Сигнальные пути
Для удобства клеточный «сигналинг» буду описывать с поправкой на клетки скелетно-мышечной (опорно-двигательной) системы. Свое название сигнальные пути получили по названию ведущего белка или процесса.
Сигнальный путь Аденозинмонофосфат (АМФ)-активированной протеинкиназы (АМРК). АМФК – фермент, действующий как «энергетический сенсор», регулирующий энергетический гомеостаз при понижении уровня клеточного аденозинтрифосфата (АТФ). Участвует в катаболических и анаболических процессах на молекулярном и клеточном уровнях. Влияет на регуляцию аппетита в гипоталамусе.
[Далее: протеинкиназы – это большая группа ферментов, которые катализирует перенос концевого остатка фосфата с АТФ на различные группы в структуре белка; по сути – активаторы биохимических реакций].
В ходе реакции, катализируемой протеинкиназами, нейтральная спиртовая группа белка превращается в сложный эфир, несущий большой отрицательный заряд. Это приводит к значительным изменениям в структуре белка, сопровождается его структурными перестройками и изменением свойств. Химическая модификация молекулы белка, происходящая под действием протеинкиназ, является эффективным способом регуляции активности многих ферментов и других внутриклеточных белков. Остаток фосфорной кислоты, перенесенный протеинкиназой на спиртовую группу белка, может быть удален под действием другого фермента – фосфатазы. Таким образом, протеинкиназы и фосфатазы образуют две группы ферментов-антагонистов, способных осуществлять обратимую модификацию белков-мишеней и тем самым регулировать их активность].
Сигнальный путь Wnt/β-катенин (Wnt wingless-type signaling pathway) – филогенетически древний механизм регуляции развития и поддержания гомеостаза тканей за счет контроля пролиферации (деления), дифференцировки стволовых клеток, миграции и апоптоза (запрограммированной смерти клеток). Активный участник процессов регенерации, роста костей, и массы других процессов, связанных с морфогенезом и определением клеточной судьбы. Катаболический путь для хрящевой ткани (для диска).
Сигнальный путь Ядерного фактора «каппа-би» [официально: транскрипционный фактор NF-κB; англ. nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells]; центральный компонент клеточного ответа на повреждение, стресс или воспаление. Мастер – регулятор катаболических и воспалительных реакций клеток: функционирует как один из важнейших быстродействующих внутриклеточных мессенджеров, соединяющий самые разнообразные сигналы окружающей среды с последующей экспрессией многочисленных генов. NF-κB оперативно регулирует различные биологические процессы, начиная от роста клеток, их выживания до развития тканей и органов. Играет ведущую роль в патогенезе многих хронических воспалительных процессов. NF-κB регулирует многие гены, участвующие в кодировании цитокинов, хемокинов, белков острой фазы, молекул адгезии, индуцибельных эффекторов ферментов (например, циклооксигеназы-2 (ЦОГ- 2; СОХ-2), таким образом являясь активатором иммунных и воспалительных реакций. NF-κB является центральным звеном активации генов, кодирующих регуляторы апоптоза и клеточной пролиферации.
Применительно к болям в спине: активация NF-κB повышает синтез матриксных металлопротеиназ (ММР -1, 3, 13) и аггреканаз (ADAMTS 4,5) в хондроцитах хрящей суставов и хондроцитоподобных клетках диска в ответ на механический стимул (компрессия), тканевую гипоксию, оксидативный стресс, продукты гликации, клеточный детрит («мусор»), ацидоз (снижение pH диска).
Матриксные металлопротеиназы (Matrix metalloproteinases; ММР) – основные протеолитические энзимы в организме, разрушающие белковые структуры (матрикс тканей). Их синтез приводит к «расплавлению» матрикса диска или хрящевых поверхностей суставов.
Аггреканазы (A Disintegrin and Metalloproteinase with Thrombospondin motifs; ADAMTS) – основные протеолитические энзимы, разрушающие аггреканы, белковые комплексы, удерживающие воду в тканях.
Сигнальный путь Митоген – активируемой протеинкиназы (MAPK) – нечто среднее между NF-κB и Wnt/β-катенин сигналингом: клеточный ответ будет зависеть от стимула.
В «семью» MAPK входят ERK, p38MAPK и JNK. Экстраклеточный-сигнал регулируемая киназа (ERK) активируется митогенами, ростовыми факторами, трансформирующими факторами роста, факторами роста фибробластов и инсулиноподобным фактором роста, таким образом регулируя рост клеток, их дифференциацию, развитие и жизненный цикл. Сигналинг ERK поддерживает выживаемость клеток при гипоксии и перепадах осмотического давления. Механочувствительный (активируется интегринами). При активации провоспалительными цитокинами фактором некроза опухоли-альфа (ФНО- α; TNF-α) и интерлейкином -1 бета (ИЛ-1β; IL-1β) поддерживает воспаление.
p38MAPK – стресс-активируемый путь, регулирующий воспаление, апоптоз, дифференциацию клеток. Активируется гипоксией, гиперосмолярностью, механической нагрузкой, эндоплазматическим стрессом, ацидозом, высоким уровнем глюкозы и провоспалительными цитокинами.
JNK (янускиназный) путь чем-то схож с p38MAPK, только он «легок на подъем» при активации пропионовыми бактериями и легко запускает апоптоз. Активация JNK приводит к повреждению ДНК, повышению синтеза матриксных металлопротеиназ, активации Toll – подобных рецепторов 2 типа (ниже в тексте), индукции синтеза «белка старения» р53. Принимает активное участие в дегенерации дисков.
Суммарно NF-κB и MAPK пути определяют активацию генов, которые регулируют синтез матрикс деградирующих энзимов (ADAMTS 4,5, ММР – 1, 2,3,9, 13, 14) и их антагонистов – тканевых ингибиторов матриксных протеиназ (TIMP-1, 2); матриксных протеинов (аггрекана, коллагена I и II типа), регулируют синтез простагландинов (через ЦОГ – 2); цитокинов ИЛ-6 (IL-6), ИЛ – 8 (IL-8) ; ростовых факторов IGF-1 и TGF – beta1; транскрипционного фактора SOX-9 (влияет на Wnt сигналинг хондроцитов); синтез оксида азота и многое другое.
При этом активация ядерного фактора «каппа би» (NF-κB) помимо выработки провоспалительных цитокинов (IL-1β, TNF-α, IL-6 и др.), в малых количествах вызывает преждевременное «старение» клеток со сменой их фенотипа, в большом количестве – приводит к смерти клеток (апоптозу – «запрограммированной», но часто преждевременной, или к пироптозу – преждевременной смерти вследствие критического повреждения самой клетки). В любом случае, гиперактивация данного транскрипционного фактора не сулит ничего хорошего ни для самой клетки, ни для окружающего ее матрикса, ни для ткани, ни для органа.
Нарушение регулировки сигнальных механизмов, основой которых является NF-κB и MAPK сигналинг, связано со многими тяжелыми болезнями человека, такими как рак, аутоиммунные заболевания, хронические воспаления, нарушение обмена веществ, диабет обоих типов, нейродегенеративные болезни, ревматоидный артрит, остеоартриты, дегенеративная болезнь диска и прочее.
Hedgehog («ежовый») сигналинг – критическая роль в формировании костей: отвечает за дифференцировку остеобластов, хондрогенез, формирование хрящей. Hedgehog (тип Sonic) стимулирует формирование остеокластов и препятствует сращению костей. Участвует в прогрессировании возраст-зависимых заболеваний (сердечно-сосудистые заболевания, старение кожи).
FOX0 (Forkhead box) – катаболический путь для мышц и хрящевой ткани.
NOTCH – регулирует гомеостаз костей. «Ишемический» (зависящий от кровоснабжения) сигнальный путь, завязанный на парциальном напряжении кислорода. Подавляет апоптоз в клетках пульпозного ядра и фиброзного кольца после активации их фактором некроза опухоли-альфа или при гипоксии. Сигнальный путь NOTCH пересекается с NF-κB, MAPK, PI3/AKT и Wnt/β-катениновым путями, влияя на их сигналинг.
Rhoa/ROCK (Ras homolog family member A/Rho-associated protein kinase 1 (ROCK)) – механический путь, активируемый интегринами. Пересекается с Wnt/β-катенин сигнальным путем. Регулирует синтез генов L-Sox-5, Sox-6 и Sox -9, от которых зависит синтез коллагенов I и II типов – основного материала матрикса связочной и хрящевой ткани.
TGF/BMP (путь трансформирующих ростовых факторов/костных морфогенных протеинов) – регуляция роста кости через контроль дифференцировки остеобластов. BMP регулируется миокином Ирисином через интегрины. Снижение BMP сигналинга связано с возрастным остеопорозом.
FGF (фактор роста фибробластов) сигналинг – развитие скелета и дифференцировка фибробластов: стимуляция пролиферации предшественников остеобластов (самообновление костей), регулирует гомеостаз фосфатов, метаболизм витамина D, пересекается с сигнальными путями Wnt и p53/p21(сигнальный путь старения клеток), которые вовлечены в патофизиологию остеопороза и кальцификации сосудов. Взаимодействует с сигнальными путями MAPK и PI3/AKT, опосредовано изменяя их сигналинг.
Сигнальный путь PI3/AKT/mTORC1. (Фосфоинозитид-3 киназа/протеинкиназа В/механическая цель рапамицина). На данном сигнальном пути держится вся физическая реабилитация. В зависимости от типа сигнала данный путь активирует или анаболические гены, или катаболические. Данный путь пересекается с NF-κB и MAPK путями и напрямую подавляет их активность при условии анаболической стимуляции.
PI3/AKT – анаболический путь для хрящевой и связочной ткани. mTORC1 – мастер-регулятор мышечного анаболизма. Если сигнальный путь Wnt/β-катенин специализируется на метаболизме костей, то PI3/AKT/mTORC1 – это метаболизм мягких тканей опорно-двигательной системы.
Существует множество других сигнальных путей, клеточных мессенджеров и транскрипционных факторов активации генов с последующим развитием внутриклеточных, экстраклеточных и тканевых/внутриорганных событий.
Многие из сигнальных путей перекрываются и «переплетаются» между собой, зачастую используя общие сигнальные молекулы/мессенджеры (цитозольные медиаторы). Грубо говоря, сигнальные пути можно сравнить с химическими «дорогами» с их перекрестками и развилками.
Мембранные рецепторы взаимодействуют друг с другом через адапторные белки, при этом сигналы с рецепторов распространяются по различным путям, одновременно активируя различные типы сигнальных мессенджеров/посредников, создавая перекрестные помехи между внутриклеточными сигнальными каскадами. Механические и химические механизмы передачи сигнала стимулируют одни и те же внутриклеточные сигнальные пути (ни один из них не работает изолированно от другого), при этом вызывая синергетические и конкурирующие эффекты, направленные либо на усиление, либо на подавление генетического ответа.
Общий клеточный сигналинг (Википедия).
Актиновые «вожжи».
Механический сигнал через интегрины может передаваться напрямую через систему белковых нитей, соединяющих экстраклеточный матрикс с мембраной клетки, и нитей «цитоскелета», пронизывающих внутриклеточный цитозоль и ведущих напрямую к оболочке ядра. Задействован принцип «вожжей». Это дает выигрыш в скорости биохимической реакции клетки на внешние стимулы. Таким образом, механические нагрузки влияют на транскрипцию генов опосредованно через активируемые рецепторами сигнальные каскады и напрямую через изменение транспорта ядерной мембраны. Поэтому клетку можно представить как компьютер, который суммирует все внешние механические, химические и электрические сигналы и вычисляет, какой ответ в итоге будет выдан в «сборочный цех» клетки: анаболический или катаболический. Синтезированные в результате реакции клетки функциональные белки являются основными факторами в текущем поведении клетки (интракринное/аутокринное влияние) и определяют ее дальнейшую судьбу. Клетка может ответить синтезом структурных белков, используемых для ремоделирования матрикса, или выдать провоспалительный ответ в виде синтеза цитокинов и протеиназ, разрушающих матрикс, или сменить фенотип (мгновенно «постареть»), или активировать режим самоуничтожения (запланированный – апоптоз, или вынужденный вследствие повреждения мембраны – пироптоз и т.п.).
Таким образом, дифференцировка, рост, жизненный цикл и гибель клеток регулируются и всецело зависят от внешних стимулов и внутриклеточных сигнальных каскадов, влияющих на генетическую регуляцию.
Механические силы, такие как растяжение, сжатие и сдвиг, воспринимаются и передаются на границах раздела «клетка-клетка», «клетка-матрикс» и «клетка-межклеточный просвет», создавая реакции, которые могут либо усилить структуры, подвергающиеся механическому воздействию, либо изменить фенотип или структуру клеток и в дальнейшем привести к дистрофии или деградации/дегенерации тканей вследствие гибели клеток.
Посредством молекул клеточной адгезии (слипания) клетки также оказывают прямое механическое влияние на соседние клетки. Эти молекулы включают трансмембранные белки, такие как интегрины, кадгерины, селектины и коннексины, которые связывают клетки вместе для структурных и функциональных целей. Соединения между клетками очень напоминают клеточные матричные комплексы с динамическими связями с цитоскелетом, которые реагируют на механическую нагрузку. Эти контакты влияют на «коллективное» поведение клеток, включая адгезию, миграцию, изменение формы, пролиферацию, дифференцировку стволовых клеток, передачу внутриклеточных сигналов и обмен матрикса.
Перекрестная коммуникация между клетками, внутритканево и на системном (органном) уровне осуществляется с помощью химического «языка» – активных белковых и небелковых соединений – органокинов: цитоконов, хемокинов, активных форм кислорода и т.д. Клетки каждой ткани синтезируют свои специфические мессенджеры, воспринимаемые другими клетками организма как своеобразные команды или послания с соответствующим последующим «ответом» на них. Соответственно, мышечная ткань синтезирует миокины, костная ткань – остеокины, жировая – адипокины, иммунная – цитокины, печень – гепатокины и т.п.
Различные клеточные «– кины» воздействие могут осуществлять аутокринно – действие на саму клетку-продуцента; паракринно – на близкорасположенные клетки и ткани; эндокринно – дистантно на другие органы.