Consilium medicum начало :: поиск :: подписка :: издатели :: карта сайта

Кардиологический вестник  
Том 02/N 2/2007 ОБЗОРЫ

Регуляторные эффекты взаимодействия гликозаминогликанов углеводной выстилки люминальной сосудистой поверхности с низко- и высокомолекулярными лигандами


Е.Г.Тищенко, А.Д.Турашев, А.В.Максименко

Институт экспериментальной кардиологии

Гликобелковое окружение клеток люминальной сосудистой поверхности способно регулировать биомеханические свойства сосудов, сборку и репарацию тканей, связывать низко- и высокомолекулярные лиганды. Гидратация гликозаминогликанов определяет развитие тканевых отеков и опосредует антикоагулянтную активность экстрацеллюлярного матрикса. Отмечено связывание гликозаминогликанов с хемокинами, факторами роста, другими белками, липопротеинами для реализации регуляторной функции. Показано наличие особых структурных участков связывания у таких реактантов и зависимость биологических эффектов, вызываемых гликозаминогликанами, от величины их молекулярной массы.

Ключевые слова: обзор, сосудистая стенка, гликокаликс, внеклеточный матрикс, низко- и высокомолекулярные лиганды, сосудистые осложнения.

E.G. Tishchenko, A.D. Turashev, A.V. Maksimenko
Institute of Experimental Cardiology

Running title: Interaction of the carbohydrate-rich vascular tunic with ligands, Moscow
Regulatory effects of the interactions of the glycosaminoglycans
of the carbohydrate-rich lining of the luminal vascular surface with low
and high molecular-weight ligands

The cellular glycoprotein environment of the luminal vascular surface can regulate the biomechanical properties of vessels, the assembly and repair of tissue, to bind low and high molecular-weight ligands. Hydration of glycosaminoglycans determines the development of tissue edemas and mediates the anticoagulant activity of the extracellular matrix. Glycosaminoglycan binding to chemokines, growth factors, other proteins, lipoproteins for regulatory function is observed. It is shown that such reagents have special structural binding sites and that the biological effects of glycosaminoglycans are related to the size of their molecular weight.

Key words: review, vascular wall, glycocalyx, extracellular matrix, low and molecular ligands, vascular complications.

