ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «НАУЧНЫЙ ЦЕНТР НЕВРОЛОГИИ» РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ МЕДИЦИНСКИХ НАУК
На правах рукописи
РЫБАКОВА ЮЛИЯ СЕРГЕЕВНА
Антипролиферативное действие карнозина и его производных на опухолевые клетки нейрального происхождения
03.01.04 – биохимия
Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Научный руководитель:
доктор биологических наук
Федорова Татьяна Николаевна
МОСКВА 2013
СОДЕРЖАНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8
РАЗДЕЛ 1.1. Редокс-статус клетки определяется соотношением внутриклеточных про- и антиоксидантов 8
1.1.1. Активные формы кислорода и их значение в жизни клетки 8
1.1.2. Основные представители антиоксидантной системы клетки и их роль в поддержании редокс-статуса 10
РАЗДЕЛ 1.2. Редокс-регуляция клеточной пролиферации 14
1.2.1. Клеточный цикл и его регуляция 14
1.2.2. Редокс-регуляция клеточного цикла 23
РАЗДЕЛ 1.3. Современное состояние знаний о противоопухолевом эффекте короткоцепочечных пептидов 33
1.3.1. Карнозин и его производные. Общая характеристика 33
1.3.2. Антиоксидантные свойства карнозина и его производных 36
1.3.3. Эффект карнозина и его производных на пролиферацию нормальных и опухолевых клеток 38
1.3.4. Пинеалон. Общая характеристика и свойства 42
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 44
2.3. Исследование клеточной пролиферации 45
2.4. Проточная цитометрия 46
2.4.2. Определение доли мертвых клеток 48
2.4.3. Анализ клеточного цикла 48
2.4.4. Двухпараметрический анализ клеточного цикла 50
2.5. Иммуноблоттинг 50
2.6. Определение активности MnСОД 51
2.7. Определение активности каталазы 51
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 53
РАЗДЕЛ 3.1. Изучение характера действия карнозина и его производных на опухолевые клетки 53
3.1.1. Карнозин снижает количество клеток РС-12 в культуре 53
Для изучения влияния карнозина на пролиферацию опухолевых клеток, была выбрана культура клеток феохромоцитомы крысы РС-12. Клетки обрабатывали карнозином (10 - 50 мМ) в течение 48 ч и затем считали количество клеток в каждой пробе с помощью камеры Горяева. 53
3.1.2. Карнозин снижает уровень АФК в клетках культуры РС-12 55
3.1.3. Карнозин и его производные индуцируют накопление клеток РС-12 в S и G2/М фазах клеточного цикла 56
3.1.4. Изучение воздействия синтетического трипептида пинеалона на клеточный цикл 60
РАЗДЕЛ 3.2. Изучение механизма регуляции клеточного цикла под действием карнозина 63
Исследования механизма антипролиферативного эффекта карнозина были продолжены с использованием культур опухолевых клеток человека, так как именно они представляют собой первостепенную важность и имеют перспективу применения полученных данных на практике. 63
3.2.1. Карнозин избирательно ингибирует пролиферацию клеток глиобластомы 64
3.2.2. Карнозин снижает уровень АФК и индуцирует экспрессию MnСОД 67
3.2.3. Карнозин индуцирует G2 блок и усиливает экспрессию циклина В1 71
РАЗДЕЛ 3.3. Сравнение антипролиферативного эффекта карнозина с действием его производных 75
РАЗДЕЛ 3.4. Возможности применения карнозина в радиотерапии 79
ГЛАВА 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 81
ВЫВОДЫ 93
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 94
ВВЕДЕНИЕ
Карнозин представляет собой природный дипептид, состоящий из двух аминокислот – β-аланина и L-гистидина. В организме человека карнозин представлен во многих тканях (мышцы, мозг, печень, ткани глаза, желудок, почки, легочная ткань) достигая наивысшей концентрации в скелетных мышцах (~ 20 мM) и в обонятельных луковицах головного мозга (~ 2.5 мM) [1, 2]. Карнозин синтезируется с помощью фермента карнозин-синтетазы, которая катализирует образование пептидной связи между β-аланином и L-гистидином используя энергию АФТ и ионы Mg2+ с использованием энергии АТФ [3-7]. Разрушение карнозина на составляющие его аминокислоты осуществляется главным образом сывороточной карнозиназой (CN1) [8, 9].
