Новая теория рака. 2-ая редакция

[albert52]

Продолжим.

В ответ на рост рО2 в земной атмосфере живая природа реализовала систему защитных механизмов, предохраняющих клетку от избыточного накопления в ней токсических продуктов ПОЛ (перекисного окисления липидов). Антиоксидантная система защиты, по общему мнению исследователей, является иерархической и осуществляется не менее чем на трёх уровнях.

Первая и основная ступень защиты – антикислородная. За счёт активности дыхательных ферментов и специальной группы соединений, депонирующих избыточный О2, данная ступень поддерживает внутри клеток довольно низкие значения рО2, порядка 1-5 мм рт. ст., достаточные, однако, для тканевого дыхания и энергообеспечения. Измеренное в цитозоле клеток (кардиомиоциты, гепатоциты и др.) значение рО2 составляет всего 0,4-4,0 мм рт. ст. Непосредственно же около митохондрий предположительно рО2 1 мм рт. ст., а в их матриксе – 0,01-0,1 мм рт. ст., т.е. на уровне критического рО2 для цитохромоксидазы как терминального фермента дыхательной цепи.

Антикислородная линия защиты не в состоянии, вероятно, полностью предотвратить возможные негативные последствия избыточного ПОЛ, поскольку необходимые для него свободные радикалы образуются в процессах нормального метаболизма. Поэтому существуют последующие более «тонкие» ступени защиты – антирадикальная и антиперекисная, надёжная работа которых зависит от исправного функционирования антикислородной линии защиты.

В клетках неоплазмы воспроизводится состояние фиктивной гипоксии, при которой даже избыток О2 не может быть эффективно использован для дыхания, а степень повышения рО2 в значительной мере определяется степенью инактивации дыхательных ферментов и деградации митохондрий. Таким образом, «гипоксия» при гипероксии является, по-видимому, характерным состоянием истинно опухолевой клетки.

Следует особо отметить, что в своей биохимической теории рака Варбург прошёл мимо указанных идей, особенно ключевой идеи о внутриклеточной гипероксии, детерминируемой снижением интенсивности дыхания. По Варбургу возникновение опухолей связано с фактическим постоянным недостатком О2, вызванным теми или иными затруднениями в снабжении О2, развитием в этих условиях высокой гликолитической активности, которая компенсирует возникший дефицит энергии. Как я уже указывал, такое наблюдается далеко не всегда. Низкое рО2 внутри неоплазм может быть результатом их нерегулируемого роста, объёмного расположения и относительности бедности капиллярной сети, но не отражением какого-то характерного свойства самих опухолевых клеток вообще.

Установлено, что размножающиеся клетки в различных зонах опухоли располагались преимущественно около поддерживающей стромы. На периферии опухолей и вдоль нормально функционирующих в них кровеносных сосудов должен существовать определённый, непрерывно воспроизводимый слой гипероксических опухолевых клеток, величина рО2 в которых постоянно превышает таковую в гомологичных им нормальных клетках. Эта особенность клеток предопределяет, в частности, устойчивое распространение опухолевого процесса «вширь» за счёт незатухающей активности периферийного слоя. Чем больше объём опухоли, тем меньшую долю в нём будет занимать узкий активно растущий периферийный слой.

И, наконец, падение уровня ATФ при дегенерации митохондрий – необходимый регуляторный момент для начала и облегчения репликации ДНК, а повышение уровня ATФ в ядерном компартменте угнетает репликацию ДНК и клеточную пролиферацию.

Далее.

Как я уже говорил, почти во всех клетках около 90 % потр***яемого кислорода восстанавливается в цепи тканевого дыхания с участием цитохромоксидазы (окисление, сопряженное с фосфорилированием АТФ, выполняет энергетическую функцию). Остальной О2 в норме используется в основном в оксигеназном пути, моно - в микросомах и митохондриях, и диоксигеназном. В митохондриях происходит гидроксилирование (при участии НАДФН2, цитохромР450), при этом образуются окисленный продукт, вода и НАДФ.

Монооксигеназная система митохондрий выполняет также биосинтетическую функцию: синтез холестерола; стероидных гормонов (кора надпочечников, яичники, плацента, семенники); желчных кислот (печень); образование витамина D3 (почки).

Второй вид реакций монооксигеназного пути окисления объединяется под названием микросомальное окисление. Этот вид реакций происходит в микросомах, в основном в печени. В этом виде окисления участвует мультиферментная мембраносвязанная система, включающая НАДФН2, особые ФП(флавопротеины) и цитохромР450. Здесь в субстрат включается один атом кислорода. Второй атом О2 используется для образования воды. Одна молекула цитохрома может за секунду передать несколько тысяч молекул кислорода. По этой причине количество цитохрома в клетке ограничено.
Этот тип окисления является защитной реакцией организма, т.к. происходит окисление различных чужеродных веществ. При этом они переходят в безвредные или становятся более растворимыми в воде и легко выводятся из организма.

В процессе диоксигеназного окисления в молекулу субстрата включаются оба атома кислорода. Эти реакции протекают на поверхности гладкого эндоплазматического ретикулума(ЭПР) и таким образом окисляются циклические структуры типа бензола с разрывом цикла.

И наконец пероксидазный путь окисления является побочным путем окисления, обычно наблюдается при повреждении цитохромной системы или гипероксии клетки, а также когда субстрат не окисляется другим путем, например, мочевая кислота. Здесь окисление субстрата происходит путем дегидрирования. Два атома водорода переносятся на молекулу кислорода с образованием перекиси. Затем в норме в действие вступают пероксидазы, превращающие перекиси в воду.

При гипероксигенации клетки, прямой или непрямой, пероксидазы не справляются с потоком перекиси, что приводит к повышению уровня активных форм кислорода (АФК) в клетке. В норме в организме образуется около 2% АФК от всего кислорода, процесс образования идет спонтанно и подавить его трудно.

АФК образуются в результате последовательного присоединения электронов к молекуле кислорода. В ходе реакций образуются сначала супероксидный анион (или перекись), затем очень реакционноспособный гидроксильный радикал и другие кислородные радикалы. Они оказывают воздействие на различные структурные компоненты клеток: ДНК (повреждение азотистых оснований); белки (окисление аминокислотных остатков, образование ковалентных «сшивок»); липиды; мембранные структуры.

Отщепляя электроны от многих соединений, АФК превращают их в новые свободные радикалы, и инициируют тем самым цепные окислительные реакции. Если в реакцию с АФК вступают ненасыщенные жирные кислоты плазматических мембран, говорят о перекисном окислении липидов.

Продукты ПОЛ необходимы при синтезе некоторых гормонов и белков (например, в синтезе тироидных гормонов), образования простагландинов (ПРГ), для функционирования фагоцитов, для регуляции проницаемости и состава липидов мембран, скорости пролиферации клеток и их секреторной функции.
Увеличение скорости ПОЛ и концентрации продуктов ПОЛ приводит к повреждению мембраны и смерти клетки, так как АФК и продукты ПОЛ в большом количестве:
1) нарушают структуру мембранных фосфолипидов;
2) повреждают ДНК и РНК, вызывая мутации;
3) вызывают денатурацию белков;
4) увеличивают концентрацию внутриклеточного кальция, вызывая деполимеризацию актина и т.д.

Упомянутые мною раньше мутации протоонкогенов метаболического характера(геномная нестабильность) во многом связаны с действием АФК и продуктов ПОЛ.

[albert52]

Продолжим.

Недостаточное митохондриальное дыхание (потр***ение О2), ответственное за гипероксию в предопухолевых и неопластических клетках, должно приводить к повышению в этих клетках содержания различных АФК, так как увеличение концентрации О2 стимулирует внутриклеточную продукцию его активных форм митохондриями, микросомами, пероксисомами, ферментами цитозоля, а также в ходе неферментативных процессов окисления, прежде всего липидов. Подсчитано, что ДНК подвергается нападению свободных радикалов до 10000 раз в день.

Окислительный стресс – это состояние, вызванное избыточным образованием свободных радикалов в организме. Он наступает уже на ранних стадиях канцерогенеза.

Когда молекула теряет электрон (этот процесс называется окислением), она становится реакционно-способным свободным радикалом с электроном, у которого нет пары. Свободный радикал (СР) пытается украсть электрон у ближайшей молекулы, чтобы восстановить нарушенный баланс. Молекула антиоксиданта способна нейтрализовать СР, отдав ему один из своих электронов и не требуя ничего взамен. В отличие от СР она остается стабильной, перераспределяя собственные электроны.

В организме существует система защиты клеток от АФК (система тушения АФК) или антиоксидантная система (АОК). Важнейшей ее частью являются ферменты антиоксидантного действия. Они катализируют реакции, в результате которых токсичные свободные радикалы и перекиси превращаются в безвредные соединения. При этом сами ферменты выходят из реакции химически совершенно устойчивыми, т.е. не изменяясь.

Ферменты антиоксидантного действия - супероксиддисмутаза (СОД), каталаза и глутатионпероксидаза. СОД и каталаза образуют антиоксидантную пару. Супероксиддисмутаза катализирует реакцию взаимодействия двух супероксидных радикалов друг с другом, превращая их в менее токсичную перекись водорода (H2O2) и кислород:

O2- + O2- + 2H+ = > H2O2 + O2.

Поскольку перекись водорода H2O2, также является радикалом и оказывает повреждающее действие, в клетке происходит ее постоянная инактивация ферментом каталазой, которая катализирует расщепление перекиси водорода H2O2 до молекул воды и кислорода и может разложить 44 000 молекул H2O2 в секунду.

Глутатионпероксидаза обезвреживает липидные перекиси, обрывая тем самым цепное перекисное окисление липидов (для ее работы необходим селен) .

Помимо антиоксидантов - ферментов, существует ряд веществ иного происхождения, способных блокировать реакции свободно-радикального окисления и восстанавливающих окисленные соединения. Кроме того, для нормального синтеза антиокидантных ферментов, речь о которых шла выше, важно потр***ять достаточное количество минералов и витаминов: марганец важен для синтеза супероксиддисмутазы в митохондриях, где продуцируется большая часть свободных радикалов, витамин С необходим для синтеза каталазы, а производство глутатиона невозможно без пиридоксина (витамин В6), селена и серы.

Весьма эффективные антиоксидантные кооперативы содержатся в растениях. Это растительные полифенолы или биофлавоноиды, которые сообща очень эффективно борются со свободными радикалами. Наиболее мощными антиоксидантными системами обладают растения, которые могут расти в суровых условиях, — облепиха, сосна, кедр, пихта и другие.

[albert52]

Как я уже упоминал, отщепляя электроны от многих соединений, АФК превращают их в новые свободные радикалы, и инициируют тем самым цепные окислительные реакции. Так возникает второй раунд окислительных реакций в клетке, при этом образующиеся в большом количестве свободные раликалы и, шире, разнообразные электрофильные вещества, способны также атаковать нуклеиновые кислоты и белки, обладающие центрами высокой электронной плотности.

В защите клеток от окислительного и ксенобиотического повреждения центральную роль играет связка белков Keap1 - Nrf2. Фактор транскрипции Nrf2 (связанный с NF-E2 фактор 2) является мощным активатором транскрипции и играет центральную роль в индуцируемой экспрессии многих цитопротективных генов (более 100). Целевые гены Nrf2 участвуют в синтезе глутатиона, элиминации активных форм кислорода (АФК), метаболизме ксенобиотиков, например, путем индукции ферментов глюкуронидации, которые связывают ксенобиотики для экскреции. NRF2 также может влиять на действие лекарств посредством индукции семейства генов, связанных с множественной лекарственной устойчивостью, например, к цисплатину, карбоплатину, 5-фторурацилу и т.д.

Keap1 (Kelch-подобный ECH-ассоциированный белок 1) важен для регуляции активности Nrf2. Он является датчиком содержания электрофильных веществ. При этом интактный гомодимер Keap1 образует структуру вишневого боба, в которой одна молекула Nrf2 связывается с двумя молекулами Keap1, используя два сайта связывания в домене Neh2 Nrf2. Это двухсайтовое связывание является критическим для убиквитинирования Nrf2 (напоминает регуляцию HIF-1).

