Особенности метаболизма аминотиолов и прогрессирование рака молочной железы

Введение. Дисбаланс аминотиолового обмена – потенциальный фактор риска злокачественной трансформации клеток и развития онкологических заболеваний, в том числе опухоли молочной железы с лидирующей мировой позицией в структуре онкологической заболеваемости. Цель исследования – обобщение имеющихся данных об особенностях метаболизма тиолов как одной из причин, способствующих развитию и прогрессированию рака молочной железы. Материал и методы. По базам данных Web of Science, Scopus, MedLine, The Cochrane Library, PubMed производился поиск литературных источников, опубликованных с 1999 по 2022 г., содержащих сведения по данной проблеме и дающих возможность оценить роль тиолзависимых метаболических нарушений регуляции тканевого окислительно-восстановительного равновесия в онкогенезе рака молочной железы. Результаты. В обзоре рассмотрены результаты как собственных, так и международных исследований по раку молочной железы, которые свидетельствуют о том, что дисбаланс тиоловых соединений, необходимых для поддержания умеренно восстановительной клеточной среды, противодействующей окислительному стрессу в ходе клеточного метаболизма и детоксикации, в условиях опухолевого прогрессирования может спровоцировать перепрограммирование ведущих звеньев антибластомной резистентности, способствующих онкопрогрессированию. Заключение. Более детальное исследование механизмов метаболизма аминотиолов в условиях рака молочной железы подчеркивает их особое значение для стабилизации клеточного генома и обеспечения антитоксической защиты клетки, а также понимания важной роли тиолов как координационного центра в окислительно-восстановительной сигнализации. Нарушения на любом этапе метаболизма тиолов могут играть этиологическую роль в онкогенетических патологиях, при этом роль тиолов как сигнальных молекул и особенности регуляции их метаболизма не стоит обобщать в отношении всей группы заболеваний. Определение сывороточных маркеров редокс-состояния у больных раком молочной железы, особенно при проведении противоопухолевой терапии, может служить для объективной оценки эффективности лечения и адаптационных возможностей организма, а также прогнозирования опухолевого роста и оптимизации программы скрининга и профилактики онкологических заболеваний.

FEATURES OF AMINOTHIOL METABOLISM AND PROGRESSION OF BREAST CANCER

A.V. Markovsky

Chita State Medical Academy of the Ministry of Health of Russia, Chita, Russia

Background. Imbalance of aminothiol metabolism is a potential risk factor for malignant transformation of cells and caner development, including breast cancer, which is the most commonly diagnosed cancer in the world. The purpose of the study was to summarize the available data on the characteristics of thiol metabolism as one of the factors contributing to the progression of breast cancer. Material and Methods.

Несмотря на заметные улучшения в ранней диагностике и лечении онкологической патологии, по данным ВОЗ, к 2020 г. темпы снижения заболеваемости раком молочной железы (РМЖ), наблюдаемые в последние десятилетия, замедлились [1]. Рак молочной железы является наиболее распространенным типом злокачественных опухолей среди женщин (21,2 %) и занимает 4-е место (7,4 %) по причинам смертности среди всех новообразований у населения России [2].

Одним из наиболее частых механизмов канцерогенеза РМЖ является окислительный стресс [3], развивающийся вследствие повышенного образования свободных радикалов и снижения механизма антиоксидантной защиты. В организме существует окислительный баланс между скоростью образования и удаления свободных радикалов, выполняющий регуляторную функцию и имеющий определенное значение в канцерогенезе [4]. Метаболиты окислительного стресса, в частности активные формы кислорода (АФК), синтезируются различными метаболическими путями, включая аэробное дыхание в митохондриях [5], и действуют как проканцерогены, повреждая компоненты клетки, такие как липиды, белки и ДНК [6].

Другим не менее важным участником окси-дативного стресса является система тканевых антиоксидантов – аминотиолов и их производных. Это низкомолекулярные ингибиторы процессов окислительной деструкции органических систем в клетках, такие как глутатион, гомоцистеин, цистеин, цистеинилглицин и γ-глутамилцистеин [7], обладающие высокой реакционной активностью [8]. Функциональные сульфгидрильные группы (SH) в тиолах (в окисленной форме) действуют как субстраты для антиоксидантных ферментов и как поглотители свободных радикалов. В условиях, отличных от окислительного стресса, аминотиолы находятся в состоянии динамического тиолдисульфидного гомеостаза (TДГ) [9] – равновесия между своими восстановленными и окисленными до дисульфидов формами [10], которое выражается линейной связью между соотношениями вос-становленного/общего гомоцистеина, цистеина и глутатиона.

