NEW CONCEPTS OF PHARMACODYNAMICS OF ECDYSTEROIDS

Cover Page

Abstract


In the review possible mechanisms of action of ecdysteroids in an organism of mammals are discussed: introduction in the lipid membrane; interaction with the special membrane receptors; interaction with the regulatory site of the receptors of the different molecules; activation nonspecial adaptation program.

Full Text

Термин «экдистероиды» происходит от греческого слова «экдизис» (линька) и объединяет в себе группу липофильных полигидроксилированных стероидов, участвующих в жизнедеятельности практически всех живых организмов. Являясь у насекомых гормонами линьки, в организме млекопитающих они оказывают разнообразные эффекты (анаболический, актопротекторный, адаптогенный, антигипергликеми-ческий, гиполипидемический и ряд других) 14]. Присутствуя в организме растений в больших концентрациях (1 -2% в биомассе), экдистероиды, скорее всего, защищают их от насекомых-вредителей (высокие концентрации экдистероидов подавляют развитие насекомых) 9]. На сегодняшний день известно строение около 300 молекул экдистероидов. Они синтезируются во всех главных типах высших растений - папоротникообразных, голосеменных и покрытосеменных (фитоэк-дистероиды), насекомых, ракообразных, нематодах (зооэкдистероиды) и грибах (ми-коэкдистероиды). Ни в одном из видов млекопитающих образование экдистерои-дов до сих пор не описано. Зооэкдистероиды и микоэкдистерои-ды содержатся в членистоногих и грибах в чрезвычайно низких количествах. Химический синтез экдистероидов - осуществим, но весьма дорог, поэтому основным источником их промышленного получения являются растения. К числу важнейших эк-дистероидсодержащих растений относятся: Rhaponticum carthamoides (левзея сафлоровидная, рапонтикум или маралий корень), Serratula coronata L. (серпуха венценосная), Silene (смолевки), Lychnis (зорьки), Coronaria flos-cuculi L. (горицвет кукушкин), Helleborus purpurascens (морозник красноватый) и ряд других. Однако, биологическая активность проявляется у незначительной части видов, что скорее всего связано с присутствием в растениях большого числа слабоактивных или неактивных фитоэкдистероидов 24]. Из всего многообразия экдистероид-ных молекул в организме млекопитающих наиболее активны три - ponasterone A, muristerone A и ecdysterone, структурные формулы которых различаются только количеством и расположением гидроксильных ОН-групп. Биологическая активность других экдистероидов - polypo-dine B, inokosterone, makisterone существенно ниже, а у a-ecdysone, 2-deoxyecdysone, 2-deoxyecdysterone, 22-acetat-ecdysterone отсутствует 4, 24]. 164 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, № 4, 2012 г. Фармакодинамика экдистероидов в организме насекомых В организме насекомых экдистерои-дам принадлежит исключительно важная роль на всех стадиях развития (линьки, метаморфоза, воспроизводства и диапаузы). Они необходимы для инициации превращений, происходящих в ходе развития личинки до куколки, и затем до взрослого насекомого. Антагонистом экдистероидов в организме насекомых является ювенильный гормон. В отличие от экдистероидов он обеспечивает стабильность, способствует личиночному росту и препятствует метаморфозе. Экдистероиды синтезируются в проторакальных железах под воздействием нейропептидов, вырабатываемых в мозге насекомых 4]. Экдистероидные рецепторы у насекомых - члены ядерного суперсемейства рецепторов, имеющих, как предполагается, единое происхождение. Структура экдистероидов сходна со структурой других стероидных гормонов (глюкокортикостероидов, половых гормонов, витамина D3 и ретиноидов) 11]. Процесс взаимодействия экдистерои-дов со своими рецепторами схематично можно представить в виде трех последовательных этапов. Являясь липофильными веществами, экдистероиды свободно проникают через билипидную клеточную мембрану. Затем экдистероиды взаимодействуют