НЕЙРОХИМИЯ, 2011, том 28, № 4, с. 274-279
= ОБЗОРЫ
УДК 577.25
ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ ПРОТЕОЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ МОЗГА В МЕХАНИЗМАХ ДЕЙСТВИЯ ОПИАТОВ: КАСПАЗЫ © 2011 г. А. А. Яковлев1, 2, 3*, Д. И. Перегуд1, 4, Л. Ф. Панченко1,4, Н. В. Гуляева2
1ФГУ Национальный научный центр наркологии Минздравсоцразвития России, Москва 2Учреждение Российской академии наук Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва 3Учреждение Российской академии наук Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Пущино 4Учреждение Российской академии медицинских наук НИИ общей патологии и патофизиологии РАМН, Москва
Хорошо известно, что опиаты, и в частности, морфин, принимая участие в феноменах так называемой патологической пластичности, могут вызывать значительные структурно-функциональные перестройки в ЦНС, что представляет собой важнейший механизм формирования зависимости. Установлено, что реализация фармакологических эффектов при остром или хроническом воздействии морфина может быть связана с изменением активности рецепторов, сигнальных каскадов, опосредуемых вторичными посредниками, сдвигами экспрессии определенных генов. Значительно меньше известно о связи эффектов морфина с функционированием внутриклеточных протеолити-ческих ферментов, представляющих важнейшую систему посттрансляционных модификаций белков. На основании собственных результатов и данных литературы имеются основания полагать, что ряд структурных изменений, вызываемых морфином, может быть опосредован протеолитическими ферментами семейства каспаз.
Ключевые слова: морфин, протеазы, каспазы, пластичность.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время принято считать, что препараты опийной группы, и в первую очередь, морфин, вызывают значительные структурно-функциональные изменения в клетках головного мозга, в том числе изменения синаптической пластичности [1]. Реорганизация синапсов, по современным представлениям, лежит в основе обучения и памяти, и именно индуцированные морфином нарушения нормального функционирования синапсов могут приводить к возникновению патологической зависимости [2]. Вызываемая морфином патологическая зависимость сопровождается изменением функционирования ряда нейромедиаторных рецепторов в мезокорти-колимбических структурах головного мозга, последующим изменением множества внутриклеточных каскадов, экспрессии генов, в конечном итоге приводящим к изменению функционирования синапса и нейрона в целом в определенных отделах ЦНС [3]. Важным элементом изменения внутриклеточного сигналинга при воздействии психоактивных веществ может являться изменение белкового состава нейрона и, в частности, посттрансляционные модификации внутриклеточных полипептидов. Известно несколько разновидностей посттрансляционных модификаций, и
* Адресат для корреспонденции: 117485 Москва, ул. Бутлерова, д. 5a, тел. 8(495)952-40-07, e-mail: al_yakovlev@rambler.ru.
некоторые из них могут быть индуцированы морфином, например, фосфорилирование белков [4]. Однако к настоящему времени чрезвычайно мало известно о вызванных морфином протеолитиче-ских модификациях белков в нервной системе. Тем не менее, ограниченный протеолиз является очень распространенной модификацией, и с большой долей вероятности можно предположить, что при реализации фармакологических эффектов морфина в клетке и во внеклеточном пространстве происходят существенные для функции нейрона протеолитические события. Данные литературы позволяют выдвинуть гипотезу об участии протеолитических ферментов головного мозга, в частности, ферментов семейства каспаз, в реализации фармакологических эффектов препаратов опийной группы.
ЭФФЕКТЫ ОПИАТОВ И КАСПАЗНАЯ СИСТЕМА
При анализе данных литературы можно сделать довольно неожиданный вывод о наличии тесной связи эффектов, оказываемых опиатами, с каспазной протеолитической системой, вне зависимости от того, вызывают они клеточную гибель или нет. Несмотря на то, что каспазы в сознании большинства ученых в первую очередь связаны с апоптозом, примеров их активации во внеапо-птотических условиях также довольно много [5].
Как и опиаты, каспазы вовлечены в механизмы реализации феноменов пластичности в нервной системе, и не обязательно пластичности патологической. Систематического анализа взаимосвязи эффектов морфина и активности каспаз ранее проведено не было, и мы попробуем его провести. Поскольку каспазы до сих пор принято считать, в первую очередь, апоптотическими протеазами, анализ потенциальной связи эффектов опиатов с ферментами этого семейства стоит начать с обсуждения влияния морфина на клеточную гибель.
МОРФИН, АПОПТОЗ
И ПРОТЕОЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Апоптотическая клеточная гибель, в том числе в клетках головного мозга, в подавляющем большинстве случаев проходит с участием ферментов семейства каспаз [6—8]. Из всех представителей этого семейства можно выделить каспазу-3, основного исполнителя внутриклеточной апоптотиче-ской программы в клетках головного мозга [7, 9]. Более того, очень вероятно, что каспаза-3 является основной каспазой млекопитающих, отвечающей за подавляющее большинство протеолитических событий при апоптозе в любой клетке организма [10]. Таким образом, нет ничего удивительного в том, что опосредованный морфином апоптоз также происходит при участии каспаз, и именно кас-пазы-3. Показано, что морфин способен вызывать клеточную гибель в различных областях головного и спинного мозга [11, 12], а также в культуре клеток [13]. Молекулярные механизмы опосредованной морфином нейротоксичности до конца не выяснены, но есть основания полагать, что вызываемая морфином клеточная гибель может быть связана с глутаматными рецепторами [11], с апоптотическими белками [14], с экспрессией специфических киназ [15]. Не подвергается сомнению, что гибель клеток под воздействием опиатов проходит при непосредственном участии каспаз, в том числе каспазы-3.
КАСПАЗЫ И НЕЙРОПРОТЕКТОРНЫЕ ЭФФЕКТЫ МОРФИНА
Не столь однозначно связаны ферменты семейства каспаз с действием морфина, когда не отмечается гибели нервных клеток. Так, защитное действие морфина продемонстрировано на культуре первичных нейронов человека [16]. Показано, что морфин значительно снижает нейрональ-ную гибель, вызванную депривацией факторами роста или ингибированием внутриклеточных протеинкиназ. Этот эффект может быть опосредован снижением уровня белка Вах, важного компонента апоптотического сигналлинга [16]. Следует обратить внимание на то, что Вах является одним из субстратов каспаз [17, 18]. Морфин вы-
зывает многократное увеличение экспрессии потенциального нейропротектора, клеточного ша-перона Hsp70 [19], предположительно этот эффект не опосредован опиатными рецепторами. Прекондиционирование морфином приводит к нейропротекции на органотипических культурах гиппокампа, а также в модели ишемии на животных [20]. Показано, что этот эффект может быть опосредован PKC-y (изоформа протеинкиназы С) [21]. Другими эффекторами нейропротекции, индуцированной прекондиционированием в присутствии морфина, могут являться PKC-s и субъединица NR1 ионотропного глутаматного рецептора NMDA подтипа (рецептор селективно связывающий ^метил^-аспартат) [22], при этом изменения NMDA рецептора в каскаде внутриклеточного сигналинга, запускаемого морфином, расположены ниже (downstream), чем активация PKC-s. Следует отметить, что эта протеинки-наза является хорошо известной мишенью каспазы-3 [23, 24].
На других моделях прекондиционирования показано, что каспаза-3 является важным компонентом сигналинга, обеспечивающего ишемиче-скую толерантность клетки. Так, на модели ише-мической толерантности in vivo было показано, что в прекондиционированной нервной ткани происходит активация каспазы-3 без признаков апоптоза, а на модели экзайтотоксической толерантности с помощью блокады окислительного фосфорилирования в нейрональной культуре продемонстрировано, что ингибитор каспазы-3 блокирует вызванную ишемией защиту от NMDA [25]. Опосредованное морфином повышение внутриклеточной концентрации оксида азота (NO) ингибирует окислительный стресс и защищает клетки от гибели [26]. По крайней мере, частично этот эффект опосредован модулирующим влиянием морфина на протеасому и убиквитин. Можно предположить, что посредством NO морфин способен вызывать изменения в основной протеолитической системе клетки, которая, в свою очередь, тесно связана с каспазами [27, 28]. Морфин способен защищать астроциты от апо-птоза, причем этот эффект опосредован фосфои-нозитид-3-киназой [29], связанной, по крайней мере, косвенно, с каспазой-3 [30].
ПРОТЕОМНЫЕ ПОДХОДЫ К ИЗУЧЕНИЮ ЭФФЕКТОВ МОРФИНА
Выяснению связи между протеолитической активностью каспазы-3 и изменением функционального состояния нейронов головного мозга после воздействия морфина может помочь исследование протеома синапсов [31]. Оказалось, что хроническое введение морфина приводит к практически двукратному уменьшению количества Na+/K+ АТФазы в синаптической фракции ней-
ронов. Интегральный мембранный белок №+/К+ АТФаза является важным регулятором мембранного потенциала нейрона, и предполагается, что снижение его экспрессии может проходить за счет протеолиза. Более того, авторы обнаружили снижение экспрессии основного структурного компонента цитоскелета нейронов аП-спектри-на [31], являющегося субстратом каспазы-3 [32]. В этой же работе обнаружено снижение экспрессии белка клеточной адгезии NCAM, хорошо известного субстрата калпаина [33]. Активность калпаина, в свою очередь, может зависеть от активности каспазы-3 через регуляцию ингибитора калпаина, калпастатина [34, 35]. Таким образом, анализ изменений синаптосомального протеома при хроническом воздействии морфина позволяет выдвинуть предположение о вовлечении кас-пазы-3 в структурно-функциональные перестройки нейронов при воздействии опиатов.
Применение протеомного подхода при анализе изменений, вызванных хроническим введением морфина, позволило выявить группу белков, вовлеченных в этот процесс [36]. Оказалось, что большая группа белков с изменившейся под действием морфина экспрессией так или иначе связана с протеасомальной внутриклеточной системой. Изменение экспре
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.