Конкурс «био/мол/текст»-2014

Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2014 в номинации «Лучший обзор».

---

Главный спонсор конкурса — дальновидная компания «Генотек».
Конкурс поддержан ОАО «РВК».

---

Спонсором номинации «Биоинформатика» является Институт биоинформатики.
Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.
Свой приз также вручает Фонд поддержки передовых биотехнологий.

О лектинах, клеточных поверхностях и их взаимоотношениях

Лектины — общее название гликопротеинов, а также белков не иммунного происхождения, способных избирательно и обратимо связываться с углеводами [1], [2]. Подобные углевод-белковые взаимодействия составляют основу многих физиологических процессов, протекающих в организме. С их помощью происходит адгезия отдельных клеток и микроорганизмов к тканям, они участвуют в неспецифическом иммунном ответе на различные патогены, а также обеспечивают межклеточные контакты посредством хеморецепторного «узнавания» клетками друг друга [3]. Существуют и другие виды активности лектинов, однако три вышеперечисленных — наиболее интересны, если говорить об их отношении к появлению и развитию злокачественных опухолей. И в первую очередь это связано с изменениями поверхности клеток при их малигнизации (приобретении свойств злокачественной опухоли).

Как известно, клеточная поверхность представляет собой довольно сложную «мозаику» [4], состоящую из двойного слоя фосфолипидов, различных белков, гликопротеинов и гликолипидов (рис. 1). Последние два класса соединений содержат в своём составе гетероолигосахариды, которые состоят из разных моносахаридных звеньев, таких как галактоза, глюкоза, фукоза, манноза, сиаловая кислота и нескольких других. Многочисленными исследованиями, проводимыми с 50-х годов XX века, установлено, что изменения этих структур неизменно сопровождают процессы злокачественного роста опухолей. В частности, существует несколько характерных путей перегликозилирования поверхности клетки при их трансформации:

1. происходит возрастание числа разветвлённых олигосахаридных цепей;
2. запускается экспрессия эмбриональных углеводных антигенов;
3. увеличивается степень фукозилирования и содержание сиаловой кислоты в терминальном (т.е. концевом) положении [5].

И все эти изменения можно отследить при помощи лектинов. В этом и заключается первая слабость опухолевой клетки: она даёт «обнаружить» себя углеводсвязывающим белкам.

Почему же так происходит? Отчасти, дело состоит в том, что малигнизированная клетка так же, как и нормальная, активно использует лектины для обеспечения своих «потребностей» к передвижению, а главное — к делению. Наиболее ярким примером такого «пособничества» является развитие опухоли при участии галектина-3 — углеводсвязывающего белка из семейства галектинов [6]. Этот лектин способствует опухолевой трансформации клеток, стимулирует их пролиферацию (деление), опосредствует адгезию трансформированных клеток к нормальным тканям и метастазирование опухоли. Более того, галектин-3 может влиять на иммунный ответ организма, тем самым уводя опухолевые клетки из-под иммунного надзора. В случаях некоторых онкологических заболеваний, например, при злокачественных образованиях щитовидной железы, наличие галектина-3 является практически подтверждением развития болезни [7].

Приказ — обнаружить врага!

Praemonitus praemunitus! или, в переводе с латыни, «Предупреждён — значит вооружён!» — слова, как нельзя лучше описывающие использование лектинов в ранней диагностике злокачественных новообразований, поскольку «следы», которые оставляют малигнизированные клетки, становятся заметными для углеводсвязывающих белков ещё на ранних стадиях развития опухоли. Что же это за «улики»?

Во-первых, как уже было сказано, сиалирование углеводных цепей различных гликопротеинов — общий признак злокачественной прогрессии [5]. Именно этот фактор был взят за основу мексикано-португальской группой учёных, которые попытались создать биосенсорную систему на основе лектина SNA из чёрной бузины Sambucus nigra [8]. Им удалось разработать метод, основанный на связывании STn-антигена (сиалированного гликопротеина, экспрессируемого при различных онкопатологиях) с SNA. Потрясающие особенности данного метода — высокая точность определения уровня антигена, практически полное отсутствие влияния других гликопротеинов в сыворотке, а также большая универсальность применения, поскольку STn-антиген обнаруживается при многих видах заболеваний.

Во-вторых, для разного рода онкопатологий удобно исследовать изменения разных гликопротеинов, поскольку особенности их перегликозилирования не определяются обычными способами и сложным образом зависят от конкретного заболевания [9]. Одними из таких маркеров являются онкофетальные антигены (ОФА) — опухолеассоциированные антигены, которые в норме появляются лишь при эмбриональном развитии плода. Экспрессируясь на клетках взрослого организма, эти антигены расцениваются как «чужие» и вызывают иммунный ответ. Наиболее хорошо изученными являются альфа-фетопротеин (АФП), раково-эмбриональный антиген (РЭА) и трофобласт-специфический-бета-1 гликопротеин (ТБГ). На основе этих и нескольких других специфичных антигенов создаются разнообразные лектин-ферментные методы анализа для диагностики онкопатологий; в том числе, подобные работы ведутся и в России.

Например, группа учёных Тихоокеанского института биоорганической химии разработала метод лектин-иммуноферментного анализа для выявления различий гликозилирования РЭА при доброкачественных и злокачественных патологиях шейки матки. Лектин MBL-AJ, выделенный из дальневосточного трепанга Apostichopus japonicus, показал большую чувствительность и высокую точность прогноза диагноза (87,8% — положительный прогноз, 95,2% — отрицательный) [1]. Ещё одной отличительной стороной метода является его невысокая стоимость относительно существующих коммерческих тест-систем. При условии одинаково высокой чувствительности и специфичности этот критерий может стать решающим в выборе метода, который получит широкое использование в дифференциальной диагностике раковых заболеваний.

Киллер с доставкой на дом

Интересно, что одной «разведывательной» функцией лектины не ограничиваются. Их свойства позволяют использовать их также и в терапии злокачественных новообразований. Уникальная идея — использовать углеводсвязывающие взаимодействия как путь доставки антиопухолевых препаратов — это колоссальное увеличение шансов, что агент, стимулирующий гибель клеток, будет «атаковать» именно опухолевые клетки, а не здоровые. На настоящий момент существует огромное количество антиопухолевых препаратов — это всевозможные ингибиторы синтеза ДНК и различных жизненно важных ферментов, регуляторы транскрипции ДНК и другие противоопухолевые агенты. Но проблема точной и специфичной доставки этих лекарств к опухоли остаётся актуальнейшей задачей современных исследований.

Наверняка, каждому, кто хоть раз смотрел в кино триллер или детектив, знаком следующий популярный образ — заказчик, оставляющий фотографию «жертвы» наёмному убийце. Если проводить аналогию между антиопухолевым препаратом и образом киноэкранного киллера, то специфичный лектин как раз и будет тем самым «заказчиком», но с одним отличием — он не просто отдаёт киллеру «фотографию» опухолевой клетки, но и доставляет его непосредственно к «жертве». Именно такой механизм лёг в основу исследований американских учёных, которые попытались кардинально улучшить процесс нейтрализации опухолевых клеток в кровеносной системе при метастазировании опухоли. В настоящее время, в тех случаях, когда у пациентов обнаруживаются метастазы, смертность, к сожалению, может превышать 90%. Однако, их быстрая и эффективная нейтрализация, может существенно увеличить продолжительность жизни пациента. Исходя из специфичности некоторых лектинов — Е-селектинов — к лигандам на поверхности опухолевых клеток кровеносной системы, учёные предположили, что сочетание особой формы доставки антиопухолевых лекарств в виде липосом и специальных углеводных векторов (Е-селектинов) может существенно повысить точность адресной доставки препарата к злокачественным клеткам (рис. 3) [12]. И действительно, подобный метод показал лучшие результаты, по сравнению с методами без участия лектинов.

