Метаболизм холестерина мозга и его нарушения: связь с нейродегенерацией и синаптической дисфункцией

Полный текст

БАЛАНС ХОЛЕСТЕРИНА В МОЗГЕ Общие сведения об источниках холестерина в мозге Холестерин - основной липидный компонент моз га (23-25% всего холестерина сосредоточено в моз ге), содержание которого поддерживается на уров не 15-30 мг/г ткани, средний показатель в других тканях - 2-3 мг/г [1]. В течение эволюции холе стерин приобрел специфические функции в ЦНС. Обогащенные холестерином миелиновые муфты уменьшают проницаемость для ионов, позволяя электрическим импульсам распространяться вдоль аксонов с высокой скоростью. Изобилие холестерина в синаптических мембранах необходимо для форми рования и стабилизации синаптического контакта, осуществления нейропередачи. Продукция холесте рина является лимитирующим фактором роста нерв ных отростков [2, 3]. В клетках млекопитающих холестерин синтезиру ется при участии более 30 ферментов. Вне ЦНС хо лестерин образуется как эндогенно (около 50-60%), так и захватывается из липопротеинов (с усвоенными из пищи липидами), циркулирующих в крови. Однако липопротеины плазмы не проникают (или очень сла бо проникают) через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ), и почти весь (более 95%) холестерин мозга синтезируется in situ преимущественно в глиальных клетках [1]. Интенсивное проникновение стеролов из плазмы в мозг наблюдается только при наруше нии ГЭБ [4]. Частичное нарушение проницаемости ГЭБ может происходить в процессе старения. Более выраженные повреждения ГЭБ выявлены при ней родегенеративных заболеваниях, что способствует развитию патологии [5, 6]. Так, у мышей с дефицитом перицитов, важного компонента ГЭБ, возникает про грессирующая с возрастом нейродегенерация [4, 6]. Холестерин мозга сосредоточен в двух основных пулах. Меньший по размеру относительно быстро метаболизирующийся пул (время жизни 5-10 меся цев, 8 мг/г) представлен холестерином плазматиче ских мембран нейронов (10%) и глии (20%). Большая часть (70%) холестерина ЦНС содержится в миелине (40 мг/г) и метаболически стабильна (время жизни ~ 5 лет) [7]. Максимальный синтез холестерина про исходит во время активной миелинизации (первые недели-месяцы постнатального развития) мозга олигодендроцитами. При этом олигодендроциты ис пользуют для синтеза холестерина кетоновые тела (за счет метаболизирующих кетоны ферментов), кон центрация которых в крови на порядок выше в пери од миелинизации. Если специфично нарушить синтез холестерина в олигодендроцитах, то они начнут за хватывать холестерин из внеклеточных источников, но скорость миелинизации будет крайне медленной [8]. После завершения миелинизации синтез холе стерина снижается на 90% и в зрелом мозге проте кает с низкой интенсивностью преимущественно в астроцитах, а также в 5 раз медленнее - в нейронах [1]. Нейроны производят холестерин, необходимый для выживания, дифференцировки аксонов и ден дритов, формирования новых «неэффективных» синапсов. Стимулировать образование холестерина нейронами может нейротрофический фактор мозга (BDNF) [9]. Для масштабного формирования функ циональных синапсов (особенно пресинаптических частей, удаленных от сомы) требуется холестерин астроцитарного происхождения. Нейроны в куль туре проявляют в 10 раз больше возбуждающей синаптической активности и образуют в 5-7 раз больше синапсов в присутствии астроцитов, что ча стично связано с продукцией холестерина астро цитами. В целом, продукция холестерина нейрона ми важна на ранних стадиях развития мозга, тогда как для взрослого организма не требуется синтез хо лестерина нейронами [1, 7]. Регуляция синтеза холестерина Синтез холестерина начинается с превращения ацетил-СоА ферментом ГМГ-СоА-синтетазой в 3-гидрокси-3-метилглутарил-СоА (ГМГ-СоА), ко торый затем конвертируется ГМГ-СоА-редуктазой в мевалонат. Последняя реакция представляет со бой лимитирующий и необратимый этап биосинте за холестерина, который ингибируется статинами. Существуют два пути синтеза холестерина (рис. 1). В нейронах обнаруживаются преимуществен но стеролы, принадлежащие к пути Kandutsch- Russell (7-дегидрохолестерин, ланостерол), тогда как в астроцитах - к пути Bloch (десмостерол) [10]. Холестерин синтезируется на территории эндоплаз матического ретикулума (ЭПР). Причем содержание холестерина в ЭПР подвержено более сильным ко лебаниям, чем в плазматической мембране, и именно от концентрации холестерина в ЭПР зависит его син тез клеткой. ЭПР содержит неактивный связанный с мембраной фактор транскрипции SREBP-2 (белок, связывающий регулируемый стеролами элемент), который взаимодействует с неактивной протеа зой SCAP (белок, расщепляющий и активирующий SREBP), содержащей чувствительный к холестерину домен. Когда холестерина много, комплекс SREBP-2/ SCAP удерживается в ЭПР молекулами INSIG-1 и -2 (белки 1 и 2, индуцируемые инсулином). При сниже нии содержания холестерина в ЭПР INSIG отсоеди нятся от комплекса SREBP-2/SCAP, при этом ком плекс направляется в аппарат Гольджи, где SREBP-2 расщепляется протеазой SCAP с образованием ак тивного несвязанного с мембраной N-концевого доме на SREBP-2, проникающего в ядро и запускающего экспрессию более 30 генов, содержащих SRE (эле мент, регулируемый стеролами) в промоторной об ласти и ответственных за синтез холестерина (рис. 2) [1, 10-12]. При дефиците SCAP содержание холестерина в мозге снижается на 30-40%, что сопровождается нарушением синаптической передачи [13]. Мутация SCAP в астроцитах ведет к микроцефалии, мотор ным и поведенческим дефектам, которые можно сни зить, увеличив потребление холестерина с пищей [14]. Отсутствие SCAP в шванновских клетках вызы вает задержку формирования миелина с типичными неврологическими симптомами, тремором и атакти ческой походкой [15]. Блокирование синтеза холесте рина снижает