Pharmacogenomics of hyaluronic acid

Full Text

Антивозрастная терапия и косметическая дерматология (медицинская косметология) — это области медицины, которые стремятся не только обеспечить профилактику и облегчить течение заболеваний, ассоциированных с процессами старения (терапия), но и улучшить восприятие хорошего самочувствия на лице (косметика). С этой позиции уместно обсудить фармакогеномику гликозаминогликана, называемого гиалуроновой кислотой (гиалуронан, или ГК), который стал сегодня самым популярным средством для внутрикожных инъекций с целью улучшения морщин и других косметических дефектов. ГК представляет собой простой линейный полимер, в котором простой дисахарид повторяется тысячи раз, тем самым создавая огромную гидрофильную молекулу, обеспечивающую большой объем гидратации и способствующую тургору и гибкости здоровой кожи [1]. ГК - это линейный гликозаминогликан, состоящий только из двух сахаров: β(1,3)-связанной D-глюкуроновой кислоты и β(1,4)-связанной N-ацетил-d-глюкозамина (рис. 1) [2]. Современная модель обмена ГК во всем организме выглядит следующим образом: ГК быстро расщепляется в тканях от крупных нативных молекул (1000-10 000 кДа) до фрагментов промежуточного размера (10-100 кДа) во внеклеточной среде [3]. Большинство фрагментов ГК дренируются в лимфатические сосуды и катаболизируются в лимфатических узлах. Оставшиеся фрагменты ГК поступают в кровоток и окончательно очищаются—преимущественно в печени, почках и селезенке [3].

 

Рис. 1. Молекулярные структуры (A) дисахаридной субъединицы ГК, (B) нативной полисахаридной цепи ГК и (C) поперечно-сшитой ГК, используемой для тканевой имплантации [4] / Fig. 1. Molecular structures of HA disaccharide subunit (A), native HA polysaccharide chain (B) and cross-linked HA (C) used for tissue implantation [4]

 

Примерно одна треть общего количества ГК в организме обновляется ежедневно, и кожа является самым крупным детерминантным органом для замещения ГК с метаболическим периодом полураспада 1-1,5 дня [3]. Таким образом, для этого оборота необходим точный контроль деградации и синтеза ГК, и считается, что он надежно уравновешивает количество высокомолекулярного ГК в тканях.

Старение клеток, тканей, органов организма тесно связано с обменом ГК и других гликозаминогликанов. Снижение концентрации ГК в процессе старения представляет клинический интерес. Во многих тканях организма снижается как количество, так и качество ГК, изменяется ее распределение между тканями.  Старение кожи — это многофакторный процесс, состоящий из двух различных и независимых механизмов: внутреннего и внешнего старения. Молодая кожа сохраняет свой тургор, упругость и эластичность, в том числе благодаря высокому содержанию воды. Внешнее старение кожи или «фотостарение», в отличие от естественного старения кожи, является результатом воздействия внешних факторов, в основном ультрафиолетового излучения. Гликозаминогликаны (ГАГ) и, особенно, ГК являются основными компонентами внеклеточного матрикса кожи, участвующими в восстановлении тканей, но участие ГК во внешнем старении кожи остается неясным [5]. Ежедневная внешняя травма, помимо обычного процесса старения, вызывает потерю влаги, а ключевой молекулой, участвующей в увлажнении кожи, является ГК, которая обладает уникальной способностью удерживать воду. Существует несколько участков для контроля синтеза, отложения ГК, ассоциации и деградации клеток и белков, что отражает сложность метаболизма ГК. Ферменты, которые синтезируют или катаболизируют ГК и рецепторы к ГК, ответственные за многие функции ГК, представляют собой мультигенные семейства с различными паттернами тканевой экспрессии. Понимание метаболизма ГК в различных слоях кожи и взаимодействия ГК с другими компонентами кожи облегчит способность рационально регулировать влажность кожи и замедлить процессы старения [6].

