The role of antioxidant system genes in the formation of coronary heart disease clinical phenotypes

Full Text

По данным проспективных исследований, ишемической болезнью сердца (ИБС) страдают около 5-8% мужчин в возрасте от 20 до 44 лет и 18-24,5% - в возрасте от 45 до 69 лет. Распространённость ИБС у женщин несколько меньше и в старшей возрастной группе обычно не превышает 13-15% [12]. На долю ИБС приходится более половины всех смертей от сердечно-сосудистых заболеваний, при этом в Российской Федерации отмечают один из наиболее высоких в Европе показателей распространённости и смертности населения от этой нозологии [6, 10, 16, 19]. В России ежегодно регистрируют порядка 520 000 случаев острого коронарного синдрома (ОКС), из них 36,4% приходится на инфаркт миокарда и 63,3% - на нестабильную стенокардию. В Республике Татарстан в год госпитализируют около 15 тыс. больных с ОКС, у половины из них диагностируют инфаркт миокарда. За последние 3 года удалось снизить смертность населения от инфаркта миокарда с 55,2 до 49,5 на 100 000 населения. Несмотря на достигнутые успехи, частота развития ОКС не снижается и продолжает увеличиваться с возрастом, что диктует необходимость более тщательного изучения механизмов повреждения кардиомиоцитов при ишемии миокарда [1, 2]. ИБС - многофакторное заболевание, в его патогенезе важную роль играет генетическая предрасположенность, которая в совокупности с факторами окружающей среды может обусловливать нарушение регуляции различных биохимических процессов [3, 45]. Сложный механизм формирования клинического фенотипа ИБС, в частности инфаркта миокарда и стенокардии напряжения, обусловлен большим количеством различных генов, вовлечённых в патогенез ИБС, однако роль генов, кодирующих ферменты антиоксидантной системы (АОС), при данной патологии недостаточно изучена, а результаты исследований, как правило, носят противоречивый характер [3, 4]. Сегодня доминируют две основных гипотезы развития атеросклероза, который в 95% случаев бывает основой ИБС. Липидно-инфильтрационная гипотеза исходит из того, что к атеросклеротическому повреждению приводят липиды и некоторые белки (например, фибриноген плазмы крови). Согласно второй гипотезе «ответа на повреждение» первопричиной развития атеросклеротического процесса являются изменения клеточных, соединительнотканных и других структур артериальной стенки. Определённое значение в атерогенезе приобретают перекиси липидов, образующиеся в результате свободнорадикального окисления ненасыщенной жирной кислоты в β-положении фосфолипидного компонента липопротеинов, а также гидроперекись холестерина. Предполагают, что проникновение липопротеинов, содержащих окисленные фосфолипидные ацилы и гидроперекиси холестерина, в стенку сосуда или образование перекисей липидов в самой стенке может вызывать первичное повреждение интимы и усиливать атеросклеротический процесс [30]. В настоящее время сформировалась концепция о важной роли окислительного стресса в патогенезе инфаркта миокарда [7, 33]. За последнее десятилетие проблема патогенеза сердечно-сосудистых заболеваний обогатилась раскрытием механизма повреждения клеточных структур: основным фактором повреждения эндотелия сосудов оказался кислород, из-за недостатка которого возникает гибель клеток [40]. Окислительный стресс проявляется нарушением баланса в системе прооксидант-антиоксидант со сдвигом в сторону накопления прооксидантов, к которым, в первую очередь, относят активные формы кислорода (АФК) [7]. Вовлечение АФК в метаболические реакции в условиях недостаточности эндогенной АОС организма оказывает прямое повреждающее действие на кардиомиоциты, способствует аритмогенной активности миокарда, активирует прокоагулянтную систему крови, ускоряет деградацию эндотелиального оксида азота (NO), обеспечивающего вазодилатацию сосудов [7]. Основные виды АФК - супероксидный радикал О2-, перекись водорода H2O2, гидроксильный радикал OH*, перекисный радикал RO2*, алкоксильный радикал RO*, синглетный кислород O21 и др. Все формы АФК обладают высокой