Аминогликозиды. Угнетают 30S-субъединицу рибосом, что затрудняет движение рибосомы по нити мРНК. Также нарушают считывание кода мРНК и повреждают бактериальную мембрану клеток, но это уже другая история [9].
Рисунок 20 | Амикацин
Аминогликозиды применялись бы широко, если бы не их нефро-, ото- и вестибулотоксичность. Механизм повреждения слухового анализатора и вестибулярного аппарата все еще не понятен. Есть данные, что аминогликозиды активно накапливаются в пери- и эндолимфе внутреннего уха, достигают токсической концентрации в ней, угнетают биосинтез белка и нарушают целостность клеточных мембран [19]. Нефротоксичность обусловлена канальцевой секрецией аминогликозидов и токсическим повреждением эпителия канальцев почек.
Аминогликозиды — препараты с узким терапевтическим диапазоном, поэтому применяются по строгим показаниям.
Похожая ситуация сложилась с тетрациклинами. Среди них сейчас используется в основном доксициклин (рис. 21)
Рисунок 21 | Доксициклин
Тетрациклины обладают хорошей биодоступностью (в силу высокой липофильности) и исходно действуют против большого количества микроорганизмов. Но получилось так, что многие бактерии приобрели к ним устойчивость в результате бесконтрольного применения. Их применение у детей ограничено из-за токсического действия на хрящевые зоны роста. Препараты разрешено применять лишь после 8 лет. Тем не менее тетрациклины успешно используются в лечении некоторых опасных зоонозных инфекций, например, туляремии и бруцеллеза.
Клеточный цикл и роль структурных нарушений ДНК в онкогенезе
Рост и пролиферация клетки в обычных условиях находится под жестким контролем регуляторных систем более высокого уровня. Другими словами, пока клетке не скажут: «Делись, мать!», та не делится. Вся жизнь клетки подчинена клеточному циклу [2]. Рассмотренная нами в предыдущих параграфах репликация ДНК происходит в синтетическую фазу S, тогда как биосинтез белка может происходить во все остальные фазы. Движущей силой клеточного цикла является последовательная активация сменяющих друг друга циклинзависимых протеинкиназ, набор которых в зависимости от фазы цикла различается, во многом в результате действия на клетку различных биохимических сигналов (факторов роста, цитокинов, гормонов) [2, 3]. Схематично сигнальные каскады клетки проиллюстрированы на рис. 22.
Рисунок 22 | Сигнальные каскады, запускающие деление клетки [1]
Различные рецепторы к факторам роста (эпидермальному, фибробластическому, тромбоцитарному, инсулиноподобным) при взаимодействии со своим лигандом индуцируют активацию каскада внутриклеточных биохимических реакций, приводящих к изменению транскрипции различных циклинзависимых киназ и других участников, обусловливающих смену фаз клеточного цикла [2 ,6].
Реакции, запускающие смену фаз клеточного цикла, сложны и многогранны, но их суть сводится к активации определенных транскрипционных факторов, которые в свою очередь обеспечивают считывание генов, ответственных за экспрессию белковучастников клеточного цикла [4]. В схеме ниже факторы роста обозначены как «факторы выживания».
Представляя эту схему (рис. 22), не могу не отметить, что для многих клеток взаимодействие с их микроокружением (в том числе с внеклеточным матриксом) является необходимым условием для пролиферации. К таким клеткам можно отнести эпителиальные клетки. Для инициации клеточного деления им необходим контакт с внеклеточным матриксом соединительной ткани, и этот контакт реализуется путем
взаимодействия белков внеклеточного матрикса с интегринами [2, 4]. Как показано на схеме, интегрины участвуют в активации белков Ras — центральных внутриклеточных протеинкиназ сигнальных путей МАРК (МАРК — mitogen activated protein kinase — киназы, активируемые митогенными факторами и приводящие к митозу клеток). По последним данным, гормоны щитовидной железы, в частности, тетрайодтиронин, служит лигандом интегриновых ICAM-белков (белков межклеточной адгезии), тем самым способствуя пролиферации клеток.
Это во многом определяет важную роль гормонов щитовидной железы в развитии нервной системы не только в зародышевом периоде, но и у детей, и объясняет задержку психомоторного развития при врожденном гипотиреозе — первичной недостаточности щитовидной железы. С другой стороны, это объясняет повышенный риск возникновения и прогрессирования злокачественной опухоли на фоне гипертиреоза [11].
