Введение

Пероксисомы — это не содержащие ДНК полуавтономные одномембранные органеллы, присутствующие практически в каждой эукариотической клетке. Пероксисомы играют центральную роль в физиологии человека, катализируя ряд уникальных функций: процессы метаболизма липидов — β-окисление жирных кислот с очень длинной цепью (very-long-chain fatty acids — VLCFA), α-окисление жирных кислот, биосинтез эфирных фосфолипидов и детоксикацию глиоксилата [1, 2]. Пероксисомы также регулируют синтез и оборот активных форм кислорода (АФК) и азотистых соединений, способствуют метаболизму полиаминов, углеводов и аминокислот, что делает эту органеллу важным регулятором клеточного метаболизма [1]. Пероксисомы являются органеллами иммунометаболизма, и их активность может регулировать различные аспекты иммунитета в норме и при заболеваниях [3]. Липиды, полученные из пероксисом, необходимы для выживания и развития нейтрофилов [4]. Более того, пероксисомы непосредственно связаны с такими специфическими функциями клеток врожденного и адаптивного иммунитета, как фагоцитоз [5], высвобождение цитокинов [6—9] и выработка иммуноглобулина М (IgM) В-клетками [10]. В печени пероксисомы активно участвуют в продукции желчных кислот, предоставляя для этих реакций необходимые ферменты [2]. Открыты новые физиологические функции пероксисом, включая их роль в передаче противовирусных сигналов и важность для цикла заражения различными вирусами [2].

Цель обзора — выполнить анализ современных данных о структуре, функциях и взаимодействии пероксисом с другими органеллами, их роли в метаболизме человека, иммунных процессах и патогенезе заболеваний, связанных с дефектами пероксисомных белков.

Строение пероксисом

Пероксисомы, расположенные в цитоплазме клеток, представляют собой небольшие везикулы с тонким зернистым матриксом внутри и кристаллическим ядром, окруженные одной биомембраной, в структуре которой имеется липидный бислой, содержащий белки-переносчики и протоновый насос (рис. 1).

Рис. 1. Схема структуры пероксисомы (составлено автором).

Липидный бислой состоит в основном из молекул фосфолипидов, которые имеют жировой конец, нелегко растворяющийся в воде, и фосфатный (заряженный) конец, который является гидрофильным, и происходят, вероятно, из эндоплазматического ретикулума (ЭПР).

Матрикс внутри пероксисомы содержит большое количество различных ферментов — белков, называемых пероксинами, которые участвуют в метаболических процессах, а также в биогенезе самих пероксисом [2]. Кристаллическое ядро в центре пероксисом содержит конденсирующие пероксисомные ферменты. Количество, размер и белковый состав пероксисом могут различаться в разных типах клеток и изменяться под действием факторов внешней среды.

Биогенез пероксисом

Механизм образования новых пероксисом в клетке является предметом дискуссий. Доподлинно неизвестно, образуются ли они в ЭПР путем отщепления или возникают в процессе их роста и деления из ранее существующих пероксисом. Скорее всего, обе точки зрения могут соответствовать действительности, а механизм биогенеза пероксисом, вероятно, выглядит следующим образом (рис. 2). Среди пероксисомных белков есть такие, которые сначала интегрируются в мембрану ЭПР, где они могут входить в состав предшественников пероксисом — особых везикул. Отщепление от ЭПР этих везикул и их дальнейшее слияние приводит к образованию пероксисомы, которая импортирует оставшиеся пероксисомные белки с помощью собственного аппарата импорта. Далее пероксисома может расти и делиться с образованием дочерних пероксисом [2].

Рис. 2. Предполагаемая схема образования пероксисом (составлено автором).

Пероксисомы не имеют собственной ДНК и репродуктивных механизмов и могут воспроизводиться, подобно митохондриям, простым делением. Это происходит, когда пероксисома, представляющая собой биохимическое хранилище, достигает критического размера после поступления в ее просвет и мембрану достаточного количества белковых продуктов (белков пероксисомного матрикса) из цитоплазмы, куда они поступают из ЭПР. В момент расщепления этой «раздутой» пероксисомы каждая из двух образующихся клеток начинает свое существование с набора непероксисомных белков, которые изначально были «мусором» где-то в другом месте клеток и подлежали утилизации [2, 11, 12].

Пероксисомная мембрана, скорее всего, состоит в основном из фосфатидилхолина (50—60%) и фосфатидилэтаноламина (25—30%). Существует три пероксина с определенной функцией в транспорте и импорте пероксисомных мембранных белков — ПМБ (peroxisomal membrane proteins — PMPs): Pex19, Pex3 и Pex16. Доказано, что Pex19 — это цитозольный белок, который функционирует как рецептор вновь синтезированных PMP и перемещается как челнок из цитозоля в пероксисомную мембрану и обратно. Pex3 расположен в пероксисомной мембране, для нацеливания не требует Pex19, но функционирует как стыковочный участок для PMP с Pex19. Роль Pex16, который также расположен в пероксисомной мембране, менее ясна, но показано, что он необходим для вставки Pex3 в пероксисомную мембрану и, таким образом, функционирует в сборке пероксисомой мембраны. Остается нерешенным, служит ли Pex16 только рецептором для Pex3 или также для других PMP.

Сообщается, что Pex3, Pex16 и Pex19 необходимы для образования и роста пероксисом: дисфункция или отсутствие любого из этих трех пероксинов приводит к тому, что клетки полностью лишены пероксисомных мембран [2, 13].

До пероксисомного матрикса матричные белки сопровождаются пироксинами Pex5 и Pex7, после чего они же возвращают их в цитозоль. Этот процесс называется рециркуляцией. Однако имеется особый способ воздействия на пероксисомный белок, называемый «контурная подложка», когда белки, транспортируемые этим уникальным методом, не имеют сигнала нацеливания на пероксисомы (peroxisomal targeting signal — PTS), а скорее связываются с ПМБ для транспортировки их в виде комплекса [14]. Модель, описывающая цикл импорта белков, называется «расширенным челночным механизмом» [2]. Имеются доказательства того, что для рециркуляции рецепторов в цитозоль необходим гидролиз аденозинтрифосфатазы (АТФ). Кроме того, для экспорта Pex5 из пероксисомы в цитозоль имеет решающее значение убиквитинирование.

Удлинение мембраны пероксисом и окончательное деление органеллы регулируются пероксисомным мембранным белком-пероксином 11 (Pex11p) и адаптерными белками Fis1 (митохондриальный белок деления 1) [15]. При этом начальная фаза деления пероксисом требует Pex11p, который ремоделирует мембрану, что приводит к удлинению органелл. Дополнительная функция Pex11p — это важная роль на заключительном этапе деления пероксисом — расщепление мембраны, опосредованное динамин-подобным белком (dynamin-like protein — DLP) [16], сверхэкспрессия которого регулируется белком Caf4p [17].

В 2017 г. предложена новая модель образования пероксисом de novo, основанная на том, что пероксисомы и митохондрии функционируют совместно в β-окислении жирных кислот. Кроме того, при отсутствии пероксисом в клетках многие пероксисомные белки импортируются в митохондрии. В связи с этим предполагается, что пероксисомы представляют собой гибридный продукт слияния препероксисомных везикул, отделившихся как от ЭПР, так и от митохондрий [18].

Кодируют пероксины, необходимые для правильной сборки пероксисом, гены PEX. Белки пероксисомной мембраны импортируются по меньшей мере двумя путями, один из которых зависит от взаимодействия между Pex19 и Pex3, в то время как другой необходим для импорта Pex3, любой из них может происходить без импорта матриксных (просветных) ферментов, которые обладают PTS1 или PTS2 [19].

Гены, кодирующие белки-пероксины, включают: PEX1, PEX2 (PXMP3), PEX3, PEX5, PEX6, PEX7, PEX9, PEX10, PEX11, PEX11B, PEX11G, PEX12, PEX13, PEX14, PEX16, PEX19, PEX26, PEX28, PEX30 и PEX31 [2]. Мутации в области связывания Pex19 снижают сродство к Pex19 и дестабилизируют Pex3 [2, 19].

Деградация пероксисом, которая происходит посредством селективного аутофагического процесса, называется пексофагией [13, 20]. В клетках с дефицитом пероксисом с дефектом Pex1, Pex6 или Pex26 этот процесс блокируется, вызывая накопление моноубиквитинированного Pex5 на мембране, что запускает пексофагию. Обнаружено также, что Pex5 становится убиквитинированным вследствие (пере)продукции АФК.

Функции пероксисом

Ферменты пероксисом синтезируются на рибосомах ЭПР и впоследствии, посредством специфических сигнальных белков, обеспечивающих распознавание мембраны пероксисомы и трансмембранный транспорт, доставляются внутрь органеллы. [21] (табл. 1). Определенные ферменты, содержащиеся внутри пероксисомы, используя молекулярный кислород, удаляют атомы водорода из определенных органических субстратов в окислительной реакции, образуя перекись водорода (H₂O₂), которая сама по себе токсична [2]. Другой пероксисомный фермент — каталаза использует H₂O₂ для окисления ряда субстратов, включая фенолы, муравьиную кислоту, формальдегид и спирт, посредством реакции перекисного окисления. Эта реакция важна для клеток печени и почек, где пероксисомы обезвреживают различные токсичные вещества, попадающие в кровь. Около 25% этанола, потребляемого человеком в виде алкогольных напитков, окисляется таким путем до ацетальдегида [2, 21]. Кроме того, когда в клетке в значительных количествах накапливается избыток перекиси водорода (H₂O₂), образующегося при расщеплении ряда различных соединений (окислительный стресс), каталаза преобразует ее в H₂O (см. табл. 1).

Таблица 1. Пероксисомные ферменты и их функции [22]

Примечание. Избыток ферментов указан в квадратных скобках. ACOX1 — ацил-КоА-оксидаза 1; ACOX2 — ацил-КоА-оксидаза 2; DBP — D-бифункциональный белок; LBP — липополисахаридсвязывающий белок; ACAA1 — ацетил-КоА-ацилтрансфераза 1 (пероксисомная тиолаза); SCPX — стерол-переносящий белок-пероксисомная тиолаза; PHYH — фитанил-КоА-гидроксилаза; AMACR — альфа-метилацил-КоА-рацемаза; GNPAT — глицеронфосфат O-ацилтрансфераза (дигидроксиацетонфосфатацилтрансфераза); AGPS — алкилглицеронфосфатсинтаза (алкил-дигидроксиацетонфосфатсинтаза); FAR1 — жирная ацил-КоА-редуктаза 1; FAR2 — жирная ацил-КоА-редуктаза 2; AGXT — аланин-глиоксилатаминотрансфераза; ChAT — холин ацетил трансфераза (каталаза); PIPOX — оксидаза пипеколиевой кислоты; DAO — оксидаза D-аминокислот.

Пероксисомы необходимы для функционирования многих систем органов. Они активно участвуют в деградации жирных кислот — β-окислении, когда на каждом этапе этого процесса алкильная цепь жирной кислоты укорачивается на два атома углерода с высвобождением ацетил-КоА с последующим экспортом его в цитозоль. В пероксисомах также протекает α-окисление, используемое для расщепления разветвленных цепей жирных кислот, которые не могут подвергаться β-окислению из-за наличия метильной группы у β-атома углерода [2, 22] (рис. 3).

Рис. 3. Схема функций пероксисом (составлено автором).

АФК — активные формы кислорода; BASI (Bile acid synthesis intermediates) — промежуточные продукты синтеза желчных кислот; BCFA-CoA (Branched chain fatty acyl CoA) — ацил-КоА жирных кислот с разветвленной цепью; PMP (peroxisomal membrane proteins) — пероксисомные мембранные белки; VLCFA-CoA (Very long chain fatty acyl-CoA) — ацил-КоА жирных кислот с очень длинной цепью.

Фермент каталаза, входящий в состав пероксисом, участвует (катализирует) в окислительно-восстановительных реакциях. Показано, что АФК представляют собой химические вещества, которые неизбежно образуются при использовании энергии для необходимых клеточных процессов. Они являются окислителями, поскольку в качестве таковых могут способствовать различным типам повреждения клеток, если их не поддерживать в относительно низких концентрациях. Тем не менее эти окислительные реакции жизненно важны для клеток всех органов. АФК могут быть вредными, но игнорировать молекулы, служащие их предшественниками, невозможно. Поэтому важно изучение того, как пероксисомы достигают баланса между выработкой необходимого количества АФК и выведением их избытка и ферментов, которые их продуцируют, прежде чем они поднимутся до уровней, которые могут принести больше вреда, чем пользы клетке в целом и пероксисоме в частности.

Метаболическая функция пероксисом, заключающаяся в окислении жирных кислот, практически повсеместна среди всех видов клеток. Установлено, что пероксисомные и митохондриальные системы β-окисления служат разным целям, катализируя окисление различных типов жирных кислот, и установлена уникальная роль пероксисом в их гомеостазе [2, 13, 22—24].

Фермент оксидаза D-аминокислот играет важную роль в метаболизме микроорганизмов, а также в утилизации эндогенных D-аминокислот, регулируя работу нервной системы.

Показана роль пероксисом в клеточном метаболизме и идентификации связывающих белков, необходимых для приведения пероксисом в тесный контакт с другими органеллами с целью переноса метаболитов из одной органеллы клетки в другую. Установлено, что пероксисомы органоспецифичны и в различных органах играют дифференцированные роли, а также они чрезвычайно важны в противовирусной сигнализации и в цикле заражения различными вирусами [2]. Роль пероксисом в клеточном противовирусном ответе стала ясна после открытия того, что митохондриальные противовирусные сигнальные белки (mitochondrial antiviral signaling protein — MAVS) локализуются не только в митохондриях и митохондриально-ассоциированных мембранах, но и в пероксисомах [2, 25—27]. Пероксисомы признаны ключевыми сигнальными компонентами в клеточном противовирусном иммунитете. В ответ на вирусные инфекции клетки-хозяева активируют мощную сеть сигнальных процессов, которые приводят к экспрессии интерферонов (IFN), генов, стимулируемых IFN (ISG), и провоспалительных цитокинов, которые подавляют репликацию вируса и ограничивают инфекцию. Этот противовирусный ответ запускается посредством распознавания различных молекулярных паттернов, ассоциированных с патогеном (pathogen-associated molecular patterns — PAMPs), набором мембраносвязанных или цитоплазматических рецепторов хозяина, распознающих эти паттерны (pattern-recognition receptors — PRR) [28]. В зависимости от вируса и распознананных PAMPs инфекция может активировать передачу сигналов с Toll-подобных рецепторов (TLR), цитозольных ДНК-сенсорных сигналов и/или цитозольных РНК-сенсорных сигналов [28].

Вирусы обладают огромной способностью мутировать и приспосабливаться к клеточным реакциям. Поэтому неудивительно, что некоторые вирусы имеют специальные механизмы, направленные на подавление пероксисомозависимого противовирусного ответа. Есть вирусы, которые включают нацеливание вирусных белков на мембрану пероксисом и последующее вмешательство в дальнейшие сигнальные процессы, в то время как другие включают специфическую модуляцию биогенеза и/или метаболизма пероксисом. Некоторые из этих процессов включают вирусные белки, которые влияют как на пероксисомную, так и на митохондриальную передачу сигналов MAVS, но специфические механизмы, задействованные в этих двух органеллах, не всегда одинаковы, и необходимы дальнейшие исследования этих сложных механизмов взаимодействия.

Вирусы для воспроизведения и размножения полностью зависят от механизмов репликации в клетках хозяина. При заражении вирусный геном реплицируется, транскрибируется и транслируется в вирусные белки, которые затем собираются вместе с геномом и другими вирусными компонентами в новые вирусные частицы. Некоторые вирусы также приобретают липидную оболочку, полученную из мембран органелл клетки-хозяина или плазматической мембраны. На протяжении этих различных фаз вирусы активно модулируют метаболизм клетки-хозяина в своих собственных интересах, и в зависимости от вируса используются специфические органеллы клетки-хозяина, способствующие правильному образованию новых вирусных частиц и распространению инфекции на соседние клетки. Показано, что важную роль в вирусных инфекциях играют пероксисомы, а различные вирусы модулируют биогенез и метаболизм пероксисом, способствуя образованию вирусных частиц и плавному течению их жизненного цикла. Так, заражение цитомегаловирусом (ЦМВ) вызывает повышение регуляции экспрессии Pex3, Pex16, Pex13 и Pex14 и снижение вирусных титров при подавлении Pex3. Кроме того, инфекция ЦМВ увеличивает количество пероксисом и изменяет морфологию органелл, в основном на поздних стадиях инфекции. Усиление биогенеза пероксисом сопровождается активацией их метаболических функций, в основном связанных с увеличением продукции плазмалогенов, необходимых для сборки вириона ЦМВ. Показано, что инфекция ЦМВ перестраивает метаболизм клетки хозяина, что приводит к увеличению синтеза VLCFA, необходимых для производства инфекционных вирусных частиц, а содержащийся в ЦМВ антиапоптотический белок vMIA отвечает за ингибирование сигнализации MAVS на уровне пероксисом и митохондрий.

Таким образом, вызывает интерес вопрос: может ли стимуляция пероксисомного β-окисления VLCFA или ингибирование удлинения жирных кислот для снижения концентрации VLCFA действовать как стратегия борьбы не только с ЦМВ, но и с другими вирусами, которые демонстрируют эту зависимость?

Инфицирование вирусом простого герпеса 1-го типа (HSV-1) также приводит к увеличению числа пероксисом и изменению морфологии органелл, в основном на поздних стадиях инфекции. HSV-1 также способен ограничивать пероксисомную сигнализацию MAVS через свой белок VP16, хотя конкретный механизм еще предстоит изучить.

Увеличение числа пероксисом и изменение их метаболизма для поддержания инфекции и установления латентного состояния в инфицированных клетках также отмечено при латентной инфекции вирусом Эпштейна—Барр (ВЭБ).

РНК-содержащий вирус гепатита C (HCV) приводит к нарушению метаболизма пероксисом и внутриклеточному накоплению VLCFA, что согласуется с образованием внутрипеченочных липидных капель, которые необходимы для сборки вирусных частиц. Кроме того, HCV расщепляет пероксисомный MAVS.

Необходимы дальнейшие исследования, чтобы выявить причину таких различных пероксисом-зависимых реакций на IFN, они могут отражать адаптацию к различным инфекционным факторам, клеткам и/или тканям. Необходимы также дополнительные исследования для определения общих и отличных друг от друга путей, активируемых пероксисомным и митохондриальным MAVS, а также специфических фрагментов органелл, которые определяют наблюдаемые различия.

Особенно важную роль пероксисомы играют в нервных клетках, в том числе в головном мозге. Пероксисомы служат местом синтеза плазмалогенов, представляющих собой особый тип молекул эфирных глицерофосфолипидов, которые включены в плазматические мембраны клеток определенных тканей, в том числе тканей сердца и нейронов центральной нервной системы. Плазмалогены являются ключевым компонентом миелина, который необходим для нормальной передачи нервных импульсов. Повреждение миелина может привести к таким заболеваниям, как рассеянный склероз и боковой амиотрофический склероз [2].

Основными центрами детоксикации в организме являются печень и почки. Эти органы характеризуются высокой плотностью химических реакций и сопутствующим высоким накоплением потенциально вредных продуктов жизнедеятельности. В почках особый фермент AGXT (alanine-glyoxylate aminotransferase), обычно встречающийся в пероксисомах, помогает предотвратить образование почечных конкрементов.

Помимо своей деградационной роли система пероксисомного β-окисления также имеет биосинтетическую роль. Это особенно касается биосинтеза полиненасыщенной докозагексаеновой жирной кислоты, а также биосинтеза первичных желчных кислот — холевой (ХК) и хенодезоксихолевой (ХДХК), на которые приходится 70% состава желчи, имеющей решающее значение для правильного усвоения в желудочно-кишечном тракте жиров, жирорастворимых витаминов и веществ, которые легко растворяются в жирах, таких как витамин В₁₂ [2].

Синтез ХК и ХДХК в печени в качестве конечных продуктов метаболизма холестерина включает участие нескольких ферментов, локализованных в различных субклеточных компартментах, включая пероксисому. Промежуточные продукты синтеза желчных кислот — дигидроксихолестановая (ДГХК) и тригидроксихолестановая (ТГХК) кислоты образуются из холестерина посредством сложной серии ферментативных реакций, активируются до эфиров ДГХК-КоА и ТГХК-КоА в ЭПР, а затем перемещаются в пероксисомный матрикс. Попав внутрь пероксисомы, эфиры ДГХК-КоА и ТГХК-КоА подвергаются одному раунду β-окисления, тем самым образуя трехуглеродную единицу пропионил-КоА плюс ХДХК-КоА и ХК-КоА соответственно. Впоследствии ХДХК-КоА и ХК-КоА подвергаются амидированию и фрагмент КоА в этих эфирах заменяется либо таурином, либо глицином для образования тауро-/гликохенодезоксихолевой кислоты и тауро-/гликохолевой кислоты. Фермент, катализирующий эту реакцию, — это желчная кислота-CoA: ацилтрансфераза аминокислот, которая является истинным пероксисомным ферментом. После экспорта из пероксисомы тауро- и гликоконъюгаты ХДХК и ХК выводятся из гепатоцита и попадают в желчь [2, 22].

В то время как пероксисомы, присутствующие в различных клетках и тканях человека, способны окислять жирные кислоты и синтезировать эфирные липиды, только печеночные пероксисомы катализируют синтез желчных кислот и детоксицируют глиоксилат в глицин [1].

Таким образом, пероксисомы участвуют в реакциях образования и разложения жирных кислот, желчных кислот, холестерина. Они также могут выполнять функции окисления различных органических веществ. Содержащиеся в пероксисомах ферменты помогают разлагать материалы, извлекаемые пероксисомой из окружающей цитоплазмы, в том числе отходы бесчисленных метаболических реакций, которым клетка подвергается в любой момент для продолжения самого процесса жизни [2].

Правильное функционирование пероксисом в метаболизме требует согласованного взаимодействия с другими субклеточными органеллами, включая митохондрии, лизосомы, ЭПР, липидные капли и цитозоль. Метаболический альянс между пероксисомами и другими органеллами требует активного участия связывающих белков для физического сближения органелл, тем самым достигая эффективной передачи метаболитов [2]. При взаимодействии пероксисом с липидными каплями происходит перенос жирных кислот из липидных капель в пероксисомы [23]. Контакт лизосомы с пероксисомой катализирует перенос холестерина из лизосомы в пероксисому [24]. Очень длинноцепочечные жирные кислоты происходят не только из липидных капель и лизосом, но и из ЭПР, где они синтезируются путем удлинения цепи более короткоцепочечных жирных кислот. А взаимодействие пероксисом с ЭПР способствует переносу этих жирных кислот в пероксисомы путем объединения этих двух органелл.

В то время как взаимодействие пероксисом с липидными каплями, ЭПР и лизосомами важно с точки зрения ввода субстратов в пероксисому для β-окисления, взаимодействие с митохондриями имеет решающее значение для вывода конечных продуктов пероксисомного β-окисления. Кроме того, митохондрии содержат MAVS, который активируется путем взаимодействия с рецепторами, подобными ретино-индуцируемому гену I (RIG-I), такими как RIG-I и MDA5, которые перемещаются к этим органеллам после распознавания вирусной РНК в цитоплазме инфицированной клетки. Активированный MAVS запускает серию дальнейших сигнальных процессов, кульминацией которых является выработка интерферонов (IFNs) и генов, стимулируемых IFN (IFN-stimulated genes — ISG) [6].

Не так много известно о сигнальных процессах, инициируемых пероксисомными MAVS. Однако между этими двумя процессами выявлены ключевые различия в их кинетике и конечных продуктах. Показано, что в то время как пероксисомные MAVS активируют быструю, но кратковременную, независимую от IFN I типа экспрессию ISG, митохондриальные MAVS запускают замедленную, но устойчивую продукцию ISG, которая зависит от IFN I типа [25]. Кроме того, пероксисомы идентифицированы как ключевые сигнальные компоненты, с помощью которых стимулируется экспрессия IFNs III типа — класса IFNs, играющих тканеспецифическую роль в противовирусном иммунитете [26]. Сообщалось об экспрессии IFNs как I типа, так и III типа при передаче сигналов пероксисомным MAVS [27].

Пероксисомы и болезни

Важность пероксисом для здоровья человека подтверждается существованием группы обычно тяжелых заболеваний, вызванных нарушением одной или нескольких пероксисомных функций (рис. 4).

Рис. 4. Влияние пероксисом на функции организма и возможные пероксисомные нарушения [2].

ПНЖК — полиненасыщенные жирные кислоты; ROS — активные формы кислорода; RNS — активные формы азота.

Пероксисома участвует в катаболизме широкого спектра веществ, продуцирующихся в клетках различных органов в результате их жизнедеятельности. Поэтому нарушения функции пероксисом сопровождаются многочисленными нарушениями обмена веществ, а также аномалиями развития.

При нарушениях биогенеза пероксисом (НБП) обнаружена генетическая гетерогенность, включающая 14 групп комплементации, в том числе расстройства спектра Целлвегера и ризомелическую точечную хондродисплазию. Идентифицированы 14 генов, ответственных за нарушения пероксисомного биогенеза, которые называются генами пероксинов (PEX) (табл. 2). Пероксины подразделяются на три группы: 1) Pex3, Pex16 и Pex19, которые необходимы для сборки мембран пероксисом; 2) 10 пероксинов, которые необходимы для импорта матриксного белка; 3) различные изоформы Pex11, а именно Pex11a, Pex11β и Pex11y, которые участвуют в делении пероксисом вместе с динамино-подобным белком 1, фактором деления митохондрий (Mff) и митохондриальным белком деления 1 (Fis1) [29].

Таблица 2. Гены PEX, участвующие в биогенезе пероксисом и ответственные за расстройства, связанные с дефицитом пероксисом [29]

Примечание. * — температуро-чувствительный фенотип. ** — биогенез пероксисомной мембраны: нормальная сборка (+) или сборка нарушена (−). ДБР — детская болезнь Рефсума; НАЛД — неонатальная адренолейкодистрофия; РХДП — ризомелическая хондродисплазия; СЦ — синдром Целлвегера.

Однако, несмотря на идентификацию пероксинов, некоторые аспекты функционирования пероксисом остаются до конца не изученными. Биогенез, деление и созревание пероксисом посредством импорта белков в пероксисомный матрикс зависят от набора пероксиновых белков (Pex) [30]. Мутации в генах, кодирующих белки Pex, нарушают биогенез и функцию пероксисом и лежат в основе целого спектра клинических нарушений, известных как НБП, и образуют генетически гетерогенную группу аутосомно-рецессивно наследуемых заболеваний с генерализованным дефектом функционирования пероксисом из-за специфического дефекта в одном из процессов, участвующих в их биогенезе [29].

По сравнению с дефицитами одного фермента, при которых дефектны только одна или несколько специфических пероксисомных метаболических функций, НБП, которые возникают из-за дефекта в импорте белков в пероксисомную мембрану и/или матричного белка, обычно проявляются множественными дефектными пероксисомными функциями, что приводит к характерным нарушениям биохимических параметров, включая специфические профили метаболитов, которые можно использовать для лабораторной диагностики. У пациентов с НБП из-за дефекта деления пероксисом биохимические изменения часто минимальны или даже отсутствуют.

До сих пор не выявлено ни одного НБП из-за дефекта пексофагии. Однако сообщалось, что в клетках некоторых пациентов с синдромом Целлвегера индуцируется пексофагия, вероятно, для удаления нефункциональных пероксисом [13].

Как отмечено ранее, НБП делятся на два различных синдрома: спектр синдрома Целлвегера и спектр ризомелической точечной хондродисплазии (РТХД).

РТХД — это крайне редкое наследственное заболевание, вызванное нарушением способности синтезировать плазмалогены — винилэфирные мембранные фосфолипиды, которые играют важную роль в поддержании правильной структуры и функции клеточной мембраны. Сообщалось, что мутации в пяти генах, связанных с биосинтезом плазмалогена, лежат в основе ризомелической хондродисплазии. Наиболее распространенный вариант РТХД — это хондродисплазия 1-го типа, которая вызывается мутациями в гене PEX7, кодирующем рецептор Pex7, ответственный за импорт алкилглицеронфосфатсинтазы в пероксисому [2, 21]. Другие варианты заболевания вызваны мутациями в одном из трех генов, кодирующих пероксисомноактивные ферменты, которые выполняют начальные этапы в пути биосинтеза плазмалогена: глицерофосфат-O-ацилтрансферазу и редуктазу жирных спиртов 1 [2, 22, 31] (см. табл. 1) . Зарегистрирована специфическая мутация в гене PEX5 в двух семьях, и она классифицирована как RCDP5. Эта мутация привела к нарушению связывания Pex5 с рецептором Pex7, что вызвало проблемы в области распознающего белка, то есть с пероксисомным нацеливанием [32]. Во всех случаях результатом этих мутаций является сильно сниженная способность синтезировать плазмалогены.

Отличительными характеристиками проявлений заболевания являются скелетная дисплазия, врожденная катаракта и значительная задержка роста и развития. Скелетная дисплазия включает проксимальное укорочение длинных трубчатых костей (ризомелия) и аномальную минерализацию пластин роста (точечная хондродисплазия), что приводит к ограниченной подвижности суставов. Корреляции между типом ризомелической хондродисплазии и фенотипической тяжестью заболевания не выявлено, однако существует прямая корреляция между фенотипической тяжестью и остаточными уровнями плазмалогенов в крови [2, 33—36]. Выживаемость пациентов сильно варьирует в зависимости от тяжести симптомов. Сообщалось, что около 75% людей доживают до пятидесятилетнего возраста [33], а смерть наступает вследствие проблем с дыханием [2].

Несмотря на знание генетических причин РТХД, информации о распространенности этого заболевания очень мало. Общепринятое значение распространенности составляет менее 1 на 100 тыс. новорожденных [37]. Наиболее часто идентифицируемым вариантом у пациентов с ризомелической хондродисплазией, включая многих гомозиготных пациентов, является мутация в гене PEX7, c.875T > A, p.Leu292Ter (rs1805137) [33, 37]. За исключением мутации в гене Pex7, лежащей в основе большинства случаев РТХД, большинство других мутаций в гене PEX приводят к генерализованной дисфункции пероксисом и фенотипу спектра синдрома Целлвегера (peroxisome biogenesis disorders — Zellweger syndrome spectrum, PBD-ZSS) [38]. Метаболические нарушения, возникающие при PBD-ZSS, часто влияют на развитие многих органов, включая мозг, печень, почки и мышцы.