экспрессию ряда белков, образующих комплексы с холестерином, например, основных бел ков миелина [8]. Однажды синтезированный холестерин покидает ЭПР везикулярным и невезикулярным путем (при участии переносчиков) и направляется в плазмати ческую мембрану, в результате в ЭПР поддерживается низкий уровень холестерина. Образование контакта между ЭПР и плазматической мембраной может быть кратчайшим путем транспорта липидов из мест синтеза к поверхности клетки [11, 16]. Депонирование, эфиры холестерина В нейронах и других клетках избыток холесте рина может превращаться в эфиры холестери на. Во взрослом мозге ~1% холестерина представ лен эфирами и входит в состав липидных капель. Кратковременный пик этерификации, которой под вергаются более 5% холестерина, наблюдается в от дельном регионе мозга в начале периода миелиниза ции. Эфиры холестерина могут служить резервом, который используется при миелинизации и фор мировании синаптических контактов. Накопление эфиров может быть связано с увеличением актив ности ацетил-СоА-холестерин-ацилтрансферазы (ACAT1/SOAT1), вызванного повышением уровня холестерина в ЭПР. Ингибирование ACAT1 сильно (на 86%) снижает концентрацию эфиров холестери на. Нейротоксичные компоненты и окислительный стресс, наоборот, увеличивают активность АСАТ1 [17]. ACAT1 более активна в нейронах, чем в глиаль ных клетках. Однако в астроцитах ACAT1 активи руется при нарушении выброса холестерина или пе регрузки экзогенным холестерином [18]. Основной субстрат для этерификации холестерина поставляет фермент ЭПР стерол-СоА-десатураза, которая ката лизирует синтез мононенасыщенных жирных кислот из насыщенных жирных кислот [11]. В клетке эфиры холестерина постоянно разруша ются гидролазой. В норме уровень эфиров холесте рина в мозге низкий и гидролаза способна превра щать их в холестерин. При значительном повышении концентрации эфиров гидролаза «не справляется», и эфиры холестерина образуют липидные капли в цитоплазме нейронов [1]. Межклеточный транспорт холестерина Для транспорта холестерина мозг использует свои собственные липопротеины, состоящие из апо липопротеинов (в основном E, 39 кДа) и липидов. Астроциты - главные продуценты холестери на и аполипопротеина Е (ApoE), которые вместе с фосфолипидами собираются в липопротеиновые комплексы (ApoE-частицы) (рис. 2). Сердцевина липопротеиновых частиц собирается в ЭПР, а обо гащение липидами и секреция ApoE-частиц осу ществляются с помощью одного или нескольких АТР-связывающих кассетных транспортеров (ABC), таких, как ABCA1, ABCG1 и ABCG4 [19-21]. ABCA1 катализирует начальную стадию переноса липидов на «свободные» аполипопротеины, формируя «рож дающиеся» частицы, которые затем полностью «на полняются» липидами и выбрасываются из клет ки на второй стадии процесса с участием ABCG1/ ABCA1 [22]. Недостаточно обогащенные липидами частицы (например, при дефиците ABCA1) быстрее катаболизируются, что сопровождается снижением уровня ApoE в мозге. Инактивация ABCA1 в мозге вызывает астроглиоз и усиление экспрессии воспа лительных генов, а также изменяет синаптическую передачу и сенсомоторное поведение [23]. Главными потребителями липопротеинов явля ются нейроны, которые захватывают липопротеины с помощью рецепторов, принадлежащих к семей ству рецепторов липопротеинов низкой плотности: LDL-рецепторы и белки, подобные LDL-рецепторам (LRP, LRP1B, LRP2/мегалин, LRP4, LRP5/6, LRP8/ АPОЕR2, LRP11/SORL1). Эти рецепторы связывают также белки, участвующие в развитии мозга (Sonic hedgehog, Wnt, релин), протеазы и ингибиторы про теаз (α2-макроглобин), переносчики витаминов, ша пероны, медиаторы воспаления [21]. Основной ре цептор, опосредующий захват ApoE-частиц - LRP1, характеризуется высокой транспортной емкостью за счет высокой скорости эндоцитозного рецикли рования (рис. 2). LRP1 экспрессируется преимуще ственно в нейронах, а рецептор LDL - в глии [24]. Делеция LRP1 в нейронах ведет к глобальному на рушению метаболизма холестерина и нейродеге нерации [25]. После рецептор-опосредованного эн доцитоза везикулы доставляют липидные частицы в поздние эндосомы/лизосомы. Сразу после эндо цитоза ApoE отделяется от липидных компонентов и не направляется в лизосомы, а возвращается об ратно на поверхность, т.е. подвергается рецикли зации (рис. 2) [26]. Холестерин покидает поздние эндосомы/лизосомы при участии белков NPC1 и NPC2 и направляется в плазматическую мембрану или мембрану ЭПР, содержанием холестерина в ко торой по принципу отрицательной обратной связи (через путь SREBP-2/SCAP/INSIG-1) регулиру ются гены, вовлеченные в гомеостаз холестерина [16]. Предполагается, что в полости эндолизосомы холестерин связывается с NPC2 (трансмембранный белок), а затем взаимодействует с NPC1 (внутри люменальный белок). В итоге холестерин оказыва ется огражденным от водной среды белками NPC1 и NPС2, после чего перебрасывается в ЭПР или плаз матическую мембрану [27]. Взаимодействие между АpoE-частицами и рецеп торами запускает пути внутриклеточной сигнализа ции, что важно для нормального функционирования и выживания нейронов [20, 21]. Например, синтез АpoE глиальными клетками более чем в 150 раз уско ряет репарацию нерва после повреждения [28]. Экскреция холестерина из мозга. Оксистеролы Из организма человека ежедневно выводится около 1 г холестерина: 0.5 г в виде желчных кислот, 0.5 г - как неметаболизированный холестерин или бактери альный метаболит копростанол. В мозге практически отсутствуют механизмы разрушения холестерина. Однако 0.02-0.04% (6-12 мг) холестерина мозга уда ляются каждый день [1] преимущественно в форме 24-гидроксихолестерина (24-ГХ, 6-8 мг/день). 24-ГХ (в гомогенате мозга, 30 мкМ) проникает через ГЭБ (диффузией или при участии анионного транспор тера, oatp2), в крови связывается с липопротеинами низкой плотности, поглощается гепатоцитами и выво дится в составе желчи [7]. Небольшая часть холесте рина покидает мозг в виде АроЕ/А-частиц через ГЭБ. Экспрессирующийся преимущественно в нейронах ABCA1 способен освобождать избыток холестерина в виде ApoA1-частиц, которые перебрасываются че рез ГЭБ при участии LRP1 и скавенджер-рецептора класса 1 B (SR1B) [29]. Увеличение или снижение экс прессии ABCA1 в нейронах усиливает или снижает выведение холестерина соответственно [20]. 24-ГХ продуцируется холестерин-24-гидроксилазой (CYP46A1), которая в норме экспрессируется в телах и дендритах некоторых нейронов (больших пирамидных клетках коры, гиппокампа, амигдалы, скорлупы, таламуса, клетках Пуркинье) (рис. 2) [7]. При патологических состояниях и после травмы CYP46A1 может появиться в ненейрональных клет ках (астроциты, микроглия, макрофаги) [11]. В мозге 24-ГХ (как и другие оксистеролы) активирует ядер ный LX-рецептор астроцитов и нейронов, который усиливает экспрессию белков, обеспечивающих синтез холестерина и его транспорт (ABCA1, ApoE). Следовательно, увеличение выведения холестерина из мозга способствует его синтезу в астроцитах и до ставке нейронам. Повышение же уровня холестерина в ЭПР может стимулировать CYP46A1 [1]. Таким об разом, в мозге формируется кругооборот продукции и экскреции холестерина. Если его остановить за счет мутации гена СYP46A1 (мыши CYP46A1 -/-, содер жание 24-ГХ у которых составляет 5% от уровня у мышей дикого типа), то концентрация холестерина в мозге не возрастет, так как на 40-50% уменьшит ся его производство [7]. Сверхэкспрессия CYP46A1, увеличивающая продукцию 24-ГХ, также не изменя ет уровень холестерина, так как возрастает его син тез [30]. Образование 24-ГХ в нейронах подавляется этерификацией холестерина, поэтому удаление гена ACAT1, на 13% снижающее общее содержание холе стерина в мозге, на 32% повышает уровень 24-ГХ [17]. Повышение активности СYP46A1 наблюдается при стимуляции синаптической передачи. Уже че рез 30 мин синаптической активности в глутаматер гическом синапсе уровень мембранного холестерина немного, но достоверно снижается за счет освобож дения 24-ГХ во внеклеточное пространство. При этом СYP46A1 перемещается от ЭПР к плазматической мембране и активируется. Этот процесс зависит от повышения уровня цитозольного Са2+ и функци онирования чувствительного к Са2+ белка STIM2 в полости ЭПР [31]. По мере старения, в нейронах по вышается продукция активных форм кислорода, ко торые усиливают экспрессию СYP46А1, в результате чего наблюдается прогрессирующая потеря холесте рина синаптическими мембранами [32]. Другой оксистерол - 27-ГХ - главный метаболит холестерина в системной циркуляции, где его концен трация в норме составляет 0.15-0.73 мкМ, а при ряде патологий (например, при атеросклерозе) может до стигать миллимолярного уровня [33]. 27-ГХ синтези руется из холестерина митохондриальным ферментом CYP27A1 почти во всех клетках (рис. 2). В нейронах, астроцитах и олигодендроцитах 27-ГХ образуется в очень низкой концентрации и выводится из мозга через ГЭБ [34]. Однако 27-ГХ, продуцируемый пе риферическими тканями, может проникать в мозг (5 мг/день). В норме соотношение 27-ГХ : 24-ГХ со ставляет 1 : 8 во фронтальной коре, 1 : 5 в затылочной коре и 1 : 10 в базальных ядрах [35]. Оксистерол-7α гидролаза (CYP7B1) катализирует превращение 27- ГХ в 7α-гидрокси-3-оксо-4-холестеновую кислоту, которая удаляется через ГЭБ [1]. Интенсивное обра зование 27-ГХ происходит при гиперхолестеринемии и окислительном стрессе [34]. При окислительном стрессе существенная часть холестерина может пре вращаться в 27-ГХ, который аккумулируется в мозге, увеличивая риск нейродегенерации [33]. Макрофаги могут в значительных количествах производить 25-гидроксихолестерин (25-ГХ) с по мощью холестерин-25-гидролазы, локализованной в ЭПР. В тканях (в том числе в мозге) экспрессия это го фермента повышается при индукции врожденного иммунного ответа, а образующийся 25-ГХ оказыва ет противовирусный эффект и способствует этери фикации холестерина за счет усиления активности ACAT1. В мозге концентрация 25-ГХ составляет при мерно 1 мкМ и может локально повышаться при ней родегенеративных заболеваниях. Следует отметить, что синтез следовых количеств 25-ГХ могут катали зировать CYP46A1 и CYP27A1, а метаболизируется 25-ГХ при участии CYP7B1 [36]. ОСТРОВКИ ХОЛЕСТЕРИНА В МОЗГЕ Кратко о липидных рафтах В нервной системе связь между организацией мем браны и клеточными процессами более выражена, чем в других тканях. Нейроны и в меньшей степени глия - высокополяризованные клетки, содержащие различные мембранные компартменты: аксон, ден дриты, синаптические мембраны, миелиновые муф ты, перехваты и т.п. Даже внутри отдельного региона мембраны молекулы движутся не свободно, а фор мируют микродомены, обогащенные холестерином и сфинголипидами (липидные рафты). Холестерин выступает в роли «клея», объединяя липидные и бел ковые компоненты в микродомен [37]. Сфинголипиды (в частности, гликолипиды) мозга характеризуют ся высокой степенью структурного разнообразия, и отдельные популяции нейронов, глиальных кле ток и разные рафты одной клетки обогащены раз личными гликолипидами. В ходе развития мозга и дифференцировки нейронов наблюдается увели чение экспрессии и разнообразия гликолипидов [3]. Нарушение синтеза сложных гликолипидов в ней ронах вызывает тяжелые неврологические/синап тические нарушения и гибель в течение 3 недель после рождения [38]. В целом, липидный состав раф тов мозга зависит от региона, типа клетки и стадии развития. Отдельные рафты могут включать специфичные белковые компоненты (рецепторы, ионные каналы, белки экзо- и эндоцитоза, ферменты), кото рые на территории рафта создают сигнальные ком плексы/специализированные компартменты [3, 24]. Например, высокое содержание холестерина/раф тов - одна из причин существенно более медленной диффузии многих белков в синаптических сайтах, чем во внесинаптических регионах [39]. Увеличение концентрации холестерина и сфинголипидов усили вает объединение (коалесценцию) рафтов, вызывая появление в мембране больших (микрометровых) стабильных суперрафт-доменов (платформ). В жи вых клетках липидные платформы могут формиро ваться за счет сцепления содержащихся в разных рафтах белков при их связывании с одной и той же молекулой внеклеточного лиганда (например, факто ра роста) или каркасными белками и белками цито скелета. Фосфорилирование обычно облегчает слия ние белков рафтов за счет усиления белок-белковых взаимодействий. Слияние рафтов имеет значение в мембранном транспорте, в трансдукции сигналов и других процессах [3]. С рафтами ассоциированы многие вовлеченные в сигнализацию белки, в том числе кавеолины, ко торые имеют каркасный домен, служащий сайтом взаимодействия с метаботропными рецептора ми, G-белками, NO-синтазой, аденилатциклазой, фосфоинозитол-3-киназой, MAP-, Src-киназами, протеинкиназами А и С [40]. В нейронах кавеолин-1 колокализуется со специфичным каркасным постси наптическим белком PSD-95, глутаматными NMDA рецепторами, а его нокаут вызывает потерю синапсов [41]. Ишемия мозга может разрушать ассоциирован ные с кавеолинами сигнальные комплексы в ней ронах. Высокая экспрессия кавеолина-1 усиливает активность сигнальных молекул, обеспечивающих выживание и рост, делая мозг более устойчивым к ишемическому повреждению [40]. Липидные рафты и внутренне неупорядоченные белки Белки, у которых отсутствует хорошо определяемая трехмерная структура, относятся к внутренне неупо рядоченным белкам. Они составляют часть протеома, называемую unfoldome, и зачастую участвуют в сиг нализации и мембранном транспорте [42, 43]. В число этих белков входят α-синуклеин, АРР (белок-пред шественник амилоида), PrP (прионные белки), белок гентингтин и tau. Конформация этих белков зави сит от окружения и может существенно изменять ся. При определенных условиях (сверхпродукция, мутации, «пагубное» окружение) α-синуклеин, APP, PrP могут приобретать «патологическую» трехмер ную структуру. Возможно, ведущую роль в превра щении нормальных белков в патологические играют мембраны. При оседании на мембранах происходит концентрирование белков, что способствует обра зованию их агрегатов. α-Синуклеин, амилоидный пептид β (продукт расщепления APP), PrP взаимо действуют избирательно с липидными рафтами [44], в результате чего изменяется конформация белков, что может ускорять их агрегацию. Амилоидный пеп тид β узнает специфичные для рафтов гликосфин голипиды (ганглиозид GM1, асиалоганглиозид GM1, галактозилцерамид) и холестерин, α-синуклеин - ганглиозиды GM1 и GM3, PrP - сфингомиелин, га лактозилцерамид, ганглиозиды GM1 и GM3 [42]. Эти белки в изобилии представлены в синапсах, мембра ны которых особенно богаты упомянутыми ганглио зидами [45]. От локальных значений рН, концентра ции холестерина, текучести микроучастка зависят сила взаимодействия и тип получающегося агрегата (глобулярная или фибриллярная структура) и, сле довательно, его токсичность. Холестерин усилива ет/ослабляет связывание этих белков со сфинго липидами, включающими негидроксилированные/ гидроксилированные ацильные группы. При увели чении концентрации ганглиозидов GM1, снижении количества холестерина и белков в рафтах амило идный пептид β связывается с мембраной и образует токсичные фибриллы, тогда как повышение содер жания холестерина в мембранах ингибирует агре гацию амилоидного пептида β [46]. Мембраны могут катализировать превращение зрелых амилоидных фибрилл (слабо токсичных) в протофибриллярное состояние, характеризующееся высокой токсично стью [47], т.е. амилоидные бляшки могут быть не стабильными и при изменении состояния липидных рафтов могут превращаться в источник токсичных протофибрилл. Олигомеры амилоидных пептидов β могут взаимодействовать с белками - резидентами рафтов, такими, как глутаматный NMDA-рецептор, метаботропный глутаматный рецептор 5, PrP. В ито ге олигомеры способствуют формированию больших платформ, нарушающих функционирование синап тического аппарата [24, 44]. В целом, сами внутренне неупорядоченные белки потенциально способны из менять структуру рафтов и мембран [42, 43]. ХОЛЕСТЕРИН И СИНАПТИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА В самом общем виде механизм передачи информации в синапсе можно представить следующим образом (рис. 3). Пресинаптические нервные окончания со держат большое количество синаптических везикул, заполненных медиатором. В ответ на вызванный потенциалом действия вход Са2+ через потенциал зависимые Са-каналы везикулы сливаются с пре синаптической мембраной (экзоцитоз), освобождая медиатор в синаптическую щель. Достигнув постси наптических рецепторов, медиатор активирует их, в результате изменяется потенциал постсинапти ческой мембраны. Синаптическая передача - один из самых высокорегулируемых клеточных процес сов. Длительные изменения ее эффективности лежат в основе интегративных феноменов и влияют на вы живаемость и функционирование нейронов [37]. Пресинаптические механизмы и холестерин Роль холестерина в пресинаптических процессах, обеспечивающих высвобождение нейромедиатора, связана с его способностью непосредственно влиять на биофизические свойства мембран; прямо взаимо действовать с белками, регулирующими экзо- и эн доцитоз; участием в организации липидных рафтов. В ходе экзоцитоза происходят радикальные из менения кривизны мембран, которые определяются составом липидов. Холестерин, в большом количе стве представленный в синаптических везикулах (40% всех липидов) и пресинаптической мембране, поддерживает формирование сильно искривленных промежуточных мембранных структур в процессе слияния [48]. За счет способности