Новая теория рака. 2-ая редакция

[albert52]

Вставка 4.

Усиленное потр***ение глюкозы раковыми клетками (эффект Варбурга) породило надежду на то, что такая метаболическая особенность опухолей может быть использована для лечения больных раком. Интерес к эффекту Варбурга как ахиллесовой пяте, который будет использоваться при лечении рака, был дополнительно стимулирован демонстрацией того, что усиленный метаболизм глюкозы является частым следствием многих мутаций, ответственных за рак человека, и, следовательно, может быть центральным процессом, необходимым для рост опухоли.

Однако с точки зрения разработки стратегий лечения рака опухолевый метаболизм до сих пор является скорее священным Граалем, чем ахиллесовой пятой. Часть трудностей заключается в гибкости метаболических систем и разнообразии питательных веществ, к которым имеют доступ опухоли. Таким образом, полная картина метаболизма любой опухоли должна учитывать вклад нескольких питательных веществ одновременно.

Главным среди других питательных веществ, доступных опухолям, является глутамин, самая распространенная аминокислота в плазме и основной переносчик азота между органами. Важность глутамина в метаболизме опухолевых клеток обусловлена ​​характеристиками, которые он разделяет с глюкозой. Оба питательных вещества помогают удовлетворить две важные потребности в пролиферирующих опухолевых клетках: биоэнергетика (производство АТФ) и обеспечение промежуточных соединений для макромолекулярного синтеза.

Глютамин является универсальным питательным веществом, которое участвует в образовании энергии, окислительно-восстановительном гомеостазе, макромолекулярном синтезе и передаче сигналов в раковых клетках. В концентрациях 0,6–0,9 ммоль / л глутамин является наиболее распространенной аминокислотой в плазме. Хотя большинство тканей может синтезировать глютамин, в периоды быстрого роста или других стрессов спрос превышает предложение, и глютамин становится условно необходимым. Это требование к глютамину особенно верно в отношении раковых клеток.

У здоровых людей пул глютамина в плазме в основном является результатом высвобождения из скелетных мышц. Легкие человека также обладают способностью к заметному выделению глютамина, хотя такое выделение наиболее заметно во времена стресса. Стресс-индуцированное высвобождение из легких регулируется индукцией экспрессии глутаминсинтазы как следствие передачи сигналов глюкокортикоидами и другими механизмами. Хотя это приводит к небольшой артериовенозной разнице, общий выброс глютамина является значительным из-за большой легочной перфузии.

Жировая ткань является второстепенным, но потенциально важным источником глютамина. Печень обладает способностью синтезировать или катаболизировать глютамин, причем эти виды деятельности подвержены как региональной гетерогенности среди гепатоцитов, так и регуляторным эффектам системного ацидоза и гипераммонемии. Тем не менее, печень, по-видимому, не вносит основной вклад в пул глютамина в плазме у здоровых людей.

Потр***ение глютамина у здоровых людей происходит в основном в кишечнике и почках. Органы желудочно-кишечного тракта, дренированные портальной веной, особенно тонкая кишка, являются основными потребителями глютамина в плазме. Энтероциты окисляют более половины углерода глутамина до CO 2 , что составляет треть дыхания этих клеток у животных натощак. Почка также потр***яет много глютамина для поддержания кислотно-щелочного баланса.

Так, во время ацидоза почки существенно увеличивают поглощение глютамина, расщепляя его с помощью GLS с образованием аммиака, который выделяется вместе с органическими кислотами для поддержания физиологического pH. Глютамин также является основным метаболическим субстратом в лимфоцитах и ​​макрофагах, по крайней мере, во время митогенной стимуляции.

Рак, по-видимому, вызывает серьезные изменения в межорганном обороте глютамина. При этом не все раковые клетки нуждаются в экзогенной поставке глютамина. Так, клетки рака молочной железы демонстрируют системные различия в зависимости от глютамина, при этом клетки базального типа имеют тенденцию быть зависимыми от глютамина, а клетки люминального типа наоборот, более независимы. Устойчивость к депривации глютамина связана со способностью синтезировать глутамин de novo и / или вовлекать альтернативные пути анаплероза.

Катаболизм глутамина начинается с его превращения в глутамат в реакциях, которые либо отдают амидный азот в пути биосинтеза, либо выделяют его в виде аммиака. Последние реакции катализируются глутаминазами (GLS), из которых несколько изозимов кодируются генами GLS и GLS2.

