Роль обмена полиаминов в функциональной активности мозга в норме и при патологии

Общая характеристика полиаминов. Полиамины - большая группа низкомолекулярных азотсодержащих соединений. Важнейшие из них, содержащиеся во всех живых клетках, - путресцин [NH2(CH2)4NH2], спермидин [NH2(CH2)4-NH(CH2)3NH2] и спермин [NH2(CH2) 3NH-(CH2)4-NH(CH2)3NH2], являются универсальными, полифункциональными молекулами. Они вовлечены в различные физиологические процессы, включая регуляцию экспрессии генов, трансляцию, пролиферацию клеток, модуляцию сигнализации клетки, стабилизацию мембран и др. [43, 59]. В первых работах [11, 13, 67], посвященных изучению биологической роли полиаминов, были описаны корреляционные зависимости между интенсивностью роста тканей, активностью фермента синтеза полиаминов - орнитиндекарбоксилазы (ОДК) и их концентрацией в ходе эмбрионального развития, при регенерации тканей, гипертрофии органов и росте опухолей.

Основные молекулярные механизмы участия полиаминов в функционировании возбудимых тканей представлены на рисунке.

Такими механизмами являются: 1) способность полиаминов стабилизировать цитоскелет клеточных мембран путем взаимодействия с фосфолипидами [46, 59, 69]; 2) неспецифическое антиоксидантное действие [10]; 3) выполнение функции модулятора мембранных рецепторных ионофорных комплексов, таких как NMDA-, AMPA-, никотиновых и ГАМК-рецепторов [16, 55, 81]; 4) способность регулировать состояние К⁺- и Na⁺-каналов и АТФ-чувствительных К⁺- и мускариновых рецепторов [38, 55]; 5) вовлечение в регуляцию потока ионов Са²⁺ через клеточные мембраны [56, 76]; 6) вовлечение в другие системы вторичных мессенджеров - G-белков, протеинкиназ, нуклеотидциклаз, что характеризует их не только как внутриклеточные сигнальные молекулы, но и самостоятельные сигнальные системы [61, 81]; 7) оказывание потенциал-зависимого влияния на активность мембраносвязанных ферментов (Na, K-ATФаза, ацетилхолинестераза и др.) [20, 44]; 8) регуляция метаболизма NO, катехоламинов, глутамата и ГАМК [30, 55]; 9) специфическое взаимодействие полиаминов внутри клетки с нуклеиновыми кислотами (РНК и ДНК) [10, 43], участие в организации хроматина, трансляции мРНК, регуляции биосинтеза белка, генезисе рибосом [25, 46]; 10) проявление как про- так и антиапоптотического действия и регуляция процессов пролиферации, дифференцировки, роста и развития [6, 73, 78]; 11) регуляция посттрансляционной модификации белков и межклеточного взаимодействия [12, 70]; 12) участие в экспрессии более 300 генов [71, 72]; 13) регуляция активности многих ферментов [55].

В функциональной активности мозга и нервной системы млекопитающих в целом полиамины выполняют функции нейромодуляторов основных классов катионных каналов и глутаматных рецепторов, а также регуляторов активности ключевого мембраносвязанного фермента Na, K-AТФазы [20, 44]. Именно нейромодуляторные свойства полиаминов определяют их разнонаправленное влияние на ЦНС. При введении полиаминов животным с экспериментальной эпилепсией наблюдалось блокирование судорожной активности мозга [32], а их введение в организм животных, перенесших стрессорное воздействие, способствовало улучшению нарушенных процессов обучения [4].

Влияние стресса на обмен полиаминов в мозге. Поли­амины активно вовлечены в молекулярные механизмы реализации неспецифической стресс-реакции - так называемый полиаминный стресс-ответ (ПСО) [39]. При стрессорном воздействии на организм (ожог, травма и пр.) в мозге активируется ОДК с последующим увеличением содержания полиаминов, запускающих активацию генов «раннего» ответа - c-fos, c-jus и c-myc [5, 64].

В нервной ткани обнаружены метаболические особенности ПСО, зависящие от характера стрессорного воздействия [40]. При эмоциональном стрессе, ишемии/гипоксии мозга происходит более интенсивная активация ферментов распада полиаминов, превышающая скорость их синтеза. При этом одновременно резко увеличиваются активность ОДК и содержание путресцина, что сопровож­дается снижением содержания спермидина и спермина. Важно отметить, что введение такого адаптогена, как дельта-сон-индуцирующий пептид, способствует положительной модуляции обмена полиаминов в ткани мозга при ожоговом стрессе, что сопровождается выраженным позитивным влиянием на когнитивные функции мозга у экспериментальных животных [5].