Несколько иная схема была разработана учёными из Института биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова в Москве при сотрудничестве с коллегами из Российского онкологического центра им. Н.Н. Блохина. Они предложили использовать селектины уже не в качестве «системы наведения», а в роли самой «мишени». Дело в том, что при процессах малигнизации клеток, на поверхности кровеносных сосудов опухоли экспрессируют селектины, которые являются отличным «ориентиром» для липосом, содержащих лиганды этих лектинов. Таким образом, липосомы, связываясь с клетками кровеносных сосудов опухоли, вызывают их разрушение, что, в свою очередь, приводит к ухудшению тока кислорода и питательных веществ к опухоли и, в конечном итоге, к её гибели. Подобная форма доставки противоопухолевых препаратов показала увеличение жизни мышей с опухолями молочных желёз в два раза по сравнению с липосомами, не несущими углеводных лигандов, и в 4 раза — по сравнению с исходным препаратом [11]. Вероятно, что в обозримом будущем подобные альтернативные формы противоопухолевых лекарств заменят стандартные методы химиотерапии.

Лицензия на убийство

В последние десятилетия активно развивающаяся гликобиология произвела ряд потрясающих открытий. Например, выяснилось, что большую роль в жизнеобеспечении клетки играет углевод-белковый путь передачи химического сигнала. Остатки сахаров, связываясь со специальными белковыми рецепторами на поверхности клетки, способны запускать в ней целые каскады химических превращений. Одним из таких явлений является запуск программы контролируемой клеточной смерти — апоптоза. В норме у всех клеток организма существует определенный срок жизни, по истечении которого данная программа запускается одним или несколькими апоптотическими факторами, что приводит к гибели клетки. У раковых клеток этот процесс нарушается — отсюда и проявляется их способность к неограниченному делению и распространению в организме. Чтобы избавиться от опухолевых клеток, необходимо вернуть в норму процесс апоптоза. И среди множества веществ, проявляющих апоптотическую активность, лектины находят своё законное место.

Пожалуй, наиболее известным и хорошо изученным лектином является конканавалин А (Con A), выделенный из мечевидной канавалии Canavalia ensiformis. За почти столетие его исследований (впервые он был получен ещё в 1919 году) была полностью установлена его структура, углеводная специфичность и многие другие характеристики. Однако совсем не так давно появились работы, показывающие наличие антиопухолевой активности у этого лектина. Коллектив учёных из Китая резюмировал данные, полученные в многочисленных экспериментах, и пришёл к выводу, что Con A способен запускать апоптоз в опухолевых клетках при некоторых онкопатологиях, причём делать это он может разными путями [15].

Первый путь включает в себя индукцию апоптоза путём изменения трансмембранного потенциала митохондрий в клетке. Из-за подобной перемены потенциала в клетке начинает запускаться сложный каскад химических реакций, приводящий к образованию таких ферментов, как каспазы. Каспазы — это ферменты, выносящие клетке «смертный приговор» и приводящие его в исполнение. Они расщепляют белковые компоненты цитоскелета клетки, и клетка буквально распадается на множество маленьких фрагментов (апоптотических телец).

Второй путь стимуляции клеточной смерти — увеличение в ней активных форм кислорода (АФК), вызываемое Con A. АФК включают в себя ионы, свободные радикалы и разнообразные перикисные соединения, которые являются продуктами различных процессов метаболизма кислорода. В норме они присутствуют в клетке лишь в небольшом количестве, поскольку специальная антиоксидантная система защиты клетки препятствует накоплению этих, вообще говоря, токсичных веществ. Однако при воздействии на клетку Con A число АФК может резко увеличиться, что приводит к сильному окислительному стрессу. При достаточно больших повреждениях в клетке начинают образовываться различные медиаторные белки, которые опосредствуют деградацию ДНК и активацию каспаз, т.е. приводят к апоптозу.

Подобные эффекты были выявлены в экспериментах с клетками человеческой меланомы A375 и человеческой гепатоцеллюлярной карциномой печени HepG2. Помимо индукции апоптоза у лектина была выявлена способность к стимуляции в клетках аутофагии [14] — процесса, в котором отдельные фрагменты клетки или большая её часть подвергается деградации в специальных органеллах — лизосомах. Это явление приводило к смерти клеток только гепатоцеллюлярной карциномы. Также Con A способствовал уменьшению опухоли путём ингибирования её ангиогенеза — процесса образования новых кровеносных сосудов, питающих клетки (рис. 4).