Карнозин демонстрирует многообразие функций, приведем некоторые из них. Во время интенсивной мышечной работы карнозин выполняет функцию протонного буфера, связывающего избыток протонов, образующихся вместе с молочной кислотой, и препятствующего развитию ацидоза [10]. Карнозин также способен образовывать комплексы с металлами переменной валентности (Cu2+, Zn2+, Fe2+ и др.) [11-13]. Антиоксидантные свойства карнозина заключаются в его способности образовывать комплексы с двумя высоко реакционноспособными окислителями – гидроксильным радикалом и супероксидным анионом, снижая их реактивность и предотвращая дальнейшее распространение окислительного повреждения [14-17]. Кроме того, в нескольких независимых исследованиях было продемонстрировано эффективное подавление накопления продуктов перекисного окисления липидов (малоновый диальдегид, пероксильные радикалы, ненасыщенные альдегиды, 4-гидроксиноненаль) в присутствии карнозина, что снижало уровень окислительного повреждения макромолекул, способствуя сохранению их структуры и функций [15, 18, 19].
Антипролиферативный эффект карнозина на опухолевые клетки был впервые описан Nagai и Suda в 1986 году [20]. В их работе подкожные инъекции карнозина мышам линии ddY, с предварительно вживленными клетками саркомы, способствовали снижению интенсивности пролиферации опухолевых клеток и увеличению выживаемости животных. Позже в независимом исследовании Renner et al. на мышах с ксенографтами HER2/neu NIH3T3 фибробластов показали, что ежедневные внутрибрюшинные инъекции карнозина существенно подавляют пролиферацию злокачественных клеток и опухолевый рост [21]. Holliday и McFarland продемонстрировали избирательность действия карнозина на опухолевые клетки. Добавление карнозина к смеси клеток карциномы (HeLa) и нормальных человеческих фибробластов (MRC-5) приводило к выборочному уничтожению HeLa клеток и удлиняло продолжительность жизни фибробластов [22, 23]. Обработка карнозином нормальных эмбриональных стволовых клеток и злокачественных клеток эмбриональной терато-карциномы также приводило к избирательной гибели последних. Полученные данные указывали на то, что ни степень дифференцировки, ни скорость пролиферации клеток не являются определяющими факторами избирательного действия карнозина на опухолевые клетки. Несмотря на наличие большого количества экспериментальных данных об антипролиферативном действии карнозина на опухолевые клетки, механизм противоопухолевого эффекта остается не выясненным.
На сегодняшний день в литературе накоплено множество данных о том, что интенсивность пролиферации зависит от соотношения про- и антиоксидантов внутри клетки [24, 25]. Показано, что быстро пролиферирующие клетки характеризуются более высоким содержанием прооксидантов и пониженной активностью антиоксидантной системы по сравнению с клетками, делящимися медленно или находящимися в состоянии покоя [26, 27]. Было показано, что уровень прооксидантов в опухолевых клетках часто превышает прооксидантный уровень в нормальных клетках того же типа, что возможно является причиной их чрезмерной пролиферации [28, 29]. Добавление небольших концентраций прооксиданта пероксида водорода усиливало пролиферацию клеток [28], а повышение экспрессии антиоксидантного фермента MnСОД, наоборот, приводила к замедлению пролиферации [30]. Поскольку карнозин демонстрирует эффективные антиоксидантные свойства, мы предположили, что ингибирование пролиферации опухолевых клеток происходит в результате снижения уровня внутриклеточных прооксидантов под действием карнозина.
Работа выполнена в соответствии с планом НИР ФГБУ «НЦН» РАМН в рамках темы №146 «Исследование в условиях in vitro и in vivo проблем эффективности безопасности наноструктурных комплексов, обладающих нейропротекторным действием».
Цель исследования. Изучение механизма антипролиферативного действия карнозина и его производных на опухолевые клетки нейрального происхождения.
Задачи исследования:
1. Изучить характер воздействия карнозина на пролиферацию культур опухолевых клеток феохромоцитомы крысы (РС-12), карциномы горла и рта (FaDu, Cal27) и молочной железы (MB231) человека, глиобластомы человека (U-118-MG);
2. Выявить, сопровождаются ли индуцируемые карнозином изменения пролиферации опухолевых клеток колебаниями внутриклеточного уровня АФК и антиоксидантных ферментов;
3. Выяснить, являются ли индуцируемые карнозином изменения пролиферации опухолевых клеток результатом модификации прогрессии клеточного цикла;
4. Сравнить антипролиферативные свойства карнозина с действием его производных, а также синтетического трипептида пинеалона;
5. Оценить эффект совместного применения карнозина и ионизирующего излучения на гибель опухолевых клеток.
Научная новизна. Настоящая работа представляет собой оригинальное экспериментальное исследование, в котором было впервые показано избирательное подавление пролиферации клеток глиобластомы под действием карнозина. Установлено, что замедление пролиферации глиобластомы сопровождается накоплением клеток в G2 фазе клеточного цикла и активацией экспрессии циклина B1. Продемонстрировано, что параллельно с изменениями в прогрессии клеточного цикла происходит повышение активности MnСОД и понижение внутриклеточного уровня АФК. Выявлено, что метилированное производное карнозина – анзерин – подавляет пролиферацию глиобластомы эффективнее, чем карнозин. Показано, что предварительная инкубация клеток с карнозином снижает выживаемость клеток глиобластомы под действием ионизирующего излучения.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные результаты существенно расширяют представления о природе антипролиферативного действия карнозина на опухолевые клетки нейрального происхождения, что важно для понимания молекулярных механизмов действия карнозина в целом. Полученные в работе данные об эффекте совместного действия карнозина и ионизирующего излучения на выживаемость клеток глиобластомы открывают перспективу для применения карнозина в комбинированной терапии опухолей головного мозга.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Карнозин ингибирует пролиферацию опухолевых клеток нейрального происхождения, при этом наиболее выраженный эффект проявляется на клетках глиобластомы человека U-118-MG;
2. Ингибирование пролиферации клеток глиобластомы под действием карнозина сопровождается снижением уровня АФК и увеличением активности MnСОД;
3. Изменения в антиоксидантной системе клеток глиобластомы сопровождаются накоплением клеток в G2 фазе клеточного цикла и усилением экспрессии циклина В1;
4. Метилированное производное карнозина, анзерин, ингибирует пролиферацию клеток глиобластомы эффективнее, чем карнозин;
5. Предварительная инкубация клеток с карнозином снижает выживаемость клеток глиобластомы под действием ионизирующего излучения.
Протокол диссертационного исследования «Антипролиферативное действие карнозина и его производных на опухолевые клетки нейрального происхождения» было одобрено локальным этическим комитетом ФГБУ «НЦН» РАМН. Протокол №12/13 от 11.12.2013.
Апробация работы. Диссертация апробирована и рекомендована к защите на совместном заседании научных сотрудников ФГБУ «Научный центр неврологии» РАМН 18 октября 2013 года.
Материалы диссертационной работы были представлены на V Stromboli Conference on Cancer and Ageing: “The Primeval Life-Generating Molecules. Therapeutic and Aging-Reversing Properties” (Стромболи, Италия, 2010) и The 4th Quadrennial Meeting of the World Federation of Neuro-Oncology held in conjunction with the 2013 SNO Scientific Meeting and Education Day (Сан-Франциско, США, 2013)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 научные работы, из них 1 публикация в изданиях, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки РФ и 2 работы в зарубежных рецензируемых журналах.
Личный вклад автора. Автором лично выполнено культивирование клеточных линий и исследования клеточной пролиферации, проведено измерение уровня АФК, доли мертвых клеток, а также анализ клеточного цикла, определена активность и экспрессия антиоксидантных ферментов. Выполнена последующая аналитическая обработка и обобщение полученных результатов, сформулированы выводы и подготовлены публикации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, изложения результатов, их обсуждения, выводов и списка литературы. Работа содержит 120 стр. машинописного текста, 1 таблицу и 29 рисунков. Список литературы включает 271 источник (18 отечественных и 253 зарубежных).
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
РАЗДЕЛ 1.1. Редокс-статус клетки определяется соотношением внутриклеточных про- и антиоксидантов
1.1.1. Активные формы кислорода и их значение в жизни клетки
Наиболее распространенные и реакционноспособные прооксиданты в клетке – активные формы кислорода (АФК). АФК представляют собой продукты частичного восстановления кислорода, содержащие один или несколько неспаренных электронов, и относятся к классу свободных радикалов [31].
Главным источником АФК в клетке является дыхательная цепь митохондрий [32], где теряется порядка 2% супероксида. Помимо этого АФК образуются при работе некоторых ферментов (НАДФН-окcидаза [33], ксантиноксидаза [34], монооксигеназа, NO-синтаза [35] и др), метаболизме ксенобиотиков, активации дыхательного взрыва в лейкоцитах, под воздействием цитокинов, ионизирующего и УФ-излучения [36]. Образование АФК происходит в несколько стадий. Одноэлектронное восстановление кислорода приводит к формированию супероксидного аниона (или супероксида, О2•-), который сам по себе не является окислителем, а наоборот, по свойствам напоминает слабое основание. Поэтому при физиологическом pH супероксид присутствует частично в протонированной форме (НО2•, pKa = 4.8), которая является достаточно сильным окислителем [37]. НО2• представляет собой, по сути дела, пероксильный радикал (ROO•) без радикала (R), и поэтому подобно ROO•, легко инициирует перекисное окисление липидов (ПОЛ), приводя к образованию новых форм АФК: продуктов ПОЛ, пероксильных (ROO•) и алкоксильных (RO•) радикалов [38]. Супероксид достаточно быстро дисмутирует с образованием пероксида водорода (Н2О2): О2-• + 2HО2• 2O2 + H2O2, (k=9,7x107 M-1•s-1) [39]. Взаимодействие между супероксидом и пероксидом водорода (реакция Фентона) приводит к образованию гидроксильного радикала (HO•): 2О2-• + H2О2 + 2H+ 2HO• + 2HO- + O2. Сама по себе реакция идет очень медленно (k<0.1 M-1•s-1), однако значительно ускоряется в присутствии ионов переходных металлов (Fe2+, Cu2+ и др.) [40]. HO• является самым сильным окислителем в водных растворах, реагируя с огромной скоростью с любыми находящимися по близости молекулами (k ≈ 109 – 1010 M-1•s-1 для соединений содержащих C, H, O, S, N) [37]. Описанные выше превращения можно обобщить в виде четырех простых реакций:
О2 + 1е- + (H+) О2•- (НО2•)
НО2•- + 1е- + H+ Н2О2
Н2О2 + 1е- + Н+ Н2О + НО•
НО• + 1е- + H+ Н2О
В результате воздействия ионизирующего или УФ-излучения, некоторых химических соединений (ксенобиотики и др.), а также при старении и опухолевой трансформации происходит повышение внутриклеточного уровня АФК, что приводит к окислительному повреждению макромолекул (ДНК, белки, липиды), нарушению их структуры, функции и в итоге к гибели клетки. В то же время, на сегодняшний день накоплено множество данных о том, что в небольших количествах АФК играют важную роль в жизни клетки [41-44]. В независимых исследованиях было продемонстрировано участие АФК в регуляции пролиферативных процессов. Добавление O2•- к среде культивирования нормальных фибробластов или лимфоцитов усиливало пролиферацию клеток [45, 46]. Laurent et al. показали, что небольшие концентрации Н2О2 (0,02 – 0,13 мкМ) индуцируют пролиферацию нормальных мышиных фибробластов NIH 3T3, а также опухолевых клеток линий СТ26 (карцинома прямой кишки мыши) и Нера 1-6 (гепатома мыши) [28]. Сравнительный анализ образования АФК в нормальных и опухолевых клетках выявил, что уровень АФК в опухолевых клетках значительно выше по сравнению с нормальными клетками того же вида [29]. Образование АФК в нормальных клетках происходит в главным образом за счет работы НАДФН-оксидаз, в то время как основным источником АФК в опухолевых клетках являются митохондрии [28].
1.1.2. Основные представители антиоксидантной системы клетки и их роль в поддержании редокс-статуса
Концентрация внутриклеточных прооксидантов регулируется антиоксидантной системой клетки, которая включает как низкомолекулярные вещества (витамин Е, С, β-каротин, глутатион, НАДФН, пируват, тиоредоксин и др.), так и ферменты (супероксиддисмутаза, глутатионпероксидаза, каталаза, тиоредоксин пероксидаза и др.). Таким образом, в норме в клетке постоянно поддерживается равновесие между скоростью образования прооксидантов и их устранением с помощью системы антиоксидантов. Это равновесие называется окислительно-восстановительным балансом или редокс-статусом [47].
Самым распространенным низкомолекулярным антиоксидантом клетки является цистеин-содержащий трипептид - глутатион (Gly-Cys-Glu, GSH), его концентрация в цитоплазме может достигать 11 мМ [48]. Благодаря наличию чувствительной к окислению -SH группы цистеина GSH способен улавливать малейшие изменения редокс-статуса и реагировать на них. Соотношение восстановленной формы глутатиона (GSH) и окисленной (GSSH) часто используется для оценки состояния внутриклеточного окислительно-восстановительного баланса [47, 49].
Одним из основных антиоксидантных ферментов клетки является супероксиддисмутаза (СОД), катализирующая реакцию дисмутации супероксида: О2-• + О2-• O2 + H2O2. Несмотря на то, что дисмутация О2-• происходит быстро и сама по себе, СОД делает реакцию практически молниеносной (k=2х109 M-1•s-1) [50]. Cуществует три изоформы СОД: митохондриальная (MnСОД) [50], цитоплазматическая (CuZnСОД) [51] и внеклеточная, на поверхности клеточных мембран, (ЕС(CuZn)СОД) [52]. Поскольку митохондрии являются главным источником АФК в клетке, митохондриальная MnСОД представляется первым барьером защищающим клетку от окислительного повреждения. Несколькими независимыми лабораториями было показано, что полное ингибирование MnСОД (Sod2-/-) у новорожденных мышей приводит к гибели животных в течение 1-18 дней после рождения и сопровождается дилатационной кардиомиопатией, усилением накопления липидов в печени и метаболическим ацитодозом [53, 54]. Ингибирование экспрессии других изоформ СОД, каталазы или глутатионпероксидазы было совместимо с жизнью. Частичное ингибирование активности MnСОД (Sod2+/-) приводило к нарушению функционирования митохондрий и усилению их окислительного повреждения, а также увеличению риска развития опухолей [55-57]. Окислительное повреждение митохондрий и нарушение их функции, видимо, и являются причиной усиления образования митохондриальных АФК в опухолевых клетках. Пероксид водорода, образующийся в результате дисмутации О2-•, утилизируется в пероксисомах с помощью каталазы (H2O2 + H2O2 H2O + O2) [58, 59] или в цитоплазме с помощью глутатионпероксидазы (GPx) (H2O2 + 2GSH 2H2O + GSSG). Причем, GPx катализирует реакцию не только с H2O2, но и с ROOH приводя к образованию спиртов (ROH) [60, 61].
Благодаря способности модулировать внутриклеточный уровень АФК антиоксиданты способны влиять на пролиферацию клеток. Как было отмечено выше (см. 1.1.1), в небольших количествах АФК индуцируют пролиферацию клеток. Снижение уровня Н2О2 за счет усиления экспрессии каталазы в эндотелиальных клетках и HER-2/Neu-трансформированных Rat-1 фибробластах приводило к ингибированию пролиферации этих клеток [62, 63]. Понижение уровня АФК под действием синтетического антиоксиданта N-ацетил-цистеина (NAC) в клетках слизистой оболочки полости рта тажке приводило к замедлению пролиферативных процессов [64, 65].
Исследование пролиферации эмбриональных мышиных фибробластов с различным уровнем экспрессии MnСОД выявило, что пролиферация клеток содержащих MnСОД (+/+) замедляется по мере увеличения плотности популяции (контактное торможение). Частичное подавление экспрессии MnСОД приводило к тому, что MnСОД (+/-) клетки были нечувствительны к контактному торможению и продолжали пролиферировать. Рост MnСОД (-/-) фибробластов был существенно замедлен. Усиление экспрессии MnСОД в MnСОД (+/-) клетках приводило к замедлению пролиферации. Ингибирование MnСОД в клетках экспрессирующих MnСОД (+/+), наоборот, приводило к усилению пролиферации. Интересно отметить, что обработка MnСОД (+/-) клеток с помощью Tiron, ловушки для O2-•, приводила к понижению уровня O2-• и замедлению пролиферации, указывая на важную роль O2-• в поддержании пролиферации. Замедление пролиферации также сопровождалось повышением концентрации Н2О2, продукта работы MnСОД [66]. Исследование посттрансляционных модификаций в молекуле MnСОД выявило различия в сайтах метилирования в пролиферирующих и покоящихся клетках. Уровень метилирования MnСОД в активно пролиферирующих клетках был ниже, чем в клетках, пролиферация которых была замедленна [27].
Опухолевые клетки часто характеризуются смещением редокс в более окисленное состояние, что происходит в результате усиления образования АФК и ослабления работы антиоксидантных ферментов [67-70]. В отличие от нормальных клеток, в которых уровень GSH снижался по мере увеличения количества клеток (т.н. контактное торможение), уровень GSH в опухолевых клеток был постоянно высоким [71]. Вероятно, поэтому опухолевые клетки были невосприимчивы к действию NAC, предшественнику GSH. Обработка клеток карциномы молочной железы с помощью NAC не приводила к восстановлению редокс и формированию G1 блока [72]. Снижение внутриклеточного уровня GSH за счет ингибирования γ-глутамилцистеинсинтетазы с помощью DL-бутионин-S,R-сульфоксимина (BSO), приводило к смещению внутриклеточного редокс-статуса в более окисленное состояние и аресту клеточной пролиферации [73].
Активность антиоксидантных ферментов в опухолевых клетках часто понижена по сравнению с нормальными клетками того же типа что, вероятно, является одной из причин активной пролиферации опухолевых клеток. Например, активность CuZnСОД и MnСОД в нормальных клетках печени мыши составляла, соответственно, 122 и 35 ед/мг, в то время как, в клетках гепатомы активность CuZnСОД падала до 40 ед/мг, а активность MnСОД вообще не определялась [74]. Повышение экспрессии MnСОД в опухолевых клетках приводило к замедлению опухолевого роста [74-76]. Сходные данные были получены для каталазы и некоторых изоформ GPx. Снижение активности ферментов приводило к повышению уровня АФК, усилению пролиферативных процессов, а также способствовало развитию опухолевой трансформации [77, 78]
Резюмируя вышесказанное, важно отметить следующее: в клетке постоянно поддерживается баланс между про- и антиоксидантами. Наиболее распространенными прооксидантами являются АФК, к которым относятся: О2•-, Н2О2, НО•, ROO• и др. Основные регуляторы уровня внутриклеточных прооксидантов – антиоксиданты MnСОД, каталаза и GSH. Повышение уровня АФК приводит к гибели клетки, однако в небольших количествах АФК способны индуцировать пролиферативные процессы. Быстро делящиеся опухолевые клетки часто характеризуются повышенным уровнем АФК и пониженной активностью антиоксидантной системы, что возможно является одной из причин их активной пролиферации. Повышение антиоксидантной активности и понижение уровня АФК приводят к замедлению пролиферативных процессов, это открывает возможность контролировать пролиферацию опухолевых с помощью антиоксидантов.
|