При нормальных условиях Nrf2 постоянно разлагается через путь убиквитин-протеасома зависимым от Keap1 способом. Так, в спокойном состоянии Nrf2 постоянно разлагается с периодом полураспада <20 мин. Этот быстрый оборот поддерживает клеточный Nrf2 на низком уровне.
При воздействии стресса Keap1 инактивируется путем прямой модификации остатков тиола цистеина, а затем Nrf2 стабилизируется, транслоцируется в ядро ​​и активирует транскрипцию различных генов детоксикации и антиоксидантных ферментов. В присутствии электрофилов или АФК деградация Nrf2 прекращается, стабилизированный Nrf2 накапливается в ядрах, гетеродимеризуется с небольшими белками Maf и активирует гены-мишени для цитопротекции через элементы антиоксидантного ответа (ARE) / (EpRE). Таким образом, уровень белка Nrf2 регулируется процессами деградации, а индуцибельная стабилизация Nrf2 является сущностью клеточного ответа на окислительные и электрофильные стрессы.

Различные стрессоры могут по-разному реагировать с различными остатками цистеина в KEAP1, что позволяет предположить, что конкретные остатки цистеина, индивидуально или в комбинации, вносят уникальный вклад в общую активность KEAP1. Эта точная настройка, называемая «цистеиновым кодом», указывает на то, что модуль NRF2 – KEAP1 не является простым переключателем «включено» или «выключено», но вместо этого может по-разному реагировать на различные схемы образования аддукта различными стрессорами.

Отметим, что модуль NRF2 – KEAP1 является частью целой сети белков (тиоловый протеом), чья активность регулируется путем модификации остатков цистеина в ответ на окислительно-восстановительное состояние клеток. Реакционная способность этих остатков цистеина может модулироваться не только окислительно-восстановитель -ными реакциями, но также NO или гуанином. Классическими примерами таких белков являются множественные протеинтирозинфосфатазы, которые содержат активные остатки цистеина в своих активных центрах и влияют на многие аспекты жизни клеток.

Регуляция уровней Nrf2 с помощью Keap1 отменяется при некоторых раковых заболеваниях человека вследствие мутаций в генах NRF2 и KEAP1 . Эти мутации достаточны для того, чтобы привести к конститутивной активации NRF2 путем нарушения взаимодействия NRF2-KEAP1. Так, мутации в NRF2 обнаруживаются в основном в плоскоклеточных карциномах пищевода, кожи, легких и гортани. Мутантные белки обычно сохраняют свою транскрипционную активность, но теряют способность связываться с KEAP1.

Мутации в KEAP1 человека были обнаружены в карциномах легких, желчном пузыре, яичнике, груди, печени и желудка; эти мутации приводят к конститутивной активности NRF2. Кроме того, мутации KEAP1 могут иметь онкогенные роли помимо активации NRF2, такие как дисфункциональное связывание KEAP1 с другими белками, которые регулируют пролиферацию и апоптоз. Например, KEAP1 дикого типа связывается с ингибитором киназы NF-κB (IKK), что усиливает протеасомную деградацию IKK и приводит к активации NF-κB, являющегося онкогеном (см. выше). Это ингибирование про-онкогенной транскрипционной активности NF-κB теряется, когда KEAP1 мутирует.
Хотя частоты мутаций NRF2 и KEAP1 в опухолях часто бывают низкими, были обнаружены другие способствующие механизмы - такие как эпигенетическое гиперметилирование промоторов KEAP1 или NRF2, и нарушения уровней экспрессии KEAP1 и NRF2 часто наблюдаются при раке. Также такие распространенные онкогены, как KRAS , BRAF и MYC усиливают транскрипцию и активность NRF2, что приводит к увеличению цитопротекторной активности в клетке и, что особенно важно, к снижению уровня АФК.

Таким образом, если такие лекарства как сульфорафан и куркумин, активирующие Nrf2, используются для профилактики рака, то повышенная экспрессия генов-мишеней Nrf2 дает преимущества в отношении устойчивости к стрессу и пролиферации для уже раковых клетках. Отмитим, что в настоящее время в Китае проводятся исследования по химиопрофилактике рака человека с использованием богатых сульфорафаном экстрактов брокколи. С другой стороны, открытие и разработка селективных ингибиторов Nrf2 должны внести серьезный вклад в улучшение терапии рака.