Физиологические эффекты Грелина

Дальнейшие исследования показали, что гре-лин вырабатывается у многих классов животных (млекопитающих, птиц, рыб) в различных органах и тканях, а его биологическая активность оказалась более разнообразна, чем предполагали изначально, и включает широкий спектр эндокринных и неэндокринных эффектов [Dixit, Taub, 2005; Delporte, 2013].

Синтез грелина

ми, почками, щитовидной железой, лимфоидными органами и клетками иммунной системы [Mori et al., 2000; Gualillo et al., 2001; Korbonits et al., 2001; Tena-Sempre, 2008]. Кроме этого, в аркуатных ядрах гипоталамуса, которые являются важнейшей структурой в реализации эффектов грелина, также обнаруживается небольшое число грелин-продуцирующих нейронов [Cabral et al., 2017].

У всех позвоночных грелин закодирован в ghrl гене. У человека ген ghrl находится на правом плече третьей хромосомы в регионе 3p26-p25. ghrl имеет длину 511 пар оснований и содержит 5 экзонов (зрелая молекула грелина кодируется экзонами 1 и 2) и 4 интрона. ghrl несет 2 транскрипционных старт-сайта, что приводит к экспрессии двух различных транскриптов – грелина и обестатина [Smith et al., 1997]. Образование грелина происходит в несколько этапов: на первом транслируется последовательность для препрогрелина, содержащего 117 аминокислот (ак), из которых 23 ак составляют сигнальный пептид и 94 ак – прогрелин; на втором этапе прогрелин претерпевает ряд последовательных стадий, в ходе которых происходит его модификация. Сначала в энтероэндокринных клетках происходит процесс ограниченного протеолиза (протеазой PC 1/3 в позиции Arg²⁸/Ala²⁹) с образованием N-концевой молекулы грелина. Затем, при участии фермента грелин-О-ацилтрансферазы (англ. Ghrelin O-acyltransferase, GOAT), катализируется связь одного n-октаноил радикала, что приводит к образованию ацилированного пептида, состоящего из 28 ак (с Arg на С-конце) с молекулярной массой 3,314 кДа и содержащего n-октановый сложный эфир на 3-сериновом остатке (Ser3). По всей видимости, биологические свойства грелина определяются его уникальной посттрансляционной модификацией, благодаря которой становится возможным его взаимодействие со своим основным рецептором – GHS-R1a [Van der Lely et al . , 2004].

Помимо грелина, в результате альтернативного сплайсинга, из препрогрелина может образовываться деацилгрелин, состоящий из 27 ак (с Pro на С-конце) и обестатин, содержащий 23 ак [Kanamoto et al., 2004; Zhang et al., 2005; Hosoda et al., 2003].

Деацилгрелин (англ. Desacylghrelin, DAG) – неацилированная изоформа гормона, был обнаружен спустя несколько лет после открытия грелина [Hosoda et al., 2000]. Эффекты деацилгрелина активно исследуются. Уже установлено, что деацил-грелин вовлечен в регуляцию энергетического гомеостаза и, как и ацилированная изоформа грели-на, способен пересекать гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) и индуцировать активность нейронов в аркуатных ядрах гипоталамуса, активируя, как предполагается, собственные специфические ми- шени. Показано, что деацилгрелин обладает некоторой кардиопротективной и антипролифератив-ной активностью, предположительно, за счет связывания с особыми подтипами рецептора, которые на данный момент еще не обнаружены [Fernandez et al., 2016]. С другой стороны, отмечается, что деацилгрелин может иметь противоположные ацилированному грелину эффекты, в частности, оказывает анорексигенный эффект.

Таким образом, обе существующие изоформы гормона имеют широкий спектр эффектов и играют фундаментальную роль при различных физиологических процессах в организме млекопитающих, хотя в некоторых случаях могут перекрывать или оказывать противоположные друг другу эффекты [Stark et al., 2016].

Динамика уровня грелина в крови

У здоровых худощавых людей концентрация грелина пульсирующая, с циркадными (суточными) и ультрадианными (от 0.5 до 20 ч.) ритмами, с подъемом уровня ночью [Yildiz et al . , 2004; Liu et al . , 2008] (рисунок). Уровень циркулирующего в крови грелина модулируется количеством потребляемой энергии – повышается в состоянии голода и снижается через 60-120 мин. после приема пищи [Tschöp et al., 2001].

Суточные изменения общего уровня грелина (ацилгрелин+деацилгрелин) в плазме крови, % от суточного показателя [Spiegel et al . , 2011]

Кроме этого, уровень грелина в сыворотке крови находится под влиянием коротких и долгосрочных изменений в энергетическом гомеостазе, роста и полового созревания [Muccioli et al., 2011]. Исследователи отмечают увеличение уровня грелина в сыворотке крови в течение первых двух лет после рождения, с последующим понижением до завершения полового созревания и еще более заметным снижением у людей старше 70 лет. Гендерные различия по уровню циркулирующего грелина до сих пор являются спорными [De Souza et al., 2004].

Структура рецептора грелина

Как уже упоминалось ранее, первый сиротский (орфанный) рецептор для GHSs в гипофизе и гипоталамусе был открыт в 1996 г. и получил название – GHS-R [Howard et al., 1996]. На сегодняшний день известны две изоформы рецептора для ацилированного грелина – GHS-R типа 1a (GHS-R1a) и GHS-R типа 1b (GHS-R1b) [Yuan et al., 2014]. Рецепторы для деацилированной формы грелина до сих пор не идентифицированы.

Рецепторы грелина относятся к суперсемейству рецепторов, сопряженных с G-белком (англ. G-protein coupled receptors, GPCRs). GPCRs принимают участие в распознавании ароматических веществ, остатков аминокислот, нуклеотидов, пептидов, белков, а также ионов Ca²⁺ и света. Существует несколько механизмов, которые позволяют различным лигандам, взаимодействующим с GPCRs, активировать ядро домена, индуцируя изменение его конформации [Howard et al., 1996]. Рецепторы семейства GPCRs контролируют активность ферментов, ионных каналов и транспортных везикул посредством катализа гуанозиндифосфата (ГДФ) до гуанозинтрифосфата (ГТФ) на гетеродимерных G α-βγ -белках [Watts, Neve, 2005].

Выделяют 5 семейств GPCRs, часть из которых содержит по несколько подтипов, но все они имеют общий план строения их центральной части – трансмембранных спиралей [Bockaert, Pin, 1999]. Все рецепторы данного типа начинаются с внеклеточного N-концевого домена и заканчиваются внутриклеточным С-концевым доменом [Baldwin, 1993].

GHS-R1a состоит из 366 ак и имеет молекулярную массу 41 кДа. GHS-R1a содержит 7 трансмембранных α-спиральных гидрофобных домена, соединенных тремя внутриклеточными и тремя вне- клеточными петлями [Baldwin, 1993]. GHS-R1a связывает лиганд в полости, формируемой III-VI трансмембранными доменами [Bockaert, Pin, 1999], имеет конститутивную активность, и большинство изученных эффектов грелина осуществляется при взаимодействии именно с этим рецептором [Howard et al., 1996].

Другой рецептор грелина – GHS-R1b состоит из 289 ак. Преимущественно GHS-R1b активируется короткими пептидами, которые взаимодействуют с внеклеточными петлями и N-концевым доменом [Trumpp-Kallmeyer et al., 1995]. В состав GHS-R1b входит 5 трансмембранных доменов, его мРНК имеет широкое представление в различных тканях, но его физиологическая роль в организме изучена недостаточно [Van der Lely et al . , 2004].

GHS-R1a и GHS-R1b экспрессируются в виде сплайс-вариантов [Howard et al., 1996] и могут образовывать гетеродимеры, что предположительно позволяет им действовать как доминантнонегативный мутаген полнометражного рецептора грелина [Leung et al., 2007]. Помимо этого, GHS-R1a может образовывать гетеродимеры с рецепторами дофамина, меланокортина, серотонина, модифицируя их сигнальные пути, что приводит к развитию неклассических эффектов [Wellman, Abizaid, 2015].

Физиологические эффекты грелина

Грелин проявляет неэндокринный эффект, модулируя нейрогенез и синаптическую пластичность. Присутствие грелина может изменять морфологию нейронов и связанных с ними функций, улучшая таким образом концентрацию, процесс обучения и память. Помимо этого, установлена взаимосвязь концентрации гормона и циклами сон-бодрствование. [Pinto et al . , 2004; Dhillo et al . , 2007].

Роль грелина в регуляции энергетического гомеостаза . Основной эффект грелина реализуется через гипоталамические структуры. Грелин усиливает синтез AgRP (англ. Agouti-related protein, AgRP) и NPY (англ. Neuropeptide Y, NPY) в соответствующих орексигенных нейронах, подавляя активность анорексигенных POMC/CART (англ. Proopiomelanocortin и Сocaine amphetamine-related transcript)-нейронов [Dixit, Taub, 2005]. NPY играет первостепенную роль в реализации кратковременных эффектов грелина. Активация NPY происходит при связывании с GHS-R1a, тогда как AgRP обеспечивает реализацию как краткосрочных, так и долгосрочных эффектов гормона. AgRP усиливает аппетит при взаимодействии с рецепторами ме-ланокортина, локализованных непосредственно в головном мозге, и, таким образом, ингибирует анорексигенные влияния а-меланоцитостиму-лирующего гормона. Важно отметить – грелин может воздействовать на ЦНС различными путями: с током крови пересекать ГЭБ или передавать сигнал в ядра гипоталамуса благодаря наличию рецепторов к грелину на разветвлениях блуждающего нерва, густо опутывающих брюшную полость [Сowley et al . , 2003; Dixit, Taub, 2005].

Чистый орексигенный эффект грелина, возбуждающий аппетит, является функционально противоположным другому метаболическому гормону – лептину. Лептин подавляет активность AgRP и NPY, но стимулирует POMC/CART-нейроны, подавляя аппетит, т.е. обладает анорексигенным эффектом [Dixit, Taub, 2005; Wynne et al . , 2005]. Помимо лептина, гормон обестатин наделен функционально противоположными грелину эффектами – его воздействие необходимо для уменьшения потребления пищи, повышения массы тела и поддержания функций ЖКТ. В целом, метаболические гормоны грелин, лептин, обестатин, гастрин и др. регулируют энергетический и жировой обмен, дополняя друг друга в предоставлении информации

ЦНС о состоянии систем энергетического баланса [De Smet et al., 2007].

Роль грелина в регуляции репродуктивной системы . Грелин выступает в качестве нейроэндокринного модулятора, вовлеченного в контроль широкого спектра биологических функций, в том числе и репродуктивной [Repasi et al . , 2011]. Гре-лин принимает участие в регуляции полового созревания, половых циклов и беременности. Об этом свидетельствует экспрессия самого гормона и его рецепторов, а также наличие выраженных эффектов в репродуктивных органах и тканях [Muc-cioli et al . , 2011]. Возможность регуляции грели-ном репродуктивной физиологии крайне разнообразна и осуществляется несколькими путями: через собственные рецепторы грелин влияет на секрецию гонадотропинов – лютеинизирующего (ЛГ) и фолликулостимулирующего гормонов (ФСГ), оказывая непосредственное влияние на половые циклы и сроки полового созревания; и опосредованно – угнетая синтез гипоталамического гонадотропин-рилизинг гормона (ГнРГ) в гипофизе, что влечет за собой понижение выработки ЛГ и ФСГ клетками-гонадотрофами гипофиза [Fernández-Fernández et al . , 2004]. Еще один вариант опосредованной супрессии грелином пульсирующей секреции ЛГ происходит вследствие индуцированного грелином снижения экспрессии мРНК кисспептина, который является одним из важнейших нейроэндокринных регуляторов в системе управления репродуктивной осью и полового созревания [Muccioli et al . , 2011]. Наличие рецепторов грелина в фолликулах, желтом теле и миометрии предполагает потенциальную роль грелина в непосредственном управлении овариальной функцией. Показано, что в культуре человеческих гранулезных лютеиновых клеток грелин оказывает тормозящее влияние на стерои-догены (прогестерон и эстрадиол), причем независимо от присутствия хорионического гонадотропина человека, действуя через свои функциональные рецепторы [Viani et al . , 2008].

Беременность сопровождается значительным изменением уровня грелина, поскольку гормон синтезируется и плацентой. Это обусловлено усилением потребности матери и плода в питательных веществах и энергии. Максимальный уровень гре-лина отмечается в середине II триместра, затем его уровень начинает плавно снижаться, и вскоре после родов достигает своих обычных значений [Fuglsang et al., 2005]. При этом известно, что нарушения жирового обмена приводят к прерыванию беременности [Tena-Sempre, 2008]. Снижение относительного уровня грелина на 30–40% при беременности может сопровождается угрозой невынашивания и спонтанными абортами иммунного генеза [Шестопалов и др, 2011]. С другой стороны, и относительное повышение уровня грелина в I триместре беременности, например, при голодании, может приводить к нарушению имплантации и ограничению инвазии трофобласта. Во II триместре грелин стимулирует пролиферацию клеток плаценты [Nakahara et al., 2006], а физиологическое снижение его уровня в III триместре связывают с подготовкой организма к родам [Muccioli et al., 2011]. Кроме того, грелин – небольшая молекула, способная преодолевать маточно-плацентарный барьер. При этом ткани плода также секретируют гре-лин, обеспечивая развитие тканей и органов [Cha-noine, Wong, 2004].

Роль грелина в регуляции клеток иммунной системы . Как известно, клетки иммунной системы очень чувствительны к изменениям эндокринного фона и обмена веществ. Гормоны и питательные вещества могут влиять на иммунный ответ и экспрессию цитокинов, и наоборот, провоспа-лительные цитокины и различные факторы роста, вырабатываемые во время воспаления или в ответ на повреждение, распространяясь по всему телу, оказывают влияние на секрецию гормонов, нейроэндокринные функции и метаболизм [Gregori, 2011].

В некоторых случаях, изменения уровня грели-на сопровождаются глубокими нарушениями иммунитета, что предполагает значимую роль гормона в их патогенезе. Известно, что уровень грелина и количество GHS-R регулируются в состояниях острого и хронического воспаления, а также при аутоиммунных процессах [Hattori, 2001; Nagaya et al., 2001; Muccioli et al . , 2002; Baatar et al . , 2011; Colldén et al . , 2017]. В связи с этим, повышение уровня грелина в плазме или сыворотке крови рассматривается некоторыми исследователями как признак, связанный с тяжестью заболевания и/или наличием осложнений [Dixit et al . , 2004].

Рецепторы грелина экспрессированы на Т-лимфоцитах (в том числе на регуляторных Т-клетках, Treg), В-лимфоцитах, NK-клетках (англ. Natural killer, NK), нейтрофилах, макрофагах, моноцитах и дендритных клетках [Gnanapavan et al., 2002; Hattori, 2009]. При активации клеток отмечается увеличение количества рецепторов грелина, что подтверждает предположение о возможности регуляции грелином иммунного ответа, клеточного развития и дифференцировки [Dixit et al., 2004]. Кроме того, грелин ингибирует экспрессию рецепторов к лептину на Т-клетках человека, что может вызывать дозозависимое подавление индуцированной лептином продукции цитокинов. Это свидетельствует о существовании реципрокной системы регуляции, в которой лептин и грелин активируют клетки иммунной системы и регулируют вос- паление [Романцова, Волкова, 2005; Шестопалов и др., 2011].

Грелин может регулировать развитие иммунных реакций за счет подавления выработки активированными Т-клетками провоспалительных цитокинов, таких, как интерлейкин (англ. Interleukin, IL) -1 β , фактор некроза опухоли- α , IL-6, IL-17, IL-12, гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулирующий фактор; за счет угнетения транскрипционного фактора NF- κ B (англ. Nnuclear factor κB), ответственного за их синтез [Dixit et al., 2004; Романцова, Волкова, 2005; Dixit, Taub, 2005]. В том числе, противовоспалительные эффекты грелина связывают с подавлением продукции IL-8 и активных форм кислорода, а также с ограничением миграции нейтрофилов, макрофагов и моноцитов в очаг воспаления, что в совокупности с усилением продукции IL-10 и трансформирующего фактора роста опухоли- β 1 дендритными клетками, способствуют формированию и поддержанию пула Treg [Романцова, Волкова, 2005; Gon-zalez-Rey et al . , 2006; El-Eter et al . , 2007; Орлова, Ширшев, 2010]. Показано, что грелин, в концентрации отражающей его уровень при беременности, может усиливать формирование регуляторных NK-клеток и их миграцию в плаценту, а также усиливать экспрессию рецептора к IL-7 (CD127) и продукцию IL-4 CD4⁺-клетками, за счет чего будет способствовать формированию Т-хелперов (Th) 2 типа [Орлова, 2011; Орлова, Ширшев, 2012; Шир-шев и др, 2012, 2014]. Кроме этого, показано, что грелин играет важную роль при дифференцировке тимоцитов за счет стимуляции продукции IL-4 и апоптоза CD4⁺ и CD8⁺ клеток и контролирует формирование Treg [Орлова, Ширшев, 2013].

Экспериментальные исследования энцефаломиелита и рассеянного склероза у мышей показали, что введение гормона уменьшает выраженность воспалительного процесса в ЦНС и периферической крови, где отмечается уменьшение численности аутореактивных Th1-клеток и IL-17-продуцирующих Т-хелперов [Souza-Moreira et al . , 2013].

Исследования нескольких групп показали, что грелин играет важную роль в регуляции структуры и функций тимуса. Это связано с тем, что рецепторы к грелину экспрессируются как на монопози-тивных CD4+- и CD8+ - клетках, так и на дубльпо-зитивных, которые несут двойной набор GHS-R. При этом количество GHS-R на тимоцитах уменьшается с возрастом и соответствует темпам возрастной инволюции тимуса, а введение гормона стареющим мышам способствует изменению структурно-функциональных показателей тимуса – уменьшению процента жировой ткани с восстановлением нормально функционирующих зон, усилением дифференцировки тимоцитов и мигра- ции общих лимфоидных предшественников из костного мозга [Dixit et al., 2004, 2007].

Таким образом, на уровне иммунной системы грелин оказывает выраженный противовоспалительный эффект за счет регуляции процессов дифференцировки, пролиферации, апоптоза и продукции цитокинов [Van der Lely et al . , 2004; Орлова, Ширшев, 2010, 2013; Baatar et al . , 2011].

Перспективы использования грелина в медицинской практике . Изменения уровня грелина, наблюдаемые при некоторых патологических состояниях, открывают перспективы использования эндогенного гормона для их коррекции. Особый интерес представляет возможность лечения грели-ном нейродегенеративных расстройств, таких, как рассеянный склероз, болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона, а также замедления старения в целом.

В сосудистой ткани, где широко распространены рецепторы грелина, гормон оказывает прямое воздействие. Внутривенное введение грелина здоровым людям вызывает расширение кровеносных сосудов и увеличивает сердечный выброс, а у больных с хронической сердечной недостаточностью улучшает работу сердца и снижает среднее артериальное давление, не влияя на частоту сердечных сокращений и не вызывая побочных эффектов в почках [Colldén et al . , 2017].

Еще одно важное свойство грелина заключается в подавлении инсулинрезистентности кардиомиоцитов (индуцированной глюко- и липотоксич-ностью), что свидетельствует о возможной эффективности грелина для лечения болезней миокарда при сахарном диабете [Iglesias et al . , 2004].

Работа выполнена в рамках государственного задания; номер госрегистрации темы: 01201353248.