Молекулярные механизмы гипертрофии сердца. Часть 2. Патологическая гипертрофия

В предыдущей статье мы коснулись механизмов, посредством которых происходит физиологическая гипертрофия сердца. Теперь давайте рассмотрим, как развивается ее патологический вариант (как мы помним, эти два процесса постоянно конкурируют). В данном случае, помимо роста кардиомиоцитов и синтеза белка, происходят следующие процессы: некроз клеток, фиброз, дизрегуляция кальциевых каналов, дисфункция митохондрий, поражение структуры саркомер, недостаточный ангиогенез. Активация ряда сигнальных путей приводит к декомпенсации и разнообразным патологическим состояниям — артериальной гипертензии, инфаркту миокарда, сердечной недостаточности [1].

Ангиотензин II и эндотелин-1

Эти два вещества представляют собой пептидные гормоны, которые связываются со специфичными трансмембранными рецепторами, связанными с G-белками, что приводит к активации собственно G-белков. Одним из основных является белок Gq/11, он в свою очередь активирует фосфолипазу С (PLC — phospholipase C), которая запускает синтез диацилглицерола (DAG — diacylglycerol) и инозитол-3-фосфата (I3P — inositol-3-phosphate). Оба эти вещества играют важную роль в развитии гипертрофии (ниже разберем подробнее).

Перинуклеарно расположена одна из фосфолипаз С — PLCε. Семейство PLC содержит ряд различных ферментов, список которых постоянно пополняется. В 2001 году был описан очередной класс этих белков — фосфолипаза С-эпсилон [2]. Авторами публикации новая PLC рассматривалась прежде всего как новый эффектор сигнального пути RAS (это гены и кодируемые ими рецепторы — т. н. «малые ГТФ-азы», участвуют в регуляции клеточного цикла и интересны своей онкогенностью — прим.).

Однако нас PLCε интересует в другом контексте. Уже давно было обнаружено, что PLCε участвует определенным образом в развитии гипертрофии миокарда [3]. Впоследствии было выявлено, что PLCε в аппарате Гольджи расщепляет фосфатидил-инозитол-4-фосфат (PI4P — phosphatidyle-inositole-4-phosphate) на две молекулы: DAG и инозитол-2-фосфат, I2P. Последний снижает выход кальция из депо (в норме кальций выходит под влиянием I3P, который, по-видимому, является функциональным антагонистом I2P) [4].

DAG — мессенджер, который активирует протеинкиназу D (PKD), располагающуюся в нуклеоплазме. PKD в свою очередь фосфорилирует гистондеацетилазу 5 (HDAC — histone deacetylase), вследствие чего HDAC5 выходит из ядра [1, 4]. К гистоновым деацетилазам мы также вернемся чуть позднее.

Итак, как было сказано выше, основные мессенджеры — I3P и DAG. Первый, взаимодействуя с ЭПР (и саркоплазматическим ретикулумом), увеличивает выход Ca²⁺ из депо. Ca²⁺ активирует кальций-кальмодулиновый комплекс и белок кальцинейрин.

Кальций-кальмодулиновый комплекс активирует два важнейших фермента — протеинкиназу С альфа (PKCα) и особую кальций/кальмодулин-зависимую протеинкиназу II типа (CaMKII). PKCα регулирует сократимость кардиомиоцита путем угнетения ингибитора фосфатазы 1 и индуцируя таким образом работу этой самой фосфатазы 1. Последняя активирует уже известный читателю из предыдущей статьи фосфоламбан (PLN — phospholamban). PLN, в свою очередь, ингибирует SERCA2 — фермент, необходимый для развития физиологической гипертрофии [1]. Если сократить всю эту сложную схему, мы видим, что PKCα, активированная I3P через кальций-кальмодулиновый комплекс, препятствует развитию нормальной естественной гипертрофии миокарда в ответ на более высокую нагрузку.

Помимо PKCα , важную роль играет и CaMKII. Она активируется не только кальций-кальмодулиновым комплексом, но и при повышении концентрации цАМФ, активных форм кислорода, а также посредством PLCε. В отличие от PKCα, эта киназа инициирует патологический вариант гипертрофии. Существует 4 изоформы CaMKII (α, β, γ, и δ), в сердце же основная форма — CaMKIIδ. Данная киназа активирует рианодиновые рецепторы 2 (семейство рианодиновых рецепторов формирует кальциевые каналы в возбудимых клетках — прим.), что приводит к утечке кальция и снижению сократимости клетки [1], в результате чего возникает декомпенсация.

