Нейродегенерация и актиновый цитоскелет

Нейродегенерация – заключительный этап комплексной дисфункции нервной ткани. Процессы нейродегенерации ведут к гибели нейронов, входящих в определенные структуры центральной нервной системы (ЦНС), к разрыву связей между отделами ЦНС и дисбалансу в синтезе и выделении соответствующих нейромедиаторов. И как следствие, вызывают нарушения памяти, координации движений и мыслительных способностей человека. (Завалишина, 2009). Нейродегенерация является причиной возникновения нейродегенеративных заболеваний (НДЗ).

НДЗ - большая группа разнородных заболеваний нервной системы, в основе которых лежит процесс прогрессирующей гибели определенных групп нервных клеток и постепенно нарастающая атрофия соответствующих отделов головного и/или спинного мозга, сопровождающиеся когнитивными нарушениями. НДЗ человека развиваются в пожилом возрасте и сопровождаются прогрессивной потерей памяти (деменцией). К НДЗ относят такие заболевания, как болезни Альцгеймера (БА), Хантингтона (БХ) и Паркинсона (БП). БА, БХ, БП относят к болезням цитоскелета – кофилинопатиям (Bamburg, Bloom, 2009). Это утверждение основано на том, что образование кофилин-актиновых комплексов в нейронах регистрируется на ранних стадиях деменции (Bamburg, Zheng, 2010).

При нейродегенерации происходят существенные изменения в компонентах нейронального цитоскелета. Внутренний цитоскелет состоит из актина и других легко полимеризующихся белков. Актин имеет связь с мембранными белками и выполняет формообразующую и опорную функцию (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое изображение клеточной мембраны (по: Березов, Коровкин, 1998).

Цитоскелет создает внутреннюю структуру клеток, поддерживает их форму и выполняет важную транспортную функцию. Он участвует в переносе веществ, например, ферментов и других белков, которые синтезируются в теле клетки, к дендритам и аксональным окончаниям. Компоненты цитоскелета сами медленно двигаются от центра к периферии (Fu et al., 2015).

Актиновый цитоскелет обеспечивает функционирование Na⁺/K⁺-АТФазы, Na⁺/Ca²⁺-обменника, потенциал-независимых Na⁺ каналов, потенциал-зависимых Ca²⁺ каналов, NMDAR (рецептор глутамата, селективно связывающий N-метил-D-аспартат) и AMPAR (рецептор α-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовой кислоты) (Sheean et al., 2013). Оксидативный стресс приводит к накоплению Са²⁺ в клетке (Ruiz et al., 2014), вызывая АТФ-истощение.

Появление включений в нейритах при добавлении глутамата свидетельствует о зависимости формирования агрегатов от NMDAR. H₂O₂ и окись азота (NO) вызывают оксидативный стресс в нейронах за счет снижения синтеза ATФ в митохондриях. Хронически низкий уровень АТФ отмечается у пациентов с БХ (Sorolla et al., 2012). Дефицит АТФ при БХ приводит к изменению плотности шипиков дендритов, атрофии аксонов, что вызывает нейродегенерацию (Munsie et al., 2011).

Ремоделирование актина является АТФ-зависимым процессом, и для его поддержания клетка потребляет 50% от общего объема энергии в нейроне (Bernstein, Bamburg, 2003). Снижение уровня АТФ вызывает дефосфорилирование, активацию пула АДФ/кофилина и увеличение содержания АДФ-актина. При образовании актин-кофилиновых палочек происходит снижение интенсивности ремоделирования актина и сокращение потребления АТФ. Нейриты с «молодыми» актин-кофилиновыми палочками, по сравнению с нейритами без них, теряют АТФ с меньшей скоростью, нежели нейриты со «старыми» палочками (Bernstein et al., 2006).

Три основных компонента цитоскелета состоят из разных белков: микрофиламенты – в основном, из актина, микротрубочки - из тубулина, а нейрофиламенты - из нескольких белков. Также для установления связи между этими компонентами, с клеточной мембраной и экстрацеллюлярным матриксом необходимы еще и другие белки (Sunter et al., 2015).

Белок тау участвует в образовании связей между нейрофиламентами и микротрубочками. А скопления тау-белка участвуют в образовании патологических спирально извитых парных филаментов, которые формируют нейрофибриллярные клубки (НФК). Сопровождаются эти изменения образованием сенильных бляшек (СБ) – патологических скоплений бета-амилоида неправильной сферической формы, иногда с ядром в центре. В клетках выявлены сенильные бляшки двух разновидностей: с ядром, которые называют «зрелыми» (рис. 2), и без ядра, которые называют «простыми», а иногда «диффузными» (рис. 3).

