Лю Б.Н., Лю М.Б. , Исмаилов Б.И
advertisement
Успехи современной биологии, 2006, том 126, № 4, с. 389-399 УДК 577.121.7:57.052+577.352.38 РОЛЬ МИТОХОНДРИЙ В РАЗВИТИИ И РЕГУЛЯЦИИ УРОВНЯ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО СТРЕССА В НОРМЕ, ПРИ КЛЕТОЧНЫХ ПАТОЛОГИЯХ И РЕВЕРСИИ ОПУХОЛЕВЫХ КЛЕТОК Лю Б.Н., Лю М.Б. , Исмаилов Б.И Казахский научно-исследовательский институт онкологии и радиологии, г. Алматы, Казахстан Изменение состояния качественных параметров митохондриальной митохондрий базы клеток, предложено количественно- рассматривать как действенный механизм регуляции в них уровня пероксигеназного стресса – содержания активных форм кислорода и перекисных продуктов. Некоторые из этих агентов как сигнальные молекулы прямо или опосредованно модифицируют регуляторные и синтетические процессы в клетке, влияя тем самым на ее пролиферацию, дифференцировку и другие фундаментальные процессы. Аргументирована связь смены состояния клеток, в том числе эмбриональных и стволовых, от нормального до различных патологических форм со степенью возрастания в них дисбаланса между его прооксидантными и антиоксидантными составляющими. Впервые выдвинуто представление о том, что одним из необходимых условий для обратного развития клеток, в частности опухолевых, должно быть и действительно является снижение в них указанного дисбаланса до определенных уровней под влиянием различных индукторов реверсии. С «митохондриальных» позиций изложены также суждения о причинах относительной легкости малигнизации эмбриональных и стволовых клеток и обратной их нормализации. Некоторые исходные факты и положения Состояние биоэнергетики во всех эукариотических клетках, определяемое функционированием в них митохондрий, прямо или косвенно влияет на все внутриклеточные процессы. Это влияние обычно связывают главным образом с продукцией АТФ в ходе реализуемого в митохондриях окислительного фосфорилирования. Однако анализ результатов немалого числа современных исследований показывает, что 1 воздействие митохондрий на многие процессы может вызываться и опосредованно самой их способностью просто быть главным потребителем поступившего в клетку свободного кислорода (по разным оценкам, до 9599% О2). Данная функция митохондрий позволяет поддерживать достаточно низкие внутриклеточные значения парциального давления кислорода (рО2) и, следовательно, непосредственно связанные с ними уровни активных форм кислорода (АФК) и перекисных продуктов [10, 11, 13, 15], которые в избытке токсичны, но в определенных диапазонах их значений играют роль сигнальных молекул. Следуя указанной логике, можно представить, что изменение мощности митохондриальной базы (количества и качества митохондрий), как бы оно ни происходило, служит фактически способом регулирования кислородно-перекисного состояния и зависимых от него сигнальных путей, влияющих на ход всех фундаментальных клеточных процессов. В такой постановке этот, с нашей точки зрения, принципиально важный регуляторный канал до сих пор не являлся предметом должного исследования и обсуждения в научной литературе. По-видимому, происходящие при этом «кислородно-перекисные» сдвиги как, на первый взгляд, побочные и малозначащие не оказались привлекательными, в частности, для биоэнергетиков, биокибернетиков и специалистов в области физико-химической биологии клетки. Чтобы лучше понять суть данного вопроса, нам придется здесь напомнить вкратце о следующих «эволюционных» представлениях [10, 11, 13]. Как известно, жизнь на Земле зарождалась в отсутствие в ее первичной атмосфере свободного О2. С течением времени в результате возникновения начальных анаэробных форм жизни состав атмосферы постепенно изменялся: в ней все более возрастало содержание О2 и она начала приобретать окислительные свойства. Позднее этот процесс значительно интенсифицировался, особенно в эпоху бурного развития фотосинтезирующих организмов. Между тем, свободный О2 как вещество, 2 вызывающее в избытке токсические последствия, похоже, изначально стал дестабилизирующим, деструктивным фактором по отношению к самым различным органическим и неорганическим образованиям на Земле. Биологическая эволюция «кислородное» вынуждена обстоятельство, была постоянно учитывать указанное адаптируя одно- и многоклеточные организмы к негативному действию О2. Адаптация происходила сразу в нескольких направлениях, которые вместе привели к образованию в организме различных антиоксидантных систем. При этом «адаптивные решения» природы возникали, очевидно, дискретно в ответ на определенные «чувствительные» величины приращений концентрации О2 и соответственно рО2 в атмосфере. В результате на определенных этапах биологической эволюции отбирались необходимые для того времени антиоксидантные соединения, в частности, антиоксидантные ферменты, и процессы, адекватные соответствующим дискретным диапазонам дисбалансов между их прооксидантными (ПО) и антиоксидантными (АО) составляющими (см. ниже). В клетке, например, такая система является иерархической и представлена не менее чем 3 уровнями (ступенями) защиты [11]. Первый и наиболее эффективный уровень антиоксидантной системы, названный нами антикислородным, реализован в виде митохондриального дыхания. Механизм этого удивительного «изобретения» природы приспособлен для выполнения сразу нескольких функций [15, 16]. Одна из них как раз и является антикислородной в смысле того, что, став основным потребителем О2 в клетке, митохондриальное дыхание обеспечивает в ней низкий, но достаточный для дыхания и энергообеспечения уровень рО2. Одновременно с появлением того же механизма стала реальной перспектива энергетического и субстратного обеспечения многих новых формирующихся в ходе эволюции физиологических функций — клеточных, органных и организменных. При низком внутриклеточном рО 2, соответствующим физиологическим условиям, протекание перекисного 3 окисления в ограниченных масштабах сопряжено с нормальными метаболическими процессами в клетке и выполнением им определенных полезных функций. В этих условиях катастрофические, разрушительные для клеток последствия исключены, если к тому же действуют и другие защитные линии антиоксидантной системы. Однако антикислородная линия защиты не способна, по-видимому, полностью предотвратить возможные негативные последствия избыточного образования АФК и усиления, в частности, перекисного окисления липидов (ПОЛ), поскольку необходимые для него свободные радикалы образуются в процессах нормального метаболизма, в том числе и самой дыхательной цепью митохондрий. Второй ступенью антиоксидантной системы в клетке является антирадикальная, предназначенная для ингибирования свободнорадикальных процессов перекисного окисления, прежде всего, липидов. Определенная категория естественных соединений выполняет функцию инактивации различных АФК (свободных радикалов и нерадикальных форм реактивного О2) и тем самым обрывает цепные пероксигеназные реакции. Третья ступень защиты – антиперекисная, на которой образовавшиеся перекиси разрушаются соответствующими ферментами или же в результате реакций их взаимодействия с определенными соединениями. Наиболее известными антиоксидатными ферментами, действующими на этих уровнях, являются супероксиддисмутазы, каталаза и пероксидазы. В указанной антиоксидантной системе вклад отдельных механизмов защиты неодинаков. Решающую роль в ней играет антикислородная ступень, наиболее резко ограничивающая «мощность» пероксигеназных процессов и область их проявления. Исправное действие этой линии защиты предопределяет надежную работу последующих более «тонких» ступеней, которые рассчитаны на нейтрализацию свободных радикалов и перекисей в достаточно узких пределах их изменения. В случае же 4 дефектности антикислородной «антикислородное поведение» (митохондриальной) митохондрий линии защиты оборачивается прямо противоположным эффектом – очевидной гипероксией вследствие слабой утилизации О2 при отсутствии серьезных ограничений на его поступление в клетку. Недостаточность митохондриального дыхания объективно становится ключевым фактором в создании пероксигеназного стресса сначала только в митохондриях. Затем этот стресс распространяется на цитоплазму и клетку в целом, где даже усиливается за счет продукции АФК и различных пероксидов в известных реакциях, катализируемых НАДФ·H-оксидазой, ксантиноксидазой, цитохромами Р-450, а также при окислении арахидоновой кислоты с участием липо- и циклооксигеназ. Все это ведет к развитию в клетке определенных, в основном, дестабилизирующих процессов (см. ниже). К тому же это приводит к неэффективности второй и третьей ступеней защиты, которые в этом случае не справляются с большим потоком свободных радикалов и перекисей. Все указанные выше сдвиги ускоряются различными внешними воздействиями (радиация, химические агенты, тепло, прооксиданты и др.), прямо или косвенно нарушающими митохондриальное дыхание и, следовательно, усиливающими в клетке окислительный стресс. Полной нейтрализации антиоксидантной системой дисбаланса Δ(ПО-АО) не происходит и, по-видимому, не может (не должно) произойти. «Зазор» между его ПО- и АО-составляющими продолжает существовать, постоянно травмируя, прежде всего, все те же чувствительные к окислительным повреждениям митохондрии. В таких клетках уровни рО2, АФК и Δ(ПО-АО) пероксигеназный стресс постепенно становится повышаются, объективной и возникающий первопричиной нормального клеточного старения, возрастных патологий, в том числе атеросклероза, сахарного диабета, болезни Альцгеймера и спонтанного канцерогенеза. При более заметном возрастании Δ(ПО-АО) реализуются 5 апоптоз и окислительный цитолиз. Следует отметить здесь, что в наших прошлых работах не было четкого определенного мнения о том, что понимать под составляющими ПО и АО дисбалансов Δ(ПО-АО). Скорее всего, ПО и АО означают некие интегральные «проколичественные» показатели – стационарные уровни прооксидантов и антиоксидантов и/или уровни их продукции на момент участия их в индукции процессов и/или подпроцессов пролиферации, старения, канцерогенеза и апоптоза. После рассмотрения и обобщения многих известных фактов у нас сложилось мнение, что в ходе эволюции в клетках могла как-то закрепиться последовательность «специализированных» дисбалансов Δ(ПО-АО), с каждым из которых увязаны возможность (допустимость) и даже необходимость реализации определенного комплекса биохимических процессов. Указана, в частности, возможность градации дисбалансов Δ(ПО-АО) с выделением при этом, по меньшей мере, следующих условных диапазонов их значений, которым соответствуют и/или от которых зависит конкретное состояние клетки. В пределах дисбалансов ∆П(ПО-АО), ∆С(ПО-АО), и ∆К(ПО-АО) реализуются соответственно пролиферация (окислительный митогенез нормальной, неопухолевой клетки), ее старение и канцерогенез; при дисбалансе ∆Ц(ПО-АО) происходит цитолиз клетки, а в диапазоне дисбалансов ∆А1(ПО-АО) и ∆А2(ПО-АО) – апоптозы соответственно типа А1 и А2. В сокращенном обозначении указанные «специализированные» дисбалансы располагаются в последовательности: ∆П < ΔС< ∆А1 < ∆К < ∆А2 < ∆Ц (1) В обоснование и с учетом неравенств (1) были сформулированы общие положения кислородно-перекисной концепции развития, старения, возрастных патологий, канцерогенеза и программированной смерти клеток [8, 9, 10]. 6 Как отмечалось выше, от количественно-качественных параметров митохондрий существенно зависят интенсивность утилизации ими поступившего в клетку О2 и, соответственно, уровни в ней рО2, АФК и дисбаланса Δ(ПО-АО), в частности ΔП(ПО-АО), причастного к индукции процесса пролиферации. Общее содержание АФК на этом пока нормально регулируемом этапе развития складывается из АФК, образующихся как при исправном функционировании дыхательной цепи, так определяющихся непосредственно уровнем внутриклеточного и рО2. Значения дисбалансов, не превышающие диапазона ΔП(ПО-АО), можно рассматривать как регулируемые, в основном, работой полностью исправных митохондрий, и в этом смысле они являются «нормальными, непатологическими» дисбалансами. Возникновение же всех других «специализированных» диапазонов дисбалансов Δ(ПО-АО), превосходящих по значению ΔП(ПО-АО) в последовательности (1), так или иначе связано с дефектами в митохондриях, прежде всего в митохондриальной ДНК и дыхательной цепи. В результате общая интенсивность митохондриального дыхания заметно снижается, повышая сначала в самих митохондриях, а затем в цитоплазме и во всей клетке уровни рО2, АФК и продуктов пероксигенации. В зависимости от степени этих изменений уровень окислительного стресса в клетке принимает значения, индуцирующие старение, апоптоз, злокачественную трансформацию или окислительный цитолиз клетки. Таким образом, дисбалансы ΔС, ΔА1, ΔК, ΔА2 и ΔЦ являются, вероятнее всего, следствием разной степени патологии множества митохондрий, которые теперь не способны эффективно выполнять антикислородную функцию в составе антиоксидантной системы защиты в клетке. Эти «патологические» дисбалансы приводят к негативным для организма последствиям, за исключением дисбалансов Δ А1 и ΔА2, адаптированных эволюцией для выполнения в целом позитивных функций – поддержания тканевого 7 гомеостаза путем устранения дефектных и ставших ненужными клеток. Для самих таких клеток дисбалансы ΔА1 и ΔА2 оказываются, естественно, тоже патологичными. К тому же следует иметь в виду, что в клетке, вне митохондрий, окислительный стресс поддерживают и даже усугубляют, как известно [см. 17], и другие источники АФК. Считаем важным здесь обратить внимание на весьма вероятную неявную связь возникновения «канцерогенезного» дисбаланса ΔК с сообщениями о том, что все увеличивается число данных о присутствии в опухолях стволовых клеток [47]. Такие факты, ввиду предполагаемой содержательной их значимости, требуют специального рассмотрения. Пока же вполне уместным могло бы стать, в частности, следующее наше краткое суждение по данному вопросу. В организме животных и человека злокачественной трансформации в первую очередь подвергаются, по-видимому, тканеспецифические стволовые клетки, которые отличаются малым содержанием митохондрий или их неразвитостью [48]. Например, мелкие овальные клетки из печени крыс, рассматриваемые, предположительно, как печеночные стволовые клетки, отличаются высоким ядерно-цитоплазматическим отношением и содержанием всего нескольких митохондрий и других органелл [24]. В гемопоэтических стволовых клетках низкое количество соединений, образующих дыхательную цепь в митохондриях, коррелирует со слабым уровнем потребления ими О2 [37]. Действительно, при указанной митохондриальной недостаточности интенсивность утилизации О2 в таких клетках недостаточна, чтобы поддерживать в них относительно низкие уровни рО2 и, следовательно, дисбаланса Δ(ПО-АО). Поэтому стволовые клетки отличаются повышенной чувствительностью к радиации и другим воздействиям, усугубляющим кислородно-перекисную ситуацию, т.е. к созданию условия, необходимого для возрастания в части гетерогенных по составу стволовых клеток дисбаланса ΔП сразу до уровня ΔК и развития из них первичных опухолевых клеток. В образующейся неоплазме какая-то 8 часть нетрансформированных стволовых клеток продолжает размножаться, обнаруживая себя при исследовании клеточного состава опухоли. Указанные события более характерны для стволовых клеток молодых организмов. В тканях же взрослых организмов злокачественному перерождению подвергаются и некоторые тоже гетерогенные по составу старые клетки, в которых уровни окислительного стресса и дисбаланса Δ(ПО–АО) повышены [10], что и облегчает их переход в «канцерогенезный» диапазон ΔК, объясняя известный феномен частой приуроченности канцерогенеза к пожилому возрасту [1]. Подчеркнем здесь, что во всех указанных выше случаях переход клеток из одного состояния в другое при возрастании в них дисбаланса Δ(ПО–АО) не может происходить в массовом порядке. Это связано с обычной гетерогенностью клеток и, в частности, с разной степенью приближенности в них Δ(ПО– АО) к верхней границе соответствующего «специализированного» его диапазона. Обратная зависимость разможения клеток от степени их дифференцировки: связь с биоэнергетикой Попытаемся теперь связать хорошо известную обратную зависимость размножения нормальных клеток от степени их дифференцировки с некоторыми из указанных эффектов, учитывая при этом функциональную связь данных процессов с уровнем энергетической обеспеченности (состоянием биоэнергетики) клетки. Как известно, пролиферирующие клетки дыхания характеризуются в стадиях возникновением S условий пониженным и M для уровнем клеточного умеренной митохондриального цикла и гипероксии циклическим – состояния окислительного митогенеза. Совсем иная картина в отношении митохондрий и их активности отмечается при дифференцировке клеток. По неоднократным публикациям прошлых лет, увеличение концентрации митохондриального материала 9 является необходимым условием для смещения баланса между процессами дифференцировки и пролиферации в сторону дифференцировки, причем это касается и трансформированных клеток. В линии QM7 миобластов перепела угнетение трансляции в митохондриях хлорамфениколом блокирует дифференцировку; такое же действие оказывал олигомицин, но данный эффект не связан с изменением жизнеспособности клеток. Стимуляция же активности митохондрий усиливала дифференцировку миобластов [42]. Интересное развитие зависимого от митохондрий соотношения пролиферации и дифференцировки отражено в работе, авторы которой [48] начали с того, что обратили внимание на характерную для эмбриональных и стволовых клеток особенность – низкое содержание в них митохондрий. Впоследствии количество последних удваивается за каждый клеточный цикл. Увеличение числа митохондрий положительно влияет на процесс клеточной дифференцировки, с помощью которой частично осуществляется контроль над пролиферацией клеток. Мутации в ядерных генах, кодирующих митохондриальные белки, приводят к тому, что клетка не вступает в дифференцировку и способна стать опухолевой. Сходная информация содержится и в ряде последующих публикаций. Так, недифференцированные эмбриональные стволовые клетки человека (ЭСКЧ) имеют всего несколько митохондрий, которые поляризуются (скапливаются) к одному краю клетки, а затем, по ходу ранней дифференцировки in vitro в кардиомиоциты, биполяризуются. Показано, что конечное поведение указанных ЭСКЧ связано с пролиферацией митохондрий и транскрипцией мтДНК и что биогенез митохондрий является ключевым событием в клеточной дифференцировке [27]. В другой работе [34] недифференцированными описаны и морфологические дифференцированными отличия между ЭСКЧ линий SNUhES1, SNUhES2 и SNUhES3. Первые имеют высокое ядерноцитоплазматическое отношение, нечеткие клеточные мембраны и мелкие 10 митохондрии с малым числом крист; для вторых же характерны, в частности, высоко развитые клеточные органеллы – комплекс Гольджи с секреторными пузырьками, эндоплазматический ретикулум, усеянный рибосомами, и большие митохондрии. Существенно, что дедифференцированные клетки тоже содержат такие примитивные органеллы как свободные рибосомы и полирибосомы, очень малое количество митохондрий, характеризующие незрелое состояние клеток после дедифференцировки [36]. Между прочим, упоминавшиеся недифференцированных выше факты эмбриональных, о том, что стволовых в и дедифференцированных клетках преобладают свободные рибосомы и полирибосомы, а в дифференцированных они преимущественно интегрированы с мембранами микросом [34, 36] дают нам повод связать это различие с причастностью его к триггерному принципу взаимосвязи пролиферации и дифференцировки клетки. Действительно, переходу любой нормальной клетки в состояние пролиферации способствуют обратимые премитотические гипероксия, дисбаланс ΔП(ПО-АО) и усиление ПОЛ в мембранах эндоплазматического ретикулума, что приводит не просто к «разборке» этих мембран, но и высвобождению связанных с ними рибосом и полирибосом. Свободные же рибосомы, как давно известно, являются системой синтеза белков, необходимых для удовлетворения внутренних потребностей клеток, в частности, недифференцированных эмбриональных и стволовых. В то же время создается дефицит мембраносвязанных полирибосом, на которых в норме синтезируются, например, цитохром с, белки внешней мембраны митохондрий [2], а также специфические для дифференцированных клеток белки. Следовательно, разобщение связи полирибосом с мембранами микросом в интенсивно размножающихся клетках можно рассматривать как механизм поддержания их пролиферации и одновременно ограничения в них возможностей для специализации. 11 Обратим внимание на то, что названные эффекты при дестабилизации мембрано-полирибосомных комплексов реализуются путем частичного подавления митохондриогенеза, т. е. использования в качестве положительной обратной связи недоразвитых митохондрий в целях поддержания необходимого для окислительного митогенеза дисбаланса ΔП(ПО-АО) и торможения процесса дифференцировки. Кстати, если указанные процессы, связанные с определенной кислородно-перекисной ситуацией в клетке и деградацией мембран микросом, окажутся более интенсивными, то дисбаланс ΔП(ПО-АО) может возрасти до ΔК(ПО-АО), и возникнет состояние, характерное по микросомальной гипотезе канцерогенеза для опухолевых клеток (см. [10, п.2.3.7]). Таким образом, регуляция соотношения свободных и связанных полирибосом пролиферацию в зависимости сигналов имеет от интенсивности прямое стимулирующих отношение к взаимосвязи пролиферации и дифференцировки клетки. Само же это соотношение, являясь показателем материальной базы на этапе трансляции и отражением фактического состояния во взаимодействии подсистемы управления клеточным циклом с подсистемами дифференцировки (специализации), может указывать на целесообразное в данный момент распределение рибосом для специального белкового синтеза и на нужды размножения и роста клетки. Как представляется нам, усиление митохондриального дыхания (за счет увеличения числа митохондрий и/или степени их созревания) при дифференцировке клеток не допускает на этот период повышение внутриклеточных уровней рО2, ПОЛ и дисбаланса Δ(ПО–АО) до необходимых для окислительного митогенеза. При этом одновременно обеспечиваются низкая концентрация промитогенного циклического гуанозинмонофосфата, высокие уровни ATФ и циклического аденозинмонофосфата (цAMФ) и реализация многих зависимых от цАМФ 12 опять-таки антипролиферативных и продифференцировочных эффектов [10]. Примечательно, что присущая клеткам относительно «мягкая», неантагонистичная обратная зависимость между степенью дифференцировки и способностью их к пролиферации обнаружена также у самих митохондрий, существовавшим когда-то в виде независимых микроорганизмов. Эта фундаментальная связь давно уже зафиксирована, например, в ооцитах вьюна: локализованные в их периферийной зоне крупные с развитыми кристами митохондрии хорошо дифференцированы и в значительной мере утеряли способность к росту и делению; более же мелкие с меньшим количеством крист околоядерные митохондрии дифференцированы слабо, но зато могут интенсивно расти и делиться [14]. По-видимому, при неравномерном распределении рО2 даже в пространстве одной клетки О2-и/или АФК-зависимый механизм регуляции количества дыхательных ферментов путем активации экспрессии соответствующих генов [46] приводит к количественно-качественными образованию митохондрий характеристиками. В с разными частности, дыхательные органеллы периферийной зоны вследствие интенсивного поступления О2 с поверхности ооцита комплектуются необходимыми ферментами и другими компонентами в полной мере, становясь в структурном и функциональном отношениях хорошо дифференцированными полноценными «устройствами» для производства энергии и одновременно для утилизации и, следовательно, снижения цитотоксичности О2 в условиях нелимитированного его поступления. По сравнению с периферийными митохондрии, локализованные в центре ооцита, лишены достатка О2, с чем может быть связана структурнофункциональная ограниченность их как генераторов АТФ. В относительно примитивном состоянии митохондрии околоядерной зоны действуют, скорее всего, в основном в режиме воспроизводства себе подобных. 13 Говоря о взаимоотношениях митохондрий и клеток, их содержащих, важно иметь в виду тот факт, что в активно растущих еще недифференцированных клетках митохондрии тоже недоразвиты, слабо дифференцированы и, наоборот, во взрослых уже специализированных клетках митохондрии обычно хорошо дифференцированы [14; 34], причем диффренцировочные и количественные изменения происходят сначала в самих митохондриях л лишь затем в содержащих их клетках. Управляющая роль митохондрий в клеточной дифференцировке имеет место как в нормальных, так патологически измененных клетках, но у первых эти органеллы, функционируют как вполне исправные, а у вторых – как в той иной степени дефектные. В том и другом случае указанная роль митохондрий сводится, очевидно, к заметному изменению ими в клетке кислородно-перекисного состояния — уровней рО2, АФК и дисбаланса Δ(ПО-АО), которые, в свою очередь, как сигнальные факторы в определенных пределах их значений способны прямо или опосредованно влиять на синтетические и регуляторные процессы, в том числе на пролиферацию (см. ниже). Во взаимоотношениях клетки с ее митохондриями, как относительно независимыми органеллами, неясными остаются вопросы: в какой момент развития митохондрий и по каким сигналам из них (или цитоплазмы) активируются ядерные гены, кодирующие часть митохондриальных белков? Ведь без них полная комплектация митохондрий соответствующими компонентами и завершение их дифференцировки невозможны. Не исключено, что в необходимой здесь координации функций митохондриального и ядерного генов значимую роль играют, наряду с какими-то другими соединениями, опять-таки «кислородноперекисные» сигнальные молекулы в определенных пределах их концентраций. В любом случае сигналы генетическому материалу для биогенеза митохондрий возникают в ходе протекающих в них самих 14 энергетических реакций [6], и это должно касаться обоих указанных геномов. В аспекте сказанного считаем важным привести еще материалы, указывающие на присутствие в митохондриях собственных систем регуляции уровня окислительного стресса. Привлекает внимание, например, факт установления специфичного для митохондрий жизненно необходимого гена тиоредоксина-2 (Трх-2), который входит в систему защитных механизмов клетки и при окислительном стрессе активность его повышается [25]. Т-лимфоциты, трансфицированные геном тиоредоксина, усиливали его секрецию под действием Н2О2, а предобработка клеток тиоредоксином дозозависимо подавляла эту секрецию и образование в клетках АФК [29], т.е. в указанных случаях тиоредоксин, исполняющий роль антиоксиданта, отрицательной действует обратной в связью составе по системы поддержанию регуляции с (ограничению) окислительного стресса в митохондриях на определенном уровне. Примечательно также, что АФК-зависимая активация ядерного фактора NF-kB, обнаруженного и в митохондриях [22], повышает содержание антиоксидантных ферментов тиоредоксина и марганецсодержащей супероксиддисмутазы в клетках саркомы Ewing, и это приводит к защите последних от апоптотического окислительного стресса, вызванного фактором некроза опухолей альфа [23]. Кстати, отрицательная обратная связь здесь может осуществляться и по другому механизму [15]: в ответ на накопление продуктов одноэлектронного восстановления О2 поры во внутренней митохондриальной мембране способны открываться, а это приводит к утечке протонов, стимуляции дыхания и снижению концентрации О2, что, в свою очередь, уменьшает скорость образования АФК и, следовательно, устраняет причину открывания пор. Изложенные выше представления наиболее отчетливо должны проявляться во взаимоотношениях пролиферации и дифференцировки эмбриональных и стволовых клеток, поскольку у них, повторяем, 15 содержится мало митохондрий или они мелкие и в какой-то степени недоразвиты [24, 27, 34, 37]. По причине того же дефицита митохондриального дыхания эти клетки на стадии повышенного уровня размножения, т.е. до дифференцировки, обладают высокой радиочувствительностью и являются мишенью для действия различных прооксигеназных канцерогенных факторов, прежде всего радиационных. После определенного числа делений эмбриональных и стволовых клеток в них значительно возрастает количество митохондрий, после чего и происходит процесс дифференцировки самих этих клеток [48]. Судя по некоторым публикациям, отмеченная выше связь процессов пролиферации и дифференцировки нормальных клеток с состоянием их митохондриальной базы продолжает действовать и в опухолевых клетках. В этом отношении примечателен следующий факт. Чувствительные к холоду линии мутантных клеток, выделенные из недифференцированной мастоцитомы мыши, при переносе из «допускающей» температуры 39,5оС в «недопускающую» температуру 33оС прекращали деление и претерпевали морфологическую дифференцировку. Смена температуры вызывала временное увеличение содержания цитохром-с-оксидазы и ДНКполимеразы γ, утроения за 6 суток числа митохондрий в клетке и удвоения отношения общего объёма митохондрий к объёму клетки. Пролиферация митохондрий здесь признана обязательным шагом при морфологической дифференцировке клеток мастоцитомы [30]. Объяснение этого феномена нам видится в значительном усилении суммарной интенсивности в указанных опухолевых клетках митохондриального дыхания как наиболее эффективной ступени в антиоксидантной системе защиты, и соответственно подавления «канцерогенезного» дисбаланса ∆К(ПО-АО). Митохондрии и нормализация опухолевых клеток Обращаясь снова к последовательности диапазонов дисбалансов (1), рассмотрим возможность развития (смены состояния) клеток в обратном направлении, если дисбаланс Δ(ПО-АО) 16 в них снижать до соответствующего расположенного ниже «специализированного» его диапазона. Такое развитие событий представляется в принципе вполне вероятным в том случае, когда первичные нарушения в клетках происходят преимущественно эпигенетическим путем. Наиболее отчетливо показан переход опухолевых клеток в состояние апоптоза А1 при снижении дисбаланса ΔК(ПО-АО) до ΔА1(ПО-АО) под влиянием различных антиоксидантов составляющую в дисбалансе или воздействий, ΔК(ПО-АО). подавляющих Фактов такого ПО- рода к настоящему времени получено много [8, 10]. При еще большем снижении дисбаланса ΔК(ПО-АО) до диапазона ΔС(ПО-АО) можно ожидать перехода опухолевых клеток в состояние, соответствующее их старению. Однако строгие доказательства на этот счет нам пока не встретились. Правда, имеется одна работа [41], в которой ретиноиды, известные как физиологические регуляторы роста и дифференцировки, могли остановить рост опухоли (карциномы молочной железы и клеток нейробластомы) путем запуска программы старения, но не дифференцировки. Супрессию опухолей в данном случае связывают с индукцией множества внутриклеточных ингибиторных белков, большинство из которых было обнаружено в стареющих клетках. Ретиноиды вызывают также апоптоз опухолевых клеток. Авторы этого исследования полагают, что «индукция ингибиторов роста, связанных со старением, является косвенным эффектом ретиноидов». Не исключено, однако, что указанный эффект ретиноидов связан с их антиоксидантным действием, так как содержащиеся в их молекулах двойные ненасыщенные связи позволяют им депонировать свободный кислород. Дальнейшее снижение «канцерогенезного» дисбаланса ΔК(ПО-АО) до ΔП(ПО-АО) и ниже способно в принципе приводить к появлению и закреплению в некоторых субпопуляциях злокачественных клеток черт нормальной дифференцировки (см. ниже). С практической точки зрения процесс такого обратного развития этих клеток вызывает определенный 17 интерес, поскольку, к тому же, некоторые исследователи, например [44], признают теоретическую возможность указанной реверсии. Как нам представляется, выяснение механизма загадочного феномена нормализации следует начинать с установления первичных причин, приводящих к образованию в опухолевых клетках повышенных уровней пероксигеназного стресса и дисбаланса ∆К(ПО-АО). Анализ результатов многочисленных исследований на этот счет убедительно показал, что главным фактором, определяющим такую оксистрессовую ситуацию в опухолевых клетках, является недостаточность (дефектность) митохондриальной базы – снижение в них количества и качества митохондрий [10, 13]. В этой связи возникает, казалось бы, «дикий» для сторонников генетической природы рака вопрос: может ли опухолевая клетка ревертировать к нормальному фенотипу (начать дифференцировку, утратить злокачественные свойства), если повысить в ней активность антиоксидантной системы и особенно, если восстановить в ней утраченные количественно-качественные характеристики митохондрий? Многие случаи спонтанной реверсии неопластических клеток в условиях in vitro к неопухолевому фенотипу, обобщенные в ряде известных в прошлом обзоров [3, 7, 19, 33 и др.], действительно могут в принципе объясняться общим усилением митохондриальной базы, синтеза антиоксидатных ферментов и антиоксидантной системы в целом, приводящими к устранению (снижению) дисбаланса ∆К(ПО-АО). Такое усиление логично связать с постепенной адаптацией клеток к гипероксическим условиям культивирования, причем сама эта адаптация призвана, прежде всего, нейтрализовать или ослабить действие опасных для ее жизни базируется, окислительно-деструктивных по-видимому, на О2-зависимой процессов и отчасти регуляции количества дыхательных ферментов [46]. К тому же, в некоторых работах показано, что процессы спонтанных реверсий 18 злокачественных клеток к неопухолеродному фенотипу сопровождаются эпигенетическими изменениями [5]. К сожалению, актуальная тема нормализации опухолевых клеток не стала предметом для более широкого исследования. В доступной нам литературе последних лет эта тема затрагивается лишь в единичных работах. Например, восстановление в нескольких раковых клеточных линиях (MСF-7 и др.) митохондриального антиоксиданта – супероксиддисмутазы, содержащей марганец (Mn-СОД), ведет к реверсии злокачественности и индуцирует резистентный фенотип к цитотоксическим эффектам фактора некроза опухолей и гипертермии. Сигнальные пути, лежащие в основе фенотипических изменений в сверхэкспрессирующих Mn-СОД клетках неизвестны, но отмечались изменения нескольких редокс-чувствительных факторов транскрипции, включая АР-1 и NF-kB. Авторы данной работы [31] заключают, что восстановление и сверхэкспрессия Mn-СОД в опухолевых клетках может специфично модулировать экспрессию нисходящих эффекторных генов. Инозитгексафосфат (ИФ6), называемый также фитиновой кислотой, присутствует в клетках растений и млекопитающих в достаточных количествах и проявляет противоопухолевый эффект на различных экспериментальных моделях. ИФ6 уменьшает клеточную пролиферацию и повышает дифференцировку злокачественных клеток, в результате чего часто происходит реверсия их к нормальному фенотипу [49]. Такую спосбность ИФ6 естественно связать с его свойством хелатировать мультивалентные ионы, в частности ионы железа и цинка, снижать уровень ПОЛ, т. е. быть эффективным природным антиоксидантом [18]. Кстати, как антиоксиданты проявляют себя и другие инозитфосфаты, а также сам инозит [39]. Ингибирование пролиферации и обращение злокачественного фенотипа отмечались также на примере опухолевых клеток MCF-7, если они стабильно экспрессировали каталазу человека [38]. Эти данные свидетельствуют о том, что пероксид водорода, 19 играющий по кислородно-перекисной концепции существенную роль в индукции и поддержании канцерогенеза, необходимо детоксифицировать, чтобы продвинуться от злокачественного состояния клетки в сторону ее нормализации. Что касается механизма нормализации опухолевых клеток под направленным воздействием извне различных индукторов реверсии, особенно в условиях in vivo, то многое здесь остается пока неясным. Однако действие отдельных таких индукторов предположительно приводит все-таки к повышению интенсивности митохондриального дыхания в клетках неоплазмы и соответственно к снижению в них дисбаланса ∆К(ПО-АО) до необходимых для дифференцировки и утраты злокачественных свойств. Один из таких примеров касается цАМФ в качестве индуктора нормализации некоторых опухолевых клеток. Так, согласно давней уже публикации [50], обработка цАМФ клеток высокодифференцированной гепатомы Reuber H35 приводила к ингибированию роста клеток в культуре, изменению морфологии и адгезии. Объяснение такого эффекта цАМФ может заключаться в известной способности его активировать митохондриальное дыхание. Например, в обзоре [35] значительное внимание обращено роли цАМФзависимой протеинкиназы (протеинкиназы А) митохондриального матрикса в фосфорилировании регуляторной субъединицы 18 кДа комплекса I дыхательной цепи митохондрий. В результате повышается активность этого комплекса и дыхательной цепи митохондрий в целом. В опухолевых клетках такое действие протеинкиназы А как раз и должно вести к снижению уровней рО2, АФК и дисбаланса ∆К(ПО-АО). В качестве индукторов дифференцировки и нормализации часто упоминаются в литературе ретиноиды, способные в определенной мере выполнять антиоксидантную функцию (см. выше). С нашей точки зрения, такая способность ретиноидов в какой-то степени «оправдывает» их участие в 20 реверсии опухолевых клеток путем снижения в них дисбаланса ∆К(ПОАО). В настоящее время повышенное внимание исследователей обращено на факты дифференцировки эмбриональных, в частности карциномных,, клеток в нормальные стволовые клетки раннего эмбриона [20]. В этой связи обратимся и к другому известному из литературы феномену [19]: эмбриональные опухолевые клетки нормализуются более часто и относительно легко, по сравнению с клетками неэмбриональных опухолей. Для обсуждения этого непростого вопроса и получения хотя бы приблизительного ответа на него, основанного пока только на логике наших суждений, введем следующие обозначения: ЭНК – эмбриональные нормальные клетки; ЭОК – эмбриональные опухолевые клетки ННК – неэмбриональные нормальные клетки; НОК – неэмбриональные опухолевые клетки. По нашим представлениям, в основе указанного различия находятся принципиально важные данные о количественно-качественном состоянии митохондрий и дыхательного процесса в соответствующих клетках. В эмбриональных и стволовых клетках, как отмечалось выше, содержание митохондрий низкое или они мелкие и недоразвитые. Под «низким» будем понимать наличие всего лишь нескольких единиц или десятков митохондрий. На таком количественно-качественном уровне митохондрии, утилизируя О2, не смогут значительно снизить рО2 в клетке. Поэтому внутриклеточный уровень рО2 и зависимые от него содержания АФК и перекисных продуктов будут достаточно высокими. Следовательно, в норме пролиферация (окислительный митогенез) эмбриональных клеток реализуется при повышенном дисбалансе ΔП,ЭНК(ПО-АО), ближе к верхней границе этого диапазона. В неэмбриональных нормальных клетках содержание митохондрий высокое (сотни и тысячи). Например, в гепатоцитах их насчитывают несколько тысяч. В таких клетках 21 потребление О2 многочисленными митохондриями должно заметно снижать значение внутриклеточного рО2 и связанный с ним дисбаланс ΔП,ННК(ПО-АО), приближая его к нижней границе этого диапазона, т.е. ΔП,ЭНК > ΔП,ННК. Опухолевые клетки, в том числе и ЭОК, возникшие при участии «канцерогенезного» дисбаланса ΔК(ПО-АО), вследствие неполноценности всех или какой-то части митохондрий и недостаточности митохондриального дыхания потребляют меньше О2, что должно приводить к повышению в них рО2, которое, естественно, зависит от общего количества митохондрий, но особенно дефектных [10]. В ЭОК, где их мало, это повышение будет незначительным, по сравнению с многомитохондриальными НОК, у которых снижение утилизации ими О2 и соответственно повышение дисбаланса ∆К должны быть более существенными, т.е. ΔК,ЭОК < ΔК,НОК. В общем, пока опираясь только на логику этих «митохондриальных» суждений (за отсутствием других более веских количественно- качественных доводов), отметим достаточно высокую вероятность реальности указанных неравенств. Выпишем их отдельно и вместе: ΔП,ЭНК > ΔП,ННК (2) ΔК,ЭОК < ΔК,НОК (3) Поскольку согласно (1) всегда ΔК,ЭОК> ΔП,ЭНК и ΔК,НОК> ΔП,ННК, то с учетом (2) и (3) можно записать разности: (ΔК,ЭОК − ΔП,ЭНК) – относительно малая величина (4) (ΔК,НОК − ΔП,ННК ) – относительно большая величина (5) Таким образом, чтобы ЭОК подверглись нормализации (перешли в состояние ЭНК), необходимо снизить в них дисбаланс лишь на небольшую величину (4), в то время как для перехода НОК в нормальное состояние ННК придется снизить в них дисбаланс на более значительную величину 22 (5). Это различие и объясняет, на наш взгляд, относительно легкую и частую спонтанную или индуцированную реверсию эмбриональных опухолевых клеток (по сравнению с неэбриональными опухолевыми клетками), например, при некотором усилении в них действия отдельных звеньев антиоксидантной системы или ее в целом. Наилучшего эффекта здесь следует ожидать при наращивании мощности самой митохондриальной базы, наиболее заметно ограничивающей уровень окислительного стресса и область его проявления. Специально отметим, что из-за гетерогенности опухолевых клеток массовой реверсии их не может быть: нормализуются прежде всего те из них, в которых дисбаланс ΔК(ПО-АО) в пределах этого «канцерогенезного» диапазона наиболее приближен к его нижней границе. Заключение Основное внимание в данной статье уделено теоретическому рассмотрению того, каким образом митохондрии причастны и способствуют реализации таких известных феноменов как 1) обратная зависимость пролиферации и дифференцировки клеток, 2) относительно легкая и частая малигнизация эмбриональных и стволовых клеток, содержащих малое количество митохондрии, 3) реверсия таких клеток к нормальному фенотипу. Анализ литературных данных показал, что, варьируя количество, (дифференцированности) размеры митохондрий и степень зрелости как эергопродуцирующих органелл, утилизирующих бóльшую часть поступившего в клетку О2, природа одновременно «внедрила» весьма эффективный механизм регуляции уровня окислительного стресса в самих митохондриях и в клетке в целом. внутриклеточного Регуляция рО2, происходит весьма за счет чувствительного варьирования к изменению интенсивности митохондриального дыхания, и соответственно рО 2зависимого количества образующихся АФК и продуктов перекисного окисления. 23 До недавнего времени эта регуляторная функция митохондрий не привлекала должного внимания исследователей и, возможно, просто недооценивалась ими ее масштабная по важности и широте роль в реализации фундаментальных клеточных процессов в норме и при патологии. Однако ситуация значительно изменилась, особенно в последние 10-15 лет, в связи с получением многочисленных фактов, доказывающих выполнение АФК и некоторыми перекисными продуктами функции сигнальных молекул. Эти вещества прямо или косвенно участвуют в модификации экспрессии генов, в том числе протоонкогенов, изменении активности ряда белков-ферментов (онкобелков, оксидаз, циклинзависимых киназ, каспаз, протеинкиназ, эндонуклеаз, теломеразы и др.). Активирующее эукариотических же действие организмов АФК на опосредовано факторы транскрипции редокс-чувствительными сигнальными системами. В эти системы, состоящие из многих элементов и имеющие иерархическую организацию, входят «регуляторные GTPазы, фосфолипазы, протеинфосфатазы, cGMP-зависимые, фосфолипид- зависимые и MAP (Mitogen-Activated Proteins)-протеинкиназы» [17]. Под действием АФК происходят не только активация определенных факторов транскрипции и подчиненных им генов, но и ингибирование некоторых из них и соответственно подавление экспрессии ряда генов, т.е. происходит изменение спектра экспрессируемых белков. Что касается действия различных прооксидантов и антиоксидантов, то они влияют на регуляторные и синтетические процессы, скорее всего, не непосредственно, а через изменение ими уровня АФК и перекисных продуктов. Если исходить из развиваемых нами положений, то наиболее интересными, вполне ожидаемыми и даже закономерными можно считать, прежде всего, эффекты различных антиоксидантов при переводе ими окислительного стресса в опухолевых клетках на более низкие уровни. Например, противоопухолевое действие флавоноидного антиоксиданта 24 кверцетина связывают с up-регуляцией им генов супрессоров опухолей и dawn-регуляцией онкогенов и генов клеточного цикла [32]. Такими же модуляторами экспрессии генов являются биоактивные каротиноидны как мощные антиоксиданты [26]. Изофлавины сои и, в частности, основной из них генистеин, обладая антиоксидантной активностью, ингибируют индуцированный канцерогенами рак у животных in vivo, модулируют in vitro экспрессию генов, ответственных за клеточный цикл и апоптоз. Генистеин подавляет также активацию сигнальных путей NF-kB и Akt [43]. В этих примерах речь идет, вероятно, об индукции антиоксидантами апоптоза, который по введенной нами градации относится к типу А1. Ряд фактов такого рода приведен и в нашей недавней статье [12]. Имеются также некоторые данные об участии антиоксидантов в нормализации опухолевых клеток (см. [31, 43]). Таким образом, через названные выше исполнительные звенья кислородно-перекисные сигнальные молекулы выполняют фактически ключевую управляющую фундаментальных процессов функцию как при пролиферация, реализации таких дифференцировка, старение и апоптоз клеток; они же причастны к различным клеточным патологиям, в частности, к возрастным (атеросклерозу, сахарному диабету 2-го типа, болезни Альцгеймера), канцерогенезу и др. Однако тонкие «детали» механизма реализации этих процессов по сигналам из митохондрий и цитоплазмы остаются пока неразгаданными. Указанные эффекты АФК и продуктов пероксигенации проявляются только в определенных пределах их концентрации, что определяется действием в клетках закрепленной эволюцией последовательности «специализированных» диапазонов дисбалансов, связанных между собой в форме неравенств (1). Полагая, что многие внутриклеточные изменения в кислородно-перекисной ситуации носят эпигенетический характер, допускается возможность обратного развития клеток (реверсии) при спонтанном или индуцированном извне снижении в них уровня 25 дисбалансов Δ(ПО–АО) до нижерасположенного «специализированного» диапазона. Это касается, в частности, и нормализации опухолевых клеток. Можно выразить надежду, что изложенные нами с «митохондриальных» позиций представления по затронутым в данной статье проблемам будут со временем подтверждены более весомыми фактами и методическими подходами. Наметившаяся тенденция к увеличению числа публикаций об АФК и пероксидах как сигнальных молекулах и зависимых от них регуляторных и синтетических процессах, вероятно, продолжится, и тогда, в дополнение к уже известным [4, 17, 21, 28, 40 и др.], должны быть обнаружены пока еще скрытые АФК- и пероксид-зависисые эффекты, реализуемые как составные части глобальных процессов окислительного митогенеза, дифференцировки, старения, канцерогенеза и апоптоза, включая и реверсию из некоторых этих состояний. Здесь важно знать и понимать, что исполнительные звенья названных процессов могут приводиться в действие кислородно- перекисными сигнальными молекулами, уровень которых в значительной мере определяется и контролируется уже на стадии функционирования митохондрий путем регулирования их количества, структуры и активности. В этом видится своего рода стратегическая многоцелевая регуляторная роль митохондрий в динамике процессов размножения, специализации, старения и смерти клеток. Чтобы проверить правильность изложенных в данной статье положений и гипотез, необходимо, прежде всего, освоить методики стимуляции и, наоборот, торможения процессов биогенеза митохондрий в различных клетках. Можно прогнозировать, например, что увеличение числа митохондрий в опухолевой клетке придаст ей черты нормальной клетки, а снижение количества этих органелл приведет ее к апоптозу А2. Такие противоположно направленные меры применительно к стволовой клетке должны индуцировать соответственно ее специализацию и, скорее всего, апоптоз А1. 26 Литература 1. Анисимов В. Н. //Мед. акад. ж. 2004. Т. 4, № 2. С. 20. 2. Бердинских Н.К. Белоксинтезирующий аппарат при опухолевом росте. - Киев: Наукова думка, 1983. 176 с. 3. Вядро М.М. //Успехи соврем. биол. 1983 Т. 95, № 1. С. 118. 4. Гончар И. В., Гагарин Д. А., Гамалей И. А., Никольский Н. Н., Бурова Е. Б. //Цитология. 2002. Т. 44, № 9. С. 870. 5. Ефремов Я.Р. Изучение механизмов спонтанных реверсий злокачественных клеток к неопухолеродному фенотипу. – Автореф. дис. кан. биол. наук. Ин-т цитол. и генет. СО РАН. Новосибирск, 2004. 18 с. 6. Козырева Е.Б., Елисеенко Н.Н. //Международная конференция «Рецепция и внутриклеточная сигнализация». Материалы конференции. Пущино, 2002. С. 247. 7. Лавровский В.А., Субханкулова Т.Н. //Цитология. 1998. Т. 40, № 4. С. 291. 8. Лю Б. Н. //Успехи соврем. биол. 2001. Т.121, № 5. С. 488. 9. Лю Б. Н. //Успехи соврем. биол. 2002. Т.122, № 4. С. 376. 10. Лю Б. Н. Старение, возрастные патологии и канцерогенез (кислородноперекисная концепция). – Алматы: Деуир, 2003. 808 с. (см. также сайт в интернете http://lyu.academy.kz). 11. Лю Б. Н., Ефимов М. Л. //Успехи соврем. биол. 1976. Т. 82, № 5. С. 236. 12. Лю Б. Н., Лю М. Б. Успехи соврем. биол. 2005. Т. 125, № 6. С. 567. 13. Лю Б. Н., Шайхутдинов Е. М. Физико-химические и биокибернетические аспекты онкогенеза. – Алма-Ата: Гылым. 1991. 272 с. 14. Озернюк Н. Д. Рост и воспроизведение митохондрий. - М.: Наука, 1978. 263 с. 15. Скулачев В.П. //Соросовский образовательный журнал. 1996. № 3. С.4. 16. Скулачев В.П. /Соросовский образовательный журнал. 1998. № 8. С. 2. 17. Турпаев К. Т. //Биохимия. 2002. Т. 67, № 3. С. 339. 18. Чиркин А. А., Григорьев И. В. //Успехи соврем. биол. 1999. Т. 119, № 2. С. 197. 19. Швембергер И. Н. Нормализация опухолевых клеток. – Л.: Наука, 1987. 144 с. 20. Andrews P. W. //Phil. Trans. R. Soc. Lond B. 2002. V. 357. P. 405. 21. Barouki R., Morel Y. //Biochem. Pharmacol. 2001. V. 61, № 5. Р. 511. 22. Cogswell P.C., Kashatus D.F., Keifer J.A., Guttridge D.C., Reuther J.Y., Bristow C., Nocholson D.W., Baldwin A.S. //J. Biol. Chem. 2003. V.278, № 5. Р. 2963. 27 23. Djavahen-Mergny M., Javelaud D., Wietzerbin J., Besancon F. //FEBS Lett. 2004. V. 578, № 1-2. Р. 111. 24. He Z.P., Tan W.Q., Tang Y.F., Zhang H.J., Feng M.F. //Cell Prolif. 2004. V. 37, № 2. Р. 177. 25. Higashikubo A., Tanaka N., Noda N., Maeda I., Yadi K., Mizoguchi T., Nanri H.. //Biol. and Pharm. Bull. 1999. V. 22, № 9. Р. 900. 26. Hix L.M., Lockwood S.F., Bertram J.S. //Redox. Rept. 2004. V. 9, № 4. Р. 181. 27. John J.C., Ramalho-Santos J., Gray H.L., Petrosko P., Rawe V.Y., Navara C.S., Simerly C.R., Schatten G.P. //Cloning Stem Cells. 2005. V.7, № 3. Р. 141. 28. Klaunig J. E., Kamendulis L. M. //Annual Review of Pharmacology and Toxicology. Vol. 44. 2004. – Palo Alto (Calif.), 2004. P. 239. 29. Kondo N., Ishii Y., Kwon Y.-W., Tanito M., Norita H., Nishinaka Y., Nakamura H., Yodoi J. //J. Immunol. 2004. V. 172, № 1. Р. 442. 30. Laeng H., Schneider E., Bolli R., Zimmermann A., Schaffner T., Schindler R. //Exp. Cell Res. 1988. V. 179, № 1. Р. 222. 31. Li Z., Khaletskiy A., Wang J., Wong J.Y., Oberley L.W., Li J.J. //Free Radic. Biol. Med. 2001. V. 30, № 3. Р. 260. 32. Nair H.K., Rao Kesava V.K., Aalinkeel R., Mahajan S., Chawda R., Schwartz S.A. / //Clin. and Diagn. Lab. Immunol. 2004.V. 11, № 1. Р. 63. 33. Noda M. //FASEB J. 1993. V. 7, P. 834. 34. Oh S.K., Kim H.S., Ahn H.J., Seol H.W., Kim Y.Y., Park Y.B., Yoon C.J., Kim D.W., Kim S.H., Moon S.Y. //Stem Cells. 2005. V. 23, № 2. Р. 211. 35. Papa S., Scacco S., Sardanelli A. M., Petruzzella V., Vergan R., Signorile A., Technikova-Dobrova Z. (Advanced FEBS Course “Mitochondria in the Cell Life and Death”, Moscow, 2-7 Sept., 2001). //Biosci. Repts. 2002. V. 22, № 1. Р. 3. 36. Piao Y.J. //Di Yi Jin Daxue Xuebao. 2004. V. 24, № 7. Р. 736. 37. Piccoli C., Ria R., Scrima R., Cela O., D΄Aprile A., Boffoli D., Falzetti F., Tabilio A., Capitanio N. //J. Biol. Chem. 2005. V. 280, № 28. Р. 26467. 38 Policastro L., Molinari B., Larcher F., Blanco P., Podhajcer O. L., Costa C. S., Rojas P., Duran H.. //Mol. Carcinogenes. 2004. V. 39, № 2. Р.103. 39. Ramakrishna S., Sulochana K. N., Punitham R. //Indian J. Biochem. Biophys. 1999. V. 36, №.2. Р. 129. 40. Ren D.-Ch., Du G.-H. //Zhongguo yaolixue tongbao: Chin. Pharmacol. Bull. 2003. V. 19, № 5. Р. 489. 28 41. Robinson I. B., Dokmanovic M. //J. Cell. Biochem. 2003. V. 88, № 1. Р. 83. 42. Rochard P., Rodier A., Casas F., Cassar-Malek T., Marchal-Victorion S., Daury L., Wrutniak C., Cabello G. //J. Biol. Chem. 2000. V. 275, №. 4. Р. 2733. 43. Sarkar F. H., Li Y. //Cancer Invest. 2003. V. 21, № 5. Р. 744. 44. Sartorelli A.C. //Brit. J. Cancer, 1985. V. 52. Р. 293. 45. Sun C., Antonionio R.J., Redpath J.L. //Eur. J. Cancer. 1996. V. 32A, P. 322. 46. Suzuki H., Kumagai T., Goto A., Sugiura T. //Biochem. and Biophys. Res. Commun. 1998.V. 249, № 2. Р. 542. 47. Valk-Lingbeek M.E., Bruggeman S.W.M., van Lohuizen M. //Cell. 2004. V.118, № 4. Р. 409. 48. Von Wagenheim K.H., Peterson H.P. //J. Theor. Biol. 1998. V.193, № 4. P.663. 49. Vucenik I., Shamsuddin A.M. //J. Nutr. 2003. V. 133, № 11. Suppl 1. P. 3778S. 50. Wick W.D., Vanwijk R., McKibbin J.B. //Adv. Enzyme Regul. 1973, V. 11. Р. 117. Переписку просим вести через Исмаилова Булата Исмаиловича по адресу 050090, г. Алматы, Коктем-2, дом 21, кв. 30. Тел. дом. 8-3272-47-92-38, тел. раб. 8-3272-6945-93. Электронная почта sanzhar @ nets.kz Запасной вариант связи: Лю Марина Борисовна. Электронная почта mlyu @ mail.ru 29 РОЛЬ МИТОХОНДРИЙ В РАЗВИТИИ И РЕГУЛЯЦИИ УРОВНЯ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО СТРЕССА В НОРМЕ, ПРИ КЛЕТОЧНЫХ ПАТОЛОГИЯХ И РЕВЕРСИИ ОПУХОЛЕВЫХ КЛЕТОК Лю Б.Н., Исмаилов Б.И., Лю М.Б. Казахский научно-исследовательский институт онкологии и радиологии, г. Алматы, Казахстан Изменение состояния митохондриальной базы клеток, количественнокачественных параметров митохондрий предложено рассматривать как действенный механизм регуляции в них уровня пероксигеназного стресса – содержания активных форм кислорода и перекисных продуктов. Некоторые из этих агентов как сигнальные молекулы прямо или опосредованно модифицируют регуляторные и синтетические процессы в клетке, влияя тем самым на ее пролиферацию, дифференцировку и другие фундаментальные процессы. Аргументирована связь смены состояния клеток, в том числе эмбриональных и стволовых, от нормального до различных патологических форм со степенью возрастания в них дисбаланса между его прооксидантными и антиоксидантными составляющими. Впервые выдвинуто представление о том, что одним из необходимых условий для обратного развития клеток, в частности опухолевых, должно быть и действительно является снижение в них указанного дисбаланса до определенных уровней под влиянием различных индукторов реверсии. С «митохондриальных» позиций изложены также суждения о причинах относительной легкости малигнизации эмбриональных и стволовых клеток и обратной их нормализации. ROLE OF MITOCHONDRIA IN DEVELOPMENT AND REGULATION OF OXIDATIVE STRESS IN NORM, AT CELL PATHOLOGIES AND REVERSION OF TUMOR CELLS Lyu B.N., Ismailov B.I., Lyu M.B. Kazakh research scientific institute of oncology and radiology, Almaty, Kazakhstan Change of cell mitochondrial base status, quantitative and qualitative parameters of mitochondria suggested consider as an efficient mechanism of peroxide stress regulation in them – content of active oxygen forms and peroxide products. Some of these agents as signal molecules directly or mediately modify regulator and synthetic cell processes and influence by this on cell proliferation, differentiation and other fundamental processes. The connection between changing of cells status, including embryonic and stem ones, from normal to different pathological forms and rate of increasing in them disbalance between prooxidative and antioxidative components is argued. For the first time an idea that the decrease in cells (especially tumor) pointed above disbalance to definite level under the influence of various inductors of reversion probably and indeed is one of necessary condition for cell reverse development is offered. An opinion about causes of relative eases of embryonic and stem malignizations and their reverse normalization from “mitochondrial” positions are stated. 30 Литература (с названием статьей и полным списком их авторов и страниц. На всякий случай сохранить, а в Med. Hypothesis дать только часть их) 1. Анисимов В. Н. Старение и рак. //Мед. акад. ж. 2004. Т. 4, № 2. С. 20-31. 2. Бердинских Н.К. Белоксинтезирующий аппарат при опухолевом росте. - Киев: Наукова думка, 1983. 176 с. 3. Вядро М.М. Индукторы реверсии опухолевых клеток. //Успехи соврем. биол. 1983 Т. 95, № 1. С. 118-129. 4. Гончар И. В., Гагарин Д. А., Гамалей И. А., Никольский Н. Н., Бурова Е. Б. Влияние перекиси водорода на активацию транскрипционных факторов STAT1 и STAT2 в клетках А431. //Цитология. 2002. Т. 44, № 9. С. 870-871. 5. Ефремов Я.Р. Изучение механизмов спонтанных реверсий злокачественных клеток к неопухолеродному фенотипу. – Автореф. дис. кан. биол. наук. Ин-т цитол. и генет. СО РАН. Новосибирск, 2004. 18 с. 6. Козырева Е.Б., Елисеенко Н.Н. Внутриклеточная сигнализация энергетического обмена генетическому материалу клетки. //Международная конференция «Рецепция и внутриклеточная сигнализация». Материалы конференции. Пущино, 2002. С. 247-251. 7. Лавровский В.А., Субханкулова Т.Н. Спонтанная реверсия опухолевых клеток как источник молчащих метастазов. //Цитология. 1998. Т. 40, № 4. С. 291-301. 8. Лю Б. Н. Кислородно-перекисная концепция апоптоза и возможные варианты его механизма. //Успехи соврем. биол. 2001 Т.121, № 5. С. 488-501. 9. Лю Б. Н. Митохондрии и кислородно-перекисный механизм старения. //Успехи соврем. биол. 2002. Т.122, № 4. С. 376-389. 10. Лю Б. Н. Старение, возрастные патологии и канцерогенез (кислородноперекисная концепция). – Алматы: Деуир, 2003. 808 с. (см. также сайт в интернете http://lyu.academy.kz). 11. Лю Б. Н., Ефимов М. Л. Антиоксидантная система клетки и канцерогенез. //Успехи соврем. биол. 1976. Т. 82, № 5. С. 236-251. 12. Лю Б. Н., Лю М. Б. Кислородно-перекисная концепция апоптоза: повышение уровня аргументации и развития. //Успехи соврем. биол. 2005. Т. 125, № 6. С. 567-578.. 13. Лю Б. Н. , Шайхутдинов Е. М. Физико-химические и биокибернетические аспекты онкогенеза. – Алма-Ата: Гылым. 1991. - 272 с. 14. Озернюк Н. Д. Рост и воспроизведение митохондрий. - М.: Наука, 1978. 263 с. 15. Скулачев В.П. Кислород в живой клетке: добро и зло. //Соросовский образовательный журнал. 1996. № 3. С.4-16. 16. Скулачев В.П. Альтернативные функции клеточного дыхания. /Соросовский образовательный журнал. 1998. № 8. С. 2-7. 17. Турпаев К. Т. Активные формы кислорода и регуляция экспрессии генов. //Биохимия. 2002. Т. 67, № 3. С. 339-352. 18. Чиркин А. А., Григорьев И. В. Инозитгексафосфат (фитиновая кислота). //Успехи соврем. биол. 1999. Т. 119, № 2. С. 197-201. 19. Швембергер И. Н. Нормализация опухолевых клеток. – Л.: Наука, 1987. 144 с. 20. Andrews P. W. From teratocarcinomas to embrionyc stem cells. //Phil. Trans. R. Soc. Lond B. 2002. V. 357. P. 405-417. 21. Barouki R., Morel Y. Repression of cytochrome P450 1A1 gene expression by oxidative stress: Mechanisms and biological implications. //Biochem. Pharmacol. 2001. V. 61, № 5. Р. 511-516. 22. Cogswell P.C., Kashatus D.F., Keifer J.A., Guttridge D.C., Reuther J.Y., Bristow C., Nocholson D.W., Baldwin A.S. NF-kB and I kBα are found in the mitochondria. Evidence for 31 regulation of mitochondrial gene expression by NF-kB. //J. Biol. Chem. 2003. V.278, № 5. Р. 2963-2968. 23. Djavahen-Mergny M., Javelaud D., Wietzerbin J., Besancon F. NF-kB activation prevents apoptotic oxidative stress via an increase of both thioredoxin and Mn-SOD levels in TNF-α-treated Ewing sarcoma cells //FEBS Lett. 2004. V. 578, №1-2. Р. 111-115. 24. He Z.P., Tan W.Q., Tang Y.F., Zhang H.J., Feng M.F. Activation, isolation and in vitro proliferation of oval cells from adult rat livers. //Cell Prolif. 2004. V. 37, №2. Р. 177-187. 25. Higashikubo A., Tanaka N., Noda N., Maeda I., Yadi K., Mizoguchi T., Nanri H. Increase in thiredoxin activity of intestinal epithelial cells mediated by oxidative stress. //Biol. and Pharm. Bull. 1999. V. 22, № 9. Р. 900-903. 26. Hix L.M., Lockwood S.F., Bertram J.S. /Bioactive carotinoids: Potent antioxidants and regulators of gene expression. //Redox. Rept. 2004. V. 9, № 4. Р. 181-191. 27. John J.C., Ramalho-Santos J., Gray H.L., Petrosko P., Rawe V.Y., Navara C.S., Simerly C.R., Schatten G.P.. The expression of mitochondrial DNA transcription factors during early cardiomyocyte in vitro differentiation from human embryonic stem cells. //Cloning Stem Cells. 2005. V.7, № 3. Р. 141-153. 28. Klaunig J. E., Kamendulis L. M. The role of oxidative stress in carcinigenesis //Annual Review of Pharmacology and Toxicology. Vol. 44. 2004. – Palo Alto (Calif.), 2004. P. 239267. 29. Kondo N., Ishii Y., Kwon Y.-W., Tanito M., Norita H., Nishinaka Y., Nakamura H., Yodoi J. Redox-sensing release of human thioredoxin from T-lymphocytes with negative feedback loops //J. Immunol. 2004. V. 172, № 1. Р. 442-448. 30. Laeng H., Schneider E., Bolli R., Zimmermann A., Schaffner T., Schindler R. Participation of mitochondrial proliferation in morphological differentiation of murine mastocytoma cells.//Exp. Cell Res. 1988. V. 179, № 1. Р. 222-232. 31. Li Z., Khaletskiy A., Wang J., Wong J.Y., Oberley L.W., Li J.J. Genes regulated in human breast cancer cells overexpressing manganese-containing superoxide dismutase. //Free Radic. Biol. Med. 2001. V. 30, № 3. Р. 260-267. 32. Nair H.K., Rao Kesava V.K., Aalinkeel R., Mahajan S., Chawda R., Schwartz S.A. / Inhibition of priostate cancer cell colony formation by the flavonoid quercetin with modulation of specific regulatory genes //Clin. and Diagn. Lab. Immunol. 2004.V. 11, № 1. Р. 63-69. 33. Noda M. Mechanisms of reversion. //FASEB J. 1993. V. 7, P. 834-840. 34. Oh S.K., Kim H.S., Ahn H.J., Seol H.W., Kim Y.Y., Park Y.B., Yoon C.J., Kim D.W., Kim S.H., Moon S.Y. Derivation and characterization of new human embryonic stem cells lines: SNUhES1, SNUhES1 and SNUhES1. //Stem Cells. 2005. V. 23, № 2. Р. 211-219. 35. Papa S., Scacco S., Sardanelli A. M., Petruzzella V., Vergan R., Signorile A., Technikova-Dobrova Z. Комплекс I и цАМФ-каскад в физиопатологии человека. Complex I and the cAMPcascade in human physiopathology: Докл. [Advanced FEBS Course “Mitochondria in the Cell Life and Death”, Moscow, 2-7 Sept., 2001]. //Biosci. Repts. 2002. V. 22, № 1. Р. 3-16. 36. Piao Y.J. Dedifferentiation and regeneration of damaged cells and tissues. //Di Yi Jin Da Xue Xue Bao. 2004. V. 24, № 7. Р. 736-737. 37. Piccoli C., Ria R., Scrima R., Cela O., D΄Aprile A., Boffoli D., Falzetti F., Tabilio A., Capitanio N. Characterization of mitochondrial and extra-mitochondrial oxygen consuming reactions in human hematopoietic stem cells. Novel evidence of the occurrence of NAD(P)H oxidase activity. //J. Biol. Chem. 2005. V. 280, № 28. Р. 26467-26476. 38 Policastro L., Molinari B., Larcher F., Blanco P., Podhajcer O. L., Costa C. S., Rojas P., Duran H. Imbalance of antioxidant enzymes in tumor cells and inhibition of proliferation and 32 malignant features by scavenging hydrogen peroxide. //Mol. Carcinogenes. 2004. V. 39, № 2. Р.103-113. 39. Ramakrishna S., Sulochana K. N., Punitham R. Two new functions of inositol in the eye lens: Antioxidation and antiglycation and possible mechanisms. //Indian J. Biochem. Biophys. 1999. V. 36, №.2. Р. 129-133. 40. Ren D.-Ch., Du G.-H. Развитие исследований по влиянию активных форм кислорода на протеинкиназу и генную экспрессию. //Zhongguo yaolixue tongbao=Chin. Pharmacol. Bull. 2003. V. 19, № 5. Р. 489-493. 41. Robinson I. B., Dokmanovic M. Induction of senescence-associated growth inhibitors in the tumor-suppressive function of retinoids. //J. Cell. Biochem. 2003. V. 88, № 1. Р. 83-94. 42. Rochard P., Rodier A., Casas F. Cassar-Malek I., Marchal-Victorian S., Daury L., Wrutniak C., Cabello G. Mitochondrial activity is involved in the regulation of myoblast differentiation through myogenin expression and activity of myogenic factors. //J. Biol. Chem. 2000. V. 275, №. 4. Р. 2733-2744. 43. Sarkar F. H., Li Y. Soy isoflavones and cancer prevention. //Cancer Invest. 2003. V. 21, № 5. Р. 744-757. 44. Sartorelli A.C. Malignant cell differentiation as a potential therapeutic approach. //Brit. J. Cancer, 1985. V. 52. Р. 293-302. 45. Sun C., Antonionio R.J., Redpath J.L. Reversion of UVC-induced tumorigenic human hybrid cells to the non-tumorigenic phenotype. //Eur. J. Cancer. 1996. V. 32A, P. 322-327. 46. Suzuki H., Kumagai T., Goto A., Sugiura T. Increase in intracellular hydrogen peroxide and upregulation of a nuclear respiratory gene evoked by impairment of mitochondrial electron transfer in human cells. //Biochem. and Biophys. Res. Commun. 1998.V. 249, № 2. Р. 542-545. 47. Valk-Lingbeek M.E., Bruggeman S.W.M., van Lohuizen M. Stem cells and cancer: the polycomb connection. //Cell. 2004. V.118, № 4. Р. 409-418. 48. Von Wagenheim K.H., Peterson H.P. Control of cell proliferation by progress in differentiation: Clues to mechanisms of aging, cancer causation and therapy. //J. Theor. Biol. 1998. V.193, № 4. P.663-678. 49. Vucenik I., Shamsuddin A.M. Cancer inhibition by inisitol hexaphosphate (IP6) and inositol: from laboratory to clinic. //J. Nutr. 2003. V. 133, № 11. Suppl 1. P. 3778S-3784S. 50. Wick W.D., Vanwijk R., McKibbin J.B. Stimulation of enzyme synthesis and inhibition of DNA synthesis and growth rate by cyclic AMP derivatives in cultured hepatoma cells. – Adv. Enzyme Regul. 1973, V. 11. Р. 117-135. 33