VIOLATIONS OF HUMAN PROTEIN PROFILE IN HEAVY METALS EXPOSURE

Abstract

The review considers influence of exposure of the most common heavy metals (lead, chromium, cadmium, manganese, nickel, vanadium) polluting the environment and being a risk factor of various health disorders progress, including metabolic changes in the protein profile of the human body.

Full Text

На современном этапе развития промышленности загрязнение объектов среды обитания является распространённым и постоянно действующим фактором, особенно выраженным на промышленно развитых территориях, представляющим опасность для здоровья населения на популяционном уровне. Наибольшую потенциальную опасность для здоровья населения промышленно развитых городов, в первую очередь с размещением металлургического, машиностроительного производства и электроэнергетики, представляют тяжёлые металлы и их соединения, относящиеся к чрезвычайно опасным и опасным химическим веществам (I и II класс опасности): свинец, хром, никель, марганец, ванадий, кадмий. Опасность этих металлов определяется тем, что они обладают способностью накапливаться в организме, вмешиваться в метаболические циклы, быстро изменять свою химическую форму при переходе из одной среды в другую, не подвергаются химическому разложению, могут обусловливать дефицит эссенциальных элементов, замещая их в металлсодержащих белках [1]. Тяжёлые металлы, связываясь с функциональными группами белков (SH-, NH-, NH2, COO-), ингибируют активность ферментов путём изменения конфигурации их активного центра, нарушают клеточный транспорт и вызывают изменения функции белков, следствием чего может являться развитие нарушений состояния здоровья [37]. Белковый (протеомный) профиль плазмы крови имеет динамический характер и позволяет оценить текущее состояние организма, что делает его «оперативным» индикатором физиологических и патологических процессов. Сравнительный анализ протеома в динамике позволяет по увеличению концентрации или изменению структуры идентифицировать белки - маркеры изменённого состояния. На сегодняшний день актуальным является поиск принципиально новых биомаркеров ответных реакций организма на воздействие тяжёлых металлов, что поднимет уровень построения доказательности причинно-следственных связей в системе «среда - здоровье» на новую ступень развития. В настоящем обзоре обобщены результаты работ, посвящённых изучению влияния наиболее распространённых тяжёлых металлов, загрязняющих объекты среды обитания и являющихся фактором риска различных нарушений состояния здоровья, в том числе обмена веществ, на изменение протеомного профиля человека. Свинец. В настоящее время для установления токсических эффектов при воздействии свинца проводятся наблюдения клеточных и тканевых изменений, таких как зернистость эритроцитов и снижение активности дегитратазы дельта-аминолевулиновой кислоты (ДАЛК) [32]. Изменение уровня протеинкиназы, интерлейкина-4, интерлейкина-2 также указы- В обзоре рассмотрено влияние воздействия наиболее распространённых тяжёлых металлов (свинец, хром, кадмий, марганец, никель, ванадий), загрязняющих объекты среды обитания и являющихся фактором риска развития различных нарушений состояния здоровья, в том числе обмена веществ, на изменение белкового профиля организма человека. Ключевые слова: протеом, белковые маркеры эффекта, тяжёлые металлы, внешнесредовое воздействие. вает на воздействие свинца [8]. Свинец ингибирует некоторые ферменты, участвующие в образовании гема, в том числе копропорфириногеноксидазу и феррохелат. Поскольку свинец ингибирует дегитратазу ДАЛК, эта кислота накапливается в крови и моче и служит биомаркером эффекта при воздействии свинца. Снижения активности пиримидиннуклеотидазы и никотинамидадениндинуклеотидсинтетазы также являются биомаркерами эффекта свинца [4]. При установлении нарушений, связанных с воздействием свинца, целесообразным является мониторинг изменений в строении самих ферментов, что позволяет определить их дисфункцию до наступления необратимых изменений в организме. Показано, что гены дегитратазы ДАЛК и рецептора витамина D влияют на индивидуальную восприимчивость к воздействию свинца [35]. Полиморфизм гена дегидратазы ДАЛК, соответственно и самой дегидра-тазы ДАЛК, приводит к различной восприимчивости свинца в человеческой популяции. Индивиды, имеющие одну или две копии аллеля дегидратазы ДАЛК2, показывают более высокую чувствительность к свинцу и его соединениям, чем индивиды, имеющие только форму гена дегидратазы ДАЛК1, поскольку полипептид дегидратазы ДАЛК2 более прочно и эффективно связывает свинец. Тем не менее, индивиды, имеющие генотип дегидратазы ДАЛК1-1, могут испытывать более тяжёлые последствия воздействия свинца на мозг, кости и процесс кроветворения, о чём свидетельствует уровень цинк-протопорфирина [3]. Рецептор витамина D человека существует в нескольких полиморфных формах и может влиять на накопление свинца в костях. Установлено существование, по крайней мере, трёх генотипов гена рецептора витамина D. Предполагается, что рецептор витамина D может играть роль в восприимчивости к накоплению свинца [35]. Степень нейроповеденческих изменений в результате воздействия свинца связана с полиморфизмом генотипа аполипопротеина Е [11]. Таким образом, при анализе строения белков, восприимчивых к наличию свинца в организме, становится возможным не только определение предпато-логического состояния, но выделение группы риска, которая при внешнесредовом воздействии свинца будет иметь гораздо более тяжёлые последствия в нарушении здоровья. Хром является одним из эссенциальных элементов, наличие которого необходимо для нормального функционирования организма. Токсичность соединений хрома находится в прямой зависимости от его валентности: наиболее опасны соединения хрома (VI), высокотоксичны соединения хрома (III), соединения хрома (II) и металлический хром - менее токсичны [4]. После поступления в организм хром (VI) эффективно биовосстанавливается до хрома (III) при участии цитохрома b5. При этом процессе образуются промежуточные реакционноспособные соединения, обладающие цито- и генотоксическим действием, а также канцерогенными свойствами [22]. Можно предположить, что при повышенном поступлении в организм хрома (VI) происходит повышение уровня цитохрома b5, что позволяет использовать его в качестве биомаркера эффекта. Также для нейтрализации промежуточных реакционноспособных соединений требуется повышение уровня ферментов антиокси-дантной системы. Поскольку хром прочно связывается с внутриклеточными макромолекулами, ДНК-белковые комплексы в мононуклеарных клетках периферической крови человека могут быть использованы в качестве биомаркеров эффекта [56]. Учитывая, что наличие хрома является необходимым условием для нормальной жизнедеятельности и развития организма, своевременное установление индивидуальной восприимчивости с помощью биомаркеров является важнейшим этапом при разработке и реализации профилактических мероприятий. Кадмий не обладает заметной ролью в нормаль -ной жизнедеятельности организма и накапливается в организме даже при минимальном его содержании в объектах среды обитания. Поступивший в кровь кадмий быстро связывается эритроцитами и альбуминами плазмы. Связанный кадмий депонируется в основном в почках и печени. При достижении критической концентрации кадмий инициирует токсический процесс, проявляющийся в поражении дыхательной системы, почек, иммуносупрессии и канцерогенезе [10]. Кадмий связан с нефротоксическим действием, особенно при высоком уровне воздействия. Кадмий взаимодействует с тиолами и ферментами, в норме связывающими свободные радикалы, и тем самым способствует развитию оксидативного стресса [48]. Металлотионеин - белок, содержащий большое количество SH-групп и прочно связывающийся с металлами, служит биомаркером эффекта при воздействии кадмия. Биомаркерами эффекта при внешнесредовой экспозиции кадмия являются β2-микроглобулин, ретинолсвязывающий протеин и альбумин, указывающие на почечную дисфункцию [23]. Показано, что 1-микроглобулин является перспективным маркером тубулярной дисфункции, вызванной повышенным содержанием кадмия в организме [31]. Увеличение в моче и плазме уровня ферментов почечных канальцев, таких как N-ацетил-β-D-глюкозаминидаза и аланин-аминопептидаза, наблюдается при воздействии кадмия [27]. Повышенный уровень креатинина в моче является самым чувствительным маркером острого повреждения и дисфункции яичек, вызванных кадмием, но указывает на уже развившееся поражение органов. Поскольку кадмий не участвует в нормальном функционировании организма, наличие кадмий-белковых комплексов в плазме является эффективным показателем воздействия кадмия. Марганец является одним из элементов, принимающих участие в нормальном функционировании организма [2]. В степенях окисления (II) или (III) марганец входит в активный центр одного из типов супероксиддисмутазы и каталазы - ферментов, участвующих в нейтрализации активных форм кислорода. Марганец наиболее опасен для человека при поступлении в организм в степенях окисления (+4, +6, +7), поскольку способствует развитию оксидативного стресса в результате окисления допамина и других катехоламинов [49]. Марганец конкурирует с железом при взаимодействии с протеинами и ферментами, включающими железо в активный центр, например митохондриальным комплексом I [6] и аконитазой [54]. Белки, участвующие в метаболизме железа, могут использоваться в качестве биомаркеров эффекта при воздействии марганца. Так, уровень трансферрина и ферритина значительно возрастает у населения, подверженного воздействию марганца, в то время как уровень рецептора трансферрина снижается [29]. Некоторые ферменты, такие как супероксиддисму-таза (СОД), глутаминсинтетаза (ГС), могут служить маркерами системного оксидативного стресса при воздействии соединений марганца (IV, VI, VII). Супероксиддисмутаза - фермент цитоплазмы -характеризуется как специфическая ловушка для супероксид-радикалов [34], уровень которой в организме может служить биомаркером оксидативного стресса, вызванного марганцем. Глутаминсинтетаза является марганецзависимым ферментом, который играет основную роль в метаболизме азота, катализируя реакцию образования глутамина. Предполагается, что увеличение экспрессии ГС мРНК может быть результатом вызванной марганцем перегрузки клеток железом [55]. Увеличение активных форм кислорода (АФК) и последующий оксидативный стресс могут ингибировать активность фермента, что, в свою очередь, стимулирует синтез протеина. Таким образом, общий уровень ГС может быть использован в качестве биомаркера эффекта при экспозиции марганца. Одной из функций глутатионовой системы является нейтрализация свободных радикалов. У пациентов, страдающих болезнью Паркинсона, в том числе ювенильным паркинсонизмом, и другими нейроде-генеративными заболевниями, уровень глутатиона, а соответственно и активность глутатионовой системы, значительно снижен [47]. Таким образом, глутатионовая система может выступать в качестве эффективного биомаркера для оценки оксидативного стресса, вызванного марганцем. Допамин - гормон-нейромедиатор, присутствующий у человека в физиологических условиях; про-лактин - непрямой индикатор допаминергической функции. Оба показателя были проверены на возможность использования в качестве биомаркеров эффекта при воздействии марганца [51]. Увеличение уровня пролактина наблюдалось у подверженного воздействию марганца населения мужского пола с ранними проявлениями нейротоксичности [50]. Также исследуются возможности использования сигнальных молекул в качестве биомаркеров нейротоксичности марганца. Например, показано, что воздействие марганца способствует протеолитическому расщеплению киназы PKCdelta, чувствительной к оксидативному стрессу [26]. Кроме того, исследования ряда авторов показали, что воздействие марганца повышает уровень экспрессии прионов [7]. Никель - эссенциальный микроэлемент [2]. Металлический никель не опасен для организма человека. Пыль, аэрозоли никеля и его соединений представляют опасность для здоровья. Биологическая роль никеля заключается в участии в структурной организации и функционировании основных клеточных компонентов - ДНК, РНК и белков. Наряду с этим он участвует и в гормональной регуляции. При исследовании роли никеля в развитии контактного дерматита установлено, что никель непосредственно стимулировал пролиферативный ответ и производство цитокинов Т-лимфоцитов у никельчув-ствительных субъектов при эксперименте in vitro [24]. Результаты исследований in vivo говорят о том, что никель активирует иммунный ответ как у неаллергических, так и у никельчувствительных людей [5]. Воздействие никеля на клетки делает их похожими на раковые клетки. Например, острое воздействие никеля на клетки грызунов очень эффективно отключает экспрессию тромбоспондина I (ТСП I) [42]. Другим фактором транскрипции, затронутым в никельизменённых клетках, является индуцируемый гипоксией фактор 1 (HIF-1) [43]. Уровень его значительно увеличивается при остром воздействии никеля на клетки человеческой остеосаркомы. HIF-1 состоит из двух bHLH-белков: HIF-1a, который образуется при экспрессии, и HIF-1a, который накапливается в клетках только при гипоксии. При нормоксии HIF-1a быстро разрушается под действием протеосом, но при гипоксии это разрушение блокируется и накапливается белок HIF-1a [20]. Предполагается, что никель может заменить железо в сенсоре кислорода, поскольку имеет близкую по строению атомную структуру. Но, несмотря на это, замещение железа никелем в порфириновом кольце гема приводит к значительному снижению способности связывать кислород. Таким образом, вполне возможно, что замена железа на никель в сенсоре кислорода будет переключать его в состояние постоянной гипоксии. Вызываемый сигнальный каскад, вероятно, включает активацию протеинкиназы, отвечающей за фосфори-лирование транскрипционного фактора HIF-1 и его стабилизацию. HIF-1 является основным регулятором гомеостаза кислорода. Образование HIF-1 увеличивает экспрессию гликолитических ферментов, которые позволяют клеткам выжить при низком поступлении кислорода. Дефицит HIF-1a связан со снижением экспрессии, по крайней мере, тринадцати различных генов, кодирующих переносчики глюкозы и гликолитические ферменты [21]. Набор генов, индуцируемых гипоксией, также индуцируется никелем. Например, экспрессия гена эритропоэтина в клетках Hep3b и in vivo происходит как при гипоксии, так и при наличии никеля [15]. Обнаружено, что глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа одинаково хорошо индуцируется гипоксией, кобальтом и никелем [14, 44]. Зависимость индуцирования мРНК фактора роста эндотелия сосудов в эндотелиальных клетках человеческой пупочной вены от времени при воздействии хлорида никеля аналогична зависимости при состоянии гипоксии [33]. Исследования in vivo показывают, что после внутрипочечного введения сульфида никеля (III) активность эритропоэтина в сыворотке у крыс возрастает в пять раз [16]. Это увеличение активности эритропоэтина после воздействия, по-видимому, происходит из-за активации транскрипционного фактора HIF-1, поскольку эритропоэтин является одним из генов, регулируемых HIF-1. С помощью дифференциального дисплея был клонирован ген Сар43, который хорошо индуцируется растворимыми и нерастворимыми соединениями никеля в человеческих бронхоэпителиальных клетках A549 [57]. Кроме того, обнаружено, что регуляция транскрипции гена Сар43 почти полностью осуществлялась посредством фактора транскрипции HIF-1 [44]. HIF-1 принимает участие в согласованной регуляции многочисленных генов, вовлечённых в транспорт глюкозы и гликолиз [45]. Воздействие на животных соединений никеля вызывает гипергликемию, гипер-глюкагонемию и гиперинсулинемию [17]. Индукция HIF-1 под действием никеля ответственна за регуляцию ферментов, участвующих в метаболизме глюкозы даже в присутствии кислорода [14, 44]. Длительное воздействие никеля, вероятно, способствует выделению клеток, которые поддерживают высокую скорость гликолиза и тем самым приобретают фенотип, похожий на раковые клетки [53]. В результате гликолиза происходит накопление в клетках фосфорибозил пирофосфата, необходимого для синтеза нуклеотидов и репликации ДНК пролиферирующих опухолевых клеток. Таким образом, воздействие никеля на клетки вызывает «эффект Варбурга» и селективно обеспечивает преимущество клеткам с более высоким метаболизмом глюкозы и скоростью пролиферации. Интересно отметить, что ^myc-опосредованная трансформация увеличивает количество лактатдегидрогеназы-А (ЛДГ-А), которая участвует в нормальном анаэробном гликолизе [46]. Молекулы межклеточной адгезии-1 (ICAM-1), молекулы сосудистой адгезии-1 (VCAM-1) и молекулы эндотелиальной адгезии лейкоцитов-1 (ELAM-1, E-selectin) являются молекулами поверхности эндотелия, которые участвуют в накоплении лейкоцитов в месте воспаления. Обнаружено, что увеличение уровня ICAM-1, VCAM-1, ELAM-1 происходит при воздействии хлорида никеля (II) на культивированные клетки эндотелия пупочной вены человека [12]. Кроме того, предварительная обработка хлоридом никеля (II) в течение 24 часов вызывает гиперотзывчивость к интерлейкину-1 (IL-1) и фактору некроза опухоли альфа (TNF-a) при рестимуляции, из чего следует, что хлорид никеля (II) и эти цитокины имеют сходства в пути активации. Показано, что транскрипционный фактор NF-kB участвует в индуцируемой экспрессии молекул адгезии. При использовании анализа изменения электрофоретической подвижности обнаружено сильное увеличение связывание NF-kB с ДНК после стимуляции клеток эндотелия пупочной вены хлоридом никеля [13]. NF-kB является важным фактором транскрипции при апоптозе и воспалительной реакции. Ясно, что активация NF-kB никелем вызывает значительные изменения клеточной и тканевой реакции. Кроме того, активация NF-kB объясняет никельиндуцированный аллергический эффект и гиперчувствительность при контакте с кожей [12]. р53 является важным геном-супрессором опухоли и фактором транскрипции, включённым в регуляцию пролиферации клеток и апоптоз. Сообщается, что ген р53 мутирует в эпителиальных клетках почки человека при хроническом воздействии никеля [30]. Клетки человеческой остеосаркомы имеют мутантный ген р53 [40], но воздействие никеля приводит к их дальнейшей