Подобно глицерофосфолипидам, сфинголипиды являются повсеместными компонентами мембран млекопитающих, которые метаболизируются. чтобы сформировать сигнальные молекулы. Сегодня считается, что метаболиты сфинголипидов играют важную роль в регуляции многих клеточных процессов, важных для здоровья и болезней. Одним из наиболее важных таких метаболитов является sphingosine-1-phosphate (S1P, Figure 1). Он был открыт 20 лет тому назад в качестве сигнальной молекулы. которая регулирует клеточный рост [1] и супрессирует апоптоз [2], указывая тем самым, что играет роль в раковых опухолях. Позднее было установлено, что S1P действует посредством семейства рецепторов клеточной поверхности, затем было показано, что он важен для миграции иммунных клеток по всему телу. В самом деле, одним из характерных признаков участия в болезни S1P является его контроль за миграцией клеток [3]. Новые инструменты, такие как специфичные агонисты и антагонисты и генерация целенаправленных нокаутов привели к волне интереса относительно роли S1P в многочисленных болезнях. Удивительный прогресс был достигнут в понимании механизма действия, однако многие вопросы всё ещё остаются без ответа.
Figure 1. Intracellular and extracellular actions of S1P. S1P produced intracellularly can inhibit functions of its pro-apoptotic precursor ceramide. Ceramide is implicated in growth arrest, apoptosis and autophagy (red sector). S1P also has intracellular targets (green sector) or can be exported out of cells to act in an autocrine and/or paracrine manner through the S1P receptors (blue sector).
Localized production of S1P
S1P образуется путем фосфорилирование sphingosine, основы сфинголипидов, с помощью двух киназ, sphingosine kinase 1 и 2 (SphK1 and SphK2). Уровни S1P тщательно контролируются с помощью энзимов, которые продуцируют его субстрат sphingosine, с помощью самих SphKs и с помощью энзимов, которые деградируют S1P, который включает S1P lyase (SPL), две S1P-специфические фосфатазы и три lipid phosphate фосфатазы.
Многочисленные агонисты активируют SphK1, включая ростовые факторы. гормоны, провоспалительные цитокины, липополисахариды, связывание IgE и IgG рецепторов и многие GPCR лиганды и эта активация критическая для полноценного их действия. Многие из этих агонистов индуцируют extracellular signal-regulated kinase (ERK)-зависимое фосфорилирование серина 225 в SphK1, приводя к её транслокации из цитозоля в плазматическую мембрану, где располагается её субстрат сфингозин [4]. Мутантная SphK1-S225A действует подобно доминантно негативной, даже если полностью сохраняет киназную активность. Доставка этого мутанта в плазматическую мембрану устраняет ингибирующий фенотип, однако, и даже трансформирует покоящиеся фибробласты [4]. Транслокация SphK1 на плазматическую мембрану также может обеспечиваться взаимодействиями с др. белками. Напр., недавно было показано, что кальций и integrin-binding protein 1 связывают SphK1 кальций-зависимым способом приводя её к транслокации в плазматическую мембрану посредством переключения calcium-myristoyl [5]. Некоторые др. белки, которые взаимодействуют с SphK1, также непосредственно усиливают её активность [4]. Одним интересным недавним примером является elongation factor 1A (eEF1a). Хотя хорошо известно о его роли в трансляции, eEF1a является G белком. который активирует SphK1 только в её GDP-связанном состоянии [6].
В противоположность SphK1, которая располагается в основном в цитозоле, SphK2 присутствует в нескольких внутриклеточных компартментах, в зависимости от типа клетки. Её функция в этих компартментах только недавно стала выявляться. В соответствии с её сигналом ядерной локализацией, SphK2 в ядре регулирует транскрипцию генов, по крайней мере частично, путем продукции S1P, который действует как эндогенный ингибитор histone deacetylases [7]. Хотя отсутствует обнаружимый сигнал митохондриального таргетинга, SphK2 присутствует в митохондриях, где она необходима для корректной сборки комплекса цитохром оксидазы [8]. Также предполагается, что SphK2 соединяется с phosphatidylinositol монофосфатами посредством N-терминального домена, перемещаясь во внутриклеточные мембраны [9].
По сравнению с SphK1, значительно меньше известно об активации SphK2. Как EGF, так и phorbol ester активируют SphK2 посредством ERK1-зависимого фосфорилирования [7] [10], а фосфорилирование с помощью протеин киназы D способствует её ядерному экспорту [11]. Гипоксия активирует SphK2 в A549 клетках рака лёгкого [12] и микрососудах головного мозга [13], продуцируя S1P, который защищает от апоптоза и способствует толерантности к ишемии, соотв.
Итак, разнообразные компартмент-специфические локализации SphKs указывают, что специфические микроусловия, в которых продуцируется S1P is диктуют его функцию.
S1P acts extracellularly though cell surface receptors
Существует пять специфических рецепторов, купированных с G-белком, на клеточной поверхности для S1P, названных S1PR1-5, все с низким значением nM Kd. Дифференциальная передача сигналов, индуцированная связыванием S1P с этими рецепторами обусловлена разными, иногда перекрывающимися связями с разнообразными гетеротримерными G белками (Figure 1). Эти рецепторы, как было установлено, участвуют в разнообразных онтогенетических и связанных с болезнями процесса. Напр., активация S1PR1 играет критическую роль в переносе иммунных клеток [14]. Кандидат в лекарство FTY720, одобренный FDA для лечения аутоиммунной болезни множественного склероза [15], фосфорилируется in vivo с помощью SphK2 вызывает подавление и деградацию S1PR1, но не др. S1PRs, на лимфоцитах. Потеря S1PR1 предупреждает лимфоциты от считывания градиента S1P, от выхода из лимфоидных органов в кровь, блокируя их выход и вызывая лимфопению [16]. Роль этой оси S1P/S1PR в переносе иммунных клеток становится образцом [3], т.к. она важна также для миграции В клеток через фолликулы лимфатических узлов [17]. Более того, T-bet-зависимая экспрессия S1PR5 необходима для выхода натурального киллера T клеток из лимфатических органов [18], а S1PR4 играет роль в доставке нейтрофилов [19]. S1P также может быть важным для рекрутирования, дифференцировки и поддержания стволовых клеток в плюрипотентном состоянии [20].
S1P/S1PR оси также важны в контроле сосудистого тонуса и проницаемости. S1P в кровообращении регулирует базовое и вызванное воспалением протекание сосудов посредством S1PR1 [21]. TNF-α вызывает сужение сосудов, спиральной modiolar артерии, единственной снабжающей кровью улитку, путем активирования SphK1 и продукции S1P, что стимулирует S1PR2, нижестоящая передача сигналов которого ведет к суживанию сосудов [22]. Эта находка обнаруживает связь между воспалением- и vasculopathy-индуцированной потерей слуха и может объяснить, почему нулевые по S1PR2 рецептору мыши глухи [23] и [24].
Возникает довольно существенная проблема с индуцированной агонистом активацией SphK1 , ведущей к передаче сигналов S1PR: SphK1 является цитозольным энзимом, а S1PRs связывает S1P на наружном листке плазматической мембраны. Как S1P оказывается снаружи клетки? Несколько транспортеров теперь участвуют в экспорте S1P, где он может локально активировать S1PRs. Сюда входят ATФ-связывающие кассеты транспортеров ABCA1 [25], ABCC1 и ABCG2 [26,27], а также предположительно транспортер Spinster 2 [28]. Это процесс, посредством которого агонисты активируют SphK1 и индуцируют её рекрутирование на плазматическую мембрану, продуцируя S1P, который затем локально секретируется, чтобы активировать S1PRs, это т. наз. 'inside-out signaling' и он объясняет поразительное разнообразие аутокринных и паракринных эффектов S1P (Figure 1).
Интересно, что сигнальная ось S1P-S1PR может также контролироваться активностью S1P lyase (SPL), энзимом, расположенным в ER. Ингибирование или генетическое устранение SPL повышает S1P в кровообращении и индуцирует лимфопению, напоминающую эффекты FTY720 [19] и [29]. Др. полагают, что внеклеточным S1P-обусловленная подвижность клеток легочного эндотелия зависит от внутриклеточных уровней S1P, которые регулируются как SphK1, так и SPL [30]. Более того, было предположено, что внутриклеточная локализация SphK1 предопределяет доступ к пулам субстратов sphingosine, но не влияет на судьбу деградации S1P [31]. Эти исследования подтвердили важность inside-out передачи сигналов и подчеркнули, что SPL может рассматриваться как потенциальная терапевтическая мишень [32].
S1P is an intracellular messenger
Многие линии доказательств подчеркивают внутриклеточную роль S1P, которая противостоит апоптозу, обусловленному с помощью его про-апоптического предшественника ceramide и SphK1, и, как полагают, что он играет критическую роль в качестве 'сфинголипидного реостата' (Figure 1) (reviewed in [33]). Более того, ранние исследования продемонстрировали, что S1P может индуцировать высвобождение кальция из ER [34-36], хотя не были идентифицированы убедительные мишени. Почти 20 лет не были идентифицированы настоящие, bona fide внутриклеточные мишени для S1P . Недавно это изменилось, после демонстрации, что S1P соединяется и меняет функцию нескольких несопоставимых внутриклеточных белков.
HDAC
Хотя SphK2 присутствует в ядре многих клеток, её функция оставалась неизвестной. Недавно было показано впервые, что ядра содержат достаточные количества как S1P, так и sphingosine. Более того, SphK2 находится в репрессорном комплексе с гистоном H3 и histone deacetylases (HDACs), продуцирующем S1P, который регулирует ацетилирование гистонов по специфическим лизиновым остаткам и транскрипцию генов [7]. Хотя S1P не оказывает эффекта на гистоновые ацетил трансферазы, он соединяется с и ингибирует как HDAC1 так и его близкого гомолога HDAC2. Ингибирование HDAC1/2 с помощью S1P физиологически значимо, т.к., SphK2 была обнаружена на промоторах циклин-зависимого киназного ингибитора p21 и транскрипционного регулятора c-fos, где она регулирует ацетилирование гистонов и усиливает транскрипцию промоторов [7]. Эти результаты указывают на то, что S1P, продуцируемый в ядре с помощью SphK2, влияет на динамический баланс ацетилирования гистонов и тем самым на эпигенетическую регуляцию специфических генов мишеней.
TNF receptor-associated factor 2 (TRAF2)
TRAF2 является адапторным белком, содержащим домен RING, который участвует в регуляторном убиквитинировании RIP1, критическом событии в активации NF-κB в ответ на TNF-α; однако, все попытки продемонстрировать, что TRAF2 является E3 лигазой для RIP1 не удались. TRAF2 , как известно, соединяется с SphK1 и стимулирует её активность [37], хотя роль S1P в каноническом NF-κB пути остается невыясненной. Недавно было установлено, что S1P, лишенный кофактора, нуждается в E3 лигазной активности TRAF2 и, следовательно,в Lys63-сцепленном полиубиквитинировании RIP1 и активации NF-κB [38]. Интересно, что только S1P, а не dihydro-S1P, который лишен двойного мостика в S1P, соединяется с и активирует TRAF2. Это объясняет, почему хотя и S1P и dihydro-S1P являются одинаково мощными лигандами для пяти S1P рецепторов, только S1P супрессирует апоптоз [38]. Эти данные впервые дают механистическое объяснение многочисленным наблюдениям важности SphK1 и S1P в защите клеток, воспалительных и иммунных реакциях.
PKCδ
SphK1 играет ключевую роль в ряде иммунных реакций, включая сепсис [39]. Исследования молекулярного механизма выявили роль protein kinase C δ(PKCδ) в обеспечении эндотоксином индуцируемой активации NF-κB. Более того, S1P, или рекомбинантная SphK1, инкубированные с сфингозином и АТФ, чтобы продуцировать S1P, активируют рекомбинантную PKCδ человека
in vitro[39]. Хотя непосредственное связывание не установлено, эти данные подтверждают, что S1P соединяется и активирует PKCδ
in vivo и указывает на SphK1 как на критический компонент и терапевтическую мишень при септическом шоке.
Prohibitin 2 (PHB2)
PHB2, высоко консервативный белок, который регулирует сборку и функцию митохондрий, как недавно было показано, соединяется с S1P
in vitro и
in vivo[8]. PHB2 локализуется преимущественно на внутренней мембране митохондрий, где он, как полагают, образует крупный макромолекулярный комплекс с PHB1, который участвует в биогенезе и метаболизме митохондрий [40]. Это исследование впервые показало, что SphK2 также локализуется в митохондриях, где она продуцирует большую часть митохондриального S1P. Дыхание митохондрий было снижено у SphK2 нокаутных мышей из-за аберрантной сборки и сниженной активности комплекса IV (cytochrome oxidase) цепи транспорта электронов, подтверждая тем самым, что взаимодействие S1P с PHB2 важно для сборки cytochrome-c oxidase и митохондриального дыхания. Необходимы дальнецшие исследования для выяснения роли митохондриального S1P в функции митохондрий во время оксидативных стрессов и старения.
The β-site amyloid precursor protein (APP) cleaving enzyme-1 (BACE1)
Недавнее исследование показало, что активность BACE1, скорость-лимитирующего энзима для продукции amyloid-β пептида (Aβ), модулируется с помощью S1P в нейронах [41]. Ингибирование или подавление SphK1 и SphK2, или избыточная экспрессия S1P-деградирующих энзимов, все они снижают активность BACE1 и продукцию Aβn [41]. S1P также специфически соединяется с BACE1
in vitro и усиливает его протеолитическую активность, подтверждая, что клеточный S1P непосредственно модулирует активность BACE1. Важно. что, SphK2 усиливает свою активность в головном мозге пациентов с болезнью Алцгеймера (AD). Эти результаты указывают на уникальную связь между S1P, SphK2 и AD.
S1P in disease
Как было суммировано выше, ось SphKs/S1P/S1PRs участвует в регуляции многих физиологических процессов, привлекает внимание к их потенциальным функциям в патофизиологии и болезнях (Figure 2). Важная и быстро разрастающаяся область выявления участия S1PRs в воспалении и при множественном склерозе [3], [15] и [42]. Мы сфокусируемся на избранных недавних успехах в понимании роли S1P при раке, атеросклерозе, диабете и остеопорозе.
Figure 2. The pathobiology of S1P. S1P is implicated in numerous pathophysiological conditions and diseases that affect almost every organ in the human body. Because S1P is also linked to almost every type of cancer, only a few are shown.
Cancer
Многочисленные исследования показали, что SphK1 и продукция S1P способствуют опухолевому росту, резистентности к апоптозу, ангиогенезу в опухолях и метастазированию (rev. [43]). Уровни SphK1 мРНК и белка часто повышены в раковых тканях и экспрессия их коррелирует с химио- и радиационной-резистентностью и плохим прогнозом. В согласии с этими наблюдениями избыточная экспрессия SphK1 способствует, тогда как её ингибирование снижает опухолевый рост, ангиогенез и химиорезистентность в многочисленных xenograft моделях [43] and [44].
S1P, секретируемый опухолевыми клетками, может действовать посредством S1PRs или аутокринным способом, способствуя росту, жизнеспособности, подвижности и метастазированию [45] and [46], или паракринным способом, индуцируя продукцию эндотелиальных адгезивных молекул, ангиогенез и регулируя взаимодействия между опухолью и стромой, а также иммунными клетками (Figure 3) [47]. Как обсуждалось выше, S1P может также способствовать прогрессированию раковых опухолей посредством внутриклеточных мишеней, таких как HDAC1/2 и NF-κB. Наконец, S1P может способствовать резистентности раковых клеток к терапии, путем противодействия про-апоптическим эффектам ceramide (Figure 1) [2]. Недавно установлено, что S1PR1 в качестве ключевого элемента участвует в постоянной активации signal transducer and activator of transcription-3 (STAT3) в опухолевых клетках и опухолевых микроусловиях [48]. STAT3 является транскрипционным фактором для
S1pr1 и, напротив, усиленная экспрессия
S1pr1 активирует STAT3 и усиливает экспрессию IL-6, провоспалительного цитокина, критического для активации STAT3 и воспалительными клетками обусловленной трансформации и опухолевой прогрессии. Т.о., это новый упреждающий (feed-forward) механизм, который объясняет персистенцию активации STAT3 в раковых клетках и опухолевых микроусловиях, которые важны для злокачественной прогрессии и метастазирования [48].
Figure 3. Involvement of S1P in cancer. As described in the text, S1P regulates many processes in cancer cells and the tumor microenvironment that are important for malignant progression, including growth, survival and metastasis of the tumor, migration of stromal cells and angiogenesis. S1P is also involved in recruitment of inflammatory cells and secretion of cytokines and chemokines that are important for inflammation and tumorigenesis.
Из-за потенциальной важности SphK1 при раке и др. болезнях, много внимания сегодня уделяется разработке изотип-специфических ингибиторов SphK1 (Table 1). Первая генерация ингибиторов SphK , была лишена специфичности к изоформам. хотя один из них, safingol, находится в фазе 1 клинических испытаний [49]. Один из SphK1-специфических ингибиторов, известный как SK1-I, ингибирует рост острой myelogenous leukemia [50] и glioblastoma опухолей [51] в xenografts, влияя на множественные сигнальные пути жизнеспособности. Др. ингибитор, SKI-II, усиливает чувствительность клеток non-small cell lung рака к химиотерапии
in vitro и
in vivo[52]. Неожиданно, SKI-II также вызывал протеосомную деградацию SphK1 [53] и соединялся непосредственно с antagonist ligand-binding доменом эстрогенного рецептора, ингибируя эстрогеновым рецептором стимулируемую транскрипционную активность в клетках рака груди человека [54]. Недавно сообщалось об успехе в деле создания специфических SphK1 ингибиторов, базируясь на модели гомологии SphK1, обучаемых с помощью библиотеки amidine-based соединений. Ингибиторы с nM Ki значениями для SphK1 были разработаны и, как было установлено, существенно снижают эндогенные уровни S1P в лейкемичных U937 клетках [55]. Интересно бы посмотреть результаты исследований
in vivo с этими соединениями.
Table 1.
| Name | Mechanism | Disease | Reference |
|---|
FTY720 (Fingolimod, Gilenya)
2-amino-2-[2-(4-octylphenyl)ethyl]propane-1,3-diol | • Prodrug; phosphorylated by SphK2
• S1PR1, S1PR3-5 agonist
• Downregulates S1P1 | • FDA approved for multiple sclerosisa
• Dermatitis
• Arthritis
• Allergy |
[15]
[82]
[83]
[84] |
SK1-I (BML-258)
(2R,3S,4E)-N-methyl-5-(4′-pentylphenyl)-2-aminopent-4-ene-1,3-diol | SphK1 inhibitor | • Glioblastoma
• Leukemia | [51]
[50] |
Safingol
L-Threo-dihydrosphingosine | • pan SphK inhibitor | • Solid tumorsa (Phase 1) | [49] |
SKI
2-(p-Hydroxyanilino)-4-(p-chlorophenyl) thiazole | • SphK1 inhibitor
• Induces proteasomal and lysosomal degradation of SphK1 | • Pancreatic cancer
• Leukemia
• Asthma | [85]
[86]
[87] |
ABC294640
3-(4-Chlorophenyl)-adamantane-1-carboxylic acid (pyridinyl-4-methyl) amide | • SphK2 inhibitor
• Estrogen receptor antagonist | • Cancer
• Rheumatoid arthritis
• Inflammatory bowel disease | [59]
[88]
[89] |
ABC294735
3-(4-Chlorophenyl)adamantane-1-carboxylic acid [2-(3,4-dihydroxyphenyl)ethyl]amide | • pan SphK inhibitor | • Cancer | [90] |
SKI-II (SKI-2, SPHK I2)
4-[4-(4-Chlorophenyl)-thiazolyl-2-amino]-phenol
| • SphK1 inhibitor | • Asthma | [91] |
THI
2-Acetyl-4(5)-[1(R),2(S),3(R),4-tetrahydroxybutyl]-imidazole | • S1P lyase inhibitor | • Ischemia/reperfusion injury
• Lung injury | [92]
[93] |
LX2931
(E)-1-(4-((1R,2S,3R)-1,2,3,4-tetrahydroxybutyl)-
1H-imidazol-2-yl)ethanone oxime | • S1P lyase inhibitor | • Rheumatoid arthritisa (Phase II) | [32] |
5c
2,2-Dimethyl-4S-(1-oxo-2-hexadecyn-1-yl)-1,1-dimethylethyl ester-3-oxazolidinecarboxylic acid | • SphK1 inhibitor | • Sepsis | [39] |
SEW2871
5-[4-Phenyl-5-(trifluoromethyl)-2-thienyl]-3-[3-(trifluoromethyl) phenyl]-1,2,4-oxadiazole | • S1PR1 agonist | • Diabetic nephropathy
• Renal protection
• Emphysema
• Neuroprotection
• Spontaneous autoimmune polyneuropathy | [94]
[95]
[96]
[97]
[98]
|
AAL(R)
2-Amino-4-(4-heptyloxyphenyl)-2-methylbutanol | • Prodrug; phosphorylated by SphK2
• S1PR1/S1PR3 agonist | • Influenza | [99] |
| AUY954 | • S1PR1 agonist | • Sepsis
• Transplanation
• Experimental autoimmune neuritis | [100]
[101]
[102] |
| JTE013 | • S1PR2 antagonist | • Anaphylaxis
• Atherosclerosis
• Cancer | [103]
[65]
[45] |
a
Effects in humans. All other compounds have been tested only in animal models.
Напротив, связь между SphK2 и раком всё ещё не установлена. Подавление SphK2 более эффективно, чем подавление SphK1 при ингибировании роста клеток глиобластомы [56]. Подавление SphK2 в клетках MCF7 также снижает арест G2-M и заметно увеличивает апоптоз, индуцируемый с помощью doxorubicin, возможно благодаря эффектам на экспрессию
p21 [57]. SphK2-дефицитные клетки при раке груди обнаруживают нарушение роста у мышей, моделирующих опухоли [58]. Предполагаемый SphK2-специфический ингибитор, ABC294640, подавляет пролиферацию различных раковых клеток и снижает содержание S1P и рост опухолей молочных желез у мышей
nude [59]. Интерпретация этих результатов осложняется недавней демонстрацией, что этот ингибитор оказывает также анти-эстрогенные эффекты и соединяется с эстрогеновыми рецепторами [60]. Демонстрация, что S1P, продуцируемый с помощью SphK2, является эндогенным ингибитором HDAC [7] также подтверждает, что роль SphK2 в прогрессировании рака может зависеть от тканеспецифических и вообще от опухоль-специфических свойств.
Atherosclerosis
Атеросклероз хроническое воспалительное заболевание, характерной особенностью которого является накопление липидов и иммунных клеток, называемых бляшками, в регионах под эндотелием, вызывая сужение просвета артерий и тромбоз после разрыва бляшки. Интерес к S1P в патогенезе атеросклероза возник благодаря наблюдениям, что S1P присутствует в высоких концентрациях в кровообращении, где он в основном связан с high-density lipoprotein (HDL) и альбумином. S1P оказывает эффекты на разнообразные типы клеток, важные для развития атеросклероза, включая прикрепление и миграцию моноцитов, пролиферацию гладкомышечных клеток, сосудистый тонус и стимуляцию пути NF-κB, приводящему к продукции провоспалительных цитокинов [61]. Действие S1P является сложным и всё ещё неясно является ли S1P про- или анти-атерогенным. Стимулирующий путь обеспечивается в основном активацией NF-κB и экспрессией адгезивных молекул, возможно посредством S1PR3, а ингибирующий путь обеспечивается в основном активацией эндотелиальной nitric oxide synthase и nitric oxide-зависимой реляксацией сосудов за счет активации S1PR1 (Figure 4) [62]. Хотя не существует крупных отличий в атеросклеротических повреждениях и объеме липидов в аорте у apolipoprotein E (ApoE)
-/-S1PR3-
/- двойных нокаутных мышей, наблюдается существенное снижение содержания макрофагов и гладкомышечных клеток в повреждениях [63]. Эти результаты указывают на то, что S1PR3 способствует рекрутированию воспалительных моноцитов/макрофагов и нарушает поведение гладкомышечных клеток. Поскольку пролиферация гладкомышечных клеток
in vitro остается неизменной при делеции S1PR3, то необходимы дальнейшие исследования специально индуцированных делеций в этом рецепторе для подтверждения его роли. Как фармакологические, так и генетические подходы по замалчиванию S1PR2 у ApoE
-/- мышей ослабляют атеросклеротические повреждения, как было установлено, по уменьшению площади бляшек, ингибированию накопления макрофагов в аорте и увеличению утечки холестерола из макрофагов [64,65]. Эти эффекты были приписаны более низкому S1PR2-зависимому удержанию макрофагов и/или трансмиграции [65] и снижению активностей ROCK и NF-κB, ведущим к снижению экспрессии провоспалительных цитокинов, адгезивных молекул и хемокина MCP-1 (Figure 4) [64]. Тем не менее, анти-атерогенное действие HDL независимое от метаболизма холестерола, как полагают, обеспечивается с помощью HDL-ассоциированного S1P [62]. В самом деле, недавнее исследование показало, что HDL-ассоциированный S1P связан исключительно с apolipoprotein M (ApoM), который, как известно, обладает анти-атерогенными эффектами [66]. Следовательно, в дополнение к увеличению оттока холестерола из макрофагов, увеличению ксантомных (foam) клеток и формирования pre-β-HDL и его анти-оксидативных эффектов, ApoM также защищает сосуды путем доставки S1P на S1PR1 в эндотелиальных клетках [66], а S1P-ApoM может также быть анти-атерогенным. Возможно, что соединение S1P с ApoM в HDL является одним из факторов, которые предопределяет специфичность физиологических эффектов S1P.
Figure 4. Role of S1P and its receptors in atherogenesis. Binding of S1P to distinct S1P receptors regulates vascular tone and barrier function, monocyte attachment and migration, macrophage infiltration and retention, proliferation of smooth muscle cells and activation of NF-?B leading to production of proinflammatory cytokines and adhesion molecules. S1PR1, red; S1PR2, green; S1PR3, purple.
Интересно, что FTY720 заметно снижает атеросклеротические повреждения как у low-density lipoprotein receptor-нулевых, так и ApoE-нулевых мышей [67,68]. Это, скорее всего, обеспечивается FTY720-обусловленным подавлением S1PR1 в лимфоцитах и возникающей в результате лимфопенией, а также сдвигом классических воспалительных M1 макрофагов к противо-воспалительными M2 типам [67]. FTY720 осуществляет защитные эффекты против атеросклероза в первичных макрофагах человека путем снижения транспорта очищенного липопротеина холестерола в ER и облегчения его высвобождения [69]. Неожиданно, однако, этот эффект оказался независимым от S1PRs. Скорее всего, FTY720 стимулирует продукцию 27-hydroxycholesterol из холестерола, это объясняет его защитные от атеросклероза эффекты и выявляет новый механизм действия FTY720 [69].
Diabetes and obesity
Диабет хроническое заболевание, затрагивающее сотни миллионов человек по всему миру. Метаболизм сфинголипидов изменяется при диабете, однако, кстати, упор в этой области сделан на ceramide [70,71] и лишь немногие исследования проверяли участие S1P. Жирной кислотой (palmitate)-индуцированная стимуляция синтеза de novo ceramide необходима, но недостаточна для начала возникновения резистентности к инсулину, а ceramide связан с резистентностью к инсулину, обусловленной, по крайней мере частично, ингибированием Akt [70,71]. Более того, ингибирование синтеза сфинголипида увеличивает чувствительность к инсулину, устраняет жировое перерождение печени (steatosis) и предупреждает начало диабета у тучных грызунов.
Воспалительные реакции при ожирении усиливают резистентность к инсулину и развитие диабета. Активация toll-like receptor 4 (TLR4) насыщенными жирными кислотами это один из путей врожденного иммунитета, вносящий вклад в усиление воспаления, связанного с ожирением. Интригующее исследование недавно продемонстрировало, что TLR4 стимулирует IKKκ и NF-κB, которые усиливают транскрипцию генов, участвующих в синтезе ceramide [72]. Эти гены управляют подъемом ceramide, ингибированием Akt, который необходим для передачи сигналов инсулина (Figure 5). Интересно, что повышенная продукция ceramide оказалась безразличной для TLR4-зависимой индукции воспалительных цитокинов, но необходима для TLR4-зависимой резистентности к инсулину [72]. В целом эта работа указывает на то, что ceramide является ключевым медиатором, который связывает индуцированные липидами воспалительные пути с резистентностью к инсулину и диабетом.
Figure 5. Role of S1P in diabetes and obesity. Saturated fatty acid-induced insulin resistance is mediated by the proinflammatory receptor TLR4, which stimulates IKK? and leads to NF-?B activation. This results in the upregulation of biosynthetic genes involved in de novo ceramide formation. Ceramide, in turn, inhibits Akt to induce apoptosis and suppress insulin function. Binding of adiponectin to its receptors enhances deacylation of ceramide to sphingosine, which can then be phosphorylated to form S1P. Inside-out signaling via S1PRs can activate AMPK, which is important for mitochondria biogenesis. S1P also stimulates Akt and prevents apoptosis.
Др. интересная связь была недавно обнаружена между происходящим из адипоцитов adiponectin, гормоном, сенсибилизирующим инсулин, противо-воспалительные противо-апоптические функции, и ceramide и его метаболитами с чувствительностью к инсулину [73]. Соединение adiponectin с его двумя рецепторами AdipoR1 и AdipoR2, стимулирует активность ceramidase (деацилирование до sphingosine) и образование его анти-апоптического метаболита S1P, который может затем соединяться со своими рецепторами, приводя к активации AMPK. Такое действие adiponectin посредством S1P может способствовать жизнеспособности панкреатических бета клеток, снабжению пищей, утилизации питательных веществ и пролиферации митохондрий (Figure 5) [73].
Уровни S1P в плазме повышены в двух животных моделях диабета типа 1 (streptozotocin-индуцированные диабеты крыс и Ins2 Akita мышей), всё же пока не обнаружено изменений уровней в печени этих животных [74], указывая на др. источники S1P. Антагонист S1PR2 предупреждает начало диабета в случае streptozotocin диабета у модельных мышей и S1PR2
-/- мышей, обладающих низкими уровнями глюкозы в крови и пониженным апоптозом клеток бета одновременно с высоким соотношением инсулин/глюкоза (показатель относительного дефицита инсулина) [75]. Глюкоза вызывает быстрое и устойчивое увеличение в островках активности sphingosine kinase, которая зависит от фосфорилирования глюкозы, но не зависит от генерации АТФ и белкового биосинтеза. Более того, рост бета клеток, поддерживаемый глюкозой, по-видимому, обеспечивается, по крайней мере частично, этой повышенной активностью. Хотя некоторые исследования подтвердили, что S1P может способствовать жизнеспособности панкреатических бета клеток, всё ещё пока неясно, обеспечивается это с помощью внутриклеточного или внеклеточного действия S1P, и мы также не знаем механизм, с помощью которого участвуют S1PRs.
S1P in osteoporosis
Остеопороз системное скелетное нарушение и одна из наиболее распространенных типов метаболической болезни костей [76]. Сравнительно недавно вызывала повышенный интерес роль S1P в гомеостазе нормальной кости, а также в патогенезе деструктивных нарушений кости. S1P выполняет множественные функции в остеокластах, включая стимуляцию их подвижности, обеспечение динамического контроля за миграцией предшественников остеокластов и поддержание минерального гомеостаза кости и повышенный остеокалстогенез [77-80]. S1P стимулирует миграцию остеобластов и способствует их выживанию и поэтому секреция S1P а местах резорбции кости может быть важной для остеогенеза [77]. Остеокласты могут рекрутировать предшественники остеокластов в места ремоделирования кости посредством оси SIP/S1PR1 и BMP6, и стимулируют формирование кости посредством усиленной активации путей Wnt/BMP [78].
Низкие концентрации S1P являются химиотактичными для предшественников остеокластов, тогда как высокие концентрации ингибируют их движение [79]. Это указывает на то, что эти предшественники, которые экспрессируют как S1PR1, так и S1PR2, удерживаются вблизи кости с помощью градиента S1P: S1PR2 предупреждает S1PR1-вызываемую миграцию этих резорбирующих кость клеток вдали от кости.
S1PR2 нулевые мыши обнаруживают остеопетроз из-за снижения резорбции кости [80]. Сходным образом, у оварийэктомизированных мышей S1PR2 антагонист JTE013 предупреждает потерю кости путем уменьшения прикрепления остеокластов к кости [80]. Напротив, специфичное для остеокластов устранение S1PR1 вызывает остеопороз путем усиления прикрепления их к кости [79]. Т.о., баланс между S1PRs и ощущающими их локальными концентрациями S1P играет критическую физиологическую роль в гомеостазе кости и, скорее всего, в остеопорозе, хотя это предстоит ещё проверить. Сходным образом у TNF трансгенных мышей, моделирующих воспалительные артриты, нокаут SphK1 существенно снижает симптомы артрита, а также болезнь эрозии кости [81]. Более того, синовиальные суставы обнаруживают меньше остеокластов, указывая на то, что SphK1 играет ключевую роль в индуцированных с помощью TNF воспалительных артритах путем регуляции синовиального воспаления и числа остеокластов.
Concluding remarks
The sum of a plethora of in vitro and in vivo studies in the decades since S1P was first discovered to be a second messenger has taught us much about its mechanisms of action. We now understand why S1P is so important for regulation of many normal and pathophysiological processes. The successful development of the sphingosine analog FTY720, a pro-S1P mimetic, as a useful drug for treatment of multiple sclerosis has proven that it is possible and beneficial to specifically target S1P signaling in humans without serious side-effects. Inhibitors of S1P metabolism and its receptors are effective in many animal models of human disease. There is also now tantalizing evidence, summarized briefly here, that dysregulation of S1P is correlated with progression of diseases such as cancer and autoimmune disorders. Thus, the time is ripe for translating this knowledge into a new class of sphingolipid-centric therapeutics.
Сайт создан в системе
uCoz