Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

ПАРАТГОРМОН-РОДСТВЕННЫЙ ПРОТЕИН

Курзанов А. Н., Ледванов М. Ю., Быков И. М., Медведев В. Л., Стрыгина Е. А., Бизенкова М. Н., Заболотских Н. В., Ковалев Д. В., Стукова Н. Ю.,

5.2.1.2. Участие паратгормон-родственного протеина в развитии и функционировании суставных хондроцитов

Большинство эндохондральных костей развивается процессом сегментации мезенхимальных конденсаций. Эти сегменты соответствуют будущим суставам и определяются регуляторными молекулами из интерзоны (Pacifici M., et al., 2005). Роль ПТГрП в регуляции суставных хондроцитов представлена в исследованиях Chen X., et al. (2008). Охарактеризованы экспрессия и локализация ПТГрП в суставном хряще крысы во время эмбрионального и послеродового периодов. У эмбриональных (18-дневных) и молодых (3-недельных) крыс суставные хондроциты обильно продуцировали ПТГрП по всей толщине хряща. Гибридизация in situ суставного хряща грызунов 20-недельного возраста показала, что экспрессия ПТГрП присутствует в хондроцитах, находящихся вблизи поверхности суставного хряща. Напротив, у 60-недельных крыс ПТГрП был выявлен в нескольких суставных хондроцитах поверхностных и средних слоев. Регуляция мРНК рецептора ПТГ/ПТГрП также изучалась в культивируемых суставных хондроцитах крыс. Эти результаты показывают, что изменения в продукции и локализации ПТГрП и его рецептора могут быть непосредственно вовлечены в рост клеток и дифференциацию суставного хряща. (Tsukazaki T., et al., 1995). Продемонстрировано, что ПТГ/ПТГрП-рецептор экспрессируется в прегипертрофированных хондроцитах, которые находятся непосредственно под экспрессирующими ПТГрП суставными хондроцитами. Таким образом, ПТГрП и его рецептор располагаются на совместных участках, совпадающих с суставной спецификацией и в соответствии с порядком, в котором клетки, экспрессирующие ПТГрП, лежат на суставной поверхности, а клетки, экспрессирующие рецептор ПТГрП, расположены ниже. Если бы ПТГрП замедлял дифференцировку в суставных хондроцитах, как это происходит в хондроцитах ростовой пластины, такое расположение ПТГрП и его рецептора исключало бы окончательное дифференцирование гипертрофических хондроцитов из суставного хряща и суставного пространства, предотвращая их минерализацию. Показано, что постнатальная экспрессия ПТГрП локализована по направлению к суставной поверхности (Tsukazaki T., et al., 1995; Chen X., et al., 2006).

Результаты исследований Chen X. et al. (2008) показали, что ПТГрП может регулировать поддержание суставных хондроцитов. В экспериментах с совместным культивированием хондроцитов из разных слоев суставного хряща (Jiang J. et al., 2008) было установлено, что в здоровом суставном хряще ПТГрП, выделяемый хондроцитами из поверхностных слоев, ингибирует гипертрофический потенциал хондроцитов, обитающих в глубоком слое, чтобы поддерживать гомеостаз суставного хряща. Принимая во внимание стратифицированную организацию суставного хряща, авторы этой работы предложили оригинальную гипотезу о том, что сигнальная взаимосвязь хондроцитов внутри хрящевых слоев играет регуляторную роль в организации хрящевой ткани. Было сделано предположение, что хондроциты из поверхностного слоя регулируют потенциал минерализации хондроцитов, глубокой зоны подобно хондроцитам пластин роста, а хондроциты на поверхности и хондроциты глубокой зоны суставного хряща также могут взаимодействовать через петлю отрицательной обратной связи ПТГрП-Ihh. Результаты исследования показали, что экспрессия гена ПТГрП была значительно выше в совместной культуре хондроцитов глубокой и поверхностной зон. Это указывает на то, что ПТГрП может быть ключевым модулятором наблюдаемых взаимодействий между этими двумя популяциями клеток. Результаты этого исследования показывают, что потенциал ПТГрП для регулирования гипертрофии хондроцитов может быть связан с регуляцией суставной хондроцитарной минерализации, а также демонстрируют роль зональных взаимодействий хондроцитов в механизмах постнатальной регуляции организации суставного хрящевого матрикса. Эти результаты также имеют существенные последствия для понимания патологии суставного хряща и для разработки стратегий функционального восстановления хряща.