Помимо этого, CaMKII способствует выходу из нуклеоплазмы гистондеацетилазы 4 (HDAC4). Здесь необходимо сделать небольшое отступление и вспомнить, что одним из способов регуляции работы генов является ацетилирование и деацетилирование гистоновых белков. Обычно ацетилирование приводит к повышению транскрипции, деацетилирование — наоборот (в общих чертах; в реальности в клетках все несколько сложнее). Ацетилирование осуществляется с помощью гистонацетилтрансфераз, а обратный процесс — гистондеацетилазами (HDAC). Баланс между этими ферментами играет ключевую роль в изменении экспрессии генов [5].

Собственно, семейство HDAC — это белки-регуляторы, которые в медицине наиболее известны как потенциальные мишени в терапии сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний. Выделяют несколько субсемейств, и представители одного из них — HDACIIa — являются ингибиторами гипертрофии миокарда. К этому субсемейству относится HDAC4, HDAC5 (инициируемый PLCε), HDAC7 и HDAC9. Все они действуют на миоцит-специфический энхансер фактор 2 (MEF2 — myocyte-specific enhancer factor 2), который имеет целый ряд разнообразных функций. MEF2, влияя на различные факторы транскрипции, препятствует развитию нормальной компенсаторной гипертрофии, ингибируя клеточную пролиферацию (а, как мы помним, это одно из необходимых условий физиологической гипертрофии) [6, 7]. Также результатом работы HDAC и MEF2 в миокарде является замедление и снижение гипертрофии отдельных кардиомиоцитов, что приводит к невозможности усиления сократительной функции сердца в целом [1, 5].

Вновь возвратимся к I3P и вызываемому им увеличению Ca²⁺. Помимо кальций-кальмодулинового комплекса, Ca²⁺ также активирует кальцинейрин. Это — фосфатаза, которая дефосфорилирует особую сигнальную систему нуклеарных факторов активированных Т-лимфоцитов (NFAT — nuclear factor of activated T cells). Последняя взаимодействует с различными факторами транскрипции (преимущественно GATA4 или MEF2), в результате происходит экспрессия генов, отвечающих за развитие патологической гипертрофии [1, 8].

Катехоламины

При повышенной физической нагрузке усиливается влияние симпатической нервной системы, что в свою очередь увеличивает концентрацию катехоламинов — нейроэндокринных медиаторов. Связываясь с α- и β-адренорецепторами, они запускают стандартный каскад: аденилатциклаза → цАМФ → активация протеинкиназы А → высвобождение кальция из депо и усиление сократительной активности

К патологическим состояниям (гипертония, инфаркт миокарда) приводит хроническая стимуляция β-адренорецепторов путем развития патологической гипертрофии и десенсибилизации этих рецепторов, и обеспечивают это киназы рецепторов, связанных с G-белками (GRKs — G-protein coupled receptor kinases). Для миокарда специфичными являются GRK2 и GRK5, и их содержание в клетках увеличивается при сердечной недостаточности (и прочих декомпенсированных патологических состояниях) [1].

Повышение количества цАМФ также приводит к активации двух белков — EPAC1 и EPAC2 — специфичных рецепторов для циклического монофосфата. В сердце наиболее широко представлен EPAC1, который, активируя кальцинейрин-NFAT-систему, приводит к развитию патологического варианта гипертрофии [1].

Мишень рапамицина млекопитающих (mTOR)

Для гипертрофии миокарда необходим усиленный синтез белка и сниженный уровень его деградации. mTOR — это серин/треониновая протеинкиназа (mammalian target of rapamycin), которая находится в клетке в составе двух комплексов — mTORC1 и mTORC2. Эти комплексы как раз и занимаются регуляцией синтеза и деградации полипептидов в клетке.

В предыдущей статье было указано, что mTOR — звено, необходимое для развития физиологической гипертрофии. Этот регулятор активирует рибосомальную протеинкиназу S6 β-1 (RPS6K1 — ribosomal protein S6 kinase-β1), которая инициирует трансляцию и синтез белка; также mTOR активирует эукариотический фактор трансляции 4F (elF4F); все это ведет, как мы помним, к физиологической гипертрофии. Правда, согласно современным данным, протеинкиназа S6 не задействована ни в одной из форм гипертрофии миокарда [1]. В любом случае, активация mTOR, вроде как, по всем параметрам — совершенно нормальное компенсаторное явление.

Но длительная активация mTOR, оказывается, крайне вредна. Постоянное ингибирование аутофагии белков ведет к постепенному ухудшению регуляторных механизмов. В норме mTOR ингибируется АМФ-активированной протеинкиназой (AMPK), но если этого не происходит, начинает развиваться патологическая гипертрофия. В экспериментах при фармакологическом ингибировании mTOR неожиданно ослаблялся эффект ангиотензина-II и замедлялась прогрессия декомпенсированной гипертрофии. Механизмы этого, правда, пока остаются неизвестны [1, 9].

Комплексы mTORC1 и mTORC2 различаются по своим функциям и, как следствие, роли в развитии гипертрофии. mTORC1 активирует S6K1 (которая вряд ли имеет значение в гипертрофии миокарда) и elF4F. Это ведет к развитию физиологической гипертрофии при условии, что регуляция самого mTORC1 не нарушена, иначе постепенно будет развиваться декомпенсация.

Что же до mTORC2 — этот комплекс работает немного иначе. Он активируется в ответ на повышенную нагрузку на миокард и препятствует апоптозу кардиомиоцитов. mTORC2 ингибирует проапоптотический белок (MST1 — mammalian STE20-like protein kinase 1). Это, напротив, способствует физиологическому варианту гипертрофии.

Натрийуретические пептиды

Согласно современным данным, натрийуретические пептиды (в основном предсердный и мозговой — ANP, BNP) выполняют антигипертрофическую и кардиопротективную функцию. Связываясь со своими рецепторами, ANP и BNP активируют гуанилатциклазу, далее происходит увеличение синтеза цГМФ и активация протеинкиназы G (PKG). PKG ингибирует сигнальные пути, необходимые для любого вида гипертрофии — кальцинейрин-NFAT, и ионные каналы с транзиторным рецепторным потенциалом — TRP (точнее, одну из их фракций — каноничные TRP).

При этом по механизму обратной связи с увеличением количества цГМФ активируются и расщепляющие ее ферменты. В кардиомиоцитах наиболее известны две такие молекулы: PDE5A и PDE9A (phosphodiesterases 5A, 9A). Их функция прямо противоположна кардиопротекторному действию натрийуретических пептидов и NO, под их влиянием снижается количество цГМФ, что способствует развитию гипертрофии. В исследованиях наблюдалось повышение уровня PDE5A и PDE9A именно при патологической форме гипертрофии [1].

Роль других клеток

До сих пор мы говорили только о том, что происходит в кардиомиоцитах. Но, помимо этого, в развитии гипертрофии сердца участвует и множество других клеток. К примеру, фибробласты составляют достаточно большой процент клеточной популяции в сердце. Фактор роста фибробластов (FGF — fibroblast growth factor) и трансформирующий фактор роста β1 (TGFβ1) участвуют в регуляции и пролиферации кардиомиоцитов и разрастании соединительной ткани. Например, дефект FGF2 у мышей приводил к дилатационной кардиомиопатии без развития компенсаторной гипертрофии.

Содержание TGFβ1 увеличивается в ответ на патологические стимулы, что приводит к гипертрофии и фиброзу. Классический сигнальный путь TGFβ1-SMAD2/SMAD3 способствует разрастанию соединительной ткани без инициирования компенсаторной гипертрофии (SMAD — группа белков-медиаторов для TGFβ1 — прим.). Существуют и «неканоничные» сигнальные пути, которые индуцирует трансформирующий фактор роста, например, SMAD-TAK1 (TGFβ1-activated kinase 1). В этом случае происходит развитие патологической гипертрофии и фиброза [1].

Помимо фибробластов, важную роль в развитии гипертрофии играют и иммунные клетки (вместе с их медиаторами). Ни для кого не секрет, что содержание провоспалительных медиаторов — IL-1, IL-6, TNF — повышается при патологической гипертрофии и инфаркте миокарда. IL-6, связываясь со специфическими рецепторами, стимулирует сигнальный путь JNK (основная функция которого — контроль клеточной пролиферации). Все это приводит к развитию патологической гипертрофии. Правда, нельзя назвать однозначной роль интерлейкинов (в частности, белков семейства IL-6) в этом вопросе. К примеру, недостаточность IL-6Rβ (участвующего в развитии патологической гипертрофии) приводит к сердечной декомпенсации, при этом физиологическая гипертрофия не развивается [1, 9].

Эндотелиальные клетки также не остаются в стороне. В ответ на повышение давления эндотелиоциты секретируют IL-33, который взаимодействует с мембраносвязанным ST2 кардиомиоцитов (белок семейства IL-1, известен как кардиомаркер повышенной нагрузки на сердце и предшественник различных патологических состояний). По-видимому, IL-33 способствует стабилизации работы сердца, так как вливание инфузий IL-33 снижает степень гипертрофии и фиброза. В то же время ингибирование гена IL-33, наоборот, способствует развитию патологической гипертрофии [1].

Итог

В предисловии было сказано, что механизмы, отвечающие за тот или иной вид гипертрофии, постоянно конкурируют между собой. Но, помимо этого, они также тесно взаимодействуют друг с другом. Особенную трудность представляет следующий парадокс: практически все механизмы, которые приводят к патологической гипертрофии, носят компенсаторный характер. Например, ингибирование системы кальцинейрин-NFAT (которая вроде бы «плохая») приводит к быстрой декомпенсации и внезапной смерти [1].

Подобным образом и механизмы, отвечающие за физиологическую гипертрофию, могут приводить к аритмиям и различным патологическим состояниям (особенно при наличии определенных мутаций).

Данное явление не позволяет провести четкую границу между «физиологией» и «патологией». По-видимому, ключевая роль в нормальном функционировании сердца — в балансе между этими двумя системами, каждая из которых может оказаться полезной в отдельных случаях.

Источники:

1. M. Nakamura and J. Sadoshima, ‘Mechanisms of physiological and pathological cardiac hypertrophy’, Nat. Rev. Cardiol., vol. 15, no. 7, pp. 387–407, 2018.
2. G. G. Kelley, S. E. Reks, J. M. Ondrako, and A. V. Smrcka, ‘Phospholipase Cε: A novel Ras effector’, EMBO J., vol. 20, no. 4, pp. 743–754, 2001.
3. L. Zhang, S. Malik, G. G. Kelley, M. S. Kapiloff, and A. V. Smrcka, ‘Phospholipase Cε scaffolds to muscle-specific A kinase anchoring protein (mAKAPβ) and integrates multiple hypertrophic stimuli in cardiac myocytes’, J. Biol. Chem., vol. 286, no. 26, pp. 23012–23021, 2011.
4. L. Zhang et al., ‘Phospholipase Cε Hydrolyzes Perinuclear Phosphatidylinositol 4-Phosphate to Regulate Cardiac Hypertrophy’, Cell, vol. 153, no. 1, pp. 216–227, 2013.
5. M. Haberland, R. L. Montgomery, and E. N. Olson, ‘The many roles of histone deacetylases in development and physiology: Implications for disease and therapy’, Nat. Rev. Genet., vol. 10, no. 1, pp. 32–42, 2009.
6. A. Han, J. He, Y. Wu, J. O. Liu, and L. Chen, ‘Mechanism of recruitment of class II histone deacetylases by myocyte enhancer factor-2’, J. Mol. Biol., vol. 345, no. 1, pp. 91–102, 2005.
7. T. A. McKinsey, ‘Targeting inflammation in heart failure with histone deacetylase inhibitors’, Mol. Med., vol. 17, no. 5–6, pp. 434–441, 2011.
8. J. D. Molkentin et al., ‘A calcineurin-dependent transcriptional pathway for cardiac hypertrophy’, Cell, vol. 93, no. 2, pp. 215–228, 1998.
9. M. Maillet, J. H. Van Berlo, and J. D. Molkentin, ‘Molecular basis of physiological heart growth: Fundamental concepts and new players’, Nat. Rev. Mol. Cell Biol., vol. 14, no. 1, pp. 38–48, 2013.