Роль GLS2 в раке, по-видимому, зависит от контекста. Так, в некоторых тканях GLS2 является геном-мишенью p53 и, по-видимому, функционирует при подавлении опухоли. Так как онкоген c-Myc стимулирует экспрессию GLS, некоторые изозимы GLS можно позиционировать, по меньшей мере, как про-онкогенные.
с-Myc управляет поглощением глутамина и катаболизмом, активируя экспрессию генов, участвующих в метаболизме глутамина, включая GLS и SLC1A5 , который кодирует Na + -зависимый переносчик аминокислот ASCT2. Усиление Mус происходит в 20-25% нейробластом и коррелирует с плохим исходом.

Глутамат, продукт реакции GLS, является предшественником глютатиона, важного клеточного антиоксиданта. Он также является источником аминогрупп для заменимых аминокислот, таких как аланин, аспартат, серин и глицин, которые необходимы для макромолекулярного синтеза. В клетках, потр***яющих глутамин, глутамат также является основным источником α-кетоглутарата, промежуточного звена цикла TCA и трансаминирования аминокислот, а также субстрата для диоксигеназ, которые модифицируют белки и ДНК.

Превращение глутамата в α-кетоглутарат происходит либо посредством окислительного дезаминирования глутаматдегидрогеназой (GDH) в митохондрии, либо в процессе трансаминирования. Во время активного метаболизма глюкозы преобладает путь трансаминирования. Когда глюкозы мало, GDH становится основным путем доставки глютаминового углерода в цикл TCA и необходим для выживания клеток.
При дисфункции митахондрий вследствии мутаций или гипоксии полученный из глутамина α-кетоглутарат может восстанавливать цикл TCA (см. ваше). Глутамин также подавляет экспрессию тиоредоксин-взаимодействующего белка, негативного регулятора поглощения глюкозы.

Патологический рост раковых клеток зависит от поддержания пролиферативных сигнальных путей с повышенной автономией по сравнению с незлокачественными клетками. В некоторых раковых клетках избыток глютамина экспортируется в обмен на лейцин и другие незаменимые аминокислоты. Этот обмен облегчает активацию серин / треонинкиназы mTOR, основного положительного регулятора роста клеток. Кроме того, получаемый из глютамина азот является компонентом аминосахаров, известных как гексозамины, которые используются для гликозилирования рецепторов факторов роста и способствуют их локализации на клеточной поверхности. Нарушение синтеза гексозамина снижает способность инициировать сигнальные пути ниже факторов роста.

[ІК Юглон]

Сообщение от albert52

Вставка 4.

Усиленное потр***ение глюкозы раковыми клетками (эффект Варбурга) породило надежду на то, что такая метаболическая особенность опухолей может быть использована для лечения больных раком. Интерес к эффекту Варбурга как ахиллесовой пяте, который будет использоваться при лечении рака, был дополнительно стимулирован демонстрацией того, что усиленный метаболизм глюкозы является частым следствием многих мутаций, ответственных за рак человека, и, следовательно, может быть центральным процессом, необходимым для рост опухоли.

Однако с точки зрения разработки стратегий лечения рака опухолевый метаболизм до сих пор является скорее священным Граалем, чем ахиллесовой пятой. Часть трудностей заключается в гибкости метаболических систем и разнообразии питательных веществ, к которым имеют доступ опухоли. Таким образом, полная картина метаболизма любой опухоли должна учитывать вклад нескольких питательных веществ одновременно.

Главным среди других питательных веществ, доступных опухолям, является глутамин, самая распространенная аминокислота в плазме и основной переносчик азота между органами. Важность глутамина в метаболизме опухолевых клеток обусловлена ​​характеристиками, которые он разделяет с глюкозой. Оба питательных вещества помогают удовлетворить две важные потребности в пролиферирующих опухолевых клетках: биоэнергетика (производство АТФ) и обеспечение промежуточных соединений для макромолекулярного синтеза.

Глютамин является универсальным питательным веществом, которое участвует в образовании энергии, окислительно-восстановительном гомеостазе, макромолекулярном синтезе и передаче сигналов в раковых клетках. В концентрациях 0,6–0,9 ммоль / л глутамин является наиболее распространенной аминокислотой в плазме. Хотя большинство тканей может синтезировать глютамин, в периоды быстрого роста или других стрессов спрос превышает предложение, и глютамин становится условно необходимым. Это требование к глютамину особенно верно в отношении раковых клеток.

У здоровых людей пул глютамина в плазме в основном является результатом высвобождения из скелетных мышц. Легкие человека также обладают способностью к заметному выделению глютамина, хотя такое выделение наиболее заметно во времена стресса. Стресс-индуцированное высвобождение из легких регулируется индукцией экспрессии глутаминсинтазы как следствие передачи сигналов глюкокортикоидами и другими механизмами. Хотя это приводит к небольшой артериовенозной разнице, общий выброс глютамина является значительным из-за большой легочной перфузии.

Жировая ткань является второстепенным, но потенциально важным источником глютамина. Печень обладает способностью синтезировать или катаболизировать глютамин, причем эти виды деятельности подвержены как региональной гетерогенности среди гепатоцитов, так и регуляторным эффектам системного ацидоза и гипераммонемии. Тем не менее, печень, по-видимому, не вносит основной вклад в пул глютамина в плазме у здоровых людей.

Потр***ение глютамина у здоровых людей происходит в основном в кишечнике и почках. Органы желудочно-кишечного тракта, дренированные портальной веной, особенно тонкая кишка, являются основными потребителями глютамина в плазме. Энтероциты окисляют более половины углерода глутамина до CO 2 , что составляет треть дыхания этих клеток у животных натощак. Почка также потр***яет много глютамина для поддержания кислотно-щелочного баланса.

Так, во время ацидоза почки существенно увеличивают поглощение глютамина, расщепляя его с помощью GLS с образованием аммиака, который выделяется вместе с органическими кислотами для поддержания физиологического pH. Глютамин также является основным метаболическим субстратом в лимфоцитах и ​​макрофагах, по крайней мере, во время митогенной стимуляции.

Рак, по-видимому, вызывает серьезные изменения в межорганном обороте глютамина. При этом не все раковые клетки нуждаются в экзогенной поставке глютамина. Так, клетки рака молочной железы демонстрируют системные различия в зависимости от глютамина, при этом клетки базального типа имеют тенденцию быть зависимыми от глютамина, а клетки люминального типа наоборот, более независимы. Устойчивость к депривации глютамина связана со способностью синтезировать глутамин de novo и / или вовлекать альтернативные пути анаплероза.

Катаболизм глутамина начинается с его превращения в глутамат в реакциях, которые либо отдают амидный азот в пути биосинтеза, либо выделяют его в виде аммиака. Последние реакции катализируются глутаминазами (GLS), из которых несколько изозимов кодируются генами GLS и GLS2.

Роль GLS2 в раке, по-видимому, зависит от контекста. Так, в некоторых тканях GLS2 является геном-мишенью p53 и, по-видимому, функционирует при подавлении опухоли. Так как онкоген c-Myc стимулирует экспрессию GLS, некоторые изозимы GLS можно позиционировать, по меньшей мере, как про-онкогенные.
с-Myc управляет поглощением глутамина и катаболизмом, активируя экспрессию генов, участвующих в метаболизме глутамина, включая GLS и SLC1A5 , который кодирует Na + -зависимый переносчик аминокислот ASCT2. Усиление Mус происходит в 20-25% нейробластом и коррелирует с плохим исходом.

Глутамат, продукт реакции GLS, является предшественником глютатиона, важного клеточного антиоксиданта. Он также является источником аминогрупп для заменимых аминокислот, таких как аланин, аспартат, серин и глицин, которые необходимы для макромолекулярного синтеза. В клетках, потр***яющих глутамин, глутамат также является основным источником α-кетоглутарата, промежуточного звена цикла TCA и трансаминирования аминокислот, а также субстрата для диоксигеназ, которые модифицируют белки и ДНК.

Превращение глутамата в α-кетоглутарат происходит либо посредством окислительного дезаминирования глутаматдегидрогеназой (GDH) в митохондрии, либо в процессе трансаминирования. Во время активного метаболизма глюкозы преобладает путь трансаминирования. Когда глюкозы мало, GDH становится основным путем доставки глютаминового углерода в цикл TCA и необходим для выживания клеток.
При дисфункции митахондрий вследствии мутаций или гипоксии полученный из глутамина α-кетоглутарат может восстанавливать цикл TCA (см. ваше). Глутамин также подавляет экспрессию тиоредоксин-взаимодействующего белка, негативного регулятора поглощения глюкозы.

Патологический рост раковых клеток зависит от поддержания пролиферативных сигнальных путей с повышенной автономией по сравнению с незлокачественными клетками. В некоторых раковых клетках избыток глютамина экспортируется в обмен на лейцин и другие незаменимые аминокислоты. Этот обмен облегчает активацию серин / треонинкиназы mTOR, основного положительного регулятора роста клеток. Кроме того, получаемый из глютамина азот является компонентом аминосахаров, известных как гексозамины, которые используются для гликозилирования рецепторов факторов роста и способствуют их локализации на клеточной поверхности. Нарушение синтеза гексозамина снижает способность инициировать сигнальные пути ниже факторов роста.

Написано очень доходчиво. Может Вы развернете процесс взаимодействия онкоклеток , например со стрептококками и вирусом Ньюкасла ?

[albert52]

ІК Юглон, не повторяйте меня, по крайней мере на моей странице. Что мне писать, решаю я сам, всему свое время.

Вернемся к молекулярной биологии клетки. Как я уже упоминал, высокое соотношение АМФ / АТФ ( так правильнее) отражает заряд энергии клетки, вернее его дефицит, и АМФ самолично его повышает. На уровне передачи сигнала AMP-активируемая протеинкиназа (AMPK) является датчиком, который реагирует на изменения в соотношении ATP к AMP (и ADP) и координирует различные метаболические ответы с целью поддержки гомеостаза клеточной энергии. AMPK представляет собой гетеротримерный комплекс с каждой субъединицей, кодируемой более чем одним геном, а тканеспецифичная экспрессия различных изоформ обеспечивает генетически кодируемое средство опосредования гетерогенных регуляторных ответов.

AMPK отрицательно регулирует аэробный гликолиз (эффект Варбурга) в раковых клетках и подавляет рост опухоли. Инактивация AMPKα как в трансформированных, так и в нетрансформированных клетках способствует метаболическому переходу к аэробному гликолизу, увеличению перехода углерода глюкозы в липиды и накоплению биомассы, т.е. к анаболизму.

Многие из ведущих мутаций (драйверов), наблюдаемых при раке, также контролируют метаболизм опухолевых клеток, предполагая, что онкогенные и опухолевые супрессорные сети влияют на метаболизм как часть их способа действия. С метаболической точки зрения AMPK как энергетический сенсор способствует сохранению АТФ в условиях метаболического стресса, активируя пути катаболического метаболизма, такие как аутофагия и ингибирование анаболических процессов, включая биосинтез липидов, TORC1-зависимый биосинтез белка и пролиферацию клеток. Активность AMPK при раке таким образом связана со стрессоустойчивостью и выживаемостью в опухолевых клетках, предоставляя им гибкость для адаптации к характерному для них метаболическому стрессу .

AMPK обеспечивает как краткосрочный, так и долгосрочный контроль обратной связи для клеток, контролируя активность многочисленных белков посредством фосфорилирования. AMPK также регулирует у млекопитающих мишень рапамицинового комплекса-1 (mTORC1). Ингибирование mTORC1 имеет решающее значение для выживания клеток в условиях стресса, поскольку опосредованное рапамицином ингибирование может снижать процессы биосинтеза, которые потр***яют АТФ, и предотвращать биоэнергетическую катастрофу. Кроме того, активация аутофагии посредством фосфорилирования ULK1 может обеспечить дополнительное топливо для поддержки продукции АТФ в митохондриях.

Подавление активности AMPK устраняет ключевую метаболическую контрольную точку, которая обычно противодействует анаболическому прогрессированию клеточного метаболизма. Таким образом, AMPK может действовать в раковых клетках в качестве метаболического привратника, который функционирует для установления метаболических контрольных точек, ограничивающих деление клеток, и ее подавление может усиливать как онкогенез, так и прогрессирование опухоли.

Метаболический контроль на более длительных временных шкалах осуществляется AMPK посредством контроля экспрессии генов, например SREBP1. Этот белок регулирует гены, необходимые для метаболизма глюкозы и жирных кислот и производства липидов и его экспрессия регулируется с помощью инсулина. Инсулин - стимулированный SBREP-1c увеличивает гликолиз активацией фермента глюкокиназы и повышает липогенез (преобразование углеводов в жирные кислоты). Его активность регулируется уровнем стеролов в клетке.

Другой важной мишенью для AMPK является PGC1α, который является помощником факторов транскрипции как в ядре, так и в митохондриях ( здесь он помогает специальному фактору транскрипции — Tfam, который активирует только гены митохондриального генома). Сегодня PGC-1α рассматривается как одна из мишеней для лечения заболеваний, связанных с митохондриями. Например, небольшое увеличение экспрессии PGC-1α в мышцах приводит к ослаблению атрофии, облегчает течение мышечной дистрофии Дюшенна, болезни Паркинсона и Хантингтона.

[ІК Юглон]

уже не повторяю, то была техническая ошибка. Подожду. Спасибо

[albert52]

Таким образом, увеличение клеточного отношения AMP / ATP вызывает прогрессирующую активацию AMPK. ADP также может регулировать активацию AMPK путем защиты AMPK от дефосфорилирования.

Коснемся слегка интеграции АМФК в метаболическую сеть клетки для осознания сложности всего происходящего (беречь не буду).

Препарат для лечения диабета 2 типа метформин: механизм действия включает активацию AMPK в гепатоцитах. Метформин вызывает энергетический стресс путем ингибирования комплекса I дыхательной цепи в митохондриях. Это приводит к изменению отношения АТФ к АМФ и канонической активации АМФК и фосфорили -рованию ацетил-КоА-карбоксилазы (ACC) в качестве основного участника изменений в синтезе липидов, которые индуцируются метформином. Она, в свою очередь, модулирует чувствительность к инсулину и поглощение глюкозы в мышцах.

Существует 12 возможных комбинаций комплексов αβγ АМФК в зависимости от того, какие субъединицы составляют комплекс. Конкретные композиции субъединиц позволяют различным комплексам AMPK реагировать на различные типы стрессовых стимулов. Также разные субъединицы имеют разную субклеточную локализацию в клетках, например α2 может иметь ядерную локализацию. Но в целом AMPK локализуется в лизосомах благодаря взаимодействию с аксином, белком, который лучше всего характеризуется своей ролью в регуляции пути WNT. В этом контексте аксин также локализуется в лизосомах, где он взаимодействует с киназой печени B1 (LKB1; также известна как STK11, является опухолевым супрессором). LKB1 ответственна за большую часть активации AMPK при энергетическом стрессе.

Комплекс AMPK активируется путем фосфорилирования Thr172 в петле активации каталитической (α) субъединицы с помощью вышестоящей киназы. В ответ на энергетический стресс AMP стимулирует взаимодействие с аксином, что позволяет фосфорилировать Thr172 путем активации LKB1 и AMPK. Это позволит совместно регулировать mTOR, который играет противоположную роль по отношению к AMPK: он стимулирует анаболические пути в условиях высокой питательности. AMPK и mTOR являются компонентами древних консервативных путей, которые развивались как антагонистический механизм, похожий на инь-янь, контролирующий катаболизм и анаболизм.

Отметим, что глюкозное голодание активирует AMPK независимо от канонического AMP-зависимого аллостерического механизма. Скорее всего, связывание гликолитического фермента альдолазы с его субстратом фруктозо-1,6-бисфосфатом (FBP) регулирует образование комплекса AMPK-аксин и активность AMPK.

Учитывая роль пути AMPK-ACC в регуляции синтеза жирных кислот, активация AMPK также является привлекательным вариантом лечения для состояний, связанных с повышенной выработкой жирных кислот, таких как неалкогольная жировая болезнь печени (НАЖБП).

mTOR является ключевой регуляторной киназой, которая играет роль в регуляции рибосомальной трансляции мРНК в белки и важна для роста и выживания клеток. Передача сигналов mTOR усиливается при многих раковых заболеваниях, и поиск эффективных ингибиторов mTOR является основной задачей многих фармацевтических компаний.
mTOR активируется питательными веществами, факторами роста и другими стимулами и интегрирует сигналы от множества восходящих киназ, таких как пути киназы PI3K-Akt и Ras-Raf, и ингибиторов этих путей, таких как PTEN (гомолог фосфатазы и тензина, природный ингибитор PI3K-Akt), которые также ингибируют mTOR. АМФК является важным восходящим регулятором, и активация AMPK с помощью киназы печени B1 (LKB1) или сестрина 2 приводит к фосфорилированию комплекса туберозного склероза (TSC), который ингибирует mTOR.
Химиотерапия, нацеленная на mTOR, включает как прямые ингибиторы, такие как эверолимус и темсиролимус, так и ингибиторы киназ, расположенные выше по течению.

АФК-зависимая активация р53 приводит к индукции двух р53-регулируемых генов, а именно, сестрина 1 и сестрина 2, которые путем активации AMPKα ингибируют передачу сигналов mTOR . АФК (активные формы кислорода) могут сами опосредованно через глутатионовый косплекс активировать AMPKα. Эффекты различных индукторов АФК зависят от клеточного контекста; например, некоторые агенты, такие как куркумин, вызывают аутофагическую гибель клеток в раковых клетках толстой кишки, и предположительно АФК-зависимое ингибирование mTOR куркумином также способствует этому ответу.

