Наука | 
1
10332

NF?B: ключевая роль в клеточной сигнализации.

Эукариотические клетки обладают большим числом сигнальных механизмов, которые интегрируют внешние стимулы, в результате чего активируется экспрессия специфических генов. Один из таких сигнальных каскадов регулируется транскрипционными факторами семейства NF?B.

на сайте с 15 января 2009

Введение

NFκB (nuclear factor kappa B ) представляет собой семейство транскрипционных факторов, контролирующих процессы иммунитета и развития. Данные белки чрезвычайно консервативные и обнаружены у разных организмов, начиная от насекомых и заканчивая человеком. Семейство NFκB регулирует экспрессию генов, вовлеченных в защитные процессы организма, процессы воспаления, выживания клеток.  Подобные разнородные биологические последствия активности NFκB ставят вопрос, как NFκB влияет на разные транскрипционные программы под воздействием различных внешних стимулов. Открытие ключевых регуляторных белков в этом сигнальном механизме приоткрыло завесу тайны над тем, как осуществляется сочленение столь разных процессов в клетке. Нарушения сигнальных механизмов, регулируемых NFκB, приводят к серьезным дефектам развития, аутоиммунным заболеваниям, артритам, астме и к развитию новообразований. В этом компасе описаны механизмы активации NFκB зависимых путей и показано влияние NFκB-зависимых сигнальных путей на развитие различных заболеваний, а также на продолжительность жизни.

Структура гомодимера  NFκB P50, связавшегося с ДНК


История открытия

NFκB был открыт в лаборатории нобелевского лауреата Дэвида Балтимора, как транскрипционный фактор, необходимый для специфической экспрессии генов в B-клетках.  Исследователь Ranjan Sen, работающий под началом Балтимора, обнаружил  ДНК-связывающую активность в ядерных экстрактах из B-клеток. Впоследствии было показано, что связывание происходит с регуляторным элементом геномной ДНК, кодирующей легкую цепь иммуноглобулинов (тип каппа). Белок, связывающийся с данный регуляторным элементом (энхансером), был идентифицирован и получил название nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells или, сокращенно, NFκB. В течении недолгого времени была  продемонстрирована экспрессия NFκB во многих типах клеток в ответ на самые разные стимулы: цитокины, бактерии и вирусы, повреждения ДНК, окислительный стресс и др. В ставшей классической работе Балтимора и Патрика Берле показано, что NFκB находится в неактивном состоянии в не стимулированных клетках и быстро перемещается в ядро после стимуляции. Таким образом, был предложен механизм индукции NFκB в ответ на клеточные стрессы и активации генов-мишеней NFκB: хемокины, цитокины, регуляторы апоптоза и клеточной пролиферации, белки острой фазы и многие другие.
схема активации NFκB

Семейство транскрипционных факторов NFκB

Первоначальные исследования активности NFκB в экстрактах В-клеток продемонстрировали, что этот белок состоит из двух субъединиц. Наиболее часто встречается комбинация субъединиц 50 кДа и 65 кДа. Анализ последовательностей данных белков показал наличие гомологии с известными к тому времени белками: онкобелком Rel и белком-регулятором развития Drosophila Dorsal. В настоящее время NFκB считается мультигенным семейством белков, формирующих стабильные гомо- и гетеродимеры, различающиеся по специфичности ДНК-связывающей и транскрипционной активностей. В клетках млекопитающих обнаружены 5 представителей семейства NFκB: RelA (p65), c-Rel, RelB, NFκB1 (p50 и его предшественник p105), и NFκB2 (p52 и его предшественник p100). NFκB/Rel обладают высококонсервативным N-концевым доменом RHD (Rel homology domain), который отвечает за связывание ДНК, димеризацию, и взаимодействие с ингибиторными белками IκB.


Как было отмечено выше, прототипный комплекс NFκB состоит из 2 субъединиц р50 и р65, однако, обнаружено большое количество других вариантов димеров. Интересно, что в то время как комплекс р50/р65 является активатором транскрипции, гомодимеры р50/р50 и р52/р52, наоборот, подавляют экспрессию генов-мишеней. Таким образом, наличие подобного мультигенного семейства позволяет клетке тонко регулировать экспрессию своих генов.

Транскрипционные факторы NFκB в цитоплазме находятся в неактивном состоянии благодаря взаимодействию со своими ингибиторами, относящимися к семейству IκBs. Идентифицировано 7 представителей данного семейства: IκBα, IκBβ, IκBε, IκBγ, Bcl3, NFκB1 предшественник (p105), и NFκB2 предшественник (p100). Представители семейства IκB обладают анкириновыми повторами и обеспечивают цитоплазматическую локализацию NFκB, препятствую тем самым, транскрипционной активности NFκB, которая осуществляется в ядре. Считается, что в комплексе NFκB:IκB IκB маскирует сигнал ядерной локализации (NLS) NFκB. Деградация IκB приводит к высвобождению NFκB и транслокации NFκB в ядро. Различные представители IκBs обладают специфичностью к определенным комплексам NFκB. Интересно, что, проникнув в ядро, NFκB активирует экспрессию своего ингибитора IκBα. Синтезированные молекулы IκBα транслоцируются в ядро и препятствуют взаимодействию NFκB с регуляторными участками ДНК. Таким образом, формируется петля отрицательной обратной связи. Семейство ингибиторов IκBs осуществляет дополнительную регуляцию NFκB-зависимого сигналинга в клетке.

Сигнальные пути, приводящие к активации NFκB

Как правило, выделяют 2 сигнальных каскада, приводящих к активации NFκB: классический и альтернативный путь. Различия между этими двумя путями состоят в механизмах деградации специфических ингибиторов IκB. Классический или канонический сигнальный каскад активируется большим набором различным внеклеточных сигналов: воспалительные цитокины, патоген-связанные молекулы, Toll-подобные рецепторы. Происходит активация комплекса IκB киназ (IKK), что влечет за собой фосфорилирование IκB по двум близкорасположенным остаткам серина. Фосфорилирование серина 32 и 36 служит сигналом для убиквитинации и последующей деградации молекулы IκB в 26S протеосомах. Наиболее часто по этому механизму высвобождается гетеродимер р50/р60. Транслокация комплекса р50/р60 в ядро влечет за собой увеличение транскрипции генов, кодирующих хемокины, цитокины, адгезионные молекулы, ингибиторов и медиаторов апоптоза. Классический сигнальный путь NFκB является частью общей системы координированной экспрессии многочисленных генов врожденного иммунитета и воспаления, обеспечивая выживаемость клеток иммуной системы во время различных инфекций или острого воспалительного процесса.

Альтернативный (неканонический) сигнальный путь в отличии от классического каскада активируется преимущественно цитокинами LTβR, BAFFR и CD40R. Далее, в клетке передача сигнала осуществляется через киназу NIK  и последующее фосфорилирование гомодимера IKKα, в то время как при классическом сигнальном механизме NFκB участвует посностью комплекс IKK, состоящий из IKKα, IKKβ и IKKγ. Мишенью для IKKα являются гомодимеры p52/p100. После соответствующего процессинга предшественник р100 превращается в белок р52. Р52 транслоцируется в ядро в виде димеров с белком RelB и активирует экспрессию генов, вовлеченных в поддержание и развитие вторичных лимфоидных органов. Помимо IKKs, которые являются основными киназами, фосфорилирующими NFκB, NFκB-сигнальные пути активируют также киназы CKII (в ответ на УФ-облучение) и JNK (в ответ на оксидативное повреждение ДНК).

Влияние NFκB на развитие различных заболеваний


Транскрипционные факторы семейства NFκB играют важную роль в развитии многих заболеваний, в механизмы которых вовлечены цитокины TNF, IFNγ, IL-2, IL-6, IL-8, и IL-12. Наиболее часто NFκB-зависимые пути вовлечены в развитие заболеваний с серьезным воспалением и постоянно высоким уровнем содержания цитокинов. В обзоре "Nuclear factor-kappaB: its role in health and disease" рассмотрены гены, экспрессия которых регулируется NFκB, и нарушение работы которых приводит к развитию различных заболеваний. Большинство этих заболеваний являются хроническими и связаны со старением организма: ревматоидный артрит, остеоартроз, воспалительная болезнь кишечника, атеросклероз, диабет, рассеянный склероз и ряд других. Также активация сигнального каскада NFκB приводит к атрофии мыщц при кахексии и саркопении. Таким образом, ингибирование NFκB может улучшить состояние человека при данных заболеваниях. Вместе с этим, следует отметить, что из-за сложной и запутанной регуляторной активности NFκB, трудно предположить к каким последствиям может привести подобное воздействие. Однако, несмотря на это, в the University of California, San Diego School of Medicine, исследователями под руководством Майкла Карина показано, что применение глюкокортикоидов, ингибирующих NFκB, может приводить к положительным последствиям.