Данные современных исследований свидетельствуют о многоплановой роли гликозаминогликанового компонента гликокаликса, экстрацеллюлярного матрикса и интерстиция в организме. Имеющиеся сведения не позволяют видеть в углеводном покрытии только гидратированную подложку для клеточного удержания и организации пути их передвижения. Важно ее участие в построении тканей, обеспечении существования околоклеточной оболочки, функционирование в процессах передачи сигнала в клетку. Такая ситуация обусловливает развитие гликозаминогликановых исследований по многим направлениям с участием специалистов разных областей знания.
   Обнаружение молекулярных партнеров, взаимодействующих с гликозаминогликанами, – гиалоадгеринов, синтаз, гиалуронидаз, других ферментов и ингибиторов их метаболизма расширяет сферу изучения и увеличивает число его объектов. Значимость таких исследований подчеркивается влиянием гликозаминогликанов на процессы морфогенеза, эмбриогенеза, интерстициального гомеостаза и клеточного поведения.
   Связывание низкомолекулярных веществ. К белковой основе/кору протеогликанов ковалентно присоединены линейные гликозаминогликановые цепи разной степени сульфатирования. Анализ протеогликанового состава версикана нормальной и атеросклеротически пораженной стенки артерий обнаружил его гетерогенность [1]. Отрицательный заряд сульфогрупп влияет на участие ионов, пространственного осмотического градиента, объема гидратации в функционировании фибриллярной сети, внеклеточного гелевого матрикса как биологического сита в процессах клеточной пролиферации, адгезии, подвижности, коагуляции крови. В норме (регулируя, в частности, тромбиновую активность) интерстиций живых тканей поддерживается в относительно дегидратированном состоянии. Механизм этой поддержки сложен и зависит от гликозаминогликанов. В патологических условиях (воспаление и др.) возбужденные ткани (включая артериальные) разбухают, препятствуя тканевому потоку/перфузии, затрудняя проникновение нутриентов и лекарственных средств. Ферментативное удаление из внеклеточной гелевой оболочки гликозаминогликанов снижает набухание тканей и способствует в результате такого частичного дегидратирования регуляции скорости важных биологических реакций. В целом, гидратационный объем гелевого матрикса поддерживается балансом сил, включающих эластичность разных полимерных компонентов, их химическую аффинность, фиксированный заряд, осмотические взаимодействия ионизованного растворителя.
   Предположительно, макромолекулярные взаимодействия, определяющие развитие атерогенеза, должны быть направлены, в частности, на относительно дегидратационное состояние интерстиция, превалирующее в норме in vivo. Поскольку эти силы внутренне сопряжены с механическими и структурными факторами, соответствующими количеству и пространственному распределению гликозаминогликанов в интактных тканях, то изменения в составе и распределении гликозаминогликанов будут влиять на объем гидратации. Действительно, гистологически обнаруженные нарушения в атеросклеротических тканях, такие как диффузионное утолщение и дезорганизация фибриллярных элементов в интиме, указывают на дисрегуляцию локального водного гомеостаза. Было установлено, что в сравнении с нормальной у атеросклеротически пораженной (IV тип поражения, согласно классификации Американской ассоциации сердца) ткани аорты наблюдается уменьшение степени сульфатирования хондроитинсульфата [1]. Из-за этого снижается антикоагулянтный резерв экстрацеллюлярного матрикса, так как связывание антитромбина с хондроитинсульфатом затрудняется необходимостью дегидратации – удаления большего количества молекул воды с белковой поверхности (в реакции последовательного ингибирования фактора Xa). Пространственное расположение гликозаминогликановых цепей может заполнять экстрацеллюлярный матрикс и способствовать белок-белковому взаимодействию простым сокращением эффективного объема доступного для диффузии. Однако варьирование степени сульфатирования гликозаминогликанов может влиять на баланс воды в экстрацеллюлярном матриксе изменением количества растворителя, способного обильно гидратировать белковую поверхность [2]. Так, косольвент (дополнительно растворенное в системе вещество) принуждает белки к частичной дегидратации (благодаря собственной гидратации) и сдвигает равновесие в сторону меньшего содержания связанной воды в гидратационном слое белков. Это является следствием термодинамической стабильности и связи между связыванием воды и образованием белковых комплексов, которое и направляет равновесие к кажущемуся повышению аффинности белок-белкового взаимодействия [2]. Вместе с тем разработка новых антикоагулянтов на основе пентасахарида из гепариновой последовательности показала, что увеличение степени сульфатирования последней ведет к усилению ее аффинности к антитромбину (без учета влияния гидратации) и повышению времени полужизни в кровотоке [3]. Вероятно, для надежного выяснения роли переноса воды в рассматриваемой ситуации необходимы исследования других реакций коагуляционного каскада [2], а также пара- и трансцеллюлярного (посредством аквапоринов) транспорта воды [4].

Формализованный состав и структура центров белково-гликозаминогликановых взаимодействий (на примере гепарина).


   Связывание высокомолекулярных веществ. Гликозаминогликаны являются антеннами клеточной поверхности для связывания с хемокинами [5]. С одной стороны, повышение локальной концентрации хемокинов на клетке вблизи рецептора способствует их взаимодействию (передающему сигнал на клеточный G-белок в цитозоле), когда хемокин может переходить с поверхностного гликозаминогликана на рецептор, с другой – комплекс хемокина с растворимым гликозаминогликаном не способен связываться с рецептором. Так, гликозаминогликаны могут регулировать взаимодействие рецепторов с хемокинами, концентрируя последние на поверхности клеток и создавая конкуренцию за хемокин между клеточным рецептором и растворимым гликозаминогликаном [5]. Образованием депо макромолекулярных лигандов, связанных с поверхностными клеточными гликозаминогликанами, удается не только регулировать биологическую активность, но и защищать лиганды от инактивации, например, предотвращая неферментативное гликозилирование основного фактора роста фибробластов благодаря связыванию с гепарансульфатом (но не с хондроитинсульфатом) [6]. Связывание с белками позволяет протеогликанам участвовать в нормальных условиях в клеточном и тканевом развитии.
   При патофизиологических условиях содержащие хондроитинсульфат/гепарансульфат протеогликаны (бигликан, версикан, пеоликан и др.) могут инициировать повышенное связывание (в интактном и окисленном виде) липопротеинов низкой плотности (ЛПНП) и образовывать внеклеточные преатеромные липидные отложения в интиме и внутри медии. Такое заякорирование ЛПНП может сопровождаться образованием тройного комплекса протеогликан/липопротеины/Ca2+, ведущим к кальцификации артерий [7]. Отмечалось, что хондроитинсульфат протеогликан макрофагов связывает окисленные ЛПНП. В условиях окислительного стресса содержание этого протеогликана на макрофагах увеличивается, что наряду с захватом ЛПНП может ускорять развитие атеросклероза [8]. Кроме того, экзогенно введенные гепарансульфат или хондроитинсульфат могут встраиваться в клеточное окружение, увеличивая захват окисленных ЛПНП [9]. Было показано, что гликозаминогликаны (гепарансульфат, хондроитинсульфат) ускоряют активацию плазминогена урокиназой, влияя на k-KAT, а ЛПНП или липопротеин(a) ингибируют их эффект [10]. Это подчеркивает многоплановость опосредованной регуляторной функции гликозаминогликанов.
   Таким образом, гликозаминогликаны, представленные в гликокаликсе, экстрацеллюлярном матриксе, интерстиции, участвуют в связывании биомакромолекул разного типа, действуя на них аллостерически и мостиковым или подложковым образом. Предполагалось, что в зависимости от структуры и состава протеогликанов (последовательность сахаров, вид белка) они могут индивидуализировать свои функции в организме [11].
   Центры взаимодействия на гликозаминогликанах. Результатом многочисленных исследований стало обнаружение уникальной пентасахаридной последовательности (см. рисунок) в гепарине [12], которая опосредует низкоаффинное связывание гликозаминогликана с антитромбином. Происходящие при этом с последним конформационные изменения усиливают их связывание. Оно способствует образованию тройного комплекса антитромбин–гепарин–протеаза (тромбин или фактор Ха), в котором осуществляется возвращение к низкоаффинному связыванию углевода с белком, опосредуя специфическое взаимодействие ингибитора с ферментом на углеводной подложке или матрице. Полученные данные позволяют использовать синтетические аналоги связывающей антитромбин пентасахаридной последовательности гепарина в качестве антикоагулянтов для лечения венозных тромбоэмболий [3]. Связывающие гепарин центры белков характеризуются наличием кластеров положительно заряженных основных аминокислот (аргинин или лизин – Arg или Lys соответственно), которые образуют ионные пары с пространственно ориентированными отрицательно заряженными сульфо- и карбоксильными группами гликозаминогликановой цепи. Аминокислотные последовательности связывающих гепарин центров были определены в витронектине, аполипопротеинах В и Е, 4-м тромбоцитарном факторе [12]. Они представлены в виде двух мотивов, характерных участков аминокислотной последовательности белков, – ХВВХВХ и ХВВВХХВХ, где В – остаток основной, а Х – отрицательно незаряженной аминокислоты (наиболее часто серин или глицин – Ser или Gly соответственно; см. рисунок). Первый мотив организуется в b-слой, а второй сворачивается в a-спираль. Из двух a-спиральных и двух антипараллельных b-слоев вокруг гидрофобного ядра состоит лектиновый модуль С-типа, осуществляющий связывание гиалуронана [13]. Хотя одного связывающего модуля достаточно для взаимодействия с гиалуронаном (TSG-6), некоторые белки имеют их по два (белки в протеогликанах – агрекане, версикане, нейрокане). Рецептор опосредованной гиалуронаном подвижности (RHAMM) имеет другой мотив связывания гиалуронана ВХ7В [13]. Отмечалось, что гексасахаридная последовательность дерматансульфата может способствовать связыванию гепаринового кофактора II и аллостерическим образом вызывать затем селективную инактивацию тромбина [14]. Ингибированию поддается тромбин в растворе и связанный с фибрином или с поверхностью пораженного сосуда.
   Приведенные результаты избирательного взаимодействия белков с гликозаминогликанами выявляют роль связывающих гликозаминогликан доменов в сосудистой биологии и открывают перспективы для разработки фармакологического контроля процессов, протекающих в сосудистой стенке.
   Эффекты целых и фрагментированных гликозаминогликанов. Известны антикоагулянтные свойства гликозаминогликанов, проявляемые ими в поли- и олигомерном виде, начиная с некоторого порогового значения молекулярной массы производного [14, 15]. Следует отметить, что биологические эффекты гиалуронана заметно варьируют в зависимости от его молекулярной массы. Так, высокомолекулярные гиалуронановые полисахариды, как молекулы пространственного наполнения и гидратации тканей, являются ангиогенными, противовоспалительными и иммуносупрессивными [16]. Фрагменты гиалуронана с молекулярной массой 20 кДа уже стимулируют синтез воспалительных цитокинов. Меньшие фрагменты (6–20 кДа) гиалуроновой кислоты оказываются ангиогенными, провоспалительными и иммуностимулирующими [13, 16]. Гиалуронановые фрагменты с молекулярной массой 200 кДа улучшают in vitro выживание эозинофилов периферической крови, а гиалуроновая кислота (молекулярная масса – от 3000 до 6000 кДа) имеет существенно меньший эффект [13]. Фрагменты гиалуронана могут обладать биологической активностью, отличной от полимерной формы. Низко-, но не высокомолекулярный гиалуронан стимулирует продукцию металлоэластазы в клетках МН-S и экспрессию индуцибельной NO-синтазы в эндотелиальных и купферовских клетках печени крыс [13]. Связывание высокомолекулярной гиалуроновой кислоты с CD44 ингибируется ее олигосахаридными фрагментами, состоящими из 6–18 сахаров. Это подчеркивает то, что именно гексамер гиалуронана занимает лимитирующий участок связывающего центра белка. С увеличением длины цепи гиалуронана (20–30 сахаров) степень ингибирования повышается [13]. Механизм зависимости эффектов от молекулярной массы гиалуронановых производных пока неизвестен. Необходимо особо отметить зависимость экспериментальных данных от количества используемого гиалуронана [17], применяемых лотов гиалуроновой кислоты (имеющих различия в зависимости от производителей) [13]. Поэтому следует весьма внимательно и осторожно подходить к интерпретации таких данных, включая некоторые контрольные эксперименты с гиалуронаном и сульфатированными гликозаминогликанами.
   

Работа выполнена при частичной поддержке Росздрава и РФФИ (гранты №07-04-12057-офи, 06-04-48058 и 06-08-00011).

Литература
1. McGee M, Wagner WD. Chondroitin sulfate anticoagulant activity is linked to water transfer: relevance to proteoglycan structure in atherosclerosis. Arterioscler Thromb Vasc Biol 2003; 23 (10): 1921–7.
2. Di Cera E. Atherosclerosis: testing the water. Arterioscler Thromb Vasc Biol 2003; 23 (10): 1713–4.
3. Weitz JI. New anticoagulants for treatment of venous thromboembolism. Circulation 2004; 110 (9 Suppl. 1): I19–26.
4. Kuschert GSV, Coulin F, Power CA et al. Glycosaminoglycans interact selectively with chemokines and modulate receptor binding and cellular responses. Biochemistry 1999; 38 (39): 12959–68.
5. Nissen NN, Shankar R, Gamelli RL et al. Heparin and heparan sulphate protect basic fibroblast growth factor from non-enzymic glycosylation. Biochem J 1999; 338 (Pt 3): 637–42.
6. Siegel G, Malmsten M, Klussendorf D, Leonhardt W. Physicochemical binding properties of the proteoglycan receptor for serum lipoproteins. Atherosclerosis 1999; 144 (1): 59–67.
7. Kaplan M, Aviram M. Macrophage plasma membrane chondroitin sulfate proteoglycan binds oxidized low-density lipoprotein. Atherosclerosis 2000; 149 (1): 5–17.
8. Kaplan M, Williams KJ, Mandel H, Aviram M. Role of macrophage glycosaminoglycans in the cellular catabolism of oxidized LDL by macrophages. Arterioscler Thromb Vasc Biol 1998; 18 (4): 542–53.
9. Edelberg JM, Weissler M, Pizzo SV. Kinetic analysis of the effects of glycosaminoglycans and lipoproteins on urokinase-mediated plasminogen activation. Biochem J 1991; 276 (Pt 3): 785–91.
10. David G, Danneels A, Duerr J et al. Heparan sulfate proteoglycans. Essential co-factors in receptor-mediated processes with relevance to the biology of the vascular wall. Atherosclerosis 1995; 118 (Suppl.): S57–67.
11. Munoz EM, Linhardt RJ. Heparin-binding domains in vascular biology. Arterioscler Thromb Vasc Biol 2004; 24 (9): 1549–57.
12. Nenci GG. Dermatan sulphate as an antithrombotic drug. Pathophysiol Haemost Thromb 2002; 32 (5–6): 303–7.
13. Bianchini P. Therapeutic potential of non-heparin glycosaminoglycans of natural origin. Semin Thromb Hemost 1989; 15 (4): 365–9.
14. Mehta D, Malik AB. Signaling mechanisms regulating endothelial permeability. Physiol Rev 2006; 86 (1): 279–367.
15. Camenisch TD, McDonald JA. Hyaluronan: is bigger better? Am J Respir Cell Mol Biol 2000; 23 (4): 431–3.
16. Stern R. Devising a pathway for hyaluronan catabolism: are we there yet? Glycobiology 2003; 13 (12): 105R–15R.
17. Tammi MI, Day AJ, Turley EA. Hyaluronan and homeostasis: a balancing act.
J Biol Chem 2002; 277 (7): 4581–4.



В начало
/media/cardio/07_02/65.shtml :: Sunday, 18-Nov-2007 22:10:50 MSK
© Издательство Media Medica, 2000. Почта :: редакция, webmaster