Белки межклеточной адгезии P-, E- и H-кадгерины как биомаркеры онкологических и сердечно-сосудистых заболеваний

Атеросклероз как основная причина поражения артериального русла, в том числе коронарных артерий, занимает лидирующие место среди причин заболеваемости и смерти во всех экономически развитых странах, в частности в России [1]. На ранних стадиях атеросклероз может протекать бессимптомно, однако по мере прогрессирования он приводит к серьезным осложнениям, особенно при разрыве атеросклеротических бляшек (АСБ). Зачастую первым проявлением ишемической болезни сердца (ИБС) становится инфаркт миокарда, что особенно важно в отношении бессимптомных пациентов, имеющих очень высокий риск сердечно-сосудистых осложнений [1].

Атеросклероз характеризуется образованием в стенке артерий АСБ, состоящих из жирных кислот, холестерина, кальция, фибрина, клеточного детрита, которые накапливаются в субэндотелиальном слое сосуда. В основе формирования АСБ лежит не только дислипидемия, но и изменения в самой артериальной стенке. Перспективным направлением считается изучение хронического воспалительного процесса эндотелиального слоя, который обусловлен сложным каскадом клеточных реакций, что создает необходимый фон для отложения липопротеинов [2].

Важную роль в патогенезе хронического воспаления играют молекулы адгезии, участвующие в образовании клеточных слоев и межтканевых барьеров посредством соединения и удержания клеток между собой [3]. Так, нарушение барьерной функции эндотелия играет центральную роль в патогенезе как острых, так и хронических воспалительных процессов, в том числе в развитии атеросклероза. Из-за ослабления контактов между эндотелиальными клетками повышается проницаемость сосудистой стенки для белков, липидов, ионов крови, что в свою очередь приводит к отложениям этих молекул в толщу сосуда и формированию АСБ и субэндотелиального отека. Однако более точный патогенез этих реакций до конца не изучен [4].

К молекулам клеточной адгезии относят белки, выполняющие различные функции и принадлежащие к различным классам: трансмембранные клеточные рецепторы — интегрины, белки из семейства молекул клеточной адгезии — селектины и кадгерины и др. Их патофизиологические функции активно изучаются.

Современные методы исследований, в том числе сравнительный протеомный анализ, позволяют глубже погрузиться в патогенез атеросклероза путем определения белкового профиля биологических субстанций, таких как атеросклеротические бляшки, клетки их микроокружения или сыворотка крови пациента как наиболее доступный для анализа материал [5]. Изучение белкового состава может указать на предположительные механизмы развития патологического процесса и определить мишени, которые могут быть использованы для таргетной терапии, направленной на борьбу с прогрессированием атеросклероза или профилактику этого заболевания. Кроме того, обнаружение новых биомаркеров открывает перспективы в создании диагностических тестов для выявления ИБС на ранней стадии и/или бессимптомной формы, а также для стратификации индивидуального сердечно-сосудистого риска пациента в отношении нежелательных сердечно-сосудистых событий.

Благодаря протеомному анализу сыворотки крови с последующей валидацией методом иммуноферментного анализа удалось установить взаимосвязь белков семейства межклеточной адгезии (P-, E- и H-кадгеринов) с развитием коронарного и периферического атеросклероза, а также с частотой негативных сердечно-сосудистых событий в течение 3 лет наблюдения [6, 7]. В связи с этим целесообразно представить обзор результатов исследований, освещающих роль белков межклеточной адгезии, в частности кадгеринов, в механизме развития онкологических и сердечно-сосудистых заболеваний.

Цель исследования — обобщить и проанализировать современные данные о роли молекул межклеточной адгезии, в частности кадгеринов, в регуляции сосудистой функции, воспалительных реакций и формировании сердечно-сосудистых заболеваний, включая атеросклероз, оценить диагностический и прогностический потенциал P-, E- и H-кадгеринов.

Материалы для анализа отбирались посредством систематического поиска научной литературы в международных библиографических базах данных, включая PubMed, BioMed Central, Web of Science и Scopus. Поиск проведен с использованием ключевых слов, отражающих тематику межклеточной адгезии, кадгеринов и их роли в сердечно-сосудистых и онкологических заболеваниях. Несмотря на широкий охват источников, публикации, в которых все аспекты заявленной темы рассматривались бы комплексно в необходимом объеме, не выявлены, что подчеркивает актуальность и научную новизну настоящего обзора.

Для существования и нормального функционирования человеческого организма необходимо создание стабильных систем, изолирующих одни ткани от других, что в свою очередь формирует потребность в полупроницаемых клеточных диффузионных барьерах. В качестве примера можно привести гематоэнцефалический барьер, который защищает структуры головного мозга, пропуская только определенные молекулы, или интестинальный барьер, позволяющий усваивать необходимые питательные вещества, ограничивая при этом прохождение патогенных молекул и микробов. Нарушение функции подобных систем приводит к патологическим процессам, таким как воспалительные заболевания, нейродегенеративные расстройства, метаболические нарушения, а также прогрессирование онкологических и сердечно-сосудистых заболеваний, включая атеросклероз [8, 9]. Формирование и поддержание целостности любого барьера, в том числе эндотелиального, основано на прочности межклеточных контактов. Эту задачу выполняют межклеточные соединения [10].

Межклеточные соединения подразделяют на адгезивные (якорные) и плотные (запирающие) контакты. Плотные контакты регулируют транспортировку ионов и молекул малого диаметра между клетками и определяют полярность мембраны. Адгезивные контакты опосредуют скрепление клеток друг с другом с помощью нектинов и кадгеринов [11]. Они необходимы для того, чтобы клетки имели возможность координированно использовать актиновый цитоскелет. Адгезивные контакты относятся к гомофильным, т.е. обеспечивают соединение клеток одинакового типа, формируя целостный клеточный слой. Белки, участвующие в формировании адгезивных контактов, соединяются с пучками сократительных актиновых филаментов, проходящих вдоль мембраны клеток, которые в свою очередь соединяются между собой с помощью белков катенинов и кадгеринов. Такая организация позволяет не только противостоять механическому напряжению, но и в норме обеспечивать согласованную функциональную активность клеток [12].

В отличие от плотных контактов, морфология адгезивных контактов относительно проста: они не имеют иных высокоспециализированных ультраструктур, кроме актиновых филаментов. От других типов межклеточных соединений их отличают относительная гибкость и изменчивость [13]. Основу адгезивных контактов составляют белки катенины и кадгерины [12]. Участие последних активно исследуется в контексте различных патологических состояний, в том числе сердечно-сосудистых заболеваний.

Кадгерины участвуют в образовании адгезивных межклеточных контактов и обеспечивают кальций-зависимое гомофильное соединение клеток в плотных тканях организма. Кадгерины не только осуществляют механическое соединение клеток друг с другом, образуя слои и клеточные группировки, но также отвечают за специфическое распознавание одних клеток другими [14]. Кроме того, они обеспечивают передачу механических и химических сигналов между клетками, включая активацию пути Wnt/β-катенина, регуляцию эпителиально-мезенхимального перехода и перестройку цитоскелета через малые GTPазы, что играет ключевую роль в контроле пролиферации, миграции и полярности клеток [15].

Кадгерины обладают общими структурными особенностями, к которым относят внеклеточный домен, располагающийся снаружи клеточной мембраны, находящийся в мембране трансмембранный домен и консервативный цитоплазматический домен, погруженный внутрь клетки, который отвечает за взаимодействие с цитоплазматическими белками и структурой цитоскелета (см. рисунок). Внеклеточный домен состоит из пяти высокогомологичных аминокислотных последовательностей, определяющих его стержневую конфигурацию и придающих структуре определенную жесткость. С помощью наружного домена кадгерины распознают гомологичные структуры на других клетках и обеспечивают связь и удержание клеточного слоя [16]. Классические кадгерины, к которым относят E (epithelial)-, N (neural)-, P (placental)-, VE (vascular-endothelial)-, R (retinal)-, и K (kidney)-кадгерины, структурно отличаются от атипичных кадгеринов, к которым относят среди прочих H-(T-) кадгерин. Атипичные кадгерины выполняют функцию трансмембранных рецепторов и лишены внеклеточного домена; внутриклеточные же домены используются для взаимодействия с цитоскелетом контактирующих клеток, благодаря чему обеспечивается межклеточный контакт [17].

Структура адгезивных межклеточных контактов с помощью кадгеринов. Адаптировано по M. Hegazy и соавт. [17].

Дск — десмоколлин; Дсг — десмоглеин; ПФ — промежуточный филамент; ПКГ — плакоглобин; ПКФ — плакофилин.

Традиционно кадгерины рассматриваются в контексте онкологических заболеваний, поскольку сила межклеточного взаимодействия отражается на интенсивности опухолевого роста [18]. Кроме того, метастазирование сопровождается изменением экспрессии кадгеринов: она может быть как повышенной, так и пониженной в зависимости от типа кадгерина и ткани, в которой происходит опухолевый процесс [19]. Так, в гепатокарциноме, меланоме, для которых характерны быстрый рост и метастазирование, экспрессия P-кадгерина снижена, в то время как высокий уровень P-кадгерина является характерной чертой опухолей молочной железы, яичников, предстательной железы, эндометрия, кожи, желудка, поджелудочной железы и толстой кишки. Это может указывать на его способность провоцировать агрессивное поведение злокачественного новообразования [20, 21].

В качестве супрессора опухолевого роста рассматривается E-кадгерин [22]. Снижение экспрессии этого белка способствует эпителиально-мезенхимальному переходу — процессу, при котором эпителиальные клетки теряют свою полярность и межклеточные контакты, приобретая свойства мезенхимальных клеток, включая подвижность и инвазивность, что характерно при опухолевом перерождении ткани. Однако во многих опухолях, включая рак молочной железы и желудка, опухолевые клетки могут сохранять экспрессию E-кадгерина, что также ускоряет метастазирование. Мутации в гене CDH1, кодирующем E-кадгерин, широко распространены при наследственном диффузном раке желудка (HDGC) и некоторых формах рака молочной железы, изменяя адгезивные свойства клеток и их взаимодействие с другими молекулами клеточной адгезии [22].

Известно, что H-кадгерин (T-кадгерин, CDH13) — атипичный кадгерин, прикрепленный к мембране с помощью GPI (гликозилфосфатидилинозитольного) якоря. В отличие от классических кадгеринов он не участвует в прямом межклеточном сцеплении, но регулирует сигнальные пути, влияющие на клеточную полярность и подвижность. В норме H-кадгерин экспрессируется в сердце, сосудах и эпителиальных тканях. В развитии онкологических заболеваний его роль противоречива: снижение экспрессии H-кадгерина наблюдается при ряде опухолей (молочная железа, легкие, толстая кишка) и связано с опухолевой прогрессией, тогда как при раке простаты его уровень повышен на ранних стадиях, но снижается при агрессивном течении заболевания [23]. Гиперэкспрессия H-кадгерина в случае предраковых изменений (простатическая интраэпителиальная неоплазия, PIN) и на ранних стадиях рака может указывать на участие H-кадгерина в инициации опухолевого процесса. Помимо этого, H-кадгерин влияет на чувствительность к химиотерапии: экспрессия H-кадгерина повышает чувствительность клеток рака простаты к доксорубицину, что открывает перспективы в использовании этого вещества как маркера эффективности противораковой терапии, а также как потенциальной терапевтической мишени.

Одним из ключевых онкогенных механизмов, в которых участвуют кадгерины, является коллективная миграция клеток (КМК) — процесс, имеющий место не только при прогрессии злокачественных опухолей, но и при регенерации тканей, ремоделировании сосудов и воспалительных реакциях.

Коллективная миграция клеток представлена движением клеток в кластерах в виде полосы, слоя или трубки. Этот процесс лежит в основе развития как опухолевых метастазов, так и репарации ткани. Несмотря на важность этих движений в нормальных и патологических условиях, молекулярные механизмы, контролирующие процесс, остаются неизвестными. Показано, что КМК регулируется консервативным каскадом пути передачи сигналов Jun N-terminal kinase (JNK). В работе C. Plutoni и соавт., в которой изучали взаимосвязь P-кадгерина и КМК, показано, что P-кадгерин усиливает межклеточное натяжение и сцепление клеток [18]. При этом повышенная экспрессия P-кадгерина ассоциирована с перестройкой цитоскелета, облегчающей движение клеток за счет механического натяжения посредством множественных клеточных контактов, благодаря чему клетки перемещаются не поодиночке, а группами. В клеточном слое функция P-кадгерина заключается в том числе в равномерном распределении механического натяжения, что способствует координированному движению. Сообщается, что P-кадгерин активирует сигнальные пути Cdc42 и β-PIX, которые усиливают полярность клеток и стимулируют плитотаксис, т.е. миграцию в сторону максимального/минимального натяжения (напряжения сдвига). Эти данные могут объяснить участие P-кадгерина не только в онкологических заболеваниях, но и в развитии сердечно-сосудистой патологии, в том числе атеросклероза.

Помимо P-кадгерина, в регуляции КМК, координированного движения клеточных пластов и формировании тканевых структур участвуют E-кадгерин и H-кадгерин. В частности, E-кадгерин — ключевой компонент адгезивных контактов эпителиальных клеток. Снижение экспрессии E-кадгерина характерно для эпителиально-мезенхимального перехода (ЭМП) в ходе активного опухолевого процесса, сопровождающегося ослаблением межклеточных контактов и приобретением клетками подвижности [24]. Однако в случае КМК E-кадгерин выполняет иную функцию — участвует в координации движений клеток в пределах кластера, обеспечивая их сцепление и передачу механических сигналов.

В отличие от классических кадгеринов H-кадгерин не имеет трансмембранного домена и закрепляется в мембране с помощью GPI якоря. Благодаря этому H-кадгерин приобретает уникальные свойства регулятора клеточной адгезии и подвижности, а также способность модулировать поведение клеток в условиях измененного натяжения. Его роль в КМК остается недостаточно изученной, но имеются данные о его влиянии на ремоделирование сосудистой стенки, что может играть немаловажную роль в контексте атеросклероза.

Таким образом, E-, H- и P-кадгерины координируют движение клеток в тканевых пластах, регулируя взаимодействие с внеклеточным матриксом, и участвуют в передаче механических сигналов между клетками. Эти процессы важны для нормального морфогенеза и регенерации тканей, но происходят и при патологии, такой как опухолевое разрастание и сердечно-сосудистые заболевания.

Появляется все больше информации о роли кадгеринов в атерогенезе. Показано, что кадгерины участвуют в регуляции эндотелиальной функции путем обеспечения межклеточных коммуникаций внутри сосудистой стенки. Так, P-, E- и H-кадгерины могут влиять на стабильность сосудистых клеток и воспалительные процессы, что делает их потенциальными биомаркерами атеросклероза. При наличии таких факторов риска развития сердечно-сосудистых заболеваний, как сахарный диабет 2 типа, дислипидемия, курение, артериальная гипертензия, барьерная функция сосудистого эндотелия ослабевает. Это приводит к повышению проницаемости эндотелиального барьера для липопротеинов низкой плотности во внутренние слои сосудистой стенки.

Данные протеомного анализа показывают, что уровни P-, E- и H-кадгеринов связаны с развитием и прогрессированием атеросклероза [7, 25]. В работе N. Gumanova и соавт. определены ассоциации уровней P-, E- и H-кадгеринов с тяжестью коронарного атеросклероза и сердечно-сосудистыми исходами. Показана обратная связь H-кадгерина с тяжестью коронарного атеросклероза, т.е. его повышенный уровень в сыворотке крови ассоциирован с менее выраженным атеросклеротическим поражением сосудов [25], что согласуется с данными исследования D. Pfaff и соавт. [26]. Это может указывать на потенциальную защитную роль H-кадгерина в прогрессировании атеросклероза. Напротив, E-кадгерин сыворотки крови ассоциирован с гемодинамически значимым атеросклерозом и риском развития неблагоприятных сердечно-сосудистых событий, в то время как уровень P-кадгерина в сыворотке крови ассоциирован с любой степенью атеросклероза, в том числе начальной [6]. В связи с этим совокупность содержания P- и E-кадгеринов в сыворотке крови имеет потенциал нового диагностического теста для определения стадии коронарного атеросклероза [7]. Можно предположить, что P-кадгерин вовлечен в нарушение эндотелиального барьера и развитие атеросклеротических бляшек как регулятор повышения проницаемости сосудов и развития в них воспалительного процесса, особенно в случае активации протеинкиназы C — альфа-фермента, регулирующего клеточную адгезию [27]. Кроме того, показано, что P-кадгерин положительно коррелировал с уровнем маркера эндотелиальной дисфункции эндотелином 1-21 [6].

Молекулы межклеточной адгезии, в частности кадгерины, обеспечивают структурную целостность тканей, регулируя межклеточные взаимодействия и передачу сигналов. Их дисфункция связана с воспалительными, онкологическими и сердечно-сосудистыми заболеваниями, включая атеросклероз. Показана обратная связь H-кадгерина с тяжестью коронарного атеросклероза. Напротив, содержание E-кадгерина в сыворотке крови ассоциировано с гемодинамически значимым атеросклерозом и риском развития неблагоприятных сердечно-сосудистых событий, в то время как уровень P-кадгерина в сыворотке крови связан с любой степенью атеросклероза, в том числе начальной. Вследствие этого совокупность содержания P- и E-кадгерина в сыворотке крови имеет потенциал нового диагностического теста для определения стадии коронарного атеросклероза. Кроме того, показано, что P-кадгерин напрямую коррелировал с уровнем маркера эндотелиальной дисфункции и эндотелина.

Дальнейшие исследования позволят оценить прогностическую значимость кадгеринов, определить пороговые значения их концентрации и оценить их динамику в ответ на терапию. Включение P-кадгерина в мультибиомаркерные панели может повысить точность диагностики и прогнозирования сердечно-сосудистых заболеваний.

Вклад авторов: концепция и дизайн исследования — Васильев Д.К., Гуманова Н.Г.; сбор и обработка материала — Васильев Д.К., Левшина А.Р.; статистический анализ данных — Васильев Д.К.; написание текста — Васильев Д.К., Левшина А.Р.; научное редактирование — Гуманова Н.Г., Драпкина О.М.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Authors contribution: study design and concept — Vasilyev D.K., Gumanova N.G.; data collection and processing — Vasilyev D.K., Levshina A.R.; statistical analysis — Vasilyev D.K.; text writing — Vasilyev D.K., Levshina A.R.; scientific editing — Gumanova N.G., Drapkina O.M.