И. А. Завалишин, М. Н. Захарова НИИ неврологии РАМН, Москва
На современном этапе исследование патогенеза заболеваний и повреждений нервной системы осуществляется с общебиологических позиций. В результате сложилось мнение об общих механизмах формирования патологического процесса при этих состояниях. Следует отметить, что многие изученные пути поражения нервной системы являются избыточным выражением существующих в рамках нормального гомеостаза реакций, что может быть обусловлено как экзогенными, так и эндогенными причинами. Обращает на себя внимание, что общие механизмы заболеваний нервной системы могут реализоваться на разных этапах патологического процесса. Следует также отметить, что большинство из этих данных получено в экспериментальных условиях, в связи с чем перенос их на патологию человека ограничен и требует чрезвычайной осторожности.
В настоящее время является общепризнанным то, что ключевой фактор патогенеза заболеваний нервной системы — гибель нейрона, может быть двух видов: программированная клеточная смерть (апоптоз) и патологическая клеточная смерть (некроз). При этом прекращение жизнедеятельности клетки в процессе апоптоза и некроза имеют четкие морфологические различия.
Примером программированной смерти нейронов служит их гибель в процессе эмбриогенеза. Все более очевидной становится роль апоптоза как при острых заболеваниях и повреждениях нервной системы (ишемия, травма), так и при нейродегенеративных болезнях (болезнь Альцгеймера, боковой амиотрофический склероз, болезнь Паркинсона).
Регуляция апоптоза в нервной системе осуществляется многочисленными сигнальными системами. Причем пути реализации этого процесса могут быть различными: модуляция активности ферментов, модуляция факторов транскрипции (р 53, АР-1, NF-кВ), прямая активация генов раннего немедленного ответа (c-jun, c-fos).
В настоящее время выделены три фазы апоптоза: инициации (индукции), эффекторная и деградации. В качестве инициирующих апоптоз факторов могут выступать: глутамат, (3-амилоид, депривация ростковых факторов, свободнорадикальные соединения, гипогликемия.
Первичная реакция со стороны нервной клетки на апоптотическое воздействие, по-видимому, реализуется генами раннего немедленного ответа. Активация этих генов рассматривается как один из основных, сохранившихся в эволюции, компонентов нейронального ответа на повреждение. Эти гены относятся к протоонкогенам, причем наиболее постоянно в центральной нервной системе отмечается экспрессия c-jun. Его продуктом является регуляторный протеин с-Jun, который относится к факторам транскрипции, реализующим клеточный ответ на повреждение через активацию или репрессию генов. Белок c-Jun участвует в регуляции клеточного цикла, дифференцировки, органогенеза, опухолевой трансформации, апоптоза. В последние годы установлено, что активация протоонкогена c-jun с повышенной экспрессией его продукта — протеина c-Jun
происходит при нейродегенеративных заболеваниях (болезнь Альцгеймера, боковой амиотрофический склероз). Современные авторы рассматривают c-jun как ранний маркер активации сигнальных систем при апоптозе [4]. Протеин c-Jun образует димеры с другими белками — D- Jim, c-Fos, ATF (активизирующий фактор транскрипции), в результате чего образуется АР-1 комплекс. При этом механизм активации апоптоза протоонкогенами c-jun и c-fos, а также их продуктом — фактором транскрипции АР-1, по-видимому, обусловлен либо синтезом патологических белков, либо индукцией образования гипотетического апоптотического фактора. Активизация генов немедленного ответа в нейроне может осуществляться через протеинкиназный каскад p21ras-MAPK или сфингомиелиназо-церамидный сигнальный путь. В результате повышается транскрипция этих генов, что способствует развитию апоптоза.
За реализацию эффекторной фазы апоптоза в любой клетке, в частности, в нейроне, ответственны так называемые каспазы. К последним у человека относится, например, интерлейкин-1р-конвертирующая протеаза (ICE) или каспа-за-1 [13]. В настоящее время выделены 3 класса каспаз (ICE, CED-3 и NEDD-2/ICH) [9]. В норме каспазы находятся в неактивном состоянии в виде проэнзимов. Индукторы в этой ситуации выступают лишь в качестве триггеров, запуская реакции аутокатализа каспаз, т. е. самоактивации. Следует отметить, что каспазы, расщепляя как ядерные, так и цитоплазматические белковые структуры нейрона, участвуют не только в эффекторной стадии, но и в фазе деградации апоптоза, выступая в качестве основного повреждающего фактора в этом процессе.
