Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.


Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.

"Child`s Health" 7 (67) 2015

Back to issue

Activated Nitrogen-Containing Metabolites of the Human Body in Respiratory Diseases. Generators and Generation (Part 2)

Authors: Abaturov O.Ye. - State Institution «Dnipropetrovsk Medical Academy of Ministry of Healthcare of Ukraine», Dnipropetrovsk; Volosovets O.P. - National Medical University named after O.O. Bohomolets, Kyiv, Ukraine; Borysova T.P. - State Institution «Dnipropetrovsk Medical Academy of Ministry of Healthcare of Ukraine», Dnipropetrovsk

Categories: Pediatrics/Neonatology

Sections: Specialist manual

print version


Summary

В обзоре литературы изложены современные данные об индукции и ингибиции синтеза монооксида азота (NO) при заболеваниях органов дыхания. Детально рассмотрены индукция генерации NO цитокинами, регуляция генерации NO Th1- и Th2-лимфоцитами. Представлены сигнальные пути основных индукторов индуцибельной или макрофагальной нитрооксидсинтазы (iNOS), а также факторы транскрипции, участвующие в регуляции активности гена iNOS. Показаны особенности продукции NO в зависимости от локальных условий.

В огляді літератури викладені сучасні дані щодо індукції та інгібіції синтезу монооксиду азоту (NO) при захворюваннях органів дихання. Детально розглянуті індукція генерації NO цитокінами, регуляція генерації NO Th1- та Th2-лімфоцитами. Представлені сигнальні шляхи основних індукторів індуцибельної або макрофагальної нітрооксидсинтази (iNOS), а також фактори транскрипції, що беруть участь у регуляції активності гена iNOS. Показані особливості продукції NO залежно від локальних умов.

This literature review presents current data about the induction and inhibition of the synthesis of nitric oxide (NO) in respiratory diseases. We have discussed in detail the induction of NO generation by cytokines, the regulation of NO generation by Th1- and Th2-lymphocytes. The signal pathways of the main inducers of the inducible or macrophage nitric oxide synthase (iNOS), as well as transcription factors involved in the regulation of iNOS gene activity were shown. The features of NO production were presented depending on local conditions.


Keywords

активированные азотсодержащие метаболиты, легкие.

активовані азотумісні метаболіти, легені.

activated nitrogen-containing metabolites, lungs.

Статья опубликована на с. 127-131

 

Введение

Монооксид азота (NO), являясь молекулярным мессенджером и регулятором клеточных функций, участвует в различных физиологических и патологических процессах в респираторной системе. В дыхательных путях NO продуцируется нитро–оксидсинтазами (NOS) самых разнообразных клеток — эпителиоцитов, эндотелиоцитов, провоспалительных клеток иммунной системы (макрофаги, нейтрофилы, тучные клетки, Т-лимфоциты), нейронов. Несмотря на то что уровень продукции NO эпителиоцитами не превышает объемы генерации NO макрофагами, эпителий респираторного тракта считают уникальным континуумным паттерном, который участвует в обмене NO [9, 22]. 