со специфическими рецепторами. Связывание гормона влечет за собой конфор-мационную перестройку молекулы рецепторного белка, диссоциацию с освобождением от белков-ингибиторов, поддерживающих его структуру. На втором этапе происходит активация гормонорецепторного комплекса за счет образования гетерокомплекса (гетеродимеризация) с рецепторами производных витамина А, в частности с рецептором 9-цис-ретиноевой кислоты. В этом экдистероидные рецепторы отличны от андроген-, прогестерон-, эстроген-, глю-кокортикоидных рецепторов, способных активироваться в форме гомодимеров, т.е. без участия рецептора-партнера и их лигандов. На третьем этапе происходит взаимодействие образовавшегося гетеродимера (EcR/RXR) с регуляторными участками ге нов, которые носят название гормон-респонсивные элементы. Это короткие симметричные фрагменты ДНК, которые выполняют функции усилителей (энхансе-ров, англ. enhancer) транскрипции 16]. Фармакодинамика экдистероидов в организме млекопитающих У млекопитающих экдистероидные рецепторы до сих пор не найдены. В ряде исследований предполагалось, что экдисте-роиды, из-за подобия химической структуры, могут оказать схожие эффекты с 1а, 25-дигидроксивитамином D3 17]. Но, при изучении способности экдистерона связываться с глюкокортикоидными, андрогенными, тиреоидными рецепторами, рецепторами витамина D3, печеночными рецепторами X и фарнозоидными рецепторами, оказалось, что он не обладает к ним сродством 12, 21]. Возможно, это связано с длинной углеводородной цепью со стороны холестерина, которая мешает экдистероидам взаимодействовать с рецепторами. В 1999 году было установлено, что некоторые предварительно «освобожденные» ядерные рецепторы (например, рецептор прогестерона) способны связывать эндогенные оксистероиды 25] и имеют широкую специфичность, благодаря чему могут связывать множество ксенобиотиков, включая стероиды 27]. Однако, на данный момент, отсутствуют исследования, доказывающие, что экдистероиды взаимодействуют с такими рецепторами. Поэтому считается, что эффекты, оказываемые экдистероидами в организме млекопитающих, реализуется через другие механизмы. Brann D.W. et al. (1995) были предложены три возможных механизма действия экдистероидов: Первый возможный механизм действия. Встраивание экдистероидов в били-пидный мембранный слой, изменение структуры окружающих белков, и, следовательно, изменение их функционирования. Для проверки этой гипотезы было изучено включение молекулы экдистерона в били-пидный мембранный слой эритроцитов 28]. В первой серии экспериментов, эритроциты предварительно инкубировали с различными стероидами (10-6М) (в 165 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, № 4, 2012 г. том числе 2-деокси-20-гирокси-экдизоном и 20-гидроксиэкдизоном), а затем с 3Н-холестерином. И 2-деокси-20-гироксиэкдизон и 20-гидроксиэкдизон уменьшили радиоактивность, связанную с мембранной фракцией, что свидетельствует об уменьшении включения 3Н-холестерина в мембрану. Во второй серии экспериментов, авторы вначале инкубировали эритроциты с различными концентрациями 20-гидроксиэкдизона (от 10-14 до 10-10М), а затем с холестерином, холе-кальциферолом и кальцитриолом, меченными радиоактивными метками. Экдисте-рон, в основном, уменьшал включение кальцитриола. Эти эксперименты подтверждают гипотезу о том, что экдисте-роиды способны встраиваться в билипид-ный мембранный слой. Второй возможный механизм действия. Взаимодействие экдистероидов с определенными мембранными рецепторами, которые активируют механизмы трансдукции. В 2005 году помимо ядерных рецепторов у насекомых был идентифицирован мембранный допамин-экдистероидный рецептор, который активируется допамином и экдистероном, и связан с G-белком 20]. Активация G-белка может вести к разнообразным способам передачи сигнала, включая активацию аденилатциклазы, фосфолипазы С, фосфодиэстеразы цГМФ, Na+ - каналов