Лескова Г.Ф.

НИИ общей патологии и патофизиологии РАМН, Москва

Крыжановский Г.Н.

Дисрегуляция обмена фосфолипидов нейрональных мембран в патологии нервной системы

Журнал: Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. 2010;110(6): 102-106

Просмотров : 6

Загрузок : 1

Как цитировать

Лескова Г. Ф., Крыжановский Г. Н. Дисрегуляция обмена фосфолипидов нейрональных мембран в патологии нервной системы. Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. 2010;110(6):102-106.

Авторы:

Лескова Г.Ф.

НИИ общей патологии и патофизиологии РАМН, Москва

Все авторы (2)

Согласно амилоидной гипотезе патогенеза нейродегенерации, ключевым звеном развития патологического процесса в этих случаях является расщепление трансмембранного белка - предшественника β-амилоидного пептида (АРР), с выделением этого пептида. Накопление АРР приводит к возникновению амилоидных бляшек в межклеточном пространстве и стимуляции формирования т-фибрилл. Среди причин повреждения ЦНС рассматривают также апоптоз нейронов и эксайтотоксичность возбуждающих аминокислот (ВАК). Представляют интерес также появившиеся в последние годы доказательства значимости в возникновении патологических изменений в нейронах дисрегуляции обмена мембранных фосфолипидов (ФЛ), что может вызывать повреждение клеточных мембран, инициирует нарушения клеточной сигнализации, эксайтотоксичность ВАК и усиление апоптоза. В настоящем обзоре представлены соответствующие исследования.

Роль дисрегуляции обмена фосфатидилинозитола в нарушении клеточной сигнализации

В исследованиях последних лет показаны рецептор-опосредованные механизмы разрушения небольшого количества ФЛ для передачи сигналов внутрь клетки через вторичные мессенжеры. В этом процессе важнейшую роль играют метаболиты фосфатидилинозитола (ФИ), контролирующие мембранный транспорт медиаторов, включая эндо-, экзоцитоз и связывание везикул [6, 38]. Усиление активности чувствительной к фосфоинозитиду фосфолипазы С опосредуется стимуляцией мускариновых холинорецепторов М1, М3 и М5 подтипов, а также адрено- и глутаматных (метаботропных) рецепторов, причем фактор стимуляции холинорецепторов в этом процессе является основным [11, 33, 55]. Действие освобождающихся из пресинаптических мембран медиаторов на постсинаптические рецепторы приводит к образованию активированного рецептор-лигандного комплекса, инициирующего стимуляцию нейротрансмиссии по пути, оперирующем фосфорилированными формами ФИ. Гиперактивация гидролиза фосфоинозитидов инициирует усиление Са2+-зависимых процессов, приводящих, как известно, к повреждению нейронов [12]. Снижение в нейронах уровня метаболита ФИ - ФИ-4,5-дифосфата - усиливает образование β-амилоида из АРР, причем этот процесс Са2+-зависим [7]. β-Амилоид контролирует трансмембранную сигнализацию, воздействуя на метаболизм ФИ и ФИ-4,5-дифосфата. Низкие концентрации этих пептидов стимулируют активность фосфолипазы С, а высокие - ингибируют ее [55]. При усилении катаболизма ФИ-4,5-дифосфата по пути стимуляции фосфолипазы С присутствие β-амилоида приводит к снижению активности ФИ-4,5-дифосфат-5-фосфатазы, замедляющему дальнейший катаболизм ФИ-4,5-дифосфата и восстанавливающему его содержание [7]. Установлено ингибирующее воздействие β-амилоида на ФИ-4-киназу, катализирующую начальную стадию фосфорилирования ФИ и обеспечивающую образование субстрата для синтеза ФИ-4,5-дифосфата [55, 57]. Таким образом, β-амилоид оказывает модулирующее воздействие на механизмы сигнальной трансдукции, а их ингибирующий эффект на фосфорилирование ФИ является ключевым фактором осложнения трансмембранной сигнализации. Накопление β-амилоида в нейрональных мембранах, сочетающееся с потерей фосфоинозитидов может служить причиной низкой активности ФИ-4-киназы, наблюдаемой в головном мозге при болезни Альцгеймера [55]. Уменьшение экспрессии фосфолипазы С в головном мозге является характерной особенностью отсроченного постишемического состояния и считается признаком окончательной деградацией дендритов [50]. Накопление ФИ в синаптических мембранах лобного отдела головного мозга при геморрагическом шоке [4] также является свидетельством нарушения механизма образования вторичных мессенжеров. ФИ и ФИ-4-фосфат играют защитную роль, так как их добавление в культуру нейронов гиппокампа устраняет токсическое воздействие β-амилоида [56].

