Феноменологическая модель ионной регуляции роста клеточных популяций в организме

© ЗАМАЙ Т.Н.

НАУЧНЫЕ ОБЗОРЫ

УДК 57.053.2

ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИОННОЙ РЕГУЛЯЦИИ РОСТА КЛЕТОЧНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ В ОРГАНИЗМЕ

Т.Н. Замай

Красноярский государственный медицинский университет им. проф. В.Ф.

Войно-Ясенецкого, ректор - д.м.н., проф. И.П.Артюхов; кафедра биологической химии с курсом медицинской, фармацевтической и токсикологической химии, зав. - д.м.н., проф. А.Б. Салмина.

Резюме. В работе представлена феноменологическая модель многоуровневой системы ионной регуляции роста популяций нормальных и опухолевых клеток в организме, представляющая собой функциональную систему, главным приспособительным результатом которой является поддержание в организме функционально достаточного объема клеточных популяций, а основным управляющим параметром гомеостаза - уровень ионов во вне- и внутриклеточном пространстве.

Ключевые слова: ионный гомеостаз, натрий, кальций, объем клеток, пролиферация, пролиферативные патологии, функциональная система.

Замай Татьяна Николаевна - к.б.н. каф. биологической химии с курсом медицинской, фармацевтической и токсикологической химии КрасГМУ; e-mail: szamay@akadem.ru.

Исследование механизмов регуляции роста клеточных популяций - одна из наиболее важных задач биологии и медицины, направленных на разработку новых подходов к лечению пролиферативных заболеваний, вызванных выходом клеток из-под контроля регуляции пролиферации [26,35]. В настоящее время постулируется несколько уровней регуляции пролиферации -

молекулярный, клеточный, тканевой, органный и организменный. Нарушение регуляторных механизмов возможно на любом из них. Механизмы регуляции пролиферации и их нарушения на молекулярном и клеточном уровнях исследованы достаточно подробно [20,21,29]. Предложены модели регуляции на уровне клеточной популяции и организма в целом [15]. Однако общепринятой феноменологической модели, в которой бы все регуляторные уровни были увязаны в единую функциональную систему, пока не разработано.

В норме рост клеточных популяций всегда отражает потребности организма и определяется генетической программой метаболизма, дифференцировки и специализации. Помимо этого рост популяции зависит от доступности метаболических субстратов и влияния внешних факторов [15,3]. Каждая клетка в составе популяции представляет собой сложную функциональную саморегулирующуюся систему, все компоненты которой взаимосвязаны и взаимозависимы, а сигнальная система в норме позволяет удерживать параметры гомеостаза в контролируемых пределах. При силе воздействия, превышающей пороговые значения, адекватная

приспособительная реакция клетки может потребовать перехода на иной уровень функционирования. Запуск соответствующей программы гомеостаза на уровне клеточной популяции может вызывать гипертрофию, гиперпролиферацию или стимулировать апоптоз [12,13]. Естественно, что переход клеток на новый уровень будет определяться потребностями организма и условиями среды, однако стратегию поведения каждая клетка выбирает в зависимости от наличия в ней энергетических и пластических ресурсов, специализации и, исходя из своего функционального состояния. Однако ведущий фактор, регулирующий переход клетки из одного состояния в другое, учитывающий одновременно и потребности многоклеточного организма как единого целого, и потребности отдельных элементов (клеток) этого целого, пока не определен.

Все многоклеточные организмы в норме обладают уникальной системой иерархически организованных и взаимосвязанных механизмов регуляции

размера клеточных популяций, обеспечивающихся балансом между рост-стимулирующими и рост-ингибирующими сигналами, позволяющими

контролировать рост клеточной массы согласно потребностям организма. В условиях эмбрионального и постэмбрионального развития, адаптации к стресс-факторам и регенерации баланс между этими сигналами временно сдвигается в сторону рост-стимулирующих, а при онкогенной трансформации - их сдвиг становится практически необратимым. Но, так или иначе, и в нормальных, и в неопластических клетках стимуляция пролиферации происходит вследствие активации экспрессии генов, контролирующих клеточный цикл [21], тонкие механизмы регуляции которого до конца не поняты.

Благодаря интенсивному развитию молекулярной биологии, большие надежды на прогресс в раскрытии механизмов, контролирующих митотическую активность клеток, возлагаются на исследования структурных и функциональных свойств сигнальных молекул, являющихся компонентами сложных и разветвленных внутриклеточных сигнальных систем, регулирующих функциональное состояние клетки. Однако выяснилось, что одни и те же внеклеточные сигнальные молекулы и внутриклеточные мессенджерные системы стимулируют различные, часто противоположные, клеточные эффекты - от пролиферации до апоптоза [17]. Доказательств множественности эффектов регуляторных молекул в научной литературе представлено достаточно много. Но до сих пор остается загадкой, каким образом клетки из такого большого количества возможных вариантов поведения сразу и практически безошибочно выбирают единственно верную стратегию, позволяющую им самим выживать и обеспечивать потребности целого организма.

