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.,

9.2. Роль паратгормон-родственного белка в формировании и регуляции эндокринных структур поджелудочной железы

Значительная экспрессия ПТГрП обнаружена в различных клетках островков Лангерганса. Этот протеин продуцируется в ß-клетках, на которых присутствуют и рецепторы к ПТГрП (Drucker D.J. et al., 1989; Asa S.L. et al., 1990; Sawada Y. et al., 2000). ПTГрП продуцируемый в панкреатических островках, увеличивает клеточную пролиферацию и секрецию инсулина, ингибирует апоптоз, (Vasavada R.C. et al., 1996; Mozar A. et al., 2014; Cebrian A. et al., 2002), а также влияет на увеличение внутриклеточного кальция в бета-клетках (Vasavada R.C. et al., 1996). Кроме β-клеток ПТГрП секретируется α-клетками, δ-клетками, а также эндокринными клетками, продуцирующими панкреатический полипептид (Drucker D.J. et al., 2011). Допускается, что ПТГрП может играть роль в нормальной регенерации островков или в дифференциации от незафиксированных клеток-предшественников, таких как канальцевый эпителий клетки. В связи с этим было сообщено, что ПТГрП экспрессируется в клетках протоков поджелудочной железы (Gaich G. et al, 1992). Сверхэкспрессия ПТГрП, а также введение ПТГрП (1-36) увеличивают пролиферацию β-клеток посредством специфической активации клетоного цикла (Kondegowda N.G. et al., 2010; Williams K. et al., 2011). Избыточная экспрессия ПТГрП в β-клетках приводит к гиперплазии панкреатических островков и инсулинопосредованной гипогликемии, которая ассоциируется с снижением апоптоза β-клеток (Cebrian A. et al., 2002). Этот эффект был также получен при введении экзогенного ПТГрП (1-36) и последующего увеличения секреции β-клетками инсулина.

Villanueva-Penacarrillo M.L., et al. (1999) оценили влияние N-концевой области ПТГрП на синтез ДНК в изолированных островках крыс. ПТГрП (1-34), в течение 48 ч стимулировал накопление тимидина в островках крыс. Этот эффект был максимально индуцирован примерно в 2,5 раза по сравнению с контролем. Напротив, пептидные домены ПТГрП (38-64) или ПТГрП (107-139) не вызвали увеличения синтеза ДНК в островках. Используя обратную транскрипцию с последующей ПЦР, авторы подтвердили, что крысиные островки экспрессируют ПТГрП и рецептор ПТГ/ПТГрП первого типа. Добавление нейтрализующего анти-ПТГрП антитела к инкубационной среде пролиферирующих островков уменьшило синтез ДНК в островках на 30 %. Влияние ПТГрП (1-34) на синтез ДНК в островках крыс было отменено, ингибитором протеинкиназы C, но не зависело от ингибитора протеинкиназы А. Было также установлено, что ПТГрП двукратно увеличивал поступление инсулина в культуральную среду изолированных островков в течение 24–48 часов. Эти результаты показывают, что ПТГрП является модулятором роста и/или функционирования островков поджелудочной железы с помощью механизма, опосредованного протеинкиназой C.

Продемонстрировано (Wu T.L. et al., 1996), что один из зрелых секреторных доменов ПТГрП, так называемый midregion, вызывал увеличение уровня цитозольного кальция в бета-клеточной линии поджелудочной железы. Повышенный уровень цитозольного кальция также отмечался в клетках инсулиномы, поддерживая представление о том, что ПТГрП не только секретируется клетками поджелудочной железы, но также может выполнять аутокринную или паракринную роль в самих островках (Drucker D.J. et al., 1989). ПТГрП увеличивает экспрессию инсулина в хорошо дифференцированных бета-клетках через путь cAMP и стимулирует рост в растущих бета-клетках (Sawada Y. et al., 2001). Полноразмерный ПТГрП (1-139), а также амино-терминальный ПТГрП (1-36) могут усилить пролиферацию бета-клеток человека и секрецию инсулина, стимулированную глюкозой, в человеческих островках Лангерганса in vitro (Kondegowda N.G. et al., 2010). Экспрессия ПТГрП увеличивается при инсулиномах (Drucker D.J. et al., 1989; Asa S.L. et al., 1990; Sawada Y. et al., 2000).

Пептидный домен ПТГрП (1-36) добавленный экзогенно in vitro увеличивал пролиферацию (Vasavada R.C. et al., 2007) и улучшал выживаемость бета-клеток in vivo на фоне введения животным стрептозотоцина (Cebrian A. et al., 2002). Кроме того, ПТГрП (1-36) также усиливает функцию бета-клеток, увеличивает синтез ДНК и секрецию инсулина в островках поджелудочной железы а также стимулированную глюкозой секрецию инсулина в бета-клетках грызунов in vitro (Villanueva-Penacarrillo M.L. et al., 1999; Sawada Y. et al., 2001; Zhang B. et al., 2003). Аналогичные положительные эффекты ПТГрП (1-36) на бета-клетки зафиксированы в исследованиях in vivo. Williams K, et al. (2011) исследовали эффекты острого системного введения взрослым самцам мышей ПТГрП (1-36) в дозах 40, 80 или 160 мкг на кг массы тела или в течение 25 дней. Все три дозы ПТГрП (1-36) значительно улучшали пролиферацию бета-клеток in vivo на 25-й день, а введение 160 мкг/кг ПТГрП (1-36), увеличивало пролиферацию уже в 5-й день. Важно, что две более высокие дозы ПТГрП (1-36) вызвали значительное (на 30 %) увеличение массы бета-клеток. ПТГрП (1-36) не вызывал гиперкальциемии и не изменял количество островков, размер бета-клеток, гибель бета-клеток или экспрессию маркеров дифференцировки. Анализ белков клеточного цикла островков G1/S показал, что на фоне хронического переизбытка ПТГрП (1-139) в бета-клетке значительно увеличивался активатор клеточного цикла cyclin D2 и уменьшался уровень ингибитора циклин-зависимой киназы 4 (p16 Ink4a), Таким образом было продемонстрировано, что острое системное введение ПТГрП (1-36) активирует пролиферацию и увеличивает массу бета-клеток грызунов без отрицательного влияния на их функцию или выживаемость. Эти данные подчеркивают будущую потенциальную терапевтическую эффективность этого пептида в патофизиологических условиях, связанных с диабетом (Williams K. et al., 2011).

Mozar А. et al. (2016) изучали регенеративный потенциал ПТГрП in vivo в модели дефицита бета-клеток после частичной панкреатэктомии у мышей. Оценивали влияние системного введения пептида ПТГрП (1-36) в различные сроки после панкреатэктомии. Введение ПТГрП (1-36) существенно увеличило естественную регенерацию бета-клеток у панкреатэктомированных мышей, ускоряя пролиферацию и увеличивая массу бета-клеток. В этих исследованиях продемонстрирован существенный регенеративный потенциал ПТГрП (1-36) для бета-клеток. В отличие от влияния на бета-клетки, ПТГрП (1-36) не увеличивал пролиферацию экзокринных клеток у мышей с частичной панкреатэктомией на 7-е, 30-е или 90 сутки введения пептидного фрагмента ПТГрП (Mozar А. et al., 2016).

Установлено, что ПТГрП (1-36) потенцирует регенерацию бета-клеток и ускоряет увеличение массы бета-клеток путем усиления их пролиферации. Авторы использовали модель регенерации бета-клеток, в которой происходит потеря как экзокринных, так и эндокринных тканей без сопровождающих вредных эффектов гипергликемии или явного воспаления (Alvarez-Perez J.C. et al., 2014). Важно отметить, что введение ПТГрП дополнительно увеличивало пролиферацию бета-клеток у мышей с панкрэктомией на 7-й и 30-й день по сравнению с ложнооперированными животными. Однако введение ПТГрП в течение 90 дней не приводило к дальнейшему увеличению пролиферации бета-клеток у панкреатэктомированных или ложнооперированных мышей. Это может быть связано с пониженной эффективностью влияния пептида или десенситизацией передачи сигналов ПТГ/ПТГрП-рецепторами в бета-клетках на фоне длительного введения ПТГрП (Guo J. et al., 1997; Vilardaga J.P. et al., 2011).

Гистоморфометрический анализ в разные сроки наблюдения показал значительно меньшее количество островков Лангерганса на единицу площади поджелудочной железы у мышей с частичной панкреатэктомией не получавших инъекции ПТГрП (1-36) по сравнению с животными, которым вводили этот пептид, что указывает на усиленную регенерацию бета-клеток в этой группе мышей. Введение ПТГрП в течение 90 дней не вызвало значительного изменения количества небольших островков, которые рассматривались, как вновь образованные островки (Bonner-Weir S. et al., 2010). Это может означать, что ПТГрП не влияет на неогенез, как и ожидалось в этой модели панкреатэктомии, в которой показано, что пролиферация ранее существовавших бета-клеток является основным источником регенерации бета-клеток (Dor Y. et al., 2004). Возможно, что ПТГрП может увеличить количество маленьких островков в начале введения пептида, а на 90-й день разница уже не очевидна. Однако это маловероятно поскольку введение ПТГрП (1-36) в течение 25 дней не влияло на количество небольших островков у нормальных мышей (Williams K. et al., 2011). Важно отметить, что увеличение пролиферации бета-клеток, вызванное ПТГрП (1-36) на ранней стадии введения пептида, привело к значительному увеличению массы бета-клеток у панкреатэктомированных мышей получавших пептид по сравнению с панкреатэктомированными мышами получавшими вместо ПТГрП инъекции растворителя. Это указывает на что ПТГрП (1-36) действительно является индуктором регенерации для бета-клеток. ПТГрП является регенеративным фактором для многих других тканей и типов клеток. В цитируемом исследовании в качестве дополнительной мишени для регенерации, индуцированной ПТГрП, добавляются панкреатические бета-клетки.

