АРИЛ-ГИДРОКАРБОНОВЫЙ  РЕЦЕПТОР  И  ЕГО  РОЛЬ  В  РАЗВИТИИ  ВРОЖДЕННЫХ  ПОРОКОВ  СЕРДЦА

Швецов  Ярослав  Дмитриевич

аспирант  кафедры  биологии,  медицинской  генетики  и  экологии  Курский  Государственный  Медицинский  Университет,  г.  Курск

Email:  shvecov.miogu@rambler.ru

Актуальность  данной  темы  обусловлена  тем,  что  в  развитие  врожденных  пороков  сердца  значимую  роль  играет  сигнальный  каскад  арил-гидрокарбонового  рецептора.  Известно  о  роли  AHR  не  только  в  ответе  на  интоксикацию  ксенобиотиков  и  их  детоксикацию,  но  и  участие  в  процессах  пролиферации  и  дифференциации  клеток.

Индукция  экспрессии  генов  ферментов  метаболизма  ксенобиотиков  в  ответ  на  химическое  воздействие  можно  найти  у  большинства  организмов.  У  позвоночных  арил-гидрокарбоновый  рецептор  (AhR)  является  одним  из  нескольких  химических,  лиганд-зависимых  внутриклеточных  рецепторов,  которые  стимулируют  транскрипцию  генов  в  ответ  на  воздействие  ксенобиотиков.  Способность  связывать  и  быть  активированным  целым  рядом  структурно  различных  химических  веществ  позволяет  предположить,  что  AhR  содержит  довольно  беспорядочные  сайты  связывание  лигандов.  Помимо  синтетических  и  химических  веществ  окружающей  среды  были  также  выявлены  многочисленные  естественные  и  эндогенные  лиганды.  Загрязнители  окружающей  среды,  такие,  как  HAHs  и  негалогенизированные  ПАУ,  представляют  собой  наиболее  широко  охарактеризованные  классы  AhR-лигандов.  Хотя  многочисленные  гены  регулируются  арил-гидрокарбоновым  рецептором,  лучше  изучены  ферменты  метаболизма  ксенобиотиков,  такие  как  белки  группы  цитохромов.  Индукция  семейства  CYP-белков  является  ответом,  который  в  виде  каскада  реакций  участвует  в  начальных  этапах  детоксикации  у  большинства  видов.  Текущая  модель  AhR  действий  представлена  на  рисунке  1.

Рисунок  1.  Молекулярный  механизм  активации  экспрессии  генов  и  действие  арил-гидрокарбонового  рецептора

Химическое  вещество,  поступая  в  цитоплазму  быстро  делящейся  клетки,  с  высоким  аффинитетом  связывается  с  цитозольным  AhR,  который  существует  как  мультипептидный  комплекс,  содержащий  две  молекулы  шаперона  белка  hsp90  (белок  теплового  шока  90  кДа),  X-связанного  белка  2  [XAP2]  и  недавно  идентифицированный  23-кДа  ко-шаперон  белок,  именуемый  p23.  После  связывания  лиганда,  AhR  проходит  ряд  конформационных  изменений,  приводя  к  перемещению  комплекса  в  ядро.  Отсоединение  лиганда  AhR  с  его  последующей  димеризацией  с  соответствующим  ядерным  белком  Arnt  преобразует  AhR,  чтобы  достичь  высокого  аффинитета  связывания  с  ДНК.  AHR-ARNT  гетеродимер  связывает  AHR,  диоксин,  или  элемент  ответа  на  действие  ксенобиотиков  (AHRE)  последовательность  5-TNGCGTG-3,  расположенную  в  промоторной  области  генов-мишеней  AHR,  коактиваторов  и  белков  хроматина,  которые  являются  важными  компонентами  в  транскрипционной  индукции  генов  AHR  цепи.  Связывание  гетеромерного  лиганда  AhR/Arnt  комплекса  специфичного  сайта  связывания  ДНК,  DRE,  запускают  каскад  белков  семейства  цитохромов  и  других  AhR-зависимых  генов,  стимулируя  их  транскрипцию.  Присутствие  AhR  и  AhR-сигнальных  каскадов  в  спектре  разнообразных  видов  тканей,  типов  клеток  в  сочетании  с  его  способностью  действовать  как  лиганд-зависимый  транскрипционный  фактор,  свидетельствует  о  том,  что  многие  токсические  и  биологические  эффекты  лигандов  AhR  в  результате  дифференциального  изменения  экспрессии  генов  в  восприимчивых  клетках  играют  важную  роль  в  морфогенезе  ткани  [3,  с.  309]. 

Арил-гидрокарбоновый  рецептор  (AHR)  является  лиганд-активированным  транскрипционным  фактором,  который  опосредует  индукцию  CYP1  семейства  цитохрома  Р450  и  ряда  ферментов  II  фазы  детоксикации,  принадлежит  к  семейству  белков,  характеризующихся  наличием  basic  helix-loop-helix/PER-ARNT-SIM  (PAS)  области.  Хотя  индукция  этих  генов  лучше  всего  характеризует  AHR  функции,  он  не  объясняет  разнообразие  опосредованных  эффектов.  Активация  арил-гидрокарбонового  рецептора  в  ответ  на  TCDD  и  других  агонистов  ксенобиотиков  непосредственно  затрагивает  несколько  метаболических  путей,  ведущих  к  идентификации  многих  AHR-направленных  эффектов  диоксина,  участвующих  в  регуляции  сигнальных  факторов  роста,  клеточного  цикла  пролиферации,  дифференциация  и  апоптоза. 