трансформации [38]. В связи с этим возникает вопрос о том, участвуют ли мутации гена р53 в никельиндуцированной трансформации. Острое воздействие хлорида никеля (II) на человеческие клетки индуцирует белок р53 дикого типа, но не мутантного р53 [43]. Обнаружено, что в никельтрансформированных клетках изменяется фосфорилирование белка ре-тинобластомы (Rb). Установлено, что в Rb-опухоли этот ядерный белок-супрессор опухоли изначально отсутствует, либо присутствует в мутированной форме [28]. Значительная часть белков, взаимодействующих с ретинобластомой, является транскрипционными факторами, например E2F, Elf-1, DRTF-1 и NF-IL6 [25]. Никель вовлечён во множество биологических процессов и участвует в регуляции большого числа белковых факторов. Влияние воздействия никеля на аномальное развитие клеток позволяет связать маркеры канцерогенеза с воздействием никеля, в результате чего становится возможным своевременное планирование и применение профилактических мероприятий. Ванадий - условно эссенциальный микроэлемент [2]. Соединения ванадия в различных степенях окисления в организме быстро сводятся к соединениям ванадия (IV) при действии NADPH и аскорбиновой кислоты, что приводит к образованию пероксованадил-радикала, ванадилгидропероксида и супероксид-анион-радикала, который преобразуется в перекись водорода, что, в свою очередь, приводит к накоплению свободного гидроксила [52] и вызывает оксидативный стресс. Соединения ванадия активируют некоторые сигнальные протеины, включая активатор протеина-1 (AP-1), MEK-1, ERK-1, JNK, NF-kB и p53 путём образования АФК и повреждений ДНК. Показано, что активация некоторых сигнальных путей при действии ванадия происходит посредством ингибирования про-теинтирозинфосфатазы и стимулирования фосфори-лирования остатков тирозина. Также показано, что ванадий вызывает или усиливает апоптоз клеток [18]. Воздействие ванадия вызывает активацию каспаз 3, 8 и 9, митохондриальный переход проницаемости и запуск цитохрома с. При эксперименте in vivo показано, что ванадийиндуцированный апоптоз связан с гиперэкспрессией р53 и Вах, а также снижением уровня Bcl-2 [39]. Установлено, что воздействие соединений ванадия индуцирует экспрессию генов TNF-a, интерлейкина-8 (IL-8), AP-1 [9]. Воздействие соединений ванадия приводит к увеличению уровня ras, c-raf-1, MAPK, p70s6k в клетках с повышенной экспрессией рецепторов инсулина [36]. После парентерального введения ванадий вызывает активацию p53, и это подтверждает, что активация требуется для ванадийиндуцированного апоптоза [18]. Утверждается, что большинство этих экспрессий генов связано с активной формой кислорода, относящейся к деятельности ванадата. Однако эти экспрессии лучше объясняются обычным изменением окислительно-восстановительных потенциалов среды из-за присутствия мультивалентных элементов. Некоторые исследования показывают, что ванадий влияет на экспрессию ядерного фактора активации Т-клеток (NFAT) посредством АФК-связанного механизма. Ванадий в степенях окисления (IV) и (V) индуцирует экспрессию NFAT в эпидермальных клетках мыши JB6 и в эмбриональных фибробластах мыши. Ванадий (V) последовательно вызывает более сильную экспрессию NFAT [19]. Установлено участие ванадия в регуляции клеточных процессов путём влияния на скорость экспрессии белковых факторов. Мониторинг белков, регулируемых ванадием, позволит более точно и в более ранние сроки определять превышение уровня воздействия. Это позволит более эффективно планировать и применять профилактические мероприятия, направленные на снижение внешнесредового воздействия ванадия и его соединений на человека. Выводы и перспективы дальнейших исследований Действие различных тяжёлых металлов на организм не отличается высокой селективностью. По этой причине определение связи их воздействия с нарушениями состояния здоровья, особенно на ранних стадиях, представляет собой серьёзную проблему. Установление биомолекулярных и клеточных механизмов, подверженных влиянию тяжёлых металлов и включающих процессы синтеза различных белков, позволяет определять показатели, изменение которых в биологических средах организма даёт возможность более точно и в более ранние сроки определить пред-патологические состояния, возникшие в результате неблагоприятного воздействия факторов среды обитания, в том числе тяжёлых металлов. Эти показатели представляют собой принципиально новые молекулярные биологические маркеры, использование которых является перспективным и приведёт к значительному повышению эффективности диагностических и профилактических мероприятий.