Индукция синтеза монооксида азота

В респираторном тракте содержание NO обусловлено ферментативной работой всех трех изоформ NOS [29]: нейрональной (nNOS, NOS1), индуцибельной, или макрофагальной (iNOS, mNOS, NOS2), эндотелиальной (eNOS, NOS3).
Конститутивная продукция NO обусловлена возбуждением ионотропных и метаботропных рецепторов. Активация iNOS не зависит от концентрации внутриклеточного Са2+. Возбуждение iNOS связано с активацией TLR, цитокиновых рецепторов [23]. 
Возбуждение ионотропных рецепторов способствует повышению внутриклеточной концентрации ионов Ca2+. Последние, формируя комплекс Са2+/кальмодулин, способствующий передаче электронов от НАДФ к редуктазному домену, возбуждают предсуществующие конститутивные формы NOS (nNOS и еNOS) [15]. 
Возбуждение метаботропных рецепторов приводит к фосфорилированию сопряженных с ними G-белков. За счет замены ГДФ на ГТФ происходит диссоциация тримерного G-белка на две части — ГТФ-связанную α-субъединицу и гетеродимер βγ. ГTФ-α и гетеродимер βγ индуцируют фосфоинозитол-3-киназу (PI3-K), аденилатциклазу, фосфолипазу-А2, фосфолипазу-Сb и фосфодиэстеразу. Аденилатциклаза и PI3-K фосфорилируют сериновые аминокислотные остатки Ser617, Ser1179 протеинкиназы-А и Ser635, Ser1179 протеинкиназы-Akt, которые затем активируют eNOS. Также стресс-индуцированный распад АТФ индуцирует АМФ-киназу (AMPK), которая фосфорилирует Ser1179 eNOS [2, 15]. 
Индукция гена iNOS обусловлена взаимодействием РАМР инфекционных агентов с TLR или цитокинов — эпидермального фактора роста (EGF), IL-1β, IL-2, IL-17, IL-22, TNF-α, TNF-β, IFN-α, IFN-γ — со специфическими рецепторами клеток-продуцентов NO (рис. 1) [6, 13, 16, 19]. 
Возбуждение TLR-клеток ведет к активации рецептор-ассоциированной Janus-киназы-2 (JAK2), экстрацеллюлярной сигнал-регулируемой киназы 1/2 (Erk1/Erk2) и p38-митоген-активируемой протеинкиназы (p38-MAPK). Это определяет индукцию факторов транскрипции — NF-kВ, NF-ILC, STAT1, IRF-1 и GAF, которые и обусловливают активацию транскрипции гена iNOS. После индукции триггерными факторами активность iNOS появляется через 6–8 часов, в течение этого времени происходит индукция генов и синтез фермента (табл. 1) [12, 17]. 
Промотор гена iNOS содержит несколько сайтов связывания различных факторов транскрипции (NF-κB, AP-1, STAT-1α, IRF-1, NF-IL-6), что свидетельствует о сложности регуляции продукции индуцибельной нитрооксидсинтазы (табл. 2) [26, 27].
Учитывая, что активация гена iNOS происходит при одновременном возбуждении нескольких его специфических сайтов связывания, для индуцибельной продукции NO требуется комплексный стимул в виде сочетания PAMP с IFN-γ, или PAMP с IL-1β, или PAMP с TNF-α [11]. EGF активирует PI3-K, протеинкиназу Akt, предопределяя усиление активности iNOS, а также экспрессии IL-1R1 [6, 12]. 
Также активация α1A-адренорецепторов индуцирует экспрессию iNOS [21] и малой ГТФазы Rac2 [20]. При заболеваниях органов дыхания в индукции синтеза NO особую роль играет активация регулирующих гипоксией элементов промотора гена iNOS.

Ингибиция синтеза монооксида азота

Продукция NO регулируется на транскрипционном, посттранскрипционном и посттрансляционном уровнях.
Предупреждение повышения концентрации NO выше цитотоксического уровня обусловлено ингибицией iNOS собственно самим монооксидом азота, по типу обратной отрицательной связи; производными L-аргинина (NG-монометил-L-аргинином (NMMA), асимметричным NG,NG-диметил-L-аргинином (ADMA), N-нитро-L-аргининметиловым эфиром (NAME)), действием ингибирующих протеинов, деградацией iNOS [20, 21]. Ингибирующее действие на iNOS оказывают гуанин-нуклеотид-фактор обмена калирин и NOS-ассоциируемый протеин-110 kDa (NAP110). Калирин связывается с первыми 70 аминокислотными остатками iNOS, а NAP110 взаимодействует с NH2 терминальным доменом iNOS, предотвращая димеризацию NOS. Ингибирующее действие калирин проявляет в нейронах, а NAP110 — в макрофагах. Основными протеолитическими системами, ответственными за регулируемую деградацию iNOS, являются кальпаиновый и убиквитин-протеосомный пути протеолиза. В процессе деградации NOS участвуют глюкокортикоиды, кавеолин-1, белок Hsp90, нейротоксические молекулы, ингибиторы NOS [10, 18, 21, 28]. 
Экспрессию iNOS ингибируют и некоторые цитокины: TGF-β, IL-4, IL-10, IL-11, IL-13, IFN-α/β [3]. Таким образом, Th1-ассоциированные цитокины стимулируют, а Th2-ассоциированные цитокины ингибируют экспрессию и активность iNOS (рис. 2). 

Синтез монооксида азота 

Фермент NOS производит NO из L-аргинина в результате реакции 2L-аргинин + 3НАДФН + 4O2 + + 3H+ → 2L-цитруллин + 2NO + 3НАДФ+ + 4H2O. 
Электроны, полученные в результате деятельности НАДФ, переносятся из редуктазного в оксигеназный домен молекулы нитрооксидсинтазы, где, взаимодействуя с ионом железа и BH4, катализируют реакцию взаимодействия кислорода и L-аргинина. В результате вначале образуется Nω-OH-L-аргинин как промежуточная форма окисления, а в последующем — L-цитруллин и монооксид азота (рис. 3) [2, 14]. 
Функционирование NOS зависит от локальных условий, особенности влияния которых представлены на рис. 4 на примере eNOS.
Нитрооксидсинтазы могут генерировать NO и в мономерном виде [5, 8]. 
Эпителиоциты респираторного тракта на протяжении всей слизистой оболочки и альвеолоциты обладают способностью экспрессировать мРНК iNOS и индуцибельно генерировать NO. Показано, что iNOS эпителиоцитов расположена рядом с субмембранным белковым комплексом, который тесно связан с кортикальным F-актином и физически взаимодействует с апикальным эзринрадиксинмоэзин-связанным фосфопротеином (EBP50). Взаимодействие iNOS с EBP50 и обусловливает высвобождение NO из внутриклеточного континуума через апикальную поверхность мембраны клетки [7, 21]. Молекулы NO, несмотря на свою высокую биохимическую активность, способны транспортироваться на расстояния, не превышающие размеры нескольких клеток [1].

Bibliography

1. Ванин А.Ф. NO в биологии: история, состояние и перспективы исследований // Биохимия. — 1998. — T. 63, вып. 7. — C. 867-869.

2. Alderton W.K. Nitric oxide synthases: structure, function and inhibition / W.K. Alderton, C.E. Cooper, R.G. Knowles // Biochem. J. — 2001. — Vol. 357. — P. 593-615. PMID: 11463332.

3. Bogdan C. Nitric oxide and the immune response // Nat. Immunol. — 2001. — Vol. 2, № 10. — P. 907-916. PMID: 11577346.

4. Comhair S.A. Redox control of asthma: molecular mechanisms and therapeutic opportunities / S.A. Comhair, S.C. Erzurum // Antioxid. Redox Signal. — 2010. — Vol. 12, № 1. — P. 93-124. doi: 10.1089/ARS.2008.2425.

5. Daff S. NO synthase: structures and mechanisms// Nitric Oxide. — 2010. — Vol. 23, № 1. — P. 1-11. doi: 10.1016/j.niox.2010.03.001. Epub 2010 Mar 18.

6. Epidermal growth factor and interleukin-1 synergistically stimulate the production of nitric oxide in rat intestinal epithelial cells / K. Kitagawa, Y. Hamada, Y. Kato et al. // Am. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol. — 2004. — Vol. 287. — P. G1188-G1193. PMID: 15271652

7. Epithelial inducible nitric-oxide synthase is an apical EBP50-binding protein that directs vectorial nitric oxide output / Glynne P.A., Darling K.E., Picot J., Evans T.J. // J. Biol. Chem. — 2002. — Vol. 277. — P. 33132-33138. PMID: 12080081

8. Förstermann U. Endothelial nitric oxide synthase in vascular disease: from marvel to menace / U. Förstermann, T. Münzel // Circulation. — 2006. — Vol. 113, № 13. — P. 1708-1714. doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.105.602532.

9. Goodrum K.J. Cytokine Responses to Group B Streptococci Induce Nitric Oxide Production in Respiratory Epithelial Cells / K.J. Goodrum, J. Poulson-Dunlap // Infect Immun. — 2002 Jan. — 70 (1). — P. 49-54. doi: 10.1128/IAI.70.1.49-54.2002.

10. Krajewska W.M. Caveolins: structure and function in signal Transduction / W.M. Krajewska, I. Masłowska // Cell. Mol. Biol. Lett. — 2004. — Vol. 9. — P. 195-220. PMID: 15213803.

11. Kwon S. Synergistic cytokine-induced nitric oxide production in human alveolar epithelial cells / S. Kwon, S.C. George // Nitric. Oxide. — 1999. — Vol. 3. — P. 348-357. PMID:10444374.

12. Liu J. Exhaled breath condensate as a method of sampling airway nitric oxide and other markers of inflammation / J. Liu, P.S. Thomas // Med. Sci. Monit. — 2005. — Vol. 11, № 8. — P. MT53-MT62. PMID:16049390.

13. Lipopolysaccharide and interferon-gamma-induced nitric oxi–de production and protein oxidation in mouse peritoneal macrophages are affected by glutathione peroxidase-1 gene knockout / Fu Y., McCormick C.C., Roneker C., Lei X.G. // Free Radic. Biol. Med. — 2001. — Vol. 31. — P. 450-459. PMID:11498278

14. MacMicking J. Nitric oxide and macrophage function / MacMicking J., Xie Q.W., Nathan C. // Annu. Rev. Immunol. — 1997. — Vol. 15. — P. 323-350. PMID:9143691.

15. Mechanisms of nitric oxide synthesis and action in cells / Arzumanian V., Stankevičius E., Laukevičienė A., Kėvelaitis E. // Medicina. — 2003. — Vol. 39, № 6. — P. 535-541. PMID: 12829875.

16. Mühl H. Inducible NO synthase and antibacterial host defence in times of Th17/Th22/T22 immunity / Mühl H., Bachmann M., Pfeilschifter J. // Cell. Microbiol. — 2011. — Vol. 13, № 3. — P. 340-348. doi: 10.1111/j.1462-5822.2010.01559.x. Epub 2010 Dec 28.

17. Nitric Oxide in Health and Disease of the Respiratory System / Ricciardolo F.L.M., Sterk P.J., Gaston B., Folkerts G. // Physiol. Rev. — 2004. — Vol. 84, № 3. — P. 731-765. doi: 10.1152/physrev.00034.2003.

18. Nitric oxide synthase localization in the rat neutrophils: immunocytochemical, molecular, and biochemical studies / R. Saini, S. Patel, R. Saluja et al. // J. Leukocyte Biol. — 2006. — Vol. 79. — P. 519-528. PMID:16387842.

19. Oxidation of nitric oxide by oxomanganese-salen complexes: a new mechanism for cellular protection by superoxide dismutase/catalase mimetics / Sharpe M.A., Ollosson R., Stewart V.C., Clark J.B. // Biochem. J. — 2002. — Vol. 366. — P. 97-107. PMID:11994046.

20. Protein-protein interactions involving inducible nitric oxide synthase / W. Zhang, T. Kuncewicz, Z.Y. Yu et al. // Acta Physiol. Scand. — 2003. — Vol. 179. — P. 137-142. PMID:14510776.

21. Protein interactions with nitric oxide synthases: controlling the right time, the right place, and the right amount of nitric oxide / Kone B.C., Kuncewicz T., Zhang W., Yu Z.-Y. // Am. J. Physiol. Renal Physiol. — 2003. — Vol. 285. — P. F178-F190. doi: 10.1152/ajprenal.00048.2003.

22. Rao K.M.K. Molecular mechanisms regulating iNOS expression in various cell types // J. Toxicol. Environ Health B Crit. Rev. — 2000 Jan-Mar. — 3 (1). — P. 27-58. doi: 10.1080/109374000281131.

23. Ricciardolo F.L.M. Multiple roles of nitric oxide in the airways // Thorax. — 2003. — Vol. 58. — P. 175-182. doi: 10.1136/thorax.58.2.175.

24. Saha R.N. Regulation of inducible nitric oxide synthase gene in glial cells / R.N. Saha, K. Pahan // Antioxid. Redox. Signal. — 2006. — Vol. 8, № 5-6. — P. 929-947. PMID:16771683.

25. Specific association of nitric oxide synthase-2 with Rac isoforms in activated murine macrophages / Kuncewicz T., Balakrishnan P., Snuggs M.B., Kone B.C. // Am. J. Physiol. Renal Physiol. — 2001. — Vol. 281. — P. F326-F336. PMID: 11457725.

26. Transcriptional and post-transcriptional regulation of iNOS expression in human chondrocytes / N. Schmidt, A. Pautz, J. Art et al. // Biochem. Pharmacol. — 2010. — Vol. 79, № 5. — P. 722-732. doi: 10.1016/j.bcp.2009.10.012. Epub 2009 Oct 23.

27. The role of nitric oxide in inflammatory reactions / Tripathi Pl., Tripathi P., Kashyap L., Singh V. // FEMS Immunol Med Microbiol. — 2007 Dec. — 51 (3). — P. 443-452. doi: http://dx.doi.org/10.1111/j.1574-695X.2007.00329.x .

28. Ubiquitination of inducible nitric oxide synthase is required for its degradation / Kolodziejski P.J., Musial A., Koo J.S, Eissa N.T. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 2002. — Vol. 99. — P. 12315-12320. PMID:12221289.

29. Van der Vliet A. Nitric oxide: a pro-inflammatory mediator in lung disease? / Van der Vliet A., Eiserich J.P., Cross C.E. // Respirat. Res. — 2000. — Vol. 1. — P. 67-72. PMID:11667967.

30. Yang C.S. The role of nitric oxide in mycobacterial infections / Yang C.S., Yuk J.M., Jo E.K. // Immune Netw. — 2009. — Vol. 9, № 2. — P. 46-52.


Back to issue