цитотоксичностью для клеток и клеточных образований. Можно выделить несколько мишеней окислительной цитотоксической атаки АФК: нуклеиновые кислоты [в первую очередь дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)], мембраносвязанные белки, ферменты, нарушение в работе которых приводит к индукции процессов перекисного окисления липидов в биологических мембранах [14]. Цитотоксическая атака нуклеиновых кислот затрагивает как ДНК, так и рибонуклеиновую кислоту (РНК), и свободные нуклеотиды. Модификация пула нуклеотидов - один из важных факторов повреждения нуклеиновых кислот. Однако основное повреждающее действие АФК показано для белковых макромолекул, поскольку аминокислоты белков, в первую очередь ферментов, также подвержены окислительному действию АФК, что приводит к трём видам изменений физико-химических свойств белков: фрагментации, агрегации и повышению чувствительности к протеолизу. В первую очередь воздействию кислородных радикалов подвергаются остатки пролина, гистидина и аргинина, поскольку именно их окисление приводит к снижению содержания восстановленных, повышению уровня окисленных SН-групп и изменению активности ферментов [8]. Одно из важнейших следствий избыточного образования АФК - неконтролируемая в этих условиях активация процессов перекисного окисления липидов. Окисление молекул липидов приводит к необратимому изменению мембранных структур клеток, нарушению их проницаемости для ионов. Наиболее подвержены перекисному окислению входящие в состав мембран ненасыщенные жирные кислоты: линолевая, арахидоновая, докозагексаеновая [11]. После перекисного окисления они образуют стабильные производные, которые присоединяются к нуклеиновой кислоте, образуя ДНК-аддукты (соединения), что ведёт к нарушению транскрипции ДНК и возникновению мутаций. В то же время, синтез АФК - неотъемлемый процесс жизнедеятельности клетки. АФК постоянно образуются в клетке в результате синтеза аденозинтрифосфата. При этом существует баланс прооксидантов, повышающих синтез АФК, и антиоксидантов, основная функция которых состоит в обезвреживании реактивных форм кислорода [18]. В организме существует АОС, которая обеспечивает контроль окислительных реакций и инактивацию всего многообразия токсичных свободнорадикальных продуктов. АОС представляет собой разветвлённую многокомпонентную сеть физиологически активных веществ [15, 42]. Биохимическая АОС условно делится на специфическую и неспецифическую: специфическая АОС направлена на разрушение образующихся АФК и продуктов их дальнейших превращений (рис. 1), неспецифическая предотвращает условия и возможности утечки электронов и генерации АФК в ходе окислительно-восстановительных реакций (в рамках окислительного фосфорилирования) или в процессе аутоокисления субстратов (микросомальное окисление). Неспецифическая АОС включает ряд белков плазмы, таких как церулоплазмин, трансферрин, лактоферрин и другие, играющих важную роль в защите жидких сред организма. Ферментативная, или специфическая, АОС включает ряд ферментов, таких как супероксиддисмутазы (SОD), катализирующие реакцию дисмутации О2- в Н2О2, каталазу (CАТ), разлагающую Н2О2, глутатионпероксидазу (GPO), глутатион-S-трансферазу (GSТ), глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу (G6FD), глутатионредуктазу (GR). При этом основными ферментами АОС человека служат супероксиддисмутазы и каталаза [3]. С точки зрения физиологии гены АОС, в частности гены, кодирующие различные изоформы супероксиддисмутазы, каталазу и глутатионпероксидазу, выполняющие антиоксидантную функцию, могут иметь большое значение в формировании генетически детерминированной предрасположенности к различным клиническим формам ИБС (стенокардия, острый инфаркт миокарда) [22]. 