирование, гидроксилирование и другие модификации исходной белковой молекулы делают ее более стабильной во внеклеточной среде, но малопригодной для свободного пребывания внутри клетки. Поэтому созревание таких молекул должно происходить в контролируемых условиях, приближенных к характеристикам внеклеточной среды. Высокая концентрация ионов кальция и окислительные свойства содержимого полостей ЭР отвечают этому требованию [10].

Однако в чрезвычайно сложной биохимической среде ЭР тонкому процессу фолдинга угрожают многочисленные ошибки. Накопление неправильно свернутых белковых цепочек является патофизиологическим ядром «стресса ЭР» — общебиологического феномена функциональной перегрузки аппарата секреции белка. Нарушение созревания белковых молекул (проявляющееся стрессом ЭР) ведет к прекращению нормального функционирования клетки и угрожает ей гибелью.

Фолдинг и его аппаратура в эндоплазматическом ретикулуме

Для фолдинга белковой молекулы не требуется никакой иной информации, кроме собственно аминокислотной последовательности сворачиваемой цепи. Фолдинг — самопроизвольный процесс, т.е. белок всегда будет тяготеть к той пространственной организации, при которой свободная энергия его молекулы будет наименьшей в данных условиях [11]. Таким образом, клетка вынуждена затрачивать энергию не на придание белку правильной конформации, а на устранение факторов, которые могли бы помешать самостоятельному протеканию этого процесса.

Ситуация, при которой промежуточная форма оказывается настолько неудачной, что приводит к непредусмотренному взаимодействию с клеточными компонентами, называется «мисфолдингом» (англ. misfolding) или «ошибкой сворачивания». Мисфолдинг представляет собой реальную угрозу жизни клетки и даже многоклеточного организма в целом, создавая основу для таких состояний, как болезнь Альцгеймера [12], аутосомный пигментный ретинит [13], недостаточность α1-антитрипсина [14], онкологические заболевания [15].

ЭР представляет собой подобие внутриклеточной колыбели, где пептидные цепи имеют возможность приобрести единственную предназначенную им форму. За этой колыбелью надзирает целое семейство высокоспециализированных белков, получивших название шаперонов (фр. chaperon — наставница, няня).

Шапероны эндоплазматического ретикулума

Шапероны окружают незрелый белок, ориентируясь на ненативные детерминанты в его структуре, экранируют его, обеспечивая безопасный перебор конформаций, и удерживают в среде, богатой фолдазами — ферментами, катализирующими его созревание. К наиболее изученным шаперонам ЭР относится индуцибельный белок BiP (binding immunoglobulin protein — белок, связывающий иммуноглобулины) [16] из подсемейства Hsp70 [17] (белков теплового шока), также обозначаемый как GRP78 (glucose-regulated protein — белок, регулируемый глюкозой). Выполняя свою основную функцию защиты фолдинга, BiP потребляет энергию в форме АТФ.

Шапероны способны защищать фолдинг, не создавая помех для модификации белка. В качестве примера можно привести содружество BiP с кальнексином и кальретикулином — шаперонами, избирательно реагирующими на гликозилированные участки белка. Кальнексин/кальретикулиновый цикл является частью сложносочиненного механизма контроля качества созревания белка [18].

В ходе своей работы все эти шапероны связывают ионизированный кальций; таким образом, падение его концентрации внутри просвета ЭР сигнализирует о перегрузке аппаратуры фолдинга [19].

Окислительный потенциал ЭР

Существенное значение для стабилизации белковой молекулы имеет формирование дисульфидных «мостиков» между боковыми цепями остатков цистеина. Однако дисульфидные связи важны и для самого процесса свертывания пептидной цепи, поскольку образование S—S мостиков резко ограничивает число возможных вариантов пространственной организации, эффективно сокращая время поиска молекулой правильной конформации [11]. Образование дисульфидных связей опосредуется ферментом PDI (протеиндисульфид-изомеразой).

В окисленном состоянии он выступает в роли дисульфидного донора, а в восстановленном — способен к изомеризации дисульфидных связей своих лигандов. В клетках млекопитающих окисление PDI молекулярным кислородом осуществляется двумя родственными ферментами — Ero1-Lα и Ero1-Lβ (первый широко распространен, а второй активен именно в клетках, секретирующих большое количество белка) [20].

Подобно процессу окислительного фосфорилирования в митохондриях, построение дисульфидных связей Ero1-L неразрывно с образованием перекиси водорода (H2O2), что определяет его высокую концентрацию в просвете ЭР [21] и связывает созревание секретируемого белка с генерацией активных форм кислорода [22], потенциально угрожающих выживанию клетки [23]. В совокупности эти процессы носят название окислительного фолдинга.

Система ответа на мисфолдинг (UPR)

Для нормального созревания белка необходимо выверенное соответствие между биосинтетической нагрузкой и функциональной вместимостью ЭР. Результатом нарушения этого баланса является перегрузка ЭР, мисфолдинг и, в конце концов, аккумуляция в просвете ЭР неактивных или химически агрессивных белков [24]. Для того, чтобы обеспечить это динамическое равновесие, эукариоты выработали сложный гомеостатический механизм, известный как «ответ на мисфолдинг» (unfolded protein response, UPR). В настоящее время накоплен большой объем данных, указывающих на существенную роль этого (в сущности адаптивного) процесса в патогенезе ряда заболеваний человека. В частности, все больше внимания уделяется значению стресса ЭР (дезадаптивной формы ответа на мисфолдинг) в нарушении функции β-клеток островков Лангерганса и развитии сахарного диабета [25, 26].

Жизнедеятельность клеток, специализирующихся на секреции белка (например, клеток гипоталамо-гипофизарной или иммунной систем), характеризуется фазными и резкими перепадами плотности потока белка, проходящего через ЭР. С началом новой фазы секреции нагрузка на пул шаперонов критически возрастает, что делает необходимым срочное увеличение его функциональной емкости. С этой целью система UPR индуцирует экспрессию генов, кодирующих факторы созревания (шапероны, оксидоредуктазы, фолдазы и пр.). Однако не все изменения функциональных запросов к ЭР являются преходящими. В некоторых случаях изменение нагрузки связано со сменой фенотипа клетки в ходе ее конечной специализации, и тогда UPR принимает на себя роль медиатора дифференцировки. В других случаях стресс ЭР оказывается настолько большим, что адаптация к нему становится невозможной, и тогда система UPR начинает передавать сигналы смерти [27].

Адаптивная стадия UPR: снижение биосинтетической нагрузки

С биохимической точки зрения, UPR представляет собой комплекс диверсифицированных, но тесно взаимосвязанных сигнальных ветвей, объединенных общим триггерным механизмом. Этот механизм представлен триадой трансмембранных белков —PERK, IRE1 и ATF6, каждый из которых имеет регуляторный домен, погруженный в просвет ЭР. В нормальных физиологических условиях этот домен связан шапероном BiP. При возрастании нагрузки на аппаратуру ЭР, содержание свободных шаперонов в его просвете закономерно падает, и BiP отделяется, чтобы выполнить свою основную функцию защиты созревания белка. Освободившись от связи с BiP, PERK, IRE1 и ATF6 встраиваются в стрессорные сигнальные пути. Таким образом, у ЭР существует группа сенсоров, отслеживающих доступность внутрипросветных шаперонов [26].

PERK подавляет общую трансляцию белка

Понимание гомеостатического значения перегрузки ЭР пришло с изучением редкого аутосомно-рецессивного заболевания — синдрома Wolcott—Rallison, характеризующегося ранним дебютом сахарного диабета с поражением костной, нервной, почечной и печеночной тканей. Это состояние обусловлено мутацией гена EIF2AK3, кодирующего фермент PERK [28, 29].

