SENS-Диагностика.
Биомаркеры гликирования белков

Многие слышали о гликозилировании белков, конечных продуктах гликирования (КПГ, AGE) и о вреде, который они наносят организму. Но следует отметить, что присоединение сахаров к другим молекулам — это далеко не всегда патология. Само гликозилирование является очень распространённым и важным физиологичным процессом в живых организмах. Так, значительная часть всех белков, синтезируемых в клетках, подвергается ферментативному гликозилированию, что необходимо для их нормального функционирования.

В основном в гликозилировании участвуют два гликана (углеводной части связки углевод-органическая молекула): N-гликаны (связанные с амидной группой аспарагина) и О-гликаны (связанные с гидроксильной группой серина или треонина). В связи со старением нас больше интересуют N-гликаны. Описано, что при старении меняется спектр сахарных цепочек, которые присоединяются к иммунным белкам при N-гликозилировании. И такое изменение играет одну из ключевых ролей в возрастном повышении общего воспаления в организме. Так, уровень гликозилированных антител IgG может предсказывать биологический возраст человека даже более точно, чем длина теломер [1].

Как сегодня предполагается, неферментативное гликозилирование и КПГ тесно связаны с целым рядом возраст-зависимых заболеваний, таких, как диабет, ревматоидный артрит, атеросклероз, болезнь Паркинсона и Альцгеймера, боковой амиотрофический склероз, катаракта и онкологические болезни [5].

Белки, подвергшиеся гликированию в реакции Майяра, становятся афизиологично поперечно-сшитыми, теряя при этом свои свойства. Особенно большую проблему это представляет для долгоживущих белков (например, молекулы коллагена кожи, согласно ряду исследований, имеют период полужизни 15 лет, а хрящей — более 100 лет), которые составляют значительную часть всех белков в организме — около одной трети. Образовавшиеся дополнительные сшивки между молекулами нарушают функции этих белков, что приводит к потере эластичности тканей и часто наблюдается при старении и патологиях. Гликирование также становится причиной того, что и так медленно обновляемый белок коллаген становится еще более долгоживущим — после гликирования он приобретает резистентность к физиологическому действию эндогенных коллагеназ, которые обеспечивают обновление тканей.

В свою очередь, активация NF-κB увеличивает экспрессию RAGE, создавая цикл положительной обратной связи, который усиливает продуцирование промоторов воспаления. Кроме того, взаимодействие КПГ-RAGE активирует NADPH-оксидазу (комплекс ферментов, который продуцирует супероксид), что увеличивает внутриклеточный окислительный стресс. А увеличение окислительного стресса NADPH-оксидазой в ответ на взаимодействие AGE-RAGE активирует, в свою очередь, NF-κB. И здесь мы можем наблюдать целый ряд «порочных кругов» — циклов с положительной обратной связью.

Гликирование белков дыхательной цепи митохондрий тоже вносит свой вклад в этот процесс: нарушение в работе дыхательной цепи служит постоянным источником супероксидных радикалов. Кроме этого, формирование в митохондриях и в других структурах под воздействием гликирования неразлагаемых КПГ может быть ответственно за реализацию такого феномена, как «метаболическая память» — когда у больных диабетом 2 типа строгий контроль гликемии уже не предотвращает развитие осложнений, связанных с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Предполагается, что неразлагаемые КПГ играют в этом феномене основную роль [6].

Также при гликировании происходит увеличение воспалительных процессов. Так, при гликозилировании коллагена происходит накопление во внесосудистом матриксе конечных продуктов этого процесса, которые организм воспринимает как чужеродные. Из-за этого возникнет иммунный ответ, в ходе которого иммунные клетки, макрофаги, увеличат секрецию провоспалительных цитокинов (TNF-α, интерлейкина-6 и др.), которые известны своей способностью негативно влиять на резистентность к инсулину и атерогенез [7].

Какие есть причины возникновения гликированных белков и КПГ? Считается, что главная из них для современного человека сегодня — это нездоровая пища. Поджаренная коричнево-чёрная корочка на продуктах как раз и представляет собрание КПГ, образовавшихся из-за термической обработки продуктов (жарки мяса, картофеля и т.п.) при высоких температурах. Рекордсменом по количеству образованных КПГ считается поджаренный бекон. Кроме этого, потребление содержащих много быстрых углеводов продуктов (кондитерских изделий, сладких газированных напитков и пр.) также может способствовать гликированию белков и образованию КПГ.

Известны продукты, которые, напротив, помогают противостоять накоплению КПГ — черная редька, редис, капуста брокколи, благодаря содержащемуся в них веществу сульфорафану. Как это не удивительно, но вместе с гурманами регулярно снабжают себя повышенными дозами КПГ и курильщики. Табачный дым содержит гликотоксины, которые реагируют с остатками лизина и аргинина, формируя КПГ. Вероятно, поэтому у курильщиков наблюдается хроническое воспаление дыхательных органов [8].

Как было уже сказано, кроме воздействия внешних факторов, образование КПГ в норме также происходит эндогенно (то есть внутри организма) в физиологических условиях. Хотя этот процесс медленный и незначительный, но существенно усиливается при повышенной концентрации свободных радикалов, при резистентности к инсулину, сахарном диабете и повышении уровня глюкозы в крови. Накапливаясь в организме, КПГ затягивают человека в «болото» патологических процессов, из которого потом не так просто выбраться.

К сожалению, глюкозепан не был выбран целью для ранее разработанных препаратов против поперечных сшивок, таких как Alagebrium/ALT-711 (Wolffenbuttel et al., 1998), C36 (Cheng et al., 2007), TRC4149 (Pathal et al., 2008), и ему только предстоит доказать свою роль в механизмах старения. Эти вещества были нацелены на нейтрализацию карбоксиметиллизина — самого распространённого позднего продукта реакции Майяра, накапливающемся в организме при диабете.

На данный момент группа Дэвида Шпигель из Йельского университета работает над синтезом антител против содержащих глюкозепан белков. Обри де Грей подтверждает важность исследований по глюкезепану и недавно сообщил о регистрации компании Revel, на базе которой, возможно, будут продолжены начатые в университете исследования.

Однако, есть вероятность, что ни антитела, ни энзимы, по причине своих размеров не смогут проникнуть между фибриллами коллагена. Более того, разорванные поперечные сшивки коллагена восстанавливаются после окончания приема препарата, что будет требовать повторный курс терапии.

Поэтому искусственные энзимонтоподобные катализаторы, размеры которых могут быть в несколько раз меньше размеров оригинальных энзимов, видятся более интересной альтернативой. Подобные молекулы с заданной каталитической активностью — спиролигомеры (spiroligomeres) — разрабатывает группа Христиана Шафмейстер из Темпльского университета.

Одним из перспективных биомаркеров, показывающих не только накопление КПГ, но и увеличение риска смертности от всех причин, является плазменный карбоксиметил-лизин (КМЛ). КМЛ является одним из доминирующих КПГ в организме, как циркулирующих, так и тканевых. Кроме этого, КМЛ является единственным КПГ, который выступает лигандом для рецепторов КПГ (RAGEs).

Связывание RAGE с КМЛ приводит к увеличению генерации свободных радикалов, активации пути ядерного фактора Nf-κB и повышению уровня медиаторов воспаления (таких, как фактор некроза опухоли-альфа, интерлейкин-6 и C-реактивный белок). Известно, что КМЛ накапливается в больших кровеносных сосудах с возрастом. Высокие концентрации этого КПГ в сыворотке связаны с большей артериальной жесткостью, мощным фактором риска развития сердечно-сосудистых патологий и смертности от них, что было показано в ходе Балтиморского продольного исследования старения [12].