Нейрон-специфическая енолаза: роль физиологического фермента гликолиза в выживании и миграции опухолевых клеток

Нейрон-специфическая енолаза (гамма-енолаза, енолаза 2, НСЕ) — фермент класса лиаз, один из трех типов енолаз позвоночных животных. Данный тип енолаз является специфичным для зрелой нервной ткани и чаще обнаруживается в нейронах, астроцитах и глиальных клетках после начала их дифференцировки.

Уровень НСЕ в сыворотке крови существенно повышается при наличии многих патологий с локализацией в головном мозге, в том числе и при опухолевой прогрессии.

Все енолазы являются функционально активными в форме димеров из альфа-, бета- и гамма-субъединиц, соединенных нековалентной связью. Различные сочетания субъединиц могут формировать пять гомо- и гетеродимерных изоферментов. НСЕ существует в вариантах γγ- и αγ-димеров.

Для стабилизации димерной структуры енолазы используют ионы металлов: магния, цинка, кобальта, марганца, никеля и кадмия. При этом ионы металлов не встроены в белковую структуру енолаз, поэтому последние определяют не как металлоферменты, а как активируемые металлами ферментные комплексы.

Как и другие енолазы, изоформы НСЕ локализуются преимущественно в цитозоле клеток. Точная локализация енолаз обеспечивается короткими вариабельными участками в их структуре, которые выполняют роль контактов с элементами цитоскелета.

В нейронах и клетках нейроэндокринной системы гамма-енолаза специфично ассоциирована с плазматической мембраной. В малых количествах НСЕ обнаруживается в цитоплазме клеток, не связанных с нервной и нейроэндокринной системами.

Так, было отмечено наличие фермента в эритроцитах, клетках предстательной железы и матки. При этом в случае неспецифической локализации НСЕ обнаруживается изоформа, состоящая из альфа- и гамма-субъединиц, тогда как большая часть фермента в нервной ткани является гомодимерной. Также гамма-енолаза обнаруживается в ядрах злокачественно трансформированных клеток уротелия и эпителия молочных желез.

Физиологическая роль НСЕ заключается в катализе дегидратации 2-фосфоглицерата в ходе гликолиза, который является основным механизмом получения энергии нейронами. В ходе глюконеогенеза данный фермент катализирует обратную реакцию превращения фосфоенолпирувата.

Гликолитическая роль НСЕ сохраняется и при опухолевой прогрессии. Активная экспрессия ферментов гликолиза, в том числе и гамма-енолазы, реализует эффект Варбурга, приводящий к образованию большого количества энергетических субстратов для клеток растущей опухоли.

Открытие регуляторных функций енолаз дает основание предполагать, что их роль в физиологических и патологических процессах заключается не только в реализации гликолитического эффекта. В строении гамма-енолазы выделяют С-концевую часть, которая не участвует в гликолизе.

Данный участок обеспечивает выживание нейронов при повреждении нервной ткани за счет регуляции работы сигнальных путей. В ткани опухоли С-концевой участок НСЕ снижает влияние терапевтических агентов на трансформированные клетки и аналогичным образом предотвращает их деградацию.

Рисунок 1 | Упрощенная схема участия НСЕ в выживании нейронов (прим. — аналогичный механизм функционирует для клеток опухоли)

Кроме того, результатом функционирования НСЕ в опухолевых клетках является ремоделирование их цитоскелета с формированием актиновых филаментов, облегчающих миграцию и инвазию клеток. Таким образом, обеспечивая метаболизм и выживание опухоли при проведении терапии, НСЕ существенно ускоряет процесс опухолевой прогрессии.

В норме НСЕ в сыворотке крови определяется в концентрации до 15 нг/мл. Повышение сывороточного уровня фермента может быть связано как с повреждениями нервной ткани (внутримозговое кровоизлияние, ишемическое поражение, кома и т. д.), так и с опухолевым ростом, что часто используется при диагностике, стадировании и лечении нейробластом и нейроэндокринных опухолей.

На сегодняшний день НСЕ является наиболее точным маркером развития мелкоклеточного рака легкого (МКРЛ). Так, согласно одному из исследований, уровень сывороточной НСЕ повышается в 93 % случаев МКРЛ. При этом сывороточный уровень фермента коррелирует с размерами опухоли, количеством метастатических очагов и эффективностью терапии.

