Preview

Нефрология

Расширенный поиск

GPR91: РАСШИРЕНИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О МЕТАБОЛИТАХ ЦИКЛА КРЕБСА

https://doi.org/10.24884/1561-6274-2017-21-1-9-18

Полный текст:

Аннотация

Цикл лимонной кислоты со времени его открытия рассматривали как центральную часть метаболизма и энергетического гомеостаза клетки. Находясь главным образом в митохондриальном матриксе, некоторые из промежуточных продуктов цикла Кребса присутствуют также и в кровотоке. В настоящее время имеются свидетельства того, что метаболиты цикла Кребса играют важную роль и за пределами цикла. Так, сукцинат является внеклеточным лигандом сопряженного с G-белком рецептора, известного как GPR91, который экспрессирован в почках, печени, сердце, клетках сетчатки и, вероятно, во многих других тканях. Активация сукцинатом GPR91 вызывает целый ряд физиологических и патологических эффектов. Посредством связывания с GPR91 сукцинат участвует в регуляции кровяного давления, подавлении липолиза в белой жировой ткани, развитии васкуляризации сетчатки, гипертрофии миокарда и активации звездчатых клеток печени ишемизированными гепатоцитами. Данный обзор посвящен обсуждению этих эффектов. 

Для цитирования:


де К. Фонсека М., Агуйар К.Д., да Роча Франко Ж.А., Гинголд Р.Н., Лейте М.Ф. GPR91: РАСШИРЕНИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О МЕТАБОЛИТАХ ЦИКЛА КРЕБСА. Нефрология. 2017;21(1):9-18. https://doi.org/10.24884/1561-6274-2017-21-1-9-18

For citation:


de C. Fonseca M., Aguiar C.J., da Rocha Franco J.A., Gingold R.N., Leite M.F. GPR91: EXPANDING THE FRONTIERS OF KREBS CYCLE INTERMEDIATES. Nephrology (Saint-Petersburg). 2017;21(1):9-18. (In Russ.) https://doi.org/10.24884/1561-6274-2017-21-1-9-18

ВВЕДЕНИЕ

Еще в 1920 году Thorsten Thunberg впервые предположил, что сукцинат (янтарная кислота при физиологических значениях рН крови), дикарбо- новая кислота, образуется в процессе окисления углеводов [1]. В последующее десятилетие меха­низм окисления был изучен более подробно бла­годаря исследованиям Albert von Szent-Gyorgyi на модели грудной мышцы голубя [2]. Им была от­крыта роль сукцината как переносчика водорода при аэробном дыхании [2]. Впоследствии в кон­це 30-х годов ХХ века Krebs описал центральную часть процесса аэробного дыхания - цикл Кребса, также называемый циклом трикарбоновых кис­лот, или циклом лимонной кислоты [3]. С некото­рыми последующими дополнениями цикл Кребса остается на сегодняшний день наиболее употре­бительной биохимической моделью аэробного дыхания [4]. Соответственно на протяжении мно­гих десятилетий сукцинат рассматривали только как промежуточный продукт цикла Кребса, кото­рый считали единственным местом его синтеза.

Однако недавние исследования показали, что образование сукцината может происходить и не­ферментативным образом. Это становится возмож­ным, например, в условиях оксидативного стресса, при котором ряд ферментов цикла Кребса инги­бированы, и синтез α-кетоглутарата происходит альтернативным способом, посредством трансами- нирования. Накопление α-кетоглутарата в сочета­нии с инактивацией α-кетоглутаратдегидрогеназы, одного из ферментов цикла Кребса, способству­ет неферментативному декарбоксилированию α-кетоглутарата с образованием сукцината [5]. Сле­дует отметить, что в 1970 году Krebs указывал, что некоторые метаболиты цикла Кребса, в том числе сукцинат, могут накапливаться в межклеточном пространстве в условиях ишемии, хотя метаболи­ческие причины и последствия этого на тот момент не были полностью ясны [6]. Недавно (2014 г.) Chouchani и соавт. описали механизм повышения экстрацеллюлярной концентрации сукцината при ишемии (рис. 1).

Исследования с использованием изотопной 13С-метки показали, что в этих условиях сукцинат генерируется не из глюкозы, глутамата, жирных кислот и γ-аминомасляной кислоты (GABA-шунт) как при нормоксии, а из иных источников. Более того, авторы нашли, что инфузия диметилмалоната, предшественника малоната и конкурентного ингибитора сукцинатдегидрогеназы, снижает на­копление сукцината, а также продемонстрировали, что повышение содержания сукцината при ише­мии происходит вследствие обратимости действия сукцинатдегидрогеназы, восстанавливающей фумарат (образующийся за счет функционирования малат аспартатного челнока и цикла пуриновых нуклеотидов; оба этих пути активируются в усло­виях ишемии) до сукцината [7, 8] (см. рис. 1). Та­ким образом, образование в митохондриях сукцината - важного промежуточного продукта цикла Кребса - может происходить несколькими спосо­бами. В условиях недостаточного кровоснабжения концентрация сукцината в крови возрастает; при этом сукцинат образуется за счет биохимических путей, не относящихся к циклу Кребса.

