Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1045510.32607/20758251-2016-8-1-58-73ReviewsОбзорыResearch ArticleBrain Cholesterol Metabolism and Its Defects: Linkage to Neurodegenerative Diseases and Synaptic DysfunctionМетаболизм холестерина мозга и его нарушения: связь с нейродегенерацией и 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 Medical UniversityКазанский государственный медицинский университет МЗ РФ1503201681VOL 8, NO1 (2016)ТОМ 8, №1 (2016)587317012020Copyright ©; 2016, Petrov A.M., Kasimov M.R., Zefirov A.L.Copyright ©; 2016, Петров A.M., Касимов M.Р., Зефиров A.Л.2016Petrov 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/10455

Cholesterol is an important constituent of cell membranes and plays a crucial role in the compartmentalization of the plasma membrane and signaling. Brain cholesterol accounts for a large proportion of the body’s total cholesterol, existing in two pools: the plasma membranes of neurons and glial cells and the myelin membranes . Cholesterol has been recently shown to be important for synaptic transmission, and a link between cholesterol metabolism defects and neurodegenerative disorders is now recognized. Many neurodegenerative diseases are characterized by impaired cholesterol turnover in the brain. However, at which stage the cholesterol biosynthetic pathway is perturbed and how this contributes to pathogenesis remains unknown. Cognitive deficits and neurodegeneration may be associated with impaired synaptic transduction. Defects in cholesterol biosynthesis can trigger dysfunction of synaptic transmission. In this review, an overview of cholesterol turnover under physiological and pathological conditions is presented (Huntington’s, Niemann-Pick type C diseases, Smith-Lemli-Opitz syndrome). We will discuss possible mechanisms by which cholesterol content in the plasma membrane influences synaptic processes. Changes in cholesterol metabolism in Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease, and autistic disorders are beyond the scope of this review and will be summarized in our next paper.

Холестерин биологических мембран является не только важным структурным компонентом, но и принимает участие в компартментализации и сигнализации. Особенно высоко содержание холестерина в мозге, где он концентрируется в миелине и синаптических мембранах. Исследования последних лет указывают на особое значение холестерина в осуществлении синаптической передачи, также предполагается наличие взаимосвязей между изменениями гомеостаза холестерина и дисфункциями нервной системы. Нарушение синтеза, утилизации и транспорта холестерина в мозге наблюдается при многих нейродегенеративных заболеваниях. Однако до сих пор непонятно, на каком этапе происходят альтерации метаболизма холестерина и какое место это занимает в патогенезе. Одной из причин когнитивных нарушений и массивной нейродегенерации могут быть процессы, связанные с дефектами синаптической передачи. При этом аномалии в обмене холестерина могут выступать в роли пусковых факторов развития дисбаланса синаптической передачи. В данном обзоре мы сфокусировались на описании гомеостаза мозгового холестерина в норме и при ряде патологий (болезни Гентингтона, Нимана-Пика типа С, синдроме Смита-Лемли- Опица), рассмотрели возможные механизмы влияния мембранного холестерина на синаптические процессы. Нарушения обмена холестерина при болезни Альцгеймера, Паркинсона и расстройствах аутистического спектра будут рассмотрены в следующей статье.

