HUMAN PROTEIN BLOOD COUNT DISORDERS UNDER IMPACT OF AROMATIC HYDROCARBONS

Full Text

Ароматические углеводороды (по международной номенклатуре ИЮ-ПАК — арены) — класс органических соединений, в молекуле которых содержится одно или несколько ароматических колец — циклических групп атомов углерода с особым характером связей, более устойчивых по сравнению с алифатической двойной связью. Простейшие и наиболее важные представители ароматических углеводородов — бензол, толуол, 0-, М-, п-ксилолы, стирол — относятся к высокоопасным химическим веществам (II класс опасности) [2]. Являются компонентами эмиссий предприятий основного органического синтеза, химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической отраслей и представляют наибольший риск для здоровья населения. Главные источники поступления в объекты внешней среды — это перегонка угля и ряд нефтехимических процессов, в частности каталитический риформинг, перегонка сырой нефти и алкилирование низших ароматических углеводородов. Характерной особенностью данных соединений являются значительная распространённость в атмосферном воздухе населённых мест и в воде поверхностных водоёмов, а также высокая повреждающая способность при длительном внешнесредовом поступлении в организм даже в незначительных количествах и концентрациях, не превышающих существующие гигиенические нормативы [4]. Основной путь поступления бензола и его гомологов в организм — ингаляционный. При воздействии бензола в виде паров через органы дыхания он сразу попадает в кровеносное русло в результате диффузии через альвеолярные капилляры, обходя защитные детоксикационные барьеры, в том числе и печень. Вследствие высокой липофильности бензол и его гомологи могут поступать в организм перкутанным путем — через неповрежденную кожу [3]. Находясь в кровеносном русле, бензол, его гомологи и их метаболиты оказывают негативное воздействие на широкий спектр функционально-метаболических систем на молекулярном, клеточном и системном уровнях [1], следствием чего могут являться локальные и системные токсические эффекты. Сравнение протеома биологических образцов (тканей и жидкостей) индивидов, проживающих в различных условиях экспозиции, применяется в клинических и биомедицинских исследованиях для установления белков, экспрессируемых в ответ на воздействие химических факторов [30]. Исследование влияния воздействия ароматических углеводородов на экспрессию белков позволит выявить клеточный ответ на стадиях, предшествующих клеточному поражению. Бензол Бензол — один из важнейших химических продуктов, широко используемый во многих отраслях промышленности, входит в число наиболее распространённых загрязнителей среды обитания [31]. Международным агентством по изучению рака бензол признан канцерогеном человека 1 -й категории [25]. Опасность бензола, как и ароматических углеводородов в целом, для организма при длительной экспозиции определяется политропностью повреждающего действия и способностью к образованию агрессивных метаболитов в процессе биотрансформации [4]. Биоактивация бензола может приводить к образованию электрофильных метаболитов, таких как фенол, гидрохинон и катехол. Катехол формирует семихиноны и реактивные хинины, которые, как предполагается, играют важную роль в образовании активных форм кислорода (АФК), непосредственно приводящих к изменениям клеточных макромолекул, включая ДНК и белки. Образующиеся электрофильные метаболиты могут формировать аддукты с гемоглобином, сывороточным альбумином и белками костного мозга, нарушая их структуру [46]. Потенциальные механизмы токсичности бензола были исследованы в следующих направлениях: • метаболизм бензола в печени (CYP2E1 и т. д.) и транспорт в костный мозг для вторичного метаболизма (МРО, NQ01 ) [34, 45]; • окислительный стресс, вызванный активными формами кислорода, образующимися при метаболизме ароматических соединений [47, 56]; • хромосомные изменения, включая транслокации, делеции и анеуплоидии [54]; • повреждения белков тубулина, гистонов, топои-зомеразы II и других [42]; • дисфункция иммунной системы (TNF-a, INF-y, AhR и др.) [29, 53]. Бензол, как активный мутаген, вызывает хромосомные нарушения, аналогичные тем, которые наблюдаются при терапиясвязанной миелодисплазии и остром миелобластном лейкозе [32]. Одним из возможных механизмов, лежащих в основе патологий, вызванных бензолом, является индукция генетических изменений, приводящих к хромосомным аберрациям, транслокациям, анеуплоидии и делеции длинного плеча [44], изменениям в дифференциации клеток и иммунного надзора. Различные хромосомные эффекты возникают после воздействия алкилирующих