Циклооксигеназа-2

Циклооксигеназа-2 (ЦОГ-2, COX-2) — это фермент из семейства циклооксигеназ (простагландин-синтаз), который катализирует превращение арахидоновой кислоты в простагландины. В отличие от конститутивной формы ЦОГ-1, ЦОГ-2 является индуцибельным ферментом, экспрессия которого резко возрастает в ответ на воспалительные стимулы (цитокины, факторы роста, эндотоксины). Основная физиологическая роль ЦОГ-2 связана с синтезом простагландинов, участвующих в развитии воспаления, боли и лихорадки, а также в регуляции клеточной пролиферации, ангиогенеза и репарации тканей.

История открытия

В 1971 году британский фармаколог Джон Вейн (John Vane) впервые показал, что нестероидные противовоспалительные препараты (НПВП) подавляют синтез простагландинов, за что в 1982 году получил Нобелевскую премию по физиологии или медицине. Долгое время считалось, что существует единственная форма циклооксигеназы. Однако в 1989 году группа учёных под руководством Дэниела Симмонса (Daniel Simmons) из Университета Бригама Янга (США) обнаружила второй изофермент — ЦОГ-2. Открытие было сделано при изучении экспрессии генов, активируемых факторами роста и онкогенами. В 1991 году независимо друг от друга несколько лабораторий клонировали и секвенировали ген ЦОГ-2 человека. Это открытие объяснило, почему традиционные НПВП, блокирующие обе формы фермента, вызывают желудочно-кишечные осложнения (за счёт ингибирования защитной ЦОГ-1), и стимулировало разработку селективных ингибиторов ЦОГ-2.

Структура и генетика

Ген и белок

Ген ЦОГ-2 человека (PTGS2) расположен на длинном плече 1-й хромосомы (1q25.2-q25.3). Его длина составляет около 8,3 тысяч пар оснований, он содержит 10 экзонов. Белок ЦОГ-2 состоит из 604 аминокислот (молекулярная масса около 72 кДа). Пространственная структура включает три домена: N-концевой эпидермальный фактор роста (EGF)-подобный домен, мембраносвязывающий домен и каталитический домен с активным центром.

Отличия от ЦОГ-1

ЦОГ-2 имеет на 20 % более крупный активный центр по сравнению с ЦОГ-1, что позволяет ей взаимодействовать с более объёмными субстратами и ингибиторами. Ключевое различие — наличие в ЦОГ-2 дополнительной боковой полости («кармана»), образованной заменой изолейцина на валин в положении 523. Именно эта структурная особенность делает возможным создание селективных ингибиторов ЦОГ-2 (коксибов), которые не связываются с ЦОГ-1.

Регуляция экспрессии

Индукция

Экспрессия ЦОГ-2 в норме минимальна в большинстве тканей, за исключением почек, головного мозга и репродуктивных органов. Однако она быстро и значительно возрастает под действием:

• Провоспалительных цитокинов: интерлейкин-1β (IL-1β), фактор некроза опухоли-α (TNF-α)
• Факторов роста: эпидермальный фактор роста (EGF), тромбоцитарный фактор роста (PDGF)
• Липополисахаридов бактерий
• Онкогенов: Ras, Src, HER2/neu
• Гипоксии и окислительного стресса

Регуляция происходит преимущественно на уровне транскрипции через активацию факторов NF-κB, AP-1 и C/EBPβ. Посттранскрипционная регуляция включает стабилизацию мРНК за счёт AU-богатых элементов в 3'-нетранслируемой области.

Подавление

Экспрессия ЦОГ-2 подавляется:

• Глюкокортикоидами (например, дексаметазоном)
• Противовоспалительными цитокинами (IL-4, IL-10, IL-13)
• Трансформирующим фактором роста-β (TGF-β)
• Селективными ингибиторами ЦОГ-2 (механизм отрицательной обратной связи)

Физиологические функции

Воспаление и боль

ЦОГ-2 является ключевым ферментом в каскаде арахидоновой кислоты, превращая её в простагландин H2 (PGH2), который затем под действием тканеспецифичных изомераз превращается в простагландины E2, D2, F2α, простациклин (PGI2) и тромбоксан A2. Простагландин E2 (PGE2) — основной медиатор воспаления, вызывающий вазодилатацию, отёк и сенситизацию болевых рецепторов.

Репродуктивная система

ЦОГ-2 играет критическую роль в овуляции, имплантации эмбриона и родах. У самок мышей с нокаутом гена ЦОГ-2 наблюдается бесплодие из-за нарушения овуляции и дефектов имплантации. У человека экспрессия ЦОГ-2 резко возрастает в эндометрии в период имплантации и в плаценте во время родов.

Почки

В почках ЦОГ-2 экспрессируется в мозговом веществе и корковых собирательных канальцах. Она участвует в регуляции почечного кровотока, клубочковой фильтрации и водно-солевого баланса. Подавление ЦОГ-2 может приводить к задержке натрия и воды, повышению артериального давления.

Нервная система

В головном мозге ЦОГ-2 конститутивно экспрессируется в нейронах коры и гиппокампа. Она участвует в синаптической пластичности, процессах обучения и памяти. При нейровоспалении (например, при болезни Альцгеймера) экспрессия ЦОГ-2 возрастает в микроглии и астроцитах.

Роль в патологии

Воспалительные заболевания

Повышенная активность ЦОГ-2 ассоциирована с ревматоидным артритом, остеоартрозом, болезнью Крона, язвенным колитом и атеросклерозом. В синовиальной ткани при ревматоидном артрите уровень ЦОГ-2 в 10-20 раз выше, чем в норме.

Онкология

Хроническая воспалительная экспрессия ЦОГ-2 способствует канцерогенезу. Простагландины, синтезируемые ЦОГ-2, стимулируют пролиферацию опухолевых клеток, ингибируют апоптоз, усиливают ангиогенез и подавляют противоопухолевый иммунитет. Повышенная экспрессия ЦОГ-2 обнаружена при раке толстой кишки, молочной железы, лёгких, предстательной железы, поджелудочной железы и желудка. Эпидемиологические исследования показывают, что длительный приём селективных ингибиторов ЦОГ-2 снижает риск колоректального рака на 40-50 %.

Сердечно-сосудистые заболевания

ЦОГ-2 является основным источником простациклина (PGI2) в эндотелии сосудов. Простациклин обладает вазодилатирующим и антиагрегантным действием. Подавление ЦОГ-2 селективными ингибиторами нарушает баланс между простациклином и тромбоксаном A2 (синтезируемым ЦОГ-1 в тромбоцитах), что повышает риск тромбообразования и сердечно-сосудистых событий.

Фармакология

Селективные ингибиторы ЦОГ-2

На основе структурных различий ЦОГ-2 были разработаны селективные ингибиторы — коксибы. Первым одобренным препаратом стал целекоксиб (1998, США). Другие представители: рофекоксиб (изъят в 2004 из-за кардиотоксичности), валдекоксиб, парекоксиб, эторикоксиб. В России зарегистрированы целекоксиб и эторикоксиб.

Механизм действия: коксибы связываются с дополнительной боковой полостью активного центра ЦОГ-2, что обеспечивает селективность в 100-300 раз по сравнению с ЦОГ-1.

Клиническое применение: остеоартроз, ревматоидный артрит, анкилозирующий спондилит, острая боль, первичная дисменорея. По сравнению с неселективными НПВП (ибупрофен, диклофенак, напроксен) коксибы значительно реже вызывают желудочно-кишечные кровотечения и язвы.

Побочные эффекты: повышенный риск тромбозов, инфаркта миокарда и инсульта, особенно у пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Возможны задержка жидкости, повышение артериального давления, нарушение функции почек.

Неселективные ингибиторы

Традиционные НПВП (аспирин, ибупрофен, диклофенак) ингибируют как ЦОГ-1, так и ЦОГ-2. Их противовоспалительное и анальгетическое действие обусловлено подавлением ЦОГ-2, а гастротоксичность — подавлением ЦОГ-1.

Методы исследования

Для определения активности и экспрессии ЦОГ-2 используются:

• Иммуногистохимия — визуализация фермента в тканях
• Вестерн-блоттинг — количественная оценка белка
• ПЦР в реальном времени (RT-qPCR) — измерение уровня мРНК
• Ферментативный анализ — измерение скорости превращения арахидоновой кислоты в простагландины (обычно с использованием радиоактивно меченого субстрата)
• Иммуноферментный анализ (ELISA) — количественное определение простагландинов

Интересные факты

• У мышей с нокаутом гена ЦОГ-2 наблюдается не только бесплодие, но и тяжёлая нефропатия (кистозная дисплазия почек).
• ЦОГ-2 является мишенью для противораковой химиопрофилактики: аспирин в низких дозах (75-100 мг/сут) снижает риск колоректального рака, частично за счёт подавления ЦОГ-2.
• В 2020 году было показано, что экспрессия ЦОГ-2 повышается при COVID-19, что может способствовать «цитокиновому шторму» и тромботическим осложнениям.
• ЦОГ-2 участвует в заживлении ран: простагландины стимулируют миграцию кератиноцитов и ангиогенез.
• У некоторых видов акул обнаружена ЦОГ-2 с уникальной структурой, нечувствительная к традиционным ингибиторам.

Источники

1. Vane J.R. Inhibition of prostaglandin synthesis as a mechanism of action for aspirin-like drugs // Nature New Biology. — 1971. — Vol. 231, № 25. — P. 232-235.
2. Herschman H.R. Prostaglandin synthase 2 // Biochimica et Biophysica Acta. — 1996. — Vol. 1299, № 1. — P. 125-140.
3. Smith W.L., DeWitt D.L., Garavito R.M. Cyclooxygenases: structural, cellular, and molecular biology // Annual Review of Biochemistry. — 2000. — Vol. 69. — P. 145-182.
4. FitzGerald G.A., Patrono C. The coxibs, selective inhibitors of cyclooxygenase-2 // New England Journal of Medicine. — 2001. — Vol. 345, № 6. — P. 433-442.
5. Simmons D.L., Botting R.M., Hla T. Cyclooxygenase isozymes: the biology of prostaglandin synthesis and inhibition // Pharmacological Reviews. — 2004. — Vol. 56, № 3. — P. 387-437.
6. Crofford L.J. COX-1 and COX-2 tissue expression: implications and predictions // Journal of Rheumatology. — 1997. — Vol. 24, Suppl. 49. — P. 15-19.
7. Warner T.D., Mitchell J.A. Cyclooxygenases: new forms, new inhibitors, and lessons from the clinic // FASEB Journal. — 2004. — Vol. 18, № 7. — P. 790-804.