Нейротрофический фактор мозга что это
Депрессивные расстройства представляют серьезную социально-экономическую и медицинскую проблему современного общества [13, 47]. Частота встречаемости данной патологии в общей популяции составляет 5–20 % [7]. Несмотря на интенсивные исследования, причины, индуцирующие развитие этого расстройства, а также пути его формирования остаются неясными [1, 12]. В настоящее время известен ряд нейробиологических аномалий, связанных с развитием депрессивных расстройств: нарушение баланса активности серотонин- и глутаматергических систем головного мозга, нейрогормональные нарушения, касающиеся в первую очередь функции гипоталамо-гипофизарно-адреналовой системы; иммунологические нарушения, структурно-функциональные изменения в лимбической системе мозга, снижение объема гипокампа и т.д. [2, 3, 4, 8, 9, 10, 14]. Усиление апоптоза при невротических связанных со стрессом расстройствах и при депрессии, нарушение нейрональной киназной регуляции и угнетение нейрогенеза привлекли внимание к факторам, регулирующим эти процессы [6, 11, 41, 43].
Исследование механизмов индуцированной стрессом психопатологии на животных моделях показало, что стресс, провоцирующий у грызунов развитие депрессивноподобного состояния, может сопровождаться нейропластическими изменениями, включающими угнетение нейрогенеза в гиппокампе [35]. Вероятно, эти эффекты стресса на мозг являются одной из причин наблюдаемого у некоторых депрессивных больных уменьшения объемов ряда отделов мозга (гиппокамп, кора и миндалина) [20]. Отмечаемое преимущественно в гиппокампе снижение экспрессии этого фактора после стресса и ее восстановление длительным введением антидепрессантов привели к созданию нейротрофической гипотезы депрессии [23], согласно которой изменение уровня мозгового нейротрофического фактора (brain-derived neurotrophic factor, BDNF) является ключевым механизмом формирования и терапии этой психопатологии. Проведенные исследования показали, что депрессия приводит к нарушениям нейропластичности, что, возможно, служит основой для хронизации процесса и развития когнитивного дефицита [15].
BDNF – это белок с молекулярной массой 13 кДа, который принадлежит к классу цитокинов, семейству факторов роста и подсемейству нейротрофинов; выявляется в глиальных и преимущественно в нейрональных клетках. Впервые этот фактор был описан в 1987 г. [17]. BDNF играет важную роль в развитии и функционировании ЦНС и имеет существенное значение в развитии ее различных патологических состояний. Основная функция данного белка в организме заключается в поддержке выживания нейронов, их росте и формировании новых синапсов. Повышение его активности, наблюдаемое у лиц с депрессией, проходящих психотерапию или фармакотерапию, коррелирует с улучшением памяти и обучения и с редукцией симптомов этого расстройства. Установлено, что BDNF обладает выраженными нейрозащитными свойствами, угнетает клеточный апоптоз [27, 34], препятствует гибели нейронов [26, 29, 31, 40, 45] и cтимулирует рост холинергических нервных волокон [32]. Нейротрофические факторы регулируют структурную, синаптическую и морфологическую пластичность для модулирования интенсивности или количества синаптических связей и нейротрансмиссии [39, 44]. Таким образом, патологические изменения системы нейротрофического фактора могут не только привести к дефектам нервной регенерации и, следовательно, к структурным аномалиям в головном мозге, но также могут снизить нейронную пластичность и ослабить способность человека адаптироваться к кризисным ситуациям [24].
Считается, что BDNF тесно сопряжен с депрессией и стрессом, точные механизмы стресс-индуцированного снижения регуляторной функции BDNF неизвестны [18]. Этот цитокин принимает участие в росте нервных клеток, формировании новых синапсов и их модификации через стимулирование генов, вовлеченных в регуляцию уровня серотонина [28, 33, 38]. Кроме того, существует и обратная связь – стимуляция серотониновых рецепторов приводит к активации экспрессии гена BDNF. В процессе развития мозга именно этот циклический процесс играет одну из главных ролей в выживании, синаптической пластичности и росте серотониновых нейронов. Нарушение в его регуляции может привести к структурным и функциональным изменениям в участках мозга, ответственных за эмоциональное состояние [49]. У пациентов с депрессией отмечена высокая частота встречаемости полиморфизма гена, кодирующего BDNF. По результатам функциональной МРТ изменения в этом гене замечены также у лиц без депрессии с гиперактивацией зон мозга, ответственных за сильные негативные эмоциональные переживания [48].
Группа ученых из Великобритании во главе с доктором Джорджиной Хозанг (Georgina Hosang) провели оценку влияния полиморфизма гена, кодирующего BDNF, на стрессовые события. Вариации в последовательности генов BDNF, по данным научных работ, также могут привести и к уязвимости к стрессу. В целом метаанализ продемонстрировал достоверную взаимосвязь между стрессовыми событиями и вариантом гена BDNF Val66Met у лиц с депрессией. После стандартизации по типу стресса достоверная взаимосвязь не подтвердилась лишь для стрессовых событий, пережитых в детстве [30]. Показано, что стресс снижает экспрессию BDNF в гиппокампе посредством активации 5-HT2A-рецепторов [47]. Предполагают, что стресс, пережитый в детстве, коррелирует с коротким аллелем 5-HTTLPR [8], в то время как стрессовые события во взрослой жизни – с Met-вариантом BDNF при депрессии. Полученные результаты, по мнению ученых, свидетельствуют о том, что лица с генетической «уязвимостью» к негативному опыту – носители варианта BDNF Val66Met, могут получить дополнительные преимущества в отношении снижения риска депрессии от позитивного окружения и избегания стресса.
Также авторы отмечают, что ген BDNF может содержать внушительное число полиморфизмов, которые также могут быть задействованы в формировании депрессии при неблагоприятных условиях внешней среды [30]. Ген BDNF локализован на хромосоме 11p13 и кодирует предшественник пептида pro-BDNF [42]. Все нейротрофины, в том числе BDNF, синтезируются, как предшественники, про-нейротрофины, которые претерпевают посттрансляционную модификацию перед тем как стать зрелым гомодимерным белком. Pro-BDNF производится в эндоплазматическом ретикулуме, который аккумулируется в транс-Гольджи сети через аппарат Гольджи. Было высказано предположение, что pro-BDNF связывает сортилин в аппарате Гольджи, что обеспечивает правильное формирование зрелого домена. Зрелые домены BDNF связываются с карбоксипептидазой Е, тем самым обеспечивая сортировку для контролируемого формирования BDNF [36]. Замещение валина (Val) на метионин (Met) в кодоне 66 в продомене ухудшает эту сортировку BDNF [25]. Pro-BDNF является основной формой нейротрофинов.
Вследствие того, что стресс и депрессия являются одними из факторов, приводящими к самоубийству, в последнее время ряд исследований попытались выяснить роль BDNF в суицидальном поведении. Эти исследования, хотя и в зачаточном состоянии, обеспечивают полную поддержку идеи, что нарушения в BDNF могут быть важным, существенным фактором в суицидальном поведении. Недавно было обнаружено, что полиморфизм в BDNF гене ассоциирован с повышенным суицидальным риском [50].
Кроме того, BDNF является одним из кандидатов на роль биомаркера ответа на терапию антидепрессантами [16]. Это связано с тем, что, во-первых, этот цитокин синтезируется как в мозге, так и клетками других органов, во-вторых, множественные исследования показывают снижение уровня этого вещества при формировании депрессии и повышение – при лечении, и, в-третьих, уровень BDNF прямо коррелирует со степенью улучшения состояния пациента, оцененного с помощью шкалы Гамильтона (Hamilton Depression Rating Scale) [19, 21]. Таким образом, раннее изменение концентрации BDNF в плазме в начале терапии может предсказать эффективность всего курса лечения [37]. Доказано, что деструктивные процессы, отмечающиеся на фоне аффективных расстройств, являются частично обратимыми на фоне терапии нейротрофическими и нейропротективными препаратами [5]. Длительная терапия антидепрессантами повышает экспрессию BDNF в гиппокампальных и корковых нейронах и может предотвращать стресс-индуцированное снижение экспрессии BDNF [22].
Таким образом, экспериментальные, доклинические и клинические исследования показывают, что депрессия может быть связана с невозможностью нейронных систем проявлять адаптивную пластичность. Учитывая роль BDNF и его родственных рецепторов в нервной и структурной пластичности и то что депрессия и антидепрессанты оказывают противоположные действия на BDNF, очевидно, что BDNF-сигнализация имеет решающее значение в патофизиологии депрессии и в механизме действия антидепрессантов.
Обзор написан в рамках выполнения грантов РФФИ (проекты № 14-04-01157 и № 14-04-31925) и гранта Президента РФ № 14.120.14.3854-МК.
Рецензенты:
Семке А.В., д.м.н., профессор кафедры психиатрии, наркологии и психотерапии, ГБОУ ВПО «Сибирский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации, г. Томск;
Невидимова Т.И., д.м.н., профессор кафедры нормальной физиологии, ГБОУ ВПО «Сибирский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации, г. Томск.
Нейротрофический фактор мозга что это
Мозг как высокоорганизованная структура согласовывает реакции адаптации на раздражающие факторы. Нейропластичность, нейропротекция и нейрогенез – базовые адаптивные функции любого мозга. Нейрогенез – процесс возникновения новых нейронов и синапсов, увеличения функциональных возможностей мозга и его выживания при таких состояниях, как физическая и умственная активность, гипоксия, стресс, ишемия и травма мозга, нейродегенеративная патология. Этот процесс обусловливает пластическую функцию мозга и осуществляется при участии нейротрофинов и некоторых ростовых факторов.
Нейротрофины имеют отношение к любому повреждению нервной ткани, в том числе ишемическому, и контролируют процессы гибели, выживаемости и пластичности нейронов [1, 2]. Поражение ткани мозга активирует механизмы нейропластичности, которая является компенсаторной реакцией в ответ на стрессирующий фактор. Дисфункция нейропластичности обусловливает развитие нейродеструктивных и психических расстройств.
Цель исследования – провести критический анализ современных теорий участия мозгового нейротрофического фактора (BDNF) в развитии неврологических и психических расстройств.
Мозговой нейротрофический фактор (BDNF) – это белок из класса цитокинов, семейства факторов роста и подсемейства нейротрофинов; выявляется в глиальных и преимущественно в нейрональных клетках. BDNF синтезируется в эндоплазматическом ретикулуме в виде белка-предшественника с молекулярной массой 32–35 кДа (pro-BDNF), который подвергается редактированию в комплексе Гольджи до образования биологически активного зрелого BDNF (mBDNF) с молекулярной массой 13 кДа [3]. BDNF имеет строгую структурную гомологию с фактором роста нервов (NGF) и имеет примерно 50%-ную аминокислотную идентичность с NGF, нейротрофином-3 (NT-3) и нейротрофином-4/5 (NT-4/5). BDNF состоит из нековалентно связанного гомодимера (каждая из субъединиц состоит из 120 аминокислотных остатков) [4].
Зрелый BDNF иннервирует тропомиозиновый тирозинкиназный B рецептор (TrkB), запускающий каскады фосфорилирования и приводящий к синтезу белка, росту аксонов, созреванию дендритов и повышению синаптической пластичности [3]. TrkB и BDNF запускают внутриклеточные каскады, которые управляют развитием и пластичностью нейронов, клеточным циклом и апоптозом. Иннервация тирозинкиназных рецепторов активирует фосфоинозитидную сигнальную молекулу PIP2 (фосфатидилинозитол-4,5-бифосфат), которая формируется вследствие фосфорилирования при участии фермента PIP5K2A и воздействует на возбудимость нейронов и синаптическое высвобождение нейротрансмиттеров. Возбуждение TrkB усиливает фосфатидилинозитол-3-киназу (PI3K), воздействующую на протеинкиназу Akt (протеинкиназу В), влияющую на выживаемость клеток, активность белков и гликоген синтетаза-киназы 3 (GSK3) [5]. Внутриклеточный фермент Akt1 (изоформы протеинкиназы B) задействован в сигнальных путях серотонина, дофамина, мозгового нейротрофического фактора, фактора роста нервов и ингибировании киназы гликогенсинтазы 3β (GSK-3β), что, вероятно, свидетельствует о вкладе этого фермента в развитие депрессивных расстройств [6].
Ген BDNF расположен на участке хромосомы 11p13, включает 11 экзонов и 9 функциональных промоторов, продуцирующих 34 транскрипта мРНК [7]. В гене показан полиморфный участок rs 6265, обусловленный заменой гуанина на аденин, который обусловливает замещение аминокислотного остатка валина (Val) на метионин (Met) в 66-м кодоне (Val66Met) и воздействует на секрецию белка BDNF. Имеются данные о корреляции аллеля Met со сниженным уровнем BDNF в сыворотке [8], сниженным объемом кратковременной памяти и уменьшенным объемом гиппокампа и дорсолатеральной префронтальной коры [9]. Другие полиморфизмы гена BDNF проявляют возможную положительную и отрицательную связь с различными нейродегенеративными нарушениями. Показана связь полиморфизмов rs56164415 и rs2030324 с повышенной восприимчивостью к болезни Альцгеймера и рассеянному склерозу [10].
BDNF является одним из факторов, поддерживающих дифференциацию, созревание и выживаемость нейронов в нервной системе, угнетающих клеточный апоптоз и проявляющих нейропротекторный эффект в неблагоприятных условиях, таких как глутаматергическая стимуляция, церебральная ишемия, гипогликемия и нейротоксичность. BDNF и мРНК обнаружены в большинстве областей головного и спинного мозга. BDNF в плазме определяется в количествах порядка пг/мл, в сыворотке за счет высвобождения его при распаде тромбоцитов и свертывании крови он определяется в количествах порядка нг/мл. Патологии в системе мозгового нейротрофического фактора могут обусловить аномалии развития головного мозга, понижение нейрональной пластичности и снижение адаптивных реакций на стрессирующие ситуации [11].
BDNF при депрессивных расстройствах
Снижение нейрогенеза в гиппокампе и уровней нейротрофических факторов может быть связано с депрессивными расстройствами. Аномалии в гиппокампальной структуре у пациентов с депрессивными расстройствами выявлены в нейровизуализационных исследованиях [12]. Нейротрофические или факторы роста нервной ткани оказывают выраженное воздействие на функционирование нервных клеток, усиливают или ограничивают рост аксонов и дендритов и формирование новых ветвей и проекций. Они осуществляют свое действие, связываясь со специфическими рецепторами, которые присутствуют как на нейронах, так и на глиальных клетках. Активность синапсов также регулируется нейротрофическими факторами.
Считается, что BDNF вносит вклад в развитие депрессивных расстройств, однако достоверная модель снижения функционирования BDNF на фоне стрессирующей ситуации неизвестна. Показаны значимые корреляции между уровнями BDNF в сыворотке крови и депрессивными состояниями и ассоциации концентрации нейротрофина с успешностью антидепрессивной терапии. У пациентов с депрессией наблюдается снижение уровня BDNF в сыворотке и гиппокампе и его восстановление при длительном приеме антидепрессантов [13]. Практически все антидепрессанты улучшают нейрогенез и зачастую повышают концентрацию нейротрофических факторов, что поддерживает гипотезу нейрогенеза. Изменения в экспрессии BDNF наблюдаются и в клетках крови, и в посмертных тканях мозга у пациентов с депрессией. Генетические исследования также связывают полиморфизм гена BDNF с депрессией. Продемонстрирована достоверная корреляция между стрессирующей ситуацией и вариантом гена BDNF Val66Met у лиц с депрессивными расстройствами [14].
Сывороточный уровень BDNF, положительно коррелируя с уровнем BDNF в центральной нервной системе, может рассматриваться как биомаркер аффективных расстройств и показатель эффективности терапии антидепрессантами [15]. Это обусловлено тем, что BDNF синтезируется как в мозге, так и в клетках других органов. Многими исследователями показаны снижение содержания нейротрофина при формировании депрессии и повышение концентрации BDNF в процессе фармакотерапии, а также положительная корреляция уровня BDNF со степенью улучшения состояния пациента. Уровень BDNF в сыворотке крови и/или полиморфизм гена BDNF могут рассматриваться как показатели прогноза и оценки эффективности терапии [16]. Вместе с тем некоторыми исследователями показано отсутствие корреляции BDNF с ответом на терапию антидепрессантами [17, 18]. Эффективность терапии и тяжесть текущего депрессивного эпизода коррелируют с уровнем BDNF [19].
Фармакотерапия антидепрессантами усиливает экспрессию нейротрофического фактора в гиппокампальных и корковых нейронах. Эффективность терапии антидепрессантами осуществляется за счет их воздействия на нейрогенез и нейрональную пластичность. Депрессивные расстройства формируются на фоне стрессогенных факторов и при отсутствии адаптивной пластичности. Патогенез депрессии основан на дисфункции адаптивных путей, контролирующих нейрональную пластичность. Антидепрессанты, вероятно, препятствуют снижению экспрессии BDNF в структурах головного мозга, задействованных в патофизиологии депрессии [20].
BDNF при алкоголизме
Алкогольная зависимость – это хроническое мультифакториальное, прогредиентное психическое заболевание, отличающееся патологическим влечением к спиртным напиткам, формированием абстинентного синдрома при прекращении употребления алкоголя, психической деградацией и неадаптивной пластичностью [21], потенциальным фактором устойчивости к которому считается BDNF. Поведенческие или фармакологические вмешательства, направленные на усиление нейропластичности, могут стать перспективным направлением для будущих исследований расстройства употребления алкоголя [22]. BDNF рассматривается как регулятор перехода от случайного употребления алкоголя к компульсивному [23] и может быть использован при профилактике и лечении алкоголизма. Предполагают, что BDNF в кортикостриарных путях может замедлять потребление алкоголя с помощью механизмов, связанных с обучением и компульсивным поведением, в то время как риск перехода на неконтролируемое употребление алкоголя может увеличиваться, когда уровень BDNF в медиальной префронтальной коре снижается [23]. Согласно другой модели BDNF может быть ключевым компонентом во взаимосвязи между стрессом и потреблением алкоголя.
Отношения между уровнем BDNF и употреблением алкоголя, по-видимому, меняются по мере изменения уровня введения алкоголя от умеренного до тяжелого [22]. Существует ряд доказательств, демонстрирующих повышенную экспрессию мРНК BDNF в дорзальном полосатом теле в ответ на острое употребление алкоголя или повторное умеренное потребление алкоголя, что приводило к трансляции и секреции полипептида, активации рецептора BDNF TrkB и активации нижележащих сигнальных путей. Напротив, ежедневное потребление алкоголя, достаточного для опьянения, более 6 недель не вызывало увеличения экспрессии мРНК BDNF, и даже наблюдалось ее снижение [23]. Авторы описывают это расстройство как способность алкоголя усилить экспрессию BDNF как возможную потерю защитного механизма адаптации. Отсутствие алкогольной экспрессии BDNF в дорзальном полосатом теле способствует увеличенному употреблению алкоголя.
Таким образом, BDNF может выступать в качестве эндогенного отрицательного регулятора потребления этанола. Учитывая предлагаемую роль BDNF в устойчивости к алкоголизму, логично предположить, что методы, направленные на регулирование уровня BDNF и нейропластичности в соответствующих областях мозга, могут оказать положительное влияние на людей, которым грозит риск развития алкоголизма, или тех, кто восстанавливается после этого заболевания.
BDNF при рассеянном склерозе
Рассеянный склероз – хроническое аутоиммунное заболевание центральной нервной системы, при котором параллельно протекают процессы демиелинизации и нейродегенерации, приводящие к стойкой нетрудоспособности пациентов [24]. Хотя при рассеянном склерозе воспаление способствует нейродегенерации, оно также может оказывать протективное действие, стимулируя продукцию мононуклеарными клетками периферической крови, проникающими в головной мозг через нарушенный гематоэнцефалический барьер, нейротрофических факторов, в особенности BDNF [25]. Эти механизмы играют существенную роль в защите нейронов, особенно в области очага демиелинизации, где воспалительная активность является самой высокой и существует необходимость ремиелинизации, опосредованной олигодендроцитами. Исследования продукции BDNF мононуклеарными клетками периферической крови показали, что экспрессия BDNF зависит от фазы рецидива и вторичной прогрессии у пациентов [26]. Нейродегенерация является основным фактором, влияющим на инвалидность и атрофию головного мозга, которая количественно определяется с помощью магнитно-резонансной томографии при рассеянном склерозе. Потеря объема мозга происходит даже на ранних стадиях рассеянного склероза и прогрессирует в зависимости от длительности заболевания, коррелирует с когнитивными нарушениями и качеством жизни пациентов. Уже на ранних стадиях заболевания у пациентов выявлены легкие когнитивные нарушения, которые сопровождаются снижением BDNF в плазме крови [27].
Исследования влияния полиморфного варианта гена BDNF Val66Met на особенности развития заболевания показали противоречивые результаты. Двухлетнее исследование выявило более высокие периферические уровни мРНК BDNF у пациентов с ремиттирующим рассеянным склерозом, показывая, что полиморфизм BDNF может влиять на периферическое продуцирование BDNF во время стадии ремиттирующего рассеянного склероза независимо от лечения препаратами интерферона [28]. В польской когорте для гомозигот по аллелю Val характерны повышенная восприимчивость к рассеянному склерозу у женщин и более раннее начало заболевания у мужчин, что указывает на гендерную разницу во влиянии полиморфизма гена BDNF на риск развития заболевания [29].
BDNF при ишемическом инсульте
Нейропластичности также отводится особая роль в процессе восстановления пациентов, перенесших ишемический инсульт. Нейрогенез в стриатуме, индуцированный ишемией, может служить одной из составляющих самовосстановления головного мозга после ишемического инсульта. Пластичность на уровне синаптической передачи и нейрональных связей обусловливает восстановление нарушений и компенсацию имеющегося дефекта [30]. Нейротрофические факторы иннервируют процессы ремоделирования в периинфарктной зоне и способствуют возникновению новых синапсов.
Низкий уровень циркулирующего BDNF повышает вероятность возникновения инсульта, а низкая концентрация сывороточного BDNF в острой фазе ишемического инсульта считается фактором плохого прогноза функционального статуса пациента [31]. Salinas J. et al. [32] показали, что наличие эмоциональной поддержки связано с повышенным уровнем BDNF в сыворотке и сниженным риском развития деменции и инсульта, в то время как только уровень BDNF вносит небольшой вклад в развитие этих заболеваний. Снижение концентрации BDNF в сыворотке крови после инсульта может использоваться как предиктор возникновения постинсультной депрессии [33]. Kim et al. [34] продемонстрировали, что гиперметилирование промотора BDNF коррелирует с распространенностью и частотой постинсультной депрессии, а также с тяжестью депрессии в течение 1 года после инсульта. Развитие постинсультной депрессии вносит существенный вклад в реабилитацию больных, сдерживая восстановление нарушенных неврологических и когнитивных функций, увеличивает длительность госпитализации, повышает риск самоубийства и увеличивает смертность больных в течение последующих лет [35]. Таким образом, BDNF может быть использован в качестве маркера для диагностики и прогнозирования инсульта и постинсультной депрессии.
Заключение
Таким образом, мозговой нейротрофический фактор головного мозга вовлечен в патогенетические механизмы неврологических и психических заболеваний. Нейрональная пластичность является комплексным механизмом, объединяя соматическую, ментальную и социальную сферы жизни. Дисфункция нейропластичности обусловливает развитие нейродеструктивных и психических расстройств. При инсульте и психических расстройствах наблюдается увеличение нейрогенеза, а при нейродегенеративных заболеваниях – замедление этого процесса. Вероятно, при инсульте и психических расстройствах стимуляция образования новых клеток обеспечивает компенсаторную (восстановительную) функцию мозга, в то время как депрессия нейрогенеза при нейродегенеративных заболеваниях характеризует молекулярные девиации, присущие этим заболеваниям. Понимание роли нейротрофических факторов в формировании неврологических и психических заболеваний может обеспечить создание нового класса лекарственных средств.
Обзор частично подготовлен в рамках выполнения гранта РНФ № 18-15-00082.
Нейротрофические факторы
Нейротрофические факторы – большая группа полипептидов (до 200 а.о.), организованных в одно- и двухцепочечные формы, – играют ключевую роль в развитии и сохранении структур как центральной, так и периферической нервной системы. Они принимают участие в регуляции роста, развития, дифференцировки и выживания клеточных популяций, процессах их адаптации к внешним воздействиям. В настоящее время известно не менее восьми семейств нейротрофических факторов, хотя у разных авторов встречаются некоторые расхождения в их классификации. Секретируемые нейрональными структурами (нейронами, глией), они выполняют сигнальную миссию в большом спектре физиологических процессов. НТФ осуществляют структурную и функциональную организацию как отдельных клеток мозга, так и нейрональной сети в целом, являясь регуляторами нейрональной пластичности. Одна из основных функций НТФ связана со способностью противостоять окислительному стрессу и апоптозу.
Первый нейротрофический фактор, фактор роста нервов (NGF), был открыт в начале 50х годов и через 30 лет был обнаружен нейротрофический фактор мозга (Brain-Derived Neurotrophic Factor, BDNF). Открытие BDNF вызвало обостренный интерес и привлекло внимание ко всем нейротрофическим факторам. Как вскоре выяснилось, BDNF обладает замечательным свойством стимулировать рост нейронов, аксонов и дендритов, формирование синапсов и другие процессы нейропластичности не только в раннем онтогенезе, но и в мозге взрослого организма, что раньше считалось невозможным. В настоящее время BDNF – один из наиболее изученных нейротрофических факторов центральной нервной системы. Нейротрофические факторы разных семейств обладают общими свойствами, но особое внимание привлекают те из них, которые влияют на функционирование нейромедиаторных систем мозга. Так BDNF тесно связан с серотонинергической (5-HT) системой мозга, а глиальный нейротрофический фактор (Glial cell line-Derived Neurotrophic Factor, GDNF) оказывает выраженное защитное действие на нигростриарную и мезолимбическую дофаминовую (ДА) систему мозга и считается дофаминергическим.
На основании структурной гомологичности аминокислотных последовательностей НТФ делятся на три подсемейства:
Молекулярные механизмы действия нейротрофических факторов
Было установлено, что в норме ГКС, клетки решетчатой пластинки и астроциты головки зрительного нерва млекопитающих экспрессируют рецепторы TrkA, TrkB и p75NTR к следующим нейротрофическим факторам: BDNF, NGF, NT3 и NT4.
Обнаружена избирательность связывания определенного нейротрофина с рецепторами, например, NGF предпочтительно взаимодействует с Trk-A, а BDNF – с Trk-B, тогда как NT-3 – c Trk-C- или с Trk-A-рецепторами. В то же время все названные выше нейротрофины взаимодействуют с «универсальным» рецептором – p75NTR.
Взаимодействуя с Trk-рецепторами, нейротрофины активируют несколько путей внутриклеточной передачи сигнала, однако PI3K/ Akt сигнальный путь является особенно важным для выживания нейронов и синтеза многих клеточных белков. Связывание НТФ с Trk-рецепторами приводит к преобразованию фосфатидилинозитол-3-фосфата в фосфатидилинозитол-3,4,5-трисфосфат под действием фосфатидилинозитол-3-киназы (PI3K), что приводит к активации протеинкиназы B (Akt). Активация Akt делает клетки устойчивыми к действию апоптотических стимулов через фосфорилирование и инактивирование проапоптотических белков Bad и каспазы-9, а также транскрипционных факторов. Так Akt контролирует большой класс транскрипционных факторов FOXO (Forkhead box, group O) и препятствует их способности индуцировать экспрессию генов смерти.
Роль p75NTR очень сложна, так как он является низкоаффинным рецептором НТФ, взаимодействует с NT-3, NT-4/5, NGF, BDNF. Их связывание может привести как к апоптозу, так и к выживанию клеток.
Исследования in vitro показали, что одновременная соэкспрессия рецепторов TrkA и p75NTR повышает чувствительность нейронов к более низким концентрациям НТФ.
Защитные свойства нейротрофических факторов
Среди большого семейства НТФ в последнее время наибольшее внимание исследователей привлекают фактор роста нервов (NGF) и нейротрофический фактор головного мозга (BDNF).
NGF представляет собой димер, содержащий две идентичные субъединицы по 118 аминокислотных остатков, с молекулярным весом около 26 кДа. В центральной нервной системе NGF является ключевым нейротрофином, и нарушение его регуляции может быть вовлечено в патогенез различных нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и рассеянный склероз.
Одним из важнейших эффектов NGF служит ретроградный транспорт молекулы по аксону – от синаптической мишени-рецептора до ядра соответствующего нейрона. Экспериментальное снижение уровня NGF (введение анти-NGF-антител или прерывание ретроградного транспорта по аксону) приводит к дегенерации соответствующих симпатических и сенсорных нейронов.
Применение NGF в животных моделях нейродегенеративных заболеваний предотвращает дегенерацию нейронов. Клинические исследования показали, что применение NGF у пациентов с болезнью Альцгеймера приводит к нормализации данных электроэнцефалографии и повышению когнитивных функций.
В экспериментальных исследованиях было установлено наличие выраженного защитного эффект внутриглазного применения NGF при глаукоме.
В литературе имеются данные о клиническом применении NGF у больных первичной открытоугольной глаукомой. В рамках этой работы на протяжении 3-х мес. наблюдались 3 пациента с далеко зашедшей стадией ПОУГ, которым ежедневно проводились инстилляции глазных капель, содержащих NGF (200 мкг/ мл). Результаты психофункциональных и электрофункциональных исследований у этих пациентов выявили, что электрофизиологические изменения сопровождались улучшением клинических показателей: MD (mean deviation) был увеличен с 0 до 5% у всех пациентов к концу лечения NGF и с 1 до 15,8% через 3 мес. после прекращения терапии. При этом у двоих пациентов показатели остроты зрения и поля зрения остались стабильными спустя 18 мес. Этот «долгосрочный» эффект NGF может быть связан не только с противоапоптотической активностью, но и со способностью к образованию новых нервных путей, так как известно, что NGF стимулирует нейронную пластичность и регенерацию аксонов.
BDNF димер с общим молекулярным весом 27,2 кДа структурно сходен с NGF; идентичность аминокислотной последовательности BDNF из свиньи и крысы свидетельствует о его видовой консервативности. С помощью рекомбинантного BDNF человека было доказано существование ретроградного аксонального транспорта BDNF, который в последующем был идентифицирован в ипсилатеральной и контралатеральной коре переднего мозга, латеральном гипоталамусе, структурах locus coeruleus и в других отделах мозга. BDNF обладает выраженными нейропротекторными свойствами и выполняет важную роль в предупреждении развития апоптоза нервных клеток. В экспериментальных моделях глаукомы было выявлено, что BDNF принимает активное участие в процессах нейротрофической регуляции и дизрегуляции. У животных в процессе развития экспериментальной глаукомы наблюдается резкое снижение содержания BDNF во внутриглазных структурах, а его введение или повышение содержания в структурах глаза предотвращает развитие повреждения ГКС.
При трехкратном интравитреальном введении BDNF в глаза крыс с повышенным в 2,5 раза ВГД после второй и третьей инъекций отмечалось увеличение выживания ГКС, что составило 91,3 и 82,7% соответственно, и оказалось статистически значимым отличием по сравнению с результатами, полученными в контрольной группе.
В последнее время растет интерес к возможному применению генной инженерии для доставки BDNF к клеткам сетчатки. Достигнуты хорошие результаты в исследованиях in vitro: показано, что ГКС, трансфицированные аденоассоциированным вирусом, способны к выработке BDNF. Аналогичные результаты получены при интравитреальном введении животным ДНК BDNF с помощью вирусного вектора, выявлен повышенный синтез нейротрофина и значительный нейропротекторный эффект терапии.
Данные исследования показывают, что повышение уровня НТФ является патогенетически обоснованным и эффективным методом лечения глаукомной оптической нейропатии. Однако вопрос о безопасной и устойчивой доставке НТФ остается камнем преткновения. С данной точки зрения интересным представляется возможность применения стволовых клеток.
Нейротрофический фактор мозга BDNF
BDNF наиболее широко (по сравнению с другими нейротрофическими факторами) представлен в мозге. Это относится и к многообразию структур мозга, и к уровню экспрессии BDNF. По современным представлениям, ген BDNF человека локализуется в p14-регионе 11 хромосомы и содержит 12 экзонов, 9 из которых имеют специфические промоторы (I–VIII 5′-экзоны сплайсирующиеся с общим 3′-экзоном IX).
Как транскрипты мРНК, так и белок BDNF широко представлены в неокортексе, гиппокампе, миндалине и мозжечке. BDNF отличается структурной и функциональной сложностью, которая обусловлена
Все эти особенности определяют сложность селективного молекулярного механизма, регулирующего продукцию и функциональную активность BDNF. Сложная транскрипционная регуляция BDNF вовлекает и эпигенетические факторы. Промоторы I, II и IV гена BDNF человека и I, II, IV–VI и IX гена Bdnf грызунов насыщены CpG- островками (богатые CG участки ДНК), что делает их мишенями для процессов метилирования/деметилирования. Имеются многочисленные доказательства участия метилирования гена Bdnf в регуляции нормальной активности нейронов и в патологических процессах. Значительный вклад в эпигенетический контроль экспрессии BDNF вносит также деацетилирование гистонов. Чаще всего модификации подвергаются гистоны Н3 и Н4 в промоторах I и IV, что может иметь критическое значение для реализации нейропластических процессов, действия антидепрессантов и стабилизаторов настроения. Недавно стало известно, что экспрессию гена Bdnf могут регулировать и анти-BDNF транскрипты (микроРНК). Транскрипция BDNF в нейронах позитивно регулируется с помощью деполяризации мембраны, индуцируемой сенсорными стимулами, а также активацией NMDA-рецепторов глутамата. Наличие множества промоторов и альтернативного сплайсинга приводит к появлению, по меньшей мере, 17 транскриптов (у человека) с различными 5′- и 3′-нетранслируемыми областями (untranslated region, UTR). Тем не менее все они имеют общую кодирующую область, включающую экзон IX, содержащий полную последовательность молекулы его предшественника – proBDNF. Кроме того, этот экзон содержит два сайта полиаденилирования, производящих транскрипты с длинной, либо короткой 3′-UTR.
Это имеет важное функциональное значение, поскольку мРНК с длинной 3′-UTR локализована преимущественно в шипиках дендритов и транслируется в ответ на активацию нейронов. Напротив, мРНК с коротким 3′-UTR активно транслируется в телах нейронов для поддержания базального уровня белка BDNF. BDNF производится «по требованию» в ответ на нейрональную активность из белка-предшественника pre-proBDNF, который разрезается до proBDNF в аппарате Гольджи.
В мозге proBDNF ожидает три возможных исхода:
Эффекты зрелого BDNF реализуются путем активации двух типов рецепторов – тропомиозинового тирозинкиназного B рецептора (tropomyosin-related kinase B receptor, TrkB) и неспецифичного р75-рецептора. Однако экспрессия TrkB-рецептора значительно выше, отношение TrkB/p75 в большинстве структур мозга достигает 8–10. Это определяет превалирующую роль TrkB-рецептора, инициирующего каскады фосфорилирования, что, в свою очередь, приводит к синтезу белка, росту аксонов, созреванию дендритов, увеличивая синаптическую пластичность. В отличие от BDNF, proBDNF связывается с общим для нейротрофинов p75-рецептором и ингибирует рост нейритов, сокращает размеры нейронов и запускает процессы апоптоза.
Вызывает интерес соотношение зрелой формы BDNF и его предшественника BDNF/proBDNF. Противоположные функции BDNF и его предшественника proBDNF дают основание считать соотношение BDNF/proBDNF важнейшим ауторегуляторным механизмом синаптической пластичности, а его снижение, вызванное увеличением предшественника или понижением уровня BDNF, – одним из патогенетических факторов нейро- и психопатологий.
Экспрессия BDNF чувствительна к таким воздействиям как стресс, травма, гипогликемия, ишемия и повреждения мозга. Экспрессия BDNF модулируется большим числом фармакологических агентов, мишенями которых являются самые разные нейротрансмиттерные системы. Полагают, что нарушения в генетическом и эпигенетическом контроле метаболизма, транспорта или передачи сигнала BDNF способствуют развитию ряда неврологических и психических расстройств, включая болезнь Альцгеймера, Хантингтона, Паркинсона, невропатическую боль, шизофрению, тяжелые депрессивные расстройства, аддикцию.
Глиальный нейротрофический фактор (GDNF)
Вместе с тремя другими структурно родственными факторами – нейротурином, артемином и персефином GDNF образует семейство нейротрофических факторов, входящее в суперсемейство трансформирующего ростового фактора β. Члены семейства GDNF передают сигнал через экстраклеточные рецепторы (GFRα1–4), каждый из которых селективен для соответствующего члена семейства. GDNF проявляет наиболее высокую аффинность к GFRα1. Рецепторный комплекс GDNF–GFRα1 связывается с экстраклеточным доменом рецепторной тирозинкиназы, модулируя различные внутриклеточные сигнальные каскады.
В дополнение GDNF может напрямую связываться с молекулами нейрональной клеточной адгезии (NCAM) c последующей активацией Src-подобных киназ и МАР-киназы. GDNF имеет биологически активную про-форму (proGDNF), которая экспрессируется в большинстве отделов мозга и обнаружена как в астроцитах, так и в ДА-нейронах.
Кроме GDNF, при разрезании proGDNF образуются пептиды, известные как DNSP-11 также обладающие биологической активностью. BEP усиливает синаптическое возбуждение в пирамидальных нейронах гиппокампа, а DNSP-11 так же эффективно защищает ДА-нейроны, как и зрелая форма GDNF. Распространение GDNF и его рецепторов не ограничено областью ДА-нейронов среднего мозга. Рецепторы GDNF, как и его транскрипты и белок, обнаружены во многих других структурах мозга, указывая на то, что GDNF может выполнять разнообразные функции. Среди них – участие в синаптогенезе в гиппокампе, где GDNF и GFRα1 играют инструктивную роль в формировании синапсов, индуцируя эктопические пресинаптические сайты.
GDNF участвует в поддержании клеточных элементов гематоэнцефалического барьера. Увеличение экспрессии proGDNF после введения бактериального липополисахарида и повышение образования GDNF астроцитами и клетками микроглии, наблюдаемое при воспалении, указывает на GDNF как на активатор микроглии и ингибитор нейронального воспаления. Благодаря разнообразию выполняемых функций, GDNF, с одной стороны, участвует во многих физиологических процессах, с другой – в патогенезе ряда неврологических и психических расстройств.
Известно о вовлечении GDNF в механизмы старения, болезни Паркинсона, Альцгеймера, Хантингтона, бокового амиотрофического склероза, эпилепсии и ряда нейропсихических расстройств, таких как биполярное расстройство и униполярная депрессия. На экспрессию GDNF могут влиять различные факторы, одним из которых служит хронический стресс. Хорошо известно, что длительные стрессовые воздействия являются фактором риска для развития психических расстройств, включая депрессию. «Гормоны стресса» глюкокортикоиды могут подавлять экспрессию и секрецию GDNF, вызывая эпигенетические эффекты множеством разнообразных путей. Так, хронический ультрамягкий стресс повышает метилирование ДНК, связанное с модификацией гистонов, что приводит к репрессии транскрипции Gdnf и формированию более восприимчивого к депрессии фенотипа мышей. Изменить ответ нейрона на GDNF могут и микроРНК путем подавления рецепторов GFRα1а (специфичной изоформы гена GFRA1), что и обнаружено в базолатеральной миндалине субъектов, страдавших от депрессии. Индукторами экспрессии GDNF также являются низкокалорийная диета, физические упражнения и обогащенная среда.