В сравнении с другими маркерами МКРЛ, например, изоформами лактат-дегидрогеназы, НСЕ демонстрирует большую специфичность, и по колебаниям сывороточной концентрации этого фермента можно достоверно судить об эффективности проводимой терапии.

Реже сывороточный уровень НСЕ повышается при развитии немелкоклеточного рака легкого. Повышение уровня данного фермента было обнаружено на всех стадиях нейробластомы, а максимальные уровни среди исследуемых были достигнуты при метастатической болезни, вызванной этой опухолью.

Определение концентрации НСЕ в пуповинной крови дает возможность ранней постнатальной диагностики нейробластомы новорожденных. Реже повышение уровня гамма-енолазы ассоциировано с меланомой, семиномой, почечно-клеточной карциномой, злокачественной феохромоцитомой.

Рисунок 2 | Направления интерпретации повышенного уровня НСЕ в сыворотке крови при некоторых типах опухолей

Необходимо отметить, что в случае нейроэндокринных опухолей специфичность НСЕ невелика. По этой причине опухоль принято считать нейроэндокринной, если в сыворотке крови обнаруживается как минимум два соответствующих маркера, одним из которых является гамма-енолаза. В большинстве случаев злокачественных новообразований по уровню НСЕ судят не о наличии опухоли, а о ее ответе на терапию и о выживаемости пациентов.

Выживаемость пациентов с распространенными формами НСЕ-положительных опухолей напрямую зависит от концентрации фермента в сыворотке крови до проведения терапии и после ее начала.

Рисунок 3 | Зависимость выживаемости пациентов с глиобластомой от уровня НСЕ в сыворотке крови (прим. — высокий уровень соответствует значениям 70–90 нг/мл)

Таким образом, роль нейрон-специфической енолазы в онкогенезе плейотропна и зависит как от широко изученных физиологических эффектов фермента, так и от менее известных регуляторных влияний. На сегодняшний день не представляется возможным использовать эти данные для терапии новообразований.

Однако роль НСЕ в диагностике опухолей стремительно растет, и можно предполагать, что в будущем данный фермент станет маркером многих опухолей нейроэндокринного происхождения.

Источники:

1. New Insights into the Role of Neuron-Specific Enolase in Neuro-Inflammation, Neurodegeneration and Neuroprotection. / Azizul Haque, Rachel Polcyn, Denise Matzelle, Naren L. Banik. // Brain Sci. - 2018. - Vol. 8, №2.
2. Neuronal markers are expressed in human gliomas and NSE knockdown sensitizes glioblastoma cells to radiotherapy and temozolomide. / Tao Yan, Kai Ove Skaftnesmo, Lina Leiss [et al] // BMC Cancer. - 2011. - Vol. 11, №254.
3. Serum neuron-specific enolase (S-NSE) in progressive small-cell lung cancer (SCLC). / LGM Jorgensen, K Osterlind, HH Hansen, EH Cooper. // Brit J Canc. - 1994. - Vol. 70. - p. 759-761.
4. Predictive and Prognostic Significance of Neuron-specific Enolase (NSE) in Non-small Cell Lung Cancer. / Marcello Tiseo, Andrea Ardizzoni, Mara Argenide Cafferata [et al] // Anticancer Res. - 2008. - Vol. 28. - p. 507-514.
5. Neuron-Specific Enolase as a Biomarker: Biochemical and Clinical Aspects. / Maria Antoinetta Isgro, Patrizia Bottoni, Roberto Scatena. // Adv Exp Med Biol. - 2015. - Vol. 867. - p. 125-143.
6. Gamma-enolase: a well-known tumour marker, with a less-known role in cancer. / Tjasa Vizin, Janko Kos. // Radiol Oncol. - 2015. - Vol. 49, №3. - p. 217-226.
7. Gamma-enolase C-terminal peptide promotes cell survival and neurite outgrowth by activation of the PI3K/Akt and MAPK/ERK signalling pathways. / Hafner A, Obermajer N, Kos J. // Biochem J. - 2012. - Vol. 443, №2. - p. 439-450.