Рисунок 1. Сигнальные системы участвующие в развитии аутоиммунного диабета. Левая верхняя панель. Обобщенная схема ответа бета-клеток на про-воспалительные цитокины. Цитотоксическое действие про-воспалительных цитокинов опосредовано активацией факторов транскрипции AP-1 и NF-κB и индукцией контролируемых ими генов (синтаза окиси азота iNOS, циклооксигеназа-2 COX2 и др.). Сокращения: IL1BR и TNFR – рецепторы цитокинов IL-1β и TNFα, соответственно. Правая верхняя панель. Схема цитотоксических процессов при диабете 1 типа. После первичной активации, в которой участвуют дендритные клетки (не показаны), цитотоксические лимфоциты через эндотелий кровеносных сосудов проникают в заполненное лимфой пространство островков поджелудочной железы. Там лимфоциты вступают в сложное взаимодействие между собой и секретирующими инсулин бета-клетками. В сигнальных процессах участвуют цитокины, хемокины (IL-8), АФК и АФА. Во многом эти процессы координируются по принципу положительной обратной связи. Про-воспалительные цитокины и окислительный стресс усиливают миграцию и созревание лимфоцитов, стимулируют дальнейшую генерацию цитокинов, хемокинов, АФА и АФК, а также инициируют адгезию между цитотоксическими Т-лимфоцитами CD8+ и бета-клетками. При действии про-воспалительных цитокинов на макрофаги (МФ) и бета-клетки в них происходит индукция iNOS и рост выработки NO. Действуя на лимфоциты NO усиливает секрецию ими про-воспалительных цитокинов, действуя на бета-клетки – способствует снижению уровня ионов Ca2+ в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР), что вызывает стресс ЭР и индуцирует апоптоз. Гибель бета-клеток также обусловлена зависимыми от цитокинов изменениями экспрессии генов, прежде всего теми, которые контролирует фактор NF-κB. Большое значение также имеет активация цитотоксических Т-лимфоцитов CD8+ и секреция ими токсических гранзимов. При прямом контакте Т-лимфоцитов CD8+ и бета-клеток гибель последних может быть обусловлена активацией рецепторов Fas (FasR). ILR, TNFR, IFNγR – рецепторы цитокинов IL-1β, TNFα и IFNγ, соответственно. На левой нижней панели перечислены регуляторные системы, способные предотвращать гибель β-клеток под действием про-воспалительных цитокинов.
Рисунок 2. Фармакологические подходы для предотвращения аутоиммунного диабета. Ослабление в β-клетках токсических эффектов цитокинов при подавлении сигнальных систем и индукции генов, зависимых от IL-1β и TNFα. Электрофильные соединения (ЭФ) активируют транскрипционный фактор Nrf2, что снижает связывание NF-κB с ДНК и экспрессию зависимых генов. Кроме того, Nrf2 индуцирует гены, повышающие устойчивость клеток к окислительному стрессу (HO-1 – гемоксигеназа-1, NQO1 - NADH-хиноноксидлредуктпзп-1 и др.). Также подавляет активность NF-κB пролилгидроксилаза PHD. Основная функция PHD как сенсора кислорода заключается в негативной регуляции экспрессии чувствительных к гипоксии генов, что обусловлено подавлением транскрипционного фактора HIF-1α в условиях нормоксии. DMOG и roxadustat – фармакологические активаторы PHD при нормоксии. На уровне синтеза белка для экспрессии про-воспалительных генов необходим фактор трансляции eIF5A. Брусатол (растительный алкалоид) ингибирует eIF5A и блокирует трансляцию мРНК гена iNOS.
Рисунок 3. Брусатол защищает β-клетки от токсического действия про-воспалительных цитокинов. Перевиваемые культуры β-клеток βTC6 (А, Б, Д) и RIN-5AH (В, Г) инкубировали с брусатолом (50 нМ) совместно с IL-1β и IFNγ в течение 24 ч. Клетки метили иодистым пропидием (PI) (Б, В) или DCFDA (2’-7’-дихлородигидрофлуоресцеин диацетат) (Г). Уровень поглощения клетками PI, что выявляет некротические клетки, и окисления DCFDA, что выявляет клеточный уровень АФК, определяли с помощью проточной цитометрии. Приведены гистограммы уровней живых и пораженных клеток (Б, В) и выработки активных форм кислорода АФК (Г). На панели Д показана экспрессия белка iNOS, определявшаяся методом блот-гибридизации со специфическими антителами. Приведены структура брусатола и изображение его природного источника, тропического кустарника Brucea javanica.
Рисунок 4. Схема классического (cGMP-зависимого) и альтернативных путей сигнального действия NO. Образование NO в клетках происходит при окислении аргинина кислородом в реакции, катализируемой изоферментами NO-синтазы (eNOS, nNOS, iNOS). Действие NO на клетки-мишени опосредовано рядом сигнальных систем. Классический путь активации зависимых от NO сигнальных процессов основан на стимуляции растворимой гуанилатциклазы. Основные альтернативные пути обусловлены (1) подавлением клеточного дыхания в результате связывания NO с гемовой группой цитохромоксидазы, что отчасти воспроизводит состояние гипоксии (т.н. химическая гипоксия) и (2) модификацией SH-групп белков (Pr-SH) в реакции тиольных групп с окисленными производными NO, также обозначаемыми как активные формы азота (АФА). Образование АФА происходит при окислении NO молекулярным кислородом, супероксидом, другими активными формами кислорода (АФК) и ионами металлов.
Рисунок 5. Выявление зависимых от NO генов в культуре моноцитов U937. Схема олигонуклеотидной матрицы (cDNA microarray slide). Внизу справа с увеличением показан один из 48 секторов олигонуклеотидной матрицы, которая содержит фрагменты ДНК 26 тысяч генов человека. Каждая точка соответствует флуоресцентному сигналу, основанному на высоко избирательном связывании ДНК матрицы с флуоресцентно меченой кДНК того же гена. Красная, зеленая и желтая окраски указывают на гены, экспрессия которых после инкубации клеток с генерирующими NO соединениями, соответственно, увеличена, снижена или не изменилась. На левой верхней панели показана схема эксперимента. Флуоресцентные метки вносилась в кДНК при синтезе на основе тотальной мРНК, выделенной из контрольных клеток (мечение Cy3) или клеток, инкубированных с донором NO (мечение Cy5). Изменение соотношения флуоресценции Cy3/Cy5 указывает на изменении уровня мРНК соответствующих генов после инкубации клеток с донором NO.
Рисунок 6. Чувствительные к NO сигнальные системы в моноцитах человека. Левая панель. Согласно общепринятым представлениям, активация протеинкиназы RIP2 происходит при связывании мембранных рецепторов TLR4 и NOD2 с лигандами бактериального происхождения (LPS, MDP). Далее RIP2 активирует каскады MAP киназ и модулирует активность фактор NF-κB (не показано). В нашей работе мы выявили активацию RIP2 под действием доноров NO, независимую от лигандов и определяемую по аутофосфорилированию остатка Ser176. В зависимый от RIP2 сигнальный каскад входят контролирующие p38 протеинкиназы MKK3/6 и другие киназы MAP киназ (MKK4/7, TAK1). Фосфорилирование RIP2 подавляют ингибиторы SB 203580 и PP2. Средняя панель. Зависимый от NO цитостатический фактор DDIT4 (DNA damage induced transcript 4) активирует фактор TSC1,2, который действует как негативный регулятор контролирующей синтез белка протеинкиназы mTOR. Протеинкиназа AKT, которую, по нашим данным, ингибирует NO, в свою очередь ингибирует TSC1,2 и восстанавливает активность mTOR. Тем самым, итоговый ответ клеток на действие NO состоит в подавлении синтеза белка. На рисунке обведены элементы регуляторных систем, зависимость которых от доноров NO была нами исследована. Красным цветом выделены ингибиторы, подавляющие зависимую от NO активацию регуляторных протеинкиназ. Правая панель. Доноры NO активируют экспрессию транскрипционного фактора KLF2. Возможно, индукция KLF2 обусловлена подавлением G-белка Rho под действием NO. В присутствии статин GGTI-298 происходит значительное дополнительное усиление NO-зависимой индукции гена KLF2. Известно, что GGTI-298 ингибирует прикрепление G-белков семейства Rho к плазматической мембране, что исключает их участие в сигнальных процессах.
Рисунок 7. Регуляция экспрессии генов, зависимых от системы Keap1/Nrf2. В отсутствие электрофильных соединений убиквитинлигаза E3 (представляет собой комплекс многофункционального белка Keap1, каркасного белка Cul-3 и, собственно, убиквитинлигазы Rbx1) поддерживает клеточное содержание транскрипционного фактора Nrf2 на низком уровне. Под действием окисленных производных NO и электрофилов происходит инактивация Keap1 и подавление убиквитинлигазы, что делает возможным перемещение новообразованного Nrf2 в клеточное ядро и последующую индукцию зависимых генов (например, HO-1 и NQO1). Регуляторные области этих генов содержат участки связывания Nrf2 (регуляторная последовательность ARE – antioxidant response element). Nrf2 связывается с ДНК в составе парного комплекса с одним из транскрипционных факторов семейств Maf или Jun - правая верхняя панель. Инактивация Keap1 происходит при модификации электрофильными соединениями (на рисунке - R) высоко реактивных рецепторных тиольных групп (остатки цистеина C151, C273, C288; не рецепторные остатки цистеина обозначены штрихами) – левая нижняя панель. Пример активации Nrf2 при инкубации клеток U937 с генерирующим NO соединением DPTA-NO (0,2 мМ) - левая верхняя панель