Транскрипционные белки Sp1, Sp3 и Sp4 активно экспрессируются в раковых клетках и опухолях, а высокая экспрессия Sp1 в опухолях является негативным прогностическим показателем выживаемости пациентов с раком легких, поджелудочной железы, желудка, глиомы, простаты и молочной железы. Факторы транскрипции Sp играют важную роль в пролиферации, выживании и миграции / инвазии раковых клеток.
АФК-индуцирующие противораковые агенты индуцируют каскад событий, в которых АФК-зависимое эпигенетическое подавление c-Myc вызывает снижение экспрессии c-Myc-регулируемых микроРНК miR-27a и miR-20a / miR-17-5p, что приводит к индукции miR регулируемых транскрипционных репрессоров ZBTB10 / ZBTB34 и ZBTB4 соответственно. Репрессоры ZBTB связывают богатые аминокислотами GC сайты ДНК, чтобы вытеснить Sp1, Sp3 и Sp4. Эти сайты, кстати, особо чувствительно к эпигенетическому метилированию.

Индукторы АФК также могут быть эффективны для комбинированной терапии, поскольку многие Sp-регулируемые гены играют роль в лекарственной и радиационной устойчивости.

[albert52]

Три транскрипционных фактора, HIF-1, c-Myc и p53, являются ключевыми регуляторами и по-разному координируют регуляцию метаболизма клетки, в том числе раковой.

Большинство раковых клеток на ранней стадии канцерогенеза подвержены хронической гипоксии чаще всего воспалительной природы. Клетки должны чувствовать и реагировать на изменения окружающей среды. Сигнальный ответ на низкий уровень кислорода опосредуется семейством EGLN альфа-кетоглутарат (αKG) - зависимых диоксигеназ. У млекопитающих и человека, αKG-зависимые диоксигеназы играют роль в биосинтезе (например , биосинтез коллагена и биосинтез L-карнитин), посттрансляционной модификации (например , гидроксилирование белка - см. выше), эпигенетике (например деметилирование гистонов и ДНК вследствие гидроксилирования с последующей активизацией генов), а также наряду с АМФК служат датчиками энергетического обмена.

Реакция диоксигеназ на гипоксию опосредуется HIF ( гипоксией индуцируемый фактор): (HIF-1 и HIF-2), являются гетеродимерными факторами транскрипции, которые ответственны за изменения экспрессии генов при гипоксии. Они состоят из конститутивно экспрессированной субъединицы HIF-1β и субъединиц HIF-1α или HIF-2α, которые быстро экспрессируются при воздействии гипоксии. Субъединица HIF-1α экспрессируется повсеместно, тогда как экспрессия субъединицы HIF-2α ограничивается клетками эндотелия, легких, почек и печени.

HIF-1α является фактором транскрипции, ответственным за активацию экспрессии генов, вовлеченных в клеточный ответ на гипоксию . Эти генные продукты могут включать белки, такие как гликолитические ферменты и ангиогенные факторы роста.

В нормоксических условиях субъединицы HIF-1α подвергаются кислород-зависимому гидроксилированию ферментом пролилгидроксилазой 2 ( PHD2 - это диоксигеназа, ее ген EGLN ), что приводит к их распознаванию супрессором опухолей фон Гиппеля-Линдау (VHL), подключению убиквитинлигазы E3 и последующей деградации. Таким образом, период полураспада α-субъединицы HIF является коротким, когда уровни кислорода высоки, поскольку она нацелена на деградацию (см. выше). При гипоксии кислород становится ограничивающим фактором для гидроксилирования белка, и активный фактор транскрипции HIF накапливается.

Затем HIF-1α димеризуется с постоянно присутствующей субъединицей HIF-1β и накапливается в ядре. Впоследствии димер HIF-1 (т.е. активный комплекс HIF-1α и HIF-1β) связывается с элементом ответа на гипоксию генов-мишеней, что приводит к их транскрипционной активности.
PHD2 является основным регулятором уровней устойчивого состояния HIF-1α в клетке. Нокдаун PHD2 показал повышенные уровни HIF-1α при нормоксии и накопление ядерного HIF-1α и соответственно усиление HIF-зависимой транскрипции.

Фермент имеет высокое сродство к железу (II) и 2-оксоглутарату (также известному как вездесущий α-кетоглутарат) и образует долгоживущий комплекс с этими факторами. Изменение их концентрации приводит к тому, что пролилгидроксилазы реагируют на соответствующее «гипоксическое окно» для определенного типа клеток или ткани. Считается, что PHD2 является наиболее важным датчиком кислородного статуса клетки.

Альфа-кетозависимые гидроксилазы являются негемовыми, содержащим железо ферментами , которые поглощают кислород. Они катализируют широкий спектр реакций оксигенации и функционально сопоставимы с ферментами цитохрома Р450, которые используют кислород и восстановительные эквиваленты для оксигенации субстратов одновременно с образованием воды.

Каталитическая активность многих αKG-зависимых диоксигеназ зависит от уровня АФК в клетке, так как АФК окисляет Fe+ и в частности ограничивает активность генов EGLN и, соответственно PHD2, что повышает уровень HIFα и активирует HIF-зависимую транскрипцию. В этих случаях помогают восстанавливающие агенты (особенно аскорбат).

[albert52]

Продолжим.

В ходе эволюции аэробные организмы разработали сложные системы для реагирования на изменения концентрации кислорода, поскольку кислород выступает в качестве конечного акцептора электронов в окислительном фосфорилировании для производства энергии. Электронный перенос дыхательной цепи в митохондриях не является полностью эффективным, и происходит утечка электронов, которая образует активные формы кислорода (АФК), такие как супероксидный анион и перекись водорода, путем прямого восстановления кислорода.
Хотя клетки оснащены антиоксидантными системами, неосвоенные АФК оказывают сильное окислительное действие на клеточные компоненты, такие как липиды, белки и нуклеотиды, которые могут угрожать выживанию клеток. Поэтому необходимо тщательно регулировать концентрацию кислорода, чтобы сбалансировать потребность и снабжение кислородом, благодаря чему клетки могут поддерживать выработку АТФ с меньшим образованием АФК.

Гипоксия (пониженные условия содержания кислорода) может быть вызвана не только снижением поступления кислорода из местной системы кровообращения (например, при раке, ишемической болезни сердца и эмбролии), но также и повышенным потр***ением кислорода клетками, выполняющими определенные функции (например, при воспалении, пролиферации и гормональной секреции).

Индуцируемый гипоксией фактор (HIF) играет центральную роль в адаптивной регуляции энергетического метаболизма, инициируя переход от митохондриального окислительного фосфорилирования к анаэробному гликолизу в условиях гипоксии путем экспрессии переносчиков глюкозы (GLUT1 и GLUT3) и гликолитических ферментов, включая гексокиназу (HK1 и HK2) и фосфоглицераткиназу 1 (PGK1). Пируваткиназа M2 (PKM2) как альтернативная форма PK, экспрессируется преимущественно в эмбриональных и раковых клетках, она катализирует последнюю стадию необратимых реакций в гликолизе и индуцируется гипоксией HIF-1-зависимым образом.
HIF также является центральным фактором транскрипции, который обеспечивает адаптивный ответ на гипоксический стресс в нормальных и патологических состояниях путем активации большого количества генов, ответственных за доставку кислорода, ангиогенез, пролиферацию и дифференцировку клеток, и метаболизм.

Онкогены, такие как c-Myc и v-Src, способствуют метаболическому перепрограммированию, в частности, благодаря активации HIF-1, пусть и опосредованно (об этом позже). Кроме того, потеря генов-супрессоров опухолей, включая PTEN и VHL, вовлечена в развитие эффектов Варбурга посредством активации HIF-1 независимо от концентрации кислорода.
HIF также снижает потр***ение кислорода в митохондриях путем ингибирования превращения пирувата в ацетил-КоА с торможением ТСА цикла, что ведет к снижению выработки NADH и тем самым подавлению митохондриального биогенеза и активации аутофагии митохондрий, одновременно со снижением продукции АФК.

Недавно установлено, что в ответ на гипоксию HIF-1 индуцирует транскрипцию микроРНК miR-210, которая снижает экспрессию железо-серных каркасных белков ISCU1/2, необходимых компонентов для сборки железо-серного кластера. Поскольку железо-серный кластер является обязательным условием для активности аконитазы, субъединицы D ***цинатдегидрогеназы, комплекса I и субъединицы COX10, увеличение miR-210 ингибирует цикл TCA и окислительное фосфорилирование, что приводит к снижению потр***ения митохондриального кислорода при гипоксии.

Кроме того, метаболическое перепрограммирование в ответ на гипоксию посредством активации HIF не ограничивается регуляцией углеводного обмена; это происходит и в липидном обмене, поскольку окислительное расщепление жирных кислот потр***яет большое количество кислорода. Отметим, что в регуляции β-окисления жирных кислот активен HIF-2, а не HIF-1, как обычно. Впрочем, HIF-1 защищает от развития алкогольной жирной печени путем ингибирования синтеза жирных кислот de novo.

При липидном обмене липогенез и окисление жирных кислот в печени происходят соответственно в перицентральной (менее оксигенированной) и перипортальной (хорошо оксигенированной) области ацинуса печени. Когда экспрессия HIFα форсируется либо инактивацией гена VHL, либо аденовирусным вектором, кодирующим ген HIFα, HIF-опосредованные метаболические изменения представляются важными для поддержания локального кислородного гомеостаза в печени путем ограничения либо потр***ения кислорода (окисление жирных кислот), либо утилизации АТФ (синтез жирных кислот de novo), что и наблюдается при гипоксии.

[albert52]

Вставка 5.

Еще в 1976 году Лю Б. Н. была высказана идея: в активно функционирующих предопухолевых и опухолевых клетках повышаются уровни свободного О2 и его парциального давления вследствие уменьшения потр***ения О2 отчасти дефектными в них митохондриями. «Гипоксия» при гипероксии является характерным состоянием активной истинно неоплас -тической клетки. С повышенным в ней рО2 и избыточным перекисным окислением биологических молекул, прежде всего липидов, в конечном счете связываются дестабилизация всех мембранных структур, изменение активности многих ферментов и вынужденное зависимое от активных форм О2 перепрограммирование части генома.

Указанные представления легли в основу общей кислородно-перекисной концепции канцерогенеза. Исходя из тех же представлений впервые многие противоопухолевые агенты и факторы чётко подразделены на 2 категории – антиоксидантные, снижающие уровень окислительного стресса в опухолевых клетках, и прооксидантные, напротив, усиливающие его до летального уровня.

В дальнейшем кислородно-перекисная концепция была распространена на другие фундаментальные биологические процессы – окислительный митогенез, старение, возрастные патологии, апоптоз и окислительный цитолиз клеток. Под все эти феномены, как и под канцерогенез, подведено индуцирующее их начало в виде соответствующих «специализированных» дисбалансов Δ (ПО –АО) между прооксидантными (ПО) и антиоксидантными (АО) составляющми в клетке.

Отметим, что «зазор» между ПО- и АО-составляющими существует постоянно, травмируя прежде всего чувствительные к окислительным повреждениям митохондрии – основные О2-потр***яющие органеллы в клетке. В результате значения рО2 и Δ (ПО –АО) в клетке постепенно повышаются, и возникающий окислительный стресс становится объективной первопричиной нормального клеточного старения, возрастных патологий, в том числе атеросклероза, сахарного диабета, болезни Альцгеймера и спонтанного канцерогенеза. При более сильном возрастании Δ (ПО –АО) реализуются апоптоз и некроз. Это не исключает того, что в некоторых случаях негативные внешние воздействия (радиация, химические агенты и др.), особенно избыточные, могут одновременно прямо влиять на геном и создавать впечатление о единственности такого пути повреждающего их действия.

В постулируемой достаточно условной градации дисбалансы связаны между собой неравенствами
∆i (ПО – АО) < ∆p (ПО – АО) < ∆k (ПО – АО) < ∆ц (ПО – АО)
где ∆i (ПО – АО) соответствует клетке в покое, ∆p (ПО – АО) - в состоянии митоза, ∆k (ПО – АО) - при канцерогенезе, ∆ц (ПО – АО) вызывает гибель клетки. Следует подчеркнуть, что каждый из рассмотренных дисбалансов представляет определённый диапазон изменений, а не одну какую-то величину. Кроме того, для каждой ткани и даже клетки все эти переменные параметры индивидуальны по величинам и диапазону своего проявления.

При дефиците О2 в клетках деградируют митохондрии в соответствии с принципом: нефункционирование живой структуры есть способ её саморазрушения. Вместе с тем сокращение общей «мощности» митохондрий в клетке можно рассматривать как адаптивную реакцию на гипоксию и аноксию. Если степень сокращения митохондриальной базы слишком велика и энергообеспеченность серьёзно нарушена, то такая клетка, скорее всего, погибнет. Это крайний случай. Для многих же клеток более вероятна ситуация, когда утрата части митохондрий ведёт к некоторому снижению потр***ения О2, причём даже при слабых поступлении и утилизации О2 в зависимости от их соотношения в клетке могут устанавливаться разные уровни рО2 и, следовательно, ∆ (ПО – АО), от низких и вплоть до ведущих к избыточной пероксидации. Значит, эта категория клеток, хотя и с замедленной скоростью, также будет проходить через все указанные выше состояния.