Бывает так, что в генах, кодирующих участников этой передачи ростового сигнала,
происходит мутация — стойкое и необратимое изменение структуры того или иного гена. Это происходит при воздействии самых разных факторов: физических (радиация в виде ионизирующего излучения) или химических (нитриты, канцерогены в примесях сигарет, различные фенолы). Отдельное значение имеют биологические факторы канцерогенеза. К таковым на сегодняшний день относят вирус Эпштейна — Барр, онкогенные типы вируса папилломы человека (16, 18, 31 и целое множество других), бактерию Helicobacter pylori. При сочетании этих канцерогенных факторов, скажем, с дефектом системы репарации (системы «починки» имеющихся дефектов) или системы апоптоза (генетически детерминированной гибели клетки) или с каким-то другим вариантом молекулярно-генетических нарушений возникает очень опасная ситуация — функциональная аномалия клетки, выражающаяся в ее автономии. Теперь такая клетка живет и растет только по своим законам. Происходит гиперпродукция и/ или чрезмерная спонтанная активность определенного участника митогенных внутриклеточных каскадов, обусловливающих полную клеточную независимость от каких-либо внешних сигналов и отрицательной обратной связи.
Протоонкогены
В нормальных условиях протоонкогены обеспечивают выживание клетки, когда это необходимо в рамках гистогенеза и строго при воздействии митогенных сигналов извне.
Чтобы продемонстрировать, как все это происходит, я предлагаю углубиться в дебри молекулярной онкологии.
Как это работает? На рис. 22 можно заметить сигнальный каскад, начинающийся от RTK (ТКР). RTK — это тирозинкиназный рецептор (ТКР), т. е. рецептор, обладающий
тирозинкиназной активностью. Но приобретает он ее только после своей активации.
При воздействии лиганда (факторы роста) на ТКР происходит димеризация (удвоение) двух тирозинкиназных рецепторов. В активированном состоянии ТКР фосфорилирует по остаткам тирозина нижележащие участники сигнального каскада, в частности, белки SOS и GRB2. Далее указанные белки фосфорилируют нижележащие белки — RAS → RAF→ MEK→ ERK (в соответствии с рис. 22).
Последовательная активация данных белков заканчивается фосфорилированием транскрипционных факторов, запускающих экспрессию генов, необходимых для пролиферации.
В опухолевых клетках происходит все то же самое, что и в обычных, с одним отличием: если нормальным клеткам для запуска пролиферации нужен сигнал извне, то опухолевая клетка сама себе хозяин.
Так, при мутации гена EGFR (наиболее известный ТКР) активность рецептора сохраняется постоянно, даже в отсутствии лиганда, что приводит к постоянной активации сигнального каскада, описанного выше. Более того, поломки могут происходить на любом участке каскада: мутации могут возникать в гене, кодирующем белки RAS, RAF, MEK и множество других, и результат будет тот же самый: неконтролируемая пролиферация клетки. Мутации гена EGFR возникают в некоторых случаях аденокарциномы легкого, плоскоклеточного рака кожи, мутации RAS — при раке поджелудочной железы, некоторых случаях рака толстой кишки,
некоторых случаях немелкоклеточного рака легкого, мутации RAF — при той же
аденокарциноме легкого, меланоме, в некоторых случаях рака толстой кишки.
Список можно продолжать бесконечно, потому что подобных сигнальных путей в клетках очень много. В случае каждой конкретной опухоли «ломается» один или несколько сигнальных путей. Все это создает почву для создания таргетной терапии. Таргетные препараты нацелены на инактивацию конкретного белка, опосредующего онкогенез, тем самым достигается остановка опухолевого роста, а в ряде случаев даже уменьшение имеющихся опухолевых очагов.
К наиболее известным протоонкогенам относят [2, 4, 6]:
тирозинкиназные рецепторы к факторам роста (EGFR, FGFR, PDGFRA, IGF, c-KIT, VEGFR A-C и прочие): при мутации в данных генах происходит постоянная активация нижележащих сигнальных путей, приводящих к пролиферации клеток [12]. Их мутации лежат в основе патогенеза различных опухолевых заболеваний.
мутации в «нижележащих точках» сигнальных каскадов, приводящие к гиперэкспрессии генов внутриклеточных участников трансдукции сигнала (на рис. 27 это белки RAS, BRAF, МЕК, а также множество других, которые просто не поместятся в эту статью). антиапоптотические факторы, например, Bcl- 2 [12].
Зачем это знать? Многие из вышеперечисленных белков являются мишенями для препаратов таргетной терапии (целенаправленная терапия). Существующие препараты сильно поменяли тактику лекарственного лечения ряда опухолевых заболеваний.
