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.,

10.4. Роль паратгормон-родственного протеина в развитии легких

Для того, чтобы охарактеризовать участие ПТГрП в развитии легких необходимо упомянуть ряд моментов существующих представлений о морфогенезе респираторной системы. Инициация легочного морфогенеза из эпителиальной выстилки передней кишки осуществляется интеграцией сигналов и координацией транскрипции с участием генов HNF-3, Shh, Ptc, Gli2, Gli3, Nkx2.1. Последующие ранние события, затрагивающие не только первичное ветвление трахеи, но и организацию событий вторичного и четвертичного ветвления, а также легочный ангиогенез, базируются на реципрокных мезенхимно-эпителиальных и эпителиально-мезенхимных сигналах, обеспечиваемых морфогенами и факторами роста. Морфогены определяются как молекулы, которые диффундируют от их источника и дают позиционную информацию окружающим клеткам на основе их локальных концентраций (Minke van Tuyl, Martin Post, 2000).

В качестве морфогена может выступать секретируемая сигнальная молекула Sonic hedgehog (Shh).Shh отвечает за формирования паттерна многих органов в том числе и легких (Litingtung Y. et al., 1998). Каскад Shh-сигнализации является критическим для формирования паттерна ранней респираторной системы. В развивающихся легких мышей экспрессия Shh обнаруживается в трахеальном дивертикуле, пищеводе и позднее в энтодерме трахеи и легких. Ген Shh экспрессируется на низком уровне во всем эпителии и на высоком уровне в растущих дистальных почках.

Избыточная экспресия Shh ведет к гибели вскоре после рождения, обусловливает отсутствие функциональных альвеол и увеличение интерстициальной ткани в результате усиленной пролиферации как эпителиальных, так и мезенхимных клеток (Bellusci S. et al., 1997). Подавление функции Shh ведет к редукции ветвления в культуре эмбриональных легких крыс. Секретируемый Shh действует на соседние фибробласты путем связывания patched (Ptc) трансмембраннго рецептора. В ответ на связывание Shh Ptc высвобождает ген сегментной полярности smoothened (Smo). Затем Smo активирует белки Gli в качестве транскрипционных факторов. Транскрипционные факторы, Gli1, Gli2 и Gli3, участвуют в трансдукции сигнала Shh. Все три экспрессируются на высоком уровне в дистальной мезодерме. Избыточная экспрессия Shh в легких обусловливает усиление экспрессии gli1, но не gli2 и gli3 (Grindley J.C. et al., 1997). Следовательно, Shh-Ptc-Gli1 путь обеспечивает формирование раннего паттерна легких (Minke van Tuyl, Martin Post., 2000).

Уже давно признано, что развитие легких происходит при участии растворимых паракринных факторов роста, которые опосредуют эпителиально-мезенхимальные взаимодействия. Эти сигналы двунаправлены (Adamson I.Y. et al., 1991), а самые ранние известные сигналы происходят из эпителия (Sorokin S., 1965). Rubin L.P. et al. (1994) идентифицировали продукцию ПТГрП альвеолярными клетками типа II плода крысы в гландулярной фазе развития эмбрионального легкого. ПТГрП стимулировал дифференцировку клеток типа II косвенно путем стимуляции фетальных фибробластов легких. ПТГрП стимулировал созревание фибробластов через рецептор-опосредованную передачу сигнала, включающую активацию цAMP-зависимого пути передачи сигналов протеинкиназы A и инозитолфосфата.

Стимуляция этого сигнального пути приводит к дифференциации клеток соединительной ткани альвеолярной стенки, характеризующейся повышенной экспрессией специфических ядерных транскрипционных факторов и их последующих сигнальных целей: белка связанного с дифференцировкой адипоцитов (ADRP) и лептина. ADRP необходим для производства поверхностно-активных веществ (Schultz C.J. et. al., 2002), а лептин стимулирует дифференцировку клеток альвеолярного типа II (Torday J.S. et al., 2002). ПТГрП может влиять на клеточный состав альвеол по крайней мере двумя способами: во-первых он ингибирует рост фибробластов легких (Rubin L.P.,. Torday J.S., 2000; Li X., Drucker D.J., 1993), что может объяснять истончение альвеолярной стенки и во-вторых стимулирует дифференцировку клеток соединительной ткани в эпителиальные клетки типа II лептином (Torday J.S., 1992). ПТГрП ингибирует дифференцировку миофибробластов, ингибируя Gli1 (Kaesler S., et al., 2000), первую мишень в конститутивном мезодермальном пути Wingless/int (Wnt) (Te K.G., Reggiani C., 2002).

Влияние ПТГрП на цитоархитектуру мезенхимальных и эпителиальных компонентов легкого зависит от паракринных взаимодействий между эпителием и мезенхимой (Rubin L.P. et al., 1994; Torday J.S. et al., 1998; 2002), опосредованных с помощью ПТГрП-рецептор-протеинкиназа А-зависимого пути (Rubin L.P. et al., 1994), ведущего от эпителия к мезенхиме и обратно в эпителий (Torday J.S., et al. 2002). Легочный альвеолярный липофибробласт впервые был выявлен в 1970 году. С тех пор было определено его развитие, структура, функции и молекулярные характеристики. Его способность активно поглощать, хранить и осуществлять «трафик» нейтрального липида для защиты альвеолы от оксидативных повреждений и для активного снабжения субстратом для производства поверхностно-активного вещества легкого дала возможность идентифицировать ряд специализированных функций этих стратегически расположенных клеток, а именно, сигнализация, связанная с ПТГрП, экспрессия белка, связанного с дифференцировкой адипоцитов, лептина, рецептора активатора пролифератора пероксисом и рецептора простагландина Е2, которые все индуцируются растяжением клеток, объясняя, как и почему происходит образование поверхностно-активного вещества для согласования вентиляции и перфузии (Torday J.S., Rehan V.K., 2016).

Процесс альвеолярной дифференциации во многом определяется гормонально-регулируемым паракринным механизмом (Smith B., Post M., 1989), который зависит от взаимодействия между эпителиальной клеткой типа II и мезенхимным фибробластом. Для дифференцировки альвеолярного ацинуса необходим ПТГрП (Rubin L.P. et al., 2004). Клетки типа II продуцируют ПТГрП (Torday J.S. et al., 1998), который способствует дифференцировке мезенхимы в липофибробласты способом, аналогичным дифференцировке адипоцитов, включая экспрессию ключевых адипоцитарных ферментов, поглощение, хранение и секрецию триглицеридов (McGowan S., Torday J.S., 1999). Эти липофибробласты, индуцированные ПТГрП, затем, производят растворимый фактор роста, который стимулирует синтез фосфолипидов и протеин-B сурфактанта клетками типа II (Rubin L.P., et al., 1994; Torday J.S., et al., 1998). Torday J.S., et al. (2002) исследовали роль лептина в качестве фактора роста липофибробластов, который может стимулировать развитие лёгкого. Роль лептина в качестве паракринного медиатора взаимодействия клеток-фибробластов легкого типа II, приводящая к синтезу поверхностно-активных веществ была подтверждена результатами экспериментов. Показано, что лептин и его рецептор экспрессируются фибробластами легкого эмбриона крысы и клетками типа II, соответственно, до начала созревания клеток типа II, начиная с E19-E20, а экспрессия лептина контролируется как эндокринно, так и паракринно. Лептин стимулирует как продукцию фосфолипидов, так и синтез белка поверхностно-активного вещества клетками II типа с помощью ПТГрП-зависимого сигнального пути. Антагонист ПТГ/ПТГрП-рецептора ингибировал повышающую регуляцию экспрессии лептина в эксплантационной культуре, а антитела к лептину блокировали ПТГрП-индуцированную стимуляцию экспрессии поверхностно-активного фосфолипида и белка. Установлено, что ПТГрП регулирует экспрессию лептина незрелыми фибробластами легкого и что лептин взаимодействует с его рецептором на клетке эпителиального типа II, стимулируя синтез фосфолипида поверхностно-активного вещества эпителиальных клеток (Torday J.S., Rehan V.K., 2002) и экспрессию белков поверхностно-активного вещества (Torday J.S. et al., 2002), таким образом формируя паракринный механизм для индуцированного ПТГрП созревания легких. Лептин опосредует связанную с ПТГрП паракринную стимуляцию созревания легкого плода.

ПТГрП индуцирует дифференцировку мезодермальных фибробластов путем стимуляции цАМФ (Rubin L.P. et al., 1994). цАМФ-протеинкиназа А-зависимый путь стимулирует дифференцировку альвеолярных интерстициальных фибробластов(AIF) с помощью регулирующего PPARγ (Rehan V.K., Torday J.S., 2003) и экспрессии нижележащих фенотипических генов для фибробластов и дифференцировки клеток типа II. Снижение сигнала ПТГрП, которое возникает из-за недоношенности (Speziale M.V. et al., 1998), повреждения ткани легкого (Rehan V.K., Torday J.S. 2003; Torday J.S. et al., 2003), курения матери (Rehan V.K., et al., 2005), может привести к трансдифференцировке миофибробластов (Torday J.S., et al., 2003).

Развитие легкого плода происходит при участии легочной жидкости, которая расширяет альвеолярный ацинус, образуя «пузырьковый» шаблон для формирования его структуры и функции (Alcorn D. et al., 1997; Moessinger A.C. et al., 1990). Растяжение ацинуса стимулирует рост и дифференциацию как эпителиальных, так и мезенхимных клеток стенки альвеолярной перегородки при подготовке к воздушному дыханию после рождения. Особое значение для адаптации легких к послеродовому функционированию имеет синтез и секреция легочного поверхностно-активного вещества клетками альвеолярного типа II.

McCray et al. (1992) показали, что эксплантаты крысиного легкого выделяют жидкость в развивающихся альвеолах, предлагая модель для изучения функциональной взаимосвязи между растяжением альвеолярной жидкости, повышением регуляции экспрессии ПТГрП клетками II типа и стимуляцией ее паракринных мишеней.

Процесс нормального развития легкого эмбриона плода зависит от «мягкого» растяжения его ткани жидкостью, что приводит к продукции легочного поверхностно-активного вещества, которое необходимо для выживания во время рождения. Механическое растяжение легочной ткани инициирует цикл клеточной дифференциации, частично путем стимулирования экспрессии и продуцирования растворимых цитокинов, специфичных для фенотипа клеток (Torday J.S. et al., 1998). Легочные цитокины регулируют дифференцировку и метаболическую функцию соседних клеток. Так тоническое растяжение альвеолярных эпителиальных клеток типа II в монослойной культуре стимулирует экспрессию и продуцирование ПТГрП, который специфически связывается с его рецептором на смежных фибробластах, стимулируя образование цAMP. Эта мехонотрансдукция обеспечивает взаимодействие ПТГрП с его рецептором при развитии терминальных дыхательных путей. ПТГрП стимулирует специфические функции фибробластов легких плода путем усиления связывания глюкокортикоидов, увеличения метаболических активностей, непосредственно связанных с синтезом сурфактанта, стимуляции цитокинов IL6 и IL11 которые могут действовать ретроградным образом на эпителиальные клетки тем самым увеличивая синтез поверхностно-активных фосфолипидов и связанных с поверхностно-активными веществами белков. Экспериментальное прерывание этого механизма на любой из этих стадий блокирует спонтанное созревание легкого in vitro, о чем свидетельствует ингибирование образования сурфактанта.

ПТГрП является важным модулятором морфогенеза легкого и секреции сурфактанта. Gao Y., Raj U.J. (1999) при исследовании специфичности ПТГрП как легочного дилататора у плода и новорожденного использовали кольца легочных артерий, вен и бронхов от эмбрионов и новорожденных. В артериальных и венозных сосудах ПТГрП вызывал значительно большую релаксацию препаратов легочных вен, чем артерий. По сравнению с эмбрионами, у новорожденного наблюдалось большее ПТГрП-индуцированное расслабление легочного венозного препарата. Не было существенной разницы в ПТГрП-индуцированной релаксации легочной артерии новорожденного и эмбриона. Релаксация, индуцированная ПТГрП, в легочных сосудистых артериальных и венозных препаратах ингибировалась антагонистом ПТГрП ПТГрП(7-34) и ингибитором цАМФ-зависимая протеинкиназы Rp-8-бром-ПЭТ-цАМФ. Радиоиммуноанализ показал, что ПТГрП увеличивает внутриклеточное содержание цАМФ в легочной вене, но не в артерии. Эти данные показывают, что в перинатальный период ПТГрП является специфическим дилятатором для легочных сосудов, но не для дыхательных путей. Кроме того, активация цАМФ-зависимой протеинкиназы является одним из механизмов, лежащих в основе сосудорасширяющегощего эффекта ПТГрП.

В лаборатории медицинского центра по делам ветеранов ( Сан Диего, Калифорния) Hastings R.H. et al. (1997) исследовали аутокринные эффекты на рост крысиных альвеолярных клеток типа II, уменьшая в них содержание эндогенного ПТГрП. Культивируемые клетки инкубировали с антителами против ПТГрП-(1-34) (8B12) или ПТГрП-(109-141) (9H7), а также с нерелевантными антителами. Количества клеток в среде содержавшей антитела к ПТГрП, почти утроилось. Нерелевантные антитела не влияли на рост числа альвеолярных клеток типа II. Внесенние в среду культивации пневмоцитов типа II экзогенного ПТГрП-(1-34) блокировало стимулирующий рост эффект антитела 9H7. Внутритрахеальное введение антител 8B12 и 9H7 индуцировало экспрессию пролиферирующего клеточного ядерного антигена в кластерах альвеолярных клеток у крыс. Кластеризованные клетки экспрессировали поверхностно-активные апопротеины и цитокератин 19. Эти данные свидетельствуют о том, что эндогенный ПТГрП-(1-34) ингибирует пролиферацию клеток типа II in vivo и in vitro.

В развитии легких паракриновые сигналы между рудиментарными эпителиальными клетками и окружающими мезенхимальными клетками имеют решающее значение для развития ветвления дыхательных путей и ацинарной цитодифференцировки (Adamson I.Y., 1992; Shannon J.M., 1994). Чтобы проверить гипотезу о том, что ПТГрП является регулятором развития развития терминальных дыхательных путей, Rubin L.P. et al. (2004) исследовали in vivo и in vitro модели альвеолярной цитодифференцировки с использованием мышей, у которых ген, кодирующий ПТГрП, удалялся гомологичной рекомбинацией. Основываясь на предшествующих исследованиях in vitro с использованием экзогенных антагонистов ПТГрП (Rubin L.P. et al., 1994; Hastings R.H. et al., 1994, 1997; Torday J.S. et al., 2002), авторы предположили, что в легких мышей с нокаутом гена ПТГрП возможны замедленная временная последовательность мезенхимного эпителиального взаимодействия, задержка дифференцировки клеток II типа, недостаточное альвеолярное созревание и снижение активности поверхностно-активных веществ. Полученные результаты показали, что абляция экспрессии ПТГрП вызывает определенные дефекты или задержки в развитии альвеолярного эпителия и мезенхимы. Абляция гена ПТГрП связана с задержкой созревания эпителиальных и мезенхимных клеток в развивающейся альвеоле. Таким образом, эти данные показывают, что ПТГрП играет важную роль в эпителиальной цитодифференцировке и эпителиально-мезенхимной связи в развивающейся легочной альвеоле. Добавление экзогенного ПТГрП к эмбриональным культурам ткани легких мышей с нокаутом гена ПТГрП нормализовало морфологию интерстициальных клеток и образование фосфолипидов поверхностно-активных веществ. Важность ПТГрП как эндогенной регуляторной молекулы в развитии легкого млекопитающего подтверждается результатами, согласно которым абляция экспрессии ПТГрП в изолированном развивающемся легком является достаточной для нарушения нормального развития альвеолярных протоков и центроацинарных областей. Структурно-функциональный анализ ткани легкого мышей с абляцией гена ПТГрП in vivo и в культуре органов демонстрирует роль ПТГрП как регулятора развития респираторной системы у млекопитающих.

Развитие легких зависит от энтодермальной Shh сигнализации к мезодермальному пути Wingless/int/бета-катенин (Wnt/β-катенин), за которым следует передача сигналов, связанная с ПТГрП, от энтодермы до мезодермы. Torday J.S., et al. (2006) исследовали повышающее регулирование гена ПТГрП эмбрионального крысиного легкого, на понижающую регуляцию сигнального пути Sonic Hedgehog/Wnt/β-катенин для определения функциональной взаимосвязи между повышением экспрессии ПТГрП клетками типа II в реакции на растяжение жидкостью, последующей регуляцией фибробластов посредством взаимодействия с рецептором ПТГрП и сопутствующей понижающей регуляции Wnt/β-катенин-сигнального пути.

Поскольку протеинкиназа A понижающе регулирует путь Wnt/β-катенин фибробласта, ингибируя Gli1 (Kaesler S. et al., 2000), Torday J.S., et al. (2006) предположили, что сигнализация ПТГрП необходима для понижающей регуляции Wnt/β-катенина и повышения регуляции протеин киназы A для созревания липофибробласта (McGowan S.E., Torday J.S., 1997) и косвенно для созревания клетки эпителиального типа II посредством этой паракринной петли (Torday J.S., Rehan V.K., 2002) Результаты исследования позволили Torday J.S., et al. (2006) сделать вывод, что растяжение эмбриональных альвеол жидкостью действует как организующий фактор для регуляции ПТГрП и активно понижающе регулирует путь Shh/Wnt/βcatenin в ткани легкого.

При генетическом нокауте ПТГрП эмбриональное легкое обладает такими же характеристиками эпителиального и мезодермального развития, как и при сверхэкспрессии Shh (Bellusci S. et al., 1997), и в обоих случаях результирующая незрелость легких приводит к смерти во время рождения от дыхательной недостаточности. Те же самые специфические эффекты дефицита ПТГрП, вызывающие неудачное развитие легких в обеих этих моделях, могут отражать необходимость повышения уровня сигнала ПТГрП для снижения уровня Wnt/β-катенина. Снижение регуляции экспрессии эндодермального Shh клетками эпителиального типа II обеспечивает конститутивную понижающую регуляцию генов сигнального пути Shh/Wnt/βcatenin, стабилизирующую эти ключевые альвеолярные интерстициальные фенотипы.