и К+ - каналов. Активация фосфолипазы С вызывает гидролиз фосфатидилинозитол-4,5-бифосфата (ФИФ2) на инозитол-1,4,5-трифосфат (ИФ3) и диацилглицерол (ДАГ) 22]. ИФ3 связывается со специфическими рецепторами в эндоплазматическом или сар-коплазматическом ретикулуме и стимулирует высвобождение из них Ca2+, что способствует быстрому повышению его внутриклеточного уровня 6]. Вторичные посредники участвуют в каскаде фосфорилирования белков, которые, в конечном счете, приводят к клеточному ответу, включая и синтез белка. В отличие от ядерного экдистероид-ного рецептора, эффект которого проявляется через некоторое время, необходимое для геномного ответа, G-белковый экдистероидный рецептор может быть ответственен за реализацию их быстрых негеномных эффектов. В организме млекопитающих, наибольшей гомологией с допамин-экдистероидными рецепторами обладают ß2-адренорецепторы, относящиеся к семейству рецепторов, взаимодействующих через G-белок с мембранными ферментами. При изучении способности экдистерона связываться с ß2-адренорецепторами, оказалось, что он не может с ними взаимодействовать 21]. В настоящее время описано более чем 1000 различных рецепторов, взаимодействующих через G-белок с мембранными ферментами 13]. Так как большинство рецепторов до конца не изучено, возможно, что среди них есть и экдистероидный рецептор. Для подтверждения этой гипотезы был проведен ряд экспериментов, изучающих влияние экдистерона на процессы активируемые G-белком. Установлено, что введение экдистеро-на вызывает повышение уровня ИФ3 в мозге и сердце крыс, а также быстрое вхождение Са2+ в клетку в культуре миоцитов С2С12 8]. Блокирование фосфолипазы С или рецепторов ИФ3 уменьшает, вызванное экдистероном повышение синтеза белка. Причем при использовании одновременно двух ингибиторов аддитивного эффекта получено не было, что свидетельствует о том, что рецептор ИФ3 и фосфолипаза С участвуют в одном и том же процессе 21]. Другим возможным посредником, участвующим в реализации эффектов экди-стероидов может быть протеинкиназа В (Akt). Геном человека содержит семейство генов Akt1, Akt2, Akt3, которые кодируют синтез протеинкиназы В. Akt1 (протеинки-наза В1) ингибирует процессы апоптоза (запрограммированная смерть клеток), принимая участие в клеточных циклах. Также Akt1 индуцирует синтез белка, и поэтому является ключевым ферментом в биохимических процессах роста тканей и развитии мышечной гипертрофии. Поскольку продукт гена Akt1 блокирует апоптоз и обеспечивает выживание клетки, Akt1 является одним из главных факторов в развитие многих видов рака. Продукт гена Akt2 является важной сигнальной молекулой в пути пере 166 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, № 4, 2012 г. дачи сигнала от инсулина, этот белок требуется для включения транспорта глюкозы. Роль Akt3 менее ясна, хотя показано, что этот ген преимущественно экспрессируется в мозге. Сообщается также, что мыши, лишенные Akt3, имеют маленький мозг 15]. Регуляция активности протеинкиназы В (Akt) осуществляется путем связывания фосфатидилинозитол-трифосфата (ФИФ3), или фосфатидилинозитол-дифосфата (ФИФ2). ФИФ2 может быть фосфорилирован только ФИФ3-киназами, и только в случае, если клетка получила сигнал к росту. ФИФ3-киназы могут быть активированы рецепторами, связанными с G-белками или рецепторами с тирозинкиназной активностью (например, инсулиновым рецептором). После активации, ФИФ3- киназы фосфорилируют ФИФ2 в ФИФ3. После закрепления в мембране путем связывания с ФИФ3, Akt может быть активирована путем фосфорилирования фосфоинозитол-зависимыми киназами (PDK1 и PDK2, mTORC2). PDK1 фосфори-лирует Akt, а mTORC2 стимулирует фосфо-рилирование PDK1. Активированная киназа Akt далее регулирует через фосфорилирова-ние активность многих субстратов 23]. Было обнаружено, что муристерон А и понастерон А способны к потенциации ИЛ-3 зависимого, преобразования