В качестве наиболее распространенных примеров: аденокарцинома легкого при наличии мутаций гена EGFR поддается лечению ингибиторами EGFR (осимертиниб, гефитиниб, афатиниб — в зависимости от вида мутации). Меланома при мутации RAF (в частности, BRAFV600E) поддается лечению BRAF-ингибиторами (вемурафениб, дабрафениб). Более подробно мы расскажем об этом в другой раз.
Онкосупрессоры
Иногда происходит так, что мутация задевает гены, кодирующие белкионкосупрессоры. Это белки, способные заблокировать клеточный цикл в случае наличия неисправимых повреждений ДНК и включить программу апоптоза.
К наиболее известным белкам-онкосупрессорам относят p53, pRb, PTEN. Их функции различны. Так, р53 запускает программу апоптоза путем активации каспаз 3, 8, 9 и других молекул-участников апоптоза. РRb, или белок ретинобластомы, останавливает движение клеточного цикла в фазе G1, не давая клетке пролиферировать (рис. 23).
Рисунок 23 | Переход из G1 в S фазу клеточного цикла
Белок ретинобластомы (RB1) выступает контрольной точкой между этими двумя фазами. При фосфорилировании pRB1 распадается комплекс RB1-E2F, который тормозил прохождение клеткой клеточного цикла. Тем самым E2F в отсутствие угнетающего влияния RB1 запускает экспрессию генов, необходимых для репликации ДНК.
Происходит это за счет инактивации соответствующих факторов репликации, в частности, EEF2 (эукариотический фактор элонгации 2). PTEN (рис. 28) является инактиватором различных участников МАРК-путей. Нарушение работы онкосупрессоров в результате мутации их гена — важный фактор формирования большинства опухолей у человека [2, 8, 12], а также предиктор неблагоприятного исхода онкологического заболевания.
В результате мутаций в протоонкогенах и генах-онкосупрессорах мы получаем клетки, неадекватно реагирующие на ростовые сигналы. Такие клетки способны к автономному росту, инвазии в окружающие ткани, а затем — к метастазированию в отдаленные уголки организма [2]. Все это составляет суть опухолевого процесса.
Биохимические аспекты цитостатической терапии, направленной на угнетение метаболизма ДНК
Химиотерапия злокачественных новообразований различной природы на примере ингибиторов топоизомераз
На сегодняшний день достигнуты значительные успехи в лечении злокачественных новообразований. Разработаны схемы и режимы цитостатической химиотерапии для опухолей различной локализации и морфологической природы. Несмотря на различие этих схем, принцип действия химиотерапевтических цитостатических препаратов в глобальном и общем смысле является универсальным. Он заключается в остановке клеточного цикла и угнетении пролиферации опухолевых клеток. Каждая группа препаратов делает это по-своему. Главным недостатком цитостатической химиотерапии является низкая селективность препаратов: они угнетают все пролиферирующие клетки организма.
Ингибиторы топоизомераз. В опухолевых клетках в силу высокой пролиферативной активности прослеживается высокая активность топоизомераз (преимущественно I и II типов). Теканы (топотекан, иринотекан) ингибируют топоизомеразу I типа.
Антрациклины (доксорубицин, идарубицин эпирубицин), эпиподофиллотоксины (производные подофиллотоксина, такие как этопозид, тенопозид) являются ингибиторами топоизомераз II типа. Поскольку топоизомеразы поддерживают пространственную ориентацию нитей ДНК при репликации, их ингибирование является фатальным для опухолевой клетки. Указанные выше группы препаратов нашли
широкое применение в онкологии. Так, антрациклины входят в схемы лечения солидных опухолей (в частности, рака легкого, желудка, рака молочной железы, мочевого пузыря, сарком мягких тканей), онкогематологических заболеваний [3, 7].
К сожалению, данные типы топоизомераз присутствуют и в здоровых тканях организма. Из-за этого развиваются побочные эффекты, часто специфичные для некоторых ингибиторов топоизомераз. Так, в последние годы появляется все больше сообщений о развитии антрациклиновой кардиотоксичности.
Антрациклин-индуцированная кардиотоксичность — феномен, характеризующийся постоянно прогрессирующим снижением фракции выброса левого желудочка миокарда с последующим развитием хронической сердечной недостаточности. Развитие данного осложнения связано с тем, что механизм противоопухолевого действия антрациклинов включает не только ингибирование топоизомеразы опухолевых клеток, но и продукцию в них активных радикалов кислорода, разрушительно влияющих на ДНК.
Опасность антрациклиновой кардиотоксичности заключается и в том, что зачастую очень сложно отследить развитие сердечной недостаточности в силу ее поздней клинической манифестации. Между тем Европейское общество кардиологов (ESC), а также Европейское общество медицинской онкологии (ESMO) предложили рекомендации для ведения пациентов, получающих кардиотоксичную химиотерапию. Более подробно об этом можно узнать здесь.
Химиотерапия аутоиммунных заболеваний на примере антиметаболитов
Механизмы развития аутоиммунных заболеваний сложны, но достаточно часто они включают в себя пролиферацию аутореактивных (опасных в отношении тканей собственного организма) лимфоцитов. Это обусловлено угнетением негативной селекции аутореактивных лимфоцитов, избеганием ими апоптоза. Лимфоциты относятся к группе быстро пролиферирующих клеток, поэтому в лечении множества аутоиммунных (иммунопатологических) заболеваний применяются цитостатики. Наиболее известными являются антиметаболиты фолиевой кислоты, в частности, метотрексат [10].
Метотрексат является ингибитором дигидрофолатредуктазы и тимидилатсинтетазы
(рис. 24)
Рисунок 24 | Образование дТМФ. Тетрагидрофолатредуктаза как мишень для метотрексата.
Конкурентное ингибирование данных ферментов приводит к снижению синтеза одного из субстратов, необходимых для репликации ДНК — дезокситимидинтрифосфата. Механизм действия обусловливает применение метотрексата в лечении как опухолевых заболеваний (преимущественно гемобластозов), так и аутоиммунных, например, ревматоидного артрита, болезни Крона и неспецифического язвенного колита (один из препаратов резерва), а также диффузных заболеваний соединительной ткани. Хотя сейчас появились более безопасные и эффективные препараты, метотрексат и по сей день не потерял своего значения. Особое место он занимает в лечении ревматоидного артрита — аутоиммунного поражения суставов и периартикулярных тканей, которое без лечения заканчивается контрактурой суставов, ограничением подвижности, инвалидностью, амилоидозом внутренних органов и множеством других проблем.
Подведем итоги
Синтез ДНК, процесс считывания и реализации генетической информации таит в себе множество вопросов. Однако именно в этих сложных процессах можно найти ключ к лечению многих заболеваний. Для меня это был самый интересный раздел за все годы обучения в университете, потому что это фундаментальный вопрос, в котором можно копаться бесконечно. Коснувшись процессов репликации ДНК и синтеза белка, мы с тобой попутно рассмотрели вопросы антибактериальной терапии, аспекты возникновения опухолей и их лечения, а также терапию аутоиммунных заболеваний, и это я вовремя остановился. Я осветил лишь те моменты, которые казались мне наиболее интересными и важными, но, если у меня получилось заинтересовать тебя и побудить разбираться самостоятельно, значит, я писал все это не напрасно.
В молекулярной биологии можно найти объяснение очень многим вещам, но у меня
пока получается находить только все новые и новые вопросы.
Глава 3 | Катаболизм и биоэнергетика
Глава 4 | Катаболизм липидов
Источники
1.Наглядная биохимия / Я. Кольман, К.-Г. Рём ; пер. с англ. Т. П. Мосоловой. — 5-е изд., перераб. и доп. — М. : Лаборатория знаний, 2018.
2.Патологическая биохимия /Таганович А.Д., Олецкий Э.И., Котович И.Л./ Под общей редакцией Тагановича А.Д. – М.: БИНОМ, 2015 г..
3.Нельсон Д., Кокс М. Основы биохимии Ленинджера: в 3 т. Т. 3. – М.: Лаборатория знаний, 2015 г.
4.Тараховский Ю.С., Ким Ю.А., Абдрасилов Б.С., Музафаров Е.Н. Флавоноиды: биохимия, биофизика, медицина, 2013 г.
5.«Регуляция активности протеасом в клетке с помощью специфического выключения гена, кодирующего одну из субъединиц протеасомы метода РНК-интерференции». Монахов М.В, Институт Молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН, 2004 г.
6.Тимин О.А. Основы биологической химии, 2018 г.
7.Cristiana Sessa, Luca Guanni et al. ESMO HANDBOOK OF CLINICAL PHARMACOLOGY OF ANTI-CANCER AGENTS, 2012.
8.Портал «Биохимия для студента», раздел «Матричные биосинтезы». URL: https://biokhimija.ru/lekcii-po-biohimii.html.
9.В. М. Виноградов, Е. Б. Каткова. Фармакология с рецептурой, 2016 г.
10.Федеральные клинические рекомендации «Ревматоидный артрит», 2017 г.
11.Глушаков Р.И., Власьева О.В., Соболев И.В., Прошин С.Н., Тапильская Н.И. Тиреоидный статус как прогностический маркер в онкологии. Злокачественные опухоли, 2015.
12.C. Зилбернагль, Ф. Ланг. Клиническая патофизиология, 2016 г.