Синдром Целлвегера является прототипом группы пероксисомных расстройств, которая в настоящее время включает более 20 различных нарушений, вызванных патогенными вариантами в более чем 30 различных генах. Описаны атипичные фенотипы этих фенотипических групп, то есть полный спектр этих расстройств еще предстоит выявить. Например, в клинических исследованиях описаны пациенты с PBD-ZSS, проявляющимися дефектами дифференцировки T-клеток [13, 39]. У пациентов выявлена гипоплазия тимуса и слабо развитые зоны, зависящие от T-клеток, во всех исследованных лимфатических узлах и селезенке. Один пациент болел сепсисом и умер через 7 мес от пневмонии. Сообщалось о новорожденном пациенте с PBD-ZSS, который умер от грамотрицательного молниеносного сепсиса [39]. У младенца было низкое общее количество лейкоцитов в крови, особенно нейтрофилов. Кроме того, описано клиническое исследование 2-месячного младенца с PBD-ZSS, у которого наблюдались лимфопения, атрофия тимуса и несколько рецидивирующих оппортунистических инфекций [40].

Описанные случаи демонстрируют наличие связи между функцией пероксисом и развитием и функционированием иммунных клеток; неблагоприятные прогнозы у пациентов с PBD-ZSS частично являются следствием дефектного развития иммунитета, что приводит к инфекционным респираторным заболеваниям и сепсису.

Проанализирована роль пероксисом в гемопоэзе при тяжелых нарушениях, связанных с PBD-ZSS. Появились данные, подтверждающие гипотезу о том, что пероксисомы являются органеллами иммунометаболизма и что их активность может регулировать различные аспекты иммунитета в норме и при заболеваниях [3, 13]. В моделях на животных показано, что эфирные липиды, полученные из пероксисом, необходимы для развития и функции нейтрофилов [4]. Эти данные могут частично объяснить, почему у некоторых пациентов с PBD-ZSS наблюдается нейтропения. Сообщалось также, что для образования, дифференцировки и созревания в тимусе инвариантных естественных киллерных Т-клеток (iNKT) необходимы эфирные липиды [41]. Как указывалось выше, пероксисомы непосредственно связаны с фагоцитозом [5], а также с высвобождением цитокинов [6—9] и продукцией иммуноглобулина М (IgM) В-клетками [10].

В исследованиях на животных показано, что мыши PEX2–/– несут инсерционную или делеционную мутацию в гене, кодирующем Pex2, убиквитинлигазу [13], которая в случае мутации влияет на импорт пероксисомных ферментов в матрикс, что приводит к НБП [29]. Ранее описана мышь PEX2–/–, которая продемонстрировала классические фенотипы развития нервной системы, характерные для PBD-ZSS. Более того, сообщалось, что макрофаги, полученные из костного мозга при мутациях в гене PEX2–/–, демонстрируют дефекты фагоцитоза и секреции воспалительных цитокинов при стимуляции патогенами [8].

Таким образом, как клинические исследования, так и исследования на животных моделях позволяют предположить, что иммунные нарушения могут быть характерной чертой PBD-ZSS.

Печень является основным кроветворным органом во время внутриутробного развития плода и резервуаром для выработки иммунных клеток в течение почти недели после рождения [42, 43]. Исходя из этого с целью изучения дефектов кроветворения, вызванных дефицитом пероксисом, которые могут лежать в основе наблюдаемых иммунных нарушений, связанных с PBD-ZSS, проведено исследование развития иммунных клеток в печени с использованием секвенирования одноклеточной РНК (scRNAseq). При этом показано, что у мышей с PBD-ZSS в результате мутации в гене PEX2–/– имеются дефекты кроветворения, обнаруживаемые в миелоидных и лимфоидных клетках. Кроме того, показано, что метаболизм пероксисом необходим для активации протеинкиназы Cd, которая для эффективной презентации антигена CD4⁺ Т-лимфоцитам стимулирует поверхностную экспрессию антигенов основного комплекса гистосовместимости класса II (MHC класса II) на дендритных клетках. Это исследование определяет иммунометаболические требования к пероксисомам в дендритных клетках и регуляции презентации антигена, что также имеет значение для активации адаптивного иммунитета [13].

Таким образом, определена потребность в пероксисомах для развития гемопоэза и показано, что тяжелые формы PBD-ZSS представляют собой нарушение кроветворения в печени новорожденных.

Характеристика иммунного ландшафта печени при PBD-ZSS на мышиной модели с мутацией в гене PEX2–/– предполагает, что метаболические дисфункции, возникающие из-за сбоя биогенеза пероксисом, вызывают дефекты дифференцировки в иммунной системе детей с PBD-ZSS [13].

За последние 30 лет в нескольких клинических случаях описаны иммунные дефекты в специфических иммунных клетках у молодых пациентов с PBD-ZSS, которые не несли мутации в генах, связанных с иммунодефицитами [13, 39, 44]. Известно, что многие другие метаболические заболевания вызывают иммунологические дефекты: дефицит аденозиндезаминазы приводит к тяжелым комбинированным иммунодефицитам, а семейный гемофагоцитарный лимфогистиоцитоз вызван изменениями в молекулярных механизмах, участвующих в процессах транспорта везикул и перемещения мембран [13, 41, 45]. Однако показано, что пероксисомы необходимы для развития иммунной системы, и с этой точки зрения не следует недооценивать связь между первичными иммунодефицитами и нарушениями обмена веществ [13]. Кроме того, в многочисленных исследованиях сообщалось, что пероксисома или ее метаболиты контролируют различные функции иммунных клеток и передачу сигналов в ответ на микробные стимулы, такие как фагоцитоз, TLR-опосредованная секреция цитокинов [7, 8], активация MAVS, активность 13 NF-κB и передача сигналов Rho GTPase [3, 8]. Изменение этих сигнальных процессов связано с развитием иммунных нарушений [46—48].

Важность пероксисом в физиологии человека подтверждается существованием группы генетических заболеваний, при которых наблюдается нарушение или дефицит одного пероксисомного фермента, либо НБП, т.е. расстройств спектра Целлвегера.

Учитывая все сказанное выше, а также то, что характеристика пероксисомных заболеваний является неполной, всем пациентам с предполагаемыми или доказанными пероксисомными нарушениями следует проводить иммунофенотипирование, чтобы определить стратегии улучшения состояния при PBD-ZSS. Клиническое исследование, в котором сообщалось об использовании аллогенной трансплантации гемопоэтических стволовых клеток для лечения PBD-ZSS, показало, что она эффективна для снижения уровня VLCFA в сыворотке крови и облегчения симптомов заболевания у детей, но в течение кратковременного наблюдения [49].

Аллогенная трансплантация гемопоэтических стволовых клеток также использовалась для лечения Х-сцепленной адренолейкодистрофии. Показано, что она обладает хорошей долгосрочной эффективностью в повышении выживаемости пациентов, если применяется на ранней стадии заболевания. Считается, что долгосрочные преимущества аллогенной трансплантации гемопоэтических стволовых клеток при Х-сцепленной адренолейкодистрофии обусловлены заменой миелоидных клеток донорского происхождения [50], что подтверждает важность выявления и устранения иммунных дефектов при PBD-ZSS.

Печень на 0-й день после рождения представляет собой резервуар клеток, находящихся на разных стадиях развития и плюрипотентности. Это согласуется с данными о том, что печень остается центральным органом для созревания иммунных клеток после рождения [43], поскольку другие участки развития иммунных клеток апластичны в течение первой недели жизни, и что иммунная система новорожденных может полагаться на альтернативные органы для завершения созревания. Окружающая среда печени получает первичные антигены из желудочно-кишечного тракта [51, 52]. Анализ групп иммунных клеток селезенки у мышей дикого типа (WT) с мутациями в гене PEX2–/– на 0-й день после рождения методом проточной цитометрии выявил серьезные дефекты кроветворения, связанные с мутациями гена PEX2. Эти дефекты были распространены среди циркулирующих популяций. Сообщалось, что немногие мыши с мутациями в гене PEX2–/– могли дожить по крайней мере до 10-го дня после рождения [13], они умирали на 0—1-й день после рождения. Предполагается, что разница может быть обусловлена различиями в окружающей среде, вызванными разными животноводческими помещениями [52]. Но это может стать стратегическим объектом для поддержания развития иммунологической реактивности новорожденного на тот период, пока костный мозг и селезенка постепенно заменяют эту функцию [51, 53].

Однако дефекты экспрессии гена MHC класса II в дендритных клетках костного мозга, который является маркером дифференцировки, не удалось устранить in vitro. Это позволяет предположить, что некоторые процессы дифференцировки клеток постоянно нарушаются и зависят от пероксисом автономным от клеток образом.

Заключение

За последние десятилетия проведено много исследований, касающихся роли пероксисом в здоровье и болезнях человека. В то же время очевидно, что современное состояние знаний о пероксисомах все еще остается неполным. Недостаточно изученным остается протеом пероксисом человека. Технологические разработки, позволяющие получать различные типы клеток человека из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, полученных из первичных клеток, таких как культивируемые фибробласты и клетки крови, в сочетании с новыми, гораздо более чувствительными методами протеомного анализа, несомненно, приведут к идентификации новых пероксисомных белков и до сих пор неизвестных их функций. Это тем более актуально, что за последние несколько лет область метаболомного анализа значительно продвинулась вперед. Знания, полученные в результате этих исследований, также будут иметь ключевое значение для понимания роли пероксисом в различных тканях.

Несомненно, актуальным является дальнейшее изучение роли пероксисом при вирусных инфекциях. Вирусы подавляют биогенез и метаболизм пероксисом, препятствуя клеточному противовирусному ответу на ранних стадиях инфекции, но стимулируют его усиление на более поздних стадиях. Чтобы разобраться во всех сложных деталях, представлены важные доказательства, которые могут привести к разработке новых методов лечения, связанных с пероксисомами. Результаты исследований о влиянии пероксисом на течение вирусных инфекций подтверждают предположение о том, что модуляция пероксисом может привести к разработке инновационных противовирусных стратегий широкого спектра действия.

В совокупности исследования пероксисом стремительно развиваются и, несомненно, принесут новую захватывающую информацию, включая новые функции пероксисом, имеющие отношение к здоровью и болезням человека.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.