Понимание механизмов регуляции функционального состояния клетки в парадигме только молекулярной биологии не может быть достигнуто, поскольку в молекулярно-биологических исследованиях игнорируется специфичность условий, в которых функционируют белки и нуклеиновые кислоты в условиях in vivo. Обычно все среды, используемые для клеточных

культур или бесклеточных систем при изучении структуры и функций сигнальных молекул, стандартизованы. Однако в клетках и во внеклеточном матриксе, в зависимости от физиологического состояния организма, содержание катионов натрия, калия, кальция и протонов водорода может быть неодинаковым, вследствие чего конформация биополимеров в разных физиологических условиях будет отличаться. Установлено, что усиление гидратации белковой молекулы, зависящей от содержания катионов натрия в среде, вызывает удлинение молекулы, а ослабление гидратации ведет к сокращению ее длины [25].

Ионы являются важными факторами регуляции клеточного ответа на внешние сигналы, поскольку они: а) способны реагировать на все даже слабые внеклеточные стимулы изменением своих концентраций в цитозоле; б) имеют эффективные механизмы поддержания своего гомеостаза; в) обладают способностью быстро и обратимо изменять конформацию белковых молекул; г) находятся в центре регуляции основных метаболических путей (энергетических, информационных и метаболических). В то же время данные о роли этих катионов в регуляции пролиферации отрывочны [2,4,10,13,24] и не позволяют сложить полную картину их участия в регуляции ростовых процессов в популяциях нормальных и опухолевых клеток в организме. Нет и единой точки зрения на механизмы системной организации взаимодействия различных уровней регуляции пролиферации - клеточного, тканевого, органного и организменного, без понимания, которых трудно проследить причинно-следственную связь и, таким образом, понять этиологию заболевания. Все это затрудняет поиск новых более эффективных методов терапии, устраняющих причину пролиферативной патологии.

Естественным является предположение, что основные регуляторные системы надо искать среди сигнальных систем, пронизывающих все уровни регуляции пролиферации, в которых ведущая роль принадлежит поддержанию параметров гомеостаза организма в целом. Основной предпосылкой для поиска такой сигнальной системы стали исследования, показывающие зависимость

митотической активности клетки от ее размеров. На основании анализа литературы [1,9,13,14,22,23,24,31,32,33,34] и собственных данных [5,7,8,11,36] нами была сформулирована феноменологическая модель ионной регуляции роста клеточных популяций многоклеточном организме.

Основные экспериментальные факты, лежащие в основе модели:

1. Увеличение объема клеток до определенных величин стимулирует их пролиферацию в клеточных культурах [16, 19,23, 27,32].

2. Объем клеток зависит от соотношения ионов во внутри- и внеклеточном пространстве [28,29,30].

3. Гормоны и биологически активные вещества, регулирующие пролиферацию, изменяют объем клеток, модулируя работу ионных транспортеров [18,22-24].

Феноменологическая модель ионной регуляции роста клеточных популяций

Иерархическая многоуровневая система ионной регуляции роста клеточных популяций представляет собой функциональную систему, главным системообразующим фактором (приспособительным результатом) которой является поддержание в организме функционально достаточного объема клеточных популяций, а основным управляющим параметром гомеостаза -уровень ионов во вне- и внутриклеточном пространстве (рис.1). Значения параметров ионного гомеостаза контролируются на разных уровнях и согласованно поддерживаются нейроэндокринными механизмами вблизи постоянных значений, определяющих успешную приспособительную реакцию организма в целом. Замыкающим механизмом, определяющим удержание функционального состояния, обеспечивающего размер клеточных популяций вблизи генетически запрограммированного уровня, служат клеточные механизмы поддержания ионного гомеостаза (рис.2), которые отвечают эволюционно отобранным и закрепленным стратегиям поведения клеточных популяций, обеспечивающим их приспособительную реакцию в составе целого организма.

При патологическом нарушении центральных механизмов регуляции ионного гомеостаза, локальном нарушении координации механизмов регуляции баланса ионов или локальной изоляции клеточной популяции возникают условия патологической (локально контролируемой) пролиферации. Если центральные механизмы регуляции теряют контроль над отдельными элементами целого, то временно, в приспособительных целях запущенные механизмы роста клеточных популяций, могут не вернуться к требуемому организму состоянию, в результате чего возникают условия для пролиферативных заболеваний. Степень пролиферативной патологии будет определяться величиной отклонений от нормы параметров ионного гомеостаза ставшей независимой от организма части клеточной популяции.