клеток, активируемого фосфоинозитол-3 -киназой 26]. Далее последовал ряд работ, в которых доказывалась зависимость анаболического, антиапоптотического, антиги-пергликемического действия экдистерои-дов от активности фосфоинозитол-3-киназы 5, 18]. В одном из исследований показано, что экдистерон увеличивает активность Akt в культуре миоцитов С2С12 в степени необходимой для активации синтеза белка 21]. Третий возможный механизм действия. Взаимодействие экдистероидов с регуляторным участком рецептора для другой молекулы. Подобным образом, экдистерон оказывает нейромодулирующее действие на ГАМК рецептор корковых нейронов и нейронов медиального вестибулярного ядра крыс. Связывание одного экдистерона с рецептором не вызывает фармакологического эффекта. За счет данного механизма проявляется антиэпи-лептическая активность экдистероидов 19]. Стоит также отметить, что указанный эффект экдистероиды оказывают в довольно высоких дозах - 10-100 мкл, что, скорее всего, связано с их низкой способностью проникать через гематоэн-цефалический барьер 9]. Помимо 3 перечисленных выше возможных механизмов действия экдисте-роидов в организме млекопитающих, описаны еще некоторые. Выявлено, что экдистерон способен тормозить развитие катотоксических программ адаптации и активировать развитие синтоксических программ, тем самым уменьшая продолжительность фазы альтерации неспецифической реакции организма (стресса) и увеличивать продолжительность фазы резистентности 3]. По мнению авторов, достигается это благодаря активации гипоталамических М-холинорецепторов и блокаде центральных а-адренорецепторов. Включение кататоксических программ адаптации запускается активацией центральных а-адренорецепторов, при действии стресса большой интенсивности и сопровождается стимуляцией гипотала-мо-гипофизарно-надпочечниковой системы. Это приводит к выработке энергии, мобилизируемой адреналином, норадрена-лином и глюкокортикоидами через усиленный распад жиров и белков (гликолиз и глюконеогенез), с одновременной депрессией антиоксидантных, противосвер-тывающих механизмов крови и активацией иммуногенеза. Организм готовится к активному отражению, но при чрезмерной силе раздражителя это может привести даже к гибели организма. Вот почему одновременно с активацией кататоксических программ запускаются и синтаксические программы адаптации, направленные на ослабление эффекта действия сильного раздражителя. Синтоксические программы адаптации запускаются активацией холи-нореактивных структур мозга за счет постоянно присутствующих в крови синток-синов, активно вырабатваемых в репродуктивных органах (фертильные факторы). 167 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, №4, 2012 г. Такой же эффект производят экзогенные синтоксины введенные в организм млекопитающих. Синтоксический эффект проявляется активацией антиоксидантных и противосвертывающих механизмов крови и явлениями иммуносупрессии [1]. Подтверждением данной гипотезы могут быть данные о том, что фитоэкди-стероиды оказывают заметно ослабленное анаболическое действие у животных с нарушенным гормональным фоном (кастрация, гипофизэктомия) [2]. В другом исследовании установлено, что экдистерон вызывает повышение активности ацетилхолинэстеразы (фермента, разрушающего ацетилхолин, который в свою очередь является агонистом М2-холинорецепторов) в мозге половозрелых и неполовозрелых крыс [10]. Предварительное ведение циклогексимида или ак-тиномицина Д подавляет действие экди-стерона на мозг (повышение активности ацетилхолинэстеразы). Выводы Экдистероиды - перспективная группа молекул, обладающих высокой и разносторонней биологической активностью. Несмотря на многочисленные исследования, механизм их действия остается не до конца изученным. Дальнейшее исследование экдистероидов позволит создать на их основе новые эффективные лекарственные препараты и оптимизировать их использование в медицине.