Cинтез гиалуроновой кислоты

ГК синтезируется классом встроенных мембранных белков, называющихся гиалуронан-синтазами, на внутренней поверхности плазматической мембраны. Они удлиняют молекулу ГК, поочерёдно присоединяя к исходному полисахариду ГК и N-ацетилглюкозамин, при этом экструдируя («выдавливая») цепи полимера через пористые структуры клеточной мембраны в межклеточное пространство [7, 8]. В 1996 году были идентифицированы три человеческих гена гиалуронансинтазы (HAS1, HAS2 и HAS3). Полученные аминокислотные последовательности показывают, что три изоформы имеют высокую степень гомологии (64,9–78,4%) и содержат предполагаемые каталитические сайты гликозилтрансферазы, семь предполагаемых областей, охватывающих мембрану, и UDP (уридиндифосфат)-связывающие мотивы [8]. Среди трех генов семейства HAS сообщалось, что HAS1 и HAS2 ответственны за выработку ГК в нормальных фибробластах кожи человека [9]. Обладая примерно одинаковой молекулярной массой около 63 кДа, они отличаются разной каталитической активностью и механизмами регуляции. Детальный молекулярный механизм инициации синтеза молекулы ГК выяснен совсем недавно [10]. В результате клеткой синтезируются фракции молекул ГК разного размера — от нескольких сотен килодальтон до нескольких миллионов дальтон. Каждой молекулярной фракции предназначена своя функциональная роль.

Ген HAS1, кодирующий гиалуронансинтазу 1, локализован на хромосоме 19q13.41, экзон 5 [11].  HAS1 является членом недавно идентифицированного семейства генов позвоночных, кодирующих предполагаемые гиалуронансинтазы, и его аминокислотная последовательность демонстрирует значительную гомологию с продуктом гена hasA Streptococcus pyogenes, гликозаминогликансинтетазой (DG42) из ​​Xenopus laevis и недавно описанной мышиной гиалуронансинтазой. Альтернативный сплайсинг приводит к множеству вариантов транскрипции. РНК-секвенирование, выполненное в образцах тканей 95 клинически здоровых людей, представляющих 27 различных тканей, с целью определения тканеспецифичности всех генов, кодирующих гиалуронансинтазу 1, продемонстрировали, что наиболее высокая экспрессия  HAS1 в аппендиксе (RPKM 1,7), яичнике (RPKM 1,2) и 14 других тканях (табл. 1).  Средний уровень экспрессии HAS1 в коже низкий и составляет 0,313 ± 0,089.

Ген HAS2, кодирующий гиалуронансинтазу 2, локализован на хромосоме 8q24.13, экзон 4 [12]. HAS2 является членом недавно идентифицированного семейства генов позвоночных, кодирующих предполагаемые гиалуронансинтазы, и его аминокислотная последовательность демонстрирует значительную гомологию с гликозаминогликансинтетазой (DG42) из ​​Xenopus laevis и гиалуронансинтазой 1 человека и мыши. Наиболее высокая экспрессия  HAS2  в аппендиксе (RPKM 7,0), желчном пузыре (RPKM 6,4), мочевом пузыре (RPKM 4,4) и других 18 тканях (табл. 2). Средний уровень экспрессии HAS2 в коже выше, чем HAS1, и составляет 1,178 ± 0,332.

Ген HAS3, кодирующий гиалуронансинтазу 3, локализован на хромосоме 16q22.1, экзон 8 [13]. Этот ген является членом семейства генов NODC / HAS. По сравнению с белками, кодируемыми другими членами этого семейства генов, этот белок, по-видимому, в большей степени является регулятором синтеза ГК. Альтернативный сплайсинг приводит к множеству вариантов транскрипции. Ген HAS3 имеет наиболее высокую экспрессию в мочевом пузыре (RPKM 19,2), легких (RPKM 12,8) и 24 других тканях (табл. 3). Средняя экспрессия HAS3 в коже (RPKM 4,67 ± 0,81) выше по сравнению с HAS1 и HAS2.

 

Рис. 2. Экспрессия HAS1 в коже и других тканях организма человека [11] / Fig. 2. Expression of HAS1 in the skin and other tissues of the human body [11]

 

Рис. 3. Экспрессия HAS2 в коже и других тканях организма человека [12] / Fig. 3. Expression of HAS2 in the skin and other tissues of the human body [12]

 

Рис. 4. Экспрессия HAS3 в коже и других тканях организма человека [13] / Fig. 4. Expression of HAS3 in the skin and other tissues of the human body [13]

 

