УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2007, том 38, № 2, с. 3-25
УДК 612.82.015:577.175.82
НЕЙРОНЫ МОЗГА, ЧАСТИЧНО ЭКСПРЕССИРУЮЩИЕ МОНОАМИНЕРГИЧЕСКИЙ ФЕНОТИП: ЛОКАЛИЗАЦИЯ, РАЗВИТИЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ
© 2007 г. М. В. Угршмов
Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН, Институт нормальной физиологии им. П К. Анохина РАМН, Москва
Наряду с моноаминергическими нейронами, обладающими полным набором ферментов синтеза моноаминов из аминокислоты-предшественника и мембранным переносчиком моноаминов, обнаружены нейроны, частично экспрессирующие моноаминергический фенотип - один из ферментов синтеза моноаминов и/или мембранный переносчик моноаминов. Моноферментные нейроны широко распространены по мозгу, причем их число в некоторых отделах мозга соизмеримо или даже превышает число моноаминергических нейронов, что косвенно свидетельствует об их важной функциональной роли. Наиболее многочисленными являются нейроны, экспрессирующие один из ферментов синтеза дофамина (ДА) - тирозингидроксилазу (ТГ) или декарбоксилазу ароматических ¿-аминокислот (ДАА). ТГ в большинстве моноферментных нейронов обладает ферментативной активностью, обеспечивая превращение ¿-тирозина в ¿-дигидроксифенилаланин (¿-ДОФА) - конечный продукт синтеза. ДАА во всех изученных моноферментных нейронах обладает ферментативной активностью, обеспечивая превращение ¿-ДОФА и 5-гидрокситриптофана, захватывающихся из межклеточного пространства, соответственно в ДА и серотонин. Моноферментные нейроны, экспрессирующие комплементарные ферменты синтеза ДА, совместно синтезируют этот нейротрансмиттер. Наряду с моноферментными нейронами обнаружены гораздо менее многочисленные нейроны, экспрессирующие мембранный переносчик серотонина, но лишенные обоих или только первого фермента синтеза моноаминов. Несмотря на то, что вопрос о функциональном значении этих немоноаминергических нейронов далек от окончательного решения, предполагается, что они являются временным депо серотонина, захватывающимся в мозгу из межклеточного пространства и ликвора.
Таким образом, значительная часть нейронов мозга экспрессируют отдельные элементы моноами-нергического фенотипа, обеспечивая кооперативный синтез нейротрансмиттеров или их депонирование.
ВВЕДЕНИЕ
Механизмы пластичности головного мозга и его функциональной интеграции с помощью ней-ротрансмиссии являются ключевыми проблемами нейронаук. Две наиболее функциональные значимые и многочисленные группы химических сигналов представлены нейропептидами и так называемыми классическими нейротрансмиттера-ми - ацетилхолином и моноаминами [105]. Эти два класса нейротрансмиттеров существенно отличаются друг от друга по механизмам синтеза и внутриклеточного запасания. Нейропептиды, состоящие из нескольких или нескольких десятков аминокислотных остатков, синтезируются в телах нейронов на рибосомах в виде молекул пре-пронейротрансмиттера, которые упаковываются в секреторные гранулы в комплексе Гольджи. Затем они транспортируются по аксонам и выделяются экзоцитозом из аксональных терминалей, становясь функционально активными после ферментативного расщепления молекулы препро-
нейротрансмиттера с образованием физиологически активного фрагмента (рис. 1).
В отличие от нейропептидов классические нейротрансмиттеры - производные одной аминокислоты, синтезируются в результате двух- или многоступенчатого ферментативного процесса, осуществляемого в цитозоле на всем протяжении нейрона - в телах и в отростках (рис. 2). Особенно хорошо прослежена судьба моноаминов - катехо-ламинов и серотонина (рис. 3, 4). Так, синтезированные в цитозоле ДА и серотонин захватываются в секреторные гранулы с помощью "везикулярного мембранного транспортера" 2-го типа, характерного для ЦНС у взрослых животных [47]. В норадренергических и адренергических нейронах ДА с помощью внутригранулярных ферментов - ДА-^-гидроксилазы и фенилэтанол-амин-^-метилтрансферазы превращается соответственно в норадреналин и адреналин (рис. 3) [98]. Как и в случае нейропептидов, выделение моноаминов осуществляется экзоцитозом (рис. 2). В отличие от нейропептидов сохранившиеся в
Рис. 1. Схематическое изображение пептидергического нейрона (Squire et al., 2003).
Рис. 2. Схематическое изображение биферментного моноаминергического нейрона. X, Y - ферменты синтеза моноаминов; * - аминокислота-предшественник; о - промежуточный продукт синтеза; • - моноамин.
межклеточных щелях молекулы моноаминов захватываются обратно в моноаминергические нейроны с помощью специфического мембранного транспортера для повторного использования (рис. 2) [19, 103].
В начале 60-х годов прошлого века шведским исследователям впервые удалось морфологически идентифицировать нейроны, синтезирующие нейротрансмиттеры, причем на этом этапе только моноамины - серотонин и катехоламины [23]. Для этого впервые был использован гистохимический метод, основанный на образовании флуоресцирующего комплекса моноаминов с фор-
мальдегидом. С помощью этого подхода была осуществлена картография катехоламинергиче-ских (рис. 5) и серотонинергических (рис. 6) нейронов мозга. Позднее она была подтверждена и дополнена данными, полученными сначала с помощью авторадиографии специфического обратного захвата моноаминов [27], а затем с помощью иммуномечения на срезах ферментов синтеза моноаминов [51] или самих моноаминов [106].
Последовавший за упомянутыми пионерскими работами лавинообразный поток исследований моноаминергических нейронов показал, что образованные ими по всему мозгу большие скопле-
но
но
II
но
но но
но
II
но
но но
соон
сн2-сн-ын2
(^Тирозин^)
Тирозингидроксилаза
соон сн2—сн—кн2
Ь-ДОФА
Декарбоксилаза
ароматических
Ь-аминокислот
сн2-сн2—мн2
Дофамин
Дофамин Р-гидроксилаза
он
сн-сн2—:ын? С Норадреналин
Фенилэтаноламин ^метилтрансфераза
он
-сн-сн2—:ын-сн3 (адреналин^)
Дофамин
но^сн2сн2:ын2
3-Метоксидофамин
но
КОМТ у
сн3^^сн2сн2кн2 — но.
Моноаминоксидаза
но^сн?сно
но
снзо^с^сно
КОМТ
но
Альдегиддегидрогеназа
но^ш2соон но.
КОМТ
снз^^сн2соон — но.
Дигидроксифенил-уксусная кислота
Гомованилиновая кислота
Рис. 3. Схема синтеза катехоламинов (а) и деградации дофамина (б). КОМТ, катехол-о-метилтрансфераза.
(^Триптофан) 3
соон I
сн2сн 2|
кн2
Триптофан-гидроксилаза
соон
но^Ч
сн2сн
сн2соон
Рис. 4. Схема метаболизма серотонина.
ния - "центры" обеспечивают нервную и нейро-эндокринную регуляцию важнейших функций организма - сердечно-сосудистую, дыхательную, эндокринную, моторную, общего метаболизма, водно-солевого обмена [2, 3, 81, 128].
Цитофизиологические исследования позволили дать исчерпывающее определение моноами-нергического нейрона по наличию в нем специфического мембранного переносчика и полного набора ферментов синтеза моноаминов из аминокислоты-предшественника. Однако до сих пор моноаминергические нейроны идентифицируют на срезах только по отдельным признакам либо по неполному набору признаков: а) наличию моноаминов (мономечение) [13, 106], б) экспрессии одного из ферментов синтеза моноаминов в моно-аминсодержащих нейронах (двойное мечение), в) экспрессии одного из ферментов синтеза моноаминов в нейронах, расположенных в той же области мозга, где локализованы моноаминсодер-жащие нейроны (мономечение) [51], г) экспрес-
а
Рис. 5. Схема распределения скоплений дофаминергических нейронов в мозге (черные треугольники, А8-А16) и трактов, образованных аксонами этих нейронов (сплошная и пунктирная линии) [13]. А8-А10 - мезенцефальные группы; А11 - каудальная диэнцефальная группа; А12 - туберальная группа; А13 - дорсальная группа; А14 - ростральная пе-ривентрикулярная группа; ГИП - гипофиз; ОХ - оптическая хиазма и тракты; СВ - срединное возвышение.
АЯ - аркуатное ядро; ДЯШ - дорсальное ядро шва; КГ - каудальная гипоталамическая область; ЛГ - латеральный гипоталамус; ПГ - переднее гипоталамическое ядро; ПО - преоптическая область; СП - септум; СХ - супрахиазмати-ческое ядро.
сии мембранного переносчика ДА (мономечение) [97], д) экспрессии одного из ферментов синтеза моноамина и его мембранного переносчика [12]. Кроме того, широко распространено представление о том, что моноаминергическими являются нейроны, выделяющие моноамины независимо от того, синтезируют они их или нет. Как позднее оказалось (см. ниже), ни один из этих отдельно взятых критериев не позволяет идентифицировать моноаминергические нейроны.
В конце 80-х годов прошлого века появились данные о наличии нейронов, частично экспресси-рующих моноаминергический фенотип. Так, при моноиммуномечении ферментов синтеза ДА на срезах были обнаружены зоны мозга, в которых присутствуют нейроны, содержащие ТГ - первый скоростьлимитирующий фермент синтеза ка-техоламинов, но лишенные ДАА - второго фермента синтеза катехоламинов и самих катехола-минов (рис. 5) [52-54, 60, 64-66, 76, 86, 92, 93, 104]. Кроме того, были обнаружены ДАА-содержа-щие нейроны, распределение которых в ряде областей мозга не перекрывалось с распределением
ТГ- или триптофангидроксилазасодержащих нейронов [58]. Эти наблюдения позволили предположить существование немоноаминергических нейронов, экспрессирующих только один из ферментов синтеза моноаминов, что было позднее доказано с помощью двойного мечения ферментов [31]. Наряду с моноферментными нейронами были обнаружены нейроны, лишенные одного или всех ферментов синтеза моноаминов, но экс-прессирующие мембранный транспортер моноаминов [38, 120].
Открытие нейронов, частично экспрессирующих моноаминергический фенотип, повлекло за собой постановку ряда принципиально важных вопросов: а) каково их функциональное значение; б) как они представлены количественно и насколько широко распространены в мозге; в) можно ли по-прежнему использовать общепринятую шведскую классификацию моноаминергических систем мозга, основанную на данных гистофлуо-ресцентного метода [13, 23] и иммуноцитохимиче-ского мономечения первого скоростьлимитирую-щего фермента синтеза моноаминов [51]. На по-
следний вопрос, очевидно, должен быть дан негативный ответ, поскольку нейроны, обладающие только одним из ферментов синтеза моноаминов, не в состоянии синтезировать
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.