агентов и ингибиторов топоизомеразы II (текущие сбалансированные транслокации или инверсии), используемых в химиотерапии. С воздействием бензола или его метаболитов связана делеция длинного плеча хромосом 5 и 7 [55] и транслокации с участием участка двадцать первой хромосомы [43]. Достоверно установлено, что воздействие бензола приводит к развитию лейкемии по нескольким различным механизмам. Показано, что при внешнесредовом воздействии бензола увеличивается содержание в плазме следующих белков: прекурсор коллагеназы 3, РК506-связывающий протеин, RAS-связывающий белок RAB-36, альфа субединица гуаниннуклеотид-связывающего белка G(O), белок homer-2, белок ААМР-1, альфа-цепь рецептора интерлейкина-4, белок-адаптер-1 фосфоинозитол-4-фосфата, белок TERF2IP, изоформа FKB23 РК506-связывающего белка, Аб-подобный белок, предшественник CD lb (гликопротеина поверхности Т-клетки), ингибитор циклинзависимой киназы р27, Ras-подобный белок Rab-3D, Т-клеточный рецептор бета-1, вариабельная область легкой цепи иммуноглобулина, С-область бета-цепи Т-клеточного рецептора [50]. Также показано, что при воздействии бензола происходит снижение экспрессии белков РВР и АРОВ 100, что указывает на снижение иммунной реактивности и нарушение липидного обмена [57]. В результате воздействия низких доз бензола на фибробласты, клеточные линии пневмоцитов А549 и гепатоцитов HepG2 происходит экспрессия одного из белков стресса — GRP78, находящегося в эндо-плазматическом ретикулуме. В то же время значимых изменений экспрессии других белков стресса (HSP72 и HSP90) не наблюдается [11]. На основании этого предполагается, что присутствие бензола приводит к неправильному свёртыванию белков в эндоплаз-матическом ретикулуме, тем самым неблагоприятно воздействуя на их выделение. Метаболиты бензола образуют аддукты с гемоглобином и альбумином, присоединяясь к боковой цепи цистеина. Показана зависимость концентрации таких адцуктов от содержания бензола во внешней среде [33]. Модифицированные белки являются эффективными биомаркерами окислительного стресса, поскольку представляют собой ключевые молекулы различных структурных и функциональных аспектов деятельности организма, а их функции зависят от структуры и конформации. Изменение структуры по-липептидной цепи в условиях окислительного стресса может привести к дисфункции белков и замедлению их деградации (а следовательно, их накоплению), а также к широкомасштабным функциональным последствиям, последующей клеточной дисфункции, повреждению тканей и патологии. По этой причине окислительный стресс, вызванный метаболитами бензола, рассматривается как основной фактор в бензолиндуцированной патологии [9], хотя сам по себе метаболизм бензола не является достаточным для полного описания токсичности этого соединения. Метаболиты бензола, такие как катехол, гидрохинон, 1,2,4-тригидроксибензол, парабензохинон при воздействии на мононуклеарные клетки в эксперименте in vitro периферической крови человека могут стимулировать производство хемокинов, провоспалительных цитокинов TNF-a и IL-6, Th-2 цитокинов IL-4 и IL-5, эотаксина, МІР-la, белка RANTES [ 15]. В активированных клетках наблюдается одновременное подавление экспрессии противовоспалительного цитокина IL-10. Увеличение уровня хемокина МСР-1 наблюдалось при обработке клеток гидрохиноном, тригидроксибензолом и бензохиноном, но не катехолом. Исследование влияния метаболитов бензола на митогенактивированные лейкоциты пока- 16 Экология человека 2013.07 Окружающая среда зало увеличение производства хемокинов/цитокинов GM-CSF, IFN-y, IL-lß, IL-2, IL-4, IL-5, IL-6, IL-8, IL-10, TNF-a, MIP-lß, MCP-1, Eotaxin, МІР-la, RANTES на 1—4 порядка. При воздействии низких доз бензола на клеточные линии А549 (эпителиальная аденокарцинома лёгких человека) и LL24 (человеческие фибробла-сты лёгких) in vitro установлено, что клетки LL24 менее устойчивы к воздействию бензола, чем клетки А549, что выражается в увеличении пролиферации в присутствии разбавленных растворов бензола [16]. Кроме того, бензол в низких концентрациях увеличивает активность теломеразы в клетках фи-бробластов лёгких LL24, чего не наблюдается в клетках аденокарциномы А549. Протеолиз лёгочного матрикса под действием металлопротеиназ (ММР) может приводить к невозможности восстановления повреждений ДНК или устранению клетки с непоправимыми повреждениями путём апоптоза, что приводит к развитию патологии лёгких. Воздействие бензола повышает уровень ММР-2 и ММР-3 мРНК, а отношение (ММР- 1+ММР-2+ММР-3)/ингибиторы металлопротеиназ (TIMP-1+TIMP-2) может быть использовано в качестве показателя продеструктивной