Хотя NFκB считается ключевым регулятором экспрессии цитокинов и прочих генов врожденного иммунного ответа, большое внимание привлекает изменение активности NFκB в процессах канцерогенеза. Так, более 20 лет назад, в лаборатории нобелевского лауреата Хоуарда Темина было продемонстрировано, что белок v-Rel обладает трансформирующей активностью. Впоследствии было показано, что вирусный белок Rel является гомологом клеточных белков семейства NFκB. С течением времени было накоплено достаточно много информации о различных генетических изменений этих генов в различных новообразованиях. Более подробно это описано в обзоре Béatrice Rayet и Céline Gélinas из University of Medicine and Dentistry of New Jersey. Также показано, что белки онкогенных вирусов SV40, EBV, аденовирусов, и HTLV-1 взаимодействуют с NFκB и активируют его. Доказано, что сигнальные пути, которые контролируются NFκB, постоянно активны при самых различных раках: меланома, различные карциномы, лимфобластоз и многие другие. Сигнальный каскад NFκB благодаря своей роли в воспалительных процессах препятствует развитию апоптоза, что может приводить к избыточной пролиферации. Ингибирование апоптоза осуществляется с помощью NFκB-зависимой экпрессии генов IAPs (inhibitor proteins of apoptosis): c-FLIP, Bcl-xL, c-IAP1, c-IAP2 и XIAP. Также ингибирование апоптоза может осуществляться через ингибирование сигнального пути Jnk. Как было описано выше, деятельность NFκB во многом регулируется киназами IKKs, и это представляется достаточно удобной мишенью для терапевтического воздействия. Вместе с тем, предложены и другие механизмы. Так, на примере миеломы показано, что вещества, селективно ингибирующие IKKs или влияющие на другие этапы NFκB- сигналинга, демонстрируют достаточно обнадеживающие результаты при терапии раковых клеток.

NFκB и процессы старения

Старение организма представляет собой чрезвычайно многофакторный процесс, во время которого происходят изменения в различных системах организма, в том числе изменения в иммунной системеПоскольку  семейство транскрипционных факторов NFκB является регулятором сигнальных путей врожденного иммунитета, то вполне объяснимо влияние NFκB на старение.  Так в University of Kuopio под руководством Salminen Antero продемонстрировано увеличение ДНК-связывающей активности NFκB в тканях старых мышей и крыс.


Интересным являются взаимодействия между сигнальным каскадом NFκB и механизмами, обеспечивающими увеличение продолжительности жизни. Наиболее изученными подобными механизмами являются белки семейства FOXO и сиртуины. Транскрипционные факторы семейства FOXO регулируют стресс-ответ клетки (через изменение метаболизма, задержку клеточного цикла, апоптоз и старение). Так, в дефицитных по белку FOXO3a мышах обнаружена повышенная активность сигнального пути NFκB, а также снижена активность ингибиторов NFκB - белков IκBs. В работе Alejandro Aballay из Duke University Medical Center продемонстрировано, что ингибирование факторами FOXO сигнального каскада NFκB может осуществляться через белки теплового шока. Взаимодействие NFκB и FOXO при канцерогенезе изучено недостаточно подробно. Однако, предложены 2 механизма. Во-первых, негативная регуляция FOXO через инсулиновый сигналинг и фосфоинозитол-3-киназы приводит к активации сигнального каскада NFκB. Во-вторых, активация IKKβ препятствует ингибированию транскрипционными факторами FOXO сигнального пути NFkB. Функции белков семейств FOXO и NFkB строго регулируется пост-трансляционными модификациями: фосфорилированием, ацетилированием, убиквитинилированием. С точки зрения процессов старения наибольший вклад вносят киназы Jnk и IKKs. Сигнальный каскад PI3k/Akt оказывает противоположные эффекты на регуляцию FOXO и NFkB. PI3k/Akt ингибирует FOXOs, но активирует NFkB. Связь между NFkB и Jnk также может осуществляться через белок TAK1, активирующий как Jnk, так и IKKβ. Кроме того, в лаборатории Guido Franzoso из The Ben May Institute for Cancer Research показано, что NFkB активирует экспрессию белка Gadd45b, ингибитора Jnk-сигнального пути. Логика подобной регуляции состоит в создании механизма, регулирующего одновременно и поддержание роста, и выживаемость клеток. Ингибирование FOXOs приводит к пролиферации клеток, а активация NFkB препятствует апоптозу. Риск подобной регуляции состоит в неопластической трансформации клетки, превращении ее в раковую. С точки зрения увеличения продолжительности жизни положительный совместно действующий эффект может быть в ингибировании сигналинга PI3k/Akt с последующей активацией FOXO, а также в ингибировании сигналинга NFkB, что приведет к снижению воспалительного ответа и атрофических повреждений при старении.
Сиртуины представляют собой белки, деацетилазы гистонов, которые регулируют выживаемость и продолжительность жизни клеток в ответ на стрессовые воздействия. SIRT1, один из представителей семейства
сиртуинов, регулирует функции FOXOs и NFkB пост-трансляционным деацетилированием. Активируя FOXOs, SIRT1 одновременно блокирует NFkB-сигналинг. SIRT1 усиливает транслокацию FOXOs в ядро и, возможно, регулирует транскрипцию. SIRT2 увеличивает ДНК-связывающую активность FOXO. SIRT1 ингибирует NFkB-сигналинг, деацетилируя субъединицу RelA/p65, либо взаимодействуя с TLE1, транскрипционным ко-репрессором NFkB-комплекса. Относительно недавно в лаборатории Katrin Chua из Stanford University School of Medicine было показано, что другой представитель семейства сиртуинов, белок SIRT6, деацетилированием гистона H3 понижает NFkB-зависимую экспрессию генов, что должно приводить к увеличению продолжительности жизни.

В заключение

Транскрипционные факторы семейства NFκB активируют экспрессию более чем 150 генов, многие из которых вовлечены в иммунные, воспалительные процессы и в апоптоз. Несмотря на крайне разнообразные внешние стимулы, в ответ на которые запускается NFκB-каскад, NFκB-регулируемые механизмы обеспечивают высоко скоординированное действие. Кроме того, постоянная активация NFκB-зависимых сигнальных путей показана для различных новообразований. На экспериментальных моделях доказано влияние NFκB-регулируемых каскадов на процессы ангиогенеза, инвазии и метастазирования опухолей. Помимо того, что NFκB является одним из основных регуляторов врожденного иммунного ответа, сигнальный путь NFκB играет важную роль в процессах старения клетки. Особенно интересным являются взаимодействия между сигнальным каскадом NFκB и белками, замедляющими старение: FOXOs и SIRTs. Использования ингибиторов NFκB является многообещающим подходом при терапии различных заболеваний, в том числе и рака, а также для увеличения продолжительности жизни. Однако, разработка подобных лекарств должна опираться на максимально полное представление о биологии NFκB. Поэтому существует ряд вопросов, которые требуют решения и ответов:

1) Основные результаты по взаимодействию NFκB с FOXOs и SIRTs. получены на моделях мушки Drosophila melanogaster и нематоды Caenorhabditis elegans. Насколько выводы, полученные на этих моделях, применимы для человека?

2) Какие еще взаимодействия существуют между сигнальным путем NFκB с белками семейств FOXO и SIRT?

3) Насколько эффективно и безопасно можно ингибировать компоненты сигнального каскада NFκB?

Комментарии

14 августа 2009 в 23:52
 
Сульфасалазин (одно из лекарств, достаточно давно применяющихся для лечения ревматоидного артрита, болезни Крона и проч.) вроде бы является ингибитором NFkB (хотя для лечения указанных заболеваний он начал применятьс вроде бы из других соображений). Это к вопросу "Насколько эффективно и безопасно можно ингибировать компоненты сигнального
каскада NFkB?"
14 августа 2009 в 23:53
 
Сульфасалазин (одно из лекарств, достаточно давно применяющихся для лечения ревматоидного артрита, болезни Крона и проч.) вроде бы является ингибитором NFkB (хотя для лечения указанных заболеваний он начал применятьс вроде бы из других соображений). Это к вопросу "Насколько эффективно и безопасно можно ингибировать компоненты сигнального
каскада NFkB?"
14 августа 2009 в 23:53
 
Сульфасалазин (одно из лекарств, достаточно давно применяющихся для лечения ревматоидного артрита, болезни Крона и проч.) вроде бы является ингибитором NFkB (хотя для лечения указанных заболеваний он начал применятьс вроде бы из других соображений). Это к вопросу "Насколько эффективно и безопасно можно ингибировать компоненты сигнального
каскада NFkB?"
14 августа 2009 в 23:58
 
Извиняюсь за повторы - нексолько раз на кнопку "отправить" нажал, а коментарии увидел только после обновления страницы
автор
15 августа 2009 в 09:55
 
спасибо за комментарий)

Оставить комментарий

Поделиться с друзьями

Share on Twitter