НЕЙРОХИМИЯ, 2012, том 29, № 3, с. 247-252
КЛИНИЧЕСКАЯ НЕЙРОХИМИЯ
УДК 616.8
РОЛЬ МЕТАБОЛИЗМА РНК В ПАТОГЕНЕЗЕ БОКОВОГО АМИОТРОФИЧЕСКОГО СКЛЕРОЗА
© 2012 г. Е. В. Лысогорская*, Н. Ю. Абрамычева, С. Н. Иллариошкин, М. Н. Захарова
Научный центр неврологии РАМН, Москва
Статья посвящена новым аспектам патогенеза бокового амиотрофического склероза (БАС) и рассматривает гипотезу о значительной роли нарушений транскрипции при БАС. Особое внимание уделено описанию функций патогенетически значимых для БАС генов, белковые продукты которых вовлечены в различные процессы метаболизма мРНК. Подробно изложены современные представления о функциях ДНК/РНК-связывающих белков TDP43 и FUS, являющихся, по мнению многих исследователей, ключевыми участниками развития нейродегенеративного процесса.
Ключевые слова: боковой амиотрофический склероз, нейродегенеративные заболевания, патогенез, рибонуклеиновая кислота.
Боковой амиотрофический склероз (БАС) — это фатальное нейродегенеративное заболевание, которое характеризуется поражением двигательных нейронов коры головного мозга, мозгового ствола и передних рогов спинного мозга. Изучение патогенеза нейродегенеративных заболеваний и, в частности, БАС — одна из актуальнейших проблем неврологии в настоящее время. При описании БАС как мультифакториального заболевания непременно учитывают вклад генетических факторов в развитие патологического процесса. При этом среди генов, заинтересованных в патогенезе БАС, можно выделить пять основных групп генов: связанные с аксональным транспортом (DCTN1 (dynactin 1) и NEFH (neurofilament, heavy polypeptide)), процессингом РНК (FUS (fused in sarcoma), TARDBP ( TAR DNA binding protein), ANG (angiogenin), SETX (senataxin), TAF15 (TATA box binding protein (TBP)-associated factor), ELP3 (elongation protein 3 homolog) и C9ORF72 (chromosome 9 open reading frame 72)), эндосомальным транспортом везикул (FIG4 (FIG4 homolog, SAC1 lipid phosphatase domain containing) и VAPB (VAMP (vesicle-associated membrane protein)-associated protein B and C)), убиквитиниро-ванием (UBQLN2 (ubiquilin 2) и UNC13A (unc-13 homolog A)) и другими процессами, включая окислительный стресс (SOD1 (superoxide dismutase 1)) [1].
Нарушение синтеза и метаболизма РНК — причина развития различных, в том числе неврологических, заболеваний. Мнение о заинтересованности ряда генов, участвующих в процессах синтеза, созревания, поддержания стабильности и деградации РНК, в развитии нейродегенеративного процесса сложилось относительно недавно. При этом важ-
* Адресат для корреспонденции: 125367 Волоколамское ш. 80, тел.: +7 (926) 582-98-03, e-mail: kutakovaev@gmail.com.
но отметить, что вовлечение этих генов в патологический процесс не ассоциировано исключительно с развитием БАС. Напротив, данные генетические факторы участвуют в патогенезе нейродегенератив-ных и нервно-мышечных заболеваний, а именно при спинальной мышечной атрофии, дистальной наследственной моторной невропатии, прогрессирующей мышечной атрофии, наследственной спастической параплегии, первичного латерального склероза и бокового амиотрофического склероза.
Известно, что белковые продукты ряда генов могут быть участниками одного или нескольких этапов метаболизма РНК в клетке. Однако понимание физиологической, действующей на уровне РНК, функции данных белков полностью не может объяснить патогенетических механизмов избирательной дегенерации двигательных нейронов. Морфологические особенности данных клеток (их крупный размер и наличие большой длины аксона), особенности энергетического обмена мотонейронов, величина структур цитоскелета и их способность образовывать агрегаты микротрубочек и нейрофиламентов, низкая экспрессия белков, связывающих внутриклеточный кальций, а также особенности экспрессии глутаматных рецепторов на поверхности клеток обусловливают высокую восприимчивость двигательных нейронов как к нарушениям метаболизма РНК, так и к другим ключевым патогенетическим процессам при развитии нейродегенерации — экзайтотоксич-ности, окислительному стрессу, митохондриаль-ной дисфункции, конформационным изменениям белков, в том числе белков цитоскелета, дисбалансу протеолитической системы и активации микро-глии [2]. В настоящем обзоре представлены современные данные о роли генетических факторов,
Действие регуляторных факторов на этапах экспрессии гена при БАС.
связанных с нарушением метаболизма РНК, в патогенезе БАС.
Экспрессия гена — это поэтапный процесс, на первом из которых при помощи фермента РНК-полимеразы II происходит считывание (транскрипция) первичного транскрипта, в ходе чего образуется гетерогенная ядерная РНК (гяРНК). Ее синтез, а также дальнейшее превращение (процес-синг) в информационную (матричную) РНК (мРНК) происходят в ядре. РНК-полимераза II осуществляет транскрипцию всех генов, кодирующих белок, и транскрибирует десятки тысяч генов. Ее работа регулируется при взаимодействии с рядом регуляторных белков. Гены эукариотов содержат многочисленные регуляторные элементы, собственно кодирующие последовательности (эк-зоны), которые в дальнейшем войдут в состав зрелой мРНК, и чередующиеся с ними некодирую-щие последовательности (интроны). После транскрипции гена интроны "вырезаются" из гяРНК, а экзоны соединяются между собой. Этот процесс называется сплайсингом. Он является одним из этапов процессинга РНК. Процессинг РНК также включает кэпирование, расщепление З'-концевой части и полиаденирование. Кэпированием называется присоединение к 5'-концу вновь синтезируемой РНК специальной структуры (кэпа), содержащей 7-метилгуанозин. Расщепление З'-конце-вой части и полиаденирование необходимы для придания РНК однородной структуры на З'-конце и защиты мРНК от деградации нуклеазами.
Далее через ядерные поры происходит транспорт мРНК в цитоплазму, где осуществляется синтез белка, направляемый процессированной
мРНК. Сама процессированная мРНК далее подвергается деградации.
Все описанные выше этапы генной экспрессии могут служить точкой приложения различных ре-гуляторных факторов и белков (рисунок). На уровне сплайсинга выбираются те интроны, которые следует "вырезать", и те экзоны, которые необходимо соединить, благодаря чему происходит так называемый альтернативный сплайсинг, когда из одного транскрипта образуются разные мРНК и соответственно разные белки. На уровне полиаде-нирования могут использоваться разные сигналы полиаденирования. На уровне транспорта из ядра возможен выборочный транспорт транскриптов в зависимости от доступности специальных факторов в данном типе клеток. Кроме того, ряд регуля-торных элементов обеспечивает поддержание стабильности молекулы мРНК. При этом различные типы РНК разрушаются в определенном типе клеток за счет, например, синтеза антисмысловых РНК. Деградация мРНК регулируется микроРНК. Процесс трансляции также сложно регулируем. На уровне изменений свойств самого белка происходит регуляция путем посттрансляционных изменений, например фосфорилирования или дефос-форилирования [3].
В последнее время все большее внимание исследователей проблемы БАС привлекает гипотеза о нарушении регуляции синтеза белков на уровне транскрипции. На рисунке схематично изображены этапы транскрипции РНК и гены, вовлеченные в патогенез БАС, оказывающие влияние на данных этапах метаболизма РНК.
Впервые нарушение метаболизма РНК как процесса, приводящего к деградации двигатель-
ных нейронов, привлекло внимание исследователей при описании мутаций в гене SMN (survival of motor neuron), связанном с развитием спинальной мышечной атрофии. До настоящего времени в исследованиях не продемонстрировано прямых доказательств роли SMN в развитии БАС, однако показано, что больные БАС имеют значительно меньшее количество SMN белка, чем контрольные здоровые лица. Также было показано, что наличие гомозиготной делеции гена SMN увеличивает риск развития спорадического БАС в популяции датчан и французов, однако не подтверждена данная связь в исследованиях на испанской популяции [4].
Белок, кодируемый геном SMN, локализован как в ядре, так и в цитоплазме. Среди функций данного белка — взаимодействие с РНК-связыва-ющими белками и участие в формировании РНП-комплекса. В исследованиях с антителами к SMN выявлено, что ядерный белок участвует в образовании спиральных телец. Полагают, что спиральные тельца — это ядерные структуры, участвующие в метаболизме мРНК. Было выявлено, что SMN формирует комплексы с некоторыми сплайсосом-ными белками и участвует таким образом, в формировании комплексов РНП и процессинге РНК. В структуре белка был обнаружен домен, обеспечивающий взаимодействие белка с нуклеиновыми кислотами и другими белками [5]. Кроме того, было показано, что SMN играет ключевую роль в образовании структуры гяРНК и, следовательно, в биогенезе мРНК [6].
В дальнейшем идентификация белка TDP43 — ДНК-РНК-связывающего белка и основного компонента убиквитиновых включений при БАС — привлекла внимание исследователей к нарушению процессинга РНК при развитии нейродегенера-тивных заболеваний как к ключевому этапу патогенеза данных заболеваний. TDP43 — широко экс-прессируемый в различных тканях высококонсервативный среди дистантных биологических видов ядерный белок. Данный белок имеет в своем составе два РНК-связывающих участка (RRM1 и RRM2) и С-терминальный регион, обогащенный глицином, способный к взаимодействию с другими белками [7]. TDP43 осуществляет свою функцию в ядре клеток. Однако патологический TDP43 частично выходит из ядра, подвергается убиквитини-рованию, гиперфосфорилированию и расщеплению на фрагменты и образует включения в цитоплазме нейронов и клеток глии [8]. Идентификация TDP43 в убикивитинированных включениях при БАС решает давнюю загадку относительно природы убиквитин-позитивных включений при данном заболевании. И хотя идентификация агрегатов TDP43 при БАС — это прорыв в представлениях о патогенезе данного заболевания, остается непонятным, является агрегация TDP43 основным событием в патогенезе БАС или же данные включения формируются вследствие течения заболевания.
Белок TDP43 кодируется геном TARDBP. Ген TARDBP состоит из 6
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.