НЕЙРОХИМИЯ, 2014, том 31, № 2, с. 122-133
= ОБЗОРЫ
УДК 616-092.12
КОННЕКСИНОВЫЕ И ПАННЕКСИНОВЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ В КЛЕТКАХ НЕЙРОВАСКУЛЯРНОЙ ЕДИНИЦЫ ГОЛОВНОГО МОЗГА
© 2014 г. А. Б. Салмина*, Н. А. Малиновская, Н. В. Кувачева, А. В. Моргун, Е. Д. Хилажева, Я. В. Горина, Е. А. Пожиленкова, О. В. Фролова
ГБОУВПО "Красноярский государственный медицинский университет им. профессора В.Ф. Войно-Ясенецкого" Министерства здравоохранения Российской Федерации
В обзоре представлены современные данные о механизмах взаимодействия клеток головного мозга, входящих в структуру нейроваскулярной единицы (нейроны, астроциты, эндотелиоциты). Особое внимание уделяется межклеточным взаимодействиям, осуществляемым коннексинами, паннекси-нами и иннексинами, которые обладают способностью формировать межклеточные щелевые контакты и каналы, через которые происходит транспорт молекул между клетками и секреция метаболитов во внеклеточное пространство. Обсуждаются вопросы регуляции активности этих транспортных систем, изменения их экспрессии при патологии головного мозга, а также возможные подходы к фармакологической модуляции их активности.
Ключевые слова: нейроваскулярная единица, межклеточные взаимодействия, коннексин, паннексин.
Б01: 10.7868/81027813314020095
МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В НЕЙРОВАСКУЛЯРНОЙ ЕДИНИЦЕ ГОЛОВНОГО МОЗГА
Нейроваскулярная единица — это совокупность клеток головного мозга и церебральных сосудов (нейроны, астроциты, перициты, эндотелиоциты), необходимая и достаточная для контроля их функциональной активности и ответа на действие регуляторных сигналов и повреждающих факторов. Кроме того, нейроваскулярная единица — это плацдарм, на котором разворачиваются ключевые события таких комплексных процессов, как ней-рогенез, апоптоз, синаптогенез, нейровоспаление, транспорт веществ через гематоэнцефалический барьер [1—3]. Именно в пределах нейроваскулярной единицы реализуются нейрон-астроглиальное метаболическое сопряжение (строго скоординированная активность энергетического обмена в нейронах и астроцитах, обеспечивающая оптимальные условия для функциональной активности нейронов) и глиоваскулярный контроль (астро-глиальная регуляция локального кровотока, обеспечивающая адекватную доставку кислорода в активные зоны мозга).
Фактически, посредством межклеточных взаимодействий в нейроваскулярной единице формируется локальное микроокружение нейронов, необхо-
*Адресат для корреспонденции: 660022, Красноярск, ул. П. Железняка, 1, тел.: (391) 2280769, e-mail: allasalmi-na@mail.ru.
димое для выполнения ими своих специфических функций, поддерживающее их жизнеспособность и регулирующее процессы восстановления. Эндоте-лиоцитам и астроцитам принадлежит ключевая роль в формировании такого микроокружения. Клетки церебрального эндотелия, обладающие рядом уникальных свойств (наличием плотных контактов, значительной экспрессией по сравнению с периферическим эндотелием, щелочной фосфата-зы, у-глутамилтранспептидазы, моноаминоксида-зы, транспортеров глюкозы, рецепторов инсулина и трансферрина) [4], а также перициты обеспечивают транспорт эндогенных и экзогенных молекул через гематоэнцефалический барьер, участвуют в регуляции нейровоспаления, локального кровотока, ней-рогенеза [5, 6]. Астроциты регулируют транспорт нейротрансмиттеров и ионов, оказывают влияние на митохондриальную функцию нейронов (за счет астроцит-нейронального лактатного челночного механизма), контролируют формирование и стабильность синапсов, обеспечивают различные этапы нейрогенеза [7, 8]. Кроме того, астроциты окружают отростками капилляры и взаимодействуют с базальным слоем кровеносных сосудов, образованным эндотелиоцитами, с аксонами и телами нейронов и перицитов [9]. Одна астроглиальная клетка одновременно взаимодействует посредством отростков с сотнями синапсов и в то же время с капиллярами и артериолами. Вследствие наличия рецепторов ко многим нейротрансмиттерам в астроцитах постоянно происходит изменение кон-
центрации внутриклеточного Са2+, приводящее к синтезу и накоплению в клетках метаболитов ара-хидоновой кислоты, D-серина, АТФ и глутамата. Секреция этих молекул, совпадающая по времени с нейрональной активностью, приводит к локальному изменению тонуса церебральных сосудов, соизмеримому с активностью соответствующих регионов мозга [10, 11].
В целом, секреторная активность астроцитов является одним из основных механизмов регуляции межклеточных взаимодействий в пределах нейроваскулярной единицы головного мозга. Высвободившиеся из астроцитов нейротранс-миттеры (например, глутамат), АТФ, цитокины взаимодействуют с соответствующими рецепторами (глутаматными, пуринергическими, рецепторами цитокинов), которые экспрессируются на нейронах, клетках глии и эндотелия. Такое тесное взаимодействие между клетками нейроваскуляр-ной единицы, обеспечиваемое секреторной активностью астроцитов и экспрессией широкого спектра молекул клеточной адгезии, дает право говорить о формировании единой сети клеток (сходной с синцитием), которая контролирует активность клеток, а также сложные интегративные функции мозга, в том числе поведенческие реакции [12, 13].
