Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1039710.32607/20758251-2017-9-1-26-37ReviewsОбзорыResearch ArticleCholesterol in the Pathogenesis of Alzheimer’s, Parkinson’s Diseases and Autism: Link to Synaptic DysfunctionХолестерин в патогенезе болезней Альцгеймера, Паркинсона и аутизме: связь с синаптической дисфункциейPetrovA. M.ПетровA. M.
Russian Federation
fysio@rambler.ruKasimovM. R.КасимовM. Р.
Russian Federation
fysio@rambler.ruZefirovA. L.ЗефировA. Л.
Russian Federation
fysio@rambler.ruKazan State Medical UniversityКазанский государственный медицинский университет Министерства здравоохранения1503201791VOL 9, NO1 (2017)ТОМ 9, №1 (2017)263717012020Copyright ©; 2017, Petrov A.M., Kasimov M.R., Zefirov A.L.Copyright ©; 2017, Петров A.M., Касимов M.Р., Зефиров A.Л.2017Petrov A.M., Kasimov M.R., Zefirov A.L.Петров A.M., Касимов M.Р., Зефиров A.Л.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/10397

In our previous review, we described brain cholesterol metabolism in control conditions and in the case of some rare neurological pathologies linked to defects in the genes which are directly involved in the synthesis and/or traffic of cholesterol. Here, we have analyzed disruptions in cholesterol homeostasis in widespread neurodegenerative diseases (Alzheimer’s and Parkinson’s diseases) and autism spectrum disorders. We particularly focused on the synaptic dysfunctions that could arise from changes in both membrane cholesterol availability and oxysterol production. Notably, alterations in the brain cholesterol metabolism and neurotransmission occur in the early stages of these pathologies and the polymorphism of the genes associated with cholesterol homeostasis and synaptic communication affects the risk of onset and severity of these diseases. In addition, pharmacological and genetic manipulations of brain cholesterol homeostasis in animal models frequently have marked effects on the progression of neurodegenerative diseases. Thus, the development of Alzheimer’s, Parkinson’s and autism spectrum disorders may be partially associated with an imbalance of cholesterol homeostasis that leads to changes in the membrane cholesterol and oxysterol levels that, in turn, modulates key steps in the synaptic transmission.

Ранее мы описали метаболизм мозгового холестерина в норме и при ряде редких патологий нервной системы, вызванных дефектами генов, непосредственно вовлеченных в биосинтез и/или трафик холестерина. В представленном обзоре проведен анализ нарушений метаболизма холестерина при широко распространенных нейродегенеративных заболеваниях (болезнях Альцгеймера, Паркинсона) и расстройствах аутистического спектра. Особое внимание уделено дефектам синаптической передачи, возникновение которых может быть связано с изменением содержания холестерина в нейрональных мембранах и продукцией оксистеролов. Примечательно, что альтерации обмена мозгового холестерина, как и нейропередачи, происходят на очень ранних стадиях данных патологий, и полиморфизм генов, ассоциированных с метаболизмом холестерина или синаптической передачей, влияет на риск их развития и тяжесть. В модельных системах фармакологические и/или генетические вмешательства в гомеостаз мозгового холестерина зачастую имеют выраженные эффекты на протекание нейродегенеративных заболеваний. Таким образом, развитие болезней Альцгеймера, Паркинсона и расстройств аутистического спектра частично может быть связано с дисбалансом обмена холестерина в мозге, ведущего к изменениям содержания мембранного холестерина и оксистеролов, что, в свою очередь, влияет на ключевые этапы синаптической передачи.

cholesteroloxysterolslipid raftsneurodegenerative diseasesynaptic transmissionоксистеролылипидные рафтынейродегенеративные заболеваниясинаптическая передачахолестеринThis work was supported by a grant from the Russian Foundation for Basic Research (No. 14-04-00094), as well as partially by grants from the Russian Foundation for Basic Research (No. 16-34-00127) and the Russian Science Foundation (No. 14-15 00847).Работа поддержана грантом РФФИ (№ 14-04-00094), а также частично грантами РФФИ (№ 16-34-00127) и РНФ (№ 14-15 00847).[1] Petrov A.M., Kasimov M.R., Zefirov A.L. // Acta Naturae. 2016, V.8, №1, P.58-73[2] Bu G. // Nat. Rev. Neurosci. 2009, V.10, №5, P.333-344[3] Di Paolo G., Kim T.W. // Nat. Rev. Neurosci. 2011, V.12, №5, P.284-296[4] Mawuenyega K.G., Sigurdson W., Ovod V., Munsell L., Kasten T., Morris J.C., Yarasheski K.E., Bateman R.J. // Science. 2010, V.330, №6012, P.1774[5] Nalivaeva N., Belyaev N.D., Kerridge C., Turner A.J. // Front. Aging Neurosci. 2014. V. 6. A.235. 2014, V.6, P.A.235[6] Sparks D.L., Scheff S.W., Hunsaker J.C. 3rd., Liu H., Landers T., Gross D.R. // Exp. Neurol. 1994, V.126, №1, P.88-94[7] Ghribi O., Larsen B., Schrag M., Herman M.M. // Exp. Neurol. 2006, V.200, №2, P.460-467[8] Martin M.G., Ahmed T., Korovaichuk A., Venero C., Menchon S.A., Salas I., Munck S., Herreras O., Balschun D., Dotti C.G. // EMBO Mol. Med. 2014, V.6, №7, P.902-917[9] Reed B., Villeneuve S., Mack W., DeCarli C., Chui H.C., Jagust W. // JAMA Neurol. 2014, V.71, №2, P.195-200[10] Kitaguchi H., Tomimoto H., Ihara M., Shibata M., Uemura K., Kalaria R.N., Kihara T., Asada-Utsugi M., Kinoshita A., Takahashi R. // Brain Res. 2009, V.1294, P.202-210[11] Leoni V., Caccia C. // Biochimie. 2013, V.95, №3, P.595-612[12] Hughes T.M., Kuller L.H., Lopez O.L., Becker J.T., Evans R.W., Sutton-Tyrrell K., Rosano C. // J. Alzheimers Dis. 2012, V.30, №1, P.53-61[13] Hudry E., van Dam D., Kulik W., De Deyn P.P., Stet F.S., Ahouansou O., Benraiss A., Delacourte A., Bougneres P., Aubourg P. // Molecular Therapy 2010, V.18, №1, P.44-53[14] Wang L., Schuster G.U., Hultenby K., Zhang Q., Andersson S., Gustafsson J.A. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2002, V.99, №21, P.13878-13883[15] Fitz N.F., Castranio E.L., Carter A.Y., Kodali R., Lefterov I., Koldamova R. // J. Alzheimers Dis. 2014, V.41, №2, P.535-549[16] Matsuda A., Nagao K., Matsuo M., Kioka N., Ueda K. // J. Neurochem. 2013, V.126, №1, P.93-101[17] Gosselet F., Saint-Pol J., Fenart L. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2014, V.446, №3, P.687-691[18] Heverin M., Bogdanovic N., Lutjohann D., Bayer T., Pikuleva I., Bretillon L., Diczfalusy U., Winblad B., Bjorkhem I. // J. Lipid Res. 2004, V.45, №1, P.186-193[19] Marwarha G., Ghribi O. // Exp. Gerontol. 2014, pii: S0531- 5565(14)00270-8.[20] Mason R.P., Shoemaker W.J., Shajenko L., Chambers T.E., Herbette L.G. // Neurobiol. Aging. 1992, V.13, №3, P.413-419[21] Molander-Melin M., Blennow K., Bogdanovic N., Dellheden B., Mansson J.E., Fredman P. // J. Neurochem. 2005, V.92, №1, P.171-182[22] Abad-Rodriguez J., Ledesma M.D., Craessaerts K., Perga S., Medina M., Delacourte A., Dingwall C., De Strooper B., Dotti C.G. // J. Cell Biol. 2004, V.167, №5, P.953-960[23] Gylys K.H., Fein J.A., Yang F., Miller C.A., Cole G.M. // Neurobiol. Aging. 2007, V.28, №1, P.8-17[24] Pierrot N., Tyteca D., D’auria L., Dewachter I., Gailly P., Hendrickx A., Tasiaux B., Haylani L.E., Muls N., N’kuli F. // EMBO Mol. Med. 2013, V.5, №4, P.608-625[25] Evangelisti E., Zampagni M., Cascella R., Becatti M., Fiorillo C., Caselli A., Bagnoli S., Nacmias B., Cecchi C. // J. Alzheimers Dis. 2014, V.41, №1, P.289-300[26] Sodero A.O., Vriens J., Ghosh D., Stegner D., Brachet A., Pallotto M., Sassoe-Pognetto M., Brouwers J.F., Helms J.B., Nieswandt B. // EMBO J. 2012, V.31, №7, P.1764-1773[27] Sodero A.O., Weissmann C., Ledesma M.D., Dotti C.G. // Neurobiol. Aging. 2011, V.32, №6, P.1043-1053[28] Gomez-Ramos P., Asuncion Moran M. // J. Alzheimers Dis. 2007, V.11, №1, P.53-59[29] Bryleva E.Y., Rogers M.A., Chang C.C., Buen F., Harris B.T., Rousselet E., Seidah N.G., Oddo S., LaFerla F.M., Spencer T.A. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010, V.107, P.3081-3086[30] Anchisi L., Dessi S., Pani A., Mandas A. // Front Physiol. 2013, V.3, P.1-12[31] Lathe R., Sapronova A., Kotelevtsev Y. // BMC Geriatrics. 2014. V. 14. A. 2014, V.14, P.A.36[32] Rushworth J.V., Hooper N.M. // Int. J. Alzheimers. Dis. 2011, P.603052[33] Matsuzaki K. // Int. J. Alzheimers Dis. 2011, V.2011, P.956104[34] Barrett P.J., Song Y., van Horn W.D., Hustedt E.J., Schafer J.M., Hadziselimovic A., Beel A.J., Sanders C.R. // Science. 2012, V.336, P.1168-1171[35] Woo J.A., Roh S.E., Lakshmana M.K., Kang D.E. // FASEB J. 2012, V.26, №4, P.1672-1681[36] Puglielli L., Friedlich A.L., Setchell K.D., Nagano S., Opazo C., Cherny R.A., Barnham K.J., Wade J.D., Melov S., Kovacs D.M., Bush A.I. // J. Clin. Invest. 2005, V.115, №9, P.2556-2563[37] Pensalfini A., Zampagni M., Liguri G., Becatti M., Evangelisti E., Fiorillo C., Bagnoli S., Cellini E., Nacmias B., Sorbi S., Cecchi C. // Neurobiol. Aging. 2011, V.32, №2, P.210-222[38] Rushworth J.V., Griffiths H.H., Watt N.T., Hooper N.M. // J. Biol. Chem. 2013, V.288, №13, P.8935-8951[39] Ledesma M.D., Abad-Rodriguez J., Galvan C., Biondi E., Navarro P., Delacourte A., Dingwall C., Dotti C.G. // EMBO Rep. 2003, V.4, №12, P.1190-1196[40] Sarajarvi T., Haapasalo A., Viswanathan J., Makinen P., Laitinen M., Soininen H., Hiltunen M. // J. Biol. Chem. 2009, V.284, №49, P.34433-34443[41] Head B.P., Peart J.N., Panneerselvam M., Yokoyama T., Pearn M.L., Niesman I.R., Bonds J.A., Schilling J.M., Miyanohara A., Headrick J. // PLoS One. 2010, V.5, №12, e15697[42] Stary C.M., Tsutsumi Y.M., Patel P.M., Head B.P., Patel H.H., Roth D.M. // Front. Physiol. 2012, V.3, P.393[43] Sano M., Bell K.L., Galasko D., Galvin J.E., Thomas R.G., van Dyck C.H., Aisen P.S. // Neurology. 2011, V.77, P.556-563[44] Schilling J.M., Cui W., Godoy J.C., Risbrough V.B., Niesman I.R., Roth D.M., Patel P.M., Drummond J.C., Patel H.H., Zemljic-Harpf A.E., Head B.P. // Behav. Brain Res. 2014, V.267, P.6-11[45] Burg V.K., Grimm H.S., Rothhaar T.L., Grosgen S., Hundsdorfer B., Haupenthal V.J., Zimmer V.C., Mett J., Weingartner O., Laufs U. // J. Neurosci. 2013, V.33, №41, P.16072-16087[46] Vance J.E. // Disease Models Mechanisms. 2012, V.5, P.746-755[47] Lane-Donovan C., Philips G.T., Herz J. // Neuron. 2014, V.83, №4, P.771-787[48] Cramer P.E., Cirrito J.R., Wesson D.W., Lee C.Y., Karlo J.C., Zinn A.E., Casali B.T., Restivo J.L., Goebel W.D., James M.J. // Science. 2012, V.335, P.1503-1506[49] Hayashi H. // Biol. Pharm. Bull. 2011, V.34, №4, P.453-461[50] Durakoglugil M.S., Chen Y., White C.L., Kavalali E.T., Herz J. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009, V.106, №37, P.15938-15943[51] Rhinn H., Fujita R., Qiang L., Cheng R., Lee J.H., Abeliovich A. // Nature 2013, V.500, №7460, P.45-50[52] Harris F.M., Brecht W.J., Xu Q., Tesseur I., Kekonius L., Wyss-Coray T., Fish J.D., Masliah E., Hopkins P.C., Scearce-Levie K. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003, V.100, №19, P.10966-10971[53] Liu Q., Trotter J., Zhang J., Peters M.M., Cheng H., Bao J., Han X., Weeber E.J., Bu G. // J. Neurosci. 2010, V.30, №50, P.17068-17078[54] Schmidt V., Baum K., Lao A., Rateitschak K., Schmitz Y., Teichmann A., Wiesner B., Petersen C.M., Nykjaer A., Wolf J. // EMBO J. 2012, V.31, №1, P.187-200[55] Brodeur J., Theriault C., Lessard-Beaudoin M., Marcil A., Dahan S., Lavoie C. // Mol. Neurodegener. 2012, V.7, P.31[56] Karasinska J.M., de Haan W., Franciosi S., Ruddle P., Fan J., Kruit J.K., Stukas S., Lutjohann D., Gutmann D.H., Wellington C.L. // Neurobiol. Dis. 2013, V.54, P.445-455[57] Palop J.J., Mucke L. // Nat. Neurosci. 2010, V.13, №7, P.812-818[58] Sheng M., Sabatini B.L., Sudhof T.C. // Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 2012, V.4, №5, pii: a005777[59] Chakroborty S., Kim J., Schneider C., Jacobson C., Molgo J., Stutzmann G.E. // J. Neurosci. 2012, V.32, №24, P.8341-8353[60] Israel M.A., Yuan S.H., Bardy C., Reyna S.M., Mu Y., Herrera C., Hefferan M.P., van Gorp S., Nazor K.L., Boscolo F.S. // Nature 2012, V.482, №7384, P.216-220[61] Cataldo A.M., Barnett J.L., Pieroni C., Nixon R.A. // J. Neurosci. 1997, V.17, №16, P.6142-6151[62] Wu J., Petralia R.S., Kurushima H., Patel H., Jung M.Y., Volk L., Chowdhury S., Shepherd J.D., Dehoff M., Li Y. // Cell. 2011, V.147, №3, P.615-628[63] Tampellini D., Rahman N., Gallo E.F., Huang Z., Dumont M., Capetillo-Zarate E., Ma T., Zheng R., Lu B., Nanus D.M. // J. Neurosci. 2009, V.29, №31, P.9704-9713[64] Puzzo D., Privitera L., Fa’ M., Staniszewski A., Hashimoto G., Aziz F., Sakurai M., Ribe E.M., Troy C.M., Mercken M. // Ann. Neurol. 2011, V.69, №5, P.819-830[65] Quiroz Y.T., Budson A.E., Celone K., Ruiz A., Newmark R., Castrillon G., Lopera F., Stern C.E. // Ann. Neurol. 2010, V.68, №6, P.865-875[66] Dean D.C. 3rd1., Jerskey B.A., Chen K., Protas H., Thiyyagura P., Roontiva A., O’Muircheartaigh J., Dirks H., Waskiewicz N., Lehman K., Siniard A.L. // JAMA Neurol. 2014, V.71, №1, P.11-22[67] Jo J., Whitcomb D.J., Olsen K.M., Kerrigan T.L., Lo S.C., Bru-Mercier G., Dickinson B., Scullion S., Sheng M., Collingridge G., Cho K. // Nat. Neurosci. 2011, V.14, №5, P.545-547[68] Bezprozvanny I.B. // Acta Naturae. 2010, V.2, №1(4), P.72-80[69] Nimmrich V., Grimm C., Draguhn A., Barghorn S., Lehmann A., Schoemaker H., Hillen H., Gross G., Ebert U., Bruehl C. // J. Neurosci. 2008, V.28, №4, P.788-797[70] Sinjoanu R.C., Kleinschmidt S., Bitner R.S., Brioni J.D., Moeller A., Ferreira A. // Neurochem. Int. 2008, V.53, №3-4, P.79-88[71] Kasimov M.R., Giniatullin A.R., Zefirov A.L., Petrov A.M. // Biochim. Biophys. Acta. 2015, V.1851, №5, P.674-685[72] Quiroz-Baez R., Flores-Dominguez D., Arias C. // Curr. Alzheimer Res. 2013, V.10, №3, P.324-331[73] Moreno H., Yu E., Pigino G., Hernandez A.I., Kim N., Moreira J.E., Sugimori M., Llinas R.R. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009, V.106, №14, P.5901-5906[74] Russell C.L., Semerdjieva S., Empson R.M., Austen B.M., Beesley P.W., Alifragis P. // PLoS One. 2012, V.7, №8, e43201[75] Parodi J., Sepulveda F.J., Roa J., Opazo C., Inestrosa N.C., Aguayo L.G. // J. Biol. Chem. 2010, V.285, №4, P.2506-2514[76] Friedrich R.P., Tepper K., Ronicke R., Soom M., Westermann M., Reymann K., Kaether C., Fandrich M. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010, V.107, №5, P.1942-1947[77] Ugrumov M.V., Khaindrava V.G., Kozina E.A., Kucheryanu V.G., Bocharov E.V., Kryzhanovsky G.N., Kudrin V.S., Narkevich V.B., Klodt P.M., Rayevsky K.S., Pronina T.S. // Neuroscience. 2011, V.181, P.175-188[78] Fabelo N., Martin V., Santpere G., Marin R., Torrent L., Ferrer I., Diaz M. // Mol. Med. 2011. V. 17. № 9-10. 2011, V.17, №9-10, P.1107-1118[79] Bar-On P., Crews L., Koob A. O., Mizuno H., Adame A., Spencer B., Masliah E. // J. Neurochem. 2008, V.105, P.1656-1667[80] Jiang P., Gan M., Lin W.L., Yen S.H. // Front. Aging Neurosci. 2014, V.6, P.1-12[81] Brown A.J., Jessup W. // Mol. Aspects Med. 2009, V.30, №3, P.111-122[82] Diao J., Burre J., Vivona S., Cipriano D.J., Sharma M., Kyoung M., Sudhof T.C., Brunger A.T. // Elife. 2013, V.2, P.e00592[83] Boassa D., Berlanga M.L., Yang M.A., Terada M., Hu J., Bushong E.A., Hwang M., Masliah E., George J.M., Ellisman M.H. // J. Neurosci. 2013, V.33, №6, P.2605-2615[84] Alieva A.Kh., Shadrina M.I., Filatova E.V., Karabanov A.V., Illarioshkin S.N., Limborska S.A., Slominsky P.A. // Biomed. Res. Int. 2014, 718732[85] Matta S., van Kolen K., da Cunha R., van den Bogaart G., Mandemakers W., Miskiewicz K., De Bock P.J., Morais V.A., Vilain S., Haddad D. // Neuron. 2012, V.75, №6, P.1008-1021[86] Nagy G., Ackerman S.L. // Nat. Genet. 2013, V.45, №9, P.965-967[87] Buchovecky C.M., Turley S.D., Brown H.M., Kyle S.M., McDonald J.G., Liu B., Pieper A.A., Huang W., Katz D.M., Russell D.W., Shendure J. // Nat. Genet. 2013, V.45, №9, P.1013-1020[88] Osterweil E.K., Chuang S.C., Chubykin A.A., Sidorov M., Bianchi R., Wong R.K., Bear M.F. // Neuron. 2013, V.77, №2, P.243-250[89] Berry-Kravis E., Levin R., Shah H., Mathur S., Darnell J.C., Ouyang B. // Am. J. Med. Genet. A. 2015, V.167A, №2, P.379-384[90] Qiu S., Aldinger K.A., Levitt P. // Dev. Neurosci. 2012, V.34, №2-3, P.88-100[91] Shinoda Y., Sadakata T., Furuichi T. // Exp. Anim. 2013, V.62, №2, P.71-78[92] Nguyen M.V., Du F., Felice C.A., Shan X., Nigam A., Mandel G., Robinson J.K., Ballas N. // J. Neurosci. 2012, V.32, №29, P.10021-10034[93] Cea-Del Rio C.A., Huntsman M.M. // Front Cell Neurosci. 2014, V.8, P.245