Основные положения феноменологической модели

1. Баланс Ка+, К+, Са2+ и Н+ во вне- и внутриклеточном пространстве -константа, регуляция которой осуществляется на нескольких иерархических уровнях.

2. Соотношение катионов во вне- и внутриклеточном пространстве определяет осмолярность среды и размер клетки. Размер клетки обусловливает ее функциональное состояние, в частности, способность к прохождению клеточного цикла. Увеличение размеров клетки стимулирует анаболические реакции и пролиферацию. Снижение размеров клетки активирует катаболические реакции и апоптоз.

3. Стресс-факторы вызывают возмущение центральных механизмов регуляции ионного гомеостаза - симпатическую и гипоталамо-гипофизарную системы, стимулирующие секрецию кортикостероидов, кардиотонических стероидов, катехоламинов и инсулиноподобного фактора роста, биологическим эффектом которых, помимо прочих, является увеличение размеров клетки за счет входа в нее катионов натрия и воды.

4. Увеличение размеров клетки активирует экспрессию генов, в том числе, онкогенов, стимулирует митогенактивируемые протеинкиназы. Одной из причин усиления экспрессии генов является падение содержания катионов

кальция в ядре, которое вызывает снижение степени компактизации хроматина, ускорение прохождения клеточного цикла и повышение вероятности эпигенетической и геномной нестабильности.

5. Усиление метаболической активности при действии стресс-факторов увеличивает в клетке содержание Н+, которое уменьшается за счет работы Ка+/И+-обмена, вследствие чего происходит защелачивание внутриклеточного пространства и закисление внеклеточного пространства. Увеличение уровня Н+ в межклеточном пространстве и плазме крови - дополнительный стимул для активации гипоталамо-гипофизарной системы.

6. Уменьшение объема внеклеточного пространства, вызванного

увеличением размера клеток под влиянием кортикостероидов,

кардиотонических стероидов, факторов роста и катехоламинов, детектируется сенсорными механизмами антидиуретической системы с помощью периферических и центральных осморецепторов, барорецепторов и

натриорецепторов. По системе обратной связи гипоталамо-гипофизарная система стимулирует секрецию антидиуретического гормона, в результате чего почки увеличивают уровень реабсорбции натрия и воды. Дополнительным элементом регуляции является юкстагломерулярный аппарат почки, который контролирует уровень реабсорбции натрия через ренин-ангиотезин-

альдостероновую систему, находящуюся под контролем симпатической нервной системы. Таким образом, системы управления ионным гомеостазом организма в целом регулируют рост клеточных популяций и размеры органов, контролируя в них размер клеток.

7. Стимуляция центральных механизмов регуляции ионного гомеостаза продолжается до тех пор, пока будут наблюдаться в межклеточной среде отклонение уровня

Н+

и №+. Действующий на организм стресс-фактор,

реализующийся на уровне организма в виде катехоламинов, кортикостероидов, кардиотонических стероидов постоянно смещает баланс ионов. Отклонения уровня ионов, вызывающих увеличение размеров клеток, сопровождаются активацией пролиферативных процессов в клеточных популяциях.

8. В процессе эмбриогенеза и постэмбрионального развития смещение уровня ионов осуществляется, главным образом, соматотропным гормоном и инсулиноподобным фактором роста, эффект которых также связан с увеличением клеточных размеров. Отклонения ионного гомеостаза при эмбриогенезе и постэмбриональном развитии, вызывающие увеличение размеров клетки, - стимул роста клеточных популяций в онтогенезе.

9. Повреждение механизмов транспорта ионов и неспособность клетки поддерживать внутриклеточный баланс ионов приводит к увеличению в клетках содержания катионов натрия и воды, нарушению баланса катионов кальция и протонов водорода, что нарушает компактизацию хроматина, стимулирует гиперэкспрессию генов, уровень эпигенетической и геномной нестабильности, и, как следствие, гиперпролиферацию и мутагенез.

10. Опухолевая клетка, как яркий пример повреждения механизмов поддержания ионного гомеостаза, обладает аномально высоким содержанием катионов натрия, увеличенными размерами и, следовательно, высоким пролиферативным потенциалом.

11. Восстановление нормального уровня баланса ионов снижает пролиферативный потенциал популяций, как нормальных, так и опухолевых клеток.