В настоящее время установлено», что активация каспаз может происходить не только за счет внеклеточных механизмов, но и в результате внутриклеточных процессов. Ведущую роль при этом играют митохондриальные факторы, в частности, цитохром-Ц [16]. Первым доказательством участия каспаз в гибели нейрона явилось изучение действия их ингибитора — белка р35 на культуре нейронов черной субстанции (Rabizadeh S., 1993). В этих клетках р35 блокировал каспазы и в результате ингибировал апоптоз, вызванный гипогликемией, избытком Са2+, депривацией нейротрофических факторов. В настоящее время активация каспаз рассматривается в качестве возможного механизма гибели нейрона при нейродегенеративных заболеваниях и СПИД-деменции [5]. Так, установлено, что мишенью для каспазы-3 служит гентингтин — продукт гена хореи Гентингтона, а также пресенилины (PS-1 и PS-2) при болезни Альцгеймера. Эти реакции индуцируют апоптоз при указанных заболеваниях [6, 13].
Регуляция апоптоза во II стадии (эффекторной) осуществляется преимущественно белками семейства Вс1-2, причем выделяют два класса этих белков: тормозящие апоптоз (Bcl-2, bc! — xl Bcl-w, Bfl-1, Brag-1, Mcl-1, A-l) и индуцирующие этот процесс (Вах, Bak, Bcl-Xs, Bad, Bid, Bik, Hrk). Все белки этого семейства во многом гомологичны между собой, что позволяет им взаимодействовать между собой. Соотношение белков Вс1-2 агонистов и антагонистов апоптоза определяет способность клетки, в том числе и нейрона, отвечать на апоптотические сигналы [7].
Допускается, что антиапоптотическое действие Вс1-2 связано с нормализацией функции митохондрий, которые участвуют в реализации апоптоза [15,16]. Конкретными механизмами этого процесса являются: 1) блокирование высвобождения из митохондрий цитоохрома-Ц; 2) участие белков Вс1-2 в формировании трансмембранных митохондриальных пор, что определяет трансмембранный потенциал, а также высвобождение различных активных соединений и ионов из митохондрий; 3) возможность проникновения этих белков в липидные структуры мембран и формирование ионных каналов, что имеет значение в субклеточном распределении Са2+ между ядром, митохондриями и эндоплазматическим ретикулумом.
Гены семейства Вс1-2 и каспаз экспрессируются нейронами как в онтогенезе, так и в зрелой нервной системе. Опыты Martinou J. С. et al. (1994) показали, что у трансгенных мышей с избыточной экспрессией Вс1-2 мотонейроны устойчивы к апоптозу. Однако при неонатальной аксонотомии они значительно атрофируются, но выживают [8]. Повышенная экспрессия Вах выявлена при боковом амиотрофическом склерозе и болезни Альцгеймера. Вс1-2 оказывает выраженное влияние на выживание любых нейронов и, в частности, мотонейронов.
Исследование Вс1-2 иммунохимическими методами в нейронах гиппокампа при болезни Альцгеймера в зависимости от степени тяжести, клинических симптомов и нейропатологических изменений (аутопсийные исследования) показало, что в целом экспрессия Вс1-2 в нейронах нарастала по мере прогрессирования и тяжести заболевания. Однако в нейронах, в которых идентифицированы нейрофибриллярные изменения, отмечено снижение Вс1-2, то есть синтез Вс1-2 резко снижается в этих дегенерирующих нейронах. Повышение Вс1-2 выявлено в астроцитах и эндотелии сосудов при болезни Альцгеймера. Повышение Вс1-2 рассматривается авторами как защитный механизм, тормозящий апоптоз в сохранных нейронах [12].
Выявлены отличия антиапоптотического действия Вс1-2 от эффектов фактора роста нервов (nerve growth factor, NGF): 1) NGF вызывает морфологическую дифференцировку клеток, а Вс1-2 нет; 2) период выживания клеток под действием Вс1-2 короче, чем соответственно с NGF. Однако не продемонстрирована экспрессия Вс1-2 в ответ на NGF. Вместе с тем, Вс1-2 не подавляет апоптоз, вызванный дефицитом цилиарного нейротрофического фактора (ciliary neurotrophic factor, CNTF) в отличие от NGF. Это предполагает существование различных механизмов апоптоза.
Недавние исследования выявили частичную делецию гена, ответственного за экспрессию белка, ингибирующего нейрональный апоптоз, при спинальной мышечной атрофии (NIAP, neuronal inhibitory apoptosis protein) [13]. Этот белок гомологичен белку IAP вирусного происхождения (baculo virus). Установлено двойное действие полиовируса: индуцирование апоптоза за счет блока макромолекулярного синтеза, а при определенных условиях, наоборот, — проявление антиапоптотической активности. В связи с этим следует отметить, что существует гипотеза в отношении фрагментации ДНК, сопровождающей апоптоз, которая, возможно, возникла как механизм противовирусной защиты чтобы не допустить репликации вируса в клетке. В настоящее время показано, что ряд вирусных белков тормозит апоптоз в нейроне.
В 1993 г. был идентифицирован новый ген, индуцирующий апоптоз исключительно в нервной системе — это ген низкоаффинного рецептора к фактору роста нервов (pTSNGFR) [11].
Следует отметить, что в нейронах зрелой нервной ткани нет экспрессии Р15NGFR, который относится к семейству, включающему и гены рецепторов к Факторам некроза опухоли, однако при болезни Альцгеймера и боковом амиотрофическом склерозе выявлена его повышенная экспрессия, соответственно, в базальных холинергических нейронах и в мотонейронах спинного мозга. Предполагается, что повышенная экспрессия p75NGFR способствует образованию арахидоновой кислоты, активации перекисного окисления липидов и развитию окислительного стресса. [2]
Большое значение в развитии апоптоза отводится цитозольному фактору транскрипции (NF-кВ), который регулирует экспрессию генов, кодирующих белки, которые участвуют в формировании иммунного ответа и реакций воспаления. NF-кВ существует в двух формах: индуцибельный (в цитоплазме и синапсах) и конститутивной (в ядре). Этот фактор выявлен в синапсах коры больших полушарий, мозжечка и гиппокампа. Установлена возможность ретроградного транспорта NF-кВ из синапса в ядро. Это новая сигнальная система для ядра. Экспрессия NF-кВ имеет важное значение в нейрональной пластичности и синаптической активности [10].
Накапливаются данные в пользу участия NF-кВ в развитии болезни Альцгеймера: (3-амилоид активирует NF-кВ через образование активных метаболитов 02, tau-белки также активируют NF-кВ. При этом NF-кВ активируется вокруг бляшек на самых ранних стадиях болезни путем взаимодействия с RAGE-рецептором, общим для tau и А (3. В свою очередь активированный NF-кВ совместно с метаболитами tau индуцирует экспрессию гена-предшественника амилоидного пептида. Вместе с тем следует отметить, что наряду с апоптотическим эффектом NF-кВ при определенных условиях может оказывать и нейропротективное действие [3].
Некроз клетки — тип клеточной смерти, принципиально отличный от упорядоченного прекращения жизнедеятельности в процессе апоптоза развивающихся нейронов. Причиной этого процесса могут стать различные патогенные факторы: гипоксия, токсемия, гипертермия и др. При некрозе наблюдаются вакуолизация, резкое набухание клеток, завершающееся лизисом.
В последние годы установлено, что гены, имеющие значение в механизмах развития апоптоза, участвуют и при формировании нейронального некроза. Так, показано, что Вс1-2 ингибирует некроз [2]. Предполагается, что этот ген регулирует внутриклеточные процессы, в одних случаях приводящие к апоптозу, в других — к некрозу. Другой антиапоптотический ген Bcl-XL подавляет не только апоптоз, но и некротическую гибель нейронов при гипоксии. Ингибиторы ICE протеаз также способны затормозить развитие не только апоптоза, но и некоторые формы некроза. Это предполагает наличие общих механизмов гибели клетки как при апоптозе, так и некрозе [14].
В нейрональной культуре повышенная экспрессия p75NGFR вызывается введением (3-амилоидного пептида ((3-АР), морфологически при этом наблюдается картина в большей степени похожая на некроз, чем на апоптоз. Допускается, что этот механизм может быть одним из звеньев патогенеза болезни Альцгеймера.
Выраженной нейрональной токсичностью обладают и некоторые амилоидогенные пептиды, в частности, (3-АР 1-40 и (3-АР 25-35, а также пептид прионного белка Р^Р 106-126. От концентрации, например, пептидов (3-АР зависит механизм гибели клетки — некроз или апоптоз, pr? 106-126 индуцирует апоптоз. Сложилось мнение, что различные факторы, приводящие клетку к гибели, вызывают либо некроз (большие концентрации за короткое время), либо апоптоз (малые дозы за длительный период) [2, 14]. К этим факторам относятся активные метаболиты кислорода, концентрация внутриклеточного Са2+, нарушение формирования Са2+-каналов и Са2+ гомеостаза, повышение чувствительности к глутамату его рецепторов, блок тахикининовых рецепторов и т. д.
Все эти исследования убеждают в существовании сложной системы регуляции апоптоза и некроза. Предполагается наличие и других пока не идентифицированных генов, регулирующих эти процессы в нервной системе.
Современный уровень знаний о молекулярных механизмах гибели нейрона при болезнях Альцгеймера, Паркинсона и Гентингтона, боковом амиотрофическом склерозе, эпилепсии, ишемии и гипогликемии явно недостаточен для понимания всех аспектов их патогенеза. Тем не менее, представляется весьма вероятным, что в повреждении нервных клеток при этих различных по этиологии заболеваниях принимают участие два стандартных механизма — окислительный стресс и эксайтотоксичность, которые могут индуцировать развитие некроза или апоптоза нейрона [1].
Таким образом, механизмы гибели нервной клетки при нейродегенеративных заболеваниях осуществляются, главным образом, по механизму апоптоза; при острых заболеваниях и повреждениях нервной системы в основном по пути некроза. Реализация этих эффектов связана с изменением экспрессии ряда онкогенов в связи с развитием реакций окислительного стресса и эксайтотоксичности, являющихся одним из общих механизмов повреждения нервной системы при различных патологических состояниях.
Литература
1. Завалишин И. А., Захарова М. Н. Оксидантный стресс — общий механизм повреждения при заболеваниях центральной нервной системы // Ж. Неврологии и психиатрии им. С. С. Корсакова. 1996, № 2, с. 111-114.
2. Bredesen D. E. Neuronal apoptosis: genetic and biochemical modulation. //In. Apoptosis II: The molecular basis of apoptosis in disease. Ed Tomei L. D., Cope F. 0. 1994. Cold Spring Harbor Lab. Press p. 397-421.
3. Cebollos-Picot I. The role ofoxidative stress in Neuronal Death. 1997. Springer. 203 P.
4. Herdegen F., Skene P, Bauhr M. The c-Jun transcription factor-bipotential mediator ofneuronal death, survival and regeneration// TINS, 1997. v. 20, p. 227-231.
5. Holtzman D. M., Deshmukh M. Caspases: a treatement target for neurodegenerative disease.//Nature Medicine 1997, v. 3, p. 954-955.
6. Kim T-W, Warren H. P, Jung Y-K. Alternative cleavage of Alsheimer-associated Presenilins during apoptosis by a caspase — 3 family protease.//Science 1997, v. 277, p. 373-376.
7. Kroemer G. The proto-oncogene Bcl-2 and its role in regulating apoptosis.// Nature Medicine 1997, v. 3, p. 614-620.
8. Martinou J. K-., Dubois-Dauphin V., Staple J. K. Overexepression of bcl-2 in transgenic
mice protects neurons from naturally occurring cell death and experimental ishemia.// Neuron. 1994, v. 13, P. 1017-1030.
9 McCarthy N. J., Whyte M. K., Gilbert C. S. Inhibition of ced-3/ICE related proteases does not prevent cell death induced by oncogenes, DNA damage or the Bcl-2 Homologue Bak//J. Cell. 1997, v. 36 p. 215-227.
10. ONeill L. A. J., Kaltschmidt C. NF-кВ: a crucial transcription factor for glial and neuronal cell function.//TINS. 1997, v. 20 p. 252-258.
11- Rabizadeh S., Ohj., Zhong 1. et al. Induction ofapoptosis by the low-affinity NGF receptor.//Science 1993, v.,261, p. 345-348.
12. Satou Т., Cummungs B. J., Cotman C. W. Immunoreactivity for Bcl-2 protein within neurons in the Alzheimers disease brain increases with disease severity. // Brain. Res. 1995, v.697, p. 35-43.
13. Schwartz L. M., Milligan С. Е. Cold thoughts of death: The role of ICE proteases in neuronal cell death. //TINS 1996 v. 19, p. 555-562.
14. Shimizu S., Eguchi Y., Kamiike W. et al./ Retardation of chemical hypoxia-induced necrotic cell common mediators in apoptotic and necrotic sig nal transductions.// Oncogene. 1996, v. 12, p. 2045-2050.
15. Yang J., LinX., BhallaK. etal. Prevention of apoptosis by Bel-2: release of cytochrome С from mitochondria-bio blocked. //Science 1997, v. 275, p. 1129-1132.
16. ZamzamiN., SusinS., MacchettiP. Mitochondrial control of nuclear apoptosis. //J. Exp. Med.1996, v.183, p. 1533-1544.