Полиамины и старение. Изменения в метаболизме полиаминов связывают с процессами старения [53, 79].

О роли полиаминов в формировании функциональной активности мозга можно судить на основании результатов изучения активности ОДК. Так, в мозге новорожденных мышей она оказывается в 70 раз выше, чем у взрослых животных, что и обусловливает высокое содержание поли­аминов [77]. При старении организма содержание спермина и спермидина в головном мозге снижается [53], причем дефицит полиаминов ассоциируется со структурами, ответственными за выполнение высших когнитивных процессов [66]. Снижение эндогенных полиаминов приводит к накоплению активных форм кислорода, раннему некрозу и снижению продолжительности жизни экспериментальных животных [57].

В опытах на трансгенных мышах с активированными процессами распада полиаминов за счет гиперэкспрессии лимитирующего фермента (спермидин/спермин N¹-ацетилтрасферазы) было установлено, что они ассоциированы с увеличением продукции активных форм кислорода. При этом происходило снижение активности ферментов антиоксидантной защиты каталазы и Cu, Zn-супероксиддисмутазы (СОД) на 42 и 23% соответственно, увеличение белок-карбонильных производных в 10 раз, сопровождающееся снижением продолжительности жизни на 50% по сравнению с контролем. У мышей с генетически детерминированным дефицитом полиаминов наблюдалась картина окислительного стресса, сопровож­давшаяся снижением продолжительности жизни [24].

«Полиаминная диета» (употребление спермидина или других высокомолекулярных полиаминов) увеличивает продолжительность жизни таких экспериментальных организмов, как дрозофилы и мыши [57]. T. Eisenberg и соавт. [33] показали, что введение спермидина, внутриклеточная концентрация которого снижается с возрастом, заметно увеличивает продолжительность жизни дрожжей, мух и червей, а также иммунных клеток человека, что, как полагают авторы, связано со способностью спермидина предотвращать развитие окислительного стресса и гибели клеток по пути некроза. Авторы также высказывают предположение, что введение спермидина регулирует процесс устранения старых клеток (аутофагия), как один из возможных механизмов долголетия. В связи с этим важным направлением современной нейробиологии является изучение роли полиаминов в механизмах долголетия [74].

Полиамины и иммунная система. В настоящее время установлено, что полиамины играют определенную роль в контроле врожденного иммунного ответа на бактериальную инфекцию. Системное введение эндотоксинов липополисахаридов (ЛПС) увеличивает количество мРНК и активность ОДК в нейронах и микроглии ЦНС, что блокируется введением ингибитора ОДК. Снижение содержания путресцина в этих условиях может предотвращать запуск синтеза фактора некроза опухоли, вызванного ЛПС в мозге. На этой же модели представлено, что ингибирование синтеза полиаминов способствует снижению нейродегенерации и увеличивает выживаемость экспериментальных животных [75].

Показано, что содержание полиаминов увеличивается при многих аутоиммунных заболеваниях. W. Brooks [18] предложил полиаминную гипотезу механизмов развития аутоиммунных заболеваний. Увеличение активности ферментов обмена полиаминов и их количественного содержания может привести к нарушению процесса клеточного метилирования ДНК, гистонов и других клеточных процессов, связанных с метилированием [44, 45, 48].

Таким образом, поддержание постоянства в обмене полиаминов в ЦНС имеет большое значение как для коррекции нейродегенеративных процессов, так и для гомеостаза иммунной системы.

Полиамины и когнитивные процессы. Полиамины, особенно спермидин и спермин, ответственны за улучшение и сохранение памяти, участвуя в регуляции NMDA-рецепторов [22]. Показано, что при введении спермина и спермидина экспериментальным животным в область гиппокампа наблюдалось значительное увеличение способности к обучению. При введении ингибиторов связывания полиаминов с субъединицами NR2B NMDA-рецепторов (аркаин, ифенпродил и траксопродил) у животных нарушались процессы запоминания и воспроизведения условного рефлекса [54]. При использовании техники ингибиторного связывания полиаминов с субъ­единицами NR2B NMDA-рецепторов была установлена прямая связь полиаминного сайта с нарушениями памяти [41].

Негативные модуляторы NMDA-рецепторов нарушают познавательную деятельность, а позитивные (глицин, спермидин и спермин) - могут компенсировать дисфункцию глутамат- и холинергической передачи, устранять нарушение памяти и обучаемости. А.В. Журавский и соавт. [4] на модели фокальной ишемии мозга у крыс показали, что при вызванных ишемией нарушениях памяти и обучаемости (ухудшение формирования и воспроизведения условных рефлексов) глицин облегчает формирование, но не улучшает сохранность приобретенного навыка. В то время как спермин способствует выработке условного рефлекса, который в данном случае воспроизводился в течение всего периода наблюдения.

Система полиаминов в нейрохимии психических заболеваний. Об участии полиаминов в патогенезе шизофрении и других психических заболеваний человека одним из первых предположил R. Richardson-Andews [65], когда обнаружил, что нейролептики (хлороквин, акрихин, амодиквин), имеющие в химической структуре спермидиновую цепь, проявляют побочные эффекты, включающие депрессивные и шизофреноподобные состояния. Представлены работы [1, 2], свидетельствующие об увеличении содержания путресцина, спермидина и спермина в клеточных элементах и сыворотке крови больных шизофренией. В работе В.И. Свинарева [8] показано, что содержание полиаминов в гидролизате плазмы крови больных шизофренией увеличивалось в процессе прогрессирования заболевания в 10-20 раз по сравнению с кровью доноров, причем базовая терапия вызывала нормализацию их содержания. В сыворотке больных шизофренией был обнаружен высокий уровень активности ферментов окисления полиаминов [37], который нормализовался после электрошоковой терапии [35]. Установлено, что при изучении взятых при аутопсии образцов ткани бозга больных шизофренией содержание полиаминов было значительно выше, чем у психически здоровых лиц [9, 28, 29, 30], что может быть связано с активацией ОДК [35, 52].

Особое место в нейрохимии психических заболеваний занимают работы, посвященные изучению роли полиаминов в патогенезе депрессивных состояний [36].

В ткани мозга лиц с депрессией, погибших в результате суицида, показаны значительные различия по сравнению с контролем в экспрессии генов ОДК, антиэнзима I и II, S-аденозилметиониндекарбоксилазы (СМО), S/S N'-ацетилтрансферазы, сперминоксидазы, сперминсинтазы и семейства альдегиддегидрогеназ [36]. Как известно, спермидин-сперминацетилтрансфераза, под действием которой образуются ацетильные производные полиаминов, является ключевым ферментом в регуляции содержания свободных полиаминов в клетках, лимитирующим распад полиаминов [60]. Ацетилированные спермидин и спермин при последующем окислении полиаминоксидазой образуют путресцин. Снижение экспрессии гена SAT1 в мозге больных, погибших при суициде, приводит к значительному увеличению содержания спермидина и путресцина в структурах мозга по сравнению с психически здоровыми лицами [23].

Важно отметить, что как при шизофрении, так и у больных с депрессией в плазме крови обнаружена высокая активность полиаминоксидазы, и ее нормализация наблюдалась после электрошоковой терапии [35, 63]. Было также показано, что путресцин обладает антидепрессивным эффектом, механизм которого связан с модуляцией NMDA-рецепторов, а полиамины в целом - антидепрессантным и анксиолитическим эффектами [35].

В последнее время рассматривается гипотеза «провокационного» влияния полиаминного стресс-ответа при ряде психических нарушений. Предполагается, что стресс является фактором риска для развития депрессии, суицидального поведения, а также вносит вклад в «провокацию» шизофрении [35]. Такого рода результаты указывают на роль системы полиаминов в патогенезе психических заболеваний. Этому соответствуют и данные, касающиеся действия лития и некоторых гормонов, которые способны нормализовать не только обмен полиаминов, но и психическое состояние больных. Изучение обмена полиаминов может иметь существенное значение для развития нового нейрофармакологического направления при лечении психических заболеваний.

Токсичность полиаминов при гипоксии/ишемии мозга. Как острая, так и хроническая гипоксия приводят к значительной активации OДК и увеличению содержания путресцина [21, 58]. Установлено, что активация ОДК осуществляется через NMDA-рецепторы [21, 54]. Одновременно возрастает содержание продуктов окисления полиаминов - 3-аминопропаналя и акролеина, которые в настоящее время рассматриваются как эндогенные медиаторы гибели нервных и глиальных клеток. S. Ivanova и соавт. [47] показали, что в условиях ишемии головного мозга происходит увеличение содержания 3-аминопропаналя, являясь одной из причин гибели нейронов и глиальных клеток. 3-Аминопропаналь способен вызывать гибель глиальных клеток по пути апоптоза (LD50=160 μM), а нейронов - некроза (LD50=90 μM). Введение ингибиторов полиаминоксидазы (аминогуанидин и хлорокин) в этих условиях блокирует образование 3-аминопропаналя и предотвращает гибель нейронов и глиальных клеток [47]. R. Seiko и соавт. [70] в экспериментах на модели фокальной ишемии мозга у мышей (фотоиндуцированный тромбоз) показали, что в зоне очага повреждения значительно увеличивается активность ферментов как синтеза поли­аминов, так и их распада, что выражается в дисбалансе содержания полиаминов: содержание спермина и спермидина снижается, а путресцина и акролеина - одновременно увеличивается. При этом продукты окисления полиаминов 3-аминопропаналь и акролеин рассматриваются как один из ведущих нейротоксических факторов развития инсульта.

Так, при хронической цереброваскулярной патологии - дисциркуляторной энцефалопатии (ДЭ) отмечается снижение содержания полиаминов (путресцин, спермин и спермидин) в эритроцитах крови больных (на 37, 45 и 50% соответственно) по сравнению с контролем [6]. В то же время известно, что около 70% циркулирующих полиаминов ассоциировано с красными клетками крови. Включение природного нейропептида карнозина в протокол лечения ДЭ приводит к повышению содержания путресцина и спермина до нормальных значений, что сопровождается улучшением когнитивных функций мозга [7]. Можно полагать, что одним из механизмов влияния карнозина на метаболизм полиаминов является его ингибирующее действие на диаминоксидазу [14]. Более важным проявлением нейропротективного эффекта карнозина может являться его способность выполнять роль «ловушки» для акролеина [19], а также компенсировать эксай­тотоксическую реакцию NMDA-рецепторов [3].

Состояние сосудистой стенки играет важную роль в развитии сосудистых заболеваний головного мозга. В настоящее время показано, что нарушения в обмене поли­аминов в эндотелии являются одним из ведущих факторов его дисфункции [50, 82].

Влияние нейродегенеративных процессов в головном мозге на обмен полиаминов. В последнее десятилетие активно изучается роль полиаминов при нейродегенеративных заболеваниях. Повышение уровня полиаминов отмечено при болезни Паркинсона (БП), боковом амиотрофическом склерозе, болезни Альцгеймера (БА) [42]. Поли­амины способны к образованию комплекса с белками, что определяет уровень гибели нервных клеток и является общим проявлением нейродегенеративного процесса. При БП полиамины образуют комплекс с белком α-синуклеином (тельца Леви) [51, 83].

В мозге пациентов с БА отмечается увеличение содержания полиаминов [51], что приводит к образованию их комплексов с β-амилоидом. Данный механизм также описан для прионных заболеваний, хореи Гентингтона и другой нейродегенеративной патологии [26, 42]. В настоящее время предполагается использовать способность поли­аминов связываться с β-амилоидом в качестве избирательного диагностического теста при БА [62]. Отмечено повышение уровня акролеина в чувствительных областях мозга пациентов с БА как в поздней, так и доклинической стадии заболевания [17, 27]. Для лечения БА разработан новый класс соединений - тетраамины, способные не только блокировать агрегацию β-амилоида, но и ингибировать активность ацетилхолинэстеразы, NMDA-рецепторов, проявлять антиоксидантные свойства [15].

Важные результаты, свидетельствующие о вовлечении полиаминов в молекулярные механизмы развития нейродегенеративных заболеваний, были получены при генетическом обследовании больных паркинсонизмом.

В префронтальной зоне коры больших полушарий головного мозга у них была выявлена зависимость между однонуклеотидным полиморфизмом rs11731387 в гене СМО и риском развития заболевания. Минорный аллель rs11731387 ассоциировался с увеличением риска заболевания паркинсонизмом и снижением экспрессии гена СМО. Белок СМО участвует в каскаде реакций, запускаемых рецепторами дофамина, где вместе с моноаминоксидазой A, моноамин­оксидазой B и интерлейкин-4-индуци­рованным белком составляет МАО-комплекс [31].

Таким образом, полиамины выполняют важные жизнеобеспечивающие функции в организме в целом. Их роль особенно велика в поддержании функциональной активности ЦНС. Нарушения в обмене полиаминов показаны при всех формах неврологических и психических заболеваний.

На основе их структурных аналогов - ингибиторов ферментов распада и синтеза полиаминов, антагонистов их связывания с рецепторами, ацетильных и метильных производных - создаются новые фармакологические препараты [49]. Новым подходом к увеличению антиоксидантного статуса мозга является синтез новых препаратов, созданных на основе комплекса путресцин-каталаза и путресцин-СОД, которые легко проходят через гематоэнцефалический барьер и позволяют создать эффективную защиту мозга от активных форм кислорода [80]. Созданы опытные образцы химических аналогов полиаминов, обладающих ингибиторной активностью к моноамин­оксидазам [34].

Многочисленные экспериментальные и клинико-биохимические исследования системы полиаминов указывают на их важную роль в развитии патологических процессов в ЦНС, открывая перспективу создания новых эффективных лекарственных средств в неврологии и психиатрии.

Работа поддержана грантом РФФИ №№11-04-01603.