Предлагаемая феноменологическая модель ионной регуляции роста клеточных популяций позволяет объединить разрозненные данные, имеющие отношение к регуляции митотической активности клеток в различных физиологических условиях, и объяснить рост клеточных популяций в условиях действия стресс-факторов и при патологических процессах, что открывает перспективы для управления над этими процессами в условиях организма в целом.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-

технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (Государственный контракт №16.512.11.2090).

PHENOMENOLOGICAL MODEL OF ION REGULATION OF CELL POPULATIONS

GROWTH IN ORGANISM

T.N. Zamay

Krasnoyarsk State University named after prof. V.F.Voino-Yasenetsky

Abstract. The article presents a phenomenological model of multilevel system at ion regulation of normal and tumor cells populations growth in body, as a functional system, the main adaptive result of which is keeping up functionally sufficient cell populations volume, and the main control parameter of homeostasis is the level of ions in the extra-and intracellular space.

Key words: ion homeostasis, sodium, calcium, cell volume, proliferation, proliferative pathology, a functional system.

Литература

1. Анохин П.К. Узловые вопросы теории функциональной системы. - М., Наука. - 1980. - 350 с.

2. Болдырев А. А. Роль Na/К-насоса в возбудимых тканях (обзор) // Журн. Сибирского федерального университета. Серия «Биология». - 2008. - №1.

- С.206-225.

3. Варфоломеев С.Д., Гуревич К.Г. Биокинетика. - М., ФАИР-ПРЕСС. -1999. - 720 с.

4. Веренинов А.А., Горячая Т.С., Матвеев М.В. и др. Дегидратационное сокращение объема клеток при апоптозе - факультативный признак. Апоптоз клеток U937, вызванный стауроспорином и этопозидом // Цитология. - 2004. - №46. - С.609-619.

5. Замай Т.Н. Водовыделительная и натрийуретическая функции почек у крыс при адаптации к холоду // Физиол. журн. СССР им. Сеченова. -1985. -Т.71, №8. - С.809-812.

6. Замай Т.Н., Замай А.С. Влияние АТР на концентрацию катионов кальция в асцитных клетках карциномы Эрлиха в динамике ее роста // Биохимия.

- 2006. - Т.71, №10. - С. 1347-1353.

7. Замай Т.Н., Замай О.С. Формирование системного структурного следа в почках при адаптации крыс к холоду // Бюлл. эксперим. биол. и медицины. - 2007. - Т.144, №9. - С.251-252.

8. Замай Т.Н., Медведев Л.Н. Влияние альдостерона на водно-солевой обмен бурой жировой ткани // Физиол. журн. им. Сеченова. - 1993. -Т.79, №9. - С.111-113.

9. Иванова Л.Н. Механизмы регуляции водно-солевого баланса у животных и человека // Соросовский образовательный журн. - 1996. - №10. - С.4-12.

10.Маленков А.Г., Модянова Е.А. Биологические основы профилактики и нетоксической терапии рака. - М., MAGERIC. - 2006. - 368 с.

11. Медведев Л.Н., Замай Т.Н., Медведева С.Е. Депонирование калия и воды в бурой жировой ткани у адаптированных к холоду крыс // Физиол. журн. СССР им. Сеченова. - 1987. - Т.73, №1. - С. 124-129.

12.Медведев Л.Н., Елсукова Е.И. Бурая жировая ткань: молекулярноклеточные основы регулируемого термогенеза. - Красноярск, Амальгама.

- 2002. - 350 с.

13. Меерсон Ф.З., Малышев И.Ю. Феномен адаптационной стабилизации структур и защита сердца. - М., Наука. - 1993. - 159 c.

14. Поляков В.Ю., Зацепина О.В., Киреев И.И. и др. Структурнофункциональная модель митотической хромосомы // Биохимия. - 2006. -Т.71, №1. - С.6-16.

15. Эмануэль Н.М. Кинетика экспериментальных опухолевых процессов. -М., Наука. - 1977. - 398 с.

16. Adams D.S., Masi A., Levin M. H+ pump-dependent changes in membrane voltage are an early mechanism necessary and sufficient to induce Xenopus tail regeneration // Development. - 2007. - Vol.34. - P.1323-1335.

17.Gomperts B., Kramer I., Tatham P. Signal transduction. - London: Elsevier Science, 2003. - 424 p.

18.Graf J., Haussinger D.J. Ion transport in hepatocytes: mechanisms and correlations to cell volume, hormone actions and metabolism // Hepatol. -1996. - Vol.24. - P.53-77.

19.Hibino T., Ishii Y., Levin M., Nishino A. Ion flow regulates left-right asymmetry in sea urchin development // Dev. Genes Evol. - 2006. - Vol.216. -P.265-276.

20.Ho A., Dowdy S.F. Regulaton of G1 cell-cycle progression by oncogenes and tumor suppressor genes // Curr. Opin. Genet. Dev. -2002. - Vol.12. - P.47-52.

21.Knowles M.A., Selby P. Introduction to the Cellular and Molecular Biology of Cancer. - New York, Oxford University Press Inc. - 2005. - 532 p.

22.Kotova O., Al-Khalili L., Talia S. et al. Cardiotonic Steroids Stimulate Glycogen Synthesis in Human Skeletal Muscle Cells via a Src- and ERK1/2-dependent Mechanism // J. Biol. Chem. - 2006. - Vol.281. - P.20085-20094.

23.Lang F., Bush G.L., Volk H. The diversity of volume regulatory mechanisms // Cell Physiol. Biochem. - 1998. - Vol.8. - P.1-45.

24.Lang F., Foller M., Lang K. et al. Cell volume regulatory ion channels in cell proliferation and cell death // Methods Enzymol. - 2007. - Vol.428. - P.209-225.

25.Lee B., Richards F.M. The interpretation of protein structures: estimation of static accessibility // J. Mol. Biol. - 1971. - Vol.55. - P.379-400.

26.Lee M.H., Yang H.Y. Regulators of G1 cyclin-dependent kinases and cancers // Cancer Metastasis Rev. - 2003. - Vol.22. - P.435-449.

27.Levin M. Large-scale biophysics: Ion flows and regeneration // Trends Cell Biol. - 2007. - Vol.17. - P.262-271.

28.Liu R., Erik A., Persson G. Simultaneous changes of cell volume and cytosolic calcium concentration in macula densa cells caused by alterations of luminal NaCl concentration // The Journal of Physiology. - 2005. - Vol.15. - P.895-901.

29.Miller M.E., Cross E.R. Cyclin specificity: how many wheels do you need on a unicycle? // J. Cell Sci. - 2001. - Vol.114. - P.1811-1820.

30.0kada Y. Cell Volume-Sensitive Chloride Channels: Phenotypic Properties and Molecular Identity. Mechanisms and Significance of Cell Volume Regulation // Contrib Nephrol. Basel. - 2006. - Vol.152. - P.9-24.

31.Rajasekaran S.A., Palmer L.G., Quan K. Na,K-ATPase beta subunit is required for epithelial polarization, suppression of invasion, and motility

// Mol. Biol. Cell. - 2001. - Vol.12. - P.279-295.

32.Rouzaire-Dubois B., Milandri J.B., Bostel S. et al. Control of cell proliferation by cell volume alterations in rat C6 glioma cells // Pflugers Arch. - 2000. -Vol.440. - P.881-888.

33. Schelling J.R., Jawdeh B.G.A. Regulation of cell survival by Na+/H+ exchanger // Am. J. Physiol. Renal. Physiol. - 2008. - Vol.295. - P.625-632.

34. Schoner W., Scheiner-Bobis G. Endogenous and exogenous cardiac glycosides: their roles in hypertension, salt metabolism, and cell growth // Am. J. Physiol. Cell Physiol. - 2007. - Vol.293. - P.509-536.

35. Stewart Z.A., Westfall M.D., Pietenpol J.A. Cell-cycle dysregulation and anticancer therapy // Trends Pharmacol. Sci. - 2003. - Vol.24. - P.139-145.

36.Zamay T.N., Kadkin A.A., Zamay O.S. The Influence of Hypokinesia on Free Calcium Cation Content in Myocytes of Rat Skeletal Muscles and Myocardium // Biochemistry (Moscow). -2010. - Vol.4. - P.85-89.

Рис. 1. Модель ионной регуляции роста клеточных популяций. Примечание: НЭС - нейроэндокринная система, ГГПС - гипоталамо-гипофизарная система, СНС - симпатическая нервная система, РААС - ренин-ангиотензин- альдостероновая система, КСС - кортикостероидная система, ЮГА - юкстагломерулярный аппарат, КС - кардиотонические стероиды, НП

- натрийуретические пептиды, ИФР - инсулиноподобный фактор роста, ОЦК

- объем циркулирующей крови, МП - мембранный потенциал, V - объем клетки.

Рис. 2. Молекулярные механизмы ионной регуляции клеточной пролиферации. PDF created with pdfFactory Pro trial version www. pdffactory. com

Примечание: ФЛС - фосфолипаза С, IP3 - инозитол-3-фосфат, ЭПР -эндоплазматический ретикулум, МАРК - митогенактивируемые киназы.