Полноразмерный ПТГрП (1-139), а также N-терминальный ПТГрП (1-36) могут усилить пролиферацию бета-клеток человека и секрецию инсулина, стимулированную глюкозой, в человеческих островках in vitro (Kondegowda N.G. et al., 2010). Основываясь на регенеративном эффекте ПТГрП у мышей с частичной панкреатэктомией и данных о пролиферативном эффекте ПТГрП у нормальных мышей в базальных условиях (Williams K. et al., 2011), а также результатах исследований подтвердивших увеличение функции бета-клеток человека и их репликации, индуцированной ПТГрП (1-36) в культуре (Kondegowda N.G. et al., 2010), констатируется, что ПТГрП (1-36) является перспективным пептидом для индуцирования пролиферации и регенерации бета-клеток (Mozar А. et al., 2016), который с учетом расширенных функциональных эффектов ПТГрП (1-36) на бета-клетки может обеспечить полезную терапевтическую стратегию для увеличения функциональной массы бета-клеток в условиях диабета.

Возможную роль ПТГрП в панкреатических клетках исследовали с использованием RIP-ПТГрП трансгенных мышей, сверхэкспрессирующие ПТГрП в ß-клетках островков, полученных с использованием промотора крысиного инсулина II (RIP). У этих RIP-ПТГрП мышей наблюдалась гиперплазия островковых клеток, значительная гипогликемия как при голодании, а также неадекватная гиперинсулинемия (García-Ocaña A. et al., 2001). Поскольку при создании трансгенных мышей использовали полноразмерный ПТГрП (1-141), эти эксперименты не дают информации о том, какая из нескольких секреторных форм белка отвечает за гиперинсулинемию и наблюдаемую гиперплазию островков. Увеличение массы островков (в 2 раза) наблюдалось у мышей RIP-ПТГрП в возрасте 12 недель и увеличивалось (в 3–4 раза) к возрасту 12 месяцев. Как увеличение числа ß клеток в островке, так и увеличение общего количества островков способствуют увеличению массы островков у этих мышей. Увеличение массы островков у RIP-ПТГрП трансгенных мышей, по-видимому, не является следствием увеличения скорости пролиферации ранее существовавших ß-клеток островка а, повышенная масса островка у этих мышей скорее всего, связана с уменьшением нормальной скорости ß-клеточного обновления или апоптоза и/или усиленного неогенеза (Porter, S.E. et al.1998). У RIP-ПТГрП трансгенных мышей, сверхэкспрессирующих полноразмерный ПТГрП (1-139) в бета-клетке, выявлена гиперинсулинемия, гипогликемия, гиперплазия бета-клеток из-за повышенной пролиферации, что приводит к увеличению массы бета-клеток. Эти трансгенные мыши устойчивы к индуцированному стрептозотоцином диабету. В соответствии с этим, ß-клетки RIP-ПТГрП трансгенных мышей также были более устойчивы к цитотоксическим эффектам высоких доз стрептозотоцина. Трансгенные мыши RIP-ПТГрП остались относительно субгликемическими, в отличие от их обычных однопометников, у которых развивался тяжелый диабет после инъекций стрептозоцина. Гистологически устойчивость к диабетогенным эффектам стрептозоцина по-видимому, приводит, по крайней мере частично, от индуцированной ПТГрП резистентности к стрептозоцин-опосредованной гибели β-клеток (Fujinaka Y. et al., 2004; Vasavada R.C. et al., 1996; 2000).

Трансгенная избыточная экспрессия ПТГрП, или мышиного плацентарного лактогена типа 1 (mPL1) в β-клетках поджелудочной железы приводит к гиперплазии островков либо через длительную выживаемость β-клеток, либо через увеличение β-клеточной пролиферации и гипертрофии. Для определения того, могут ли два белка оказывать дополнительное, аддитивное или синергическое действие на массу и функцию островков при одновременной сверхэкспрессии в β-клетках in vivo, мышей RIP-ПТГрП и RIP-mPL1 скрестили, чтобы генерировать мышей, дважды трансгенных для ПТГрП и mPL1. У этих дважды трансгенных мышей отмечалась гиперплазия островков (втрое), гипогликемия, повышенная пролиферация β-клеток (втрое) и устойчивость к диабетогенному и цитотоксическому эффектам стрептозотоцина по сравнению с контрольными животными. Хотя фенотип дважды трансгенных мышей не был ни аддитивным, ни синергетическим по отношению к их однотрансгенным аналогам, он действительно был взаимодополняющим (Fujinaka Y. et al., 2004).

Установлено, что ПТГрП увеличивает содержание и уровень мРНК инсулина в культивируемой мышиной линии β-клеток, MIN6. Zhang B. et al. (2003) исследовали механизм индуцированной ПТГрП экспрессии инсулина. Эффект ПТГрП был значительно усилен SB203580 – специфическим ингибитором пути p38-MAPK, и сам SB203580 существенно увеличивал экспрессию инсулина, даже без ПТГрП. Поскольку SB203580 ингибирует как NH2-терминальные киназы p38, так и c-jun (JNKs), авторы показали, что JNK-специфический ингибитор SP600125 также увеличил содержание инсулина и уровень его мРНК. ПТГрП индуцировал дефосфорилирование JNK1/2, Полагают, что двойные специфические MAP-киназные фосфатазы (MKP) могут быть вовлечены в индуцированную ПТГрП экспрессию инсулина, инактивируя JNK1/2. Секреция инсулина, индуцированная ПТГрП, блокировалась ингибитором экспрессии MKP-1 Ro-31-8220, что указывает на то, что ПТГрП индуцирует экспрессию инсулина посредством активации MAP-киназной специфической фосфатазы-1, которая дефосфорилирует c-Jun NH2-терминальную киназу в β-клетках поджелудочной железы. Еще одна особенность RIP-ПТГрП мышей заключается в том, что, несмотря на существенное продуцирование ПТГрП системная гиперсекреция ПТГрП у них не возникает и гиперкальциемия не развивается. Это интересно, потому что ПТГрП четко сортируется по выделенному секреторному пути (Philbrick W.M. et al., 1996; Wysolmerski J.J., Stewart A.F., 1998; Deftos L.J. et al., 1993), колокализуется с инсулином в островковых клетках и секретируется в ответ на воздействия стимулирующие секрецию инсулина (Plawner L.L. et al., 1995).

В 1993 году Ishida H. et al. (1993) сообщили, что у больных диабетом 2-го типа выявляются более высокие уровни ПТГрП в сыворотке, чем у лиц без диабета. Однако в этом исследовании не проводились тесты стимуляции, чтобы продемонстрировать, выделяется ли ПТГрП из поджелудочной железы в ответ на инсулининдуцирующие средства, такие как глюкоза или кальций. Авторы предположили, что повышенные уровни ПТГрП могут играть компенсаторную роль в гомеостазе кальция у пациентов с диабетом. Shor R. et al. (2006) исследовали влияние двух стимуляторов секреторных процессов – глюкозы и кальция на продукцию инсулина и ПТГрП. Они сообщили, что после пероральной нагрузки глюкозой ПТГрП и инсулин росли параллельно, хотя такой ответ не наблюдался в отношении кальция. Более того, они обнаружили значительные различия в уровнях ПТГрП в сыворотке крови, особенно у пациентов с диабетом типа 2, типа 1 по сравнению с контрольной группой здоровых лиц.

Legakis I., Mantouridis T. (2009) исследовали инсулинотропные эффекты ПТГрП у больных диабетом 2 типа и у нормальных субъектов в состоянии голодания. Для этого авторы определяли уровни ПТГрП, инсулина и С-пептида. ПТГрП статистически значимо коррелировал с глюкозой у лиц с диабетом 2 типа и у нормальных субъектов в состоянии голодания. Уровни ПТГрП в сыворотке крови были значительно выше при диабете 2 типа по сравнению с контрольными субъектами. Интересно, что положительная корреляция содержания ПТГрП с уровнями инсулина наблюдалась только среди здоровых людей, но не имела места у больных диабетом 2 типа. Резюмируя вышесказанное можно эаключить, что ПТГрП содержится в ткани поджелудочной железы, где его продукция регулируетсяв ответ на секрецию инсулина. Представленные данные демонстрирует новые аспекты аутокринной/паракринной роли ПТГрП в островках Лангерганса и показывают, что ПТГрП может быть использован в терапевтических стратегиях, направленных на увеличение массы и функции β-клеток (Legakis I., 2009). В частности, этот пептид может оказаться эффективным средством улучшения выживаемости трансплантата островков при диабете 1-го типа.