Деградация гиалуроновой кислоты

Деградация ГК осуществляется семейством ферментов, называемых гиалуронидазами (HIAL). Три типа гиалуронидаз (HIAL1, HIAL2, HIAL3) человека расщепляют ГК на фрагменты различной молекулярной массы.  Одна из современных моделей деградации ГК заключается в том, что высокомолекулярная ГК захватывается на поверхности клеток CD44 (рецептором для ГК) и сначала деполимеризируется HYAL2 на фрагменты промежуточного размера. Затем промежуточные фрагменты ГК расщепляются до олигосахаридов внутри клеток лизосомальным HIAL1 под действием β-N-ацетил-глюкурозаминидазы и β-глюкуронидазы [14]. Все эти ферменты расщепляют цепь ГК в местах β-D-(GlcNAc)GalNAc-(1→4)-β-DglcA-связей. Время полураспада усредненной по массе молекулы ГК составляет от 1–30 недель в суставах до 1–2 дней в эпидермисе и дерме и всего 2–5 мин в кровотоке. Продукты разложения ГК (олигосахариды и крайне низкомолекулярные гиалуронаты) проявляют проангиогенные свойства. Кроме того, фрагменты ГК, в отличие от исходного высокомолеколекулярного полисахарида, способны индуцировать воспалительный ответ в макрофагах и дендритных клетках [15] при повреждениях тканей и отторжении трансплантированной кожи.

Гены, которые кодируют функционально активные гиалуронидазы, идентифицированы у множества организмов — от бактериофагов до человека [16]. У человека идентифицированы гены HYAL1, HYAL2, HYAL3 и HYAL4.

Ген HYAL1 локализован на хромосоме 3p21.31, экзон 6 [17]. Этот ген кодирует лизосомальную гиалуронидазу 1 типа, которая внутриклеточно разрушает ГК. Этот фермент активен при кислом pH и является основной гиалуронидазой в плазме. Мутации в этом гене связаны с мукополисахаридозом типа IX или дефицитом гиалуронидазы. Ген является одним из нескольких родственных генов в области хромосомы 3p21.3, связанных с подавлением опухоли. Для гена HYAL1 обнаружено несколько вариантов транскрипта, кодирующих разные изоформы. РНК-секвенирование, выполненное в образцах тканей 95 клинически здоровых людей, представляющих 27 различных тканей, с целью определения тканеспецифичности всех генов, кодирующих гиалуронидазу 1 типа, продемонстрировали, что ген HYAL1 преимущественно экспрессируется в печени (RPKM 19,6), селезенке (RPKM 16,7) и 10 других тканях (табл. 4). Экспрессия HYAL1 в коже средняя (RPKM 3,19 ± 1,105).

Ген HYAL2 локализован на хромосоме 3p21.31, экзон 6 [18]. Он кодирует слабую кислотно-активную гиалуронидазу 2 типа. Кодируемый белок похож по структуре на другие более активные гиалуронидазы. Хотя ранее считалось, что это лизосомальная гиалуронидаза, активная при pH ниже 4, кодируемый белок, вероятно, является GPI-заякоренным белком клеточной поверхности. Ген является одним из нескольких родственных генов в области хромосомы 3p21.3, связанных с подавлением опухоли. HYAL2 кодирует два альтернативно сплайсированных варианта транскрипта, которые отличаются только 5 'UTR. Ген HYAL2 преимущественно экспрессируется в селезенке (RPKM 78,9), легких (RPKM 35,1) и 20 других тканях (табл. 5). Средняя экспрессия HYAL2 в коже (RPKM 4,538 ± 1,119) несколько выше по сравнению с экспрессией HYAL1.

 

Рис. 5. Экспрессия HYAL1 в коже и других тканях организма человека [17] / Fig. 5. Expression of HYAL1 in the skin and other tissues of the human body [17]

 

Ген HYAL3 локализован на хромосоме 3p21.31, экзон 5 [19], кодирующий фермент гиалуронидазу 3 типа, которая участвует в деградации ГК, а также может играть важную роль в функции сперматозоидов. Этот ген является одним из нескольких родственных генов в области хромосомы 3p21.3, связанных с подавлением опухоли, и экспрессия конкретных вариантов транскриптов может указывать на статус опухоли. Альтернативно сплайсированные варианты транскриптов, кодирующие несколько изоформ фермента, описаны для этого гена, и некоторые изоформы приводят к потере активности гиалуронидазы 3 типа. Этот ген перекрывается и находится на той же цепи, что и N-ацетилтрансфераза 6 (связанная с GCN5), и некоторые транскрипты каждого гена разделяют часть первого экзона. Ген HYAL3 преимущественно экспрессируется в костном мозге (RPKM 11,6), семенниках (RPKM 6, 6) и 20 других тканях (табл. 6). Средняя экспрессия HYAL3 в коже (RPKM 0,513 ± 0,289) в 6,2 и 8,8 раз ниже по сравнению с экспрессией HYAL1 и HYAL2, соответственно.

