Uric acid and mitochondrial dysfunction: a review

Full Text

Список сокращений

АМФ – аденозинмонофосфат

АТФ – аденозинтрифосфат

АФК – активные формы кислорода

КДГ – ксантиндегидрогеназа

КОР – ксантиноксидоредуктаза

МК – мочевая кислота

НАДФН-оксидаза (NADPH-оксидаза – NOX) – никотинамидадениндинуклеотидфосфоксидаза

AKT/PKB – протеинкиназа B

AMPD2 – аденозинмонофосфат-дезаминаза 2

AMPK – аденозинмонофосфат-активируемая протеинкиназа

FoxO – белки подкласса O семейства Forkhead box

mTOR – мишень рапамицина млекопитающих

ULK1 – UNC-51-подобная киназа 1, активирующая аутофагию

Введение

Мочевая кислота (МК) – конечный продукт пуринового метаболизма у человека, образующийся при окислении гипоксантина и ксантина ксантиндегидрогеназой (КДГ) – одним из основных источников активных форм кислорода (АФК) [1]. МК для человека играет двойную роль – прооксидантную внутри клетки и антиоксидантную во внеклеточном пространстве [2]. Этот дуализм действия лежит в основе ее комплексного влияния на клеточные процессы. Около 80% МК синтезируется эндогенно (преимущественно в печени), а 20% поступает с пищей [3]. Факторами, влияющими на уровень МК, являются повышенная продукция и уменьшенная экскреция МК с почками и кишечником (в норме 2/3 МК выводится почками, 1/3 – через желудочно-кишечный тракт) либо их комбинация [4].

Митохондрии – ключевые органеллы клеточного энергетического метаболизма, продуцирующие более 90% аденозинтрифосфата (АТФ) посредством окислительного фосфорилирования. Они также вовлечены в метаболизм жирных кислот и кальция, апоптоз, генерацию АФК, реакцию на стресс и др. [5].

Митохондриальная дисфункция сопровождается нарушением окислительного фосфорилирования, снижением уровня АТФ, повышением уровня АФК, нарушением митофагии, развитием мутаций митохондриальной ДНК (мтДНК). Эти процессы тесно связаны с переходом метаболизма от окислительного фосфорилирования к гликолизу и наличием провоспалительного фенотипа [6]. МК – один из факторов риска развития митохондриальной дисфункции [2].

Эволюционная «стратегия выживания» и причина митохондриальной дисфункции – уриказа, фруктоза и МК

Несмотря на то что МК обладает внутриклеточными прооксидантными функциями, она для человека – важнейший антиоксидант плазмы крови, участвующий в элиминации более 2/3 свободных радикалов [супероксид-анион радикала, пероксинитрита, оксида азота (II)]. МК обеспечивает защиту окисления витамина C через образование хелатных комплексов с железом [2, 7]. У человека и приматов уровень МК в 3–10 раз выше (>2 мг/дл), чем у млекопитающих, обладающих функционально активной уриказой, из-за появления параллельных нонсенс-мутаций, приведших к псевдогенизации гена уриказы в эпоху раннего миоцена (~17 млн лет назад). Считается, что таким образом МК для некоторых приматов, включая человека, эволюционно стала более важным антиоксидантом взамен аскорбиновой кислоты и в некоторой степени компенсировала утрату эндогенной аскорбиновой кислоты, синтез которой прекратился (~61 млн лет назад) в результате мутации в гене L-гулонолактон-оксидазы [7]. На примере отдельных органов и систем этот антиоксидантный потенциал наиболее выражен в центральной нервной системе, уязвимой к окислительному стрессу. В частности, антиоксидантную функцию МК можно продемонстрировать на примере ряда исследований, показавших снижение риска развития нейродегенеративных заболеваний при повышении уровня МК [8].

Однако эволюционная роль МК не ограничилась антиоксидантной функцией. Повышение ее уровня оказалось тесно связано с метаболической адаптацией организма к неблагоприятным условиям, таким как недостаток пищи, воды и гипоксия. Центральным звеном этой эволюционной «стратегии выживания» стала фруктоза, являющаяся одним из важных источников МК [9].

Повышение уровня МК может происходить двумя путями: за счет экзогенного потребления фруктозы или в результате эндогенного синтеза через полиольный путь глюкозы. В частности, в условиях повышенного потребления сладких напитков на основе кукурузного сиропа, сахарозы (источников фруктозы), соленых и сладких продуктов (активирующих альдозоредуктазу полиольного пути) накапливается фруктоза, метаболизирующаяся преимущественно в печени и кишечнике с образованием фруктозо-1-фосфата при помощи фруктокиназы и АТФ [10, 11]. Это приводит к снижению уровней АТФ, неорганического фосфата и повышению уровня аденозинмонофосфата (АМФ), что активирует АМФ-дезаминазу 2 (AMPD2), превращающую АМФ в аммиак и инозинмонофосфат, позже метаболизирующийся при помощи КДГ в МК. Тем самым AMPD2 выполняет функцию эндогенного регулятора концентрации АМФ, одновременно приводя к увеличению концентрации МК. Ключевое следствие этих метаболических сдвигов – переход метаболизма в сторону запасания и ограничения потребления энергии [10].

Дальнейшее воздействие МК на клетку закрепляет этот метаболический сдвиг и напрямую ведет к митохондриальной дисфункции. МК ингибирует действие АМФ-зависимой протеинкиназы (AMPK), препятствуя увеличению продукции и расхода энергии в условиях энергетического дефицита. МК участвует в транслокации изоформы НАДФН-оксидазы (никотинамидадениндинуклеотидфосфоксидазы) – NADPH-оксидазы (NOX4) – в митохондрии, что усиливает продукцию АФК и оксидативный стресс, приводит к блокаде еноил-CoA-гидратазы (угнетению β-окисления жирных кислот) и аконитазы (угнетению цикла Кребса). Накапливается цитрат, транслоцирующийся в цитозоль, приводящий к активации АТФ-цитратлиазы с образованием ацетил-SKoA и синтазы жирных кислот с дальнейшим усилением липогенеза de novo. Соответственно, происходит переход с окислительного фосфорилирования на анаэробный гликолиз [10].

Интересно, что МК повышает экспрессию альдозоредуктазы полиольного пути синтеза эндогенной фруктозы, что уменьшает анаэробный гликолиз, переводит метаболизм глюкозы на эндогенную продукцию фруктозы и усиливает липидогенный эффект МК на клетки печени [12].

Таким образом, эволюционное значение метаболического пути фруктозы, AMPD2 и МК заключается в запасании и ограничении потребления энергии в условиях энергетического дефицита. Вторично это способствует развитию митохондриальной дисфункции через блокаду МК AMPK и последующему ограничению аутофагии, митофагии, активации НАДФН-оксидазы в митохондриях с накоплением АФК, усилением оксидативного стресса и сменой метаболического профиля с развитием ожирения и метаболического синдрома [13].

МК, оксидативный стресс и действие препаратов, снижающих уровень МК в сыворотке крови

АФК играют важную физиологическую роль в предотвращении инфекции, опосредовании клеточного сигналинга. Однако избыточное накопление АФК способствует окислению внутриклеточных белков, липидов, ДНК и приводит к клеточной гибели [14].

Внутриклеточно МК обладает прооксидантными свойствами. При гиперурикемии оксидативный стресс усиливается как напрямую за счет повышенной активности ксантиоксидоредуктазы (КОР) и экспрессии НАДФН-оксидазы, так и опосредованно через развитие митохондриальной дисфункции. Кроме того, МК способна непосредственно вызывать митохондриальную дисфункцию, независимо от окислительного стресса, через ингибирование AMPK и активацию Rho-киназы [15].