PERK — трансмембранный белок ЭР, им особенно богаты клетки, обильно секретирующие белок. Утрачивая связь с BiP, разрозненные молекулы PERK начинают формировать кластеры в плоскости мембраны ЭР. Подобная олигомеризация делает возможным транс-аутофосфорилирование, увеличивающее афинность этого фермента к eIF2α (eukaryotic initiation factor 2 — эукариотический фактор инициации 2 типа) [30].

eIF2α — ключевой участник трансляции белка, поскольку он отвечает за связывание 40S-субъединицы рибосом с tRNAimet (инициирующей метиониновой тРНК), которая «распознает» старт-кодон мРНК и начинает синтез пептидной цепи [31]. Выполняемое PERK фосфорилирование подавляет активность eIF2α и тормозит биосинтез белка в клетке.

PERK является частью целого семейства белков (GCN2, PKR, PKZ, HRI), все члены которого имеют гомологичные каталитические домены, но различаются регуляторным. Например, наиболее эволюционно древний GCN2 подавляет трансляцию белка в ответ на аминокислотное голодание [32], PKR (протеинкиназа, активируемая РНК) и PKZ известны как компоненты антивирусной защиты эукариот [33], а HRI активируется при железодефицитных состояниях [34]. Таким образом, UPR оказывается единой системой антистрессовой регуляции белкового синтеза в эукариотических клетках.

Интересно, что у людей с синдромом Wolcott—Rallison имеются схожие клинические черты с мышами PERK –/–, которые рождаются с нормально функционирующим островковым аппаратом поджелудочной железы. В первые часы своей жизни эти мыши демонстрируют усиленный инсулиновый ответ на стимуляцию глюкозой. Однако в течение ближайших недель у них развивается полная картина сахарного диабета из-за прогрессирующей деструкции β-клеток [29, 30].

IRE1α разрушает мРНК, кодирующие секреторные белки

IRE1α (α-изоформа инозитолзависимого фермента 1-го типа) — распространенный трансмембранный белок, чей регуляторный домен, как и у PERK, в норме связан с BiP. С-концевой отдел IRE1α, обращенный в цитоплазму, формирует два домена — с киназной и эндорибонуклеазной активностью соответственно. После отделения BiP происходит димеризация, располагающая киназные домены «лицом к лицу» [35]. Происходящее при этом аутофосфорилирование вызывает смену конформации IRE1α, открывающую нуклеазные центры ее димеров и располагающую их «спина к спине» [36]. В результате IRE1α (и его интестинальная изоформа IRE1β) ограничивает трансляцию необычным способом, вызывая селективную деградацию ряда мРНК прямо в цитоплазме. В качестве примера можно привести разрушение мРНК CD59 в HeLa-клетках [37] и мРНК фактора MTP (микросомального переносчика триглицеридов) в эпителии кишечника, что тормозит синтез хиломикронов [38]. Кроме того, имеются данные об IRE1α-опосредованной деградации мРНК проинсулина при хронической гипергликемии [39]. Среди мишеней IRE1α находится и ее собственная мРНК, что обеспечивает саморегуляцию процесса [40].

J. Weissman и соавт. [41] предложили термин RIDD («regulated IRE1-dependent decay» — контролируемая IRE1-опосредованная деградация) для определения этого грубого, но эффективного механизма, позволяющего клетке выиграть время в период критической нагрузки на ЭР.

UPR как диалог эндоплазматического ретикулума с ядром

Описанные выше механизмы предохраняют ЭР от острой перегрузки [42], однако клетка все еще сталкивается с необходимостью увеличения его пропускной способности. Решением проблемы является синтез дополнительных шаперонов. Ниже рассматривается синтаксис общения ЭР с ядром клетки.

PERK активирует транскрипцию генов в привилегированном режиме

После активизации PERK клетка попадает в парадоксальную, на первый взгляд, ситуацию, где для увеличения пула шаперонов ей необходимо преодолеть только что возведенную блокаду биосинтеза белка. Это достигается, в частности, привлечением активирующего транскрипционного фактора 4 (ATF4), индуцирующего экспрессию генов шаперонов ЭР и факторов антиоксидантной защиты. Матрица ATF4 имеет лидирующую последовательность («5’-нетранскрибируемый регион»), которая заключает цепочку нуклеотидных остатков от сайта начала транскрипции (TSS) до старт-кодона, открывающего рамку считывания собственно белкового кода. Лидирующая последовательность не содержит информации о строении белка, она регулирует считывание следующего за ней кода.

В лидирующей последовательности содержатся две открытые рамки считывания (uORF). Рибосома последовательно сканирует матричную РНК ATF4 — c начала молекулы и до конца uORF1. Достижение терминирующего кодона в конце uORF1 приводит к диссоциации рибосомы на 40S- и 60S-субъединицы, что требует времени для повторного запуска трансляции. Между тем 40S-субъединица рибосомы удерживает контакт с мРНК и продолжает двигаться вдоль нее по лидирующей последовательности.

uORF1 и uORF2 разделены участком бессмысленного кода, и в нормальных физиологических условиях, когда нет дефицита eIF2α (а также ГТФ, энергию которого eIF2α затрачивает) рибосома реинициирует трансляцию между ними. В этом случае происходит считывание uORF2, за которой расположен старт-кодон, и он будет «пропущен» рибосомой. Соответственно построение аминокислотной цепочки так и не начинается. Напротив, при дефиците активного (нефосфорилированного) eIF2α (или энергии для его работы) рибосома восстанавливается уже после uORF2, получая, таким образом, возможность прочесть старт-кодон и начать построение белка [43]. Таким образом, ряд «молчащих» генов будет прочитан именно в стрессовой ситуации, причем их активация не зависит от работы сигнальных путей. Эти стрессорные гены активируются неспецифическим образом — без какой-либо инструкции — просто в силу законов кинетики химических процессов.

Иными словами, в состоянии стресса ЭР, сопровождающегося общим подавлением трансляции и дефицитом ключевого тройственного комплекса eIF2α/ГТФ/tRNAimet, некоторые белки получают приоритет, транслируясь более эффективно [44]. Фосфорилирование eIF2α является конечным эффектом ряда других путей, сигнализирующих о развитии в клетке стрессов различной модальности.

В этой связи вышеописанный транскрипционный механизм получил название «интегральной реакции на стресс» («integrated stress response», ISR) [45].

Активность PERK имеет значение не только на клеточном, но и на тканевом уровне; в частности, известно, что PERK тормозит пролиферацию, приостанавливая клеточный цикл в фазе G1 в условиях выраженной гипоксии, что позволяет клетке сэкономить энергию и «переждать» неблагоприятный период [46].

PERK двояко усиливает антиоксидантную защиту

Способность ATF4 индуцировать гены антиоксидантной защиты поддерживается дополнительным партнером PERK — Nrf2. Этот транскрипционный фактор обладает широким потенциалом действия, активируя промоторы антиоксидантов, ферментов детоксикации, шаперонов, а также медиаторов пролиферации и выживания клеток. Фосфорилирование посредством PERK увеличивает его стабильность [47].

Таким образом, помимо прочих эффектов, сигналы PERK усиливают устойчивость клетки к оксидативному стрессу.

IRE1α-опосредованный запрос к ядру: активация посредством сплайсинга

Помимо своей способности «цензурировать» поступающий из ядра код, IRE1α усиливает экспрессию определенных генов, используя свой эндонуклеазный центр для специфического сплайсинга мРНК мощного транскрипционного фактора XBP1. XBP1 транскрибируется в нечитаемой форме, но в условиях стресса ЭР IRE1α удаляет 26-нуклеотидный интрон, что приводит к сдвигу рамки считывания и трансляции биологически активной формы XBP1 — XBP1s [48]. Этот транскрипционный фактор контролирует пролиферацию структур ЭР, созревание белка и его экспорт из ЭР. XBP1 способствует также очищению ЭР от белков с необратимо нарушенной конформацией [49].