Однако исследования тиолового дисбаланса как одной из причин прогрессирования РМЖ показывают противоречивые результаты. Это, возможно, обусловлено отсутствием точного описания роли и характера изменений как низкомолекулярных тиолов, так и окисленных белков в процессах инициации и опухолевого прогрессирования, а также изменением устойчивости к химиотерапии РМЖ на каждом этапе, что подтверждается отсутствием результата или в ряде случаев обратным лечебному эффектом при использовании антиоксидантов для предотвращения данной патологии.

Функциональная двойственность активных форм кислорода и глутатиона, ограничивающих онкогенез РМЖ, с одной стороны, и провоцирующих его прогрессирование ‒ с другой, также не добавляет понимания в этом вопросе. Отдельно стоит сказать о недостаточной изученности антиоксидантно-независимых функций аминотиолов в раковых клетках, а также взаимодействия между метаболизмом тиолов в опухоли и микроокружением карциномы молочной железы.

Аминотиолы и оксидативный стресс

Окислительно-восстановительный статус сульфгидрильных групп белков и низкомолекулярных аминотиолов является важной характеристикой редокс-состояния не только в нормальных, но и в раковых клетках, испытывающих мощный окислительный стресс вследствие кумуляции внутренних нарушений метаболизма. Для выживания раковые клетки используют тиоловые редокс-медиаторы, контролирующие пролиферативную активность иммортализированных клеток, что играет важную роль в модуляции опухолевого роста.

Динамический ТДГ поддерживается посредством реакций окисления АФК с SH-группой в тиолах [11] на клеточном уровне и играет важную роль в антиоксидантной защите, модуляции актив- ности ферментов, апоптозе, детоксикации, клеточных сигнальных механизмах и иммунном ответе в организме [12]. Окисление аминотиолов и образование дисульфидов как динамичный и обратимый процесс является ранней клеточной реакцией на окислительный стресс [13, 14], оценка которой имеет решающее значение для контролирования внутриклеточного окисления при опухолевых заболеваниях различной локализации.

АФК играют важную роль в качестве вторичного посредника при низких концентрациях в регуляции многих клеточных функций и ферментативных реакций и тем самым могут увеличивать выживаемость клеток, а также стимулировать пролиферацию клеток. Однако превышение АФК физиологического уровня приводит к нарушениям окислительно-восстановительного гомеостаза, клеточной регуляции и может вызывать нестабильность генома, что приводит к неконтролируемому росту клеток и провокации канцерогенеза [15, 16]. Это доказывает клеточный окислительновосстановительный дисбаланс, обнаруженный в различных раковых клетках по сравнению с нормальными. Следовательно, АФК носят двойственный характер, с одной стороны, как вторичные мессенджеры во внутриклеточных сигнальных каскадах, которые индуцируют и поддерживают онкогенный фенотип раковых клеток, и с другой – как противоопухолевые эффекторы, вызывающие клеточное старение и апоптоз.

Изменение состояния ТДГ у пациенток с РМЖ может происходить из-за окислительновосстановительных реакций, индуцированных АФК, которые участвуют в регуляции редокс-сигнализации клетки и окислительных модификаций белков через общий уровень глутатиона в клетке или соотношения его форм. При этом отмечается способность последних к активизации процесса необратимого нитрования белков, сопряженного с образованием реактивных форм азота и усилением эффекта нитрозилирующего стресса и, как следствие, изменением уровня тиоловых групп в белках плазмы [17], а также преобразованию окислительно-восстановительного сигнального пути (PI3K/AKT/mTOR) и модификации генов пролиферации [18].

Аминотиолы и опухолевые клетки

В большинстве клеток основным компонентом антиоксидантной защиты из аминотиолового пула является глутатион, существующий преимущественно (95–98 %) в восстановленной форме в миллимолярных концентрациях (от 1 до 10 мМ) [19]. Следовательно, увеличение количества окисленного глутатиона в клетках и тканях может указывать на окислительный стресс, например при РМЖ [20]. Этот трипептид продуцируется путем биосинтеза de novo, включающего двухстадийную АТФ-зависимую ферментативную реакцию, которая катализируется глутамат-цистеинлигазой и связывает цистеин с глутаматом с образованием γ-глутамилцистеина. Затем этот дипептид объединяется с глицином с помощью глутатион-синтетазы с образованием глутатиона [21]. Помимо синтетического пути, описанного выше, клетки могут преобразовывать глутатион-дисульфид в глутатион с помощью глутатион-редуктазы, которая требует НАДФН в качестве субстрата и, таким образом, связывает уровни НАДФН непосредственно с синтезом глутатиона. Поэтому высокое соотношение глутатиона и глутатион-дисульфида в раковых клетках также можно объяснить интенсификацией пентозофосфатного пути, который продуцирует НАДФН [22, 23] и играет решающую роль в регуляции роста раковых клеток, снабжая клетки не только рибозо-5-фосфатом, но и НАДФН для детоксикации внутриклеточных АФК.