lipid raftsneurodegenerative diseaseoxysterolssynaptic transmissioncholesterolлипидные рафтынейродегенеративные заболеванияоксистеролысинаптическая передачахолестеринThis work received core financial support from an RFFI grant (№ 14-04-00094) and partial support from other RFFI (No. 16-34-00127) and RSF (No. 14-15-00847) grants.Работа поддержана грантом РФФИ (№ 14-04-00094), а также частично другими грантами РФФИ (№ 16-34-00127) и РНФ (№ 14 15-00847).[1] Dietschy J.M. // Biol. Chem. 2009, V.390, №4, P.287-293[2] Vance J.E. // Disease Models Mechanisms. 2012, V.5, P.746-755[3] Petrov A.M., Zefirov A.L. // Uspekhi fiziologicheskikh nauk. 2013, V.44, №1, P.17-38[4] Saeed A.A., Genové G., Li T., Lütjohann D., Olin M., Mast N., Pikuleva I.A., Crick P., Wang Y., Griffiths W. // J. Biol. Chem. 2014, V.289, №34, P.23712-23722[5] Elahy M., Jackaman C., Mamo J.C.L., Lam V., Dhaliwal S.S., Giles C., Nelson D., Takechi R. // Immunity Ageing. 2015, V.12, A.2.[6] Sagare A.P., Bell R.D., Zhao Z., Ma Q., Winkler E.A., Ramanathan A., Zlokovic B.V. // Nat. Commun. 2013. V. 4. 2013, V.4, A.2932.[7] Russell D.W., Halford R.W., Ramirez D.M., Shah R., Kotti T. // Annu. Rev. Biochem. 2009, V.78, P.1017-1040[8] Saher G., Brügger B., Lappe-Siefke C., Möbius W., Tozawa R., Wehr M.C., Wieland F., Ishibashi S., Nave K.A. // Nat. Neurosci. 2005, V.8, №4, P.468-475[9] Numakawa T., Suzuki S., Kumamaru E., Adachi N., Richards M., Kunugi H. // Histol. Histopathol. 2010, V.25, №2, P.237-258[10] Leoni V., Caccia C. // Biochim. Biophys. Acta. 2015, pii: S1388-1981(15)00003-7.[11] Anchisi L., Dessì S., Pani A., Mandas A. // Front. Physiol. 2013, V.3, P.1-12[12] Martin M.G., Ahmed T., Korovaichuk A., Venero C., Menchón S.A., Salas I., Munck S., Herreras O., Balschun D., Dotti C.G. // EMBO Mol. Med. 2014, V.6, №7, P.902-917[13] Suzuki R., Ferris H.A., Chee M.J., Maratos-Flier E., Kahn C.R. // PLoS Biol. 2013, V.11, №4, e1001532[14] Camargo N., Brouwers J.F., Loos M., Gutmann D.H., Smit A.B., Verheijen M.H. // FASEB J. 2012, V.26, №10, P.4302-4315[15] Verheijen M.H., Camargo N., Verdier V., Nadra K., de Preux Charles A.S., Médard J.J., Luoma A., Crowther M., Inouye H., Shimano H. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009, V.106, №50, P.21383-21388[16] Peake K.B., Vance J.E. // J. Biol. Chem. 2012, V.287, P.9290-9298[17] Bryleva E.Y., Rogers M.A., Chang C.C., Buen F., Harris B.T., Rousselet E., Seidah I.O., N.G. I.O., Oddo S., LaFerla F.M., Spencer T.A. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010, V.107, P.3081-3086[18] Karten B., Campenot R.B., Vance D.E., Vance J.E. // J. Lipid Res. 2006, V.47, P.504-514[19] Bu G. // Nat. Rev. Neurosci. 2009, V.10, №5, P.333-344[20] Hayashi H. // Biol. Pharm. Bull. 2011, V.34, №4, P.453-461[21] Lane-Donovan C., Philips G.T., Herz J. // Neuron. 2014, V.83, №4, P.771-787[22] Vaughan A.M., Oram J.F. // J. Lipid. Res. 2006, V.47, №11, P.2433-2443[23] Karasinska J.M., de Haan W., Franciosi S., Ruddle P., Fan J., Kruit J.K., Stukas S., Lütjohann D., Gutmann D.H., Wellington C.L. // Neurobiol. Dis. 2013, V.54, P.445-455[24] Rushworth J.V., Griffiths H.H., Watt N.T., Hooper N.M. // J. Biol. Chem. 2013, V.288, №13, P.8935-8951[25] 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[26] Rensen P.C., Jong M.C., van Vark L.C., van der Boom H., Hendriks W.L., van Berkel T.J., Biessen E.A., Havekes L.M. // J. Biol. Chem. 2000, V.275, №12, P.8564-8571[27] Vance J.E., Karten B. // J. Lipid Res. 2014, V.55, №8, P.1609-1621[28] Ignatius M.J., Gebicke-Härter P.J., Skene J.H., Schilling J.W., Weisgraber K.H., Mahley R.W., Shooter E.M. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1986, V.83, P.1125-1129[29] Gosselet F., Saint-Pol J., Fenart L. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2014, V.446, №3, P.687-691[30] Hudry E., Van Dam D., Kulik W., De Deyn P.P., Stet F.S., Ahouansou O., Benraiss A., Delacourte A., Bougnères P., Aubourg P. // Molecular Therapy 2010, V.18, №1, P.44-53[31] Sodero A.O., Vriens J., Ghosh D., Stegner D., Brachet A., Pallotto M., Sassoè-Pognetto M., Brouwers J.F., Helms J.B., Nieswandt B. // EMBO J. 2012, V.31, №7, P.1764-1773[32] Sodero A.O., Weissmann C., Ledesma M.D., Dotti C.G. // Neurobiol. Aging. 2011, V.32, №6, P.1043-1053[33] Marwarha G., Ghribi O. // Exp. Gerontol. 2014, pii: S0531- 5565(14)00270-8.[34] Brown A.J., Jessup W. // Mol. Aspects Med. 2009, V.30, №3, P.111-122[35] Heverin M., Bogdanovic N., Lütjohann D., Bayer T., Pikuleva I., Bretillon L., Diczfalusy U., Winblad B., Björkhem I. // J. Lipid Res. 2004, V.45, №1, P.186-193[36] Lathe R., Sapronova A., Kotelevtsev Y. // BMC Geriatrics. 2014. V. 14. 2014, V.14, A. 36[37] Zefirov A.L., Petrov A.M. // Neurosci. Behav. Physiol. 2012, V.42, №2, P.144-152[38] Jennemann R., Sandhoff R., Wang S., Kiss E., Gretz N., Zuliani C., Martin-Villalba A., Jäger R., Schorle H., Kenzelmann M. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2005, V.102, №35, P.12459-12464[39] Suzuki T., Zhang J., Miyazawa S., Liu Q., Farzan M.R., Yao W.D. // J. Neurochem. 2011, V.119, №1, P.64-77[40] 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[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] Fantini J., Yahi N. // Adv. Exp. Med. Biol. 2013, V.991, P.15-26[43] Uversky V.N. // Adv. Exp. Med. Biol. 2015, V.855, P.33-66[44] Rushworth J.V., Hooper N.M. // Int. J. Alzheimers. Dis. 2011, 603052[45] Petrov A.M., Kudryashova K.E., Odnoshivkina Yu.G., Zefirov A.L. // Neurochem. J. 2011, V.5, №1, P.13-19[46] Matsuzaki K. // Int. J. Alzheimers. Dis. 2011, V.2011, P.956104[47] Martins I.C., Kuperstein I., Wilkinson H., Maes E., Vanbrabant M., Jonckheere W., van Gelder P., Hartmann D., D’Hooge R., De Strooper B. // EMBO J. 2008, V.27, №1, P.224-233[48] Tong J., Borbat P.P., Freed J.H., Shin Y.K. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009, V.106, №13, P.5141-5146[49] Rohrbough J., Broadie K. // Nat. Rev. Neurosci. 2005, V.6, №2, P.139-150[50] Jia J.Y., Lamer S., Schümann M., Schmidt M.R., Krause E., Haucke V. // Mol. Cell Proteomics. 2006, V.5, №11, P.2060-2071[51] Sieber J.J., Willig K.I., Heintzmann R., Hell S.W., Lang T. // Biophys. J. 2006, V.90, №8, P.2843-2851[52] Taverna E., Saba E., Linetti A., Longhi R., Jeromin A., Righi M., Clementi F., Rosa P. // J. Neurochem. 2007, V.100, №3, P.664-677[53] Kasimov M.R., Giniatullin A.R., Zefirov A.L., Petrov A.M. // Biochim. Biophys. Acta. 2015, V.1851, №5, P.674-685[54] Petrov A.M., Kasimov M.R., Giniatullin A.R., Tarakanova O.I., Zefirov A.L. // Neurosci. Behav. Physiol. 2010, V.40, №8, P.894-901[55] Petrov A.M., Kasimov M.R., Giniatullin A.R., Zefirov A.L. // Neurosci. Behav. Physiol. 2014, V.44, №9, P.1020-1030[56] Zamir O., Charlton M.P. // J. Physiol. 2006, V.571, №1, P.83-99[57] Tarakanova O.I., Petrov A.M., Zefirov A.L. // Doclady Biol. Sci. 2011, V.438, P.138-140[58] Petrov A.M., Yakovleva A.A., Zefirov A.L. // J. Physiol. 2014, V.592, №22, P.4995-5009[59] Smith A.J., Sugita S., Charlton M.P. // J. Neurosci. 2010, V.30, №17, P.6116-6121[60] Petrov A.M., Zakyrjanova G.F., Yakovleva A.A., Zefirov A.L. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2015, V.456, №1, P.145-150[61] Tarasenko A.S., Sivko R.V., Krisanova N.V., Himmelreich N.H., Borisova T.A. // J. Mol. Neurosci. 2010, V.41, №3, P.358-367[62] Petrov A.M., Naumenko N.V., Uzinskaya K.V., Giniatullin A.R., Urazaev A.K., Zefirov A.L. // Neuroscience. 2011, V.186, P.1-12[63] Hering H., Lin C.C., Sheng M. // J. Neurosci. 2003, V.23, №8, P.3262-3271[64] Hou Q., Huang Y., Amato S., Snyder S.H., Huganir R.L., Man H.Y. // Mol. Cell Neurosci. 2008, V.38, №2, P.213-223[65] Korinek M., Vyklicky V., Borovska J., Lichnerova K., Kaniakova M., Krausova B., Krusek J., Balik A., Smejkalova T., Horak M. // J. Physiol. 2015, V.593, №10, P.2279-2293[66] Paul S.M., Doherty J.J., Robichaud A.J., Belfort G.M., Chow B.Y., Hammond R.S., Crawford D.C., Linsenbardt A.J., Shu H.J., Izumi Y. // J. Neurosci. 2013, V.33, №44, P.17290-17300[67] Head B.P., Patel H.H., Tsutsumi Y.M., Hu Y., Mejia T., Mora R.C., Insel P.A., Roth D.M., Drummond J.C., Patel P.M. // FASEB J. 2008, V.22, №3, P.828-840[68] Butchbach M.E., Tian G., Guo H., Lin C.L. // J. Biol. Chem. 2004, V.279, №33, P.34388-34396[69] Brachet A., Norwood S., Brouwers J.F., Palomer E., Helms J.B., Dotti C.G., Esteban J.A. // J. Cell Biol. 2015, V.208, №6, P.791-806[70] Nowaczyk M.J., Irons M.B. // Am. J. Med. Genet. C Semin. Med. Genet. 2012, V.160C, №4, P.250-262[71] Bjőrkhem I., Starck L., Andersson U., Lütjohann D., von Bahr S., Pikuleva I., Babiker A., Diczfalusy U. // J. Lipid Res. 2001, V.42, №3, P.366-371[72] Korade Z., Xu L., Shelton R., Porter N.A. // J. Lipid Res. 2010, V.51, №11, P.3259-3269[73] Staneva G., Chachaty C., Wolf C., Quinn P.J. // J. Lipid Res. 2010, V.51, №7, P.1810-1822[74] Wassif C.A., Zhu P., Kratz L., Krakowiak P.A., Battaile K.P., Weight F.F., Grinberg A., Steiner R.D., Nwokoro N.A., Kelley R.I. // Human Molecular Genetics 2001, V.10, №6, P.555-564[75] Singh P., Paila Y.D., Chattopadhyay A. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2007, V.358, №2, P.495-499[76] Jiang X.S., Wassif C.A., Backlund P.S., Song L., Holtzclaw L.A., Li Z., Yergey A.L., Porter F.D. // Human Molecular Genetics 2010, V.19, №7, P.1347-1357[77] Sparks S.E., Wassif C.A., Goodwin H., Conley S.K., Lanham D.C., Kratz L.E., Hyland K., Gropman A., Tierney E., Porter F.D. // J. Inherit. Metab. Dis. 2014, V.37, №3, P.415-420[78] Hawes C.M., Wiemer H., Krueger S.R., Karten B. // J. Neurochem. 2010, V.114, P.311-322[79] Xu S., Zhou S., Xia D., Xia J., Chen G., Duan S., Luo J. // Neuroscience. 2010, V.167, P.608-620[80] Liu B., Turley S.D., Burns D.K., Miller A.M., Repa J.J., Dietschy J. M. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009, V.106, P.2377-2382[81] Tamura A., Yui N. // J. Biol. Chem. 2015, V.290, №15, P.9442-9454[82] Malnar M., Hecimovic S., Mattsson N., Zetterberg H. // Neurobiol. Dis. 2014, V.72, PtA, P.37-47[83] Yamazaki T., Chang T.Y., Haass C., Ihara Y. // J. Biol. Chem. 2001, V.276, №6, P.4454-4460[84] Fu R., Yanjanin N.M., Elrick M.J., Ware C., Lieberman A.P., Porter F.D. // Am. J. Med. Genet. A. 2012, V.158A, №11, P.2775-2780[85] Margulis B.A., Vigont V., Lazarev V.F., Kaznacheyeva E.V., Guzhova I.V. // FEBS Lett. 2013, V.587, №13, P.1997-2007[86] Valenza M., Leoni V., Karasinska J.M., Petricca L., Fan J., Carroll J., Pouladi M.A., Fossale E., Nguyen H.P., Riess O. // J. Neurosci. 2010, V.30, P.10844-10850[87] Wang R., Ross C.A., Cai H., Cong W.N., Daimon C.M., Carlson O.D., Egan J.M., Siddiqui S., Maudsley S., Martin B. // Front. Physiol. 2014, V.5, P.231[88] Trushina E., Canaria C.A., Lee D.Y., McMurray C.T. // Human Molecular Genetics 2014, V.23, №1, P.129-144[89] Xiang Z., Valenza M., Cui L., Leoni V., Jeong H.K., Brilli E., Zhang J., Peng Q., Duan W., Reeves S.A. // J. Neurosci. 2011, V.31, №26, P.9544-9553[90] Tsunemi T., La Spada A.R. // Prog. Neurobiol. 2012, V.97, №2, P.142-151[91] Eckmann J., Clemens L.E., Eckert S.H., Hagl S., Yu-Taeger L., Bordet T., Pruss R.M., Muller W.E., Leuner K., Nguyen H.P. // Mol. Neurobiol. 2014, V.50, №1, P.107-118[92] Smith R., Klein P., Koc-Schmitz Y., Waldvogel H.J., Faull R.L., Brundin P., Plomann M., Li J.Y. // J. Neurochem. 2007, V.103, №1, P.115-123[93] Bezprozvanny I.B. // Acta Naturae. 2010, V.2, №1(4), P.72-80[94] Steinert J.R., Campesan S., Richards P., Kyriacou C.P., Forsythe I.D., Giorgini F. // Human Molecular Genetics 2012, V.21, №13, P.2912-2922