Накопившийся в митохондриальном матрик­се сукцинат способен перемещаться в цитозоль при помощи транспортеров дикарбоновых кислот внутренней мембраны митохондрий. На сегод­няшний день к таковым относят транспортер сукцинат фумарат/малат SLC25A10 (10-й член 25-го семейства мембранных транспортеров). Вторая фаза переноса, во время которой сукцинат про­ходит сквозь внешнюю мембрану митохондрий, происходит за счет поринов, белковых каналов, обеспечивающих не специфический транспорт веществ с молекулярной массой до 1,5 кДа. На­конец, существует механизм быстрого выведения сукцината из цитозоля в кровоток. Транспортер, белок, называемый INDY (от I’m Not Dead Yet = Я еще не умер; название дано благодаря тому, что снижение экспрессии этого белка увеличивает продолжительность жизни лабораторных живот­ных), является натрий-независимым анионным переносчиком [9] (хотя в предыдущих исследо­ваниях его рассматривали как натрий-зависимый транспортер) [10], переносящим дикарбоновые кислоты и цитрат через клеточную мембрану.

Почему необходимо знать механизмы альтер­нативных путей синтеза сукцината и его транс­порта? Главным образом потому, что сукцинат имеет ряд функций, отличных от участия в цикле Кребса, и часть из них - которым и посвящена данная статья - обусловлены наличием рецеп­торов, сопряженных с G-белком, известных как GPR91 или SUCNR1, для которых сукцинат явля­ется специфическим лигандом [11]. После связы­вания с этими рецепторами сукцинат проявляет гормоноподобное действие в различных органах и тканях, в числе которых клетки крови, жировая ткань, печень, сердце, почки и сетчатка глаза, при­чем в почках данные рецепторы экспрессированы в наибольшем количестве [11].

Обзор строения GPR91 и профиля его экс­прессии

GPR91 - рецептор, сопряженный с G-белком, лигандом для которого является внеклеточный сук- цинат [11, 12]. На основании генетических экспери­ментов установлено, что ведущая роль в его функ­ционировании принадлежит Arg99, His103, Arg252 и Arg281. Эти аминокислоты расположены в завитках центральной части рецептора таким образом, что образуют положительно заряженную родопсино­подобную структуру, способную притягивать ион сукцината [11]. На рис. 2 показаны результаты ком­пьютерного моделирования структуры GPR91 и возможных мест связывания сукцината.

Несмотря на то, что GPR91 на 33% гомологи­чен GPR99 (рецептору, взаимодействующему с α-кетоглутаратом), при определении степени аф­финности оказалось, что сукцинат взаимодейству­ет только с GPR91, в то время как α-кетоглутарат является лигандом только для GPR99 [11]. Уста­новлено, что EC50 (полумаксимальная эффектив­ная концентрация лиганда) для пары сукцинат- GPR91 составляет 20-50 мкмоль [11]. При этом была исследована аффинность различных ве­ществ, в том числе фармакологических субстанций, а также карбоновых кислот, близких по стро­ению к сукцинату, для различных сопряженных с G-белком рецепторов. Некоторые из тестируемых соединений были способны связываться с GPR91, однако, значительно хуже, чем сукцинат [11-13]. Таким образом, установлено, что сукцинат явля­ется эндогенным лигандом для GPR91.

 

Рис. 1. Схема продукции сукцината при ишемии/реперфузии. Показано, что реверсивное действие сукцинатдегидрогеназы является основной причиной накопления сукцината при ишемии, несмотря на уменьшение, вследствие избытка НАДН, его про­дукции в регулярном цикле Кребса. Основными источниками фумарата, который затем восстанавливается в сукцинат, являются цикл пуриновых нуклеотидов (на рисунке слева) и малат-аспартатный шунт, что создает картину функционирования цикла Кребса в обратном направлении. АМФ - аденозинмонофосфат; ИМФ - инозинмонофосфат; ATP, ADP - аденозинтри- и дифосфат; GTP GDP - гуанозинтри- и дифосфат; NADH, NAD+ - никотинамидадениндинуклеотид в восстановленной и окисленной формах.

 

 

Рис. 2. Компьютерная модель структу­ры активного центра GPR91 (Website Protein Data Bank, PDB) при после­довательном (А, В, С) увеличении. Сукцинат связывается с рецептором за счет разности электростатических потенциалов (красный - отрицатель­ный заряд, синий - положительный).

 

 

Рис. 3. Взаимодействие сукцината (SUC) и GPR91 в печени. При ишемии сукцинат высвобождается гепатоцитами и связывается звездчатыми клетками, активируя последних. Ак­тивированные звездчатые клетки увеличивают экспрессию фиброгенных продуктов, таких как гладкомышечный α-актин (α-sma), TGF-β и коллаген 1-го типа.

GPR91 может взаимодействовать с различными G-белками. По данным исследований, использо­вавших токсин коклюша, GPR91 может активиро­вать как Gi -, так и Gq -белки, запуская различные сигнальные пути и обусловливая различные кле­точные эффекты. В HEK293 и MDCK (клеточ­ных культурах, полученных из почек), сукцинат, к примеру, вызывает внутриклеточное высвобож­дение кальция, образование инозитолтрифосфата, активирует внеклеточную сигнал-регулируемую киназу 1/2 (ERK 1/2) и снижает концентрацию ци­клического аденозинмонофосфата (цАМФ). Путь активации - Gi - или Gq -сопряженный - зависит только от концентрации сукцината [11]. В гемопоэ- тических стволовых клетках сигнал опосредуется исключительно Gjyo -белками и ведет к пролифера­ции клеток за счет активации ERK 1/2 [14]. В кардиомиоцитах сукцинат увеличивает, а не снижает концентрацию цАМФ, что приводит к активации протеинкиназы А (PKA) и заставляет предполо­жить, что GPR91 может также взаимодействовать с Gs -белком [15]. Наличие разнообразных вну­триклеточных сигнальных путей, активируемых GPR91, свидетельствует о том, что гормональные эффекты сукцината могут быть чрезвычайно раз­нообразными. После запуска сигнального каскада происходит интернализация GPR91 в эндосомы. Визуализирующие исследования показали, что GPR91 находится исключительно на поверхности плазматической мембраны, а его интернализация и последующая десенситизация происходят в ре­зультате взаимодействия с лигандом [11, 12].

