Журнал эволюционной биохимии и физиологии, 2017 ã., ò. 53, ¹5
ОБЗОРЫ
НАВИГАЦИОННЫЕ МОЛЕКУЛЫ И ХЕМОКИНЫ В ПРОЦЕССАХ РОСТА
И РЕМОДЕЛИРОВАНИЯ СОСУДОВ
© Ê. À. Ðóáèíà,1
Ê. À. ÐÓÁÈÍÀ, Å. Â. ÑÅÌÈÍÀ, Â. À. ТКАЧУК
НАВИГАЦИОННЫЕ МОЛЕКУЛЫ И ХЕМОКИНЫ В ПРОЦЕССАХ...
В последнее время помимо основных молекул, участвующих в процессах ангиогенеза, таких
как факторы роста, цитокины и хемокины, большое внимание уделяется изучению навигационных
молекул, которые определяют направление роста вновь формирующихся сосудов (эфрины и их рецепторы,
нейропилины и плексины — рецепторы семафоринов, Robo — рецепторы слит-белков, и
UNC5B рецепторы, связывающие нетрины, урокиназа и ее рецептор, Т-кадгерин). Навигационные
рецепторы играют важную роль в процессах регуляции траектории роста сосудов в эмбриогенезе и
при регенерации во взрослом организме. Помимо перечисленных молекул важную роль в процессах
ангиогенеза и ремоделирования сосудистой стенки играют матриксные металлопротеиназы
(ММР) и сериновые протеазы (урокиназа и плазмин). Нарушения экспрессии или сигнализации с
участием вышеперечисленных белков может приводить к развитию различных патологий.
Ключевые слова: ангиогенез, навигационные рецепторы, факторы роста, хемокины, Т-кадгерин.
Введение
Восстановление
кровоснабжения поврежденных
тканей лежит в основе многих регенеративных процессов.
Изучение механизмов регуляции роста кровеносных
сосудов необходимо как для разработки современных
подходов в регенеративной медицине, так и
для создания лекарств, направленных на блокирование
процессов ангиогенеза, которые выходят из-под контроля
при онкологических и ряде других заболеваний.
Задачей фундаментальной биологии и медицины
является изучение фундаментальных основ организации
и функционирования органов и тканей, комплексных
молекулярно-биологических, клеточных и биохимических
механизмов, нарушение работы которых
приводит к развитию патологий.
Навигационные рецепторы
и их роль в процессах ангиогенеза
Ангиогенные факторы активируют сосудистые
клетки и инициируют рост сосудов, основную роль в
специализации ведущих «tip» клеток играет фактор
роста эндотелия VEGF (vascular endothelial growth factor),
он же определяет поляризацию клетки. Для формирования
функционально зрелых сосудов в строго заданном
месте в определенное время лишь одна эндотелиальная
клетка становится «ведущей», в соседних с
ней клетках формируется фенотип «ведомых» клеток
(«stalk» cells). «Âåäóùàÿ» клетка локализуется на
конце растущего сосуда, формирует множественные
филоподии, с помощью которых она «тестирует» микроокружение.
«Ведущая» эндотелиальная клетка распознает
комбинации навигационных сигналов микроокружения
и реализует их в виде направленной миграции,
формирования и роста сосудов. «Ведущая»
клетка мигрирует по градиенту хемоаттрактанта и направляет
рост всего сосуда [1]. Основную роль в специализации
«ведущих» и «ведомых» клеток играет
градиент VEGF. Начальная специализация и дальнейшее
поддержание эндотелиальных клеток в состоянии
фенотипа «ведущих» или «ведомых» клеток регулируются
на уровне Dll4/NOTCH сигнализации [2].
Ангиогенные факторы активируют сосудистые клетки,
однако существует целый класс различных по
своей структуре навигационных молекул, определяющих
траекторию роста вновь формирующихся сосудов
[3, 4]. «Ведущие» клетки экспрессируют такие навигационные
молекулы, как нейропилины (NRPs) и плексин
D1 (PLEXIN-D1), эфрины и рецепторы эфринов
(EPH), ROBO4 áåëêè, взаимодействующие со
слит-белками (Slit), UNC5B ðåöåïòîð, связывающий
нетрины (netrins). Взаимодействие навигационных рецепторов
с лигандами может приводить как к отталкиванию
и как следствию к изменению направления роста
сосуда, так и наоборот, может вызывать адгезию и
служить аттрактивным сигналом для роста сосуда в
данном направлении [4]. В основным перечисленные
навигационные молекулы опосредуют свои эффекты
Å. Â. Ñåìèíà,1, 2
Â. À. Òêà÷óê1, 2
1 Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Москва
2 РКНПК МЗ РФ, Институт экспериментальной кардиологии, Москва, Россия
E-mail: rkseniya@mail.ru
Стр.1
314
Ê. À. ÐÓÁÈÍÀ, Å. Â. ÑÅÌÈÍÀ, Â. À. ТКАЧУК
через активацию внутриклеточной сигнализации, приводящей
к изменению организации цитоскелета клеток
или модулированию внутриклеточной сигнализации,
которая активируется при связывании VEGF с
VEGFR [5]. Èçâåñòíî, что ряд морфогенов, таких как
Wnts (wingless-type proteins), Sonic Hedgehog (Shh) и
BMP (Bone Morphogenetic Protein), являются аттрактивными
или, наоборот, сигналами отталкивания для
растущих сосудов [5], однако прямого подтверждения
экспрессии этих белков «ведущими» клетками в литературе
пока нет.
Нейропилины (NRP1 и NRP2) в эндотелиальных
клетках выступают либо как ко-рецепторы VEGFR
(VEGFR1, 2, 3) и участвуют в морфогенезе и ветвлении
сосудов, либо как рецепторы семафоринов (Sema3),
регулируя траекторию роста сосудов за счет отталкивания
и подавления миграции эндотелиальных
клеток в область с высокой концентрацией Sema3 [1,
4]. Генетические исследования у мышей показали, что
формирующиеся в заднем мозге сосуды в отсутствие
NRP1 не ветвятся, а сливаются с формированием дефектного
сосудистого сплетения; блокирование процесса
связывания VEGF с NRP1 препятствует дальнейшему
ремоделированию этого сплетения и формированию
функционально зрелой сосудистой сети [6].
Дефекты ветвления сосудов и образование аберрантной
сосудистой сети в отсутствие NRP1 вызваны нарушением
формирования латеральных филоподий, которые
важны для изменения направления миграции «tip»
клетки в момент поворота и слияния растущих по направлению
друг к другу сосудов [6].
Добавление антител к NRP1, которые блокируют
связывание с VEGF, но не влияют на связывание с
Sema3, не имеют существенного значения для морфогенеза
сосудов в эмбриогенезе [6]. Однако Sema3 играет
важную роль при опухолевом росте и является перспективной
мишенью для подавления опухолевого неоангиогенеза
и метастазирования [3, 4].
Семафорины в сосудистой системе представлены
как мембранно-связанными белками, так и секретируемыми.
Семафорины помимо нейропилинов могут
связываться с плексинами. Потеря экспрессии плексина
D1 у мышей приводит к ошибкам навигации и формированию
дефектной сосудистой сети, поскольку в
отсутствие рецептора плексина D1 эндотелиальные
клетки прорастающих сосудов не распознают сигнала
отталкивания микроокружения — SEMA3E. Для многих
семафоринов, таких как SEMA3A, SEMA3B, SEMA3D,
SEMA3F и SEMA4A, описан антиангиогенный
эффект при опухолевом росте. Однако известно, что
семафорины SEMA3C и SEMA4D, íàîáîðîò, стимулируют
опухолевый ангиогенез [3, 4].
Эфрины и их рецепторы за счет контактного взаимодействия
между клетками и сигнализацией, которая
при этом возникает, участвуют в формировании границ
между сосудистыми структурами в эмбриогенезе.
В «ведущих» клетках сигнализация, которая активируется
при взаимодействии эфрина-В2 с рецептором,
вызывает интернализацию VEGFR-2, последующий
сигнальный каскад и формирование филоподий. Экспрессия
эфрина-В2 также важна для привлечения эндотелиальных
предшественников из костного мозга и
рекрутировании муральных клеток в процессе стабилизации
сосудов [3, 4]. Известно, что на ранних стадиях
эмбриогенеза взаимодействие эфрина-В2 с EPHB4
также определяет артериовенозную дифференцировку
сосудов. При васкулогенезе в первичном сосудистом
сплетении та часть клеток, которая экспрессирует эфрин-В2,
будет дифференцироваться в артериальные
эндотелиальные клетки, а клетки, экспрессирующие
EPHB4, — в венозные [7]. Взаимодействие эфринов с
рецепторами, как правило, вызывает отталкивание, поэтому
две популяции эндотелиальных клеток при морфогенезе
сосудистой системы не смешиваются, обособляются
друг от друга и мигрирует сепаратно.
При опухолевом росте в целом EPHB4 играет проангиогенную
роль, что позволяет рассматривать его
как потенциальную терапевтическую мишень для антиангиогенной
òåðàïèè. Другие ýôðèíû, EPHA2 и ýôðèí-À1,
важны для роста и созревания сосудов. Было
обнаружено, что экспрессия эфрина-А1 повышается
при применении антиангиогенной терапии с использованием
блокаторов VEGF. При этом развитие резистентности
связывают с увеличением экспрессии эфрина-А1
[3].
Цитокины и хемокины в процессах
ангиогенеза
К важным регуляторам процессов ангиогенеза в
норме и при патологии относят цитокины.
Цитокины. Цитокины включают интерфероны, колониестимулирующие
факторы, хемокины, трансформирующие
ростовые факторы (TGF), фактор некроза
опухолей (TNFa), интерлейкины и некоторые другие
эндогенные медиаторы. Цитокины по своему биологическому
действию делятся на провоспалительные (интерлейкины
1, 2, 6, 8 и äð., TNFa, интерферон INFg),
противовоспалительные (интерлейкины 4, 10 и др.,
TGFb) и регуляторы клеточного и гуморального иммунитета.
Цитокины влияют на межклеточные взаимодействия,
регулируют выживаемость клеток, стимулируют
или подавляют их пролиферацию, дифференцировку,
функциональную активность и апоптоз, а также
координируют и обеспечивают согласованность действий
иммунной, эндокринной и нервной систем в
нормальных условиях и в ответ на патологические воздействия
[7—13]. Основными продуцентами цитокинов
являются лимфоциты, их также секретируют
макрофаги, гранулоциты, ретикулярные фибробласты,
эндотелиальные клетки и другие типы клеток. Провоспалительные
интерлейкины IL-1, IL-6, IL-15, IL-18 и
IL-17 и ряд других цитокинов обладают способностью
стимулировать ангиогенез. В модельных экспериментах
in vivo и in vitro было ïîêàçàíî, что IL-1, IL-8,
IL-15, IL-18 стимулируют выживание и пролиферацию
эндотелиальных клеток, формирование ими капилляроподобных
трубочек, роста сосудов на Матригеле
[13]. В зависимости от экспериментальных условий
IL-6 может как стимулировать, так и ингибировать ангиогенез.
Экспрессия ряда провоспалительных цито
Стр.2
НАВИГАЦИОННЫЕ МОЛЕКУЛЫ И ХЕМОКИНЫ В ПРОЦЕССАХ...
315
кинов оказывается повышена при аутоиммунных заболеваниях
и вносит свой вклад в развитие заболевания.
Повышенное содержание IL-1, IL-6, IL-15, IL-18 и
IL-17, а также G-CSF (гранулоцит колониестимулирующий
фактор), GM-CSF (гранулоцитарно-макрофагальный
колониестимулирующий ôàêòîð) и oncostatinM
обнаруживается при ревматоидном артрите [8].
Некоторые цитокины за счет своих ангиогенных
свойств способствуют опухолевому росту; так, IL-17
стимулирует CXCR2-зависимую васкуляризацию немелкоклеточного
рака легкого у SCID мышей [14].
Другие öèòîêèíû, такие как IFN-a, IFN-g, IL-4, IL-12 и
LIF (фактор ингибирования лейкемии), опосредованно
способны ингибировать ангиогенез за счет подавления
секреции клетками ангиогенных факторов роста, хемокинов
и цитокинов [15]. Íàïðèìåð, IL-4 блокирует
ангиогенные эффекты TNFa и IL-1 [15], а IL-12 блокирует
ангиогенез за счет индукции экспрессии IFN-g и
IP-10/CXCL10, который обладает ингибирующими ангиогенез
свойствами [16].
Хемокины. Хемокины являются уникальным семейством
цитокинов и представляют собой низкомолекулярные
(8—10 êÄà) гепарин-связывающие áåëêè, о
функции которых долгое время было известно, что они
являются факторами, привлекающими лейкоциты в
зону воспаления [17]. В настоящее время считается,
что хемокины играют важную роль в регуляции ангиогенеза
как в норме, так и при патологии. Семейство хемокинов
включает как проангиогенные, так и антиангиогенные
молекулы. В основе стимуляции ангиогенеза
с участием хемокинов лежит рекрутирование проангиогенных
гематопоэтических и иммунных клеток, стромальных
клеток и эндотелиальных клеток-предшественников,
индукция миграции эндотелиальных клеток
и формирования капилляров; хемокины также модулируют
сигнализацию от рецепторов факторов роста, таких
как VEGF и FGF [18]. Õåìîêèíû, ингибиторы ангиогенеза,
связываясь с рецепторами на эндотелиальных
клетках, вызывают их апоптоз или регрессию
сосудов. Эти хемокины также могут формировать комплексы
с факторами роста и тем самым препятствовать
их связыванию со своими рецепторами, ингибировать
тирозин-киназную сигнализацию от рецепторов факторов
роста и вызывать хемотаксис Т-клеток, которые
продуцируют ингибиторы ангиогенеза, в том числе и
секрецию самих антиангиогенных хемокинов [17].
На сегодняшний день у человека известно около
20 рецепторов хемокинов и 50 лигандов, которые
условно разделены на 4 подсемейства в зависимости
от структуры (C, CC, CXC, CX3C): òàê, CXC хемокины
между первым и вторым цистеинами на N-конце содержат
неконсервативную аминокислоту (Х); CC хемокины,
самое большое подсемейство, содержат два
последовательных цистеина; С хемокины содержат
один цистеин и представлены единственным хемокином
lymphotactin (ÕCL1 и ÕCL2), CX3C хемокины
между цистеинами содержат 3 неконсервативные
аминокислоты, имеют единственного представителя
Fractalkine, который является уникальным мембранно-связанным
хемокином [18, 19]. Äàëåå, CXC хемокины
разделяют на 2 подгруппы: ELR-позитивные хемокины
(ELR+) и ELR-íåãàòèâíûå хемокины (ELR-), в
зависимости от наличия консервативной аминокислотной
последовательности (Glu-Leu-Arg) перед первым
цистеином на N-конце. Наличие ELR определяет специфичность
связывания с рецептором и биологическую
функцию: ELR+ хемокины проангиогенны,
ELR-õåìîêèíû — антиангиогенны [18].
Связывание хемокинов с GPCR рецепторами приводит
к замене ГДФ на ГТФ в a-субъединице рецептора,
диссоциации гетеротримерного белкового комплекса
(Gabg)íà a и bg субъединицы, которые в свою
очередь активируют фосфолипазу С (Cb1иCb2), вызывают
гидролиз фосфатидилинозитол-4,5-биcфосфата
(PIP2), что приводит к образованию инозитолтрифосфата
(IP3) и диацилглицерола (DAG) с последующим
увеличением содержания внутриклеточного
кальция за счет его выхода из эндоплазматического ретикулума
в цитоплазму [20, 21]. Сами хемокиновые
рецепторы не обладают тирозинкиназной активностью,
однако в результате кросс-тока с другими рецепторами
могут стимулировать фосфорилирование
белков цитоскелета p130 Cas и paxillin [22] и активировать
киназу фокальных адгезий (FAK), а также сигнальные
пути Ras/Raf/MEK/JNK/p38/ERK1/ERK2 и
сигнализацию с участием фосфоинозитид-3-киназы
(PI3Kinase)/AKT/mTOR с последующей активацией
транскрипционных факторов и экспрессией генов [16,
20, 23—25]. Кроме òîãî, имеются данные о òîì, что
внутриклеточная сигнализация с участием рецепторов,
сопряженных с G-белками, приводит к активации Rho
и Rac сигнальных путей, полимеризации актина, сборке
фокальных контактов и миграции клеток [26].
Хемокины ингибиторы ангиогенеза. В физиологических
условиях при формировании необходимого количества
сосудов ангиогенез прекращается за счет индукции
соответствующих ингибиторов. При патологии,
например, при хроническом воспалении, опухолевом
росте и других заболеваниях, этот баланс нарушается,
что приводит к неконтролируемому ангиогенезу с формированием
аберрантных и нефункциональных сосудов.
В норме в ответ на стимуляцию ангиогенеза факторами
роста и ангиогенными хемокинами параллельно
начинает продуцироваться определенный спектр
антиангиогенных хемокинов [27]. Среди них интерферон
(IFN)-èíäóöèðóåìûå ELR-õåìîêèíû CXC подсемейства,
которые являются важными ингибиторами
ангиогенеза, включая CXCL4/фактор тромбоцитов
4 (PF4), CXCL10/èíòåðôåðîí-g-èíäóöèðóåìûé белок
10 (IP-10), CXCL9/g-èíäóöèðóåìûé монокин (MIG),
CXCL11/интерферон-индуцируемый a-хемоаттрактант
Ò-êëåòîê (I-TAC) и CXCL4L1, аналог CXCL4 [28—33].
В основном все эти антиангиогенные хемокины связываются
рецепторами с CXCR3a и CXCR3b на эндотелиальных
клетках, которые представляют собой
сплайсинг варианты одного и того же гена [34]. У мышей,
у которых отсутствует CXCR3, отмечается избыточное
формирование сосудов при заживлении ран,
что указывает на важную функцию этих хемокинов в
регуляции сосудистого гомеостаза.
Такие õåìîêèíû, как CXCL4, CXCL9, CXCL10 и
CXCL11, напрямую ингибируют индуцированный
Стр.3