НЕЙРОТРОПНЫЕ ФАКТОРЫ

 

 

Разобравшись с низкомолекулярным сигнальными веществами, стоит перейти к сигнальным белкам.

История изучения нейротропных регуляторных белков начинается с интересных опытов Риты Леви-Монтанчини по изучению влияния экстракта из мышиной саркомы на развитие нервной системы куриного эмбриона. Интересно, что сведения об этом важном опыте, положившем основу изучению пептидной регуляции роста и развития нервной системы, Леви-Монтанчини опубликовала в журнале, посвящённом зоологии[1]. Ещё до второй мировой войны было известно, что тканевые экстракты содержат в себе биологически активные сигнальные вещества, но до 1950-х годов данным вопросом никто всерьёз не занимался. Исторически первым выделенным в чистом виде нейротропным фактором был NGF (Nerve growth factor – фактор роста нейронов) – своё название он получил потому, что самым первым и самым очевидным эффектом от его воздействия на куриный эмбрион было ускорение развития чувствительных нейронов. Несмотря на то, что его функции с момента открытия были изучены достаточно хорошо, его структура была описана только в 70-х. Через десять лет уже другими учёными[2] был открыт BDNF (Brain-derived neurotrophic factor – нейротропный фактор мозга). По своей структуре и функциям он оказался близок к NGF, но обнаруживался (как легко понять из названия) преимущественно в мозге. Примерно в то же время у животных были обнаружены и описаны другие нейротропные факторы – NT-3 и NT-4/5 (это связано с историческими причинами: тогда нейротрофин лягушек и нейротрофин мышей считались совершенно разными белками, действующими по разным сигнальным путям). Также относительно недавно были выделены нейротрофины NT-6 и NT-7, обнаруженные лишь у Данио-рерио.

Что же представляют собой нейротропные факторы? Это огромная группа белков, включающая не только вышеописанные нейротрофины, но и т.н. глиальные факторы роста: (GDNF) – нейртурин (иногда встречается написание — ньюртурин, NRTN), артемин (ARTN), персифин (PSPN) и некоторые другие (напр. семейство нейрегулинов, некоторые представители которого влияют на развитие холинэргических нейронов[3]). Главной их особенностью является способность контролировать развитие нервной системы, миграцию и дифференциацию нервных клеток. Их сигнальные пути и функции во многом перекрываются между собой. Также главным отличием белковых сигнальных молекул от низкомолекулярных нейромедиаторов (серотонин, дофамин, ГАМК, ацетилхолин и т.п.) является то, что, рассматривая сигнальные системы низкомолекулярных веществ, мы отвечаем на вопрос «Как нейроны взаимодействуют между собой?», а вот факторы белковой природы и их изучение дадут нам ответ на вопрос «Почему нейроны взаимодействуют между собой?».

Семейство нейротрофинов

Из огромного списка белковых молекул, регулирующих развитие и функционирование мозга, можно выделить несколько семейств. Одним из таких являются вышеописанные нейротрофины (NGF, BDNF, NT3, NT4).

Как уже упоминалось ранее, их сигнальные пути и перечень рецепторов, ими активируемых, взаимопересекаются. Но можно выделить два основных типа рецепторов – это Trk-рецепторы и NGFR (Nerve growth factor receptor, также иногда обозначается как низкоафинный рецептор нейротрофинов (LNGFR) и p75). Так что для начала имеет смысл рассмотреть сами «цели» нейротрофинов, а потом перейти к индивидуальным особенностям сигнальных белков.

Основные рецепторы нейротрофинов и сигнальные пути, ими активируемые[4].

Trk-рецепторы

TrkA-рецептор

Лигандом TrkA-рецепторов является NGF. Его основная функция – поддержание жизнеспособности нейрона и блокирование механизмов апоптоза, т.е. данный механизм является частью чрезвычайно сложной внутриклеточной системы сигналов ЗА и ПРОТИВ запуска гибели клетки. Тут стоит сделать отступление и немножечко пояснить: наши клетки довольно суицидальны, и в них постоянно идёт «борьба» сигналов, запускающих и блокирующих апоптоз. С этим, кстати, связан один из механизмов гибели нейронов при заболеваниях, связанных с накоплением белковых агрегатов (бета-амилоид, скрейпи-форма прионного белка): они блокируют целый ряд рецепторов, чья активация необходима для выживания клетки.

Для активации TrkA-рецептора необходим не только сам NGF, но и ещё одна единица TrkA. То есть рецептору необходимо димеризоваться для проявления активности. После каскада реакций фосфорилирования запускаются два основных сигнальных пути:

1. TrkA и адаптерные  белки  GRB2  и GAB1 образуют комплекс, который активирует фосфатидилинозитол-3-киназу (PI3K). PI3K, в свою очередь, активирует Akt (иногда этот белок применительно к другим процессам называют более корректно – протеинкиназа В, PKB). Данный сигнальный путь поддерживает клетку живой, так как протеинкиназа В в норме сохраняет белок-триггер апоптоза BAD (какое говорящее название!) неактивным[5]. Исследования показали, что поддержание активности Akt (вне зависимости от того, стал ли этот белок активным вследствие эффектов NGF или же по иным причинам) является ключевым фактором выживания нейронов[6].
2. Второй путь заключается в активации MAPK. В данном случае рецептор также образует комплекс с адаптерными белками, который в свою очередь активирует белок SOS1 (принадлежащий к семейству факторов обмена гуаниновых нуклеотидов). SOS1 запускает работу белков семейства Ras, чья активность становится напрямую связанной с протеканием клеточного цикла. Ras путём фосфорилирования изменяют активность множества белков, но в данном случае нас интересует Raf (группа серин/треонин-специфичных киназ, также уличённых во влиянии на клеточный цикл[7]). Белки группы Raf запускают работу МАРК, которая является положительным модулятором активности белков группы Rsk (рибосомальные S6-киназы), чья активная работа является залогом выживаемости клетки и нормального протекания клеточного цикла.

Интересно, что сама плотность TrkA-рецепторов может регулироваться убиквитином: при взаимодействии с нейрон-специфичной убиквитинлигазой NEDD-4 происходит «сшивание» рецептора с собственно убиквитином, который транспортирует белок в протеасому для расщепления[8]. 

Эти лишь основные функции TrkA и NGF. Помимо этого, сама первооткрывательница в своих поздних работах утверждала, что функции NGF гораздо более обширны[9]. Большая плотность TrkA-рецепторов обнаруживается на пептидэргических ноцицептивных (чувствительных к тахикининам) нейронах.

Относительно недавно обнаружена патологическая изоформа TrkA – TrkAIII. Данная изоформа, будучи активной в отсутствии лиганда(!), запускает перерождение ранних нейронов-прогениторов в нейробластому[10].

TrkB-рецепторы

Главными лигандами данного рецептора являются BDNF и NT-4. NT-3 также имеет к нему аффинитет, но гораздо меньший, чем к своей основной цели – рецептору TrkC.

Данный рецептор может существовать в трёх изоформах, которые различаются не только по строению, но и по типу запускаемых сигнальных путей: длинная изоформа – TrkB ТК+ –  и две коротких –  TrkB Т1 и TrkB Т2 (иногда объединяются под обозначением TrkB ТК-). Две последних изоформы отличаются между собой короткими специфичными аминокислотными фрагментами[11].

Источник: журнал Nature. Nature Reviews Neuroscience 10, 850-860 (December 2009) | doi:10.1038/nrn2738 TrkB signalling pathways in LTP and learning

Для активации TrkB необходима димеризация, причём, согласно современным данным, активны только гомодимеры, состоящие из определённой изоформы.

Подробнее механизм работы рецептора описан на этой схеме:

Источник: журнал Nature. Nature Reviews Neuroscience 10, 850-860 (December 2009) | doi:10.1038/nrn2738 TrkB signalling pathways in LTP and learning

Сигнальный путь проиллюстрирован на примере TK+ изоформы при её активации BDNF. При присоединении лиганда происходит следующее: адаптерные белки (среди них уже известные нам GRB2 и GAB1) активируют сигнальный путь MAPK (состоящий из сигнальной цепи MEK, ERK, RSK), который в свою очередь ведёт к выключению про-апоптотических белков и активизации транскрипции генов, ответственных за предотвращение апоптоза. 

Другой сигнальный путь начинается с активации фосфолипазы С (PLC). Она повышает уровни IP3 и DAG. DAG активирует протеинкиназу С (PKC), которая участвует в процессах повышения плотности рецепторов (синаптической пластичности) и в выключении про-апоптотических белков. IP3 высвобождает ионы кальция из эндоплазматического ретикулума. Кальций активирует Ca/кальмодулин-зависимые киназы CaMKII, CaMKK, CaMKIV. Они включают транскрипционный фактор CREB, который стимулирует транскрипцию генов (активных в данной клетке), ответственных за формирование LTP (долговременной потенциации). Данный механизм влияет, например, на процессы запоминания. 

Воздействие BDNF на культуру нейронов, флюоресцентное ИГХ-окрашивание. Как видно, контроль без избыточного уровня BDNF демонстрирует менее развитые связи. Источник: http://flavonoids.weebly.com

Конечно, между различными изоформами существует разница в том, какие сигнальные пути они активируют[12]. Так, изоформа ТК1 запускает сигнальный путь, влияющий на концентрацию кальция и последующий запуск CREB. Также ТК1 может запускать белок RhoGDI1, регулирующий работу Rho-ГТФаз, тем самым влияя на морфологию клетки за счёт регуляции сборки нитей актина[13].

TrkC-рецептор

Данный рецептор имеет всего лишь один главный лиганд – NT-3. Его механизм схож с таковым у TrkB, однако различается локализацией. Большие скопления рецепторов обнаруживаются на проприоцептивных и механоцептивных нейронах. С нарушением функций данных рецепторов и последующей смертью нейронов, на которых они расположены, могут быть связаны головокружение и утрата координации движений, характерные для многих нейродегенеративных заболеваний.

LNGFR (Low-affinity Nerve Growth Factor Receptor, иногда — p75 neurotrophin receptor)

Необходимо также рассмотреть и этот рецептор нейротрофинов. Он не проявляет особой избирательности (любой из четырёх нейротрофинов может с ним связаться), но отличает его низкий аффинитет, т.е. он активируется лишь при высоких концентрациях сигнальных молекул.

В пику рецепторам группы Trk, LNGFR наоборот запускает при активации программу апоптоза. Разница заключается лишь в концентрациях нейротрофинов. Также данный рецептор может образовывать комплекс с TrkA, который переводит TrkA в высокоаффинное состояние, позволяя связывать NGF при ещё меньших концентрациях и одновременно запускать те же самые сигнальные пути, что и в обычном состоянии.

Более наглядно взаимодействие про-апоптотического и анти-апоптотического действия рецепторов нейротрофинов можно рассмотреть на этой простой схеме:

Источник: http://www.polygenicpathways.co.uk/

То есть LNGFR действует тремя основными путями: 

1. Прерывание цепи сигналов от Trk-рецепторов, направленных на выживание клетки, путём блокирования работы PI3K (фосфатидилинозитолкиназы).
2. Блокирование процесса аксонального роста через блокаду RhoA с помощью активации белка-ингибитора RhoGDI.
3. Третий путь заключается в активации MAPK8 (киназа из семейства JNK). Данная киназа отвечает за последующий прямой запуск апоптоза при сигналах от TNF-подобных рецепторов (к которым, кстати, и относится LNGFR[14]).

Глиальные факторы роста

Другой большой группой белков, регулирующих рост и развитие нервной системы, являются глиальные факторы роста (иногда обозначаются как GFL – glial family of ligands). С ними произошла классическая ситуация, когда белок, выделенный из одной ткани, оказывается более активным в совершенно другой. Так и здесь: будучи впервые выделенными из культуры глиальных клеток, GFL были обнаружены и в других популяциях нейронов.

Интересной особенностью данного класса сигнальных белков является то, что в их отношении есть опыт клинического применения! Но об этом чуть ниже.

В целом функции GFL аналогичны нейотрофинам: дифференциация (развитие), поддержание жизнедеятельности, блокирование нежелательного апоптоза. Как и рецепторы, механизмы, обеспечивающие реализацию функций глиальных факторов, были открыты не так давно – до сих пор в статьях по этой тематике можно встретить такие выражения: “ещё не определён”, ”роль по-прежнему неясна”, “результаты противоречивы” и так далее, что, естественно, не очень хорошо. Но имеет перспективы для тех, кто хочет выяснить, как работает этот аспект регуляции функционирования нервной системы. В отличие от BNDF, который влияет на выработку релина, необходимого для правильно развития мозга в частности и выживания в целом, некоторые представители этого класса белков не являются жизненно важными, например, нейртурин[15]. В настоящее время, однако, уже выяснено, что каскады передачи сигнала схожи с таковыми у нейротрофинов:

Источник: http://www.secobi.fq.edu.uy/

Это говорит о наличии основных сигнальных путей MEK/ERK (отвечает за клеточное деление, дифференциацию и рост аксонов), PI3K/Akt(PKB) (отвечает за блокирование про-апоптотических белков и поддержание клетки живой) и PLC/PKC (отвечает за синаптическую пластичность). Следует помнить, что сигнальные пути иногда «пересекаются» на уровне вторичных мессенджеров.

Стоит отметить, что перекрываются также и профили связывания с рецепторами[16]:

Источник: «Is GAS1 a co-receptor for the GDNF family of ligands?»Schueler-Furman, Ora et al.
Trends in Pharmacological Sciences , Volume 27 , Issue 2 , 72 — 77

Известно, что существуют четыре типа рецепторов глиальных факторов роста: GFRα1 – преимущественно с ним связывается GDNF, GFRα2 – связывает нейртурин, GFRα3 – для артемина и GFRα4 – для персефина. Но существует также и перекрёстное связывание: GFRα1 с меньшим аффинитетом способен активироваться нейртурином и артемином, а GFRα2 – GDNF.

Конечно же, в рецепторах глиальных факторов существуют и специфические отличия от рецепторов нейротрофинов, которые стоит рассмотреть[17].

Источник: The GDNF family: Signalling, biological functions and therapeutic value
Matti S. Airaksinen & Mart Saarma
Nature Reviews Neuroscience 3, 383-394 (May 2002)
doi:10.1038/nrn812

Поскольку в целом для этой группы факторов роста нейронов механизм работы рецепторов схож, то в описании можно использовать общее наименование – GFL. Их главное отличие от нейротрофинов состоит в том, что связывания с «голым» рецептором никогда не происходит. Сам процесс связывания может проходить по двум возможным механизмам: взаимодействие с комплексом RET/GFR (GDNF-Family Receptor), когда сигнальная молекула связывается с заякоренными на мембране рецепторами, и второй вариант, при котором сначала связывание происходит со свободно растворённой молекулой GFR, затем – с последующим образованием комплекса GFR/GFL с RET. Главное отличие состоит в том, что в первом случае GFR имеет прямую связь с мембраной, а во втором – «висит» на RET. Это выражается в наборе рекрутируемых адаптерных белков: в случае прямой связи с мембраной там присутствуют FRS2 и Ras, которые запускают MEK/ERK-пусть (заканчивающийся активацией MAPK), а в случае связи GFR через RET в комплексе обнаруживается PI3K, запускающая PI3K/Akt-путь. Также среди комплексов адаптерных белков можно обнаружить PLC, чья активация запускает PLC/PKC-путь.

Исследователи также предполагают наличие RET-независимого пути действия GFL.

Источник: The GDNF family: Signalling, biological functions and therapeutic value
Matti S. Airaksinen & Mart Saarma
Nature Reviews Neuroscience 3, 383-394 (May 2002)
doi:10.1038/nrn812

В случае заякоренного GFR рецепторная молекула может димеризоваться с ещё не открытым белком (но чьё существование высоко вероятно) и активировать SFK (Src-Family Kinase). SFK, будучи заякоренной с внутренней стороны мембраны, может свободно по ней перемещаться на липидном рафте, изменяя путём фосфорилирования активность других мембранных белков.

Функции GFL в процессе развития нервной системы

Условно можно разделить роли глиальных факторов роста на две категории: участие в развитии симпатической (а) и парасимпатической (б) нервной системы. Это продемонстрировано на примере верхнего шейного и крылонёбного ганглиев соответственно. Источник: The GDNF family: Signalling, biological functions and therapeutic value
Matti S. Airaksinen & Mart Saarma
Nature Reviews Neuroscience 3, 383-394 (May 2002)
doi:10.1038/nrn812

А) В процессе эмбрионального развития прогениторным клеткам нейронов верхнего шейного ганглия необходим ARTN (артемин) для миграции на своё место, деления и роста аксонов. Под конец эмбрионального развития и в перинатальном периоде ARTN уступает место NT-3 в качестве главного сигнального фактора. В процессе жизнедеятельности клетки становятся зависимыми от NT-3 и без него уже не способны жить.

Б) А вот у клеток-прогениторов нейронов крылонёбного ганглия главным сигнальным белком, дающим команду к миграции, делению и дифференциации в эмбриональном периоде, является GDNF. Затем он сменяется на NRTN (нейртурин), потому что клетки в перинатальном периоде «переключают» тип рецепторов на клеточной мембране с GFRα1 на GFRα2[17]. Интересное отличие: данная популяция клеток, которая с одного GFL перешла на другой, не становится от него зависимой, т.е. её жизнедеятельность может продолжаться и при отсутствии этого сигнального фактора.

Выключение генов семейства GFL или RET

Также имеются интересные данные о том, к чему ведёт выключение того или иного гена семейства GFL и RET.

Как видно из таблицы, факторы роста для нервной системы являются чем-то вроде чертежей, по которым она строится и развивается не только в эмбриональный период, но и весь постнатальный период жизни[17]. Существует теоретическая модель влияния GFL на дофаминэргическую передачу[18], точнее, она раскрывает одну из сторон синаптической пластичности.

Источник: Poo, M. M. Neurotrophins as synaptic modulators. Nature
Rev. Neurosci. 2, 24–32 (2001).

Выяснено[19], что уровень экспресии различных GFL гораздо ниже уровня экспрессии рецепторов к ним. Однако при стимуляции или судорогах уровень мРНК GDNF и NRTN увеличивается, правда, пока неясно, происходит ли это напрямую от повышенной активности нейронов либо имеются какие-нибудь сигнальные белки, повышающие экспрессию GFL в этой ситуации. Также пока неизвестно, является ли выброс GFL зависимым от активности нейрона. Пока что данные таковы: при повышенной концентрации калия во внеклеточном пространстве и соответственно частой деполяризации изменяется и экспрессия рецепторов: увеличивается количество мРНК GFRα1 и уменьшается – GFRα2, правда, эти данные получены в опытах in vitro на нейронах ганглиев цыплёнка. Однако в последующих экспериментах выяснилось, что эти данные можно проэкстраполировать на взрослый организм: при инсульте и эпилепсии обнаруживается схожее изменение паттерна экспрессии генов! Хотя значение таких изменений до сих пор неясно.

Предположительное влияние GFL на образование синаптических связей обнаружилось после того, как гетерозиготные мыши, нокаутные по гену GDNF, с трудом проходили водный тест Морриса. 

На рисунке выше представлена теоретическая модель влияния GDNF на дофаминэргический синапс в нейронах полосатого тела. GDNF, скорее всего, высвобождается постсинаптическим нейроном или соседними нейронами. Также окружающие нейроны могут высвобождать GFRα1в свободной форме. Затем GDNF или комплекс GDNF/ GFRα1 взаимодействует с GFRα1/RET или RET соответственно на мембране пресинаптического нейрона. В опытах показано, что GDNF увеличивает количество высвобождаемого из пресинаптической терминали дофамина. Это происходит в результате потенциации кальциевых каналов[20] с помощью увеличения экспрессии NCS-1 (он же Frequenin на схеме), так как этот белок, взаимодействуя с альфа-субъединицей вольтаж-зависимых кальциевых каналов, увеличивает поступление кальция в клетку. Также изменяется работа калиевых каналов А-типа (в основном Kvα4.x — Kv4.1, Kv4.2, Kv4.3). Все эти изменения ведут в конечном счёте к увеличению выброса дофамина при возбуждении.

Клиническая роль нейротрофинов и глиальных факторов роста

BDNF

Проводились эксперименты по применению чистого BDNF при поражениях сетчатки и зрительного нерва[21]. Опыты на кошках показали, что введение BDNF в больших количествах вызывало специфическое воспаление, выборочно сохраняющее нейроны средних размеров, которые являются наиболее распространёнными и поражаются в первую очередь.

Также BDNF является одной из мишеней для лечения хореи Гентингтона[22]. Выяснено, что мутантный хантингин вызывает не только накопление белковых агрегатов, но и напрямую снижает уровень BDNF в нейронах, в то время как нормальный хантингин его наоборот поддерживает на постоянном уровне. Анти-BDNF действие мутантной формы хантингина происходит потому, что из-за структурных изменений невозможна сборка комплекса хантингин/HAP1, благодаря которому происходит нормальный транспорт и выделение BDNF[23]. Введение с помощью генотерапии нормальной формы хантингина может не только предотвратить накопление белковых агрегатов, но и оказать прямое поддерживающее действие с помощью увеличения уровня BDNF.

Также, несмотря на то, что многие клиницисты считают нейрогенез во взрослом мозге невозможным, он (нейрогенез) играет одну из ключевых ролей в действии антидепрессантов[24]. Многие представители данного класса препаратов увеличивают плотность AMPA и NMDA-рецепторов, чья стимуляция немного увеличивает уровень BDNF[25].

Наконец, BDNF играет роль в старении нервной системы. Со временем экспрессия BDNF снижается, но введение экзогенного BDNF или усиление его экспрессии (равно как и рецепторов группы TrkB) обратило в опытах на животных[26] некоторые функциональные и морфологические признаки старения в нервной системе.

NGF

Интересной особенностью данного сигнального вещества является регуляция влюблённости. И – я не шучу – вот почему: у людей, состоящих в постоянных отношениях около 12 месяцев, уровень NGF в крови ~ 227pg/ml; у тех, кто недавно расстался или же состоит в более долговременных отношениях ~ 123pg/ml, а у истинных титанов одиночества, не состоящих в отношениях вообще, он ~149pg/ml[28]. Причём изменяется уровень лишь этого нейротрофина. Забавно, что этим же объясняются «приливы крови» в минуты смущения: NGF напрямую стимулирует выброс вазопрессина, который в свою очередь вызывает повышение уровня АКТГ, а он заставляет надпочечники секретировать кортизол. Кроме того, АКТГ сам по себе является стимулятором выброса NGF, таким образом вызывая достаточно долгий самоподдерживающийся цикл физиологических реакций[29]. Собственно, это один из нейробиологических механизмов любви, живите с этим знанием. Кстати, в период повышенного уровня NGF наблюдается повышенная синаптическая пластичность, и, как следствие, воспоминания, полученные в этот период, остаются на очень долгое время. Кстати, интересно, что наиболее подробный механизм этого процесса, запускаемого красивыми женщинами, изложен в психиатическом журнале, специализирующемся на аффективных состояниях. Чуть не забыл: со временем высокий уровень кортизола заглушит секрецию NGF[30] и прикроет ваши отношения. Можешь ей не звонить, у неё то же самое в голове.

Также NGF может выделяться тучными клетками, вызывая рост аксонов близлежащих ноцицептивных нейронов, таким образом увеличивая ощущение боли при воспалении. Чтобы жизнь мёдом не казалась.

GDNF

В чистом виде этот регуляторный белок предлагали использовать для лечения различных заболеваний, среди которых болезнь Паркинсона[31]. Пациентам был произведён курс двустороннего введения GDNF в скорлупу (путамен). Спустя 24 недели их неврологический статус был вновь измерен по шкале UPDRS (Unified Parkinson’s Disease Rating Scale) и было отмечено улучшение в среднем на 30%. Также GDNF был испытан в качестве перспективного средства для лечения бокового амиотрофического склероза, однако больших результатов это исследование не достигло[32].

Также, конечно, было изучено влияние этого белка в процессах формирования наркотической и алкогольной зависимостей. В случае алкогольной зависимости его внезапно увязали с ибогаином. Исследователи объединили данные по использованию ибогаина[33] в качестве средства от алкоголизма, приучили мышей к алкоголю, а затем вводили им ибогаин в VTA (вентральная область покрышки) и чёрное вещество. Результата они получили два: первый – значительное снижение потребления (self administration) алкоголя, а второй – более чем двухкратное увеличение экспрессии GDNF. Свои догадки о том, что зависимость от алкоголя пропадает именно от GDNF, исследователи решили подтвердить прямым введением этого сигнального белка в дофаминэргические зоны мозга. Результатам стало, как не трудно догадаться, то же самое снижение потребление алкоголя, что и от ибогаина, только несколько слабее. К несомненным плюсам лечения алкоголизма ибогаином можно отнести и то, что процессы экспрессии GDNF были увеличены в течение 24 часов с момента введения, т.е. мозг производил больше GDNF, чем при прямом введении этого белка.

NRTN

Данный белок также рассматривался в качестве перспективного нейропротективного средства при различных нейродегенеративных заболеваниях. Однако опыты с ним стоит расписать, поскольку в них использовался один из моих любимых экспериментальных нейротоксикантов – 6-OHDA (6-гидроксидофамин). Он по структуре очень похож на дофамин как таковой, также он и захватывается внутрь клетки с помощью DAT (дофаминовый транспортер), а затем, являясь одним из субстратов МАО (моноаминоксидазы), он производит активный кислородный радикал. Множество таких молекул внутри клетки способны создать оксидативный стресс, ведущий к гибели нейрона. Так вот, NRTN в данных опытах оказался способен защитить дофаминэргические нейроны среднего мозга не только от паркинсонизма как такового, но и от токсически-индуцированной его формы[34]. Также NRTN показал способность защищать холинэргические нейроны, но, увы, пока что лишь in vitro[35]. Интересно, что несмотря на то, что для культивации был взят образец эмбриональной нервной ткани, клетки которой в месте выреза лишь начали дифференцироваться в клетки именно мозга, благодаря культивированию с NRTN и PSPN они успешно дошли до стадии зрелых холинэргических нейронов переднего мозга (BFCN).

ARTN

Этот сигнальный белок в чистом виде предлагали применять для лечения хронических нейропатических болей[36]. В экспериментах было произведено повреждение нервов и выяснено, что артемин оказывает дозозависмое и хронозависмое действие. То есть чем больше и дольше вводим, тем лучше проходит нейропатическая боль. Даже при маленьких дозировках артемин действовал в среднем 28 дней, т.е. в течении этого времени после последней инъекции в тканях и клетках наблюдались изменения, характерные для процесса регенерации.

PSPN

А вот его предлагали применять для лечения последствий ишемического инсульта[37]. Вообще его антиишемическое действие было открыто при наблюдениях за мышами, имеющими дефицит персефина: у них было отмечено 300% повышение объёма отмирания нервных клеток при ишемии по сравнению с контрольной группой. Также были проведены опыты с введением человеческого(!) рекомбинантного персефина, который в моделях на PSPN-дефицитных мышах показывал хорошие нейропротекторные свойства. Затем было уточнено, что PSPN защищает конкретно от глутаматной эксайтоксичности, являющейся одной из главных причин смерти нейронов при ишемии.

В качестве заключения

Стоит отметить, что в статье рассмотрены лишь самые основные белки-регуляторы роста, развития и жизнедеятельности нервных клеток. На самом деле их ещё больше, правда, они менее исследованы. Например, существуют семейства белков CNTF, эфринов и нейрегулинов. Они очень разнообразны, и я постараюсь их как-нибудь разобрать. Ведь среди них встречаются действительно очень интересные экземпляры, например, NRG-1 тип I, избирательно увеличивающий плотность ацетилхолиновых рецепторов. Все эти типы сигнальных молекул вместе с другими регуляторными белками и низкомолекулярными соединениями являются одним большим оркестром, очень слаженно исполняющим тонкую партию развития нервной системы.

Что касается нейротрофинов и глиальных факторов, то они, вне всякого сомнения, играют жизненно важные роли в развитии нервной системы (см. таблицу с нокаутными по генам глиальных факторов мышами). Однако их клиническое применение, несмотря на вышеописанные попытки, сильно ограничено. Главными проблемами являются их дороговизна получения и сложность доставки: как читатель мог заметить, во всех случаях происходило введение белка прямо в мозг, что делает такие методы малоприменимыми в клинической практике.

Но и эту проблему можно обойти: относительно недавно были изобретены несколько веществ с пептидомиметической активностью. Например, внимания заслуживает LM22A-4

BDNF-миметик и TrkB-агонист[38]

На выживаемость и деление нейронов он оказывает такое же действие, как и сам BDNF. Тут стоит отметить, что низкие результаты по TUNEL/DAPI означают бóльшую выживаемость, так как этот метод окраски клеток позволяет выяснить, какие из клеток умерли (живые клетки этот краситель в себя не пропускают).
Кроме того, исследовательская группа, проводившая это исследование, осуществила замечательный эксперимент по моделированию нейродегенеративных заболеваний и сравнению нейропротекторной активности BDNF и LM22A-4:

Для пояснения –
А) Модель болезни Альцгеймера с бета-амилоидом. Все эксперименты дублировались с K252a (на схеме – К), избирательным блокатором Trk-рецепторов. Культуры были разделены на 2 большие надгруппы –
1)Контроль, контроль+К
2) Экспериментальная группа с бета-амилоидом. Как видно, контрольные культуры потерпели наибольшие потери, а вот в культурах с BDNF и LM22A-4 картина похожая: если Trk-рецептор не заблокирован, то нейроны вполне успешно выживают в присутствии бета-амилоида.

Б) Модель болезни Паркинсона. Тут также культуры разделены на 2 надгруппы – контроль, контроль+К и экспериментальная серия с избирательным дофаминэргическим нейротоксикантом MPP+ (производное MPTP, которое переносится в клетку с помощью DAT и становится активным с помощью МАО, убивает клетку путём разрушения цепи переноса электронов). Как видно, в группе, подвергшейся действию токсина, контрольные культуры понесли самые большие потери, а те, что были с BDNF и LM22A-4, – наименьшие. За исключением случаев +К, так как при блокировании Trk-рецептора нивелируется и нейропротекторное действие.

С) Модель хореи Гентингтона. Здесь в качестве модельного токсиканта выбрана хинолиновая кислота (QA — Quinolinic acid), NMDA-агонист. Только в данном случае было выбрано окрашивание не мёртвых, а живых клеток с помощью антител к DARPP-32. Дизайн эксперимента был тем же: 2 надгруппы – без токсина и с присутствием токсина. Опять же, в надгруппе с токсином BDNF и синтетическое вещество показали одинаковую защитную активность!

Создание подобных лигандов с профилем активности, не уступающим эндогенному высокомолекулярному аналогу, открывает, по сути, новую страницу в истории неврологии. Представьте себе, что появится возможность регенерировать нервы так же легко, как и кожу! Дело за малым – протестировать и спроектировать избирательные лиганды факторов роста нейронов. Структуры известны, механизмы работы известны – иди и занимайся докингом и синтезом! Просто встань и иди.

Автор: Anonimch

Изображения: Антон Осипенко

Редакция: Deepest Depths, Елена Лисицына, Дмитрий Сильнов, Борис Ли, Юля Белова

Источники

[1] Selective growth stimulating effects of mouse sarcoma on the sensory and sympathetic nervous system of the chick embryo. LEVI-MONTALCINI R, HAMBURGER V J Exp Zool. 1951 Mar; 116(2):321-61.

[2] Purification of a new neurotrophic factor from mammalian brain. Barde YA, Edgar D, Thoenen H EMBO J. 1982; 1(5):549-53.

[3] Liu X, Bates R, Yin DM, Shen C, Wang F, Su N, Kirov SA, Luo Y, Wang JZ, Xiong WC, Mei L (June 2011). «Specific Regulation of NRG1 Isoform Expression by Neuronal Activity». J. Neurosci. 31 (23): 8491–501. doi:10.1523/JNEUROSCI.5317-10.2011. PMC 3154699. PMID 21653853.

[4] Neuroprotection in Glaucoma By Sotiria Palioura and Demetrios G. Vavvas DOI: 10.5772/54294

[5] Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2002). «Figure 15-60: BAD phosphorylation by Akt». Molecular biology of the cell. New York: Garland Science. ISBN 0-8153-3218-1.

[6] Crowder RJ, Freeman RS (Apr 1998). «Phosphatidylinositol 3-kinase and Akt protein kinase are necessary and sufficient for the survival of nerve growth factor-dependent sympathetic neurons». The Journal of Neuroscience 18 (8): 2933–43. PMID 9526010.

[7] Zebisch A, Troppmair J (June 2006). «Back to the roots: the remarkable RAF oncogene story». Cell. Mol. Life Sci. 63 (11): 1314–30. doi:10.1007/s00018-006-6005-y. PMID 16649144.

[8] Yu T, Calvo L, Anta B, López-Benito S, Southon E, Chao MV, Tessarollo L, Arévalo JC (April 2011). «Regulation of trafficking of activated TrkA is critical for NGF-mediated functions». Traffic 12 (4): 521–34. doi:10.1111/j.1600-0854.2010.01156.x. PMC 3547592. PMID 21199218.

[9] Levi-Montalcini R (2004). «The nerve growth factor and the neuroscience chess board». Progress in Brain Research 146: 525–7. doi:10.1016/s0079-6123(03)46033-0. PMID 14699984.

[10] Mol Cell Biol. 2009 Sep;29(17):4812-30. doi: 10.1128/MCB.00352-09. Epub 2009 Jun 29. The alternative TrkAIII splice variant targets the centrosome and promotes genetic instability. Farina AR1, Tacconelli A, Cappabianca L, Cea G, Panella S, Chioda A, Romanelli A, Pedone C, Gulino A, Mackay AR.

[11] «TrkB signalling pathways in LTP and learning» Liliana Minichiello Nature Reviews Neuroscience 10, 850-860 (December 2009) doi:10.1038/nrn2738

[12] Clin Cancer Res. 2009 Oct 1;15(19):5962-7. doi: 10.1158/1078-0432.CCR-08-0651. Epub 2009 Sep 15. On Trk—the TrkB signal transduction pathway is an increasingly important target in cancer biology. Thiele CJ1, Li Z, McKee AE.

[13] J Neurosci. 2005 Feb 9;25(6):1343-53. A truncated tropomyosin-related kinase B receptor, T1, regulates glial cell morphology via Rho GDP dissociation inhibitor 1. Ohira K1, Kumanogoh H, Sahara Y, Homma KJ, Hirai H, Nakamura S, Hayashi M.

[14] http://www.genome.jp/kegg-bin/show_pathway?133840406410261/hsa04722.args

[15]  Gill S, Patel N, Hotton G, O’Sullivan K, McCarter R, Bunnage M, Brooks D, Svendsen C, Heywood P (2003). «Direct brain infusion of glial cell line-derived neurotrophic factor in Parkinson disease». Nat Med 9 (5): 589–95. doi:10.1038/nm850. PMID 12669033.

[16] «Is GAS1 a co-receptor for the GDNF family of ligands?»Schueler-Furman, Ora et al. Trends in Pharmacological Sciences , Volume 27 , Issue 2 , 72 — 77

[17] The GDNF family: Signalling, biological functions and therapeutic value Matti S. Airaksinen & Mart Saarma Nature Reviews Neuroscience 3, 383-394 (May 2002) doi:10.1038/nrn812

[18] Poo, M. M. Neurotrophins as synaptic modulators. Nature Rev. Neurosci. 2, 24–32 (2001).

[19] Airaksinen, M. S., Titievsky, A. & Saarma, M. GDNF family neurotrophic factor signaling: four masters, one servant? Mol. Cell. Neurosci. 13, 313–325 (1999).

[20] Wang, C. Y. et al. Ca2+ binding protein frequenin mediates GDNF-induced potentiation of Ca2+ channels and transmitter release. Neuron 32, 99–112 (2001).

[21] Chen, H., Weber, A. J. BDNF enhances retinal ganglion cell survival in cats with optic nerve damage. Invest. Ophthal. Vis. Sci. 42: 966-974, 2001

[22] Zuccato, C., Ciammola, A., Rigamonti, D., Leavitt, B. R., Goffredo, D., Conti, L., MacDonald, M. E., Friedlander, R. M., Silani, V., Hayden, M. R., Timmusk, T., Sipione, S., Cattaneo, E. Loss of huntingtin-mediated BDNF gene transcription in Huntington’s disease. Science 293: 493-498, 2001

[23] Gauthier, L. R., Charrin, B. C., Borrell-Pages, M., Dompierre, J. P., Rangone, H., Cordelieres, F. P., De Mey, J., MacDonald, M. E., Lebmann, V., Humbert, S., Saudou, F. Huntingtin controls neurotrophic support and survival of neurons by enhancing BDNF vesicular transport along microtubules. Cell 118: 127-138, 2004.

[24] Mattson MP (Nov 2008). «Glutamate and neurotrophic factors in neuronal plasticity and disease». Annals of the New York Academy of Sciences 1144: 97–112.

[25] Sequential changes in BDNF mRNA expression and synaptic levels of AMPA receptor subunits in rat hippocampus after chronic antidepressant treatment. Martínez-Turrillas R, Del Río J, Frechilla D Neuropharmacology. 2005 Dec; 49(8):1178-88.

[26] Brain Res Rev. 2008 Nov;59(1):201-20. doi: 10.1016/j.brainresrev.2008.07.007. Epub 2008 Aug 3. New insights into brain BDNF function in normal aging and Alzheimer disease. Tapia-Arancibia L1, Aliaga E, Silhol M, Arancibia S.

[27] Gall C, Lauterborn J, Bundman M, Murray K, Isackson P (1991). «Seizures and the regulation of neurotrophic factor and neuropeptide gene expression in brain». Epilepsy Research. Supplement 4: 225–45.

[28] Emanuele, Enzo; Politi, Pierluigi; Bianchi, Marika; Minoretti, Piercarlo; Bertona, Marco; Geroldi, Diego (2006-04-01). «Raised plasma nerve growth factor levels associated with early-stage romantic love». Psychoneuroendocrinology 31 (3): 288–294.

[29] Valiengo, Leandro L.; Soeiro-de-Souza, Márcio G.; Marques, Andrea H.; Moreno, Doris H.; Juruena, Mário F.; Andreazza, Ana Cristina; Gattaz, Wagner F.; Machado-Vieira, Rodrigo (2012-04-01). «Plasma cortisol in first episode drug-naïve mania: Differential levels in euphoric versus irritable mood». Journal of Affective Disorders 138 (0): 149–152.

[30] Lipov, Eugene; Kelzenberg, Briana; Rothfeld, Courtney; Abdi, Salahadin (2012-12-01). «Modulation of NGF by cortisol and the Stellate Ganglion Block — is this the missing link between memory consolidation and PTSD?». Medical Hypotheses 79 (6): 750–753.

[31] J Neurosurg. 2005 Feb;102(2):216-22. Improvement of bilateral motor functions in patients with Parkinson disease through the unilateral intraputaminal infusion of glial cell line-derived neurotrophic factor. Slevin JT1, Gerhardt GA, Smith CD, Gash DM, Kryscio R, Young B.

[32] Science. 1994 Nov 11;266(5187):1062-4. GDNF: a potent survival factor for motoneurons present in peripheral nerve and muscle. Henderson CE1, Phillips HS, Pollock RA, Davies AM, Lemeulle C, Armanini M, Simmons L, Moffet B, Vandlen RA, Simpson LC corrected to Simmons L, Koliatsos VE, Rosenthal A, et al.

[33] J Neurosci. 2005 Jan 19;25(3):619-28. Glial cell line-derived neurotrophic factor mediates the desirable actions of the anti-addiction drug ibogaine against alcohol consumption. He DY1, McGough NN, Ravindranathan A, Jeanblanc J, Logrip ML, Phamluong K, Janak PH, Ron D.

[34] J Neurosci. 1998 Jul 1;18(13):4929-37. Neurturin exerts potent actions on survival and function of midbrain dopaminergic neurons. Horger BA1, Nishimura MC, Armanini MP, Wang LC, Poulsen KT, Rosenblad C, Kirik D, Moffat B, Simmons L, Johnson E Jr, Milbrandt J, Rosenthal A, Bjorklund A, Vandlen RA, Hynes MA, Phillips HS.

[35] Exp Neurol. 2003 Nov;184(1):447-55. Neurturin and persephin promote the survival of embryonic basal forebrain cholinergic neurons in vitro. Golden JP1, Milbrandt J, Johnson EM Jr.

[36] Nat Med. 2003 Nov;9(11):1383-9. Epub 2003 Oct 5. Multiple actions of systemic artemin in experimental neuropathy. Gardell LR1, Wang R, Ehrenfels C, Ossipov MH, Rossomando AJ, Miller S, Buckley C, Cai AK, Tse A, Foley SF, Gong B, Walus L, Carmillo P, Worley D, Huang C, Engber T, Pepinsky B, Cate RL, Vanderah TW, Lai J, Sah DW, Porreca F.

[37] Proc Natl Acad Sci U S A. 2002 Jul 9;99(14):9521-6. Epub 2002 Jul 1. Effects of cerebral ischemia in mice deficient in Persephin. Tomac AC1, Agulnick AD, Haughey N, Chang CF, Zhang Y, Bäckman C, Morales M, Mattson MP, Wang Y, Westphal H, Hoffer BJ.

[38] Small molecule BDNF mimetics activate TrkB signaling and prevent neuronal degeneration in rodents Stephen M. Massa … Jayakumar Rajadas, Frank M. Longo Published May 3, 2010 Citation Information: J Clin Invest. 2010;120(5):1774-1785. doi:10.1172/JCI41356.