КОННЕКСИНЫ И ПАННЕКСИНЫ В КЛЕТКАХ ГОЛОВНОГО МОЗГА: ОСОБЕННОСТИ ЭКСПРЕССИИ И РЕГУЛЯЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ
В пределах нейроваскулярной единицы формирование так называемой астроглиальной сети обеспечивается белками-коннексинами, образующими щелевые контакты (gap junctions) [14].
Коннексины (Cx), экспрессирующиеся в клетках позвоночных, представлены двумя десятками изоформ, имеющими четыре трансмембранных домена и отличающимися друг от друга длиной цито-плазматического домена. Еще около 25 белков, схожих с коннексинами по способности формировать каналы, экспрессируются в клетках беспозвоночных, они получили название иннексины (Inx) (образуют межклеточные каналы и участвуют в процессах морфогенеза), а у позвоночных их ортолога-ми являются 3 изоформы паннексинов (Panx) [15]. Недавно было продемонстрировано, что белки семейства CALHM1 (Ca2+-homeostasis modulator 1) имеют аналогичные коннексинам, паннексинам и иннексинам характеристики, участвуя в пуринерги-ческой нейротрансмиссии [16].
Коннексины организуются в составе гексаме-ров в мембранах контактирующих клеток в кана-лы-коннексоны. Они обеспечивают распространение между клетками ионов кальция, калия, во-
ды, молекул размером до 1—1.2 кДа, в частности, АТФ, малых РНК, в том числе эндогенных и экзогенных малых интерферирующих РНК (демонстрируя при этом специфические свойства по проницаемости в зависимости от молекулярной композиции канала), глутамата, вторичных посредников, проапоптотических молекул [17—20].
Коннексины, не имеющие контактов с аналогичными белками рядом расположенной клетки, формируют открытые во внеклеточное пространство каналы (так называемые "полуканалы"), которые могут использоваться для транспорта молекул [21]. Например, Сх43 образует каналы, опосредующие равновесный транспорт НАД+ из цитозоля к активному сайту НАД+-конвертирую-щих ферментов, в частности, НАД+-гликогидро-лазы/CD38, играющей важную роль в регуляции возбудимости клеток нейрональной и глиальной природы.
Как и коннексины, паннексины в клетках позвоночных способны формировать каналы, открывающиеся во внеклеточное пространство, но в противоположность коннексинам проницаемость этих каналов не зависит от концентрации кальция в экстрацеллюлярном пространстве [22]. В отличие от коннексинов способность паннек-синов формировать полноценные межклеточные каналы остается не подтвержденной [23, 24].
Проницаемость коннексиновых "полуканалов", открывающихся во внеклеточное пространство, регулируется потенциалом мембраны клетки (деполяризация мембраны приводит к открытию канала, а гиперполяризация — к закрытию канала), контролируется конформационными изменениями в молекуле коннексина, зависит от концентрации внеклеточного кальция, причем стимулом к открытию коннексиновых каналов является снижение концентрации Са2+ во внеклеточном пространстве [25, 26]. Разные изофор-мы белков щелевых контактов имеют различные характеристики регуляции проницаемости формируемых ими каналов, в частности, изменение проницаемости канала при деполяризации мембраны может иметь уни- и биполярную кинетику (в первом случае речь идет об увеличении проницаемости коннексиновых полуканалов по мере деполяризации мембраны, во втором — о первоначальном увеличении проницаемости канала по мере деполяризации мембраны с последующим снижением проницаемости) [27].
Эффективный способ регуляции активности коннексиновых каналов — посттрансляционная модификация белков [28, 29]:
— фосфорилирование РКВ/АЫ, МАРК, у-8ге, РКС, РКА, GSK-3 и другими киназами (фосфо-рилирование изменяет проницаемость каналов-коннексонов и стабильность белков коннексинов в их составе),
— гликозилирование (преимущественно пан-нексинов), влияющее на внутриклеточный транспорт белков по направлению к цитоплазматиче-ской мембране, ограниченный протеолиз каспаза-ми и кальпаинами (что важно для интернализации белков и аутофагии),
— ацетилирование, влияющее на проницаемость каналов-коннексонов и стабильность белковых комплексов,
— нитрозилирование, увеличивающее экспрессию и проницаемость белков щелевых контактов,
— убиквитинирование, важное для внутриклеточной деградации белков,
— пальмитоилирование, гидроксилирование, метилирование.
В головном мозге экспрессия коннексинов максимальна в клетках глиальной природы, но они экспрессируются и в нейрональном компарт-менте нейроваскулярной единицы [27], причем нейроны экспрессируют преимущественно Cx26, Cx32, Cx36, Cx43, астроциты - Cx30, Cx40, Cx43, Cx45, олигодендроциты — Cx32, Cx45. Эндоте-лиоциты экспрессируют Cx37, Cx40, Cx43, функционирование которых важно для секреции вазо-активных молекул (например, NO) и пролиферации клеток эндотелия [30].
Была продемонстрирована роль коннексинов в функциональном сопряжении клеток головного мозга [31, 32], регуляции нейрогенеза [33], быстром и эффективном распределении регуляторных, сигнальных молекул и метаболитов в активированных регионах мозга [34], последний механиз
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.