активности, которая находится в прямой зависимости от концентрации бензола. Четыре гена (CXCL16, ZNF331, JUN и PF4), экспрессируемые в мононуклеарных клетках периферической крови человека, являются потенциальными биомаркерами раннего ответа на повышенное, но не превышающее нормативов воздействие бензола [14]. Более поздние исследования показали, что воздействие бензола значительно влияет на экспрессию по меньшей мере двадцати генов, участвующих в регуляции апоптоза, иммунного ответа, защитной реакции, реакции на стресс, воспалительного ответа, сборки хроматина [24]. Увеличение экспрессии наблюдалось для генов PLK2 (полоподобная киназа 2), ZNF331 (белок цинковый палец 331), C19orî59 (открытая рамка считывания 59 хромосомы 19), SLC16A3 (член 3 семейства переносчиков 16), NR4A2 (ядерный рецептор член 2 подсемейства 4 группы А), МАТ2А (метионин аденозилтрансфераза II, альфа), CERK (церамидкиназа), NABI (NGFI-А-связывающий белок 1 (EGR1-связывающий белок 1)), NARF (ядерный фактор распознавания преламина), TTC 19 (тетратри-копептид повторяющийся домен 19), ANKH (гомолог белка прогрессирующего анкилоза), ASMTL (аце-тилсеротонин О-метилтрансферазаподобный белок), C6orî59 (открытая рамка считывания 59 хромосомы 6), ZNF155 (белок цинковый палец 155, транскрипционный вариант 1 ); уменьшение экспрессии наблюдалось для генов HSPA1B (белок теплового шока 70 kDa IB), HSPA1А (белоктеплового шока 70 kDa 1А), JUN (гомолог онкогена 17 вируса саркомы), KLF6 (Круппельподобный фактор 6), С14orf 181 (открытая рамка считывания 181 хромосомы 14), PPP1R15A (регулирующий (ингибирующий) субюнит 15А протеинфосфатазы 1 ). Некоторые из обнаруженных генов показали значительные изменения экспрессии только при низких уровнях бензола и, таким образом, являются потенциальными биомаркерами малых доз воздействия. Результаты показывают, что даже низкий уровень профессионального воздействия бензола вызывает значительные изменения экспрессии генов, участвующих в иммунных и воспалительных реакциях. Два белка (PF4 — тромбоцитарный фактор, CTAP-III — пептид активации соединительной ткани) — СХС-хемокины, производимые тромбоцитами, проявили сильную обратную корреляцию с индивидуальными уровнями бензола. Тромбоцитарный фактор 4 (PF4) также показывает снижение уровня ещё на стадии экспрессии генов. Следовательно, снижение уровня белка PF4 или CTAP-III может служить биомаркером ранних биологических эффектов бензола. Другие исследования [28] показывают, что у лиц с диагностированным отравлением бензолом в мононуклеарных клетках периферической крови происходит увеличение экспрессии генов PTGS2 (простагландин-эндопероксид синтетаза 2), BAI3 (специфический ингибитор ангиогенеза 3), GCL (гранкальцин), CYP4F3 (лейкотриен-В (4) омега-гидроксилаза), MY047 (рецептор лептина), TRA (активная альфа-цепь мРНКТ-клеточного рецептора человека), AD022 (TRAF и TNF рецепторсвязанный белок), PRKCH (протеинкиназа С), RASGRP1 (RAS гуанил высвобождающий белок 1, регулируемый кальцием и DAG), FPR1 (формилпептидный рецептор 1 ), TGFBR3 (бета-рецептор 3 изменяющего фактора роста), GR01 (онкоген GR01, стимулирующий рост активности меланомы), SEL1L (Sel-1-подобный), CSF2RB (рецептор колониестимулирующий факторов 2, бета-, низко-близости (гранулоцитарно-макрофагальный)), IFITM1 (интерферониндуци-руемый трансмембранный белок 1 (9-27)), STAT4 (переносчик сигнала и активатор транскрипции 4), IFITM2 (интерферониндуцируемый трансмембранный белок( 1-8D)), ABLIM (актинсвязывающий LIM белок 1), KIAA1382 (переносчик аминокислот 2), SPTBN1 (неэритроцитарный спектрин бета 1), НВВ (бета гемоглобин), PRKDC (каталитический полипептид ДНК-активируемой протеинкиназы); и снижение экспрессии — генов S100A10 (S 100 кальцийсвязы-вающий белок А10), ITGB2 (Интегрин бета-2), ТКТ (транскетолаза), VAMP8 (везикуласвязанный белок мембраны 8), FOSB (гомолог онкогена В мышиной вирусной остеосаркомы), ASAHL (N-ацилсфингози наминогидролзаподобный белок), CDC37 (гомолог цикла клеточного деления 37), SLC25A6 (член 6 семейства транспортёров растворённых веществ), CLN2 (поздний детский цероид-липофусциноз (болезнь Бильшовского — Янского)), АСТА2 (альфа-2 актин гладкой мускулатуры аорты), CST3 (цистатин С), HLA-DMB (главный комплекс гистосовместимости, класса II антигенов, DM бета цепи), ALDH2 (аль-дегиддегидрогеназа 2 (митохондриальная)), LGALS2 (галактозидсвязывающий растворимый лектин 1 17 Окружающая среда Экология человека 2013.07 (галектин 1)), ARHB (член В семейства гомологов гена Ras), KLF4 (Круппельподобный фактор 4), ATF3 (фактор активации транскрипции 3). Показано, что фенол, образующийся при метаболизме бензола, индуцирует CYP4F3A в клетках человеческого промиелоцитарного лейкоза HL-60 и в клетках хронической миелоидной лейкемии человека К562, а также в человеческих нейтрофилах. Гидрохинон и фенол индуцируют DNA-PKcs (ДНК-зависимая про-теинкиназа) в клетках FIL-60, которая коррелирует с увеличением числа двойных разрывов ДНК. Полагается, что индукция гена CYP4F3A увеличивает инактивацию лейкотриена В-4 (LTB4) и, таким образом, снижает хемотаксис и функции лейкоцитов; в то же время индукция этого гена способствует пролиферации клеток. Оба этих изменения вносят вклад в миелотоксичность бензола [52]. Метаболиты бензола играют большую роль в повреждении ДНК. Однако ДНК не является единственной мишенью воздействия. Некоторые метаболиты могут влиять на белки, участвующие в поддержании целостности ДНК и геномной стабильности. Это было продемонстрировано наиболее четко для ингибирования топоизомеразы II, приводящего кдвунитевым разрывам ДНК. Ингибирование ферментов, участвующих в репликации ДНК, таких как топоизомеразы, метаболитами бензола представляет собой один из возможных механизмов, посредством которого бензол может вызвать хромосомные нарушения. Показано, что в присутствии человеческой миелопероксидазы и перекиси водорода гидрохинон активируется и выступает в качестве мощного ингибитора топоизомеразы II [12]. Топоизомераза II является ядерным АТФ-зависимым ферментом, который играет важную роль в ряде процессов, связанных с обеспечением функций ДНК Имеющиеся данные показывают, что в развитии лейкозов, индуцированных бензолом, участвуют многочисленные механизмы, а ингибирование топоизомеразы II может представлять собой важную стадию в развитии некоторых типов лейкемии [ 17]. Другими механизмами, потенциально способствующими канцерогенности, являются гиперэкспрессия факторов транскрипции, активация онкогенов и клеточной сигнализации [8]. НАДФН-хиноноксидоредуктаза 1 (NQ01) относится к флавинсодержащим ферментам с широкой субстратной специфичностью. NQ01 индуцируется при воздействии многих факторов, включая электро-фильные метаболиты бензола и окислительный стресс, и может рассматриваться как ответ на воздействие внешних факторов [35]. Функции хи-ноноксидоредуктазы включают в себя метаболизм ксенобиотических хинонов в гидрохиноны, метаболизм эндогенных хинонов в гидрохиноны в результате антиоксидантного действия, поддержание окислительновосстановительного баланса, прямое выведение кислородных радикалов, взаимодействие с р53 и его стабилизацию, стабилизацию микротрубочек. По скольку NQ01 участвует в метаболизме бензола и детоксикации его метаболитов, полиморфизм этого фермента (и его активность) может обусловливать наследственную предрасположенность к интоксикации бензолом и развитию различных форм лейкемии. Будущие протеомные исследования могут выявить более эффективные и селективные биомаркеры бензола, что будет способствовать более детальному установлению механизмов, лежащих в основе токсичности бензола и связанных с ним заболеваний. Толуол Толуол (метилбензол) — ближайший гомолог бензола, один из самых распространённых растворителей, используемый во многих процессах и продуктах, в том числе промышленных красках, клеях, покрытиях и чистящих средствах. Поскольку толуол является ближайшим гомологом бензола, биологическое действие их во многом схоже. Однако толуол менее токсичен и не является канцерогеном для человека. Нейротоксичность и репродуктивная токсичность толуола хорошо известны, также обсуждается его генотоксичность. Эпидемиологические исследования свидетельствуют о значительном увеличении случаев рака дыхательных путей, рака легких, рака почек, рака мочевого пузыря и лейкемии у индивидов, подверженных воздействию толуола в повышенных, но не превышающих гигиенических норм концентрациях [ 19]. Однако последующие исследования не выявили значительной связи между воздействием толуола и развитием онкологических заболеваний, в связи с чем толоул не классифицируется в качестве канцерогена для человека [20]. Показано, что толуол индуцирует кинетохоротри-цательные и центромеротрицательные микроядра в лимфобластоидных клетках человека MCL-5, которые стабильно экспрессируют комплементарную ДНК, кодирующую человеческие белки CYP1A2, CYP2A6, CYP3A4, CYP2E1 и эпоксидгидролазу, а также в клетках Ь2Е1, содержащих комплементарную ДНК для CYP2E1; кинетохорположительные микроядра индуцируются только при высоких дозах. Человеческие лимфобласты (АНН-1 ), конститутивно экспрессирующие белок CYP1А1, показали небольшое увеличение частоты встречаемости микроядер [20]. Воздействие толуола на клеточные линии промиелоцитарного