к относительно легкому переходу между монослоями (флип-флопу) холестерин снижает «натяжение» мембран при де формациях, стабилизируя пору слияния. Холестерин способствует слиянию благодаря взаимодействию с везикулярными (синаптофизин) и пресинаптиче скими (синтаксин-1) белками [37, 49]. В сайтах экзо цитоза и мембранах везикул холестерин участвует в формировании липидных рафтов [45]. В составе рафтов обнаружены ключевые белки везикул - про тонный насос, синаптотагмины, синаптофизины, SV2, а также экзоцитозные белки пресинаптической мембраны - синтаксин, SNAP-25, синаптобревин, Munc18, потенциал-зависимые Са-каналы [50]. Чем выше содержание белков экзоцитоза в рафтах, тем эффективнее протекает экзоцитоз. Разные изофор мы синтаксина холестерин-зависимым образом могут формировать в мембране отдельные скопления. Это предполагает возможность образования сайтов экзо цитоза с различными свойствами [51]. Возможно, эк зоцитоз может модулироваться слиянием/разделе нием отдельных рафтов. Например, с одной стороны, потенциал-управляемые Са-каналы и SNARE-белки, а с другой, белок NCS-1 (нейрональный сенсор каль ция 1), усиливающий активность Са-каналов, лока лизуются в разных микродоменах, слияние которых может облегчать экзоцитоз [52]. Мутации в гене си напс-специфичной церамидазы SLAB, приводящие к перераспределению холестерина в пресинапти ческой мембране, уменьшают на ~70% способность везикул к слиянию. В рафтах могут концентриро ваться анионные липиды, фосфатидилинозитол-4,5 бисфосфаты, которые влияют на активность белков экзоцитоза и способность мембраны к деформации [49]. Оксистерол, 5α-холестан-3-он, нарушающий стабильность синаптических рафтов, угнетает эк зоцитоз и ограничивает популяцию синаптических везикул, вовлекаемую в нейропередачу [53]. В це лом, удаление даже небольшой фракции холесте рина, ослабление его синтеза приводит к угнетению вызванного освобождения медиатора при низко и высокочастотной активности [54, 55]. Нарушение метаболизма холестерина может нарушать класте ризацию синаптических везикул и угнетать ионные токи, формирующие потенциал действия [56, 57]. Мембранный холестерин избирательно способ ствует протеканию вызванного экзоцитоза, в то время как спонтанное освобождение нейромедиатора, наобо рот, угнетается холестерином [54, 55, 58]. Возможно, холестерин ограничивает спонтанный экзоцитоз, предотвращая избыточную активацию ряда проте инкиназ (в частности, протеинкиназ А, С, CAMK-II) и сигнального пути NADPН-оксидаза-активные фор мы кислорода-TRPV1-каналы-Са2+-кальцинейрин [58-60]. Поэтому при истощении мембранного холе стерина усиливается спонтанный экзоцитоз, в резуль тате может истощаться запас синаптических везикул, происходить десенситизация рецепторов, уменьшать ся локальный белковый синтез. Кроме того, снижение содержания холестерина усиливает невезикулярное освобождение нейромедиаторов в периферических и центральных синапсах [61, 62]. Эндоцитоз синаптических везикул. Эндоцитоз си наптических везикул предотвращает истощение их запаса при синаптической активности. После эндо цитоза везикулы заполняются нейромедиатором и доставляются в соответствующий пул. Холестерин может требоваться для облегчения инвагинации мем браны при эндоцитозе [37, 49]. Участки мембраны, обогащенные холестерином, способны активировать белки, участвующие в эндоцитозе [50]. Не исключено, что рафты в мембранах везикул предотвращают сме шивание везикулярных белков с пресинаптически ми, упрощая их сортировку в ходе эндоцитоза [45]. Фосфоинозитиды рафтов вовлечены в запуск эндо цитоза и кластеризацию везикулярных белков [49]. Удаление даже небольшого количества холестерина из мембран везикул ведет к блокированию эндоци тоза и накоплению мембранного материала везикул в плазматической мембране [54, 62]. Постсинаптические процессы и холестерин Изменения в количестве/составе постсинаптических рецепторов требуются для феномена синаптической пластичности. Подобные изменения происходят за счет эндо- и экзоцитоза рецепторов, их латераль ной диффузии между экстра- и синаптическими участками (рис. 3). Транспорт рецепторов контроли руется как взаимодействием рецепторов с каркасны ми белками, так и липидным составом мембраны [3]. Активность рецепторов и последующая сигнализа ция также часто зависят от содержания мембранного холестерина. Многие из постсинаптических рецеп торов локализуются в рафтах [2, 3, 11, 12]. В целом, постсинаптическая плотность - массивный мульти белковый комплекс, включающий молекулы, уча ствующие в постсинаптической сигнализации и пла стичности, физически ассоциирована с рафтами [39, 63]. В представленном обзоре мы уделим внимание только глутаматным AMPA- и NMDA-рецепторам. Быстрое удаление холестерина подавляет токи через AMPA-рецепторы и их встраивание путем экзоцитоза [64]. Удаление холестерина/сфинголи пидов в течение длительного времени увеличива ет конститутивный эндоцитоз AMPA-рецепторов [63]. В нейронах с уровнем холестерина, сниженным (~ на 25%) в ходе естественного старения, наблюда ется накопление AMPA-рецепторов на поверхности клетки вследствие нарушения их эндоцитоза и ла теральной мобильности. Предполагается, что потеря холестерина ведет к отсоединению белка MARCKS от фосфоинозитол-4,5-бифосфатов мембраны, ко торые переводятся фосфоинозитол-3-киназой в фосфоинозитол-3,4,5-трифосфаты. Накопление последних стабилизирует F-актин, снижая под вижность постсинаптических AMPA-рецепторов, и способствует активации киназы Akt, которая инактивирует киназу 3Β гликогенсинтазы (GSK3β), участвующую в эндоцитозе AMPA-рецепторов [12]. Локализация NMDA-рецепторов в рафтах облег чает их олигомеризацию, а удаление холестерина угнетает вход Са2+ через NMDA-рецепторы, способ ствует их десенситизации и ингибирует долговре менную потенциацию в гиппокампе [65]. Наоборот, 24-ГХ, действуя как аллостерический модулятор, в субмикромолярных концентрациях потенцирует опосредуемый NMDA-рецепторами ответ, способ ствуя индукции долговременной потенциации в сре зах гиппокампа. Интересно, что 25-ГХ (в субмикро молярной концентрации) препятствует развитию данного эффекта 24-ГХ [66]. Вход Са2+ через NMDA рецепторы может вызывать как феномены синапти ческой пластичности, так и гибель клетки (эксайто токсичность), что зависит от величины потока Са2+ и локализации рецепторов (в рафтах или нет, в си наптическом или внесинаптическом регионе). NMDA рецепторы рафтов взаимодействуют с кавеолином-1, что важно для активации сигнального пути Src киназа/ERK-киназа, способствующего выживанию нейронов. Поэтому локализованные в рафтах рецеп торы в меньшей степени опосредуют эксайтотоксич ность. При длительном воздействии агониста и ише мии NMDA-рецепторы перемещаются в жидкую фазу мембраны [67]. Сверхактивация внесинаптиче ских NMDA-рецепторов преимущественно вовлека ется в эксайтотоксичность [12]. В липидных рафтах располагается транспортер возбуждающих амино кислот (EAAT1-4), и удаление холестерина снижает опосредуемый транспортером Na+-зависимый захват глутамата в глиальные и нейрональные клетки [68], способствуя эксайтотоксичности. Интересно, что ак тивация NMDA-рецепторов вызывает быстрое сни жение внутриклеточного содержания холестерина (возможно, рециклирующих эндосом), что ведет к ак тивации Сdc42- и Rab11-зависимого перемещения AMPA-рецепторов в постсинаптическую мембрану. Это способствует возникновению долговременной си наптической потенциации [69]. ХОЛЕСТЕРИН И НЕЙРОДЕГЕНЕРАТИВНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ В последнее время увеличивается количество дан ных, указывающих на связь дефектов в метаболизме холестерина и синаптической передаче с развитием нейродегенеративных заболеваний [2, 11, 12]. На зна чимость холестерина для мозга указывает большое число редких наследственных заболеваний с выра женными неврологическими симптомами, вызванных мутациями генов, прямо или косвенно вовлеченных в метаболизм холестерина. Мы проанализировали данные об изменении обмена холестерина при ряде патологий ЦНС, непосредственно связанных с мута циями в генах, продукты которых вовлечены в био синтез холестерина (синдром Смита-Лемли-Опица), его внутриклеточный трафик (болезнь Нимана-Пика типа С) и регуляцию синтеза (болезнь Гентингтона). Синдром Смита-Лемли-Опица Причиной некоторых заболеваний, вызываю щих нейродегенерацию и пороки развития, яв ляются нарушения путей биосинтеза холестери на. При латостеролозах обнаруживается дефект в 3β-гидроксистероид-5-десатуразе, при десмо стеролозах - в 3β-гидроксистерол-24-редуктазе, при церебротендинальном ксантоматозе - в холестерин-27-гидроксилазе. Синдром Смита- Лемли-Опица - наиболее распространенное ау тосомно-рецессивное заболевание этого класса (1/20000 живорожденных), вызывается мутациями в гене dhcr7, кодирующем 7-дегидрохолестеролре дуктазу [70]. В наиболее тяжелых случаях мутации ведут к гибели плода или младенца. Dhcr7 катали зирует последний этап пути Kandutsch-Russell син теза холестерина. В результате мутаций активность Dhcr7 снижается, что ведет к увеличению содержа ния 7-дегидрохолестерина и недостатку холестери на в клетках, плазме и мозге (рис. 4). При синдроме Смита-Лемли-Опица концентрация 24-ГХ в плазме снижается, а 27-ГХ увеличивается [71]. При этом заболевании наблюдаются множественные анома лии развития мозга и органов, снижение умствен ных способностей, эмоциональные расстройства и проблемы со сном. У пациентов с сильно выра женными симптомами концентрация холестерина в плазме может составлять 2% от нормальных зна чений. При умеренных симптомах уровень холесте рина в плазме может быть нормальным, однако это не может компенсировать дефицит функций мозга, что указывает на участие холестерина мозга в гене зе неврологических симптомов [70]. С другой сторо ны, эти симптомы могут быть обусловлены накопле нием субстрата Dhcr7 - 7,8-дегидродесмостерола и его окисленных метаболитов [72]. Некоторые те ратогенные эффекты при синдроме Смита-Лемли- Опица вызваны, вероятно, дефектами в SHH сигнализации, поскольку для активности белка SHH (морфогенный фактор, Sonic Hedgehog) требуется ковалентное присоединение холестерина [70]. При синдроме Смита-Лемли-Опица холестерин в мембранах замещается 7-дегидрохолестерином, а поскольку его свойства сходны со свойствами холе стерина, в функционировании мембран наблюдаются тонкие изменения. В частности, уменьшаются жест кость мембраны и способность стабилизировать изги бы, что важно при экзо- и эндоцитозе. Также форми руются дефектные рафты с нарушенным белковым составом [73]. Снижение уровня холестерина может влиять на сигнализацию, зависимую от многих ре цепторов. У мутантных мышей с синдромом Смита- Лемли-Опица нарушен ответ NMDA-рецепторов на глутамат [74]. 7-Дегидрохолестерин окисляется активными формами кислорода с формированием десятков вариантов оксистеролов, некоторые из них проявляют активность в субмикромолярных кон центрациях [72] и потенциально могут воздейство вать на экзо- и эндоцитоз [55]. 7-Дегидрохолестерин может нарушать связывание с лигандом серотони новых рецепторов 1A [75]. При синдроме Смита- Лемли-Опица в аксонах и дендритах нейронов гиппокампа, возможно, в результате изменения со стояния липидных рафтов повышена активность малых GTP-аз семейства Rho [76], вовлеченных в управление динамикой актинового цитоскелета. При синдроме Смита-Лемли-Опица происходит ги перфосфорилирование кофилина-1, который утра чивает способность разрушать актиновые филамен ты. Стабилизация цитоскелета может опосредованно воздействовать на процессы экзо- и эндоцитоза, тра фик синаптических везикул/рецепторов. Все это может приводить к нарушению высвобождения раз личных нейромедиаторов (серотонина, дофамина) и развитию неврологических симптомов [77]. Болезнь Нимана-Пика типа С Прямая связь между нарушением метаболизма холестерина в мозге и нейродегенерацией ясно по казана при болезни Нимана-Пика типа С, редкой аутосомно-рецессивной патологии (1/150000 ново рожденных), при которой наблюдается прогрессиру ющая гибель нейронов и преждевременная смерть, часто развивается гепатоспленомегалия и болезни легких. При болезни Нимана-Пика типа С в голов ном мозге наблюдается массивная потеря клеток Пуркинье мозжечка, что согласуется с нарушени ем двигательного контроля [2]. Причиной заболева ния являются мутации в генах NPC1 (95% случаев) или NPC2 (5%), которые приводят к дефициту соот ветствующих белков (рис. 5). При недостатке NPC1 или NPC2 в нейронах и глии холестерин и в меньшей степени другие липиды (в частности, гликолипиды) «запираются» в поздних эндосомах/лизосомах и не поступают в плазматическую мембрану и ЭПР [16]. Интересно, что при дефиците NPC1 содержа ние холестерина в дистальных частях аксонов рез ко уменьшается и повышается в телах нейронов. Возможно, неврологические дефекты при болезни Нимана-Пика типа С обусловлены снижением холе стерина в аксонах, особенно в нервных окончаниях. Согласуется с этой идеей изменение состава и мор фологии синаптических везикул, рециклирующих эндосом в нервном окончании при дефиците NPC1 [18]. При болезни Нимана-Пика типа С наблюдается усиленное образование ряда оксистеролов, 3β,5α,6β холестантриола и 6-кетостерола в мозге, вызванное окислительным стрессом [2]. При болезни Нимана-Пика типа С дегенерация сомы нейронов является конечным звеном патоло гического каскада. Сначала же развивается деге нерация пресинаптических нервных терминалей, здесь же в рециклирующих эндосомах локализу ется поврежденный белок NPC1 [18]. По-видимому, нейродегенерация может начинаться из нервных окончаний. На ранних стадиях заболевания (до ней родегенерации и исчезновения синапсов) наблю даются пресинаптические нарушения: угнетаются процессы вызванного экзоцитоза и доставки синап тических везикул в сайты экзоцитоза [78]. Причем нарушения экзоцитоза и замедление кругооборота синаптических везикул сильнее выражены в ГАМК ергических нервных окончаниях, что может рож дать дисбаланс возбуждающей/тормозной нейропе редачи [79]. Возможно, альтерации синаптической передачи являются причинами ряда симптомов болезни Нимана-Пика типа С, таких, как атаксия, катаплексия, нарушение рефлексов. Схожие изме нения в экзоцитозе синаптических везикул наблю даются при удалении мембранного холестерина вы сокими дозами метил-β-циклодекстрина (МЦД) [78]. Обнаружение NPC1 в рециклирующих эндосомах в нервных окончаниях указывает на возможность участия NPC1 в медленном пути рециклирования ве зикул, важном для сохранения численности синапти ческих везикул в течение длительной синаптической активности [18]. На сегодняшний день не существует эффектив ных методов лечения болезни Нимана-Пика типа С. Однако последние исследования дали повод надеять ся на появление адекватной терапии. Однократное подкожное введение холестеринсвязывающего ком понента (МЦД) животным с делецией генов NРС1 за медляло развитие нейродегенерации и вдвое увели чивало продолжительность жизни [80]. Хотя МЦД не может эффективно проникать через ГЭБ, малые его количества все же попадают в мозг. Высокие дозы МЦД (5-10 мМ), обычно используемые для удаления существенного количества мембранного холестери на, токсичны для нейронов и блокируют синаптиче скую передачу [3]. Низкие же дозы МЦД (например, 0.1 мМ) слабо влияют на мембранный холестерин [62] и могут подвергаться эндоцитозу, попадая в нейро ны. Захваченные молекулы МЦД, возможно, могут освобождать «запертый» в поздних эндосомах/лизо сомах холестерин и направлять его в ЭПР и плазма тическую мембрану. Инъекции 2-гидроксипролил- β-циклодекстрина в спинномозговую жидкость снижают накопление холестерина в эндо/лизосомах и улучшают выживаемость клеток Пуркинье [16]. Недавно были разработаны соединения (полиро таксаны), которые могут расщепляться в лизосомах с освобождением β-циклодекстринов. Они проявляют высокую эффективность, препятствуя накоплению холестерина в лизосомах при болезни Нимана-Пика типа С [81]. Следует заметить, что те же формы ци клодекстринов обладают нейропротекторной актив ностью в клеточных и мышиных моделях болезни Альцгеймера [82]. При болезни Нимана-Пика типа С происходит внутриклеточное накопление амилоидного пептида β (в нагруженных холестерином лизосомах) и фи бриллярных клубков из гиперфосфорилированного белка tau. В спинномозговой жидкости при болезни Нимана-Пика типа С увеличивается концентрация амилоидных пептидов β из 38, 40 и 42 аминокислот ных остатков. Однако амилоидные бляшки не образу ются, что, вероятно, связано с ранней летальностью при этом заболевании [83]. Диффузные амилоидные бляшки могут появиться при болезни Нимана-Пика типа С у носителей аллеля Apoε4, у которых снижен клиренс амилоидного пептида β. Носительство ал леля Apoε4 коррелирует с более тяжелым течением и ранним началом неврологических проявлений бо лезни Нимана-Пика типа С [84]. Болезнь Гентингтона Это аутосомно-доминантное нейродегенеративное заболевание характеризуется когнитивными и мо торными нарушениями. Болезнь Гентингтона воз никает в результате увеличения количества остат ков глутамина (более 36 копий, полиглутаминовая экспансия) в белке гентингтин. Токсичному воздей ствию данного белка подвержены нейроны стриа тума и коры [85]. Биосинтез холестерина снижен в мозге при болезни Гентингтона [10]. Мутантный гентингтин снижает активность фактора транс крипции SREBP, что подавляет экспрессию его ге нов-мишеней и ведет к уменьшению образования холестерина в нейронах коры и стриатума (рис. 6). Уровень холестерина снижается сначала в синаптосомальных мембранах, а затем в миелине. Добавление экзогенного холестерина (до 15 мкМ) к нейронам стриатума, экспрессирующим мутант ный гентингтин, увеличивает их выживаемость [86]. Чем больше длина полиглутаминового участка ген тингтина, тем сильнее подавлен синтез холестерина и тяжелее протекает заболевание [34]. С возрастом различие в содержании холестерина у здоровых животных и животных с болезнью Гентингтона уве личивается [86]. При болезни Гентингтона наблю дается уменьшение на 50% синтеза холестерина в фибробластах, снижение общего содержания хо лестерина в плазме. Причем содержание холесте рина в плазме значительно уменьшено уже на бес симптомной стадии [87]. Наоборот, концентрация 24-ГХ в начале болезни Гентингтона увеличивается, а на более поздних стадиях снижается за счет про грессирующего снижения метаболизма холестерина при атрофии стриатума [10]. Начальный всплеск 24- ГХ может отражать последнюю «попытку» организ ма компенсировать недостаток обмена холестерина. Дальнейшее снижение 24-ГХ в мозге может способ ствовать уменьшению синтеза холестерина за счет ослабления активации LX-рецепторов и экспрессии зависимых от LX-рецептора транскриптов (ABCA1, ABCG4, ApoE). В итоге астроциты с мутантным ген тингтином синтезируют и секретируют меньше ApoE, а выделяемые ApoE-частицы меньше по раз меру и содержат меньше липидов, поэтому менее эффективно доставляют холестерин от астроцитов к нейронам и менее эффективно удаляют избыток холестерина [86]. Агонисты LX-рецепторов могут частично подавлять симптомы болезни Гентингтона [10]. В условиях сниженной продукции холестери на в мембранах и лизосомах/эндосомах могут об разовываться скопления холестерина и его эфиров за счет снижения интенсивности удаления холе стерина в составе ApoE-частиц и 24-ГХ. Появление скоплений холестерина может быть связано с на рушением транспорта кавеолина-1 под влиянием мутантного гентингтина [88]. BDNF, освобождае мый из нервных окончаний кортикальных нейронов в стриатуме, вовлечен не только в синаптическую пластичность и контроль выживаемости, но и сти мулирует синтез холестерина в постсинаптических нейронах. Мутантный гентингтин угнетает продук цию холестерина, воздействуя на транспорт и осво бождение BDNF [10]. Белок гентингтин дикого типа может связываться с рядом ядерных рецепторов, вовлеченных в липид ный метаболизм, например, LX-рецептор, PPARγ (peroxisome-proliferator-activated receptor gamma), рецептор витамина D [10]. Сверхэкспрессия гентинг тина активирует LX-рецептор, тогда как при его от сутствии наблюдается ингибирование транскрипции, опосредуемой LX-рецептором. Возможно, мутантный гентингтин в меньшей степени может стимулиро вать LX-рецептор и экспрессию его генов-мишеней, в том числе SREBP. В олигодендроцитах мутант ный гентингтин подавляет эффект коактиватора 1 PPARγ (PGC1α) на экспрессию ферментов синтеза и метаболизма холестерина, белков миелина, на рушая образование миелиновой оболочки [89]. Еще на бессимптомной стадии при болезни Гентингтона снижена экспрессия PGC1α в средних шипиковых нейронах стриатума. Это может быть одной из при чин выраженной митохондриальной дисфункции, так как PGC1α вовлечен в биогенез митохондрий и окислительный метаболизм, регулирует экспрес сию компонентов электронно-транспортной цепи [90]. Нарушение функционирования митохондрий может вести к недостатку АТР, NADPН и субстратов, не обходимых для синтеза холестерина. При болезни Гентингтона значительно возрастает текучесть мито хондриальной мембраны, что может быть опосредо вано нарушением синтеза холестерина. Холестерин подобная молекула, олесоксим, способная проникать в клетку и накапливаться в мембране митохон дрий, проявляет терапевтическую эффективность при коррекции митохондриальной дисфункции в моделях амиотрофического бокового склероза, пе риферической нейропатии и болезни Гентингтона. В последнем случае олесоксим понижает текучесть мембран митохондрий, а при хроническом примене нии повышает в них содержание холестерина [91]. Перед клинической манифестацией болезни Гентингтона нарушаются процессы экзо- и эндоци тоза синаптических везикул (рис. 6). Сам гентингтин концентрируется в пресинапсе и связывается с си наптическими везикулами. У мышей с мутантным гентингтином наблюдается аномальное фосфорили рование синапсина I и прогрессирующее снижение концентрации комплексина II, SNAP-25, рабфилина 3А в нервных окончаниях специфических участков коры [92]. В итоге угнетается экзоцитоз и уменьша ется размер пула синаптических везикул. Уровень цитоплазматического Са2+ в терминалях повышает ся, возможно, в результате ослабления ингибиторно го влияния со стороны CSP (cysteine-string protein) или непосредственно гентингтина на кальциевые каналы N-типа или ITP-рецепторы соответственно [93]. Некоторые белки, участвующие в эндоцитозе, специфично связываются с гентингтином, - это HIP1 (huntingtin interacting protein 1), HIP1R, синдапин I, эндофилин. При болезни Гентингтона из пресинап тических регионов пропадает эндоцитозный каркас ный белок - синдапин, а HIP1 перестает должным образом функционировать, что приводит к сильно му нарушению эндоцитоза. Кроме того, при болезни Гентингтона страдает связанная с эндосомами и за висимая от Rab11 рециклизация синаптических ве зикул, что ведет к появлению аномально маленьких синаптических везикул и угнетению синаптической передачи [94].

Об авторах

A. M. Петров

Казанский государственный медицинский университет МЗ РФ

Автор, ответственный за переписку.
Email: Fysio@rambler.ru
Россия

M. Р. Касимов

Казанский государственный медицинский университет МЗ РФ

Email: fysio@rambler.ru
Россия

A. Л. Зефиров

Казанский государственный медицинский университет МЗ РФ

Email: fysio@rambler.ru
Россия

Список литературы

Дополнительные файлы