АTF6 — третий голос, обращенный к ядру

ATF6, как и IRE1α и PERK, — это резидентный белок ЭР, неактивный в комплексе BiP. Последний служит «якорем», утратив который, ATF6 покидает мембрану ЭР и отправляется в аппарат Гольджи. Там он подвергается обработке протеазами и приобретает активную форму. Проникнув в ядро, обработанный ATF6 атакует стресс-чувствительный элемент CCAAT(N)9CCACG в генах, кодирующих аппаратуру фолдинга ЭР, что ведет к усилению их экспрессии [50]. Например, ATF6 стимулирует синтез BiP и лектинов (кальнексина и кальретикулина). ATF6 воздействует на свои гены-мишени в содружестве с XBP1 [50, 51]. Кроме того, ATF6 увеличивает экспрессию самого XBP1, поддерживая IRE1α субстратом [52]. Все это иллюстрирует тесную взаимосвязь сигнальных ветвей системы ответа на мисфолдинг.

Ответ на мисфолдинг: восстановление после кризиса

Сколь бы эффективно ни было общее торможение трансляции белка, оно в долгосрочной перспективе ставит жизнь клетки под угрозу. Следовательно, клетка нуждается в механизмах, противодействующих мерам самозащиты ЭР.

Как уже упоминалось, фосфорилирование eIF2α является конечной точкой множества сигнальных путей, входящих в состав интегрального ответа на клеточный стресс. Клетка использует глобальное подавление биосинтеза белка, в частности, при вирусной инвазии. Некоторые вирусы (например, herpex simplex) способны преодолевать эту блокаду, вводя в геном пораженной клетки код ICP34.5 — особого белка, связывающего протеинфосфатазу I (PP1) хозяина и прицельно увлекающего ее к фосфорилированному (и потому неактивному) eIF2α [53].

Исследование человеческой ДНК позволило выявить два гена поразительной гомологии с ICP34.5 — CreP и GADD34 [54]. CreP экспрессируется конститутивно, тогда как GADD34 индуцируется при стрессе ЭР и, вероятно, служит центральным звеном восстановления трансляции [55].

UPR и сигналы гибели клетки

В том случае, если усилия ответа на мисфолдинг оказываются безуспешными, и стресс ЭР углубляется, основные регуляторы UPR встраиваются в каскад сигналов апоптоза.

Многообразная роль IRE1α в самоубийстве клетки

Помимо своих защитных свойств, IRE1α также является корнем проапоптотического сигнального пути. Она способна мобилизовать адапторную молекулу TRAF2 (фактор, ассоциированный с рецептором к фактору некроза опухоли) и через митоген-ассоциированную протеинкиназу (MAPK) активировать систему JNK/ASK1 [54]. При этом нейроны мышей с фенотипом ASK –/– (киназа, регулирующая апоптотические сигналы), демонстрируют устойчивость к ЭР-ассоциированному апоптозу [57].

Кроме того, объединение IRE1α с TRAF2 ведет к активации транскрипционного фактора NF-κB [58], чья способность индуцировать или блокировать апоптоз определяется фенотипическим и патофизиологическим контекстом. В частности, имеются данные о способности аутокринного TNF-α индуцировать смерть клетки через IRE1α-опосредованную активацию NF-κB [59]. Наконец, ассоциация молекул IRE1α и TRAF2 является одним из разрешающих факторов активации каспазы-12 [60].

PERK способствует принятию апоптотического решения посредством фактора CHOP

Как отмечено выше, ATF4 обладает многими защитными свойствами; однако при неуспехе борьбы с развивающимся стрессом ЭР, ATF4 может привести клетку к запрограммированной смерти. Это происходит благодаря участию важного транскрипционного фактора CHOP (белка, гомологичного белку, связывающему CCAAT-энхансер) [61]. В физиологических условиях его экспрессия невысока, однако существенно повышается при многих разновидностях клеточного стресса (например, при поражении ДНК алкилирующими веществами [62]).

Подавление экспрессии CHOP у мышей Akita замедляет утрату β-клеток [63]. Тот же эффект наблюдается при моделировании апоптоза β-клеток NO-индуцированным стрессом ЭР [64]. Кроме того, почечная ткань фенотипа CHOP –/– устойчива к действию туникамицина — токсина, вызывающего стресс ЭР [65]. Посредники CHOP в развитии апоптоза неизвестны, хотя некоторые данные указывают на участие GADD34 [66].

Если этот белок, усиливающий дефосфорилирование eIF2α, действительно опосредует апоптотический эффект CHOP, то это создает почву для интересной гипотезы. Ген CHOP является эволюционным приобретением многоклеточных организмов [67]. Возможно, проапоптотическое влияние CHOP отражает способность организма жертвовать определенными секретирующими популяциями ради выживания особи в целом. Тогда GADD34, принудительно восстанавливая активность eIF2α, прорывает блокаду, возведенную PERK, и принуждает клетку секретировать белок до момента прохождения «точки невозврата» из стресса ЭР. В таком случае, гибель клетки под влиянием CHOP — вторичный эффект, а первичным является защита синтеза и секреции белка [26]. Картину дополняют указания на участие IRE1α в индукции CHOP [25]. Предполагается, что промотор CHOP имеет участок связывания с транскрипционным фактором AP-1. AP-1 — это димер, имеющий несколько вариантов своего состава [68]. Одним из его мономеров выступает белок c-Jun. JNK (N-концевая киназа c-Jun), являющаяся частью нисходящего сигнального пути IRE1α, фосфорилирует c-Jun и увеличивает активность AP-1 в целом [69]. Ряд данных свидетельствует о положительной корреляции между активностью JNK и экспрессией CHOP [70], но они требуют подтверждения. Однако, если это предположение верно, то CHOP оказывается точкой пересечения апоптотических сигналов, передаваемых всеми сенсорами ЭР: PERK, IRE1α и ATF6, и выступает едва ли не главным представителем ЭР в диалоге с гибелью клетки.

Многоликий мисфолдинг: типовой процесс в основе разнородной патологии

Все больше данных указывает на участие стресса ЭР в самых разнообразных патофизиологических процессах. Например, мутантный вариант белка пресенилина-1, участвующий в развитии болезни Альцгеймера, подавляет функцию PERK, IRE1α и ATF6 [71]. Аналогичным образом, мутация белка паркина ведет к нарушению функции протеосом и перегрузке ЭР, что вызывает накопление цитотоксичных фибрилл и патологическую агрегацию белка. Паркином богаты мезэнцефальные дофаминергические нейроны, утрата которых ведет к развитию болезни Паркинсона [72].

Как упоминалось выше, защита от ошибок фолдинга играет особенно важную роль для клеток, обильно секретирующих белок. Поскольку синтез иммуноглобулинов находится под надзором системы UPR, в контексте стресса ЭР можно упомянуть о множественной миеломе. В настоящее время активно изучается механизм действия бортезомиба — препарата, подавляющего функцию протеосом и высокоэффективного в ряде случаев множественной миеломы. Некоторые исследования [73] указывают на прямую корреляцию его эффективности с уровнем экспрессии XBP-1.

Предполагается, что мисфолдинг играет важную роль и в других онкологических процессах. Последние данные указывают на участие UPR в развитии рака простаты [74] и молочной железы в связи с активацией гена липокалина-1, являющегося медиатором опухолевой прогрессии злокачественных новообразований эпителиального происхождения [75].

Рак легких выделяется в плеяде злокачественных опухолевых заболеваний наличием известного этиологического фактора. В последние годы довольно оригинальные исследования были посвящены влиянию компонентов табачного дыма на индукцию стресса ЭР и его роли в злокачественном перерождении ткани легкого (а также в развитии идиопатического фиброза и ХОБЛ) [76].