Исследования  с  целью  определения  механизмов,  ответственных  за  развитие  ВПС  в  результате  воздействия  TCDD  в  эмбриональном  развитии  является  очень  важным  для  профилактики  сердечно-сосудистой  патологии,  причина  которой  —  влияние  факторов  окружающей  среды  на  генотип.  Помимо  своей  роли  посредника  производить  оценку  ксенобиотической  токсичности,  важная  роль  AHR  в  ряде  биологических  процессов  только  начинает  признаваться,  связывая  свои  гены-мишени  в  сигнальных  путях  и  играя  основополагающую  роль  в  регуляции  клеточного  цикла.  Сигнальный  путь  арил-гидрокарбонового  рецептора  играет  важную  роль  в  контроле  баланса  между  процессами  пролиферации  клеток,  способствует  инициации,  промоции  и  прогрессии  патологического  процесса,  в  конечном  счете,  приводит  к  существенным  изменениям  экспрессии  генов.  Клапанный  стеноз  и  синдром  гипоплазии  левых  отделов  сердца  являются  наиболее  распространенными  формами  врожденных  дефектов  в  организме  человека,  выявляемых  у  восьми  новорожденных  на  каждые  1000  живорождений  и  составляющие  25—30  %  от  всех  случаев  человека  врожденных  пороков  сердца.  В  целом  эти  ВПС  являются  основной  причиной  неонатальной  и  младенческой  смертности  и  одной  из  основных  причин  сердечной  недостаточности  у  взрослых,  тем  самым  показывая  связь  сердечно-сосудистых  заболеваний  плода  и  взрослого.  Интересно,  что  10%  больных  с  гипоплазией  левых  отделов  сердца  имеют  другие  врожденные  дефекты.  Основные  факторы  риска  развития  врожденных  пороков  сердца  (ВПС)  являются  генотип  и  воздействие  опасных  химических  веществ  на  организм  матери  во  время  беременности,  но  точный  молекулярный  механизм  остается  неизвестным.  С  экологической  точки  зрения,  хлорорганические  соединения  эпидемиологически  связанны  с  ВПС.  Дети,  рожденные  от  матерей,  живущих  вблизи  мусоросжигательных  заводов,  где  происходит  выброс  сложных  смесей  диоксинов,  фуранов,  твердых  частиц  и  тяжелых  металлов  демонстрировали  более  высокую  частоту  врожденных  пороков  сердца,  не  совместимых  с  жизнью.  В  ходе  независимых  исследований,  заболеваемость  синдромом  гипоплазии  левых  отделов  сердца  эпидемиологически  связанны  (отношение  шансов  ¼  3,0,  р  <0,005)  с  воздействием  галогенированных  углеводородов  на  материнский  организм,  диоксинов  и  полихлорированных  бифенилов  во  время  беременности  [2,  с.  1127].  Несмотря  на  убедительные  генетические  и  эпидемиологические  данные  наше  понимание  механизмов,  посредством  которых  диоксины  оказывают  кардиотоксический  эффект  в  организме  человека  ограничен,  и  прямой  причинно-следственной  связи  между  врожденным  пороком  сердца  плода  и  воздействием  диоксинов  еще  предстоит  выявить.  Получение  таких  данных  осложняется  тем,  что  многие  ВПС  являются  результатом  спонтанных  абортов  или  незамеченными  выкидышами,  которые  не  регистрируются  в  эпидемиологических  исследованиях.  Развивающаяся  сердечно-сосудистая  система  является  чувствительной  мишенью  для  многих  экологических  загрязнителей,  включая  диоксины,  диоксиноподобные  полихлорированные  дифенилы  (ПХД)  и  некоторые  пестициды,  такие  как  метилпаратион.  Лабораторные  исследования  продемонстрировали  ряд  биологических  моделей  для  выявления  возможных  механизмов,  которые  опосредуют  кардиотератогенез  и  установить  чувствительности  различных  видов  для  прогнозирования  потенциального  риска  для  здоровья  человека  и  окружающей  среды.  Исследования  диоксинов  и  диоксин-подобных  ПХБ  показал,  что  эмбрионы  млекопитающих  характеризуются  различными  структурными  изменениями  сердечно-сосудистой  системы  в  зависимости  от  индивидуальных  моделей.  Следует  отметить,  что  во  всех  моделях  диоксин-связанных  кардиотератогений  просматривается  увеличение  сердечно-сосудистого  апоптоза  и  снижение  пролиферации  кардиомиоцитов.  В  настоящее  время  значительно  возрос  вклад  генетики  в  развитие  ВПС.  Есть,  по  крайней  мере,  15  различных  типов  врожденных  пороков  сердца,  которые  могут  варьироваться  по  тяжести  и  анатомическим  различиям,  с  возможностью  незначительных  дефектов  выявляться  только  во  взрослый  период.  Такой  вариант  предполагает  потенциал  для  различных  механизмов,  характеризующихся  взаимодействием  окружающей  среды  и  генотипа  [4,  с.  279].  Недавно  обнаружено,  что  лечение  дифференциации  эмбриональными  стволовыми  (ЭС)  клетками  с  TCDD  Nkx2.5  подавляет  экспрессию  генов  и  других  сердечных  маркеров,  как  следствие  AHR  активации  [5,  с.  460].  При  исследовании  экспрессии  траекторий  маркеров  кардиомиоцитов  во  время  ES-терапии,  дифференцировки  клеток  в  присутствии  TCDD  обнаружено,  что  TCDD  угнетает  выражение  Nkx2.5  и  кардиомиоцит-специфических  генов,  включая  гены,  кодирующие  сердечный  тропонин-Т  и  β-миозин  тяжелой  цепи,  а  также  ингибирует  образование  характерного  фенотипа  дифференциации  ЭС  клеток.  На  основании  данных  иммунопреципитации  хроматина,  AHR  был  ключевым  медиатором  эффектов  TCDD.  Пороки  развития  сердца  человека  из-за  факторов  окружающей  среды  (органохлорированных  соединений)  или  генетических  (NKX2.5  мутации)  причин  могут  быть  выявлены  в  опыте  и  последующим  развитием  экспериментов  in  vivo.  Ингибирование  дифференцировки  кардиомиоцитов  является  результатом  взаимодействия  между  AHR,  TCDD  и  NKX2.5  и  может  быть  продемонстрировано  в  биологических  моделях  с  целью  изучения  молекулярных  механизмов  развития  патологического  процесса.  Репрессии  Nkx2.5  с  помощью  TCDD-ассоциированной  активации  AHR  характеризуют  потерю  функции  в  результате  мутации  или  воздействия  диоксина.  Эта  биологическая  модель  помогает  определить  регуляторный  путь  контроля  управления  Nkx2.5  функции,  что  детерминирует  эмбриональную  идентичность  и  прогресс  дифференцировки  сердечной  ткани  и  как  эти  функции  могут  нарушиться  вследствие  активации  AHR.  Значительное  количество  генов  помимо  NKX2.5  играют  важную  и  селективную  роль  в  морфогенезе  сердца,  опираясь  на  сигнальные  пути,  которые  регулируют  эндотелиальную,  гладкомышечную,  сердечную  и  мезенхимальную  клеточную  пролиферацию  и  дифференцировку  как  в  развивающемся,  так  и  постнатальном  сердце.  Многие  из  этих  генов  являются  компонентами  сигнальных  путей,  таких  как  VEGF,  NFATc1,  BMP10,  Notch,  WNT/b-catenin,  TGF-b  и  других,  что  перекрещивается  с  AHR-сигнальным  путем  [1,  с.  256].