Рис. 2. Зрелая бляшка (отмечена стрелками) в коре мозга пожилого субъекта, не страдавшего деменцией (х 200). Хорошо определяется ядро бляшки в центре и конденсация окружающих отростков нейронов, формирующих венец. Окраска серебром по Von Braunmuhl (по: Джекоби, Оппенгаймер, 2003).

Рис. 3. Простая, аргирофильная бляшка (отмечена стрелками) в коре мозга пациента, страдавшего БА (х 200). Заметен реактивный астроцитоз у края бляшки (направляющие концы стрелок). Окраска серебром по Von Braunmiihl (по: Джекоби, Оппенгаймер, 2003).

Сенильные бляшки в нормальном мозге распространены шире, чем НФК. Они обнаруживаются в новой коре (находящейся снаружи от гиппокампа и обонятельной коры), в миндалине, а также гиппокампе и обонятельной коре. Нерастворимые включения не влияют на жизнеспособность клетки, но перегораживают путь в отростки нейрона, разрушают микротрубочки, что приводит к дегенерации отростков. Этот механизм лежит в основе потери синапсов и нарушении синаптической пластичности, характерной для нейродегенерации, которая не сопровождается изменением числа нейронов (Minamide et al., 2000).

Определенных и общепризнанных различий между нормальным старением и БА в том, что касается числа и распределения СБ – нет. Однако, для высших психических функций особенно важны скопления бляшек с аномальным тау-положительными нейритическими компонентами. Они присутствуют в мозге и при нормальном старении, но лишь в небольших количествах. Критерии дифференцирования нормального старения и БА основаны на выявлении более многочисленных и нейритических СБ в новой коре при БА (Mirra et al., 1991).

В исследованиях на дрозофиле и мыши показано, что нейродегенерация, инициированная тау, ассоциирована с накоплением F-актина и формированием актин-кофилиновых комплексов. Актин-кофилиновые комплексы образуются при гиперактивации кофилина. Накапливаясь в аксонах и дендритах нейронов, они блокируют везикулярный транспорт (Stokin, Goldstein, 2006). Эти комплексы встречаются либо в виде оформленных палочек, либо агреосом или цитоплазматических паракристаллических сетей (телец Хирано). Следует иметь в виду, что четкой классификации актин-кофилиновых включений пока не сформулировано.

Другая аномалия цитоскелета, которая также активно проявляется при НДЗ, - образование телец Хирано. Тельца Хирано – эозинофильные палочковидные включения. Впервые они были описаны японским невропатологом Асао Хирано (Hirano et al., 1968). Длина телец от 20 до 30 мкм, диаметр составляет 6 мкм. На продольном срезе тельца Хирано имеют вид «палочки» (рис. 4).

Рис. 4. Тельце Хирано (стрелка) возле пирамидной нервной клетки в гиппокампе пациента, страдавшего БА (х 400). Окраска гематоксилином и эозином (по: Джекоби, Оппенгаймер, 2003).

Однако на поперечном срезе тельца Хирано выглядят округлыми. При большом увеличении видно, что часто они имеют полосчатую структуру. Также тельца Хирано, расположенные около или на месте погибших нейронов, нередко похожи на столбики эритроцитов в капиллярах (Завалишина, 2009). В состав телец Хирано входят актин, кофилин и АДФ (Maciver, Harrington, 1995). Они формируются при усилении сродства белка 34 кДа к актину и потери им чувствительности к регулирующему влиянию со стороны ионов Са²⁺ (Maselli et al., 2003).

Образование телец Хирано, сенильных бляшек, актин-кофилиновых палочек является причиной нарушения функционирования актинового цитоскелета. Несмотря на то, что причины агрегации данных образований различны, механизм действия схож, и влечет за собой процессы нейродегенераци.

Также ремоделирование актинового цитоскелета тесно связано с динамикой микротрубочек, которые определяют внутриклеточную локализацию органелл и их перемещение в цитоплазме в процессе функционирования. Микротрубочки являются компонентами сигнальной трансдукции (Gundersen, Cook, 2005). Агенты, разрушающие микротрубочки, стимулируют быструю сборку актиновых филаментов и фокальную адгезию. Координирует разборку микротрубочек и полимеризацию актиновых филаментов - LIM-киназа 1 (LIMK1). Поэтому, одним из основных контролёров состояния актина в клетке является сигнальный каскад ремоделирования актина, ключевым ферментом которого является LIMK1.