XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Среди всех форм оксистеролов наиболее активны 25-гидрооксистерол, который образуется в гепатоцитах и макрофагах под действием холестерол-25-гидроксилаза. Также можно выделить и такие формы как 27-гидрооксистерол, 24-гидрооксистерол, обнаруженный в мозге, 24,25-эпоксистерол, синтезируемый из холестерина ферментным комплексом. Данные оксистеролы являются наиболее активными и участвуют в процессах пролиферации клеток, агрегации тромбоцитов, поддержание гомеостаза липидного обмена, в воспалительных реакциях, а также в реакциях апоптоза. Известны также и сульфатированные формы оксистеролов, в частности наиболее известными и важными являются 25-гидроксихолестерол-3сульфат и 5-холестен-3 бетта, 25-диол-дисульфат, которые были идентифицированы в организме человека (ядра гепатоцитов и сыворотка крови). Именно эти молекулы играют важную роль в эпигенетической модификации.

Известна роль 25-гидроксихолестерола в накоплении липидов в гепатоцитах, и как следствие, развитие неалкогольного жирового заболевания печени (НАЖБП). Происходит это за счет того, что 25-гидроксихолестерол регулирует избыток ацетил-КоА для синтеза липидов в качестве накопления энергии. Это связано с тем, что когда концентрация АТФ достигает высоких значений, то избыток ацетил-КоА идет на синтез холестерина и оксистерола 25-гидроксихолестерола. Он в свою очередь индуцирует биосинтез жирных кислот и триглицеридов. Интересно, что сульфатированный 25-гидроксихолестерол является как бы антагонистом в функциональном плане, который, наоборот, подавляет биосинтез ТАГ и холестерина в гепатоцитах, за счет снижения уровня ядерного белка LXRa, который играл ключевую роль в синтезе, а также за счет снижении экспресси ряда генов, участвующих в данном процессе.

Была установлена также роль 25-гидроксихолестерола в функционировании иммунной системы. Данный оксистерол подавляет выработку иммуноглобулинов, но индуцирует при это экспрессию одного из первых воспалительных цитокинов: интерлейкина-8. Сама молекула 25-гидроксихолестерола ограничивает проникновение вирусов в клетку, за счет ингибирования реакции слияния вирусных молекул с мембраной.

Функции 25-гидроксихолестерола и 25-гидроксихолестерола-3 сульфата в глобальной регуляции указывают на то, что они являются эпигенетическими регуляторами, имея при это антагонистическое отношение. Данные молекулы являются лигандами фермента ДНК-метилтрансферазы, который в свою очередь катализирует реакцию метилирования цитизина в 5 положении в промоторных областях ДНК, за счет этого регулируется экспрессия генов, который играют важную роль в метаболизме, функционировании тканей, и на общее метаболическое состояние организма. Исследования показали, что 25-гидроксихолестерола специфически ускоряет фермент до 8 раз, а, например, 25-гидроксихолестерол-3сульфат наоборот инактивирует ДНК-метилтрансферазу. Таким образом можно сделать вывод, что 25-гидроксихолестерол и 25-гидроксихолестерол-3 сульфат новые эндогенные регуляторные клеточные молекулы, которые эпигенетически регулируют липидный обмен, выживаемость / гибель клеток и воспалительные реакции с помощью метилирования, деметилирования ДНК.

Полученные исследования указывают, что эпигенетическая модификация ответственна за развитие метаболического синдром, в частности атеросклероза, ожирения НАЖБП и диабета 2 типа. Сульфатированный оксистерол наоборот деметилирует 5’- цитозин-фосфат-гуанин-3’. Ввиду того, что сульфатированная форма оксистерола противоположна по функции 25-гидроксихолестеролу, то есть она отвечает за снижение накопления липидов в гепатоцитах, подавлении воспалительных реакций, а также содействие в выживание клеток (в частности гепатоцитов), поэтому есть предположения о клинической полезности данной молекулы при лечении метаболических синдромах.

Были проведен исследования на мышиных моделях. Сначала ряду животных, имевших НАЖБП, вводили пероральным путём 10 или 50мг/кг 25-гидроксихолестерола-3 сульфата в течении 4-х недель. В результате получили значительное снижение развития заболевания. Далее мышей лечили после приобретения фиброза печени. При ежедневном пероральным введении 25-гидроксихолестерола-3 сульфата в течении 4-х недель наблюдалось значительное уменьшение фиброза печени, при этом рост гепатоцитов и экспрессию генов коллагена I и III. Также замечено, что введение данного вещества мышам с высокожировой диетой уменьшало накопление липидов в гепатоцитах, что в конечном счете улучшало сигнализацию инсулина и снижало инсулинорезистентность. Стоит отметить, что действие 25-гидроксихолестерола-3 сульфата в полной мере невозможно без содержания достаточного количества его антагониста - 25-гидроксихолестерола.

Гепатоциты одни из самых уникальных паренхиматозных клеток, так как они сохраняют способность к регенерации подобную стволовым клеткам. Данная особенность даёт возможность печени восполнять основную массу в случаях повреждений как физических, так и патологических. Факторы, регулирующие регенерацию гепатоцитов не были полностью идентифицированы, но исследования показывают особую роль 25-гидроксихолестерола-3 сульфата в процессах регенерации и выживаемости клеток печени. 25-гидроксихолестерола-3 сульфата способствует регенерации гепатоцитов, а также предотвращает апоптоз путём подавления экспрессии апоптических белков, а частности Apaf-1. При этом данная молекула способствует репликации печеночной ДНК. Данные исследования могут повлиять на применение в клинике данного вещества (в случае прохождение клинических испытаний), для оказания помощи в восстановление поврежденной печени.

Данная молекула довольно успешно проходила клинические испытания. При введении самых разнообразных доз 25-гидроксихолестерола-3 сульфата в течении 28 дней у различных видов животных, включая мышей, крыс, собак, приматов, не наблюдалось никаких побочных действий для всех доз не наблюдалось. Далее исследования проводились на здоровых добровольцах. 25-гидроксихолестерола-3 сульфата вводился разными способами (перорально, внутривенно), демонстрируя дозозависимое всасывание. Период полувыведения в плазме крови составил 1-3ч для любых видов введения. В итоге был сделан вывод, что25-гидроксихолестерола-3 сульфата хорошо переносился здоровыми добровольцами на всех уровнях дозы. Дальнейшее исследование проводилось с группой людей, имеющих нарушений функций печени. Как контрольные(здоровые), так и исследуемые (с заболеваниями) группы людей хорошо переносили препарат. Более того наблюдалось снижение некоторых биомаркеров, таких как полноразмерный и расщепленный цитокератин-18(маркер клеточной гибели и клеточного апоптоза), маркера и медиатора воспаления (IL—18). В итоге можно сделать вывод, что данный препарат имеет потенциал в терапии многих заболевай, связанных с липидным обменом и не только.

Многочисленные исследования данных веществ дают множество данных, которые человек сможет использовать в своих целях. Исследования 25-гидроксихолестерола-3 сульфата даёт возможность предполагать о появлении новых, эффективных, по сравнению с имеющимися на данный момент, методами лечения метаболических синдромов с помощью ядерного регулятора. Многие исследования данных веществ, которые ещё, конечно, будут проводиться, указывают на большой потенциал сульфатированных оксистеролов в содействии восстановления метаболизма, или в использовании данных веществ для предотвращения и/или лечения органной недостаточности, за счет активирования пролиферации.

The role of 25-hydroxycholesterol and 25-hydroxycholesterol 3-phosphate in metabolic processes.

Boldyrev D.E.

Orenburg State University, Orenburg, e-mail: [email protected]

Oxysterols are the oxidized form of cholesterol. As a rule, in the body, oxysterols are intermediates in the reactions of biosynthesis of steroid hormones, bile acids and vitamin D. According to their function, it was long believed that they are ligands of nuclear receptors, where they play an important role in lipid homeostasis and in the immune system, where they were assigned a role in the participation of transcriptional and post-transcriptional processes. But to date, information has appeared that a number of oxysterols are regulators of important cellular processes, in addition to maintaining lipid homeostasis, in response to stress signals using epigenetic modification.

Keywords: 25-hydroxycholesterol, 25-hydroxycholesterol 3-phosphate, epigenetic regulators.

Among all forms of oxysterols, the most active is 25-hydroxysterol, which is formed in hepatocytes and macrophages under the action of cholesterol-25-hydroxylase. It is also possible to isolate such forms as 27-hydroxysterol, 24-hydroxysterol found in the brain, 24,25-epoxysterol, synthesized from cholesterol by an enzyme complex. These oxysterols are the most active and are involved in the processes of cell proliferation, platelet aggregation, maintenance of lipid metabolism homeostasis, in inflammatory reactions, as well as in apoptosis reactions. Sulfated forms of oxysterols are also known, in particular, the most famous and important are 25-hydroxycholesterol-3 sulfate and 5-cholestene-3 betta, 25-diol-disulfate, which have been identified in the human body (hepatocyte nuclei and blood serum). It is these molecules that play an important role in epigenetic modification.

The role of 25-hydroxycholesterol in the accumulation of lipids in hepatocytes is known, and as a consequence, the development of non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). This is due to the fact that 25-hydroxycholesterol regulates the excess of acetyl-CoA for lipid synthesis as energy storage. This is due to the fact that when the concentration of ATP reaches high values, the excess of acetyl-CoA goes to the synthesis of cholesterol and oxysterol 25-hydroxycholesterol. It, in turn, induces the biosynthesis of fatty acids and triglycerides. Interestingly, sulfated 25-hydroxycholesterol is, as it were, a functional antagonist, which, on the contrary, suppresses the biosynthesis of TAG and cholesterol in hepatocytes, by reducing the level of the nuclear protein LXRa, which played a key role in synthesis, as well as by reducing the expression of a number of genes participating in this process.

The role of 25-hydroxycholesterol in the functioning of the immune system has also been established. This oxysterol inhibits the production of immunoglobulins, but induces the expression of one of the first inflammatory cytokines: interleukin-8. The molecule of 25-hydroxycholesterol itself limits the penetration of viruses into the cell by inhibiting the fusion reaction of viral molecules with the membrane.

The functions of 25-hydroxycholesterol and 25-hydroxycholesterol-3 sulfate in global regulation indicate that they are epigenetic regulators with an antagonistic relationship. These molecules are ligands of the enzyme DNA methyltransferase, which in turn catalyzes the methylation reaction of cytisine in the 5th position in the promoter regions of DNA, thereby regulating the expression of genes that play an important role in metabolism, tissue functioning, and the general metabolic state of the body. Studies have shown that 25-hydroxycholesterol specifically accelerates the enzyme up to 8 times, and, for example, 25-hydroxycholesterol-3sulfate, on the contrary, inactivates DNA methyltransferase. Thus, we can conclude that 25-hydroxycholesterol and 25-hydroxycholesterol-3 sulfate are new endogenous regulatory cell molecules that epigenetically regulate lipid metabolism, cell survival / death and inflammatory reactions through methylation, DNA demethylation.

These studies indicate that epigenetic modification is responsible for the development of metabolic syndrome, in particular atherosclerosis, obesity, NAFLD, and type 2 diabetes. Sulfated oxysterol, on the other hand, demethylates 5'-cytosine-phosphate-guanine-3 '. Due to the fact that the sulfated form of oxysterol is opposite in function to 25-hydroxycholesterol, that is, it is responsible for reducing the accumulation of lipids in hepatocytes, suppressing inflammatory reactions, and also promoting the survival of cells (in particular hepatocytes), therefore there are assumptions about the clinical usefulness of this molecule in treatment of metabolic syndromes.

Studies have been conducted in mouse models. First, a number of animals with NAFLD were administered orally 10 or 50 mg / kg 25-hydroxycholesterol-3 sulfate for 4 weeks. As a result, a significant reduction in the development of the disease was obtained. The mice were further treated after acquiring liver fibrosis. With daily oral administration of 25-hydroxycholesterol-3 sulfate for 4 weeks, a significant decrease in liver fibrosis was observed, with the growth of hepatocytes and the expression of collagen I and III genes. It was also noted that administration of this substance to mice on a high-fat diet reduced lipid accumulation in hepatocytes, which ultimately improved insulin signaling and decreased insulin resistance. It should be noted that the effect of 25-hydroxycholesterol-3 sulfate is completely impossible without the presence of a sufficient amount of its antagonist - 25-hydroxycholesterol.

Hepatocytes are one of the most unique parenchymal cells, as they retain the ability to regenerate like stem cells. This feature makes it possible for the liver to replenish the bulk in cases of damage, both physical and pathological. The factors regulating hepatocyte regeneration have not been fully identified, but studies show a special role for 25-hydroxycholesterol-3 sulfate in the regeneration and survival of liver cells. 25-hydroxycholesterol-3 sulfate promotes the regeneration of hepatocytes, and also prevents apoptosis by suppressing the expression of apoptotic proteins, in particular Apaf-1. Moreover, this molecule promotes the replication of hepatic DNA. These studies may influence the use of this substance in the clinic (in the case of clinical trials), to assist in the restoration of damaged liver.

This molecule has passed clinical trials quite successfully. With the introduction of a wide variety of doses of 25-hydroxycholesterol-3 sulfate for 28 days in various animal species, including mice, rats, dogs, primates, no side effects were observed for all doses. Further studies were carried out on healthy volunteers. 25-hydroxycholesterol-3 sulfate was administered in a variety of ways (oral, intravenous), demonstrating dose-dependent absorption. The half-life in blood plasma was 1-3 hours for any type of administration. As a result, it was concluded that 25-hydroxycholesterol-3 sulfate was well tolerated by healthy volunteers at all dose levels. Further research was carried out with a group of people with liver dysfunctions. Both the control (healthy) and the studied (with diseases) groups of people tolerated the drug well. Moreover, there was a decrease in some biomarkers, such as full-length and cleaved cytokeratin-18 (a marker of cell death and cell apoptosis), a marker and mediator of inflammation (IL-18). As a result, we can conclude that this drug has potential in the treatment of many diseases associated with lipid metabolism and not only.

Numerous studies of these substances provide a lot of data that a person can use for his own purposes. Studies of 25-hydroxycholesterol-3 sulfate make it possible to suggest the emergence of new, effective, in comparison with currently available, methods of treating metabolic syndromes using a nuclear regulator. Many studies of these substances, which will of course still be conducted, indicate the great potential of sulfated oxysterols in helping to restore metabolism, or in using these substances to prevent and / or treat organ failure by promoting proliferation.

Код для цитирования: Скопировать