Исходя  из  проведенных  исследований,  можно  с  уверенностью  говорить  о  том,  что  арил-гидрокарбоновый  рецептор  пусть  и  косвенно,  но  оказывает  значительное  влияние  на  развитие  врожденных  пороков  сердечно-сосудистой  системы.  Это  обусловлено  его  способностью  контролировать  экспрессию  генов  системы  детоксикации  ксенобиотиков.  Относительный  вклад  эффектов  арил-гидрокарбонового  рецептора  в  морфогенезе  сердца  является  еще  одной  актуальной  областью  для  научных  исследований.

Список  литературы:

1.Alvaro  Puga  Perspectives  on  the  Potential  Involvement  of  the  Ah  Receptor-Dioxin  Axis  in  Cardiovascular  Disease//  Тoxicological  sciences  120(2),  2011.  —  Р.  256—261.

2.Karen  S  Kuehl,  Christopher  A  Loffredo  Genetic  and  environmental  influences  on  malformations  of  the  cardiac  outflow  tract//  Expert  Review  of  Cardiovascular  Therapy  November  2005.  Vol.  3.  №  6.  —  P.  1125—1130.

3.Michael  S.  Denison  and  Scott  R.  Nagy  Аctivation  of  the  aryl  hydrocarbon  receptor  by  structurally  diverse  exogenous  and  e  ndogenous  chemicals//  Pharmacol.  Toxicol.  2003.  43:309—334.

4.Phillip  G.  Kopf,  Mary  K.  Walker  Overview  of  Developmental  Heart  Defects  by  Dioxins,  PCBs,  and  Pesticides//  Environmental  Carcinogenesis  and  Ecotoxicology  Reviews,  27:4.  —  2009.  —  Р.  276—285.

5.Todd  Heallen,  Min  Zhang,  Jun  Wang,  Margarita  Bonilla-Claudio,  Ela  Klysik,  Randy  L.    Johnson,  James  F.  Martin  Hippo  Pathway  Inhibits  Wnt  Signaling  to  Restrain  Cardiomyocyte  Proliferation  and  Heart  Size//  Science  332  (6028):  458—461,  2011.