Гамма-глутамилтрансфераза (γГТ) – ключевой фермент катаболизма восстановленного глутатиона. Этот мембраносвязанный фермент катализирует деградацию внеклеточного глутатиона, способствуя выработке составляющих глутамата и цистеина для синтеза внутриклеточного глутатиона, а также перенос глутамильного фрагмента глутатиона, связанного через глутамат-γ-карбоновую кислоту, к молекулам-акцепторам (аминокислоты и пептиды). γ-глутамиловый цикл [24] является альтернативой пути биосинтеза de novo и играет важную роль в поддержании уровня внутриклеточного глутатиона и цистеина [25].

Содержание γГТ значительно повышается при окислительном стрессе, особенно в раковых клетках с высокой метаболической активностью [26], а истощение γГТ приводит к дефициту цистеина, лимитирующего скорость образования глутатиона. Так, по данным проекта «Атлас генома рака» (The Cancer Genom Atlas), повышенный уровень γГТ обнаруживается в биопсийных образцах светлоклеточного рака почки (Clear Cell Renal Cell Carcinoma) по сравнению с соседними нормальными тканями, а его экспрессия в сыворотке пациентов коррелирует с худшими показателями выживаемости [27, 28].

У пациенток с РМЖ высокий уровень γГТ коррелирует с терапевтической резистентностью и худшим прогнозом, так как, например, распространенный противоопухолевый препарат (цисплатин) образует аддукты с побочным продуктом активности γГТ – цистеинилглицином ‒ намного быстрее, чем с глутатионом [29]. Следовательно, γГТ сверхэкспрессируется в раковых клетках, отличающихся по устойчивости к алкилирующим агентам или прооксидантным терапевтическим средствам, и снижение доступности внутриклеточного уровня глутатиона и цистеина путем ингибирования γГТ может использоваться для повышения сенсибилизации опухолевых клеток к различным химиотерапевтическим средствам, таким как аналоги глутамата. Однако при таких типах опухолей, как рак яичников, толстой кишки, печени, астроцитарной глиоме, саркоме мягких тканей, меланоме и лейкемии активность γГТ не изменяется [30].

Токсичность гомоцистеина объясняется образованием свободных радикалов при его окислении в дисульфидные формы, что в условиях гипергомо-цистеинемии и перегруженности антиоксидантных систем ведет к окислительному стрессу, в том числе через связь гомоцистеина с глутаматными рецепторами опухолевых клеток с последующей активацией внутриклеточного потока Ca²⁺ по градиенту концентрации. Это также способствует оксидативной митохондриальной дисфункции с возможной репрессией генов-супрессоров опухолей, что приводит к злокачественной трансформации или прогрессированию РМЖ. При этом стойкая гипергомоцистеинемия, а, следовательно, и персистирующий оксидативный стресс приводят к развитию резистентности к апоптозу в клетках карциномы молочной железы, что может провоцировать отбор клеток с устойчивым к апоптозу фенотипом (например, с выключенным геном р53 ) [31], что снижает эффективность противоопухолевой терапии РМЖ, основанной на индукции апоптоза опухолевых клеток.

Другие компоненты редокс-системы опухолевых клеток, в частности восстановленный глутатион и тиоредоксин, также оказывают антиапоптотиче-ское действие с формированием множественной лекарственной устойчивости [32] и, согласно данным Е.В. Шахристовой и соавт., вносят вклад в нарушение пролиферации клеток эпителия молочной железы [33]. Исследование редокс-зависимой модуляции функционирования внутриклеточных белков, регулирующих пролиферацию, является перспективным для разработки персонифицированной диагностики при РМЖ [34].

Аминотиолы при пролиферативных заболеваниях молочной железы

Согласно результатам наших исследований [35, 36], при пролиферативных заболеваниях молочной железы наблюдается явный дисбаланс сывороточных тиолов преимущественно за счет увеличения концентрации гомоцистеина, причем в случае с РМЖ это также сопровождалось повышением уровня глутатиона и глутамилцистеина, а при доброкачественных образованиях молочной железы ‒ снижением цистеинилглицина. В отличие от показателей сыворотки, в опухолевой ткани молочной железы значительный дисбаланс тиолов был преимущественно за счет увеличения концентрации всех фракций глутатиона и глутамилцистеина, в том числе окисленных, которые очень токсичны для биологических молекул.