Ген HYAL4, кодирующий фермент гиалуронидазу 4 типа, локализован на хромосоме 7q31.32, экзон 10 [20]. Этот ген кодирует белок, сходный по структуре с гиалуронидазой, но лишенный гиалуронидазной активности. Гиалуронидаза 4 типа действует как хондроитин-сульфат-специфическая эндо-бета-N-ацетилгалактозаминидаза, то есть она проявляет гидролитическую активность в отношении цепей хондроитинсульфата и разлагает их на олигосахариды. Протеогликаны образуются за счет ковалентного связывания цепей хондроитинсульфата с белком. Протеогликаны являются повсеместными компонентами внеклеточного матрикса соединительных тканей, а также обнаруживаются на поверхности многих типов клеток, где они участвуют во множестве клеточных процессов, таких как пролиферация, дифференцировка, миграция, распознавание клеток, отложение внеклеточного матрикса и морфогенез тканей. Экспрессия этого гена наиболее высока в плаценте (RPKM 0,99) и семенниках (RPKM 0,58) (табл. 7). В коже средняя экспрессия HYAL4 низкая (RPKM 0,045 ± 0,019).

 

Рис. 6. Экспрессия HYAL2 в коже и других тканях человека [18] / Fig. 6. Expression of HYAL2 in skin and other human tissues [18]

 

Рис. 7. Экспрессия HYAL3 в коже и других тканях человека [19] / Fig. 7. Expression of HYAL3 in skin and other human tissues [19] 

 

Рис. 8. Экспрессия HYAL4 в коже и других тканях человека [20] / Fig. 8. Expression of HYAL4 in skin and other human tissues [20]

 

Хотя было обнаружено, что нормальные фибробласты кожи человека обладают способностью деградировать экзогенно добавленную высокомолекулярную ГК (>1000 кДа) до фрагментов промежуточного размера (от 10 до 100 кДа), HYAL2 и HYAL1 вряд ли были вовлечены в деградацию экзогенной ГК по следующим причинам [21]. Во-первых, в проведенных фундаментальных исследованиях фибробласты кожи экспрессировали HYAL2, но не HYAL1. Во-вторых, нокдаун (снижение экспрессии при помощи изменения соответствующей последовательности нуклеотидов, либо при помощи короткого олигонуклеотида, комплементарного соответствующей молекуле мРНК) гена HYAL2 с помощью siRNAs не оказывал никакого влияния на деполимеризацию экзогенной ГК. Поскольку эти данные предполагали наличие нового механизма деградации ГК, независимого от HYAL2 или HYAL1, в фибробластах кожи, проведено всестороннее исследование генов-кандидатов, уровни экспрессии которых были параллельны активности деполимеризации ГК, и обнаружено, что нокдаун KIAA1199, который первоначально был зарегистрирован как ген глухоты неизвестной функции [22], отменяет активность деградации ГК в нормальных фибробластах кожи человека [21]. Так обнаружен новый механизм деградации ГК, опосредованный белком HYBID (hyaluronan binding protein involved in hyaluronan depolymerization - гиалуронсвязывающий белок, участвующий в деполимеризации гиалуронана), псевдоним KIAA1199/CEMIP, в фибробластах кожи человека, и исследовано влияние HYBID на фотостарение кожи [23]. Считается, что HYBID-опосредованная деполимеризация ГК происходит путем быстрого эндоцитоза везикул по покрытому клатрином пути и рециркуляции без интрацитоплазматического накопления или переваривания в лизосомах [23].

Недавно сообщалось, что трансмембранный белок 2 (transmembrane protein 2 - TMEM2), трансмембранный белок II типа с последовательностью, сходной с KIAA1199, является гиалуронидазой клеточной поверхности в органах мыши [24]. Однако доказательства деградации ГК с участием TMEM2 были получены в клетках, сверхэкспрессирующих TMEM2, путем трансфекции этого гена. Важно отметить, что хотя нормальные фибробласты кожи человека экспрессируют как TMEM2, так и HYBID/KIAA1199, нокдаун гена TMEM2 с помощью siRNAs не отменял деградацию ГК [25]. Таким образом, в настоящее время имеется мало доказательств прямого участия TMEM2 в деградации ГК в клетках человека, таких как фибробласты кожи.

Рецепторы гиалуроновой кислоты

Изучение биологических эффектов, которые ГК может оказывать в организме, традиционно проводили на культурах клеток млекопитающих. Параллельно шло изучение ряда сульфатированных полисахаридов, аналогичных ГК по строению, — гепарина, гепарансульфата (который раньше назывался гепарин-односерной кислотой). Выяснилось, что ГК, в отличие от сульфатированных полисахаридов, ускоряет рост клеток, и это было одно из первых описаний взаимодействия ГК с живыми клетками. Было также замечено, что некоторые типы клеток начинают агрегировать при добавлении ГК. Это было первым указанием на специфическое связывание ГК с поверхностью клеток. Впоследствии, действительно, были идентифицированы белки-рецепторы на поверхности цитоплазматической мембраны клеток, которые связывают ГК: высокоаффинный рецептор СD44 [26] и рецептор RНАММ (receptor for hyaluronan mediated motility), опосредующий подвижность клетки [27]. В 2015 г. появилось сообщение, что функции этих рецепторов связаны [28]. RHAMM взаимодействует со всеми типами клеток и их функциями, такими как межклеточная адгезия, миграция клеток, пролиферация клеток, дифференцировка клеток и метастазирование [29, 30]. RHAMM (CD168) был предложен в качестве биомаркера плохого прогноза для нескольких типов опухолей, включая рак легких, молочной железы, колоректального рака, желудка, протоков поджелудочной железы и яичников [31]. Повышенная экспрессия RHAMM связана с прогрессированием рака яичников [32, 33]. От взаимодействия гиалуронан-CD44 / RHAMM зависит пролиферация и выживаемость клеток рака легких [34]. Более того, RHAMM усиливает эффект дефицита CD44 на воспаление [35]. Активность рецептора CD44 необходима для нормальной работы гиалуронидазы 2 типа (HIAL2).

Обнаружен также рецептор HARE, необходимый для эндоцитоза (поглощения клеткой) ГК, который принципиально отличается по своей структуре от других ГК-связывающих рецепторов [36]. Начало изучения механизмов функционирования фрагментов ГК посредством взаимодействия со своим главным рецептором CD44, по сути, ознаменовало наступление новой и главной эпохи в истории изучения ГК [37]. В начале XXI века произошла переоценка роли ГК как пассивного структурного компонента матрикса соединительной ткани к пониманию первостепенной роли этой макромолекулы во многих жизненно важных физиологических процессах — от клеточной коммуникации, миграции и дифференциации до регуляции процессов, протекающих в межклеточном матриксе, и активации метаболизма клеточных структур [38]. В настоящее время считается твердо установленным, что ГК — не просто пассивная макромолекула соединительной ткани, а метаболически высокоактивный биополимер в своей нативной высокомолекулярной форме, но еще более — в виде низкомолекулярных фрагментов [39]. Большая часть ГК существует в межклеточном матриксе в свободной растворимой форме. Другая часть ГК ковалентно связывается с различными белками [48]. ГК-связывающие белки (гиаладгерины) могут быть двух типов: 1) белки, которые связывают ГК с другими молекулами внеклеточного матрикса (агрекан, версикан); 2) белки, которые действуют как клеточные рецепторы ГК (CD44, RHAMM, HARE, TNFIP6, SHAP, LYVE-1 и другие). Наиболее изученными являются белки-рецепторы ГК: CD44, RHAMM, HARE.