Показано также, что ПТГрП экспрессируется постнатально суставными хондроцитами человека гипоксически-зависимым образом и положительно регулирует дифференцированный фенотип суставного хондроцита человека. Jiang J., et al., (2008); Zhang W., et al., (2012); Pelosi M. et al., (2013) исследовали влияние гипоксии на экспрессию ПТГрП и возможность ПТГрП–индуцированной регуляции фенотипа постоянного суставного хондроцита. Показано, что в суставных хондроцитах человека ПТГрП регулируется гипоксией HIF-1α (гипоксия-индуцируемый фактор-1α) и HIF-2α-зависимым образом, а также установлено, что индуцированный гипоксией ПТГрП является положительным регулятором ключевого фактора транскрипции хряща SOX9, что приводит к увеличению экспрессии коллаген типа II-α1.

Известно, что экспрессия ПТГрП является механически индуцируемой в ряде органов имеющих гладкомышечную ткань, (Thiede M.A., et al., 1990), и его присутствие в контактных областях суставных поверхностей послужило основанием для предположения, что механические воздействия на хондроциты могут быть факторами, регулируюшими продукцию и эффекты этого протеина. Хондроциты воспринимают и реагируют на механическую стимуляцию; однако механизмы, с помощью которых эти сигналы оказывают свое влияние, до конца не выяснены. Первичная ресничка была идентифицирована как механосенсор в нескольких типах клеток, включая почечные эпителиальные клетки и эндотелий, а накопленные данные связывают его с механо-трансдукцией в хондроцитах. В пластине роста первичная ресничка участвует в нескольких регуляторных путях, таких как неканонический Wnt и Ihh. Продемонстрировано (Rais Y., et al., 2015), что механическая нагрузка усиливает цилиогенез в пластине роста, сопровождающийся изменениями в экспрессии и локализации ключевых факторов сигнального пути Ihh-ПТГрП, что приводит к уменьшению пролиферации и аномальному переключению с пролиферации на дифференциацию, а также аномальной морфологии и организации хондроцитов. С использованием хондрогенной клеточной линии ATDC5, исследованы механизмы, опосредующие участие первичной реснички, и в частности кинезин-подобного белка KIF3A, который необходим для формирования, поддержания и функции первичных ресничек в реакции клетки на механическую стимуляцию. Показано, что этот ключевой компонент реснички опосредует экспрессию гена в ответ на механическое воздействие.

Механическая регуляция экспрессии ПТГрП в суставных поверхностях определяется индуцированием гена ПТГрП механическими факторами (Chen X., et al., 2007; Chen X., et al., 2005). Это предполагает, что механическая нагрузка может регулировать экспрессию ПТГрП в суставном хряще. Xu T. et al. (2013). исследовали in vitro влияние краткосрочной циклической растягивающей деформации хондроцитов на экспрессию ими ПТГрП в постнатальной пластине росте, а также изучили участие в этом процессе цитоскелетных F-актиновых микрофиламентов. Было установлено, что циклическая деформация регулирует экспрессию ПТГрП в зависимости от величины и времени воздействия. Инкубация хондроцитов с цитохалазином D, активирующим актиновый микрофиламент-реагентом, блокировала индукцию экспрессии ПТГрП в ответ на механическую деформацию клеток. Результаты показывают, что кратковременная циклическая растягивающая деформация индуцирует экспрессию ПТГрП в прегипертрофических и гипертрофических хондроцитах постнанальной ростовой пластины и что экспрессия ПТГрП этими хондроцитами может впоследствии повлиять на развитие пластин роста. Показано, что циклическая механическая деформация регулирует экспрессию ПТГрП в культивируемых хондроцитах посредством активации канала Ca2+ (Tanaka N., et al., 2005). Циклическая механическая деформация значительно повышала уровни мРНК ПТГрП в хондроцитах только на стадиях пролиферации и матрицеобразования. Индукция ПТГрП зависела от величины нагрузки. Механоиндукция ПТГрП ингибировалась нифедипином, блокатором Ca2+ каналов. Эти результаты показали, что механическая индукция ПТГрП, возможно, обеспечивает среду для большей репликации хондроцитов и формирования матрицы, которая впоследствии повлияет на образование хряща.

Sun K. et al. (2017) исследовали влияния растягивающего напряжения с различной интенсивностью на дифференциацию и апоптоз хондроцитов ростовых пластин человека. Уровни экспрессии коллагена типа 2 и 10, маркеров апоптоза Bax и Bcl-2, а также ПТГрП были определены с помощью количественной ПЦР-РВ. Доказано, что апоптоз хондроцитов пластин роста регулируется механическим растягивающим напряжением. Соответствующее растягивающее напряжение может эффективно способствовать пролиферации и дифференцировке клеток, в то время как чрезмерный стрейч-стресс тормозит пролиферацию и дифференцировку клеток и даже способствует их апоптозу. ПТГрП играет важную роль в этом процессе.

Циклическое растягивающее напряжение фиброхондроцитов ахиллова сухожилия миниатюрной свиньи Гуйчжоу индуцировало изменение экспрессии мРНК коллагена I, II и X типов. При низком циклическом растяжении возрастала экспрессия гена ПТГрП, коллагена I и II типов, а при высоком механическом напряжении возрастала экспрессия гена Ihh и коллагена X типа. Экспрессия мРНК ПТГрП изменялась дифференцированно в зависимости от продолжительности и степени циклической деформации клеток, что свидетельствует о модулирующем влиянии механического напряжения на продукцию ПТГрП фиброхондроцитами. Под воздействием ингибитора Ihh циклопамина экспрессия мРНК ПТГрП значительно снизилась как и продукция коллагена I и II типов, а экспрессия гена коллагена X типа увеличилась. Таким образом, ПТГрП может играть важную роль в дифференцировке фиброхондроцитов, косвенно участвуя в образовании и восстановлении энтезов (Han X., et al., 2014). Ihh и ПТГрП регулируют пролиферацию и дифференциацию фиброхондроцитов в энтезах сухожилия стимулированную механическим воздействием через сигнальный путь Ihh – ПТГрП. В последующей работе этих же авторов представлены новые данные о ключевой роли сигнального пути Ihh – ПТГрП в регулировании развития фиброхондроцитов в энтезах (Han X., et al., 2016). Показано, что Ihh синтезируется передними гипертрофическими хондроцитами волокнистого хрящевого слоя в энтезах. Через аутокринную и паракринную секрецию Ihh взаимодействует с трансмембранными рецепторами Ihh на фиброхондроцитах во время стадии G0/G1 в поверхностном слое волокнистого хрящевого слоя для регуляции и индуцирования пролиферации и дифференцировки фиброхондроцитов и увеличения синтеза ПТГрП. ПТГрП ингибирует гипертрофическую дифференциацию хондроцитов в волокнистой хрящевой зоне энтеза, а также синтез Ihh в передних гипертрофических хондроцитах в волокнистом хрящевом слое.

Передача сигналов Ihh-ПТГрП является важным регулятором пролиферации и дифференцировки фиброхондроцитов в энтезах. Сигнал Ihh контролирует дифференцировку фиброхондроцитов в тканях через ПТГрП для развития гипертрофии и созревания фиброхондроцитов, тогда как ПТГрП индуцирует пролиферацию фиброхондроцитов, но ингибирует дифференцировку и созревание. Сигналы Ihh и ПТГрП сосуществуют в энтезах, образуя сигнальный путь, чтобы интерактивно регулировать пролиферацию и дифференцировку фиброхондроцитов через петлю отрицательной обратной связи, обеспечивая физиологический процесс энтохондростоза, поддерживая баланс роста и дифференциации волокнистого хрящевого слоя и тем самым защищая физиологические функции энтезов.

Известно, что экспрессия гена ПТГрП индуцируется механическим воздействием на различные ткани. (Chen X., et al., 2007; Chen X., et al., 2005; Tanaka N., et al., 2005). Механическая регуляция экспрессии ПТГрП имеет место в суставном хряще как в эмбриональной так и во взрослой жизни. Chen X., et al., (2008) в экспериментах на мышах показали, что у растущих и взрослых грызунов экспрессия ПТГрП в суставных хондроцитах индуцируется нагрузкой, а разгрузка связана с быстрыми изменениями экспрессии ПТГрП и суставной дифференцировки хондроцитов. Связанные с разгрузкой изменения экспрессии ПТГрП и дифференциация хондроцитов в суставном хряще, были очень быстрыми, не прогрессирующими и не приводили к дегенеративным результатам. Поскольку известно, что физиологические физические воздействия являются анаболическими, а не катаболическими для суставного хряща (Brandt K.D. 2003; Carter D.R., et al., 2004), анализируемые экспериментальные данные, скорее всего, отражают последствия отсутствия физиологической нагрузки.

Сообщалось также, что нагрузка индуцирует экспрессию Ihh (Wu Q-Q., et al., 2001; Tang G.H., et al., 2004), предполагая, что разгрузка может уменьшить экспрессию Ihh, а также ПТГрП. В зрелом суставном хряще, первичный регуляторный ПТГрП-стимул индуцируется механическим. Таким образом, регуляторная система ПТГрП-Ihh, влияющая на дифференцировку хондроцитов, по-видимому, превосходит любой потенциальный независимый механический эффект на экспрессию Ihh в суставном хряще. Необычным аспектом Ih сигнализации в этих экспериментах было отсутствие экспрессии ПТГрП при выраженном увеличении экспрессии Ihh, представляющего расцепление паттерна экспрессии Ihh-ПТГрП, который типизирует регуляцию роста хондроцитов (Chen X., et al., 2008). Сигнализация Ihh-ПТГрП, по-видимому, полностью развернута в молодых суставных хондроцитах, и эта система регулирования, вероятно, особенно актуальна при защите образования суставов в комбинаторном смысле, поскольку Ihh стимулирует пролиферацию недифференцированных хондроцитов, фланкирующих сустав, тогда как ПТГрП обычно служит для предотвращения выхода этих клеток из клеточного цикла. В отличие от этого, в зрелом суставном хряще, ось Ihh-ПТГрП, по-видимому, находится под регулятивным контролем механической нагрузки, причем основным эффекторным компонентом является ПТГрП-индуцированный дифференцировочный каскад хондроцитов (Chen X., et al., 2008).

Утверждается, что в той степени, в которой ось Ihh-ПТГрП может регулировать поддержание суставных хондроцитов у людей, эта система может иметь отношение к патогенезу минерализующих и/или дегенеративных форм заболеваний суставов (Zhang Y., et al., 2007; Goldring M.B., 2000; Sandell L.J., Aigner T. 2001; Drissi H., et al., 2005). Сообщалось, что уровень ПТГрП повышен как в остеоартрических, так и в ревматических суставах (Terkeltaub R., et al., 1998; Gomez-Barrena E., et al., 2004). Предполагается (Jiang J., et al., 2008), что при остеоартрите может иметь место нарушение обратной связи Ihh-ПТГрП и компенсационных механизмов ответственных за поддержание структурной организации в суставном хряще Показано также, что систематическое введение гомолога ПТГрП рекомбинантного человеческого ПТГ (1-34), может эффективно ингибировать дегенерацию хряща и аберрантное созревание хондроцитов в хирургически индуцированной мышиной модели остеоартроза (Sampson E.R., et al., 2011), а ингибирование передачи сигналов Ihh-ПТГрП может блокировать образование гипертрофических хондроцитов и ингибировать развитие остеоартроза (Ruiz-Heiland G. et al., 2012; Zhang W. et al., 2016). Однако анализ существующей информации по вопросу взаимосвязи оси Ihh-ПТГрП и патологии суставов выходит за рамки предпринятого нами обсуждения вышеобозначенной темы.