Ключевым ферментом, участвующим в образовании МК и сопутствующих АФК, является КОР, существующая в формах КДГ и ксантиноксидазы. Конверсия КДГ в ксантиноксидазу, усиливающаяся при гипоксии, воспалении, реперфузии, снижении никотинамидадениндинуклеотида (НАД+), увеличивает продукцию супероксид-аниона и перекиси водорода [16–18]. Важно отметить, что ингибирование КОР фебуксостатом, помимо ожидаемого снижения уровня МК, уменьшения активности NLRP3-инфламмасомы (NLRP3 – Nod-подобный рецептор, содержащий домен пирина 3) и секреции интерлейкина-1β, приводит к активации AMPK через гипоксантин-гуанин-фосфорибозилтрансферазу 1 (HPRT1) – путь реутилизации пуринов. Активация AMPK приводит к модулированию ключевых факторов транскрипции, таких как PGC-1α (коактиватор 1-α-рецептора, активируемого пероксисомным пролифератором пероксисом γ) и FoxO3a (FoxO – белки подкласса O семейства Forkhead box), подавлению экспрессии НАДФН-оксидаз и, как следствие, снижению окислительного стресса, обеспечивая восстановление клеточного энергообмена [19].

При сахарном диабете увеличена активность КОР в миокарде, что приводит к митохондриальной дисфункции. Это связано с повышением активности AMPD, метаболизирующей АМФ в инозинмонофосфат и далее в гипоксантин – субстрат КОР – для окисления в МК, что приводит к усиленной продукции АФК, повреждению митохондрий, нарушению транспорта Ca²⁺ и развитию диастолической дисфункции миокарда [20, 21].

Помимо образования АФК через КОР МК способна усиливать окислительный стресс посредством активации NOX [22]. При метаболических нарушениях, ассоциированных с гиперурикемией, активация NOX (в частности, изоформ NOX2 и NOX4) и последующая генерация АФК могут индуцировать дополнительную продукцию митохондриальных АФК, что формирует порочный круг усиления окислительного стресса, который способствует повреждению клеток и тканей, включая развитие почечной дисфункции [23]. Одним из ключевых молекулярных механизмов, опосредующих это взаимодействие между NOX и митохондриями, является следующий: АФК, продуцируемые эндотелиальными NOX4/NOX2, способствуют фосфорилированию и транслокации в митохондрии белка p66shc, который окисляет цитохром C (белок в дыхательной цепи) и способствует образованию H₂O₂, что угнетает функцию митохондрий [24].

МК индуцирует апоптоз через повышение экспрессии NOX4 и активацию митохондриального пути. Проапоптотический эффект МК в почечных клетках может быть снижен за счет использования ингибиторов URAT-1 – лозартана и пробенецида, что подтверждает важную роль интернализации МК внутрь клеток для обеспечения ее прооксидантного и проапоптотического эффекта [25]. МК также усиливает активность Rho-киназы через повышение экспрессии марганецзависимой супероксиддисмутазы 2 (MnSOD2), что ведет к усилению оксидативного стресса и апоптозу [26].

Приведенные данные подтверждают важную роль МК в развитии митохондриальной дисфункции через активацию КОР, НАДФН-оксидазы, Rho-киназы.

МК и аутофагия

Аутофагия – это катаболический процесс, направленный на переработку клеточных компонентов и поврежденных органелл в ответ на различные стрессовые факторы, такие как недостаток питательных веществ, вирусная инфекция и генотоксический стресс, для производства энергии и синтеза макромолекул в целях поддержания клеточного гомеостаза [27]. Аутофагия инициируется комплексом ULK1 (UNC-51-подобная киназа 1, активирующая аутофагию)/Atg1 [28].

Основным механизмом влияния гиперурикемии на аутофагию является действие через ключевые энергетические сенсоры – AMPK и mTOR (мишень рапамицина млекопитающих). МК активирует mTOR через RACα серин-треониновую протеинкиназу В (AKT/PKB) [29]. МК индуцирует фосфорилирование AKT и его субстрата – регуляторной субъединицы PI3K 40 (PI3K – фосфатидилинозитол-3-киназа) – PRAS40, что приводит к диссоциации последнего от регуляторно-ассоциированного белка mTOR (RAPTOR – регуляторный белок мишени рапамицина у млекопитающих) и активации mTOR [30]. Активированный mTOR ингибирует образование комплекса ULK1, снижая уровень аутофагии. Примечательно, что высокое соотношение АТФ/АМФ также активирует AKT и затем mTORC1, приводя к увеличению энергозатратных процессов, анаболизма, в то время как процесс аутофагии угнетен [31].

Важнейшим следствием гиперурикемии является ингибирование AMPK. AMPK регулирует белковый, жировой и углеводный обмен, аутофагию, митофагию и митохондриальный гомеостаз. В условиях недостатка глюкозы, гипоксии, оксидативного стресса нарушается окислительное фосфорилирование в митохондриях, снижается соотношение АТФ и АМФ, увеличивается содержание АМФ. АМФ активирует AMPK, которая фосфорилирует определенные ферменты, чтобы увеличить выработку АТФ и снизить потребление АТФ. Следовательно, усиливается катаболизм и подавляется анаболизм [32]. В норме АМФ-зависимая протеинкиназа (AMPK) ингибирует mTOR, что усиливает аутофагию в условиях энергетического дефицита. Однако МК в свою очередь ингибирует AMPK, снимая его тормозящее влияние на mTOR, что усугубляет подавление аутофагии в условиях гиперурикемии [33].

Следовательно, МК ослабляет аутофагию, активируя AKT-mTOR и ингибируя AMPK, что объясняется ограничением потребления энергии при гиперурикемии. Косвенно это подтверждается значением МК как биохимического маркера процесса запасания и ограничения потребления энергии (в том числе снижения аутофагии), эволюционно связанного с повышением уровня МК при увеличенном экзогенном или эндогенном поступлении фруктозы, влияющего на метаболизм жиров, углеводов, водный баланс и др. [9].

МК и ингибирование AMPK как интегральный механизм митохондриальной дисфункции

Как обсуждалось ранее, МК подавляет активность ключевого энергетического сенсора AMPK [34]. Рассмотрим, как это ингибирование AMPK формирует порочный круг митохондриальной дисфункции.

Существуют две изоформы AMPK: AMPKα1 и AMPKα2. AMPKα1 подавляет mTOR-сигнальный путь и снижает белковый синтез. AMPKα2 стимулирует катаболические процессы, увеличивая активность FoxO3, Atrogin-1, MuRF-1, регулирует работу митохондрий, активируя аутофагию и митофагию [34].

AMPK является главным регулятором аутофагии и митофагии через активацию ULK1 [35]. В норме AMPK активирует аутофагию и митофагию через ULK1 для компенсации дефицита энергетических субстратов и ограничения продукции АФК митохондриями. Однако при ингибировании AMPK МК этот защитный механизм нарушается, что приводит к накоплению поврежденных митохондрий, которые становятся основными источниками АФК. Митохондриальные АФК в физиологических условиях активируют AMPK, формируя отрицательную обратную связь для восстановления гомеостаза [36]. МК разрывает эту цепь, блокируя ключевой компенсаторный механизм.

Одновременно AMPK стимулирует биогенез митохондрий через коактиватор 1-α-рецептора, активируемого пероксисомным пролифератором пероксисом γ, рецептор, активируемый пероксисомным пролифератором γ (PPARγ), и рецептор, связанный с эстрогеном (ERR), для увеличения окислительной способности и повышения продукции АТФ [37]. Подавление этого пути приводит к снижению образования новых митохондрий и уменьшению общего окислительного потенциала клетки. Соответственно, клетка не только накапливает поврежденные митохондрии, но и теряет способность производить новые функциональные органеллы.

Ингибирование AMPK создает парадоксальную метаболическую ситуацию. В условиях, когда митохондрии не справляются с производством энергии, анаболизм остается активным. В норме AMPK угнетает работу mTORC1 через фосфорилирование регуляторного белка мишени рапамицина у млекопитающих и TSC2 [38]. Ингибирование AMPK снимает это торможение, что приводит к усилению активности mTOR даже в условиях энергетического дефицита. Кроме того, нарушаются ключевые метаболические пути, регулируемые AMPK: угнетается β-окисление жирных кислот, увеличивается синтез липидов de novo, подавляется вход глюкозы через переносчик GLUT4, уменьшаются гликолиз и гликогенолиз [39]. Этот метаболический дисбаланс еще больше усугубляет энергетический кризис и способствует развитию оксидативного стресса.

В рамках сигнального пути AMPK-SIRT1-FoxO AMPK повышает экспрессию транскрипционного фактора FoxO, что в свою очередь стимулирует деградацию внутриклеточных белков через убиквитин-протеасомный механизм и повышает антиоксидантную активность клетки за счет повышения экспрессии супероксиддисмутазы, каталазы, марганецзависимой супероксиддисмутазы [40]. Ингибирование этого пути МК нарушает клеточный протеостаз и блокирует ключевой механизм адаптации к окислительному стрессу, дополнительно усугубляя митохондриальную дисфункцию.

Следовательно, ингибирование AMPK МК не является изолированным эффектом, а представляет собой центральное звено, которое объединяет различные аспекты митохондриальной дисфункции: нарушение контроля качества митохондрий, снижение биогенеза митохондрий, метаболический дисбаланс и нарушение протеостаза. Данный механизм объясняет, как первоначальное воздействие МК на митохондрии усиливается и закрепляется на системном уровне, создавая порочный круг митохондриальной дисфункции.

Заключение

Таким образом, представлена эволюционно сформированная патогенетическая взаимосвязь между МК и митохондриальной дисфункцией. Эта адаптивная программа, изначально направленная на поддержание энергетического гомеостаза клетки в условиях энергетического дефицита, в современных условиях избыточного питания становится патологической: МК продолжает поддерживать запасание и ограничение потребления энергии, а митохондриальная дисфункция становится следствием этой длительной дезадаптации клеток к изменившимся условиям среды.

Ключевым механизмом данного процесса является ингибирование AMPK – основного регулятора клеточного энергетического гомеостаза. Подавление МК функции AMPK снижает аутофагию, митофагию, биогенез митохондрий, нарушает обмен жиров, углеводов, белков и способствует развитию оксидативного стресса.

Патологический процесс усугубляется за счет способности МК усиливать оксидативный стресс через активацию КОР, НАДФН-оксидаз и Rho-киназы. В результате формируется порочный круг: первичный оксидативный стресс способствует развитию митохондриальной дисфункции, что приводит к вторичному усилению оксидативного стресса через продукцию митохондриальных АФК.

Раскрытие интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Disclosure of interest. The authors declare that they have no competing interests.

Вклад авторов. Авторы декларируют соответствие своего авторства международным критериям ICMJE. Г.В. Григоренко – сбор, анализ и интерпретация данных, написание рукописи, одобрение финальной версии, согласие нести ответственность; В.В. Цурко – концепция и дизайн работы, научное руководство, критический анализ и редактирование, одобрение финальной версии, согласие нести ответственность.

Authors’ contribution. Authors’ contribution. The authors declare the compliance of their authorship according to the international ICMJE criteria. G.V. Grigorenko – data acquisition, analysis, interpretation, drafting the manuscript, final approval, accountability; V.V. Tsurko – conception and design, supervision, critical revision, final approval, accountability.

Источник финансирования. Авторы декларируют отсутствие внешнего финансирования для проведения исследования и публикации статьи.

Funding source. The authors declare that there is no external funding for the exploration and analysis work.

About the authors

Gavriil V. Grigorenko

Pirogov Russian National Research Medical University (Pirogov University)

Email: gvgrigoren@gmail.com
ORCID iD: 0009-0000-0886-2359

студент VI курса Института клинической медицины

Russian Federation, Moscow

Vladimir V. Tsurko

Pirogov Russian National Research Medical University (Pirogov University)

Author for correspondence.
Email: gvgrigoren@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8040-3704

д-р мед. наук, проф. Института клинической медицины

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files