GPR91 впервые был обнаружен в почках, впо­следствии была показана его высокая экспрессия в печени, селезенке и кишечнике [11], а в настоящее время известно, что в организме он присутствует повсеместно как в возбудимых, так и в невозбу­димых клетках. В почках GPR91 располагаются в сосудистом русле, в особенности в афферент­ных артериолах и капиллярах клубочков. Кроме того, GPR91 экспрессируются на люминальной мембране клеток различных отделов почечных ка­нальцев: толстого восходящего отдела петли Генлетки юкстагломерулярного ап­парата (ЮГА), клетки мезангия и гладкомышечные клетки сосудов не имеют GPR91 [17]. В печени GPR91 экспрессируется исключительно в покоя­щихся звездчатых клетках [19], а в миокарде - в сарколемме и Т-канальцах кардиомиоцитов [15]. В сетчатке GPR91 преимущественно находятся в слое ганглионарных нейронов [20]. Адипоциты белой жировой ткани, гемопоэтические стволовые клетки, большинство клеток крови и иммунной си­стемы также экспрессируют GPR91. Также GPR91 найден в незрелых дендритных клетках. Таким об­разом, с 2004 года, когда GPR91 был идентифици­рован как рецептор сукцината [11], его присутствие обнаружено во многих типах клеток, что обуслов­ливает широкий спектр его функций в организме. Дополнительные сведения о роли системы сукци- нат/GPR91 в некоторых из указанных выше клет­ках и тканях будут представлены далее.

GPR91-обусловленная передача сигнала (GPR91-сигналинг) в печени

Печень является мишенью для большого коли­чества факторов роста и гормонов, которые взаи­модействуют как с гепатоцитами, так и с другими клетками печени, например, со звездчатыми клет­ками (ЗКП). Многие из этих молекул [тромбоци- тарный фактор роста (PDGF), трансформирую­щий фактор роста-бета (TGF-β) и др.] активируют ЗКП при повреждении печени. «Нетрадицион­ные» сигналы, такие как плотность клеточного ма­трикса, некоторые метаболиты и окислительный стресс, также способны активировать ЗКП. Correa и соавт. в исследовании 2007 г. предположили, что сукцинат может служить метаболическим сенсо­ром печени, расширив понимание того, как по­вреждение печени может стимулировать продук­цию сукцината и последующую активацию ЗКП [19]. В соответствии с данными Correa и соавт., ишемия-реперфузия печени грызунов in vitro при­водила к накоплению сукцината во внеклеточной жидкости, и этот феномен играл важную роль в активации ЗКП (рис. 3).

Эти же исследователи показали, что в пече­ни GPR91 экспрессированы, главным образом, в ЗКП, находящихся в состоянии покоя, а после активации ЗКП уровень экспрессии снижается. С другой стороны - Li и соавт. в 2015 г. нашли, что присутствие сукцината вызывает увеличение экс­прессии GPR91 в ЗКП с последующим двукрат­ным возрастанием степени их дифференцировки, т.е. к активации ЗКП [24].

Li и соавт. получили и другие данные, проде­монстрировав специфические молекулярные эф­фекты сукцината при активации ЗКП. В исследо­вании, использовавшем как in vitro, так и in vivo модели, было показано, что культивирование ЗКП в среде, содержащей сукцинат или ингибиторы сукцинатдегидрогеназы (малонат, пальмитат или среда с низким содержанием метионина и холи- на), вызывает увеличение экспрессии не только GPR91, но и гладкомышечного актина (α-актин), TGF-β и коллагена 1 типа, т.е. маркеров фиброген­ного ответа (см. рис. 3) [24]. С другой стороны - введение в эти клетки малых интерферирующих РНК (siRNA), нарушающих экспрессию GPR91, устраняло продукцию α-актина, вызванную сукцинатом, указывая на то, что профиброгенный ответ вызван именно стимуляцией GPR91. В исследова­ниях in vivo ЗКП, выделенные из печени мышей, страдавших гепатостеатозом вследствие диеты, бедной метионином и холином, имели повышен­ные содержание сукцината и уровень экспрессии GPR91 и α-актина. В совокупности полученные данные указывают на зависимость активации ЗКП и фиброгенеза от стимуляции GPR91 сукцинатом. Таким образом, GPR91 могут играть существен­ную роль в гомеостазе печени и являться воз­можной мишенью для терапии, направленной на модулирование печеночных функций. Например, блокирование GPR91 при трансплантации печени могло бы способствовать устранению нежелатель­ных фиброгенных реакций.

GPR91-сигналинг в сетчатке

Помимо повреждения печени, неблагоприят­ные эффекты, обусловленные активацией сукцинатом GPR91, были обнаружены и в такой тонкой и высокоспециализированной структуре, как сет­чатка глаза, имеющая обширную сосудистую сеть, которая обеспечивает ее метаболические потреб­ности [25]. При определенных условиях дисба­ланс между уровнем кровоснабжения и потребно­стью сетчатки в кислороде и питательных веще­ствах приводит к неблагоприятным последствиям в виде развития преретинальной и интравитреаль- ной неоваскуляризации. Поскольку кровоснаб­жение напрямую сопряжено с метаболическими потребностями ткани, а сукцинат накапливается при ишемии [26, 27], была исследована роль сук­цината в развитии гипоксической неоваскуляризации сетчатки. Выявлено, что в ишемизирован­ной сетчатке крыс повышается уровень сукцината в сочетании с увеличенной экспрессией GPR91, в том числе, в ганглионарных нейронах (в которых, главным образом, и локализованы GPR91 сетчат­ки) [20]. Вдобавок сукцинат-индуцированные васкуляризация сетчатки и увеличение плотности сосудов в значительной степени подавляются при помощи siRNA к GPR91. В данной работе Sapieha и соавт. показали, что роль сукцината заключает­ся в аутокринной стимуляции ганглиозных клеток сетчатки посредством связывания с GPR91 [20]. В ответ на повышение концентрации сукцината эти клетки продуцируют целый ряд ангиогенных фак­торов, в том числе, сосудистый эндотелиальный фактор роста (VEGF) вследствие специфической активации GPR91. Необходимо особо отметить, что в развитии этого эффекта не участвует инду­цируемый гипоксией фактор 1α (HIF-1α) (рис. 4).

Также сукцинат не оказывает описанного дей­ствия у крыс, имеющих малое количество ган­глионарных нейронов, что подтверждает важ­ность этих клеток для развития сукцинат- GPR91- зависимой неоваскуляризации сетчатки. В проти­воположность сукцинату семафорин 3А (предста­витель класса секретируемых и мембранных бел­ков, которые являются молекулами-проводниками для аксонального конуса роста), вероятно, по­давляет неоваскуляризацию [28]. Joyal и соавт. предположили, что эта молекула способствует деструкции капилляров и последующему форми­рованию химического барьера, препятствующе­го проникновению новообразующихся сосудов в стекловидное тело [28].

В дополнение к вышеуказанным эффектам сук­цината, Hu и соавт. показали, что в культуре клеток сетчатки RGC-5, инкубируемой в среде, содержа­щей сукцинат или большое количество глюкозы, GPR91 регулирует также продукцию VEGF [29]. Данный эффект, возможно, реализуется посред­ством ERK1/2- и JNK- (c-Jun-NH2-терминальная киназа) зависимых сигнальных путей. Недавняя работа той же группы авторов подкрепила по­лученные данные. Используя клеточную линию RGC-5, Hu и соавт. показали, что GPR91 регу­лирует секрецию VEGF и пролиферацию клеток эндотелия, активируя сигнальные пути ERK1/2 и JNK с последующей апрегуляцией экспрессии циклооксигеназы-2 (COX-2) и простагландина Е2 (PGE2). Поскольку ген COX-2 кодирует содержа­щийся в цитозоле белок, продукция которого уве­личивается при воспалении и который может спо­собствовать возникновению локальной ишемии и гипоксии, повышенный уровень экспрессии COX-2 позволяет предположить, что воспаление играет важную роль в возникновении и развитии диабетической ретинопатии [30].

Таким образом, имеются убедительные доказа­тельства того, что система сукцинат/ GPR91 явля­ется важным сигнальным путем активации неоангиогенеза в сетчатке в условиях гипоксии, и моду­лирование высвобождения VEGF при этом процес­се может являться возможной целью терапии.

GPR91-сигналинг и метаболизм

Эффекты GPR91-сигналинга на метаболизм впервые описал Sadapogan в 2007 г. На модели грызунов, страдающих диабетом, ожирением и гипертензией, было показано, что уровень цирку­лирующего сукцината у этих животных повышен по сравнению с контролем [31], однако причины такового повышения остались непонятными. У человека в противоположность грызунам ни ги­пертензия, ни диабет не ассоциируются с повы­шением концентрации сукцината в крови [31]. Причины такового расхождения до сих пор не ясны; имеются данные, что у пациентов, которым была выполнена трансплантация печени, было выявлено повышение уровня сукцината в крови через 2 ч после пересадки, которое сохранялось и через 6 ч после операции [15].

Недавно McCreath и соавт. показали, что GPR91 в значительном количестве экспрессиро­ваны в белой жировой ткани мышей и регулируют массу жировой ткани и гомеостаз глюкозы [32]. После создания клона мышей, нокаутных по гену GPR91, было обнаружено, что отсутствие сукцинатного рецептора оказывает двоякое действие на метаболизм и общую массу тела, причем при отсутствии различий между массой отдельных органов имелась заметная разница в общем коли­честве жировой ткани [32]. В условиях обычной диеты Sucnr-/- мыши имели меньшее количество белого жира, меньшие размеры адипоцитов, уве­личенное расходование энергии и лучшую пере­носимость нагрузок глюкозой. Хотя можно было бы предположить, что сниженная экспрессия GPR91 приведет к уменьшению экспрессии генов, ответственных за дифференцировку адипоцитов, устранение GPR91 не нарушило адипогенез, но имело результатом снижение накопления жира и уменьшение размеров адипоцитов. Метаболиче­ские изменения, вызванные отсутствием GPR91, были оценены путем определения скорости по­требления кислорода (VO2 тест). Как и ожида­лось, скорость потребления кислорода была выше у Sucnr-/- мышей по сравнению с контролем. На­против, диета с высоким содержанием жира у нокаутных по гену GPR91 мышей приводила к увеличенному накоплению жира, гипергликемии, уменьшенной секреции инсулина и более выра­женному повреждению гепатоцитов по сравне­нию с обычными (wild-type) животными. Таким образом, имеющиеся данные позволяют рассма­тривать GPR91 как сенсор пищевой энергии и, соответственно, как возможную мишень лечения ожирения, гипертензии и диабета.

GPR91-сигналинг в сердце

Сукцинат может оказывать как негативное, так и положительное влияние на состояние сердечно­сосудистой системы, в частности, на артериальное давление и толщину миокарда. В 2010 г. Aguiar и соавт. показали, что GPR91 экспрессированы в сар­колемме и Т-трубочках кардиомиоцитов желудоч­ков [33]. Поскольку эти рецепторы были обнаруже­ны в миоцитах сердца, а миокардиальная функция является важным детерминантом артериального давления и других аспектов сердечно-сосудистого гомеостаза, возникла необходимость изучения по­следствий стимуляции сукцинатом GPR91 сердца. Aguiar и соавт. установили, что прямая активация сукцинатом GPR91 кардиомиоцитов влияет на трансмембранный транспорт Са++. Было показано, что белки мембраны кардиомиоцитов, участвую­щие в процессе высвобождения Са++ из клетки, такие как фосфоламбан и рианодин, активируются в результате взаимодействия сукцината и GPR91. Триггером этого эффекта является аденилатциклаза и последующая активация протеинкиназы А, и в конечном итоге это приводит к апоптозу кардиомиоцитов [33], который можно предотвратить ин­гибированием протеинкиназы А. В совокупности эти данные свидетельствуют о том, что сукцинат в высоких концентрациях может приводить к ги­бели кардиомиоцитов. Таким образом, повышение уровня циркулирующего сукцината, например, в условиях ишемии может являться значимой при­чиной гибели сердечных клеток.

В дальнейшем было показано, что продолжи­тельное воздействие сукцината вызывает гипер­трофию кардиомиоцитов [15]. Поскольку акти­вация GPR91 в почках приводит к повышению артериального давления вследствие стимуляции ренин-ангиотензиновой системы (РАС) [11], воз­никает вопрос: является ли гипертрофия миокар­да, вызванная увеличением концентрации сукци- ната в кровотоке, следствием повышения среднего артериального давления (САД), или она обуслов­лена прямым влиянием сукцината на GPR91 мио­карда. Было обнаружено, что САД на фоне при­менения сукцината остается на исходном уровне в течение 2 дней, умеренно повышается к 4-му дню и возвращается к нормальным значениям к окон­чанию исследования. Это свидетельствует о том, что вызванная сукцинатом гипертрофия миокарда обусловлена не только повышением САД, но су­ществуют и другие механизмы [15]. Подтвержде­нием этого служат результаты экспериментов на грызунах, показавшие, что антагонист АТ-1 ре­цепторов ангиотензина II лозартан устраняет вы­званное сукцинатом повышение САД, но не влия­ет на наиболее показательный эхокардиографиче­ский признак гипертрофии миокарда - толщину задней стенки левого желудочка. Эти данные со­гласуются с результатами предыдущих исследова­ний, согласно которым сукцинат вызывает актива­цию РАС, но увеличение САД - не единственная причина сукцинат-индуцированной гипертрофии миокарда. Для изучения связи гипертрофии сер­дечной мышцы и активации GPR91 сукцинатом были проведены ряд экспериментов на нокаутных по GPR91 мышах. Оказалось, что увеличение тол­щины задней стенки левого желудочка происхо­дит только в контрольной группе, но не у GPR91- КО мышей. Полученные данные свидетельствуют о том, что GPR91 являются главной причиной вызванной сукцинатом гипертрофии сердца. В совокупности имеющиеся результаты позволяют утверждать, что длительное повышение уров­ня циркулирующего сукцината может вызывать гипертрофию миокарда посредством активации GPR91. При этом тот факт, что лозартан устраня­ет ряд эффектов сукцината, способствующих раз­витию гипертрофии (кроме увеличения толщины задней стенки левого желудочка), свидетельству­ет также и о том, что ремоделирование миокар­да, обусловленное сукцинатом, вызвано не только прямым действием на GPR91 кардиомиоцитов, но и влиянием сукцината на другие органы.

В экспериментах с использованием клеточной культуры неонатальных кардиомиоцитов были установлены внутриклеточные механизмы, бла­годаря которым активация GPR91 вызывает ги­пертрофию миокарда [15]. Было показано, что после связывания с GPR91 сукцинат активирует кальмодулин-зависимую киназу ΙΙδ (CaMKIK) и ERK1/2, что в итоге завершается транскрипцией генов, ответственных за гипертрофию [15] (рис. 5). Система сукцинат/ GPR91 активирует фосфолипа- зу С, которая генерирует инозитола 3,4,5-трифосфат и запускает процесс высвобождения кальция из эндоплазматического ретикулума. Повышение уровня Са++ в цитоплазме активирует CaMKIK, фосфорилирующую гистоновую деацетилазу 5, ко­торая выходит за пределы ядра клетки, что способ­ствует транскрипции ответственных за гипертро­фию генов (см. рис. 5). Наконец, GPR91 стимулиру­ет митоген-активируемую протеинкиназу (МАРК), которая фосфорилирует ERK1/2. Фосфорилированная ERK1/2 (рERK1/2) транслоцируется в ядро кардиомиоцита, где также запускает сигнальный каскад, индуцирующий гипертрофию сердца. Вполне вероятно, имеются и другие, неизвестные еще механизмы, вовлеченные в процесс гипертро­фии миокарда, обусловленный сукцинатом/GPR91.

В дополнение к данным, полученным на экс­периментальных животных, было показано, что у пациентов, перенесших ишемический эпизод трансплантированного органа, имеется повы­шение уровня циркулирующего сукцината, и эти пациенты имеют повышенный уровень маркеров гипертрофии в крови [15]. Клиническое значение этих данных нуждается в дополнительной оценке, но, по предварительному впечатлению, сукцинат может быть использован как предиктивный мар­кер гипертрофии, а также может служить потен­циальной мишенью терапии, направленной на устранение постишемической гипертрофии мио­карда, часто наблюдаемой после трансплантации.

Начатый в этой связи систематический поиск активных химических соединений по принципу структура-свойство позволил выявить вещество, способное блокировать функции GPR91 у челове­ка и крыс [13]. Соединение, известное как «4с», показало наилучший антагонистический эффект in vitro (концентрация полумаксимального инги­бирования (IC50) равнялась 7nM), а также почти на 80% уменьшало вызванное сукцинатом повы­шение САД у крыс. Другие соединения похожей структуры, обозначенные как «5g» и «7e», сохра­няли свою активность при пероральном приме­нении, что представляет перспективы для их по­следующего фармакологического использования. Следует отметить, что структура ни одного из этих соединений не имеет сходства с сукцинатом, и механизм связывания их с рецептором на сегод­няшний день не вполне понятен [12].

GPR91-сигналинг в почках и его влияние на артериальное давление

Помимо прямого влияния на сердце, приводя­щего к развитию гипертрофии миокарда, сукцинат является мощным модулятором высвобождения ре­нина. По данным He и соавт. (2004 г.), у мыщей, по­лучавших сукцинат, регистрировалось повышение артериального давления, однако механизм этого оставался неясным [11]. Работа Vargas и соавт. 2009 года прояснила причину этого явления. Накопление сукцината в канальцах нефрона активирует клетки плотного пятна и юкстагломерулярного аппара­та, способствуя высвобождению ренина, который, вызывая констрикцию периферических артерий, повышение артериального давления (АД) [17]. В этом случае сукцинат взаимодействует с GPR91, находящимися на апикальной поверхности клеток плотного пятна, что приводит к активации киназ p38 и pERK1/2, которые, в свою очередь, увели­чивают активность COX-2 и приводят к секреции PGE2. PGE2, в свою очередь, через простагландиновый рецептор EP2/4 и cAMP активирует ренинангиотензиновую систему, стимулируя продукцию и секрецию ренина клетками ЮГА. Повышение давления также происходит за счет реакции клеток почечного эндотелия, в первую очередь располо­женных в афферентной артериоле и сосудистом клубочке, где сукцинат воздействует через обширно экспрессированный GPR91, увеличивая трансмем­бранный транспорт Са2+ и высвобождение PGE2, PGI2 (простациклина 2) и NO (оксида азота), что в дальнейшем также приводит к высвобождению ре­нина в клетках ЮГА [19]. Недавнее исследование показало, что микроперфузия клубочка сукцинатсодержащим буферным раствором вызывает выброс ренина из ЮГА и дилатацию афферентной артериолы клубочка, подтверждая тем самым, что сукцинат играет важную роль в развитии клубочковой гипер­фильтрации и активации РАС.

 

Рис. 4. Активация GPR91 вызывает неоваскуляризацию сетчатки при ишемической пролиферативной ретинопатии. При гипоксии сукцинат накапливается (1) и связывается с GPR91 ганглиозных клеток сетчатки (2), что приводит к повышению продукции ангиогенных факторов (3), стимулирующих развитие новых сосудов (4) для восстановления кровоснабжения в ишемизированной сетчатке. VEGF - сосудистый эндотелиальный фактор роста, ANG 1/2 - ангиогенин 1/2.

 

 

Рис. 5. Активация сукцинатом GPR91 вызывает гипертрофию кардиомиоцитов. При увеличении концентрации сукцината в крови происходит его взаимодействие с GPR91 кардиомиоцитов, что приводит к активации по крайней мере двух внутриклеточных сигнальных путей. Во-первых, GPR91 стимулирует MEK1/2 (киназу митогенактивируемой протеинкиназы 1/2), которая фос- форилирует ERK1/2 (внеклеточную сигнал-регулируемую киназу 1/2). Фосфорилированная ERK1/2 транслоцируется в ядро, где стимулирует транскрипцию генов, ответственных за гипертрофию. Во-вторых, GPR91 активирует фосфолипазу С (PLC), что ведет к образованию инозитол-3-фосфата (IP3) и диацилглицерола (DAG). IP3 связывается со своим рецептором (IP3R), что приводит к высвобождению Са2+ из эндоплазматического ретикулума в цитоплазму. Са2+ активирует кальмодулин-зависимую киназу IIS (CaMKIIS), фосфорилирующую гистоновую деацетилазу 5 (HDAC5), которая высвобождает транскрипционный фактор миоцитов 2 (MEF2), что способствует транскрипции генов гипертрофии.

Эти данные свидетельствуют о том, что сукцинат не только играет важную роль в регуляции АД при ишемических событиях, но может также стать терапевтической целью новых методов ле­чения гипертензии. Например, пациенты с ише­мическим повреждением трансплантата могут получать антагонисты GPR91, чтобы предотвра­тить возможное повышение АД после восста­новления перфузии. Такой подход к лечению в сочетании с известными мерами профилактики послеоперационной гипертензии может снизить риск сердечно-сосудистых осложнений, ассоции­рованных с длительным повышением АД, таких как артериосклероз и аневризмы.

Перспективы, связанные с системой сукцинат/GPR91

Имеются данные, указывающие на то, что сукцинат является «тревожным сигналом», который позволяет GPR91 ощутить иммунологическую опасность и усиливает реакцию отторжения транс­плантата [21]. Как было указано выше, в крови пациентов после пересадки печени уровень сукцината возрастает [15]. Недостаточность митохондри­альной системы сукцинат-цитохром С-редуктаза - генетически обусловленное состояние, ведущее к повышению уровня сукцината в крови, требует особого внимания при проведении трансплантации органов, поскольку донор может передать данное врожденное генетическое нарушение реципиенту [34]. Это имеет принципиальное значение в случа­ях, когда донор является кровным родственником, что увеличивает риск аутосомно-рецессивных за­болеваний, таких как вышеупомянутое. Имеется свидетельство возникновения полиорганной недо­статочности после пересадки печени и кишечника от донора с недостаточностью сукцинат-цитохром С-оксидазы в педиатрической практике. Также опи­сана застойная сердечная недостаточность у боль­ного с недостаточностью сукцинатдегидрогеназы, еще одним состоянием, приводящим к повышению внеклеточной концентрации сукцината [35]. Следо­вательно, применение антагонистов GPR91 в соста­ве консервирующих растворов при трансплантации органов может быть полезным для предотвращения реакций отторжения и других осложнений.

Таким образом, сукцинат может служить кли­ническим маркером ишемии, и повышение его уровня в крови при трансплантации органов должно быть исключено.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

После открытия около 10 лет назад GPR91 - сукцинатного рецептора, сопряженного с G-белком - изучение сигнальных путей сукцинат/ GPR91 расширило понимание о функционирова­нии систем организма. Необходимо помнить, что в соответствии с современными представления­ми сукцинат - не только промежуточный продукт метаболизма. Как показано в данном обзоре, цир­кулирующий сукцинат посредством активации GPR91 вовлечен в регуляцию целого ряда физиопатологических процессов. Таким образом, сук- цинат можно рассматривать как сигнальную мо­лекулу с гормоноподобной функцией. Поскольку уровень сукцината повышается главным образом в условиях ишемии-реперфузии, стали очевидны­ми перспективы применения полученных знаний при трансплантации органов. Понимание роли метаболитов цикла Кребса как сигнальных моле­кул, участвующих в целом ряде метаболических процессов, способствует расширению представ­лений о функционировании клетки и, в конечном счете, повышению качества лечения.

Авторы выражают признательность за техниче­скую помощь и внимательное чтение рукописи Gilson Nogueira и Dr. M J. Amaya (Йельский университет, США)

Об авторах

М. де К. Фонсека
Федеральный университет Минас-Жерайса
Бразилия
Отдел физиологии и биофизики


К. Дж. Агуйар
Университет Estácio de Sá, Бело Хоризонте, MG
Бразилия


Ж. А. да Роча Франко
Федеральный университет Минас-Жерайса
Бразилия
Отдел физиологии и биофизики


Р. Н. Гинголд
Федеральный университет Минас-Жерайса
Бразилия
Отдел физиологии и биофизики


М. Ф. Лейте
Федеральный университет Минас-Жерайса
Бразилия
Отдел физиологии и биофизики


Список литературы

1. Thunberg T. Zur Kenntnis des intermediären Stoffwechsels und der dabei wirksamen. Enzyme Skandinavisches Archiv für Physiologie 1920;40:1–91. doi: 10.1111/j.1748-1716.1920.tb01412.x

2. Annan G, Banga I, Blazsó A et al. Über die Bedeutung der Fumarsäure für die tierische Gewebeatmung. Einleitung, übersicht, Methoden Hoppe-Seyler’s Zeitschrift für Physiologische Chemie 1935;236:1–20

3. Krebs HA, Johson WA. The role of citric acid in intermediate metabolism in animal tissues. Enzymologia 1937;4:148–156

4. Krebs HA. The history of the tricarboxylic acid cyle. Perspect Biol Med. 1970;14:154–170 5. Fedotcheva NI, Sokolov AP, Kondrashova MN. Nonenzymatic formation of succinate in mitochondria under oxidative stress. Free Radic Biol Med 2006;41:56–64. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2006.02.012

5. Brosnan JT, Krebs HA, Williamson DH. Effects of Ischaemia on Metabolite Concentrations in Rat Liver. Biochent J 1970;117:91–96. doi: 10.1042/bj1170091

6. Taegtmeyer H. Metabolic responses to cardiac hypoxia. Increased production of succinate by rabbit papillary muscles. Circ Res 1978;43:808–815

7. Chouchani ET, Pell VR, Gaude E et al. Ischaemic accumulation of succinate controls reperfusion injury through mitochondrial ROS. Nature 2014;515(7527):431–435. doi: 10.1038/nature13909

8. Knauf F, Rogina B, Jiang Z et al. Functional characterization and immunolocalization of the transporter encoded by the lifeextending gene Indy. Proc Natl Acad Sci USA 2002;99:14315– 14319. doi: 10.1073/pnas.222531899

9. Inoue K, Fei YJ, Zhuang L et al. Functional features and genomic organization of mouse NaCT, a sodium-coupled transporter for tricarboxylic acid cycle intermediates. Biochem J 2004;378:949–957. doi: 10.1042/BJ20031261

10. He W, Miao FJ, Lin DC et al. Citric acid cycle intermediates as ligands for orphan G-protein-coupled receptors. Nature 2004;429(6988):188–193. doi: 10.1038/nature02488

11. Ariza AC, Deen PM, Robben JH. The succinate receptor as a novel therapeutic target for oxidative and metabolic stressrelated conditions. Front Endocrinol 2012;00022:1664–2392

12. Bhuniya D, Umrani D, Dave B et al. Discovery of a potent and selective small molecule hGPR91 antagonist. Bioorg Med Chem Lett 2011;21(12):3596–3602. doi: 10.1016/j.bmcl.2011.04.091

13. Hakak Y, Lehmann-Bruinsma K, Phillips S et al. The role of the GPR91 ligand succinate in hematopoiesis. J Leukoc Biol 2009;85:837–843. doi: 10.1189/jlb.1008618

14. Aguiar CJ, Rocha-Franco JA, Sousa PA et al. Succinate causes pathological cardiomyocyte hypertrophy through GPR91 activation. Cell Commun Signal 2014;12(1):78. doi: 10.1186/s12964-014-0078-2

15. Toma I, Kang JJ, Sipos A et al. Succinate receptor GPR91 provides a direct link between high glucose levels and renin release in murine and rabbit kidney. J Clin Invest 2008;118:2526–2534. doi: 10.1172/JCI33293

16. Vargas SL, Toma I, Kang JJ et al. Activation of the succinate receptor GPR91 in macula densa cells causes renin release. J Am Soc Nephrol 2009;20(5):1002–11. doi: 10.1681/ASN.2008070740

17. Robben JH, Fenton RA, Vargas SL et al. Localization of the succinate receptor in the distal nephron and its signaling in polarized MDCK cells. Kidney Int 2009;76(12):1258–1267. doi: 10.1038/ki.2009.360

18. Correa PRAV, Krulog EA, Thompsom M et al. Succinate is a paracrine signal for liver damage. J Hepatology 2007;47:262–269. doi: 10.1016/j.jhep.2007.03.016

19. Sapieha P, Sirinyan M, Hamel D et al. The succinate receptor GPR91 in neurons has a major role in retinal angiogenesis. Nat Med 2008;14(10):1067–1076. doi: 10.1038/nm.1873

20. Rubic T, Lametschwandtner G, Jost S et al. Triggering the succinate receptor GPR91 on dendritic cells enhances immunity. Nat Immunol 2008;9:1261–1269. doi: 10.1038/ni.1657

21. Macaulay IC, Tijssen MR, Thijssen-Timmer DC et al. Comparative gene expression profiling of in vitro differentiated megakaryocytes and erythroblasts identifies novel activatory and inhibitory platelet membrane proteins. Blood 2007;109:3260– 3269. doi: 10.1182/blood-2006-07-036269

22. Friedman SL. Molecular regulation of hepatic fibrosis, an integrated cellular response to tissue injury. J Biol Chem 2000;275(4):2247–2250

23. Li YH, Woo SH, Choi DH, Cho EH. Succinate causes a-SMA production through GPR91 activation in hepatic stellate cells. Biochem Biophys Res Commun 2015;463:853–858. doi: 10.1016/j.bbrc.2015.06.023

24. Adair TH, Gay WJ, Montani JP. Growth regulation of the vascular system: evidence for a metabolic hypothesis. Am J Physiol 1990;259:393–404

25. Folbergrova J, Ljunggren B, Norberg K, Siesjo BK. Influence of complete ischemia on glycolytic metabolites, citric acid cycle intermediates, and associated amino acids in the rat cerebral cortex. Brain Res 1974;80:265–279

26. Hoyer S, Krier C. Ischemia and aging brain. Studies on glucose and energy metabolism in rat cerebral cortex. Neurobiol Aging 1986;7:23–29

27. Joyal JS, Sitaras N, Binet F et al. Ischemic neurons prevent vascular regeneration of neural tissue by secreting semaphorin 3A. Blood 2011;117:6024–6035. doi: 10.1182/blood-2010-10-311589

28. Hu J, Wu Q, Li T et al. Inhibition of high glucose-induced VEGF release in retinal ganglion cells by RNA interference targeting G protein-coupled receptor 91. Exp Eye Res 2013;109:31–39. doi: 10.1016/j.exer.2013.01.011

29. Hu J, Li T, Du S et al. The MAPK signaling pathway mediates the GPR91-dependent release of VEGF from RGC-5 cells. Int J Mol Med 2015;36(1):130–138. doi: 10.3892/ijmm.2015.2195

30. Sadagopan N, Li W, Roberds SL et al. Circulating succinate is elevated in rodent models of hypertension and metabolic disease. Am J Hypertens 2007;20(11):1209–1215. doi: 10.1016/j.amjhyper.2007.05.010

31. McCreath KJ, Espada S, Gálvez BG et al. Targeted disruption of the SUCNR1 metabolic receptor leads to dichotomous effects on obesity. Diabetes 2015;64(4):1154–1167. doi: 10.2337/db14-0346

32. Aguiar CJ, Andrade VL, Gomes ER et al. Succinate modulates Ca(2+) transient and cardiomyocyte viability through PKA-dependent pathway. Cell Calcium 2010;47(1):37–46. doi: 10.1016/j.ceca.2009.11.003

33. Zucker AR, Gondolesi GE, Abbott MA et al. Liver-intestine transplant from a pediatric donor with unrecognized mitochondrial succinate cytochrome C reductase deficiency. Transplantation 2005;79(3):356–358

34. Davili Z, Johar S, Hughes C et al. Succinate dehydrogenase deficiency associated with dilated cardiomyopathy and ventricular noncompaction. Eur J Pediatr 2007;166:867–870. doi: 10.1007/s00431-006-0310-1


Для цитирования:


де К. Фонсека М., Агуйар К.Д., да Роча Франко Ж.А., Гинголд Р.Н., Лейте М.Ф. GPR91: РАСШИРЕНИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О МЕТАБОЛИТАХ ЦИКЛА КРЕБСА. Нефрология. 2017;21(1):9-18. https://doi.org/10.24884/1561-6274-2017-21-1-9-18

For citation:


de C. Fonseca M., Aguiar C.J., da Rocha Franco J.A., Gingold R.N., Leite M.F. GPR91: EXPANDING THE FRONTIERS OF KREBS CYCLE INTERMEDIATES. Nephrology (Saint-Petersburg). 2017;21(1):9-18. (In Russ.) https://doi.org/10.24884/1561-6274-2017-21-1-9-18

Просмотров: 226


ISSN 1561-6274 (Print)
ISSN 2541-9439 (Online)