Высокий уровень сывороточных тиолов наблюдался и при оценке межтиповых различий метаболизма аминотиолов, а именно гомоцистеина, глутатиона и глутамилцистеина, варьируя у больных с различными гистологическими и молекулярно-биологическими подтипами РМЖ. При этом стоит отметить наличие максимальных значений концентрации данных тиолов в группе с редкими формами и HER2neu+ подтипом РМЖ, а также разнонаправленную корреляционную зависимость экспрессии иммуногистохимических маркеров и концентрации тиолов в сыворотке, где онкопротеин HER2-neu имел прямую, а антиген Ki67 обратную связь с гомоцистеином и глутатионом. Изменения тиол-дисульфидного гомеостаза в опухолевой ткани молочной железы относительно гистологического и молекулярно-биологического типа РМЖ отражались высоким уровнем всех форм глутатиона, с максимумом при смешанном гистотипе и базальном подтипе РМЖ, а также глутамилцистеина у больных с инфильтративно-протоковым и люминальным В подтипом РМЖ [37, 38].

Аминотиолы и эстрогензависимый РМЖ

Исследования роли основного канцерогенного фактора – эстрогена и его рецепторов (ER, существует два вида рецепторов – α и β) – в развитии и прогрессировании рака молочной железы демонстрируют низкий уровень общих тиолов в сыворотке пациенток с ER-положительным в сравнении с ER-отрицательным РМЖ [39, 40], что отражается на уровне риска рецидива и выживаемости [41]. В данном случае предполагается, что активация ERα увеличивает пролиферацию клеток РМЖ (вследствие усиленной транскрипции гена CCND1, который кодирует белок циклин D1, специфически регулирующий фазовый переход G1/S-фаза в клеточном цикле), а, следовательно, и рост окислительного стресса, влияющего на уровень сывороточных тиолов. Это может изменить структуру и функцию рецепторов и аминотиолов, что повлияет на клинические последствия ER-положительного РМЖ, хотя прямой взаимосвязи между клиникопатологическими факторами и параметрами ТДГ не описано. Также стоит отметить, что эстрогены и их метаболиты способны изменять редокс-баланс (в органах и крови) посредством усиленного генерирования супероксидных радикалов с их сигнальными и повреждающими эффектами, а у женщин, получающих эстрогены в постменопаузе или использующих гормональные контрацептивы, часто наблюдается низкий уровень гомоцистеина.

Специфичный для РМЖ лактопероксидазный метаболизм эстрогенов потенцирует увеличение продукции АФК (феноксильного радикала), которые способствуют изменению энергетического метаболизма и модулируют несколько окислительновосстановительных белков, ответственных за пролиферацию клеток и антиапоптоз, а также способствуют мутациям в митохондриальной ДНК, что в конечном итоге приводит к эстроген- опосредованному канцерогенезу и злокачественной трансформации [42].

Эстрогены могут активировать антиоксидантный ответ с помощью редокс-чувствительной сигнальной системы факторов транскрипции – Keap1/ Nrf2/ARE, которая защищает раковые клетки от потенциальных цитотоксических эффектов собственных эстроген-опосредованных АФК и зависит от окислительно-восстановительного баланса в клетках. Keap1 (Kelch-like ECH associating protein 1) – это полипептид, содержащий 27 остатков цистеина, представляющих своеобразный «цистеиновый код», которые подвергаются окислительной модификации и тем самым играют ключевую роль в снятии репрессии транскрипционного фактора Nrf2. Так, Кеар1 является геном-супрессором опухоли и метастазирования, а Nrf2 (nuclear E2-related factor 2) защищает клетки и ткани от токсинов, окислительного стресса и канцерогенов посредством регуляции экспрессии генов, содержащих в своих промоторах антиоксидант-респонсивный элемент ARE (antioxidant respons(iv)e element) [43, 44].

Заключение

Выявленные особенности дисбаланса тиолового обмена при РМЖ, без сомнения, имеют определенное патофизиологическое значение. Тиол-зависимые редокс-изменения играют важную роль в инициации и сохранении прогрессирования РМЖ, где гомоцистеин и активные формы кислорода оказывают повреждающее действие на ДНК и системы ее репарации, а механизм антиоксидантной динамической защиты из низкомолекулярных тиолов обусловливает устойчивость опухолевых клеток к химиотерапии. Расстройство регуляции радикалами окислительно-восстановительной