Усиление катаболизма ФИ может быть вызвано воздействием ФИ-3-киназы - фермента, участвующего в стимуляции ряда физиологических функций. В связи с тем, что количество синапсов определяет когнитивные способности, представляют интерес сведения об участии ФИ-3-киназы в механизмах роста нейритов и образовании синапсов [32]. Экспрессия ФИ-3-киназы регулирует количество синапсов, а стимуляция активности этого фермента важна для предотвращения или замедления потери синапсов при старении и неврологических заболеваниях. Однако вызванное гиперактивацией ФИ-3-киназы чрезмерное увеличение количества синапсов может приводить к изменениям поведения [32]. Каскад ФИ-3-киназы относится к антиапоптозным сигнальным путям. Дисрегуляция каскада ФИ-3-киназы приводит к нейродегенерации [8].

Гидролиз ФИ контролируется также фосфолипазой А2, проявляющей свою активность как при увеличении концентрации Са2+ (Са2+-зависимая фосфолипаза А2), так в его отсутствии при условии наличия метаболитов ФЛ - жирных кислот (Са2+-независимая фосфолипаза А2) [24]. Активация фосфолипазы А2 приводит к образованию из мембранных ФЛ вторичных мессенжеров - арахидоновой кислоты, эйкозаноидов, PAF и диглицеридов [17]. Фосфолипаза А2 участвует в процессах, связанных с усилением роста дендритов и дифферентацией нейронов при развитии нервной системы, а также в контролировании когнитивных функций [17, 48]. Изменение активности этого энзима играет решающую роль в повреждении ЦНС, влияя, в частности, на процессинг АРР, причем пониженная активность фосфолипазы А2 в мозге усиливает образование β-амилоида, приводя к появлению нейрофибриллярных сплетений и отложению сенильных бляшек [19]. Показано, что ингибирование активности этого энзима в гиппокампе крыс нарушает процессы кратко- и долгосрочной памяти [47, 54]. У мышей интраперитональное введение селективного ингибитора Са2+-независимой фосфолипазы А2 нарушает пространственную память. При болезни Альцгеймера значительное уменьшение активности Са2+-зависимой фосфолипазы А2 имеет место в областях мозга, подвергнутых дегенерации, что указывает на связь между дефицитом активности указанной фосфолипазы и потерей нейронов в этих регионах [45]. С другой стороны, гиперстимуляция фосфолипазы А2, сопровождающаяся освобождением значительного количества метаболитов ФЛ, также является нейротоксичной. Инъекция фосфолипазы А2 в мозг крыс приводит к эпилептическим припадкам, сопровождающимся разрушением мембранных ФЛ мозга и усилением апоптоза нейронов [53]. Таким образом, изменения экспрессии фосфолипазы А2 являются существенным показателем повреждений головного мозга, а активация и ингибирование определенных изоформ этого энзима может способствовать коррекции когнитивной дисфукции и нейродегенерации.