1.1. Полиморфизм генов семейства ферментов супероксиддисмутаз (SOD2 и SOD3) Супероксиддисмутазы (КФ 1.15.1.1, супероксид: супероксид оксидоредуктаза, СОД) ускоряют реакцию дисмутации О2-, обрывая тем самым опасную цепь свободнорадикальных превращений кислорода: 2H+ + О2- + О2- → H2O2 + O2 О2- +2Н+ → H2O2 Обнаружено несколько изоэнзимных форм в семействе ферментов супероксиддисмутазы, отличающихся строением активного центра [25, 78]. Наиболее значимы в развитии предрасположенности к ИБС полиморфные варианты генов супероксиддисмутазы (SOD1, SOD2 и SOD3, рис. 2). У эукариот Cu-Zn-содержащая (эритроцитарная) супероксиддисмутаза (СОД1) локализуется в основном в цитозоле эритроцитов, межмембранном пространстве митохондрий, цитоплазме и ядре нервных клеток. Фермент представляет собой металлопротеид с молекулярной массой 32 000-33 000 Да, состоит из двух субъединиц, каждая из которых связывает один атом Cu и один атом Zn [27]. Изменение содержания супероксиддисмутазы эритроцитов является важным фактором в развитии атеросклероза сосудов наряду с дислипидемией и другими факторами [50]. При инфаркте миокарда СОД1 защищает сердечную мышцу от действия свободных радикалов, образующихся при ишемии, при этом в сыворотке крови при инфаркте миокарда регистрируется высокая активность фермента. Степень повышения количества супероксиддисмутазы обратно пропорциональна деятельности левого желудочка, что используют как маркёр для оценки повреждения миокарда и при мышечной дистрофии [17]. Обнаружение больших концентраций СОД1 в организме возможно при различных заболеваниях: ишемии органов (инфаркт миокарда), нефропатии, заболеваниях, сопровождающихся воспалением (ревматоидный артрит) [17]. Митохондриальная Mn-зависимая супероксиддисмутаза (СОД2) служит ключевым антиоксидантным ферментом, который играет важную роль в ограничении окислительного стресса и дисмутирует супероксидные радикалы в перекись водорода, которая далее разлагается цитоплазматической каталазой, вследствие чего образуется вода [45]. Митохондриальная супероксиддисмутаза локализована в митохондриях печени и миокарда эукариот, вблизи анионных каналов, состоит из четырёх субъединиц с молекулярной массой 20 000 Да каждая. Механизм действия энзима, вероятно, подобен действию Cu-Zn-СОД-фермента, когда металл в активном центре попеременно меняет свою валентность. Было установлено, что недостаточная инактивация свободных радикалов кислорода в митохондриальном матриксе воздействует на окислительно-восстановительный потенциал и становится причиной повреждения внутренней митохондриальной мембраны. Это приводит к утечке протонов сквозь мембрану, нарушению окислительного фосфорилирования и увеличению цитоплазматического содержания Са2+. Ген SOD2 расположен на хромосоме 6q25. Любое изменение в очень консервативных последовательностях этого гена изменяет структуру белка и в итоге влияет на роль этого фермента в организме [35]. Установлено несколько полиморфных вариантов гена SOD2, находящихся как в кодирующей, так и в некодирующей частях гена. Особое внимание исследователей уделяется полиморфному варианту +9T/С, локализованному во втором экзоне гена SOD2 (рис. 3). Данный полиморфный вариант приводит к замене T на C (перестановка GTT/GCT), в результате которой происходит замена валина на аланин в аминокислотной последовательности (полиморфизм белка Val16Ala, rs4880), что приводит к изменению вторичной структуры фермента и, как следствие, его активности и функций [47]. Показано, что носительство гомозиготного по аллелю С мутантного генотипа SOD2 может влиять на расположение фермента рядом с внутренней мембраной митохондрий и снижение антиоксидантной активности митохондриальной супероксиддисмутазы [2]. Полиморфизм +9T/С был описан как сигнальная последовательность фермента, связанная со степенью атеросклероза венечных артерий сердца у пациентов при ИБС. Рядом авторов показано, что аллель Val ассоциирован с повышенными значениями IMT (утолщение стенки интимы артерий). Можно отметить, что данная корреляция выявлена только в случае высокого содержания холестерина липопротеинов низкой плотности в плазме крови [45]. Известно, что генетическая изменчивость этого фермента, а именно носительство гомозиготного генотипа TT (Val16Val), связано с риском развития диабета 2-го типа в популяции Японии, а также с предрасположенностью к развитию сердечно-сосудистых заболеваний и ИБС у женщин в европейской популяции [35, 39, 45]. В то же время, наиболее высокая ферментативная активность СОД2 отмечена у носителей гомозигот СС (Ala/Ala). Так, генотип CC ассоциирован с более мягкой формой сахарного диабета, и аллель С - с меньшим риском развития сердечно-сосудистых заболеваний при диабетической периферической невропатии [48]. Целый ряд исследований посвящён анализу экспрессии митохондриальной супероксиддисмутазы. В одной из таких работ было показано, что сверхэкспрессия SOD2 защищает трансгенных мышей от развития ишемии головного мозга [25]. Кроме того, сверхэкспрессия SOD2 подавляет окисление липопротеинов низкой плотности в эндотелиальных клетках in vitrо [36]. Экстрацеллюлярная высокомолекулярная форма супероксиддисмутазы (СОД3) структурно представляет собой гликопротеин-гомотетрамер массой около 30 000 Да [46]. Содержание СОД3 в большинстве тканей очень небольшое и составляет 1-5% общего количества супероксиддисмутаз, однако кровеносные сосуды, лёгкие и (в меньшей степени) сердце отличаются повышенной концентрацией СОД3. Этим ферментом чрезвычайно богаты стенки артерий, где вклад СОД3 составляет до 70% общей активности данного семейства ферментов, при этом антиоксидантное действие СОД3 проявляется главным образом на сосудистой стенке, а не в самом кровотоке [13, 24, 46]. Ген SOD3 картирован на хромосоме 4 (p16.3-q21), содержит три экзона и два интрона. Промоторная область богата TATA- или CCAAT-участками. На рис. 4 представлена схема расположения некоторых полиморфных сайтов, находящихся как в кодирующих, так и в некодирующих областях этого гена [46]. Экспрессия SOD3 регулируется некоторыми транскрипционными факторами, в том числе Sp1 и Sp3 [45]. Показано, что продукция SOD3 в фибробластах и мышечных клетках человека регулируется опосредованно цитокинами и факторами роста, а не собственно окислительным стрессом [46]. Наиболее значимым полиморфизмом гена SOD3 является +186C/T (rs699473), который расположен во втором экзоне гена и приводит к замене аргинина на глицин в белковой последовательности (Arg213Gly). Два десятилетия назад в одном из исследований у 6% здоровых испытуемых было отмечено 10-15-кратное превышение уровня СОД3 в сыворотке над средним количеством [21]. Позже такие группы были выявлены в шведской и японской популяциях, при этом данные группы характеризовались наличием полиморфизма Arg213Gly в гене SOD3. В ряде исследований было показано, что гомозиготный по аллелю C генотип гена SOD3 ассоциирован с повышенным риском развития гипертонической болезни [29, 49], ИБС и ишемических цереброваскулярных заболеваний [23, 28, 33]. Этот факт обусловлен не ухудшенной ферментативной активностью, а сниженным связыванием СОД3 поверхностью клеток (при замене A213G), в том числе эндотелиальных: вариация изменяет структуру его гепарин-связывающего домена и соответственно способность закрепляться за гепарансульфатные протеогликаны [32]. 1.2. Полиморфизм гена глутатионпероксидазы класса 1 (GPX1) Глутатионпероксидазы (КФ 1.11. 1.9, ГП) - семейство ферментов, защищающих организм от окислительного повреждения. Они осуществляют восстановление перекисей липидов в соответствующие спирты и восстановление пероксида водорода до воды [24]. Известно несколько генов, кодирующих восемь различных форм глутатионпероксидаз, отличающихся по локализации в организме и структурно представляющих собой селеносодержащие тетрамерные гликопротеины [31]. Изоформа I типа - основной фермент семейства глутатионпероксидаз, которые катализируют восстановление перекисей липидов в соответствующие спирты и восстановление пероксида водорода до воды в цитоплазме практически всех клеток организма человека [27]. В ходе ряда исследований была выявлена сниженная активность фермента GPX1 в плазме крови при сердечно-сосудистых заболеваниях разной этиологии [24]. Ген GPX1 расположен на хромосоме 3p21.3 и состоит из двух экзонов [27, 30] (рис. 5). Известно несколько различных полиморфных вариантов данного гена, но наибольший интерес вызывает полиморфизм +593С/T, локализованный во втором экзоне гена (rs1050450). Показано, что замена пролина на лейцин в положении 197 полипептидной цепи продукта гена приводит к снижению активности фермента в эндотелиальных клетках, кардиомиоцитах и макрофагах [31, 37]. Результаты исследований последних лет показали, что носительство мутантного аллеля T (генотипы ТТ и СТ) полиморфного варианта +593С/T гена GPX1 связано с повышенным риском развития сердечно-сосудистой патологии, в том числе ишемического инсульта и ишемии миокарда [31, 48]. 1.3. Полиморфизм гена каталазы (CAT) Каталаза (КФ 1.11.1.6, САТ), являясь важным ферментом тканевого дыхания, разрушает токсичные для клетки перекиси водорода, образующиеся в ходе различных окислительных процессов в организме [9]. Фермент представляет собой хромопротеид с молекулярной массой около 240 000 Да, состоит из четырёх субъединиц, имеющих по одной группе гема, локализуется в основном в пероксисомах, микросомах и цитозоле. Каталаза может выступать источником образования АФК, 0,5% кислорода, образующегося в результате разложения перекиси водорода, возникает в возбуждённом синглетном состоянии [5]. Ген каталазы CAT человека локализован на хромосоме 11p13 и содержит 13 экзонов [38] (рис. 6). Один из наиболее диагностически значимых полиморфизмов данного гена - однонуклеотидный полиморфизм (SNP) в положении -262С/T (rs1001179) промоторной области гена, который оказывает влияние на экспрессию каталазы и количество этого фермента в плазме крови. Известно, что экспрессия гена CAT и активность каталазы регулируется содержанием Н2О2 [48]. В одном из исследований было показано, что однонуклеотидная замена С на T (-262T) приводит к увеличению активности каталазы в европейской популяции [21]. В ряде исследований показано, что носители генотипа TT (-262ТТ) по данному полиморфному варианту гена встречаются статистически значимо чаще в группе пациентов с артериальной гипертензией по сравнению с контрольной группой [34, 51]. К настоящему времени только в одной работе‚ выполненной в России‚ была установлена протективная роль аллеля Т полиморфного локуса -262C/T в развитии гипергликемии и сахарного диабета [26], и существует ряд работ, подтверждающих предрасполагающую роль аллеля T и генотипа ТТ к развитию сахарного диабета c различными формами осложнений, в том числе сердечно-сосудистых [41, 44]. В заключение необходимо отметить, что характеристика антиоксидантного статуса сыворотки крови и оценка влияния генетического полиморфизма некоторых генов АОС на его изменение у больных ИБС в форме острого инфаркта миокарда и стенокардии напряжения требует проведения исследований для детального изучения в каждой отдельной популяции. Специализированные ферментные системы Супероксиддисмутаза Рис. 1. Схема основных составляющих специфической антиоксидантной (АО) системы организма человека. Подол_2.tif Рис. 2. Схема структуры генов супероксиддисмутазы SOD2 и SOD3. → Каталаза → Специфическая ОА система Глутатионпероксидаза Глутатионтрансфераза → → Тиолдисульфидная система на основе глутатиона → → Специализированные неферментные системы Аскорбатная окислительно-восстановительная система → → Ароматические соединения Жирорастворимые АО Витамины Е, А, K Стероидные гормоны Флавоноиды Полифенолы (витамин Р, убихинон) → Подол_3.tif Рис. 3. Схема расположения полиморфных сайтов гена SOD2. Рис. 4. Схема расположения полиморфных сайтов гена SOD3. Рис. 5. Схема расположения полиморфных сайтов гена GPX1 [31]. Подол_4.tif Подол_5.tif Подол_6.tif Рис. 6. Схема расположения полиморфных сайтов гена CAT [38].

About the authors

A A Podolskaya

Kazan State Medical University, Kazan, Russia

Email: alla.podolsckaya@yndex.ru

A S Galyavich

Kazan State Medical University, Kazan, Russia

E V Maikova

Kazan (Volga Region) Federal University, Kazan, Russia

O A Kravtsova

Kazan (Volga Region) Federal University, Kazan, Russia

F K Alimova

Kazan (Volga Region) Federal University, Kazan, Russia

References

Supplementary files