Ген CD44 локализован на хромосоме 11p13, 21 экзон [40]. Он кодирует одноименный белок, представляющий собой гликопротеин клеточной поверхности, участвующий в межклеточных взаимодействиях, клеточной адгезии и миграции. Этот рецептор ГК также может взаимодействовать с другими лигандами, такими как остеопонтин, коллагены и матриксные металлопротеиназы (MMP). Кодируемый этим геном белок-рецептор CD44 участвует в широком спектре клеточных функций, включая активацию лимфоцитов, рециркуляцию и самонаведение, гематопоэз и метастазирование опухоли. Транскрипты гена CD44 подвергаются сложному альтернативному сплайсингу, в результате которого образуется множество функционально различных изоформ, однако полноразмерная природа некоторых из этих вариантов до настоящего времени не определена. Альтернативный сплайсинг является основой структурного и функционального разнообразия белка CD44 и может быть связан с метастазированием опухоли. Наибольшая экспрессия CD44 отмечается в коже (RPKM 96,712 ± 23,086), аппендиксе (RPKM 60,6), легких (RPKM 51,7) и 19 других тканях (табл. 8).

Ген STAB2 (предыдущее название HARE), кодирующий рецепторы HARE, локализован на хромосоме 12q23.3, экзон 73 [41]. Этот ген кодирует большой трансмембранный рецепторный белок, который может функционировать в ангиогенезе, возвращении лимфоцитов, клеточной адгезии или поглощении рецепторов. Белок содержит 7 фасциклин, 15 эпидермального фактора роста (EGF) -подобных и 2 EGF-подобных домена ламинин-типа, а также лектин-подобный гиалуронановый связывающий модуль С-типа. Было показано, что рецептор связывает и эндоцитозирует лиганды, такие как ГК, липопротеины низкой плотности, грамположительные и грамотрицательные бактерии, а также конечные продукты гликозилирования. Подтверждая свою возможную роль в качестве рецептора-скавенджера, было показано, что белок циклически перемещается между плазматической мембраной и лизосомами. Рецепторы HARE, в основном, экспрессируются на синусоидальных эндотелиальных клетках селезенки (RPKM 18,3), печени (RPKM 4,3) и лимфатических узлов (RPKM 1,8) (табл. 9). Экспрессия этих рецепторов в коже низкая (RPKM 0,121 ± 0,02).

 

Рис. 9. Экспрессия CD44 в коже и других тканях организма человека [40] / Fig. 9. Expression of CD44 in the skin and other tissues of the human body [40]

 

Ген HMMR (предыдущие названия: CD168; IHABP; RHAMM), локализован на хромосоме 5q34, экзон 18 [42]. Белок RHAMM, кодируемый этим геном, участвует в подвижности клеток, опосредованной ГК. Он экспрессируется в ткани молочной железы и вместе с другими белками образует комплекс с BRCA1 и BRCA2, таким образом потенциально связанный с более высоким риском рака груди. Для гена HMMR были отмечены альтернативно сплайсированные варианты транскриптов, кодирующие разные изоформы. Наибольшая экспрессия белка RHAMM отмечена в семенниках (RPKM 12,7), лимфатических узлах (RPKM 9,0) и 11 других тканях (табл. 10). В коже средняя экспрессия составляет 1,905 ± 0,656.

 

Рис. 10. Экспрессия HARE в коже и других тканях организма человека [40] / Fig. 10. Expression of HARE in the skin and other tissues of the human body [40]

 

Рис. 11. Экспрессия RHAMM в коже и других тканях организма человека [41] / Fig. 11. Expression of RHAMM in the skin and other tissues of the human body [41]

 

Обсуждение

Кожа — это многофункциональный орган, который постоянно подвергается воздействию многих биологических и экологических факторов. Поэтому для поддержания кожного и глобального гомеостаза кожа наделена структурной целостностью и гомеостатическими механизмами адаптации, такими как кожная нейроэндокринная система [43]. Однако с возрастом целостность постепенно утрачивается и адаптивные реакции распадаются. Старение кожи ускоряется стрессорами окружающей среды, такими как ультрафиолетовое излучение, загрязняющие вещества и воздействия микроорганизмов. Многие биохимические и гистологические исследования при старении кожи продемонстрировали массивное накопление аберрантного эластичного материала, а также дезорганизованных и поврежденных коллагеновых волокон в дерме. Считается, что такие патологические изменения в фибриллярных компонентах кожи приводят к образованию морщин и дряблости кожи [44]. Однако коллагеновые и эластиновые волокна включены в сетевые структуры, состоящие из ГК и протеогликанов, таких как версикан, в дерме [45]. Деградация этих сетевых структур и ГК, по-видимому, необходима до разрушения коллагеновых и эластиновых волокон в дерме [46]. Гиалуронидазы, такие как HYAL2 и HYAL1, долгое время считались ключевыми ферментами для деградации ГК [14], однако в последние годы показано два альтернативных пути деградации ГК:  HYBID-опосредованная деполимеризация ГК [23]; TMEM2-опосредованная деполимеризация ГК [24].

Механизмы синтеза ГК, регулируемые генами семейства HAS, серьезно нарушаются при старении, особенно при отклонениях от нормальных условий жизнедеятельности, например: при физико-химическом стрессе, воспалениях, патологиях или новообразованиях [47]. В коже уровень экспрессии гиалуронансинтаз, кодируемых одноименными генами семейства HAS, можно расположить следующим образом - HAS3 (RPKM 4,7) > HAS2 (RPKM 1,2) > HAS1 (RPKM 0,3), а уровень экспрессии гиалуронидаз  -  HYAL2 (RPKM 4,5) > HYAL1 (RPKM 3,2) > HYAL3 (RPKM 0,5). Экспрессия HYAL4 в коже минимальная (RPKM 0,045), а сам фермент не имеет гиалуронидазной активности.

Взаимодействие ГК с рецепторами в коже сложное, а уровень экспрессии генов, кодирующих рецепторы к ГК, в коже варьирует в широком диапазоне: CD44 (RPKM 96,7) > RHAMM (RPKM 1,9) > HARE (RPKM 0,12). CD44 и RHAMM, представляющие собой два рецептора внеклеточного матрикса, основным лигандом которых является ГК, не только участвуют в заживлении ран, а их аберрантная регуляция способствует возникновению множества заболеваний, ассоциированных со старением. RHAMM способствуют перемещению клеток через путь передачи сигнала протеинтирозинкиназы, нацеленный на очаговые адгезии, что может играть важную роль в старении и онкогенезе [48]. За последнее десятилетие был разработан и испытан на экспериментальных моделях болезней ряд терапевтических средств на основе пептидов, которые блокируют связывание CD44 или RHAMM-специфичных лигандов [49], что представляет несомненный научный и клинический интерес.

С позиции бурно развивающейся персонализированной медицины, вариативность изоформ белков, участвующих в синтезе, деградации и рецепции ГК, и уровень их экспрессии в коже важно учитывать при планировании фармакогенетических исследований, изучающих эффективность и безопасность синтетических препаратов ГК, применяющихся  в антивозрастной терапии и косметической дерматологии  (эстетической медицине) [50, 51]. Это обусловлено свойством ГК — способностью связывать большое количество воды, что выражается в формировании и поддержании объема содержащей его ткани. В коже полисахарид вырабатывается клетками фибробластов дермы и отчасти кератиноцитами эпидермиса, благодаря чему, в частности, поддерживается постоянный лицевой тонус. С возрастом концентрация ГК в коже падает, что наряду с дефицитом коллагена приводит к появлению морщин, дряблости и другим последствиям старения [6]. Tzellos T.G. et al. (2009) обнаружили значительное увеличение экспрессии ГК с более низкой молекулярной массой в фотоэкспонированной коже по сравнению с фотозащищенной кожей. Это увеличение было связано со значительным снижением экспрессии HAS1 и увеличением экспрессии HYAL1-3. Кроме того, экспрессия рецепторов к ГК (CD44 и RHAMM) значительно подавлялась при фотоэкспозиции по сравнению с фотозащитной кожей. Эти данные показывают, что внешнее старение кожи характеризуется отчетливым гомеостазом ГК. Выяснение роли гомеостаза ГК во внешнем старении кожи может предложить дополнительный подход в борьбе со старением кожи [5]. Местное лечение стабилизированным ретинолом повышает экспрессию всех трех генов семейства HAS и продукцию ГК в коже человека in vitro (в нормальных монослойных культурах эпидермальных кератиноцитов человека) и in vivo (в клиническом исследовании с участием людей гистохимический анализ подтвердил повышенное накопление ГК в эпидермисе кожи человека, обработанной ретинолом, по сравнению с контролем) [52]. В тоже время, витамин С в комбинации с ионами железа усиливает деградацию ГК и обеспечивает ее здоровый «кругооборот» [53].

Благодаря уникальному сочетанию биологических и физико-химических свойств [54], ГК находит все более широкое применение в биомедицине [55]. По современным оценкам, в настоящее время во всем мире на разных стадиях клинических испытаний находятся десятки препаратов, содержащих ГК как принципиально важный компонент. Одновременно идет поиск веществ, влияющих на физико-химические свойства ГК [56]. С ростом понимания роли ГК в организме изучаются возможности коррекции ее влияния при различных заболеваниях, связанных со старением организма человека [57-59].  Общая закономерность состоит в том, что пролиферирующие клетки синтезируют значительно больше ГК по сравнению с дифференцированными клетками. Вот почему чем выше интенсивность физиологического самообновления ткани, тем больше в ней ГК. Другая закономерность — снижение активности пролиферации клеток и самообновления тканей по мере старения приводит к уменьшению содержания ГК в тканях. Вместе с тем, в стареющей ткани накапливаются нефункциональные ковалентно связанные соединения ГК с белками как результат реакции свободных радикалов, приводящих к ускорению гликозилирования белков, что и нарушает функционирование данных комплексов.  У младенцев лишь 7% ГК имеет такие связи, а в стареющей коже это количество увеличивается до 23%. Поэтому вполне естественно, что наиболее наглядно роль ГК в процессах старения прослеживается в самом большом органе человека — коже [7].

Заключение

В эволюционном плане ГК считается весьма консервативным биополимером, поскольку его химическая структура оказалась полностью идентичной всем известным видам живых организмов, стоящих на разных уровнях эволюционной лестницы. Такой эволюционно-химический консерватизм макромолекулы является признаком важности ее биологических функций. ГК входит в состав соединительной, эпителиальной и нервной тканей, является одним из основных компонентов внеклеточного матрикса, принимает значительное участие в пролиферации и миграции клеток [60]. Хотя высокие концентрации ГК сохраняются во многих органах, примерно половина общего количества ГК в организме содержится в коже [61], где ГК участвует в регенерации ткани, играет важную роль в гидродинамике тканей, участвует в ряде взаимодействий с поверхностными рецепторами клеток, в особенности со своим первичным рецептором CD44. Участие ГК в процессе развития опухолей может быть обусловлено именно её взаимодействием с CD44.

В то же время, расширение наших знаний о фармакогеномике эндогенной ГК и увеличение на фармацевтическом рынке арсенала препаратов экзогенной ГК, применяемых в антивозрастной терапии и косметической дерматологии, с позиции персонализированной медицины требует учета индивидуальных, в том числе генетически детерминированных, особенностей организма каждого конкретного пациента для обеспечения оптимального баланса эффективности/безопасности экзогенной ГК. Несомненно, этот вопрос требует еще дальнейшего изучения в клинических исследованиях, но уже сейчас можно увидеть, что пациенты обладают разной выраженностью отклика на внутрикожное введение ГК, а также разную скорость биодеградации экзогенной ГК. Возможно, более детальные исследования на эту тему помогут в выборе тактики эстетической коррекции у таких пациентов.

About the authors

Elena E. Vaiman

V. M. Bekhterev National Medical Research Center of Psychiatry and Neurology

Author for correspondence.
Email: vaimanelenadoc@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6836-9590

neurologist, junior research associate

Russian Federation, St. Petersburg

Natalia A. Shnayder

V. M. Bekhterev National Medical Research Center of Psychiatry and Neurology; V. F. Voino-Yasenetsky Krasnoyarsk State Medical University

Email: nataliashnayder@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-2840-837X

neurologist, junior research associate

Russian Federation, St. Petersburg; Krasnoyarsk

Anna V. Dyuzhakova

Krasnoyarsk Interdistrict Hospital No. 2

Email: humsterzoa@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8720-6172

dermatologist

Russian Federation, Krasnoyarsk

Evgenia I. Nikitina

Clinic on Komarov

Email: v205408@yandex.ru

gynecologist-endocrinologist

Russian Federation, Vladivostok

Olga B. Borzykh

Krasnoyarsk State Medical University named after Professor V. F. Voino-Yasenetsky

Email: kurumchina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3651-4703

dermatologist, MD, сand. sci.

Russian Federation, Krasnoyarsk

Regina F Nasyrova

V. M. Bekhterev National Medical Research Center of Psychiatry and Neurology

Email: nreginaf77@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-1874-9434

psychiatrist, clinical pharmacologist

Russian Federation, Saint-Petersburg

References

Supplementary files