Изложенное свидетельствует о том, что гиперактивация ФИ-каскада лежит в основе возникновения патологических изменений в нейронах, причем неконтролируемая холинергическая гиперстимуляция является основным фактором инициации и поддержания этих изменений. Показано, что истощение в нейрональной мембране ФИ-4,5-дифосфата приводит к стимуляции образования бета-амилоида из АРР [7]. Следующим этапом нарушения нейротрансмиссии является ингибирующее воздействие β-амилоида на активность ФИ-4-киназы, нарушающее начальную фазу образования вторичных мессенжеров и, следовательно, препятствующее передаче сигнала внутрь клетки. С учетом значимости ФИ-4-монофосфата и ФИ-4,5-бифосфата в мембранном транспорте медиаторов [6, 38] указанный путь нарушения фосфорилирования ФИ может быть представлен среди основных механизмов вторичной гипофункции холинергической и глутаматергической медиаторных систем, наблюдаемой на поздних стадиях нейродегенерации. Усиление образования β-амилоида вызывает также снижение экспрессии фосфолипазы А2, контролирующей катаболизм ФЛ, в том числе и ФИ, что сочетается с повреждением механизмов пластичности. Ключевую роль в регуляции количества синапсов играет экспрессия ФИ-3-киназы. Стимуляцию активности этого фермента рассматривают в качестве метода предотвращения или замедления потери синапсов при старении и неврологических заболеваниях.

Роль гиперактивации катаболизма фосфатидилхолина в возникновении нейродегенеративных повреждений . Разрушение клеточных мембран - характерная черта нейрональной дегенерации при острых и хронических неврологических заболеваниях. В этом процессе ключевую роль играет катаболизм главного мембранного ФЛ - фосфатидилхолина (ФХ) [3, 4, 29]. Описан ряд механизмов модуляции гидролиза ФХ, не зависящих и завивящих от активности протеинкиназы С. В условиях холинергической гиперактивации при повышенной потребности в предшественнике ацетилхолина - холине - особенную значимость приобретает стимуляция ФХ-чувствительной фосфолипазы D, опосредованная активацией М-холинорецепторов [6, 9]. Гиперактивация холинергических нейронов снижает концентрацию внеклеточного холина и уменьшает его поступление в соседние нейроны, нарушая, таким образом, синтез мембранного ФХ [29]. Кроме того, активация фосфолипазы D опосредуется адренергической стимуляцией [31], а также глутаматом, причем при стимуляции метаботропных рецепторов [18]. Воздействие протеинкиназы С на уровень каталитической активности фосфолипазы D является двойственным, приводящим в зависимости от условий как к стимуляции этого фермента (по пути, не требующем АТФ), так и его ингибированию (при фосфорилировании) [10, 36]. Разрушение ФХ может быть вызвано активацией фосфолипазы А2,, опосредованной воздействием глутамата на NMDA-рецепторы [29]. Важно подчеркнуть, что стимуляция NMDA-рецепторов, опосредуя освобождение из ФХ холина, препятствует включению этого метаболита обратно в ФХ, ингибируя активность холин-фосфотрансферазы, причем указанный путь воздействия глутаматергической активации на синтез ацетилхолина предшествует гибели нейронов [18].

Установлено, что усиленный распад мембранного ФХ приводит к увеличению образования β-амилоида [29]. Дериваты ФХ - фосфохолин и глицерофосфохолин, накапливающиеся во время разрушения ФХ, усиливают агрегацию амилоидов [20, 29]. С другой стороны, образование β-амилоида, вызванное усилением катаболизма ФХ в свою очередь усиливает разрушение ФЛ-бислоя мембран, поскольку β-амилоид стимулирует катаболизм ФХ, активируя фосфолипазу А2 [51]. Разрушение ФХ приводит к снижению барьерной функции клеточных мембран, вследствие чего нарушается внутриклеточный гомеостаз [29]. Недостаток ФХ запускает апоптоз [30].

В связи с изложенным представляют интерес исследования, в которых была установлена значимость восстановления содержания в нейрональных мембранах ФХ для коррекции повреждений головного мозга. Внесение в инкубационную среду нервной ткани предшественника ФХ - холина - не только восстанавливает синтез мембранного ФХ, но и нормализует содержание других основных мембранных ФЛ - фосфатидилэтаноламина (ФЭ) и фосфатидилсерина [29]. Перспективность клинического применения интермедиатора биосинтеза ФХ - цитидиндифосфат(ЦДФ)-холина [цитиколина (Citicoline)] - установлена у пожилых больных с когнитивными нарушениями, плохой памятью, а также при лечении цереброваскулярных заболеваний, травмы головного и спинного мозга, болезни Паркинсона и ранней стадии болезни Альцгеймера [13]. Были получены доказательства протекторного действия препарата на структуру и функции нейронов [13, 49]. При этом выявлены следующие механизмы действия ЦДФ-холина: 1) восстановление нейрональных мембран за счет увеличения синтеза ФХ; 2) восстановление способности поврежденных холинергических нейронов к продукции ацетилхолина; 3) ингибирование апоптоза нейронов при церебральной ишемии и в ряде нейродегенеративных моделей; 4) усиление механизмов нейропластичности; 5) уменьшение освобождения глутамата в мозге при церебральной ишемии. Кроме того, ЦДФ-холин защищает холинергические нейроны от "аутоканнибализма", процесса, при котором происходит усиленный катаболизм мембранного ФХ с освобождением холина. В наших исследованиях было показано, что введение в организм ФХ в виде липосом на фоне геморрагического шока восстанавливает ФЛ-состав митохондриальных мембран головного мозга [5]. При этом имеет место уменьшение количества безъядерных нейронов. Указанные исследования подчеркивают значимость ФХ для восстановления функциональной активности головного мозга.

Роль нарушения метилирования фосфатидилэтаноламина в возникновении эксайтотоксических процессов . Важным аспектом патогенеза гибели нейронов при когнитивных расcтройствах и деменции является эксайтотоксичность, вызванная хронической стимуляцией NMDA-глутаматных рецепторов. В связи с этим обращает внимание роль ФЭ в регуляции передачи нервных импульсов, опосредованных через аминокислоты. Установлено, что высокий уровень метилирования ФЭ в синаптических мембранах сопровождается снижением захвата ВАК нервными окончаниями, в то время как при низком уровне метилирования этого ФЛ ингибирование захвата ВАК уменьшается [2]. Модулирование функционирования системы высокоаффинного захвата медиаторных аминокислот из синаптической щели определяют качественные изменения окружения молекулы-переносчика ВАК метаболитами ФЭ. Значимость метилирования ФЭ в поддержании функциональной активности нейронов подчеркивается существованием прямой зависимости между экспрессией метилтрансфераз и выраженностью когнитивных функций [25, 26]. Фактором ингибирования ФЭ-чувствительной N-метилтрансферазы является увеличение концентрации цитоплазматического Са2+ [43].

Показана взаимосвязь между гипергомоцистеинемией (фактором риска нейродегенерации), нарушением метилирования и опосредованной NMDA-рецепторами эксайтотоксичностью [60]. При болезни Альцгеймера установлены закономерности, указывающие на существенные повреждения процесса метилирования ФЭ, связанные с недостатком в мозге донора метильных групп - S-аденозил-L-метионина [45], увеличением в префронтальной коре уровня S-аденозилгомоцистеина, оказывающего ингибирующий эффект на активность метилтрансфераз [26], и снижением активности ФЭ-чувствительной N-метилтрансферазы во фронтальной коре [21]. Свидетельством нарушения метилирования мембранного ФЭ в головном мозге при геморрагическом шоке может явиться его накопление в синаптических мембранах, сочетающееся со снижением содержания ФХ [3, 4]. Существующие данные указывают на угнетение метилирования ФЭ как ключевое звено деструктивных процессов в ЦНС.

Участие фосфатидилсерина в сигнальной трансдукции и апоптозе . Фосфатидилсерин (ФС) - важный компонент клеточной сигнализации и апоптоза. В качестве кофактора различных энзимов ФС участвует в процессах возбуждения клеток и их коммуникации. Основная роль ФС в сигнальной трансдукции определяется главным образом его значимостью в транслокации протеинкиназы С из цитозоля в плазматическую мембрану с последующим образованием ее специфической связи с этим ФЛ [39]. ФС модулирует чувствительность некоторых рецепторов к их агонистам. В частности, аннулярный ФС, с одной стороны, оказывает ингибирующее воздействие на глутаматные NMDA-рецепторы (L-GluR) [39], а с другой - активирует связывание опиоидных пептидов с клеточной мембраной [1]. ФС также контролирует освобождение ацетилхолина, допамина и норадреналина [28]. Учитывая участие ФС в регуляции нейротрансмиссии, ему отводят важную роль в механизмах памяти и когнитивных функций. Установлено, что экзогенный ФС существенно улучшает память, способность к обучению, концентрацию внимания, психоэмоциональное состояние, возможность справиться со стрессом при возрастных когнитивных нарушениях и у больных деменцией [23, 27, 34].

Мембранный ФС играет ключевую роль в механизмах фагоцитоза нейронов микроглией. Следует подчеркнуть, что микроглия находится под контролем со стороны нейронов. При повреждении нейронов этот контроль ослабевает и микроглия растормаживается. Она выделяет цитокины, которые вызывают гибель измененных нейронов, после чего фагоцитирует их. Значимость β-амилоида в этом процессе связана с их инактивирующим воздействием на флиппазу [37] - АТФ-зависимый энзим, поддерживающий асимметрию мембранного расположения ФС. В состоянии покоя ФС расположен на внутренней стороне клеточной мембраны. В случае дисрегуляции в нейроне механизма поддержания асимметрии ФС, связанного с инактивацией флиппазы, этот ФЛ появляется на поверхности и распознается скаверж-рецепторами микроглии, являясь инициатором фагоцитоза микроглией поврежденных нервных клеток [15]. Потеря асимметрии ФС в мембранном бислое нейронов является типичной чертой начальной стадии апоптозного инсульта [37].

Сфинголипиды: повреждающее и защитное действие . В последние годы было установлено, что сфинголипиды выполняют важные физиологические функции во многих типах клеток, включая клетки ЦНС. Особенное внимание привлекают метаболиты сфингомиелина (СМ) - церамид, сфингозин и сфингозин-1-фосфат, которые участвуют в ключевых событиях сигнальной трансдукции и клеточной регуляции. Изменение их содержания в нейрональных мембранах может явиться причиной широкого ряда нейродегенеративных заболеваний [35].

Гидролиз СМ с образованием церамида, катализируемый сфингомиелиназой, рассматривают среди основных звеньев сигнальных путей при различных воздействиях [41, 46]. К ним относятся стресс, факторы роста, цитокины, агонисты рецепторов, связанных с G-белком клеточных мембран. При гидролизе СМ увеличивается уровень внутриклеточного церамида, причем усиление его образования является отличительной чертой программированной клеточной смерти. Кроме того, церамид активирует или ингибирует ряд других важных клеточных процессов - пролиферацию, дифферентацию, клеточный цикл, задержку роста и старение клеток, воспаление [46]. Дисрегуляция обмена СМ приводит к дисфункциям синапсов и деградации нейронов [14]. Показано, что неконтролируемое усиление катаболизма СМ может играть роль в гибели нейронов при церебральной ишемии, болезнях Паркинсона и Альцгеймера, причем прогрессивное снижение содержания СМ и накопление церамида являлись необратимыми [14, 40].