лейкоза человека HL-60, миелолейкоза К562 и лейкемической моноцитарной лимфомы U937 вызывает экспрессию генов НМОХ1 (гема оксиге-наза-1) и NOXA (проапоптозный белок) [38]. Предполагается, что НМОХ1 индуцируется в условиях окислительного стресса и способствует ослаблению окислительных повреждений клетки и снижению апоп-тоза [28]. NOXA принимает участие в апоптозе, индуцированном апоптозом. Белок считается посредником апоптоза, прямо или косвенно взаимодействующим с другими про- и/или анти-апоптотическими белками семейства Вс1-2 (например, Вах или Вак) для содействия изменениям митохондриальной мембраны, 18 Экология человека 2013.07 Окружающая среда приводящим к её пермеабилизации и истечению апоптогенных белков [58]. Установлено, что воздействие толуола на клеточные линии миелолейкоза К562 и гистоцитарной лимфомы U937 значительно изменяет экспрессию генов, которые регулируются через сигнальные пути толлподобных рецепторов (TLR), сигнальные пути Т-клеточных рецепторов, цитокин-цитокиновых рецепторных взаимодействий, а также естественными киллерами клеточной цитотоксичности. Установлены дозозависимые различия экспрессии генов IFIT1 (интерферониндуцированный белок с тетарикопедным повтором 1), IFIT2 (интерферониндуцированный белок с тетарикопедным повтором 2), IFIT3 (интерферониндуцированный белок с тетарикопедным повтором 3), USP18 (убиквитинспе-цифичная пептидаза 18), INFGR2 (интерфероновый гамма-рецептор 2), PMAIP1 (форбол-12-миристат-13-ацетатиндуцируемый белок 1), GADD45a (индуцируемый блокировкой роста и повреждениями ДНК, альфа), NFKBIa (ингибитор ядерного фактора кВ альфа), TNFAIP3 (белок 3, альфа-индурованный фактором некроза опухоли) и BIRC3 (белок, содержащий 3 повтора бакуловирусного ингибитора апоптоза) от воздействия толуола, которые являются потенциальными кандидатами на роль биомаркеров воздействия летучих ароматических соединений, в том числе толуола [37]. Наиболее чувствительными к воздействию толуола являются гены, относящиеся к интерферону (IFIT1, IFIT2 и IFIT3). Функции генов IFIT1, IFIT2 и IFIT3 недостаточно изучены, но в некоторых работах показано, что IFIT1 и IFIT2 широко используются в качестве маркерных генов для обнаружения сигнального пути JAK / STAT [49]. Анализ также показал, что толуол индуцирует гены рецепторов цитокин-цитокиновых взаимодействий, которые были связаны с членами семейства JAK, конечными посредниками биологического ответа через STAT (трансдуктор сигнала и активатор транскрипции). На основании вышеизложенного показано, что воздействие толуола индуцирует интерферонсвязанные гены как часть иммунного ответа через путь JAK- STAT. Исследование воздействия толуола на клетки LLC-PK1 (почечные проксимальные трубчатые эпителиальные клетки) показало увеличение активности каспазы-9 [7]. Это увеличение сопровождается повышением уровня проапоптотических белков (Вах) и снижением уровня антиапоптотических белков (Вс1-2). Кроме того, ингибирование фрагментации ДНК ингибиторами каспазы-9 имеет дозозависимый характер. Толуолиндуцированный апоптоз клеток LLC-PK1, как мера фрагментации ДНК, сопровождается перекисным окислением липидов и активацией цитохрома Р4502Е1 (CYP2E1) [5]. Следовательно, толуол индуцирует каспазу-9 и способствует увеличению уровня Вах, который, в свою очередь, запускает почечной апоптоз через митохондриальный путь. Однако было установлено, что увеличение концентрации толуола до 5 мМ вызывает некроз через активацию CYP2E1 и окислительный стресс [5]. Толуол, как и бензол, реализует токсическое действие через окислительный стресс, вызванный активными формами кислорода, которые образуются при метаболизме и детоксикации электрофильных метаболитов. Ксилол Ксилолы — общее название для группы диметил-замещённых бензолов (орто-, мета- и параксилол), в гомологическом ряду расположенные после толуола. Ксилол является одним из продуктов переработки угля и нефти, широко используется в качестве растворителя и входит в состав автомобильного топлива. В связи с этим создаются широкие возможности его для внешнесредового воздействия на организм. Обладая сходством в строении с толуолом, ксилол имеет схожее биологическое действие. Ксилол относится к умеренно опасным веществам (3 класс опасности), обладает нейротоксическим, репротокси-ческим действием и не классифицируется в качестве канцерогена [21]. Длительное воздействие ксилола в дозах, не превышающих гигиенических нормативов, может вызывать необратимую потерю слуха [41]. Однако более подробные исследования показали, что ото-токсическим действием обладает только параксилол, а воздействие орто- и метаксилола не приводит к потере волосковых клеток. Исследование воздействия ортоксилола на клетки промиелоцитарного лейкоза человека HL-60 показало, что он вызывает значительные изменения в экспрессии генов, участвующих: • в иммунном ответе: IFIT1, IFIT2, IFIT3 (интерферониндуцированный белок с тетарикопептидным повтором 1, 2, 3), IL8 (интерлейкин 8), IFNGR2 (рецептор гамма-интерферона 2), USP18 (убикви-тинспецифичная пептидаза), CXCR4 (хемокиновый рецептор 4), NCF2 (цитозольный фактор нейтро-филов 2); • апоптозе: BCL2A1 (ВСЬ2-связывающий белок AI ), BIRC3 (белок, содержащий 3 повтора бакуловирусного ингибитора апоптоза), PMAIP1 (форбол-12-миристат-13-ацетатиндуцируемый белок 1), FILIP1L (филамин А взаимодействующий белок 1 -подобный), GADD45a (индуцируемый блокировкой роста и повреждениями ДНК, альфа), NFKBIa (ингибитор ядерного фактора кВ альфа), TNFAIP3 (белок 3, альфа-индурованный фактором некроза опухоли); • регуляции транскрипции: RELB (гомолог В онкогена V-rel вирусного ретикулоэндотелиоза), EGR3 (белок раннего ростового ответа 3), NFAT5 (ядерный фактор активированных Т-клеток, 5), NFIB (ядерный фактор I-В), ХВР1 (Х-Ьох-связывающий протеин 1); • регуляции клеточного цикла: BCL6 (В-клеточная лимфома 6), SESN2 (сестрин 2), BTG1 (белок В-клеточный белок транслокации гена 1), DNAJB9 (Dnaj гомолог члена 9 подсемейства В), MAD (белок 19 Окружающая среда Экология человека 2013.07 1 димеризации тус-связанного фактора X), МАРЗК8 (митогенактивированная протеинкиназа 8), PRNP (прионный белок (р27-30)), NEDD9 (белок, экспрессируемый предшественником нейрона белок 9, снижающий умственное развитие), PTGER2 (рецептор 2 простогландина E), ZCCHC2 (цинковый палец, содержащий ССНС домен 2); •транспорте: STX11 (синтаксин 11), SLC7A11 (член 11 семейства переносчиков 7), SLC38A2 (член 2 семейства переносчиков 38), CYP1B1 (полипептид 1 подсемейства В семейства 1 цитохрома Р450); • прочих функциях: ELOVL6 (ELOVL элонгаза жирных кислот 6), HERC5 (ЕЗ убиквитин-лигаза 5, содержащая домены НЕСТ и RLD), НМОХ1 (гема оксигеназа-1 ), ZC3HAV1 (цинковый палец 1 СССН-типа, антивирусный), PELI1 (гомолог Pellino 1), СТН (цистатионин гамма-лиазы), EVI2A (сайт 2А интеграции экотропного вируса), HIVEP2 (белок 2, усиливающий связывание ВИЧ типа 1), HNRPLL (гетерогенный ядерный рибонуклеопротеин L-типа), ZCCHC2 (цинковый палец 2, содержащий домен ССНС), RAB6IP1 (РАВб-взаимодействующий белок 1 ), RAB8B (RAB8B, член семейства онкогенов RAS), RNF149 (безымянный палец белка 149) [37]. Краткосрочное воздействие параксилола приводит к повреждению клеток почечных канальцев, повышению оксидативного стресса и увеличению активности CYP2E [6]. То обстоятельство, что клеточная смерть происходит в результате некроза, свидетельствует об образовании летального уровня оксидативного стресса, вызванного метаболизмом параксилола. Это подтверждается и отсутствием апоптоза, поскольку для осуществления апоптоза требуется хронический сублетальный уровень окислительного стресса. Воздействие ароматических соединений стимулирует выделение провоспалительных белков эпителиальными клетками лёгких. Показано, что метаксилол при воздействии на клетки карциномы лёгких (А549) в концентрациях, соответствующих концентрациям в закрытых помещениях, вызывает увеличение производства белка MCP-1 (моноцитар-ный хемоаттрактантный белок 1 ). При более высоких концентрациях возрастает секреция IL-8 (интерлей-кин-8) [ 13]. Показано, что воздействие метаксилола не вызывает каких-либо цитотоксических или пролиферативных эффектов в клетках А549. Из этого следует, что воздействие метаксилола не влияет на жизнеспособность и пролиферацию клеток лёгких даже при высоком уровне воздействия. Однако при воздействии высоких концентраций метаксилола наблюдается изменение функциональной активности, в частности, увеличение секреции IL-8 и снижение секреции МСР-1 и IL-6 клетками А549. Снижение секреции IL-6 и МСР-1, вероятно, указывает на субтоксическое влияние очень высоких концентраций. Несмотря на то, что наблюдаемая индукция МСР-1 и IL-8 была не очень сильной (максимум в 1,4 раза), этот эффект был стабильным и воспроизводимым. Поскольку гиперэкспрессия связанных со стрессом генов выступает как плейотропный ответ на целый ряд экологически обусловленных повреждений, растет интерес к рассмотрению стрессовых белков в качестве биомаркеров для обеспечения количественных признаков того, что организм подвержен воздействию загрязнений окружающей среды. Так, воздействие ксилола на клетки человеческой аденокарциномы лёгких (А549) тормозит рост клеток [11]. При этом наблюдается прямая связь между степенью ингибирования роста клеток и гиперэкспрессией белка GRP78, одного из белков теплового шока. Показано, что гиперэкспрессия GRP78 была значительна только при дозе ксилола, приводящей к замедлению роста более 40 %. Такие концентрации слишком высоки и не встречаются в окружающей атмосфере и/или профессиональной среде. Отсюда следует, что гиперэкспрессия GRP78 не может быть адекватным биомаркером воздействия ксилола. Аналогичные результаты получены на клеточной линии гепатоцитов HepG2 и нормальных фибробластов. Воздействие ортоксилола на клетки промиелоци-тарной лейкемии (HL-60), эритробластоидной лейкемии (К562) и лейкемической моноцитарной лимфомы (U937), подобно воздействию толуола, приводит к увеличению экспрессии генов НМОХ1 и NOXA [38]. Также установлено, что экспрессия НМОХ1 и NOXA полностью зависит от образования активных форм кислорода. Таким образом, экспрессия генов в результате воздействия ортоксилола является ответом на окислительный стресс, вызванный АФК, образующимися в процессе метаболизма ксенобиотика. Изучение воздействия параксилола на клетки LLC-PK1 (почечные проксимальные трубчатые эпителиальные клетки) показало увеличение активности каспазы-9, подобное наблюдаемому при воздействии толуола [7]. Предполагается, что параксилол путём активации каспазы-9 и повышения уровня Вах индуцирует почечный апоптоз через митохондриальный путь. Также установлено, что увеличение концентрации параксилола до 5 мМ вызывает некроз через активацию CYP2E1 и окислительный стресс [5]. Эти результаты показывают, что каспаза-9 может служить посредником апоптоза почечных клеток, индуцированного длительным воздействием параксилола, и может иметь отношение к апоптозу почечных клеток как общей черте хронического тубуло-интерстициального повреждения. Активность каспазы-9 является хорошим предиктором апоптоза, связанного с повреждением проксимальных канальцев после воздействия органических растворителей. Поэтому каспаза-9 может быть терапевтической мишенью для профилактики повреждений почечных клеток в результате апоптоза и последующего почечного фиброза. В данном случае воздействие параксилола аналогично воздействию толуола. Стирол Стирол (винилбензол, этенилбензол) от ближайших гомологов бензола (толуола и ксилола) отличает - 20 Экология человека 2013.07 Окружающая среда ся наличием непредельной боковой цепи, которая обусловливает высокую реакционную способность. По воздействию на организм относится к высокоопасным веществам (II класс опасности). Международным агентством по исследованию рака стирол квалифицируется в качестве возможного канцерогена для человека (группа 2В) [ 18]. По предварительным результатам исследований репродуктивной токсичности, стирол не является репротоксикантом [23], однако подтверждение этих данных требует дальнейших исследований. Стирол является важным химическим продуктом, широко используемым в производстве синтетических каучуков, смол и пластмасс. В связи с этим возможно поступление стирола с выбросами стационарных промышленных источников в атмосферный воздух. Результаты лабораторных исследований in vitro показали, что провоспалительные эффекты стирола реализуются посредством измененных форм иммуномодулирующих цитокинов [13]. Хотя наиболее важным путем воздействия стирола является ингаляционный, метаболические преобразования происходят преимущественно в печени. Метаболизм стирола инициируется CYP-опосредованным окислением до стирол-7,8-оксида при участии моно-оксигеназ системы цитохрома Р450. Образующиеся в процессе электрофильные интермедиаты способны ковалентно связываться с белками (альбумином, глобулином) [51]. Считается, что эти интермедиаты несут прямую ответственность за генотоксические эффекты стирола [27]. Дальнейший метаболизм протекает двумя путями [48]: • при участии микросомальной эпоксидгидролазы, алкогольдегидрогеназы и альдегиддегидрогеназы (основной путь); •при участии глутатион-S-трансферазы, у-глутамилтранспептидазы, глицинилцистеиназы и N-ацетилтрансферазы (вспомогательный путь). Биомониторинговые исследования генотоксического риска воздействия стирола показали, что полиморфизм генов, кодирующих ферменты, которые участвуют в метаболизме ксенобиотиков или в репарации ДНК, могут влиять на восприимчивость к стиролу. Это касается цитохромов Р-450 (CYP1A1, CYP2E1, CYP2C, CYP2D6) микросомальной эпоксидгидролазы (ЕРНХ1), глутатион S-трансферазы (GSTM1, GSTM3, GSTP1, GSTT1), N-ацетилтрансферазы (NAT1, NAT2), NAD(P)H хинон оксидоредуктазы (NQ01), фермента эксцезионной репарации ДНК 1 (ERCC1), фермента эксцезионной репарации ДНК 2 (ERCC2/XPD), ферментов репарации ДНК (XRCC1 и XRCC3) [36]. В серии экспериментов установлено, что рекомбинантные клеточные линии с гиперэкспрессией генов GSTM1 (глутатион-Б-трансфераза Ml) или тЕН (микросомальная эпоксидгидролаза) могут противостоять генотоксическому действию стирол- 7,8-оксида. Значительная разница в индукции мутаций между метаболически дефицитными и избыточными клеточными линиями показывает, что и тЕН, и GSTM1 может нейтрализовать стирол-7,8-оксид in vitro [40]. Также наблюдается небольшое различие в цитотоксичности стирол-7,8-оксида при воздействии на GSTM1 -дефицитные и GSTM1 -избыточные клеточные линии [39]. Это было подтверждено в рекомбинантной клеточной линии FB7 (человеческие лимфобласты), которая показала существенную защиту против цитотоксичности стирол-7,8-оксида по сравнению с материнской линией WIL2NS. Мониторинг клеточной экспрессии р53, р21, Вс1-2 и Вах после воздействия стирол-7,8-оксида показал, что высокий его уровень создаёт задержку клеточного цикла, вероятно, чтобы индуцировать систему восстановления, а не запрограммированную смерть клетки [22]. Исследование воздействия стирола на человеческие клетки лёгочного эпителия (А549) in vitro [26] показало изменение в экспрессии белков, вовлечённых: • в окислительный стресс: альдегидредуктаза, альдегиддегидрогеназа, белок DJ-1, биливердинредук-таза А, пероксиредоксин-1, фосфоглицератмутаза 1, тиоредоксинредуктаза 1, Cu/Zn-супероксиддисмутаза, пероксиредоксин-4, субъединица 75 кДа НАДН-хиноноксидоредуктазы, изоцитратдегидрогеназа (НАДФ), внутриклеточный белок хлоридный канал 1, трансальдолаза, ингибитор 2 диссоциации гуано-зиндифосфата, 6-фосфоглюконатдегидрогеназа; • воспаление: аннексии А7, моэзин, белок теплового шока бета 1, аннексии А2; • клеточную смерть: эзрин, аннексии A4, субъединица ß-І ламинина, рибосомальный белок L5, ламин-В2, аннексии А5, трансляционно контролируемый опухолевый белок 1, зависящий от напряжения белок 2 анион-селективного канала, нуклеозидди-фосфаткиназа; • контроль качества белков: аннексии А1, эндо-плазмин, эукариотический фактор инициации трансляции 4В, субъединица 11 не-АТФазной протеасомы 26S, субъединица ß T-комплексного белка 1; • метаболизм: АТФ-синтаза, а-енолаза, глицил-тРНК-синтетаза, гликогенфосфорилаза, гельзолин, тяжёлая цепь кинезина 1, фактор элонгации 2Ь, L-лактатдегидрогеназа, ретинальдегидрогеназа 1, гетерогенный ядерный рибонуклеопротеин Н1 (Н), основной белок убихинол-цитохром с редуктазы. В этом исследовании показано, что наибольшие изменения в экспрессии после воздействия субток-сических концентраций стирола происходят у белков, участвующих в ответе на окислительный стресс. Дальнейшие изменения приводят к увеличению содержания белков, отвечающих за воспалительную реакцию и апоптоз. Естественно, что результаты данного исследования не позволяют определить точной цепи событий после воздействия стирола, но с учетом специфических молекулярных изменений тиоредоксин редуктазы 1 ответ на окислительный стресс является наиболее вероятным кандидатом на начальный молекулярный механизм реагирования на 21 Окружающая среда Экология человека 2013.07 субтоксические, но иммунологически эффективные концентрации стирола. Выводы и перспективы дальнейших исследований Токсичность большинства органических соединений, в том числе ароматических, обусловлена образованием активных форм кислорода и последующей индукцией антиоксидантных ферментов [ 10]. Однако действие различных ароматических углеводородов характеризуется низкой селективностью. Поэтому определение связи их воздействия с нарушениями состояния здоровья, особенно на ранних стадиях, является достаточно проблематичным. Установление биомолекулярных и клеточных механизмов, подверженных влиянию ароматических углеводородов и включающих процессы синтеза различных белков, позволяет обосновать показатели, изменение которых в биологических средах организма даёт возможность более точно и в более ранние сроки обнаружить предпатологические состояния, возникшие в результате неблагоприятного воздействия факторов среды обитания, в том числе ароматических углеводородов. Эти показатели могут использоваться в качестве принципиально новых молекулярных биологических маркеров, использование которых приведёт к значительному повышению эффективности диагностических и профилактических мероприятий.

About the authors

N V Zaytseva

Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies

Perm, Russia

M A Zemlyanova

Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies

Email: zem@fcrisk.ru
Perm, Russia

A V Tarantin

Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies

Perm, Russia

References

Supplementary files