БИОХИМИЯ ФАКТОРА РОСТА НЕЙРОНОВ

I ВВЕДЕНИЕ

Общеизвестно, что мозг является управляющим органом, который интегрирует все процессы в живом организме. Данная функция мозга требует от него способности изменять жизнедеятельность организма, приспосабливая его к меняющимся условиям среды, что называется адаптацией.

Адаптация целого организма возможна за счет пластичности нервной системы. Впервые идея была высказана американским философом Уильямом Джеймсом в 1890 году. Затем польский физиолог Ежи Конорский сформулировал понятие нейропластичности как способности мозга и нервной системы в целом структурно и функционально изменяться, подвергаясь реорганизации в ответ на факторы внешней среды, в том числе, что очень важно с практической точки зрения, при повреждениях нервной системы.

Функции нейропластичности – адаптация, самоорганизация, компенсация и репарация в случае нарушения функций или структурного изменения, например, гибели нейронов. Основанный на пластичности процесс адаптации происходит в течение всей жизни в любой момент. Например: «Я сейчас говорю, я адаптируюсь, работает моя нейропластичность. Если я говорю связно, значит, видимо, с той частью нейропластичности, которая имеет отношение к когнитивной функции, у меня все в порядке».

Нейроны жизнеспособны только при наличии синаптических связей с другими нейронами. Они выживают только в сети. Одиночный нейрон не может выжить в одиночку – такого не бывает в организме. Следовательно, нейроны должны получать сигналы для выживания от соседних нейронов и соседних клеток.

Нейротрофины – это белки, регулирующие рост, развитие и выживание нейронов, и именно они являются дирижерами сигнальных процессов в мозге, осуществляют его настройку, в частности тонкую. Когнитивная функция – это всегда результат тонкой настройки к изменяющимся условиям среды.

Второе, о чем необходимо помнить в связи с понятием нейропластичности, – это то, что существует нейрогенез – важнейший процесс поддержания нейропластичности. И регулируется он нейротрофическими факторами. В процессе нейрогенеза возникают нейроны, а все нервные сети при развитии представляют собой новообразования нейронов.

II ЧТО ТАКОЕ ФАКТОР РОСТА НЕЙРОНОВ?

НТФ – это полипептидные соединения, которые синтезируются нейронами и клетками глии, участвуя в регуляции процессов роста, дифференцировки и обеспечения жизнеспособности нервной ткани [5].

Нейротрофины являются группой близкородственных полипептидов, контролирующих дифференцировку, выживание, функционирование, пластичность и гибель нейронов, как в центральной, так и в периферической нервной системе. К настоящему моменту у млекопитающих обнаружено четыре основных нейротрофических фактора – фактор роста нервов (nerve growth factor, NGF), нейротрофический фактор мозга (brain-derived neurotrophic factor, BDNF), нейротрофин-3 (NT-3) и нейротрофин-4 (NT-4). Наибольшее распространение в зрелом мозге имеют NGF и BDNF, в то время как концентрация NT-3 в ЦНС максимальна в ходе эмбрионального развития [3].

Поговорим о факторе роста нервов (NGF). Структура нейротрофина NGF, открытого Ритой Леви-Монтальчини, и второго нейротрофина из этой группы BDNF (brain-derived neurotrophic factor) довольно простая: это димер, 120 аминокислотных остатков, белок, две идентичные полипептидные цепи. Основной механизм действия осуществляется через рецепторы.  Он необходим для поддержания жизнеспособности нейронов, стимулирует рост и ветвление аксонов, предотвращает нейродегенерацию. NGF активно секретируется в ответ на воспаление и разрушение миелина. Для этого секретируемого белка характерно формирование цистинового узла – закрученных друг вокруг друга β-слоев, связанных тремя дисульфидными связями (отмечены серыми прямоугольниками) между остатками цистеина. Обычно встречается в димерной форме.

Рисунок 1. Фактор роста нервов (NGF)

а — Структура мономера. б — Структура димера. Широкие стрелки обозначают β-листы. в — Классы рецепторов (p75 и Trk), с которыми связывается NGF. Буквами обозначены домены рецепторов.

III КАК ОН РАБОТАЕТ?

В организме НТФ синтезируются клеткой мишенью, диффундируют по направлению к нейрону, связываются с молекулами рецепторов на его поверхности, что приводит к активному росту аксона (спрутингу) и ветвлению дендритов (арборизации). В результате аксон достигает клетки-мишени и устанавливает с ней синаптический контакт.

Исходно синтезируются незрелые формы, называемые про-нейротрофинами. Далее, часть про-нейротрофинов расщепляется протеазами, как внутри клетки, так и вне нее. Выброс зрелых и незрелых нейротрофинов во внеклеточную среду может быть конститутивным (преимущественно у глиальных клеток) или регулируемым (у нейронов).

НТФ могут действовать как локально, в пределах одной клеточной популяции, так и дистанционно, циркулируя с током крови в организме. С этим свойством НТФ связана различная степень нейроспецифичности полипептидов.

Некоторые нейротрофины (BDNF и NT4/5) синтезируются не только нейронами, но и другими тканями в организме. Но те, которые синтезируются преимущественно нейронами (прежде всего, в неокортексе и гиппокампе) и клетками астроглии (NGF, NT-3 и GDNF), имеют более выраженную нейроспецифичность.

Действие НТФ на нейрон осуществляется через контакт лиганд полипептидов и двумя видами рецепторов: тирозин-киназными рецепторами (Тrk-A, Тrk-B, Тrk-C), и с низкоаффинным рецептором p75.

В случае с тирозинкиназными рецепторами, нейротрофин подходит к рецептору снаружи, не входит в клетку, связывается с рецептором, и сигнал передается внутрь клетки. Тирозинкиназные рецепторы связывают нейротрофины, а внутри клетки обладают способностью фосфорилировать белки и активировать каскадные процессы, которые сигнализируют о выживании, о дифференцировке и делении клеток.

Рецепторы Trk запускают три метаболических каскада, обеспечивающих выживание нейронов и поддержание нормальной синоптической пластичности.

Каскад Ras/MAPK (белок саркомы крысы – активируемая митогенами протеинкиназа) контролирует дифференцировку нейронов и рост отростков через изменение интенсивности белкового синтеза и активности транскрипционных факторов.

Рисунок 2. Каскады, активируемые рецепторами семейства тропомиозинкиназ

Каскад PI3K/Akt (фосфатидилинозитол-3-киназа / протеин-киназа B) обеспечивает рост и выживание клеток, изменяя интенсивность белкового синтеза и непосредственно блокируя белки апоптотического каскада, приводящего к гибели клетки.

Каскад PLC-γ1/PKC (фосфолипаза C-γ1/протеин киназа C) модулирует синаптическую пластичность за счет мобилизации выхода Ca2+ из внутриклеточных резервуаров, фосфорилирования AMPA-рецепторов и потенциал-зависимых ионных каналов, а также изменения интенсивности синтеза белков, в т. ч. белков K-каналов. Этот каскад критически важен для индукции и для ранней фазы долговременной потенциации.

Все три каскада тесно связаны между собой и могут усиливать друг друга [3].

Но процесс взаимодействия НТФ с тирозинкиназными рецепторами недостаточно изучен, и данный вопрос остается дискутабельным: один нейротрофин может соединяться не только со специфичным для него рецептором, но и контактировать с другими типами тирокиназных рецепторов, осуществляя систему рецепторных перекрытий. Активность процесса перекрытий зависит и от этапа развития индивидуума (эмбриональный или пост-натальный период), и от состояния внутренней среды организма. Так, NT-3 активизирует Trk-C тирозинкиназный рецептор и низкоаффинный рецептор р75, но также может вторично контактировать и с другими тирозинкиназными рецепторами: Trk-А, Trk-В.

Возможно, что более расширенные рецепторные перекрытия связаны с активацией низкоаффинного рецептора p75, который не передает непосредственно сигнал от нейротрофинов, но способен повышать реактивность тирозинкиназных рецепторов для взаимодействия с лигандами НТФ.

Рецептор p75, названный так по молекулярной массе 75 килодальтонов, тоже трансмембранный, но совсем другой. Путем взаимодействия с р75NTR-рецептором нейротрофины могут индуцировать апоптоз, все остальные функции осуществляются путем взаимодействия с тирозинкиназными рецепторами.

В свою очередь, одним из факторов активации низкоаффинного рецептора p75 является синтез полипептидов, относящихся к факторам некроза опухоли (TNF), которые влияют на активность иммунной системы и отражают состояние гомеостаза организма. Данная группа рецепторов опосредует сигнал от ряда эндогенных веществ, включающих инсулин, эпидермальный фактор роста (EGF), тромбоцитарный фактор роста (platelet-derived growth factor – PDGF). Эти рецепторы сформированы одной полипептидной цепью, которая пронизывает цитоплазматическую мембрану, образуя три домена: лигандсвязываюший экстрацеллюлярный, трансмембранный и интрацеллюлярный. В случае контакта НТФ с рецептором происходит аллостерическое изменение тирозинкиназной активности в цитоплазматическом домене рецептора.

Рецептор p75NTR (нейротрофический рецептор p75, он же LNGFR – низкоафинный рецептор NGF) относится к семейству рецепторов фактора некроза опухоли. Он обладает низким сходством в отношении зрелых нейротрофинов, однако очень высок для про-нейротрофинов. p75NTR также контролирует три метаболических каскада.

Каскад NF-κB (ядерный фактор каппа B) активирует транскрипцию ядерных генов, связанных с иммунным ответом и клеточным циклом, оказывая положительное действие на нейроны.

Каскад C-jun-N-концевой киназы (JNK) запускает апоптоз, однако может быть заблокирован активными каскадами PI3K/Akt и/или MAPK рецепторов Trk.

Каскад RhoA (гомолог белка саркомы крысы А) приводит к нарушению синаптической передачи и уменьшению пластичности путем разрушения цитоскелета, нарушения аксонного тока и повреждения шипикового аппарата.

Итоговый характер воздействия трофических факторов на нейроны определяет соотношение активностей двух типов рецепторов. Активация одних лишь р75NTR ведет к гибели нейрона путем апоптотоза, но хотя бы минимальная коактивация р75NTR необходима для полной реализации положительного действия Trk-рецепторов [3].

В общем, процессы, протекающие при взаимодействии с рецепторами, выглядят так:

Сначала происходит перекрестное фосфорилирование множественных остатков тирозина двух рецепторных субъединиц внутри интрацеллюлярного домена. Этот процесс является сигналом к началу связывания других внутриклеточных белков, тирозиновые остатки которых фосфорилируются рецептором и таким образом активируются.

Специфичность клеточного ответа детерминируется специфичными для данной клетки комбинациями белков, которые присоединяются к рецепторам факторов роста. НТФ запускают механизм, который регулирует клеточный рост и дифференцировку посредством активации каскада протеинкиназ, известных как митогенактивируемые протеинкиназы (mitogen activated protein kinas –  MAP kinase pathway). Активация подобной цепи инициируется фосфорилированием тирозинов белка Grb2, содержащего SH2- и SНЗ-домены (sre homology region).

В итоге ряда каскадных реакций сигнал при помощи фосфорилируемой МАР-киназы проходит через ядерную мембрану, и в ядре фосфорилирует различные факторы транскрипции гена, изменяя их экспрессию. Возникающие изменения транскрипции гена инициируют процессы пролиферации, дифференцировки и поддержания жизнеспособности нейрона, что ведет к изменению функции клетки [5].

IV ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

Изучением NGF занимается наука нейрогенетика. Поэтому нельзя не упомянуть о генетических аспектах.

Ген NGF (OMIM 162030) расположен в локусе 1p13.2 первой хромосомы, состоит из трех экзонов и кодирует бета-субъединицу ФРН. Поскольку функции ФРН разнообразны, полиморфизм его гена может иметь различное фенотипическое проявление. В частности, в научной литературе описана мутация, приводящая к нарушению болевой и температурной чувствительности. У мышей, нокаутных по гену NGF, развиваются прогрессирующие нейродегенеративные процессы [2].

V ЗА ЧТО ЕЩЕ ОТВЕЧАЕТ ГЕН NGF (OMIM 162030)?

Фактор роста нервов (NGF) отвечает не только за функции нейропластичности. Также он выполняет функцию модуляции боли, связанной с остеоартритом (ОА).

Нарушения продукции данного фактора связывают со множеством болезней нервной системы, расстройствами пищевого поведения и даже атеросклерозом и диабетом II типа.

Хорошо известно, что течение целого ряда нейродегенеративных заболеваний, в том числе болезни Альцгеймера, сопровождается снижением синтеза и нарушением процессинга нейротрофических факторов.

При патологических условиях, таких как Болезнь Альцгеймера, травма или старение, несмотря на усиление секреции proNGF, нарушает его процессинг и продвижение, о чем свидетельствует накопление proNGF в гиппокампе и неокортексе на фоне его недостатка в базальных ганглиях, что усугубляет патологию за счет смещения баланса в сторону проапоптотического сигналинга proNGF через рецепторp75NTR.

Помимо нейронов ЦНС, NGF синтезируется астроцитами, эпителиальнымиклетками, фибробластами, лимфоцитамиимакрофагами. Известно, что NGF играет определенную роль в процессах иммунного ответа и нейровоспаления, что вполне вписывается в представления о его ведущей нейропротекторной роли в ЦНС, однако требует дальнейших исследований.

Также ФРН усиливает ангиогенез и повышает выживаемость клеток эндотелия.

В 2011 году вышла работа профессора университета в Павии (Италия) Энцо Эммануэль под названием «Фактор роста нервов и романтическая любовь» [1] где показано, что на ранней стадии интенсивной романтической любви у людей повышен уровень фактора роста нервов. Причем выявила четкую корреляцию между интенсивностью состояния влюбленности и уровнем фактора роста нервов в крови этих студентов.

VI ПЕРСПЕКТИВЫ В МЕДИЦИНЕ

 Нейротрофины семейства NGF давно рассматриваются в качестве перспективных терапевтических агентов, которые могут быть использованы для лечения различных невропатологий, включая болезни Альцгеймера и Паркинсона, рассеянного склероза и последствий травм.

Полученные результаты исследований позволяют считать маловероятным успешное применение нейротрофического фактора мозга, по крайней мере, для лечения болезни Альцгеймера.

Попытки использования NGF для замедления или прекращения развития разнообразных нейропатологий предпринимаются уже более 20 лет. Пока что старания ученых не слишком успешны, что, вероятнее всего, связано с несовершенством используемых методов доставки NGF к нейронам. Переход от простых инъекций к трансплантации геномодифицированных фибробластов ознаменовал крупный шаг вперед, однако наибольшего успеха можно ожидать от методик локальной вирусной трансдукции, позволяющих поднять концентрацию NGF в интересующих областях ЦНС при минимальных побочных эффектах [3].

VII ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Автором данной статьи выбрана тема фактора роста нейронов, поскольку его роль в работе нервной системы и организма в целом нельзя переоценить. Все процессы нейропластичности происходят благодаря фактору, упомянутому выше, и малейшие нарушения его структуры приводят к серьезным нейродегенеративным заболеваниям.

С точки зрения биохимии, при взаимодействии с рецепторами происходит множество каскадов специфических реакций, от которых зависит, как будет происходить транскрипция генов и дальнейшая судьба нейрона. Изучены эти механизмы не до конца, что представляет большой интерес для их дальнейших исследований.

Список литературы:

1. Гуляева Н. Факторы роста нервов. [Электронный ресурс]. –  Режим доступа:  https://postnauka.ru/video/86592 (дата обращения: 30.01.2024)
2. Зуева И.Б., Морошкина Н.В., Улитина А.С., Митупова М.М., Гораб Д.Н., Москаленко М.В., Дубина М.В. Влияние аллельных вариантов гена NGF (полиморфизм rs6330) на развитие когнитивного дефицита у больных с метаболическим синдромом [Электронный ресурс]. –  Режим доступа:   https://www.elibrary.ru/ip_restricted.asp?rpage=https%3A%2F%2Fwww%2Eelibrary%2Eru%2Fitem%2Easp%3Fid%3D19066705 (дата обращения: 03.02.2024)
3. Иванов А.Д.  Исследование протекторных свойств нейротрофинов при угнетении синаптической пластичности в гиппокампе бета-амилоидным пептидом: дисс. … канд. биол. наук. –  Москва: ФГБУН Институт Высшей Нервной Деятельности и Нейрофизиологии РАН, 2015.
4. Паевский А. Повелевающая ростом. [Электронный ресурс]. –  Режим доступа: https://biomolecula.ru/articles/povelevaiushchaia-rostom (дата обращения: 10.01.2024)
5. Соколова М.Г., Алексеева Т.М., Лобзин С.В., Демешонок В.С., Никишина О.А., Ульянова Н.В.. Нейротрофические факторы. Перспективы применения в клинической неврологии // Вестник северо-западного государственного медицинского университета им. И.И. Мечникова. –  Т. 6. –  № 3. – 2014. – С. 75–81.
6. Экспрессия [Электронный ресурс]. –  Режим доступа: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/4803#gene-expression (дата обращения: 03.02.2024)
7. [Электронный ресурс]. –  Режим доступа:  http://www.ihna.ru/files/conf/biochem/449.pdf (дата обращения: 28.01.2024)
8. [Электронный ресурс]. –  Режим доступа: http://old.medach.pro/wp-content/uploads/2016/06/IfMph9t_-Os.jpg (дата обращения: 29.01.2024)
9. Di acyl glycerol (DAG) activates protein Kinase C | DAG | PKC | G Protein. [Электронный ресурс]. –  Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=lsYBeFqEwzk (дата обращения: 09.01.2024)