About the authors

A V Shchulkin

Email: alekseyshulkin@rambler.ru

E N Yakusheva

Email: e.yakusheva@rzgmu.ru

V V Davydov

V N Darmograi

References

  1. Селье Г. Стресс без дистресса / Г. Селье. - М.: Прогресс, 1979. - 122 с.
  2. Сыров В.Н. Сравнительное изучение анаболической активности фитоэкдистероидов, их 6-кетоаналогов и неробола в организме экспериментальных животных: автореф. дис.. канд. мед. наук / В.Н. Сыров. - Ташкент, 1979. - 35 с.
  3. Фитоэкдистероиды (естественные синтоксины) как модуляторы адаптивных программ организма при действии раздражителей внешней и внутренней среды / В.Н. Морозов [и др.]. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. - 54 с.
  4. Электронный режим доступа: http://leuzea.ru/pdf/ecdysteroids_IVTN.pdf
  5. -Hydroxyecdysone decreases weight and hyperglycemia in a diet-induced obesity mice model / P. Kizelsztein [et al.] // Am. J. Physiol. Endocrin. Metab. - 2009. - Vol. 296(3).
  6. Berridge M.J. The versatility and universality of calcium signaling / M.J. Berridge, P. Lipp, M.D. Bootman // Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. - 2000. - Vol. 1(1). - P. 11-21.
  7. Brann D.W. Emerging diversities in the mechanism of action of steroid hormones / D.W. Brann, L.B. Hendry, V.B. Mahesh // J. Steroid. Bioch. Mol. Biol. - 1995. - Vol. 52. - P. 113-133.
  8. C27 Steroid Hormones ecdyterone and calcitriol activates phosphoinositide messenger cascade in its early membrane phase of action / A.V. Kotsyuruba [et al.] // Ukr. Bioch. J. - 1999. - Vol. 71(1). - P. 27-32.
  9. Dinan L. Phytoecdysteroids: biological aspects / L. Dinan // Phytochem. - 2001. - Vol. 57. - P. 325-339.
  10. Ecdysterone induces acetylcholinesterase in mammalian brain / R.E. Catalan [et al.] // Comp. Bioch. Physiol. C. - 1984. - Vol. 78(1). - P. 193-195.
  11. Evans R.M. The steroid and thyroid hormone receptor superfamily / R.M. Evans // Science - 1988. - Vol. 240. - Р. 889-895.
  12. Evolution of pharmacologic specificity in the pregnane X receptor / S. Ekins [et al.] // BMC Evol. Biol. - 2008. - Vol. 8. - P. 103.
  13. G protein-coupled time travel: evolutionary aspects of GPCR research / H. Rompler [et al.] // Mol. Interv. - 2007. - Vol. 7. - P. 17-25.
  14. Lafont R. Practical uses for ecdysteroids in mammals including humans: an update / R. Lafont, L. Dinan // J. Insect. Sci. -2003. - Vol. 3, №7. - P. 30.
  15. Mediation of IGF-1-induced skeletal myotube hypertrophy by PI(3)K/Akt/mTOR and PI(3)K/Akt/GSK3 pathways / C. Rommel [et al.] // Nature. Cell. Biol. -2001. - Vol. 3. - P. 1009-1013.
  16. Molecular determinants of differential ligand sensitivities of insect ecdysteroid receptors / S.F. Wang [et al.] // Mol. Cell. Biol. - 2000. - Vol. 20. - P. 3870-3879.
  17. Phytoecdysteroids and Vitamin D Analogues - Similarities in Structure and Mode of Action / N. Toth [et al.] // Curr. Med. Chem. - 2010. - Vol. 17(18). - P. 1974-1994.
  18. Phytoecdysteroids increase protein synthesis in skeletal muscle cells / J. Gorelick-Feldman [et al.] // J. Agric. Food. Chem. - 2008 - Vol. 28, № 56 (10). - P. 3532-3537.
  19. Potentiation of GABA-induced inhibition by 20-hydroxyecdysone, a neurosteroid, in cultured rat cortical neurons / S. Tsujiyama [et al.] // Japan. J. Pharmacol. - 1995. - Vol. 68. - P. 133-136.
  20. Rapid, nongenomic responses to ecdysteroids and catecholamines mediated by a novel Drosophila G-protein-coupled receptor / D.P. Srivastava [et al.] // J. Neurosci. - 2005. - Vol. 25(26). - P. 6145-6155.
  21. Raskin I. Phytoecdysteroids - Understanding their Anabolic Activity. Abstract of the dissertation PhD / I. Raskin - New Brunswick, New Jersey, 2009.
  22. Rhee S.G. Regulation of phosphoinositide-specific phospholipase C / S.G. Rhee // Annu. Rev. Biochem. - 2001. - Vol. 70. - P. 281-312.
  23. Rozengurt E. Mitogenic signaling pathways induced by G protein-coupled receptors / E. Rozengurt // J. Cell. Physiol. - 2007. - Vol. 213(3). - P. 589-602.
  24. Screening plants of European North-East Russia for ecdysteroids / V. Volodin [et al.] // Bioch. System. Ecol. - 2002. - Vol. 30. - Is. 6. - P. 525-578.
  25. Structural requirements of ligands for the oxysterol liver X receptors LXRalpha and LXRbeta / B.A. Janowski [et al.] // Proceed. Nat. Acad. Scien. USA. - 1999. - Vol. 69. - P. 266-271.
  26. The ecdysteroid inducible gene expression system: unexpected effects of muristerone A and ponasterone A on cytokine signalling in mammalian cells / S. Constantino [et al.] // Eur. Cytok. Netw. - 2001. - Vol. 12. - P. 365-367.
  27. The pregnane X receptor: a promiscuous xenobiotic receptor that has diverged during evolution / S.A. Jones [et al.] // Mol. Endocrin. - 2000. - Vol. 14. - P. 27-39.
  28. Tuganova A.V. The in vitro interaction of C27-steroids with the erythrocyte membranes depends on the sterol structure and concentration / A.V. Tuganova, A.V. Kotsyuruba // Cell. Mol. Biol. Lett. - 1996. - Vol. 1. - P. 129-135.

Statistics

Views

Abstract - 348

PDF (Russian) - 206

Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2012 Shchulkin A.V., Yakusheva E.N., Davydov V.V., Darmograi V.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies