БИОХИМИЯ, 2021, том 86, вып. 12, с. 1865–1874

УДК 577.121.7

Биоэнергетика фиброза

Обзор

© 2021 Э.И. Якупова 1,2, Д.Б. Зоров 1,3*zorov@belozersky.msu.ru, Е.Ю. Плотников 1,3*plotnikov@belozersky.msu.ru

1 НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 119991 Москва, Россия

2 Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, 142290 Пущино, Московская обл., Россия

3 Национальный медицинский исследовательский центр акушерства, гинекологии и перинатологии имени академика В.И. Кулакова, 117997 Москва, Россия

Поступила в редакцию 22.10.2021
После доработки 16.11.2021
Принята к публикации 16.11.2021

DOI: 10.31857/S0320972521120101

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: фиброз, фибробласты, энергетический метаболизм, гликолиз, дыхание, коллаген.

Аннотация

Известно, что развитие фиброза сопровождает многие заболевания, являясь как причиной, так и следствием повреждения органов и тканей. Замещение функциональной ткани фиброзным рубцом может приводить к нарушению функционирования органов, что часто угрожает жизни больного. Разработка эффективных способов ограничения развития или лечения фиброза требует понимания всех аспектов его патогенеза в различных органах: от эпителиально-мезенхимальной трансформации до экспансии фибробластов. Причинами фиброза могут быть травма, ишемические повреждения, воспаление и многие другие состояния, характеризующиеся повторяющимися циклами повреждения и восстановления ткани. Энергетический метаболизм является основой жизнедеятельности всех клеток организма, и именно его нарушения связаны с развитием многих заболеваний, поэтому, как неоднократно было показано, воздействие на него может быть основой терапии таких патологических процессов, как ишемия/реперфузия, эпилепсия, диабет, рак и неврологические расстройства. Развитие фиброза также связано с перестройками биоэнергетики клетки. В данной работе мы проанализировали, какие изменения энергетического метаболизма наблюдаются при развитии фиброза, и оценили возможность влияния на энергетический метаболизм в качестве подхода антифиброзной терапии.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 21-75-30009).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Plotnikov, E. Y., Brezgunova, A. A., Pevzner, I. B., Zorova, L. D., Manskikh, V. N., et al. (2018) Mechanisms of LPS-induced acute kidney injury in neonatal and adult rats, Antioxidants, 7, 105, doi: 10.3390/antiox7080105.

2. Popkov, V. A., Andrianova, N. V., Manskikh, V. N., Silachev, D. N., Pevzner, I. B., et al. (2018) Pregnancy protects the kidney from acute ischemic injury, Sci. Rep., 8, 14534, doi: 10.1038/s41598-018-32801-8.

3. Henderson, N. C., Rieder, F., and Wynn, T. A. (2020) Fibrosis: from mechanisms to medicines, Nature, 587, 555-566, doi: 10.1038/s41586-020-2938-9.

4. Weiskirchen, R., Weiskirchen, S., and Tacke, F. (2019) Organ and tissue fibrosis: molecular signals, cellular mechanisms and translational implications, Mol. Aspects Med., 65, 2-15, doi: 10.1016/j.mam.2018.06.003.

5. Martin, P., and Leibovich, S. J. (2005) Inflammatory cells during wound repair: the good, the bad and the ugly, Trends Cell Biol., 15, 599-607, doi: 10.1016/j.tcb.2005.09.002.

6. Wynn, T. A., and Ramalingam, T. R. (2012) Mechanisms of fibrosis: therapeutic translation for fibrotic disease, Nat. Med., 18, 1028-1040, doi: 10.1038/nm.2807.

7. Zeisberg, M., and Kalluri, R. (2013) Cellular mechanisms of tissue fibrosis. 1. Common and organ-specific mechanisms associated with tissue fibrosis, Am. J. Physiol. Cell Physiol., 304, 216-225, doi: 10.1152/ajpcell.00328.2012.

8. Di Carlo, S. E., and Peduto, L. (2018) The perivascular origin of pathological fibroblasts, J. Clin. Invest., 128, 54-63, doi: 10.1172/JCI93558.

9. Giannandrea, M., and Parks, W. C. (2014) Diverse functions of matrix metalloproteinases during fibrosis, Disease Models Mechanisms, 7, 193-203, doi: 10.1242/dmm.012062.

10. Yue, L., Shi, Y., Su, X., Ouyang, L., Wang, G., et al. (2021) Matrix metalloproteinases inhibitors in idiopathic pulmonary fibrosis: medicinal chemistry perspectives, Eur. J. Med. Chem., 224, 113714, doi: 10.1016/j.ejmech.2021.113714.

11. Lin, J., Huang, Z., Liu, J., Huang, Z., Liu, Y., et al. (2020) Neuroprotective effect of ketone metabolism on inhibiting inflammatory response by regulating macrophage polarization after acute cervical spinal cord injury in rats, Front. Neurosci., 14, 583611, doi: 10.3389/fnins.2020.583611.

12. Andrianova, N. V., Zorova, L. D., Pevzner, I. D., Popkov, V. A., Chernikov, V. P., et al. (2020) Resemblance and differences in dietary restriction nephroprotective mechanisms in young and old rats, Aging (Albany. NY), 12, 18693-18715, doi: 10.18632/aging.103960.

13. Neal, E. G., Chaffe, H., Schwartz, R. H., Lawson, M. S., Edwards, N., et al. (2008) The ketogenic diet for the treatment of childhood epilepsy: a randomised controlled trial, Lancet Neurol., 7, 500-506, doi: 10.1016/S1474-4422(08)70092-9.

14. Nielsen, J. V., and Joensson, E. A. (2008) Low-carbohydrate diet in type 2 diabetes: stable improvement of bodyweight and glycemic control during 44 months follow-up, Nutr. Metab., 5, 14, doi: 10.1186/1743-7075-5-14.

15. Allen, B. G., Bhatia, S. K., Buatti, J. M., Brandt, K. E., Lindholm, K. E., et al. (2013) Ketogenic diets enhance oxidative stress and radio-chemo-therapy responses in lung cancer xenografts, Clin. Cancer Res., 19, 3905-3913, doi: 10.1158/1078-0432.CCR-12-0287.

16. Otto, C., Kaemmerer, U., Illert, B., Muehling, B., Pfetzer, N., et al. (2008) Growth of human gastric cancer cells in nude mice is delayed by a ketogenic diet supplemented with omega-3 fatty acids and medium-chain triglycerides, BMC Cancer, 8, 122, doi: 10.1186/1471-2407-8-122.

17. González, O. A., Tobia, C., Ebersole, J. L., and Novak, M. J. (2012) Caloric restriction and chronic inflammatory diseases, Oral Diseases, 18, 16-31, doi: 10.1111/j.1601-0825.2011.01830.x.

18. Stafstrom, C. E., and Rho, J. M. (2012) The ketogenic diet as a treatment paradigm for diverse neurological disorders, Front. Pharmacol., 3, 59, doi: 10.3389/fphar.2012.00059.

19. Zhao, X., Psarianos, P., Ghoraie, L. S., Yip, K., Goldstein, D., et al. (2019) Metabolic regulation of dermal fibroblasts contributes to skin extracellular matrix homeostasis and fibrosis, Nat. Metab., 1, 147-157, doi: 10.1038/s42255-018-0008-5.

20. Liu, G., and Summer, R. (2019) Cellular metabolism in lung health and disease, Annu. Rev. Physiol., 81, 403-428, doi: 10.1146/annurev-physiol-020518-114640.

21. Nigdelioglu, R., Hamanaka, R. B., Meliton, A. Y., O’Leary, E., Wittet, L. J., et al. (2016) Transforming Growth Factor (TGF)-β promotes de novo serine synthesis for collagen production, J. Biol. Chem., 291, 27239-27251, doi: 10.1074/jbc.M116.756247.

22. Park, S. Y., Le, C. T., Sung, K. Y., Choi, D. H., and Cho, E. H. (2018) Succinate induces hepatic fibrogenesis by promoting activation, proliferation, and migration, and inhibiting apoptosis of hepatic stellate cells, Biochem. Biophys. Res. Commun., 496, 673-678, doi: 10.1016/j.bbrc.2018.01.106.

23. Rabinowitz, J. D., and Mutlu, G. M. (2019) A metabolic strategy to reverse fibrosis? Nat. Metab., 1, 12-13, doi: 10.1038/s42255-018-0013-8.

24. Kang, H. M., Ahn, S.H., Choi, P., Ko, Yi-An, Han, S. H., et al. (2015) Defective fatty acid oxidation in renal tubular epithelial cells has a key role in kidney fibrosis development, Nat. Med., 21, 37-46, doi: 10.1038/nm.3762.

25. Wei, Q., Su, J., Dong, G., Zhang, M., Huo, Y.,et al. (2019) Glycolysis inhibitors suppress renal interstitial fibrosis via divergent effects on fibroblasts and tubular cells, Am. J. Physiol. Ren. Physiol., 316, F1162-F1172, doi: 10.1152/ajprenal.00422.2018.

26. Kottmann R. M., Kulkarni,A. A., Smolnycki, K. A., Lyda, E., et al. (2012) Lactic acid is elevated in idiopathic pulmonary fibrosis and induces myofibroblast differentiation via pH-dependent activation of transforming growth factor-β, Am. J. Respir. Crit. Care Med., 186, 740-751, doi: 10.1164/rccm.201201-0084OC.

27. Faubert, B., Kulkarni, A. A., Smolnycki, K. A., Lyda, E., Dahanayake, T., et al. (2017) Lactate Metabolism in human lung tumors, Cell, 171, 358-371.e9, doi: 10.1016/j.cell.2017.09.019.

28. Hamanaka, R. B., Nigdelioglu, R., Meliton, A. Y., Tian, Y., Witt, L. J., et al. (2018) Inhibition of phosphoglycerate dehydrogenase attenuates bleomycin-induced pulmonary fibrosis, Am. J. Respir. Cell Mol. Biol., 58, 585-593, doi: 10.1165/rcmb.2017-0186OC.

29. Meléndez-Hevia, E., De Paz-Lugo, P., Cornish-Bowden, A., and Cárdenas, M. L. (2009) A weak link in metabolism: the metabolic capacity for glycine biosynthesis does not satisfy the need for collagen synthesis, J. Biosci., 34, 853-872, doi: 10.1007/s12038-009-0100-9.

30. Selvarajah, B., Azuelos, I., Platé, M., Guillotin, D., Fortyet, E. J., et al. (2019) MTORC1 amplifies the ATF4-dependent de novo serine-glycine pathway to supply glycine during TGF-1-induced collagen biosynthesis, Sci. Signal., 12, eaav3048, doi: 10.1126/scisignal.aav3048.

31. Xie, N., Tan, Z., Banerjee, S., Cui, H., Ge, J., et al. (2015) Glycolytic reprogramming in myofibroblast differentiation and lung fibrosis, Am. J. Respir. Crit. Care Med., 192, 1462-1474, doi: 10.1164/rccm.201504-0780OC.

32. Yu, H., Zhu, J., Chang, L., Liang, C., Li, X., et al. (2021) 3-Bromopyruvate decreased kidney fibrosis and fibroblast activation by suppressing aerobic glycolysis in unilateral ureteral obstruction mice model, Life Sci., 272, 119206, doi: 10.1016/j.lfs.2021.119206.

33. Kori, Y., Sidoli, S., Yuan, Z. F., Lund, P. J., Zhao, X., et al. (2017) Proteome-wide acetylation dynamics in human cells, Sci. Rep., 7, 10296, doi: 10.1038/s41598-017-09918-3.

34. Smith, E. R., and Hewitson, T. D. (2020) TGF-beta1 is a regulator of the pyruvate dehydrogenase complex in fibroblasts, Sci. Rep., 10, 17914, doi: 10.1038/s41598-020-74919-8.

35. Hewitson, T. D., and Smith, E. R. (2021) A metabolic reprogramming of glycolysis and glutamine metabolism is a requisite for renal fibrogenesis – why and how? Front. Physiol., 12, 645857, doi: 10.3389/fphys.2021.645857.

36. Bernard, K., Logsdon, N. J., Benavides, G. A., Sanders, Y., Zhang, J., et al. (2018) Glutaminolysis is required for transforming growth factor-β1-induced myofibroblast differentiation and activation, J. Biol. Chem., 293, 1218-1228, doi: 10.1074/jbc.RA117.000444.

37. Ge, J., Cui, H., Xie, Na, Banerjee, S., Guo, S., et al. (2018) Glutaminolysis promotes collagen translation and stability via α-ketoglutarate-mediated mTOR activation and proline hydroxylation, Am. J. Respir. Cell Mol. Biol., 58, 378-390, doi: 10.1165/rcmb.2017-0238OC.

38. Hamanaka, R. B., O’Leary, E. M., Witt, L. J., Tian, Y., Gökalp, G. A., et al. (2019) Glutamine metabolism is required for collagen protein synthesis in lung fibroblasts, Am. J. Respir. Cell Mol. Biol., 61, 597-606, doi: 10.1165/rcmb.2019-0008OC.

39. Henderson, J., Duffy, L., Stratton, R., Ford, D., O’Reilly, S. (2020) Metabolic reprogramming of glycolysis and glutamine metabolism are key events in myofibroblast transition in systemic sclerosis pathogenesis, J. Cell Mol. Med., 24, 14026-14038, doi: 10.1111/jcmm.16013.

40. Fernandez-de-Cossio-Diaz, J., and Vazquez, A. (2017) Limits of aerobic metabolism in cancer cells, Sci. Rep., 7, 13488, doi: 10.1038/s41598-017-14071-y.

41. Li, P., and Wu, G. (2018) Roles of dietary glycine, proline, and hydroxyproline in collagen synthesis and animal growth, Amino Acids, 50, 29-38, doi: 10.1007/s00726-017-2490-6.

42. Minicis, S., Seki, E., Uchinami, H., Kluwe, J., Zhang, Y., et al. (2007) Gene expression profiles during hepatic stellate cell activation in culture and in vivo, Gastroenterology, 132, 1937-1946, doi: 10.1053/j.gastro.2007.02.033.

43. Sacchi, M., Bansal, R., and Rouwkema, J. (2020) Bioengineered 3D models to recapitulate tissue fibrosis, Trends Biotechnol., 38, 623-636, doi: 10.1016/j.tibtech.2019.12.010.

44. Akamatsu, T., Arai, Y., Kosugi, I., Kawasaki, H., Meguro, S., et al. (2013) Direct isolation of myofibroblasts and fibroblasts from bleomycin-injured lungs reveals their functional similarities and differences, Fibrogenes Tissue Repair, 6, 15, doi: 10.1186/1755-1536-6-15.

45. Wynn, T. A. (2011) Integrating mechanisms of pulmonary fibrosis, J. Exp. Med., 208, 1339-1350, doi: 10.1084/jem.20110551.

46. Kis, K., Liu, X., and Hagood, J. S. (2011) Myofibroblast differentiation and survival in fibrotic disease, Expert Rev. Mol. Med., 13, e27, doi: 10.1017/s1462399411001967.

47. Bernard, K., Logsdon, N. J., Ravi, S., Xie, Na, Persons, B. P., et al. (2015) Metabolic reprogramming is required for myofibroblast contractility and differentiation, J. Biol. Chem., 290, 25427-25438, doi: 10.1074/jbc.M115.646984.

48. Bates, J., Vijayakumar, A., Ghoshal, S., Marchand, B., Yi, S., et al. (2020) Acetyl-CoA carboxylase inhibition disrupts metabolic reprogramming during hepatic stellate cell activation, J. Hepatol., 73, 896-905, doi: 10.1016/j.jhep.2020.04.037.

49. Li, Q., Qin, Z., Nie, F., Bi, H., Zhao, R., et al. (2018) Metabolic reprogramming in keloid fibroblasts: aerobic glycolysis and a novel therapeutic strategy, Biochem. Biophys. Res. Commun., 496, 641-647, doi: 10.1016/j.bbrc.2018.01.068.

50. Bernard, K. (2018) Collagen biosynthesis in pulmonary fibrosis: unraveling the metabolic web, Am. J. Respir. Cell Mol. Biol., 58, 545-546, doi: 10.1165/rcmb.2017-0350ED.

51. Yoshida, K., Furuya, S., Osuka, S., Mitoma, J., Shinoda, Y., et al. (2004) Targeted disruption of the mouse 3-phosphoglycerate dehydrogenase gene causes severe neurodevelopmental defects and results in embryonic lethality, J. Biol. Chem., 279, 3573-3577, doi: 10.1074/jbc.C300507200.

52. Hecker, L., Logsdon, N. J., Kurundkar, D., Kurundkar, A., Bernard, K., et al. (2014) Reversal of persistent fibrosis in aging by targeting Nox4-Nrf2 redox imbalance, Sci. Transl. Med., 6, 231ra47, doi: 10.1126/scitranslmed.3008182.

53. Tsukui, T., Sun, K.-H., Wetter, J. B., Wilson-Kanamori, J. R., Hazelwood, L. A., et al. (2020) Collagen-producing lung cell atlas identifies multiple subsets with distinct localization and relevance to fibrosis, Nat. Commun., 11, 1920, doi: 10.1038/s41467-020-15647-5.

54. Du, K., Hyun, J., Premont, R. T., Choi, S. S., Michelotti, G. A., et al. (2018) Hedgehog-YAP signaling pathway regulates glutaminolysis to control activation of hepatic stellate cells, Gastroenterology, 154, 1465-1479.e1413, doi: 10.1053/j.gastro.2017.12.022.

55. Robertson, L. T., and Mitchell, J. R. (2013) Benefits of short-term dietary restriction in mammals, Exp. Gerontol., 48, 1043-1048, doi: 10.1016/j.exger.2013.01.009.

56. Spingler, S. R., (2010) Caloric restriction: from soup to nuts, Ageing Res. Rev., 9, 324-353, doi: 10.1016/j.arr.2009.10.003.

57. López-Lluch, G., and Navas, P. (2016) Calorie restriction as an intervention in ageing, J. Physiol., 594, 2043-2060, doi: 10.1113/JP270543.

58. Ribarič, S. (2012) Diet and aging, Oxid. Med. Cell. Longev., 2012, 741468, doi: 10.1155/2012/741468.

59. Xu, S., Tao, H., Cao, W., Cao, Li, Lin, Y., et al. (2021) Ketogenic diets inhibit mitochondrial biogenesis and induce cardiac fibrosis, Signal Transduct. Target. Ther., 6, 54, doi: 10.1038/s41392-020-00411-4.