Эпоксиэйкосатриеновые кислоты: сигнальные молекулы и их роль в патологии.

Введение

Класс жирных кислот

Эпоксиэикозатриеновые кислоты, или ЭЭТ, – это сигнальные молекулы, образующиеся в различных типах клеток в результате метаболизма арахидоновой кислоты под действием специфического подмножества ферментов цитохрома P450, называемых цитохромными P450 эпоксигеназами. Эти неклассические эйкозаноиды обычно недолговечны и быстро превращаются из эпоксидов в менее активные или неактивные дигидроксиэикозатриеновые кислоты (diHETrEs) под действием широко распространенного клеточного фермента – растворимой эпоксидной гидролазы (sEH), также известной как эпоксидная гидролаза 2. Вследствие этого ЭЭТ функционируют как транзиторные гормоны короткого действия, то есть они действуют локально, регулируя функцию клеток, которые их производят (то есть являются аутокринными агентами), или близлежащих клеток (то есть являются паракринными агентами). ЭЭТ наиболее изучены на животных моделях, где они продемонстрировали способность снижать артериальное давление, возможно, за счет а) стимуляции артериальной вазодилатации и б) ингибирования удержания солей и воды почками, что приводит к уменьшению объема циркулирующей крови. В этих моделях ЭЭТ предотвращают развитие артериальных окклюзивных заболеваний, таких как инфаркт миокарда и инсульт, не только благодаря своему антигипертензивному действию, но и, возможно, благодаря своим противовоспалительным эффектам на кровеносные сосуды, ингибированию активации тромбоцитов и, следовательно, свертывания крови, и/или стимуляции профибринолитического удаления тромбов. В связи с их влиянием на сердце ЭЭТ часто называют кардиопротекторными. Помимо этих сердечно-сосудистых эффектов, которые могут предотвращать различные сердечно-сосудистые заболевания, исследования показали, что ЭЭТ участвуют в патологическом росте определенных типов рака, а также в физиологическом и, возможно, патологическом восприятии нейропатической боли. Хотя существующие исследования позволяют предположить, что ЭЭТ, ЭЭТ-образующие эпоксигеназы и ЭЭТ-инактивирующая sEH могут быть использованы для контроля широкого спектра заболеваний человека, клинические исследования пока не подтвердили это. Определение роли ЭЭТ в развитии заболеваний человека особенно затруднено из-за большого количества ЭЭТ-образующих эпоксигеназ, большого числа субстратов эпоксигеназ, отличных от арахидоновой кислоты, и множества функций, некоторые из которых могут быть патологическими или вредными, которыми обладают ЭЭТ.

The epoxyeicosatrienoic acids or EETs are signaling molecules formed within various types of cells by the metabolism of arachidonic acid by a specific subset of cytochrome P450 enzymes termed cytochrome P450 epoxygenases. These nonclassic eicosanoids are generally short lived, being rapidly converted from epoxides to less active or inactive dihydroxy eicosatrienoic acids (diHETrEs) by a widely distributed cellular enzyme, soluble epoxide hydrolase (sEH), also termed epoxide hydrolase 2. The EETs consequently function as transiently acting, short range hormones; that is, they work locally to regulate the function of the cells that produce them (i. e. they are autocrine agents) or of nearby cells (i. e. they are paracrine agents). The EETs have been most studied in animal models where they show the ability to lower blood pressure possibly by a) stimulating arterial vasorelaxation and b) inhibiting the kidney's retention of salts and water to decrease intravascular blood volume. In these models, EETs prevent arterial occlusive diseases such as heart attacks and brain strokes not only by their anti hypertension action but possibly also by their anti inflammatory effects on blood vessels, their inhibition of platelet activation and thereby blood clotting, and/or their promotion of pro fibrinolytic removal of blood clots. With respect to their effects on the heart, the EETs are often termed cardio protective. Beyond these cardiovascular actions that may prevent various cardiovascular diseases, studies have implicated the EETs in the pathological growth of certain types of cancer and in the physiological and possibly pathological perception of neuropathic pain. While studies to date imply that the EETs, EET forming epoxygenases, and EET inactivating sEH can be manipulated to control a wide range of human diseases, clinical studies have yet to prove this. Determination of the role of the EETS in human diseases is made particularly difficult because of the large number of EET forming epoxygenases, large number of epoxygenase substrates other than arachidonic acid, and the large number of activities, some of which may be pathological or injurious, that the EETs possess.

Структура

EETS – это метаболиты эпоксидной эйкозатриеновой кислоты, образующиеся из арахидоновой кислоты (эйкозатетраеновой кислоты с прямой цепью, омега-6 жирной кислоты). Арахидоновая кислота имеет 4 цис-двойные связи (см. Цис-транс-изомерию), которые обозначаются Z в используемой здесь химической номенклатуре IUPAC. Эти двойные связи расположены между атомами углерода 5–6, 8–9, 11–12 и 14–15; следовательно, арахидоновая кислота является 5Z,8Z,11Z,14Z эйкозатетраеновой кислотой. Цитохромные P450-эпоксигеназы атакуют эти двойные связи, образуя соответствующие эпоксидные региоизомеры эйкозатриеновой кислоты (см.), а именно 5,6 EET (т.е. 5,6-эпокси-8Z,11Z,14Z-эйкозатриеновая кислота), 8,9 EET (т.е. 8,9-эпокси-5Z,11Z,14Z-эйкозатриеновая кислота), 11,12 EET (т.е. 11,12-эпокси-5Z,8Z,14Z-эйкозатриеновая кислота) или, как показано на рисунке, 14,15 EET (т.е. 14,15-эпокси-5Z,8Z,11Z-эйкозатриеновая кислота). Ферменты обычно образуют оба R/S энантиомера в каждой бывшей позиции двойной связи; например, цитохром P450-эпоксидазы метаболизируют арахидоновую кислоту в смесь 14R,15S EET и 14S,15R EET.

Производство

Суперсемейство ферментов цитохрома P450 (CYP) широко распространено у бактерий, архей, грибов, растений, животных и даже вирусов. Суперсемейство включает более 11 000 генов, отнесенных к 1000 семействам. У человека имеется 57 потенциально активных генов CYP и 58 CYP-псевдогенов; лишь немногие активные гены CYP кодируют EET-образующие эпоксигеназы, то есть белковые ферменты, способные присоединять атомарный кислород (см.) к углерод-углеродным двойным связям ненасыщенных жирных кислот с длинной цепью, таких как арахидоновая кислота. CYP-эпоксигеназы относятся к нескольким подсемействам, включая CYP1A, CYP2B, CYP2C, CYP2E, CYP2J, а в подсемействе CYP3A – CYP3A4; у человека CYP2C8, CYP2C9, CYP2C19, CYP2J2 и, возможно, CYP2S1 являются основными продуцентами EET, хотя CYP2C9, CYP2C18, CYP3A4, CYP4A11, CYP4F8 и CYP4F12 способны производить EET и могут делать это в определенных тканях. CYP-эпоксигеназы могут эпоксидировать любую из двойных связей в арахидоновой кислоте, но большинство из них относительно селективны, производя заметные количества только одного или двух EET, причем 11,12-EET и 14,15-EET составляют 67–80% продукта, образуемого указанными CYP-эпоксидазами, а также основных EET, производимых тканями млекопитающих. CYP2S1 экспрессируется в макрофагах, печени, легких, кишечнике и селезенке и в изобилии присутствует в атеросклеротических бляшках человека и мыши (то есть атеромах), а также в воспаленных миндалинах. Продукты диГЭТРЕ, как и их эпоксидные предшественники, представляют собой энантиомерные смеси; например, sEH превращает 14,15-ETE в смесь 14(S),15(R)-диГЭТРЕ и 14(R),15(S)-диГЭТРЕ. Поскольку продукты диГЭТРЕ, как правило, значительно менее активны, чем их эпоксидные предшественники, путь sEH метаболизма EET считается критическим путем инактивации EET. Однако в некоторых случаях было обнаружено, что диГЭТРЕ обладают значительной активностью, как указано в разделе «Биологическая активность» ниже. Мембранно-связанная микросомальная эпоксид-гидролаза (mEH или эпоксид-гидролаза 1 [EC 3.2.2.9.]) может метаболизировать EET до дигидроксипродуктов, но считается, что она не вносит существенного вклада в инактивацию EET in vivo, за исключением, возможно, ткани мозга, где уровни активности mEH значительно превышают уровни активности sEH. Кроме того, были определены еще две человеческие sEH, эпоксид-гидролазы 3 и 4 (см. Эпоксид-гидролазу), но их роль в атаке EET (и других эпоксидов) in vivo еще не установлена. Помимо этих четырех путей эпоксид-гидролазного метаболизма, EET могут быть ацилированы в фосфолипиды в реакции, подобной ацилированию. Этот путь может служить для ограничения действия EET или для их хранения с последующим высвобождением. Эти альтернативные пути метаболизма EET, отличные от sEH, обеспечивают лишь умеренное повышение уровня EET in vivo при блокировке sEH лекарственными средствами. Действуют в кавернозных телах, поддерживая эрекцию полового члена. Специфическое эпоксидирование участков EET приводит к образованию эндогенных агонистов PPARα. Снижают высвобождение соматостатина, инсулина и глюкагона из эндокринных клеток. Повышают риск адгезии опухолей к эндотелиальным клеткам. 11,12-диГЭТРЕ, но не 11,12-EET, по-видимому, поддерживает созревание миелоцитарной клеточной линии (то есть поддерживает миелопоэз) у мышей и способствует развитию определенных типов ангиогенеза у мышей и рыбок-зебр. В противоположность противовоспалительному действию EET, диГЭТРЕ могут обладать некоторым провоспалительным действием.

The cytochrome P450 (CYP) superfamily of enzymes is distributed broadly throughout bacteria, archaea, fungi, plants, animals, and even viruses. The superfamily comprises more than 11,000 genes categorized into 1,000 families. Humans have 57 putatively active CYP genes and 58 CYP pseudogenes; only a relatively few of the active CYP genes code for EET forming epoxygenases, i. e. protein enzymes with the capacity to attach atomic oxygen (see ) to the carbon carbon double bonds of unsaturated long chain fatty acids such as arachidonic acid. The CYP epoxygenases fall into several subfamilies including CYP1A, CYP2B, CYP2C, CYP2E, CYP2J, and within the CYP3A sub family, CYP3A4; in humans, CYP2C8, CYP2C9, CYP2C19, CYP2J2, and possibly CYP2S1 isoforms are the main producers of EETs although CYP2C9, CYP2C18, CYP3A4, CYP4A11, CYP4F8, and CYP4F12 are capable of producing the EETs and may do so in certain tissues. The CYP epoxygenases can epoxidize any of the double bounds in arachidonic acid but most of them are relatively selective in that they make appreciable amounts of only one or two EETs with 11,12 EET and 14,15 EET accounting for 67–80% of the product made by the cited CYP epoxidases as well as the main EETs made by mammalian tissues. CYP2S1 is expressed in macrophages, liver, lung, intestine, and spleen and is abundant in human and mouse atherosclerosis (i. e. atheroma) plaques as well as inflamed tonsils. The product diHETrEs, like their epoxy precursors, are enantiomer mixtures; for instance, sEH converts 14,15 ETE to a mixture of 14(S),15(R) diHETrE and 14(R),15(S) diHETrE. Since the diHETrE products are as a rule generally far less active than their epoxide precursors, the sEH pathway of EET metabolism is regarded as a critical EET inactivating pathway. In some instances, however, the diHETrEs have been found to possess appreciable activity as indicated in the Biological activities section below. Membrane bound microsomal epoxide hydrolase (mEH or epoxide hydrolase 1 [EC 3.2.2.9.]) can metabolize EETs to their dihydroxy products but is regarded as not contributing significantly to EET inactivation in vivo except perhaps in brain tissue where mEH activity levels far outstrip those of sEH. Furthermore, two other human sEH, epoxide hydrolases 3 and 4 (see Epoxide hydrolase), have been defined but their role in attacking EETs (and other epoxides) in vivo has not yet been determined. Besides these four epoxide hydrolase pathways, EETs may be acylated into phospholipids in an acylation like reaction. This pathway may serve to limit the action of EETs or store them for future release. These alternate to sEH pathways of EET metabolism ensure that blockade of sEH with drugs can increase EET levels only moderately in vivo. Act in the corpus cavernosum to maintain penile erection. Specific epoxidation of EET sites produces endogenous PPARα agonists. Decrease release of somatostatin, insulin and glucagon from endocrine cells. Increased risk of tumor adhesion on endothelial cells. 11,12 diHETrE but not 11,12 EET appears to support the maturation of the myelocyte cell line (i. e. support myelopoiesis) in mice and to promote certain types of angiogenesis in mice and zebrafish. In opposition of the anti inflammatory actions of EETs, diHETrEs may have some pro inflammatory actions.

Регулирование артериального давления

Что касается регуляции артериального давления, а также регуляции почками всасывания соли и воды (что способствует регуляции артериального давления), ЭЭТ (EETs) выступают в качестве противовеса другому метаболиту арахидоновой кислоты, производному CYP – 20-гидроксиэйкозатетраеновой кислоте (20 HETE). У человека основными CYP, синтезирующими 20 HETE, являются CYP4A11, CYP4F2 и CYP4F3. В моделях на животных 20 HETE повышает артериальное давление, вызывая сокращение артерий и стимулируя почки к реабсорбции соли и воды, что увеличивает объем циркулирующей крови (см. 20-гидроксиэйкозатетраеновую кислоту). ЭЭТ оказывают противоположное действие. Они являются одним из типов эндотелиальных гиперполяризующих факторов, то есть веществ и/или электрических сигналов, синтезируемых или генерируемых в сосудистом эндотелии и высвобождаемых из него, которые гиперполяризуют близлежащие клетки гладкой мускулатуры сосудов. Это приводит к расслаблению этих клеток и, следовательно, к снижению артериального давления. В моделях на животных (преимущественно на грызунах) ЭЭТ расширяют мелкие резистивные артерии, участвующие в развитии гипертонии, а также коронарные и почечные артерии. Они вызывают гиперполяризацию гладкой мускулатуры путем открытия калиевых каналов с большой проводимостью, активируемых кальцием, открытия определенных транзиторных рецепторных потенциальных каналов гладкой мускулатуры или облегчения передачи возбуждающих сигналов через щелевые контакты между эндотелием и гладкой мускулатурой или между клетками гладкой мускулатуры. Мыши, у которых отсутствует один из генов, кодирующих Cyp2c44 или Cyp4ac44 (в результате нокаута генов), развивают гипертонию при диете с высоким содержанием натрия или калия. Обнаружение и изучение новых вариантов CYP2C8, а также вариантов CYP2C9 rs1799853 (Arg144Cys) и rs1057910 (Ile359Leu) привели к выявлению эпоксигеназ с пониженной активностью метаболизма арахидоновой кислоты и образования ЭЭТ. Хотя многие из этих исследований предполагают, что один или несколько ЭЭТ, высвобождаемых эндотелиальными клетками сосудов, ответственны за действие вазодилататоров, и что дефицит продукции ЭЭТ или избыточная инактивация ЭЭТ sEH лежат в основе некоторых типов гипертонии у людей, эти данные не являются окончательными. Они не исключают возможности того, что другие полиненасыщенные эпоксиды жирных кислот, такие как эпоксиды, полученные из эйкозатетраеновой, докозатетраеновой или линолевой кислот, синтезируемые CYP2C9 или другими CYP-эпоксигеназами (см. Эпоксигеназа), в той или иной степени способствуют вазодилатации и, таким образом, улучшают кровоток к тканям и снижают повышенное артериальное давление. Кроме того, генетические исследования вариантов SNP, проведенные на сегодняшний день, не подтверждают антигипертензивную роль ЭЭТ или ЭЭТ-образующих эпоксигеназ у людей. Недавно разработанные препараты, являющиеся метаболически стабильными аналогами ЭЭТ и, следовательно, имитирующими их действие, или, альтернативно, препараты, ингибирующие sEH и тем самым повышающие уровень ЭЭТ, находятся на стадии доклинических испытаний для лечения гипертонии у человека. Как указано на сайте ClinicalTrials.gov, клиническое исследование, спонсируемое Национальными институтами здоровья, под названием «Оценка ингибитора растворимой эпоксид-гидролазы (sEH) у пациентов с легкой или умеренной гипертонией и нарушенной толерантностью к глюкозе» не было завершено и не опубликовано, хотя оно началось в 2009 году.

With respect to the regulation of blood pressure as well as the kidneys' regulation of salt and water absorption (which contributes to blood pressure regulation), EETS are counterpoises to another CYP derived arachidonic acid metabolite, 20 hydroxyeicosatetraenoic acid (20 HETE). In humans, the major CYPs making 20 HETE are CYP4A11, CYP4F2, and CYP4F3. In animal models, 20 HETE raises blood pressure by contracting arteries and stimulating the kidney to reabsorb salt and water to increase the intravascular volume (see 20 Hydroxyeicosatetraenoic acid). EETs have the opposite effects. They are one type of endothelium derived hyperpolarizing factor, i. e. a substance and/or electrical signal synthesized or generated in and released from the vascular endothelium that hyperpolarize nearby vascular smooth muscle cells. This causes these cells to relax and thereby lowers blood pressure. In animal (primarily rodent) models, EETs dilate smaller sized resistance arteries involved in causing hypertension as well as cardiac and renal arteries. They cause smooth muscle hyperpolarization by opening vascular smooth muscle large conductance calcium activated potassium channels, opening certain vascular smooth muscle transient receptor potential channels, or facilitating the movement of excitatory signals through gap junctions between endothelium and smooth muscles or between smooth muscles. Mice lacking either of the EET producing Cyp2c44 or Cyp4ac44 genes (by gene knockout) develop hypertension when fed high sodium or high potassium diets. variant of CYP2C8 and the rs1799853 (Arg144Cys) and rs1057910 (Ile359Leu) variants of CYP2C9, all of which code for an epoxygenase with reduced arachidonic acid metabolizing and EET forming activities. While many of the cited studies suggest that one or more of the EETs released by vascular endothelial cells are responsible for the actions of the vasodilators and that deficiencies in EET production or excessive EET inactivation by sEH underlie certain types of hypertension in humans, they are not conclusive. They do not exclude a possibility that other polyunsaturated fatty acid epoxides such as those derived from eicosatetraenoic, docosatetraenoic, or linoleic acids made by CYP2C9 or other CYP epoxygenases (see Epoxygenase) contribute in small or large part to vasodilation responses and by this action promote blood flow to tissues and function in lowering high blood pressures. Furthermore, the genetic studies conducted to date on SNP variants do not give strong support for an antihypertensive role for the EETs or EET forming epoxygenases in humans. Recently developed drugs which are metabolically stable analogs of the EETs and thereby mimic the EETs actions or, alternatively of drugs which inhibit sEH and thereby increase EET levels are in the pre clinical development stage for treating human hypertension. As indicated on the ClinicalTrials. gov web site, a National Institutes of Health sponsored clinical trial entitled "Evaluation of Soluble Epoxide Hydrolase (s EH) Inhibitor in Patients With Mild to Moderate Hypertension and Impaired Glucose Tolerance" has not been completed or reported on although started in 2009.

Портальная гипертония

Портальная гипертензия, или гипертония в венозной системе портального кровотока печени, определяется как повышение портального давления выше нормальных значений в 10 миллиметров ртутного столба. ЭЭТ, особенно 11,12 ЭЭТ, оказывают совершенно иное воздействие на синусоидальные вены печени, чем на артерии системного кровообращения: они вызывают сужение синусоидов. Сообщается, что уровни ЭЭТ в плазме и печени пациентов с циррозом и портальной гипертензией повышены по сравнению с таковыми у здоровых людей.

Воспаление

Исследования in vitro и на животных показывают, что EET обладают противовоспалительной активностью, направленной на уменьшение, разрешение и ограничение повреждений, вызванных воспалением. Большинство этих исследований были сосредоточены на циркулирующих лейкоцитах, эндотелии кровеносных сосудов и окклюзии кровеносных сосудов вследствие патологического свертывания крови. EET а) ингибируют экспрессию клеточных молекул адгезии, таких как VCAM-1, ICAM-1 и E-селектин, в клетках сосудистого эндотелия, тем самым ограничивая прикрепление циркулирующих лейкоцитов к эндотелию кровеносных сосудов и их миграцию через эндотелий в ткани; 2) ингибируют экспрессию и активность циклооксигеназы-2 в моноцитах крови, тем самым снижая их выработку провоспалительных метаболитов арахидоновой кислоты, таких как простагландин E2; 3) ингибируют агрегацию тромбоцитов, тем самым уменьшая образование тромбов (то есть сгустков крови); 4) способствуют фибринолизу, тем самым растворяя сгустки крови; и 5) ингибируют пролиферацию клеток гладкой мускулатуры сосудов, тем самым уменьшая гипертрофию и сужение кровеносных сосудов. Лечение аналогом EET полезно для печеночной передачи сигнала инсулина в мышиной модели инсулинорезистентности. Эти вмешательства также показали положительные результаты в моделях животных неалкогольной жировой болезни печени и некоторых воспалительных заболеваний почек, включая хроническую болезнь почек, ишемическую реперфузионную травму почек и поликистозную болезнь почек. Эпоксиды омега-3 жирных кислот, по-видимому, значительно сильнее и более активно участвуют в облегчении боли, чем EET (см. Эпоксидокозапентаеновую кислоту).