Использование лектинов — «От слова к делу» или наоборот?

Лектины пришли в онкологию сравнительно недавно, и прежде чем их использование в диагностике и терапии станет повсеместным, они должны пройти испытание временем и клиническими исследованиями на предмет безопасности и эффективности использования.

Уже сейчас на основе углеводсвязывающих белков созданы коммерческие тест-системы некоторых окнопатологий, например AFP-L3-% тест на гепатоцеллюлярную карциному компании Wako Diagnostics. GP Biosciences Ltd. выпускает микрочипы, включающие панель из 41 лектина для диагностики биомаркеров. Лектины используются для отчистки крови и удаления незрелых форм клеток лимфы при остром лейкозе [1]. Всё новые и новые методы гистохимических, иммуноферментных и других видов анализа на основе лектинов используются в медицинской практике. Большой потенциал к применению лектинов в диагностике и терапии раковых опухолей постепенно начинает реализоваться, однако они по-прежнему остаются классом соединений, требующим к себе более пристального внимания. Возможно, уже в ближайшее десятилетие нам предстоит стать свидетелями крупных побед над раковыми опухолями. Надеемся, что не последнюю роль в этих победах сыграют лектины.

Литература

1. Чикаловец И.В., Молчанова В.И., Булнаков А.А., Черников О.В., Петрова И.Ю., Лукьянов П.А. (2010). Использование лектинов морских гидробионтов для диагностики ряда социально значимых заболеваний человека. «Вестник ДВО РАН». 5, 1–6;
2. Игнатов В.В. (1997). Углеводсвязывающие белки — лектины. «Соросовский образовательный журнал». 2, 14–15;
3. Черников О.В. Физико-химические свойства и биологическая активность лектинов морских гидробионтов: дис. ... канд. биол. наук. — Владивосток, 2008;
4. Липидный фундамент жизни;
5. Галич И.П. и Евтушенко Н.В. (2003). Изменение гликозилирования при окногенезе и развитии других патологических процессов. «Онкология». 5, 4–8;
6. Васильева О.А., Якушина В.Д., Рязанцева Н.В., Новицкий В.В. (2011). Возможности использования галектина-3 в лабораторной диагностике. «Клинико-лабораторный консилиум». 2, 12–15;
7. Антонова С.С. и Юшков П.В. (2004). Галектин-3 как представитель семейства лектинов: в норме и при патологии. «Молекулярная медицина». 1, 60–64;
8. M. Luísa S. Silva, Evelin Gutiérrez, José A. Rodríguez, Catarina Gomes, Leonor David. (2014). Construction and validation of a Sambucus nigra biosensor for cancer-associated STn antigen. Biosensors and Bioelectronics. 57, 254-261;
9. Скиба М.А. Разработка лектин-ферментных методов анализа для диагностики онкопатологий: дипломная работа. — Владивосток, 2007;
10. Yuguang Zhao, Tomas Malinauskas, Karl Harlos, E. Yvonne Jones. (2014). Structural Insights into the Inhibition of Wnt Signaling by Cancer Antigen 5T4/Wnt-Activated Inhibitory Factor 1. Structure. 22, 612-620;
11. E.L. Vodovozova, E.V. Moiseeva, G.K. Grechko, G.P. Gayenko, N.E. Nifant'ev, et. al.. (2000). Antitumour activity of cytotoxic liposomes equipped with selectin ligand SiaLeX, in a mouse mammary adenocarcinoma model. European Journal of Cancer. 36, 942-949;
12. Волшебные пузырьки — липосомы цифелина;
13. Jiahe Li, Michael R. King. (2012). Adhesion receptors as therapeutic targets for circulating tumor cells. Front. Oncol.. 2;
14. Аутофагия, протофагия и остальные;
15. Wen-wen Li, Jia-ying Yu, Huai-long Xu, Jin-ku Bao. (2011). Concanavalin A: A potential anti-neoplastic agent targeting apoptosis, autophagy and anti-angiogenesis for cancer therapeutics. Biochemical and Biophysical Research Communications. 414, 282-286.