УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2007, том 38, № 3, с. 47-56
УДК: 611-018.29.82
РНК-ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ В РЕГУЛЯЦИИ АКСОННОГО ТРАНСПОРТА
© 2007 г. Р. Р. Исламов1, А. А. Ризванов1' 2, Ю. А. Челышев1, А. К. Мурашов3
1Казанский государственный медицинский университет, Казань 2Казанский государственный университет, Казань 3Университет Восточной Каролины, Гринвилл, Северная Каролина, США
До настоящего времени в научной мировой литературе отсутствовали прямые доказательства того, что РНК-интерференция контролирует локальный синтез белка в аксоне двигательного нейрона млекопитающих. В настоящем обзоре обобщены результаты внутриаксонного синтеза белка, его роли в аксонном транспорте и механизмах регуляции локального синтеза белка в аксоплазме. Представлены новые механизмы регуляции аксонного транспорта с помощью РНК-интерференции, на основании чего, рассматриваются вопросы о роли внутриаксонного синтеза белка и аксонного транспорта в патогенезе нейродегенеративных заболеваний и их лечения, в частности путем применения короткой интерферирующей РНК для деградации матричной РНК мутированного гена и прекращения синтеза аберрантного белка на всем протяжении аксона.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время считается, что аксонный транспорт не может в полной мере обеспечить белками, синтезированными в перикарионе, жизненно важные функции аксона по всей его длине [2]. Расстояние, на которое доставляется транспортируемый материал, варьирует (при этом следует учитывать, что длина отростков нервных клеток у человека может быть более метра), и перемещение молекул в составе медленного аксонного транспорта может занять дни, недели и даже месяцы [8, 9]. Сравнительно недавно появились достаточно убедительные доказательства синтеза белка в аксоне [1]. Внутриаксонный синтез белка необходим для поддержания белкового состава аксоплазмы, поскольку белки имеют определенный период полужизни и во время медленного транспорта по аксону белки постоянно подвергаются биологической деградации. Кроме того, локальная трансляция мРНК в аксоплазме обеспечивает быстрое поступление белка в конкретный компартмент нейрона и, как следствие, ускорение ответа нервной клетки на изменившиеся условия функционирования [22]. В последнее время в исследованиях значимости локальной трансляция мРНК широкое применение получил естественный механизм посттранскрипционной блокады синтеза белка путем РНК-интерференции [18]. Комплементарное взаимодействие короткой интерферирующей РНК с мРНК-мише-нью заканчивается деградацией мРНК и прекращением синтеза белка без вмешательства на уровне ядерного генома клетки. Так, в культуре нейронов с помощью короткой интерферирующей РНК, комплементарной мРНК нейрональ-ной форме Р-тубулина, были эффективно заблокированы синтез белка и, как следствие, сборка
микротрубочек [75]. При трансфекции интерферирующей РНК (комплементарной мРНК тяжелых цепей динеина) было установлено, что в аксонах значительно замедляется антероградный транспорт тубулиновых полимеров и ретроградный транспорт белков нейрофиламентов [28]. В патогенезе многих нейродегенеративных заболеваний, характеризующихся накоплением в аксоне продукта экспрессии мутантного гена, аксонный транспорт рассматривается как главная мишень цитотоксического действия аберрантного белка. Накопление такого белка в аксоплазме вызывает замедление аксонного транспорта, что сопровождается нарушениями всех остальных функций нейрона. Обнаруженные в аксоне мРНК мутант-ного гена и продукт его экспрессии подтверждают внутриаксонный синтез аберрантного белка [72], что может послужить основой для разработки генной терапии нейродегенеративных заболеваний, ассоциированных с экспрессией мутант-ных генов, с помощью РНК-интерференции на уровне нервных отростков.
АКСОННЫЙ ТРАНСПОРТ
Для осуществления целенаправленного движения мембранных структур (митохондрии, содержащие белки везикулы из комплекса Гольд-жи, элементы эндоплазматической сети, эндоци-тозные пузырьки, аутофагосомы), белковых комплексов, полимеров и отдельных молекул по аксону существует специализированный транспортный механизм, включающий транспортные линии из микротрубочек и микрофиламентов, соединяющих перикарион с нервной терминалью, а также белки, обеспечивающие перемещение клеточного материала по аксону (молекулы-шаперо-
ны, молекулы-адапторы, моторные и регулятор-ные белки). Микротрубочки - динамичные и поляризованные полимерные структуры, построенные из а- и Р-субъединиц тубулина [4], формирующие осевой скелет аксона и играющие ключевую роль в аксонном транспорте. В каждой микротрубочке различают (+)-конец, где присоединяются новые тубулиновые молекулы, и (-)-конец, где молекулы тубулина диссоциируют. Сборка тубулиновых полимеров происходит в области центросомы пе-рикариона, где у-тубулин формирует кольца из 10-13 молекул. у-Тубулиновые кольца - затравки, инициирующие полимеризацию тубулиновых димеров. Растущие микротрубочки (-)-концами ассоциированы с центросомой, а их (+)-концы в виде лучей радиально направлены в цитоплазму (астральные микротрубочки). В отличие от других клеток, в нейронах фермент катанин "отрезает" от астральных микротрубочек полимеры тубулина, которые антероградно транспортируются по аксону и присоединяются к (+)-концу микротрубочек [67]. Время полужизни микротрубочек составляет несколько минут [50]. Цито-зольные белки из семейства ассоциированных с микротрубочками белков (МАР-белки) связываются с концами микротрубочек, стабилизируя их.
Антероградные и ретроградные потоки различных мембранных структур и белков вдоль микротрубочек контролируют регуляторные белки (протеинкиназы, фосфатазы), ответственные за фосфорилирование моторных белков, белков-адапторов, мембранных и многих цито-плазматических белков [43]. В результате взаимодействия сократительных белков динеина и ки-незина с микротрубочками транспортная машина аксона приводится в движение. Ориентированный к (+)-концу микротрубочек тубулин-кинезиновый хемомеханический преобразователь перемещает органеллы и белковые комплексы антероградно к нервной терминали, тогда как тубулин-динеино-вый хемомеханический преобразователь реализует транспорт молекул в ретроградном направлении [25]. Мембранные структуры перемещаются в составе быстрого компонента аксонного транспорта. Транспортные везикулы из комплекса Гольджи передвигаются со скоростью 200-400 мм/сут (2-5 мкм/с). Эндоцитозные пузырьки и аутофагосомы транспортируются в ретроградном направлении со скоростью 100-250 мм/сут (1-3 мкм/с). Микрофиламенты также участвуют в направленном транспорте органелл в аксоплаз-ме, а миозин V выполняет роль мотора в быстром аксонном транспорте везикул гладкой эндоплаз-матической сети. Моторные белки взаимодействуют с трансмембранными белками органелл напрямую или через цепь связующих белков-адапторов аксоплазмы. Полимеры белков цитос-келета и другие белковые комплексы перемещаются в составе медленного компонента. Так, бел-
ки промежуточных филаментов, тубулиновые полимеры и множество других цитозольных белков в сутки перемещаются на 0.2-1 мм, актин и остальные цитоплазматические белки - несколько быстрее (2-8 мм).
Более 20 лет назад было высказано предположение, что транспортируемые по аксону полимеры белков цитоскелета прямо или опосредованно связываются с другими белками аксоплазмы, обеспечивая их перемещение по аксону [37, 38]. В настоящее время установлено, что белки везикул (клатрин и синапсин), регуляторный белок каль-модулин, ферменты (фосфокреатинкиназа, аль-долаза и енолаза), белки цитоскелета (спектрин, tau-белок и динактин), моторные белки (динеин и миозин) транспортируются вместе в составе медленного аксонного транспорта. В частности, спектрин транспортируется вместе с белками нейрофиламентов, а tau-белок с тубулиновыми полимерами. Известно несколько сотен других белков аксоплазмы, перемещающихся в составе медленного транспорта, эти белки не следует рассматривать только в качестве "пассажиров" [9]. Передвигаясь по аксону, и оставаясь в связи с цитоскелетом, эти белки выполняют и свои функции.
Скорость аксонного транспорта зависит от продолжительности пауз между периодами реального движения молекул и органелл по аксону. Например, скорость транспорта митохондрий из перикариона к нервной терминали (20-70 мм в сутки) балансирует между антероградным и ретроградным перемещениями митохондрий с продолжительными паузами между двунаправленными движениями. Такое двунаправленное прерывистое движение установлено и для белков цитоскелета. Полимеры тубулина и белков нейрофиламентов перемещаются по аксону столь же быстро, что и мембранные структуры, но - в силу того, что они имеют двунаправленный характер -их конечная скорость соответствует медленному аксонному транспорту. Так, 99% времени полимеры нейрофиламентов находятся в паузе, а динеин и кинезин обеспечивают их антероградный и ретроградный транспорт вдоль микротрубочек [8, 10]. По-видимому, перемещение микрофила-ментов имеет похожий характер.
РОЛЬ АКСОННОГО ТРАНСПОРТА В ПАТОГЕНЕЗЕ НЕЙРОДЕГЕНЕРАТИВНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ
Считается, что в таксономическом ряду на долю отростков, формирующих ассоциативные, ко-миссуральные и проекционные волокна, приходится относительно больший объем мозга. Так, белое вещество составляет 5% от корковой мантии у крыс, 35% - у приматов и - 45% у человека [21]. Подчеркнем, что в контексте неврологиче-
ских болезней главные терапевтические мероприятия направлены на перикарионы, а не на отростки нервных клеток. При этом в патогенезе нейродегенеративных заболеваний (боковой амиотрофический склероз, хорея Хантингтона, спинальная мышечная атрофия) важное место занимают структурно-функциональные изменения в аксоплазме (в частности, нарушения аксонного транспорта). Накопленные за последнее время доказательства об унифицированных молекулярных механизмах развития многих медленно прогрессирующих нейродегенеративных заболеваний свидетельствуют о том, что нарушения аксонного транспорта - существенный компонент патогенеза гибели нейронов (наряду с накоплением аберрантных белков, образованием прото-фибрилл, дисфункцией убиквитин-зависимог
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.