СМ подавляет образование β-амилоида, ингибируя активность энзима, контролирующего расщепление АРР, - γ-секретазы, причем установлена прямая зависимость между экспрессией сфингомиелиназы и образованием β-амилоида [59]. Вместе с тем показано участие указанного пептида в механизмах апоптоза через активацию нейтральной сфингомиелиназы, сопровождающуюся увеличением образования церамида [58]. В связи с этим представляют интерес данные о том, что внутриклеточное увеличение содержания церамида и β-амилоида может быть подавлено ингибитором образования церамида [14], что свидетельствует о высоком нейропротекторном эффекте препаратов, воздействующих на метаболизм сфинголипидов. Вместе с тем показано, что метаболиты, образующиеся при активации сфингомиелиназы и фосфолипазы А2 взаимодействуют между собой [16]. При этом арахидоновая кислота модулирует активность сфингомиелиназы, а сфингозин-1-фосфат воздействует на активность циклооксигеназы, энзима, ответственного за образование эйкозаноидов в головном мозге. Полагают что взаимодействие между указанными метаболитами играет важную роль в инициации и поддержании окислительного стресса, связанного с неврологическими заболеваниями. Было предложено одновременное применение ингибиторов фосфолипазы А2 и сфингомиелиназы, выявившее их нейропротекторное, антиапоптозное действие [16]. Авторы пришли к выводу, что использование указанных ингибиторов перспективно при лечении болезней Альцгеймера и Паркинсона, инсульта, травм головного и спинного мозга.

При расщеплении церамида церамидазой образуется сфингозин, обладающий сходным с церамидом действием, включая стимуляцию апоптоза и ингибирование активности протеинкиназы С [52]. Сфингозин быстро фосфорилируется при участии сфингозинкиназы в сфингозин-1-фосфат, играющий важную роль в стимуляции клеточного роста, дифферентации, выживаемости клеток, Са2+-мобилизации (независимой от инозитол-3-фосфата), супрессии апоптоза, а также в противодействующей воспалительным процессам модуляции активности циклооксигеназы [16, 42, 52]. Известна также способность сфингозин-1-фосфата препятствовать токсическому воздействию β-амилоида на нейроны [14]. Сфингозин-1-фосфат секретируется астроглиальными клетками и клетками мозжечка и, таким образом, он может функционировать аутокринным и/или паракринным способом вне ЦНС. Установлено, что рецепторы сфингозин-1-фосфата в мозге эмбрионов экспрессированы в областях активного нейрогенеза, причем рецепторы этого метаболита СМ класса S1P2 олигодендроцитов участвуют в механизмах миелинизации нейронов [22]. Уменьшение их экспрессии приводит к возникновению заболеваний, связанных с процессами демиелинизации, таких как рассеянный склероз. Резкое усиление апоптоза нервных клеток и ингибирование их митоза наблюдали при развитии нервной системы у мышей со сниженной активностью рецепторов сфингозин-1-фосфата класса S1P1. Указанный сфинголипид способствует увеличению резистентности ЦНС к повреждению за счет его нейротропной активности, представляя защитный механизм противодействия патологическим процессам при острых повреждениях головного и спинного мозга [50]. Напротив, с дефицитом энзимов, участвующих в образовании сфингозин-1-фосфата и опосредующих его действие, может быть связано нарушение таких важнейших процессов, как дифферентация нейронов и их апоптоз [44]. В связи с взаимопревращаемостью сфинголипидов судьбу клетки определяет не относительное количество этих метаболитов, а их контролируемое соотношение. Дисрегуляционное преобладание церамида над сфингозин-1-фосфатом имеет место при ряде патологических состояний, сопровождающихся усилением апоптоза [50]. Активность сфингозинкиназы является решающим фактором в регуляции соотношения сфинголипидов, и ее оценивают как важный клинический показатель [22].

Изложенное свидетельствует, что дисрегуляция метаболизма мембранных ФЛ является ключевым механизмом болезни Альцгеймера и, возможно, других форм патологии нервной системы. Нормализация и стабилизация ФЛ-состава мембран может стать одним из важных методов лечения патологии нервной системы.

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо с ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail