научная статья по теме ПРЕКОНДИЦИОНИРОВАНИЕ КЛЕТОК МОЗГА К ПАТОЛОГИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ: ВОВЛЕЧЕННОСТЬ ПРОТЕАЗ (ОБЗОР) Химия

Текст научной статьи на тему «ПРЕКОНДИЦИОНИРОВАНИЕ КЛЕТОК МОЗГА К ПАТОЛОГИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ: ВОВЛЕЧЕННОСТЬ ПРОТЕАЗ (ОБЗОР)»

БИОХИМИЯ, 2015, том 80, вып. 2, с. 204 - 213

УДК 577.25

ПРЕКОНДИЦИОНИРОВАНИЕ КЛЕТОК МОЗГА К ПАТОЛОГИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ: ВОВЛЕЧЕННОСТЬ ПРОТЕАЗ

Обзор

© 2015 А.А. Яковлев, Н.В. Гуляева*

Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, 117485 Москва; электронная почта: nata_gul@yahoo.com

Поступила в редакцию 03.10.14 После доработки 21.10.14

Прекондиционирование (ПК) является одной из действенных стратегий снижения тяжести повреждения клеток, в частности, клеток нервной ткани. Несмотря на то, что механизмы ПК изучены недостаточно, участие протеаз в ПК очевидно, хотя подробно эта область до сих пор не исследована. В статье предложено несколько механизмов потенциального вовлечения протеаз в ПК. В основном рассмотрены имеющиеся данные, касающиеся протеаз семейств каспаз и катепсинов, а также протеазных рецепторов. Приведены свидетельства того, что именно эти белки участвуют в реализации ПК клеток мозга. Предложена гипотеза о том, что секретируемый катепсин В вовлечен в реализацию эффектов ПК через активацию рецептора PAR2.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: прекондиционирование, мозг, протеазы, каспазы, катепсин, протеазные (PAR) рецепторы.

Прекондиционирование является одним из ключевых механизмов эндогенной защиты организма от повреждающих воздействий. Феномен ПК заключается в следующем: воздействие на ткань организма патогенного фактора ниже порога повреждения защищает эту ткань от последующего воздействия того же или иного патогенного фактора высокой интенсивности, способного вызвать повреждение. Иными словами, ПК оптимальной продолжительности и интенсивности существенно повышает резистентность ткани. ПК является частным случаем гор-мезиса, т.е. стимулирующего действия умеренных доз стрессоров. К прекондиционирующим стимулам относятся, в частности, химические вещества, ишемия, гипоксия, гипертермия. При ишемическом прекондиционировании (ИПК), которое изучено в наиболее значительной степени, кратковременная ишемия способствует возникновению временной устойчивости к более тяжелой ишемии, причем не только в данном органе, но также и в других тканях и органах организма. ПК одного органа вызывает ус-

Принятые сокращения: прекондиционирование — ПК; ишемическое прекондиционирование — ИПК; ауто-фагия — АФ.

* Адресат для корреспонденции.

тойчивость другого органа в целом ряде моделей на животных [1—4]. Возможность ишемического прекондиционирования была продемонстрирована на многих видах лабораторных животных, на многих органах и тканях, а также в моделях in vitro. На возможности удаленного ПК основана, например, выработка устойчивости головного мозга к ишемии после кратковременной ишемии конечности [5]. Обсуждается возможность ПК при операциях на крупных артериях и операциях после кровоизлияний в мозг в клинике [6]. Опубликован ряд обзорных работ, подробно раскрывающих некоторые аспекты ПК. Так, молекулярные механизмы подробно описывает Обренович [7], клиническое значение прекондиционирования рассматривает Дирнагль с со-авт. [5].

Первые работы по ИП мозга были проведены на грызунах с использованием модели глобальной ишемии [8]. Животные, перенесшие двухминутную глобальную ишемию мозга, демонстрировали значительное уменьшение гибели клеток в поле СА1 гиппокампа после пятиминутной ишемии через 1—2 дня после ПК. Более того, 2 двухминутных эпизода глобальной ишемии с интервалом в один день через 2 дня после второго эпизода практически полностью предотвращали гибель нейронов в результате

пятиминутной ишемии. Защитное действие ИПК в дальнейшем было продемонстрировано на модели фокальной ишемии на мышах, более клинически релевантной модели инсульта человека [9]. Для детального изучения механизмов ИПК были разработаны модели in vitro с использованием клеточных культур. Клетки первичной культуры коры больших полушарий после кратковременного эпизода кислородно-глюкозного голодания становятся более устойчивы к последующим более тяжелым воздействиям [10]. Кислородно-глюкозная деприва-ция стала общепринятой моделью для исследования эффектов ИПК на клетках [10—13]. На этой модели были исследованы многие молекулярные механизмы ПК [11, 13, 14].

ИПК активирует внутриклеточные защитные механизмы и запускает экспрессию многих протекторных генов [5]. ИПК приводит к улучшению функционирования эндотелия сосудов мозга [15—17]. В частности, увеличивается кровоснабжение мозга и ускоряется восстановление кровоснабжения в постишемический период. Эти эффекты, как полагают, опосредованы системой оксида азота [18]; в сосудах мозга повышается иммунореактивность синтазы оксида азота [19], а ингибирование этого фермента или нокаут его гена устраняют эффект ИПК [20, 21]. Прекондиционирование с помощью повторяющихся эпизодов умеренной гипобарической гипоксии также вызывает защиту от более тяжелого повреждения [22] за счет значительного увеличения экспрессии транскрипционных факторов, фосфорилированного CREB и NF-kappa B в коре больших полушарий экспериментальных животных, тогда как тяжелое гипобарическое повреждение вызывает снижение экспрессии этих белков [22]. Гипобарическое гипоксическое ПК также вызывает повышение экспрессии ан-тиоксидантного фермента Mn-СОД [23].

Ишемия вызывает высвобождение некоторых провоспалительных цитокинов, что приводит к повреждению нейронов [24]. ИПК вызывает уменьшение воспаления за счет снижения экспрессии провоспалительных факторов [25, 26]. Ишемическая гибель клеток мозга опосредована глутаматной экзайтотоксичностью, а снижение уровня глутамата является мощным нейропротекторным фактором [27]. ИПК уменьшает глутаматную экзайтотоксичность за счет снижения выброса глутамата из депо, стимулирования внутриклеточного транспорта глутама-та и увеличения экспрессии глиального транспортера глутамата [13, 28, 29]. Высокий уровень ГАМК подавляет экзайтотоксичность и является нейропротекторным фактором [30]. ИПК вызывает повышение уровня ГАМК во время ише-

мии за счет активации ключевого фермента синтеза ГАМК, глугаматдекарбоксилазы [31]. Не менее важным является оптимизация энергетического метаболизма клетки в результате ИПК: происходит усиление гликолиза, усиление функционирования дыхательной цепи, стабилизация мембран митохондрий [32, 33]. ИПК также вызывает сдвиг равновесия аденилатки-назной реакции в сторону генерации АТФ, который активно расходуется при ишемии [34].

В последние годы начаты исследования роли протеолитических систем в ИПК. Речь идет в основном о протеасомальной/убиквитиновой и лизосомальной/аутофагической системах, двух основных системах протеолиза в клетках млекопитающих. Известно, что при ишемии в клетках гиппокампа образуются белковые агрегаты [35, 36], а активация убиквитин/протеасомной системы и экспрессия шаперонов предотвращают образование агрегатов [37, 38]. ИПК вызывает значительное снижение агрегации белка после ишемии [39]. При этом снижается количество убиквитиновых конъюгатов белка и стабилизируется внутриклеточный пул свободного убик-витина.

В клетках мозга после ишемии активируются процессы аутофагии, хотя роль аутофагии в выживании нейронов до сих пор точно не установлена [40]. Активация аутофагии вызывает разрушение внутриклеточных компонентов и смерть клеток, однако аутофагия, происходящая на базовом уровне, способствует выживанию клеток, так как устраняет поврежденные белки и орга-неллы и одновременно обеспечивает клетку питательными веществами [41]. В модели ИПК на культуре клеток in vitro было показано, что ингибирование аутофагии снижает нейропротек-цию, вызванную ПК [42].

Каспаза-3 является основным ферментом млекопитающих, отвечающим за подавляющее большинство протеолитических событий при апоптозе [43], в частности, в нервной ткани [44, 45]. Ишемическое повреждение или травма мозга вызывают активацию каспазы-3 и последующую гибель нейронов [46, 47]. Мутация гена каспазы-3 приводит к смерти животного в эмбриогенезе или раннем постнатальном онтогенезе, причем наиболее сильно патология развития таких мутантов выражена именно в головном мозге [48]. Однако каспаза-3 может иметь и не связанные с гибелью клеток функции. Так, на модели ишемической толерантности in vivo было показано, что в ПК нервной ткани происходит активация каспазы-3 без каких-либо признаков апоптоза, а в нейрональной культуре ингибитор каспазы-3 блокирует вызванную кратковременной ишемией защиту от NMDA [14].

Последний пример показывает, что среди многообразия функций такого фермента, как каспа-за-3, может быть и антиапоптотическая функция, в частности, участие в ИПК.

Показано, что каспаза-3 активирует анти-апоптотическую киназу Akt [49]. Протеинкина-за Akt (PKB), является эффектором фосфатидил-инозитол-3-киназы и принимает участие в выживании клеток различных типов во многих, если не во всех типах тканей. В клетках нокаутных по гену каспазы-3 мышей в ответ на различные повреждающие стимулы существенно снижен уровень активной формы Akt, что в некоторых случаях приводит к гибели клеток и организма в целом [49]. Интересно, что мыши с мутацией RasGAP в сайте расщепления каспазой-3 демонстрируют похожие дефекты в активации Akt, а повреждающие факторы вызывают более выраженную гибель клеток в тканях таких мышей. С белком RasGAP также связан один из сценариев выживания клеток после активации каспазы-3 [50]. При активации каспазы-3 происходит частичное расщепление RasGAP и один из образовавшихся фрагментов запускает активацию Akt и предотвращает дальнейшую активацию каспа-зы-3.

Остается недостаточно изученной регуляция активности каспазы-3 в ситуациях, не связанных с гибелью. Предполагают, что в клетке конститутивно экспрессируются или индуцируются вместе с активацией каспаз антиапоптоти-ческие молекулы, например, представители семейства белков-ингибиторов апоптоза [51]. Возможно, каспазы сами могут запускать антиапоп-тотические сценарии, как в случае ПК на модели экзайтотоксической толерантности [14] и при активации белка RasGAP [50].

Несколько исследований посвящены изучению регуляции активности каспаз и тому, как каспазы могут регулировать различные внутриклеточные события. Показано, что, хотя все каспазы являютс

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком