РАЗДЕЛ 3.2. Изучение механизма регуляции клеточного цикла под действием карнозина
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.
3.2.1. Карнозин избирательно ингибирует пролиферацию клеток глиобластомы
Для изучения характера влияния карнозина на пролиферацию опухолевых клеток человека были выбраны четыре клеточные культуры: карцинома горла и рта (FaDu, Cal27), карцинома молочной железы (MB231), глиобластома (U-118-MG). Клетки всех четырех культур обрабатывали карнозином (40 мМ) и оставляли инкубироваться. Каждые два дня в течение 6 дней клетки подсчитывали и вычисляли время удвоения популяции (Td). Результаты действия карнозина (40 мМ) на пролиферацию исследуемых линий опухолевых клеток представлены на Рис. 3.2.1. Как следует из Рис. 3.2.1. карнозин приводил к увеличению Td всех исследованных клеточных линий. Для интактных клеток Td составляло: 18 ч (FaDu), 16 ч (Cal27), 22 ч (MB231) и 24 ч (U-118-MG). После инкубации с карнозином Td возрастало до: 19 ч (FaDu), 18 ч (Cal27), 26 ч (MB231) и 32 ч (U-118-MG). Увеличение Td под действием карнозина свидетельствовало о замедлении процессов клеточной пролиферации. Наибольшее увеличение Td было отмечено в клетках глиобластомы (Рис. 3.2.1).
Рисунок 3.2.1. Карнозин избирательно ингибирует пролиферацию клеток глиобластомы. Клетки обрабатывали карнозином (40 мМ) Время удвоения популяций (Td) вычисляли по формуле: Td=0.693t/ln(Nt/N0), где t – время (дни), N0 – начальное количество клеток, Nt – количество клеток ко дню t.
Различия в эффективности действия карнозина на опухолевые клетки могут быть связаны с различиями в экспрессии внутриклеточных ферментов, отвечающих за синтез и разрушение карнозина. В организме человека карнозин синтезируется с помощь фермента карнозинсинтетазы из β-аланина и L-гистидина с использованием энергии молекулы АТФ [6, 258]. Гидролиз карнозина на исходные аминокислоты осуществляется в основном с помощью сывороточной карнозиназы [9, 195]. 
Рисунок 3.2.2. Избирательность действия карнозина сочеталась с различиями в уровнях мРНК карнозин-синтезирующих (А) и карнозин-разрушающих (Б) ферментов в исследуемых клеточных культурах. Результаты ПЦР в реальном времени. Звездочка обозначает статистически значимое отличие от уровня мРНК в клетках U-118-MG; n=3, p<0.05.
На Рис 3.2.2. представлены результаты измерения экспрессии генов карнозин-синтетазы и карнозиназы в исследуемых клеточных линиях, с помощью метода ПЦР в реальном времени. Из Рис. 3.2.2. видно, что в клетках U-118-MG уровень мРНК карнозин-синтазы был в 3,5 - 5 раз ниже, чем в клетках карцином (Рис. 3.2.2.А), а уровень мРНК карнозиназы, наоборот, был 4 - 6 раз выше (Рис. 3.2.2.Б). На основании этих данных можно предположить, что уровень эндогенного карнозина в клетках глиобластомы изначально ниже, чем в клетках карцином. Изначально низкий уровень карнозина в клетках глиобластомы, вероятно, обуславливает их большую чувствительность к антипролиферативному эффекту карнозина, в то время как высокий уровень карнозина в клетках карцином способствует развитию в них толерантности рост-ингибирующему действию карнозина. Поскольку наиболее выраженный антипролиферативный эффект карнозина был получен на клетках глиобластомы человека U-118-MG, эти клетки были использованы в дальнейших исследованиях.
Для более подробного изучения антипролифативного действия карнозина, клетки U-118-MG инкубировали в среде, в которую добавляли 20-100 мМ карнозина и измеряли Td. На Рис. 3.2.3. представлены результаты подробного анализа влияния карнозина на пролиферацию клеток глиобластомы. Было выяснено, что карнозин приводит к дозо-зависимому увеличению Td клеток U-118-MG, что согласовывалось с полученными ранее данными (Рис. 3.2.1). Td в контроле составляло 35 ч, в присутствии 50 мМ карнозина Td снижалось до 66 ч. Пролиферация была полностью подавлена в пробах обработанных 80 мМ и 100 мМ карнозина (Рис. 3.2.3.А).
Ингибирующий эффект карнозина на пролиферацию клеток U-118-MG был подтвержден результатами измерения способностей клеток формировать колонии, то есть делиться. Результаты анализа выживаемости представлены на Рис. 3.2.3.Б. Из полученных дынных видно, что инкубация клеток глиобластомы с карнозином (50 - 100 мМ) в течение 24 ч приводила к снижению их выживаемости. Выживаемость клеток U-118-MG, обработанных 100 мМ карнозина, снижалась до 60% по сравнению с контролем (Рис. 3.2.3.Б).
 Рисунок 3.2.3. Карнозин дозо-зависимо подавляет пролиферацию клеток глиобластомы. (А) Кривые роста клеток U-118-MG в контроле и при добавлении к среде культивирования 20 – 100 мМ карнозина. Td рассчитывали, как описано на Рис. 3.2.1. Звездочка обозначает статистически значимое отличие от количества клеток в контроле; n=3, p<0.05. (Б) Выживаемость клеток оценивали по способности формировать колонии. Звездочка обозначает статистически значимое отличие от выживаемости в контроле; n=3, p<0.05.
Исходя из полученных данных, был сделан вывод о том, что карнозин оказывает ингибирующее действие на пролиферацию клеток глиобластомы (U-118-MG), карциномы горла и рта (FaDu, Cal27) и молочной железы (MB231). Наиболее выраженный эффект наблюдали в клетках глиобластомы. Избирательность действия карнозина может быть связана с пониженным уровнем экспрессии карнозин-синтетазы и повышенным уровнем экспрессии карнозиназы в клетках глиобластомы по сравнению с клетками карцином.
3.2.2. Карнозин снижает уровень АФК и индуцирует экспрессию MnСОД
АФК принимают активное участие в регуляции клеточной пролиферации. Изменения внутриклеточного уровня АФК часто приводит к нарушениям пролиферативных процессов [24, 25, 67, 174]. Карнозин демонстрирует эффективные антиоксидантные свойства, то есть способен влиять на внутриклеточный уровень АФК [15, 207, 215, 259]. Для того чтобы выяснить, связано ли замедление пролиферации глиобластомы под действием карнозина с изменениями внутриклеточного уровня АФК, клетки обрабатывали карнозином (50 - 100 мМ) в течение 24 ч и измеряли уровень АФК с помощью проточного цитометра по степени окисления флуоресцентного красителя DCFH2-DA.
Рисунок 3.2.4. Карнозин снижает уровень АФК в клетках U-118-MG. Клетки обрабатывали карнозином (50 - 100 мМ) в течение 24 ч. Уровень АФК измеряли, как с описано на Рис. I.2. Результаты представлены в виде среднего значения флуоресценции, рассчитанного относительно контроля. Звездочка обозначает статистически значимое отличие от уровня АФК в контроле; n=3, p<0.05. 
На Рис. 3.2.4. показано влияние карнозина на уровень АФК в клетках U-118-MG. Как следует из Рис. 3.2.4, карнозин приводил к дозо-зависимому понижению уровня АФК в клетках U-118-MG. Клетки, обработанные 50 – 100 мМ карнозина, содержали на 15 – 20% меньше АФК, чем клетки в контроле.
Уровень внутриклеточных АФК контролируется антиоксидантной системой клетки. Снижение уровня АФК возможно как в результате прямого эффекта карнозина, так и при активации антиоксидантных ферментов под действием карнозина. На сегодняшний день прямой антиоксидантный эффект карнозина установлен и хорошо описан в литературе [14, 16, 18, 19]. Для изучения действия карнозина на антиоксидантные ферменты клеток U-118-MG были выбраны два основных антиоксидантных фермента – митохондриальная супероксиддисмутаза (MnСОД) и каталаза. Клетки обрабатывали карнозином (50 – 100 мМ) в течение 24 ч, затем измеряли активность и экспрессию MnСОД и каталазы.
Рисунок 3.2.5. Карнозин индуцирует экспрессию MnСОД в клетках U-118-MG. Клетки обрабатывали карнозином (25 - 100 мМ) в течение 24 ч. (А) Активность MnСОД, измеренная с помощью метода белкового электрофореза в неденатурирующем геле. (Б, В) Уровень белка MnСОД измеряли методом иммуноблоттинга, актин использовали для нормирования количества белка. (Г) Уровень мРНК MnСОД, измеренный с помощью метода ПЦР в реальном времени. Звездочка обозначает статистически значимое отличие от уровня мРНК MnСОД в контроле; n=3, p<0.05.
На Рис. 3.2.5.А. представлены результаты измерения активности MnСОД с помощью метода электрофореза в неденатурирующем геле. В данной работе было впервые показано, что инкубация клеток глиобластомы с карнозином усиливает активность MnСОД. Активность MnСОД в клетках обработанных карнозином (50 - 100 мМ) была в 3,3 - 3,6 раз выше, чем в контроле (Рис. 3.2.5.А). Отсутствие изменений в активности цитозольной супероксиддисмутазы (CuZnСОД) (Рис. 3.2.5.А) позволяет предположить, что антипролиферативный эффект карнозина связан со снижением уровня АФК, генерируемых в митохондриях. С помощью метода иммуноблоттинга было выявлено, что повышение активности MnСОД сопровождалось увеличением уровня белка MnСОД. Клетки обработанные карнозином (50 и 100 мМ) содержали в 1,4 - 1,6 раз больше белка MnСОД, чем клетки в контроле (Рис. 3.2.5.Б). Исследование временной зависимости увеличения уровня MnСОД под действием карнозина выявило, что добавление карнозина в концентрации 50 мМ индуцирует увеличение уровня белка MnСОД через 16 ч (Рис. 3.2.5.В). Измерение уровня мРНК MnСОД методом ПЦР в реальном времени показало, что увеличение количества белка MnСОД сопровождалось увеличением мРНК MnСОД. Уровень мРНК MnСОД в клетках обработанных 50 и 100 мМ карнозина был в 1,5 - 2,5 раза выше, чем в контроле (Рис. 3.2.5.Г).
На Рис. 3.2.6. представлены результаты исследования действия карнозина на активность и экспрессию каталазы. Активность каталазы измеряли с помощью биохимического метода на спектрофотометре. Уровень белка определяли с помощью метода иммуноблоттинга. Активность каталазы в контроле составляла 4 мк ед/мг. Клетки обработанные 50 мМ карнозина не демонстрировали каких-либо изменений активности каталазы по сравнению с контролем. В то время как в клетках обработанных 100 мМ карнозина активность каталазы снижалась до 1,5 мк ед/мг (Рис. 3.2.6.А). Снижение активности каталазы сопровождалось соответствующим уменьшением уровня белка. В клетках обработанных 100 мМ карнозина уровень белка каталазы составлял 60% от контрольного уровня (Рис. 3.2.6). Снижение активности каталазы часто приводит к росту прооксидантного уровня, главным образом Н2О2. Поскольку роста Н2О2 под действием карнозина не происходило, было предположено, что исходное содержание каталазы в клетках U-118-MG настолько мало, что снижение ее активности не оказывает значительного влияния на антиоксидантный эффект карнозина.
Рисунок 3.2.6. Карнозин ингибирует экспрессию каталазы в клетках U-118-MG. Клетки обрабатывали карнозином (50 - 100 мМ) в течение 24 ч. (А) Активность каталазы измеряли с помощью биохимического метода. Звездочка обозначает статистически значимое отличие от активности каталазы в контроле; n=3, p<0.05. (Б) Уровень белка каталазы измеряли методом иммуноблоттинга, актин использовали для нормирования количества белка.
Исходя из полученных данных, был сделан вывод о том, что карнозин проявляет антиоксидантные свойства в клетках глиобластомы U-118-MG. Карнозин снижал внутриклеточный уровень АФК и усиливал активность и экспрессию антиоксидантного фермента MnСОД.
3.2.3. Карнозин индуцирует G2 блок и усиливает экспрессию циклина В1
Для того чтобы выяснить, является ли антипролиферативный эффект карнозина результатом изменений в прогрессии клеточного цикла, клетки U-118-MG обрабатывали карнозином (20 – 100 мМ) в течение 24 ч и измеряли количество клеток в G1, S и G2 фазах с помощью двухпараметрического анализа. 
Рисунок 3.2.7. Карнозин индуцирует G 2 блок в клетках U-118-MG. Клетки инкубировали с карнозином (20 – 100 мМ) в течение 24 ч, метили БДУ и измеряли количество БДУ-положительных (S фаза) и БДУ-отрицательных (G1 и G2 фазы) клеток с помощью проточного цитометра. (А) Пример распределения клеток U-118-MG по фазам клеточного цикла. (Б) Процентное распределение клеток по фазам клеточного цикла в контроле и после инкубации с карнозином. Звездочка обозначает статистически значимое отличие от количества клеток в контроле; n=3, p<0.05.
На Рис. 3.2.7.А. представлен типичный пример распределения клеток U-118-MG по фазам клеточного цикла в контроле и после инкубации с карнозином. Как видно из Рис. 3.2.7.Б. инкубация с карнозином (20 - 100 мМ) приводила к дозо-зависимому увеличению количества клеток в G2 фазе и сопровождалась уменьшением числа клеток в S фазе. Распределение в контроле составляло: G1 - 39%, S - 44% и G2 - 17% клеток. Карнозин в концентрации от 20 до 50 мМ не приводил к значительным изменениям в распределении клеток. Достоверно отличимый от контроля результат был получен в пробах обработанных карнозином в концентрации 80 - 100 мМ. Количество клеток в G2 фазе увеличивалось до 39% относительно 17% в контроле, количество клеток в S фазе уменьшалось до 22% относительно 44% в контроле (Рис. 3.2.7.Б). Таким образом, было показано, что инкубация клеток U-118-MG с карнозином приводит к формированию G2 блока в прогрессии клеточного цикла. Исходя из полученных данных, был сделан вывод о том, что карнозин ингибирует пролиферацию клеток глиобластомы за счет модификации прогрессии клеточного цикла через G2 фазу.
Прохождение клетки через фазы клеточного цикла регулируется последовательной экспрессией циклинов. Циклин В1 специфически экспрессируется во время G2 фазы [81]. Было показано, что индукция G2 блока в присутствии некоторых антиоксидантов, например, витамина С, сопровождается усилением экспрессии циклина В1 [181]. Для того чтобы определить, сопровождается ли индуцированное карнозином накопление клеток в G2 фазе с изменениями экспрессии циклина В1, клетки U-118-MG обрабатывали 50 и 100 мМ карнозина в течение 24 ч и измеряли уровень белка и мРНК циклина В1. Результаты иммуноблоттинга и ПЦР в реальном времени представлены на Рис. 3.2.8. Было показано, что инкубация с карнозином (50 и 100 мМ) индуцирует увеличение уровня белка циклина В1 в 2,5 – 4 раза (Рис. 3.2.8.А). Интересно отметить, что увеличение уровня белка циклина В1 по времени совпадало с ростом уровня MnСОД и происходило спустя 16 часов после добавления 50 мМ карнозина (Рис. 3.2.8.Б и 3.2.5.В). Данное наблюдение позволяет предположить существование взаимосвязи между антипролиферативным и антиоксидантным эффектами карнозина. Повышение уровня белка циклина В1 было сопряжено с небольшим увеличением уровня мРНК. В клетках обработанных 50 и 100 мМ карнозина уровень мРНК циклина В1 в 1,25 - 2 раза превышал значение в контроле (Рис. 3.2.8.В). Исходя из полученных данных, можно сделать вывод о том, что антипролиферативный эффект карнозина является следствием активации экспрессии циклина В1 и остановки клеток в G2 фазе клеточного цикла.
Рисунок 3.2.8. Карнозин усиливает экспрессию циклина B1 в клетках U-118-MG. Клетки инкубировали с карнозином (50 - 100 мМ) в течение 24 ч. (А, Б) Уровень белка циклина В1 измеряли методом иммуноблоттинга, актин и НАДФН использовали для нормирования количества белка. (В) Уровень мРНК циклина В1 измеряли с помощью метода ПЦР в реальном времени. Звездочка обозначает статистически значимое отличие от уровня мРНК циклина В1 в контроле; n=3, p<0.05.
Заключение II: Карнозин ингибировал пролиферацию опухолевых клеток человека, что согласовывалось с данными, полученными на клетках РС-12. Наиболее выраженный ингибирующий эффект карнозина наблюдали в культуре клеток глиобластомы, что возможно было связано с изначально низким уровнем эндогенного карнозина в этих клетках. В данной работе было впервые показано, что замедление пролиферации клеток глиобластомы под действием карнозина сопровождается снижением внутриклеточного уровня АФК, усилением экспрессии MnСОД и циклина В1, а также накоплением клеток в G2 фазе клеточного цикла. Полученные данные подкрепляют наше предположение о том, что карнозин ингибирует рост опухолевых клеток за счет усиления антиоксидантной защиты клетки и модификации клеточного цикла.
|