Особое значение стресс ЭР, по-видимому, имеет для развития такой патологии, как сахарный диабет. Инсулин — белковый гормон; поэтому при поступлении в организм углеводов резко возрастает нагрузка на ЭР β-клеток и создаются условия для их апоптоза.

В стадии развернутой клинической картины сахарного диабета глюко- и липотоксичность также нарушают компенсацию стресса ЭР [77—79]. Помимо снижения секреции инсулина из-за сокращения популяции β-клеток, стресс ЭР играет важную роль в формировании ожирения и инсулинорезистентности жировой, печеночной и мышечной ткани.

Таким образом, открывается возможность описать в понятиях стресса ЭР все ключевые звенья патогенеза сахарного диабета 2-го типа [80, 81].

Наконец, изучение системы ответа на мисфолдинг как части стресса ЭР представляет интерес для микробиологии, поскольку ряд вирусов (например, вирус гепатита С, коронавирус, вирус простого герпеса, вирус гриппа А) способны преодолевать блокаду синтеза белка клеткой-хозяином для поддержания репликации собственных капсидов [82—85].

Этот весьма неполный список позволяет предполагать, что мисфолдинг является неким «общим местом» многих разнородных патологических процессов. Весьма вероятно, что система ответа на мисфолдинг (UPR) выступает в роли важного внутриклеточного коммутатора сигналов гибели клеток. Это обстоятельство делает ее многообещающей мишенью фармакотерапии.

UPR как эволюционно сформированный ответ на стресс ЭР

ЭР чувствителен ко многим формам нарушения гомеостаза. Вследствие этого популяции его белков могут принимать ошибочную пространственную организацию, теряя свою нормальную функцию и формируя угрозу жизни клетки.

Стресс ЭР может развиться в силу следующих причин [28]: относительная или абсолютная нехватка шаперонов; дефицит энергии для поддержания работы шаперонов; истощение депо Ca++, присутствие которого необходимо для правильной работы шаперонов; нарушение окислительно-восстановительных параметров внутренней среды ЭР; белковые мутации, исключающие нормальную работу механизмов надзора за созреванием белка.

Независимо от причины, нарушение физиологии ЭР приводит к накоплению внутри его просвета белков с нарушенной конформацией и запуску специфического ответа на мисфолдинг UPR [86]. Задачей UPR является компенсация стресса ЭР, восстановление гомеостаза и, в конечном счете, предотвращение гибели клетки. Для достижения этих целей UPR использует несколько скоординированных мер: снижение поступления вновь синтезированного белка в полость ЭР; расширение функциональной емкости ЭР путем увеличения количества шаперонов; усиление изгнания из ЭР и последующей утилизации белков с необратимо нарушенной конформацией.

Если, невзирая на все эти меры, стресс ЭР усугубляется, сигнальные пути UPR переключаются на запуск апоптоза, причем общим корнем всей совокупности вышеописанных эффектов является триада трансмембранных белков ЭР: PERK, IRE1α и ATF6. BiP является одним из основных шаперонов ЭР; небольшая его фракция связывает просветные домены сенсоров (PERK, IRE1α и ATF6). Рост нагрузки на ЭР вызывает мобилизацию этой фракции (высвобождение BiP) и закономерную активацию сенсоров. Пролонгирование стресса ЭР ведет к преобладанию проапоптотических сигналов над адаптивными. Конечное решение о самоубийстве клетка принимает, исходя из фенотипического и патофизиологического контекста. Разные клеточные диффероны по-разному реагируют на сигналы UPR. Возможно, ради поддержания секреции организм готов допустить гибель определенных субпопуляций: восстановимых (остеобласты [87]) или тех, чей секрет жизненно необходим (β-клетки островков Лангерганса [25]).

Конфликт интересов: авторы cообщают об отсутствии конфликта интересов.

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо с ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail