Посещений:
РАЗВИТИЕ ГОЛОВНОГО МОЗГА



Роль окислительно-восстановительного потенциала

Redox-regulated brain development
Carsten Berndt, Christina Wilms, Marion Thauvin, Sophie Vriz
Oxidative Stress Eustress and Distress 2020, Pages 565-582 https://doi.org/10.1016/B978-0-12-818606-0.00028-6

Термин оксидативный стресс всё ещё связан с оксидативными повреждениями и болезнями. Недавно оксидативные стрессы были подразделены на oxidative distress (патологические ситуации) и oxidative eustress (физиологические состояния) (Sies, Berndt, & Jones, 2017). В то время как многие, если не все болезни ЦНС связаны с оксидативными дистрессами, оксидативные эвстрессы (eustress) играют центральную роль во время развития головного мозга.

Oxidative eustress and distress in the brain


Головной мозг сильно зависит от кислорода. Он вносит вклад приблизительно в 2% от веса тела человека, но происходит потребеление в 20% от поставляемого кислорода (Clarke & Sokoloff, 1999). Ишемический инсульт, отсутствие кислорода в течение 30 мин. приводит к потере 1.9 миллиона нейронов каждую минуту (Saver, 2006). Головной мозг очень чувствителен к оксидативному distress. Однако, эта чувствительность не объясняется простым предположением, что высокое потребление кислорода приводит к большому количеству reactive oxygen species (ROS). ROS образуются также во время специфических процессов, напр., при метаболизме нейротрансмиттеров. Дезаминирование базирующихся на аминах нейротрансмиттеров (dopamine, tyramine, tryptamine и noradrenaline) посредством monoamine oxidases продуцируется H2O2 во время каталитического цикла (Edmondson, 2014). Дезаминирование Tyramine, напр., приводит к формированию 1.6-nmol H2O2/min/mg белка в митохондриях нейронов (Hauptmann, Grimsby, Shih, et al., 1996). Некоторые нейротрансмиттеры (dopamine, serotonin и adrenaline) также способны к аутоокислению (autoxidize). 6-Hydroxydopamine-зависимые реакции приводят к поышению поличества H2O2, O2-. и OH. (Cobley, Fiorello, & Bailey, 2018). Две др. молекулы, важные для сигнальной трансдукции, также могут нарушать redox гомеостаз, calcium (Gorlach, Bertram, Hudecova, et al., 2015) и glutamate (Cobley et al., 2018). Более того, лишь нейроны обладают минорной эндогенной антиоксидативной способностью. Они содержат почти половину от концентрации glutathione (GSH) по сравнению с др. типами клеток, это может отражаться на активности GSH-зависимых энзимов, таких как glutathione peroxidase 4 (GPx4). Вместе с высокими количествами железа (Halliwell, 1992), пониженная активность GPx4 может объяснить чувствительность нейронов к ferroptosis (Gascon, Murenu, Masserdotti, et al., 2016). Все эти причины вместе вносят вклад в высокую ранимость головного мозга оксидативными дистрессами. Поэтому, многие нейрологические дефициты связаны с оксидативными повреждениями: нейродегенерацией, воспалением нейронов и психиатрическими нарушениями. Оксдативный дистресс является общим признаком при всех нейродегенеративных болезнях. Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) нейродегенеративной болезнью, затрагивающей двигательные нейроны. У 20% пациентов, ALS вызывается мутациями superoxide dismutase 1 (SOD1). Некоторые мутации в соотв. гене были описаны, все они приводят к дальнейшему снижению ферментативной антиоксидантной способности нейронов. Др. нейродегенеративной болезнью, частично зависимой от мутаций, является болезнь Паркинсона. Здесь несколько разных мутантных белков, напр., α-synuclein, DJ-1 или PINK, приводящие к оксидативным дистрессам и к потере dopaminergic нейронов. Дисфункция митохондрий является основой, подлежащего механизма эпилептических припадков. Недавно, потеря parvalbumin позитивных нейронов после ferroptosis была описана как причина, вызывающая эпилепсию (Ingold, Berndt, Schmitt, et al., 2018). Нейровоспалительные болезни, подобные множественному склерозу, индуцируются с помощью оксидативных и nitrosative повреждений олигодендроцитов, миелинизирующих клеток ЦНС, за счет высвобождения nitric oxide активированной микроглией, иммунными клетками ЦНС (Trapp, 2004). Олигодендроциты особенно ранимы peroxynitrite, образующимся при реакции между nitric oxide и superoxide (Jack, Antel, Br?ck, et al., 2007), и защищены от воспалительных повреждений, если формирование peroxynitrite подавлено (Lepka, Volbracht, Bill, et al., 2017). До 50% пациентов с множественным склерозом обнаруживают депрессивные симптомы. Конечно, главные депрессивные нарушения и множественный склероз имеют множество перекрывающихся признаков, включая хронические оксидативные и nitrosative стрессы (Morris, Puri, Walder, et al., 2018). Соотв., шизофрения также связана с redox дисбалансом (Maas, Vall?s, & Martens, 2017).
Следующими повреждениями, возникающими в головном мозге взрослых и стариков, является онтогенетическая неспособность, также связанная с оксидативными повреждениями. Осложнения, такие как ретролетальная фиброплазия (retinopathy of prematurity), точечные повреждения белого вещества, некротизирующий энтероколит, кровоизлияния в желудочки головного мозга или periventricular leukomalacia связаны с оксидативными дистрессами (Ozsurekci & Aykac, 2016). Несмотря на это, оксидативные eustress являются важными двигателями процессов, регулирующих собственно развитие головного мозга.

Brain development


Фундаментальные процессы развития головного мозга, по-видимому, сходны у всех позвоночных. Во время раннего эмбрионального развития нервная пластинка превращается в нервную трубку, которая увеличивается, образуя три первичных мозговых пузыря вдоль передне-задней оси: пузыри переднего, среднего и заднего мозга, которые превращаются в 5 вторичных пузырей у взрослых (Fitzgerald, Gruener, & Mtui, 2012). Стенка нервной трубки состоит из быстро делящихся нейрональных стволовых клеток, которые дифференцируются в нейроны, олигодендроциты и астроциты. Эти клетки мигрируют в разные части развивающегося головного мозга и формируют локальные circuits в ходе независимых от активности, генетически закодированных процессов, в то же время некоторые из них элиминируются с помощью тонко регулируемой клеточной гибели (Bear et al., 2015, Gilbert, 2014). Как только такие локальные circuits оказываются сформированными, то сенсорные восприятия должны будут постоянно очищать зарождающиеся нейрональные circuits посредством активности нейронов и формирования и деградации синапсов, процессов, которые испытывают влияние со стороны внешней среды на разных уровнях (внутриклеточный метаболизм, внутренняя среда или вся организация окружения). Все процессы, вносящие вклад в развитие головного мозга, от пролиферации нейральных стволовых клеток, жизнеспособности и дифференцировки; до поляризации нейронов, выростов аксонов, формирования синапсов и стабилизации; вплоть о продукции миелина и взаимодействий между глией и нейронами, все оказываются redox регулируемыми. Здесь мы сконцентрируемся на роли H2O2 и оксиредуктазах из семейства thioredoxin и их влиянии на разные аспекты развития головного мозга.

H2O2 signaling during development of the nervous system


Развитие любого многоклеточного организма зависит от комплекса взаимодействий фундаментальных клеточных процессов, таких как пролиферация, дифференцировка, миграция и апоптоз. Клеточный redox статус играет существенную роль во всех этих процессах , а значит и в эмбриональном развитии (Covarrubias, Hernandez-Garcia, Schnabel, et al., 2008; Dennery, 2010). В самом деле, баланс redox регулирует дифференцировку нейральных предшественников, гибель постмитотических нейронов во время развития и функцию нейронов. Важно понять, как redox сигналы продуцируются и интерпретируются в развивающейся нервной системе.

H2O2 production in physiological situations


H2O2, как полагают, является основным вторичным мессенджером, участвующим в путях передачи сигналов redox (see also Toledano's chapter in this book). Основными источниками H2O2 являются митохондриальная респираторная цепь и NADPH oxidases (NOXs) (Holmstrem & Finkel, 2014), а NOX комплексы являются основными продуцентами O2-. затем и H2O2 в ЦНС (Rastogi, Geng, Li, et al., 2016). NOXs являются трансмембранными белками, которые используют цитозольный NADPH d качестве донора электронов и принадлежат к мультикомпонентным комплексам, которые генерируют внеклеточный или O2-. (NOX 1, 2, 3 и 5) или H2O2 (NOX 4, DUOX 1 и DUOX 2) после соотв. стимуляции, напр., ростовыми факторами и цитокинами (Bedard & Krause, 2007; Brandes, Weissmann, & Schroder, 2014). Даже если первичным продуктом активности NOX является O2-., то он в и непосредственно трансформируется в H2O2 с помощью SOD, физически ассоциированной с NOX (see Petersen's chapter in this book), или он dismutates спонтанно при низких pH уровнях. H2O2 получает доступ к цитозолю путем пересечения плазматической мембраны посредством aquaporin каналов (Bertolotti, Farinelli, Galli, et al., 2016; Bienert & Chaumont, 2014; Miller, Dickinson, & Chang, 2010).
Некоторые NOXs (e.g., NOX2) обнаруживают очень широкое распределение, тогда как др. (напр., NOX3, DUOX 1 и DUOX 2) обнаруживают более ограниченное распределение, но члены семейства NOX экспрессируются в большинстве частей (мозжечок, гиппокамп или кора) и типах клеток (нейроны, астроциты и микроглия) ЦНС (Bedard & Krause, 2007; Katsuyama, 2010; Weaver, Leung, & Suter, 2016; Wilson, Mu?oz-Palma, & Gonz?lez-Billault, 2018). Хотя установлено, что NOX2 участвует в нейрогенезе в субвентрикулярной зоне (Le Belle, Orozco, Paucar, et al., 2011), мы всё ещё лишены детальной картины соотв. пространственно-временных паттернов разных NOX активностей во время развития in vivo. Однако, на разных клеточных моделях нейрональной дифференцировки, активность NOX ассоциирована с индукцией дифференцировки: PC12 клетки (Suzukawa, Miura, Mitsushita, et al., 2000), SH-SY5Y клетки (Nitti, Furfaro, Cevasco, et al., 2010), P19 клетки (Kennedy, Ostrakhovitch, Sandiford, et al., 2010), и первичные культуры гранулярных нейронов мозжечка (Olgu?n-Albuerne & Mor?n, 2015). Более того, активность NOX контролируется с помощью нескольких регуляторов развития головного мозга, напр., цитокинов, neurotrophins, fibroblast growth factor (FGF), platelet-derived growth factor (PDGF) и epidermal growth factor (EGF) (Rhee, 2006; Suzukawa et al., 2000). NOX2 активность, главного NOX, обнаруживается в нейронах, это зависит также от рекрутирования в мембраны цитоплазматических субъединиц, включая Rac (Rastogi et al., 2016; Wilson, Terman, Gonz?lez-Billault, et al., 2016b). Заслуживает внимания то, что в контексте регенерации, по крайней мере, NOX2 комплексы могут также передаваться между клетками посредством экзосом (Hervera, De Virgiliis, Palmisano, et al., 2018). Пока неясно, какая физиологическая продукция H2O2 является наиболее обильной, очень динамичной и крайне важной для развития нервной системы (Gauron, Meda, Dupont, et al., 2016; Meda, Rampon, Dupont, et al., 2018; Rampon, Volovitch, Joliot, et al., 2018; Weaver, Terzi, Roeder, et al., 2018; Wilson et al., 2018; Wilson & Gonz?lez-Billault, 2015).

Redox regulation of neurogenesis


Сегодня хорошо известно, что стволовые клетки и клетки предшественники обнаруживают более высокие уровни H2O2, чем дифференцированные клетки (Bigarella, Liang, & Ghaffari, 2014; Hernandez-Garcia, Wood, Castro-Obreg?n, et al., 2010; Rampon et al., 2018; Timme-Laragy, Hahn, Hansen, et al., 2018; Yeo, Lyssiotis, Zhang, et al., 2013) и во время эмбрионального развития детерминация клеток осуществляется по мере снижения уровней H2O2 (Fig. 1A) (Gauron et al., 2016). Напротив, клеточная дедифференцировка во время регенерации у взрослых возможна, благодаря временному усовершенствованию уровня H2O2 (Rampon et al., 2018; Zhou, Meng, Li, et al., 2016). Эти процессы целиком зависят от функции хроматина. Чувствительные к Redox транскрипционные факторы впервые были идентифицированы в контексте оксидативных дистрессов (связанных с воспалением, раком или гипоксией), наилучшими примерами являются NRF2, NFkB, AP1 и HIF1, и они, как было установлено, впоследстии также играют роль в физиологических ситуациях под контролем передачи сигналов redox (Marinho, Real, Cyrne, et al., 2014; Prozorovski, Schneider, Berndt, et al., 2015; Wilson et al., 2018; Wilson & Gonz?lez-Billault, 2015). Транскрипционные факторы, обеспечивающие стволовость, также обнаруживают регуляцию с помощью redox, напр., Oct белки и точнее Oct 4 (Covarrubias et al., 2008). Кроме того, оксидативные eustress могут влиять на экспрессию генов путем модулирования различных аспектов эпигенетической машинерии и архитектуры ядра (Fig. 1B).



Fig. 1. H2O2 levels during retinal development and neurogenesis. (A) H2O2 levels change in relation to retinal development revealed by the reporter line Tg(ubi:HyPer). The H2O2 levels are inferred from the YFP500/YFP420 excitation ratio of HyPer. HyPer imaging in the brain at 24 hpf shows homogeneous high levels of H2O2 throughout the proliferative epithelium. At 32 hpf, optical section of a Tg(ubi:HyPer) retina shows a lowering in H2O2 content in the central part of the tissue and remains high in the ciliary marginal zone (CMZ). (B) H2O2 level modifications during neurogenesis lead to different nuclear responses according to the range of modification. Neural cell differentiation is accompanied by several features developed in the text.

Три основные группы белков контролируют основные эпигенетические механизмы целенаправленного воздействия на ДНК, гистоны и позиционирование нуклеосом: DNA methyl transferases (DNMT) и demethylases, модификаторы гистонов (histone acetyl transferases [HAT], histone methyl transferases [HMT], histone deacetylases [HDAC], histone demethylases [HDM]) и преобразователи хроматина (SWI/SFN, ISWI, CHRD, INO80, etc.), часто испытывающие влияния со стороны некодирующих РНК (Goldberg, Allis, & Bernstein, 2007; Han & Chang, 2015; Saxena & Carninci, 2011; Tessarz & Kouzarides, 2014). Первая связь между ROS и эпигенетической регуляцией выявлена в области исследования рака. Было продемонстрировано, что увеличение уровней ROS модифицирует метки метилирования ДНК, при этом наблюдаются гиперметилирование промоторов генов опухолевых супрессоров и глобальное гипометилирование ДНК (Chen, Wang, & Shen, 2012), а также гистоновые модификации путем регуляции HDAC (Calonghi, Cappadone, Pagnotta, et al., 2005).
У млекопитающих 5-hydroxymethylcytosine может быть получен с помощью окисления 5-methylcytosine и часто является промежуточной формой деметилирования цитозина (Lamadema, Burr, & Brewer, 2019). Глобальные уровни 5hmC снижаются во время дифференцировки эмбриональных стволовых клеток (ESCs) в направлении судьбы нейроэктодермы, тогда как обогащение 5hmC в теле гена транскрипционно активных генов идентифицируется в клетках нейральных предшественников (NPCs) (Kim, Park, et al., 2014). Реакции, катализируемые с помощью methylcytosine oxidase ten-eleven translocation (TET) белков, важны для нейроэктодермальной спецификации (Wu, Li, & Xie, 2018). В целом временное окисление 5-methylcytosine открывает дверь для открытия локального и динамического хроматина, участвующего как в клеточном репрограммировании, так и в гомеостатической модуляции клеточных функций.
Ацетилирование гистонов, которое катализируется с помощью HATs, повышает доступность для связывания транскрипционных факторов, тогда как деацетилирование гистонов, катализируемое с помощью HDACs, в целом репрессирует транскрипцию генов, способствуя гибкости ДНК и тем самым ограничивая доступ к транскрипционным фактором. Оба типа энзимов являются предметом redox регуляции во время дифференцировки нейрональных клеток (Jansch, Meyners, Muth, et al., 2019; Parolin, Calonghi, Presta, et al., 2012). HDAC1 непосредственно ингибируется с помощью 9-hydroxystearic acid (9-HSA), это базируется на lipid peroxidation и зависит от redox состояния клеток (Parolin et al., 2012). Было продемонстрировано, что снижение H2O2, наблюдаемое во время дифференцировки клеток ретинальных предшественников (RGC) является важным для регуляции HDAC1 посредством 9-HSA и делает возможной экспрессию генов нейрональной дифференцировки in vivo (Albadri et al., 2019). Как пониженные уровни H2O2 с помощью избыточной экспрессии catalase так и модуляции концентраций 9-HSA с помощью прямых инъекций в сетчатку нарушают активность HDAC1 и процесс дифференцировки RGC у рыбок данио (Albadri et al., 2019).
Помимо непосредственной регуляции генов, участвующих в дифференцировке, ремоделирование хроматина участвует в активации ретротранспозонов. Среди транспозонов, особое внимание обращает long interspersed element 1 (LINE-1, L1). Транспозиция L1 является молекулярным a copy-and-paste процессом, во время которого мРНК матрица транскрибируется обратным образом и интегрируется в геном хозяина, тем самым дуплицируя последовательность донорской ДНК, с которой транскрибируется мРНК (Boeke, Garfinkel, Styles, et al., 1985). Этот феномен не зависит от регуляции промотора L1, который ингибируется с помощью метилирования его CpG островков (Bourc'his & Bestor, 2004; Coufal, Garcia-Perez, Peng, et al., 2009; Thayer, Singer, & Fanning, 1993). Новая инсерция с помощью ретротранспозиции может воздействовать на экспрессию соседних генов путем инсерции сайтов связывания транскрипционных факторов или путем генерации новых сплайс-сайтов, скрытых промоторов или сигналов аденилирования, всё это чувствительно к модификации генной экспрессии. Высокие уровни H2O2, обнаруживаемые в нейральных предшественниках, активируют L1 элемент, который распространен по геному (Blaudin de The, Rekaik, Peze-Heidsieck, et al., 2018). Одним из наиболее интересных результатов нейробиологии последней декады стала демонстрация, что ретротранспозиция L1 в эмбрион и вовремя нейрогенеза у взрослых приводит к соматическому геномному мозаицизму в нейронах (Faulkner & Garcia-Perez, 2017). Значение этото мозаицизма пока ещё до конца не понято. Многие инсерции L1, скорее всего, вредны для клеток, но транспозиция L1, сопровождаемая Дарвиновским соматическим отбором, может генерировать селективные преимущества для жизнеспособных нейронов (Bodea, McKelvey, & Faulkner, 2018; Singer, McConnell, Marchetto, et al., 2010), дальнейшего улучшения разнообразия среди нейронов и создания новых свойств в соотв. средовыми изменениями. Недавно было проиллюстрировано, что транспозиции L1 при селективных средовых изменениях могут служить адаптациями у золотых рыбок (Chen, Yu, Chu, et al., 2017), могут отражаться на материнском уходе за мышатами (Bedrosian, Quayle, Novaresi, et al., 2018), или стимулировать реакции на опиоидные рецепторы в нейробластах человека (Trivedi, Shah, Hodgson, et al., 2014).
Promyelocytic leukemia nuclear bodies (PML NBs) - это сферические лишенные мембран домены, которые собираются в ядре после увеличения H2O2 (Lallemand-Breitenbach & de The, 2018). Впревые идентифицированные благодаря своей дезорганизации при acute promyelocytic leukemia (APL), они в основном состоят из PML белков и участвуют в пост-трасляционных модификациях после оксидативных стрессов и во время эмбрионального развития, особенно во время нейрогенеза. В самом деле, PML NBs многочисленны в стволовых клетках во время эмбрионального развития и их количество снижается после дифференцировки (Niwa-Kawakita, Wu, de The, et al., 2018). Роль PML NBs в активации p53 и PRB хоршо известна (Ahmed, Wan, Mitxitorena, et al., 2017; Salomoni, Ferguson, Wyllie, et al., 2008), и пополняет всё увеличивающийся список транскрипционных факторов или модификаторов хроматина, которые могут быть модифицированы в PML NBs (Lallemand-Breitenbach & de The, 2018). Эти ядерные тельца, по-видимому, являются факториями для модификаций белков после внешнесредовых изменений или в ходе детерминации клеточных клонов (Korb & Finkbeiner, 2013). PML вносят вклад в самообновление и подержание ESCs путем контроля клеточного цикла и поддержки экспрессии критических факторов плюрипотентности (Korb & Finkbeiner, 2013). Более того, NPCs неспособны дифференцироваться у PML нокаутных мышей, что приводит к небольшому размеру головного мозга (Regad, Bellodi, Nicotera, et al., 2009).

Redox regulation of postmitotic neuronal development


Физиологические уровни H2O2, как было установлено, участвуют на всех ступенях постмитотического развития нейронов, от поляризации до созревания (Wilson et al., 2018; Wilson & Gonz?lez-Billault, 2015). Поляризация - это стереотипический многосбупенчатый процесс, приводящий к становлению сомато-дендритного и аксонального компартментов. Созревание наступает, когда перемещение ростового конуса нейрона достигает своей мишени, это сопровождается становлением и усовершенствованием соединений. Фармакологические воздействия, генетическое устранение или генетическая избыточная экспрессия субъединиц NOX, как было установлено, корректирует баланс уровней H2O2, необходимый для становления полярности нейронов, вырастания нейритов или спецификации аксонов в нейронах гиппокампа грызунов, гранулярных клетках мозжечка и для aplysia bag нейронов (Munnamalai, Weaver, Weisheit, et al., 2014; Olguin-Albuerne & Mor?n, 2015; Wilson & Gonzalez-Billault, 2015; Wilson, Munoz-Palma, Henriquez, et al., 2016a).
Функция нейронов зависит от из связей посредством синапсов. Такие связи устанавливаются во время развития с помощью процесса, наз. обрезкой нейронов, т.е. элиминации нежелательных и неиспользуемых соединений. Недавняя гипотеза связала формирование митохондриальных O2-. и H2O2 c обрезкой нейронов. Эта гипотеза базируется на наблюдении, что O2-. и H2O2 блокируют активность синапсов и что эти инактивированные синапсы устраняются (Sidlauskaite, Gibson, Megson, et al., 2018).
Среди большого количества потенциальных мишеней для передачи сигналов H2O2 во время постмитотического развития нейронов, наиболее очевидные и изученные примеры это части цитоскелета. Хорошо известно, что динамика микрофиламент и микротрубочек регулируется с помощью оксидативных видов и redox энзимов, базируясь на окислении специфических остатков актина и тубулина, высоко чувствительных к окислению, приводя к модификации их свойств (Gellert, Hanschmann, Lepka, et al., 2015; Wilson & Gonz?lez-Billault, 2015; Wilson, Terman, et al., 2016b). Более того, большое количество регуляторных партнеров актина и тубулина сами по себе являются предметом redox регуляции. Прямое окисление актина может быть достигнуто в нервных клетках с помощью flavin-содержащих monooxygenases, молекул, взаимодействующих с CasL (MICAL) семейством (первоначально идентифицированным как партнеры по связыванию с трансмембранным направляющим рецептором plexin), приводя к разделению актиновых филамент и коллапсу ростового конуса. Регуляторное значение этих находок подчеркивается обратимостью окисления актина с помощью MICAL (посредством активности deoxidizing энзимов типа SelR). Но белки MICAL могут также модифицировать динамику актиновых филамент косвенно, способствуя общению между ними и промежуточными филаментами посредством взаимодействия с белками семейства Cas. MICAL1 также вмешивается в участие Par3/Par6/aPKC комплекса в становлении полярности нейронов путем ингибирования киназ семейства NDR family. Косвенные модификации микротрубочек также достигаются с помощью целенаправленного воздействия redox на ассоциированные с микротрубочками белки, особенно MAP1B, MAP2, Tau и collapsin response mediator protein 2 (CRMP2) .

Enzymatic regulation of oxidative eustress in the brain


Специфические redox сигнальные события обеспечиваются с помощью обратимых оксидативных модификаций thiol групп белков (Jones, 2006). Ключевыми игроками по контролю состояния redox этих тиоловых групп являются oxidoreductases thioredoxin (Trx, Fig. 2A) (Arn?r & Holmgren, 2000) и glutaredoxin (Grx, Fig. 2B) (Lillig & Berndt, 2013). Млекопитающие кодируют два Trxs, один в цитозоле (Trx1) и один в митохондриях (Trx2), и два glutaredoxins, действующих как oxidoreductases, обе локализованы в цитозоле (Grx1 и Grx2) и митохондриях (Grx2) (Hanschmann, Godoy, Berndt, et al., 2013). Более того, некоторые peroxiredoxins (Prxs) присутствуют в клетках млекопитающих (Fig. 2C) (Hanschmann et al., 2013).



Fig. 2. Activities of oxidoreductases of the thioredoxin family affect axonal outgrowth. (A) Thioredoxins (Trx) reduce persulfidated (1) and nitrosylated (2) cysteine residues, as well as disulfides (3). Oxidized Trx is reduced by thioredoxin reductase (TrxR). (B) Glutaredoxins (Grx) reduce disulfides (1) and glutathionylated cysteine residues (2). Oxidized Grx is reduced by glutathione (GSH). (C) 2-Cys-peroxiredoxins (Prx) reduce peroxides (here hydrogen peroxide, H2O2). Formation of a sulfenic acid at the peroxidatic cysteine (Sp) can lead to the formation of an inter- or intramolecular disulfide with the resolving cysteine (Sr), which is reduced by Trx (1). The sulfenic acid at Sp in 1-Cys-Prxs is reduced by GSH. Sulfenic acids can be further oxidized to sulfinic (2) and sulfonic acid (3). Sulfinic acid is recovered by sulfiredoxin (Srx). (D) Collapsin response mediator protein 2 (CRMP2) is oxidized via active semaphorin 3a signaling leading to growth cone collapse. Both Trx1 and Grx2 are able to reduce the disulfide connecting cysteines 504. This induces conformational changes allowing phosphorylation of CRMP2 and axonal outgrowth.

Транскрипция Grx1 и митохондриального и цитозольного Grx2 была продемонстрирована в раннем эмбриогенезе мышей (Jurado, Prieto-Alamo, Madrid-R?squez, et al., 2003), а Grx2 также экспрессируется повсеместно в ходе первых 24 ч развития рыбок данио, когда все крупные органы, включая головной мозг, сформированы (Kimmel, Ballard, Kimmel, et al., 1995). Bräutigam et al. продемонстировали, что развития эмбрионального головного мозга зависит от ферментативной активности Grx2 (Bräutigam, Schütte, Godoy, et al., 2011). Рыбки данио с замалчиваемой экспрессией Grx2 фактически теряют все типы нейронов за счет апоптической клеточной гибели и способность к развитию каркаса аксона, это сильно нарушает движения эмбрионов. Рост и наведение аксонов строго зависит от динамических модификаций актина и тубулина, существенных компонентов цитоскелета, которые регулируются с помощью системы GSH/Grx (Gellert et al., 2015). Для становления аксонального каркаса одним из наиболее важных сигнальных путей является путь semaphorin (Fiore & P?schel, 2003). Управление ростом аксона нуждается в связывании semaphorin 3A (Sema3A) с рецепторной парой neuropilin-1/plexin3A. Впоследствии, plexin3A передает сигналы посредством MICAL к CRMP2, который вызывает коллапс ростового конуса (Zhou, Gunput, & Pasterkamp, 2008). CRMP2 является существенным во время развития головного мозга (Charrier, Reibel, Rogemond, et al., 2003), он сильно законсервирован среди видов позвоночных (Schweitzer, Becker, Schachner, et al., 2005), и контролирует ветвление и наведение аксонов и количества нейритов (Ip, Fu, & Ip, 2014). В развивающихся эмбрионах рыбок данио CRMP2 экспрессируется в крупных кластерах нервов, особенно когда происходит формирование сети нейронов (Christie, Starovic-Subota, & Childs, 2006). Grx2 контролирует вырост аксона посредством thiol redox регуляции CRMP2, как это продемонстрировано на рыбках данио и человеческой клеточной модели нейрональной дифференцировки (Fig. 2D) (Bräutigam et al., 2011). У млекопитающих Grx2 редуцирует дисульфидные мостики между цистеинами 504, которые стабилизируют CRMP2 тетрамер (Möler, Gellert, Langel, et al., 2017). Уменьшение этих дисульфидов приводит к структурным изменениям, делающими возможным фосфорилирование и затем вырост аксона (Gellert, Venz, Mitlöhner, et al., 2013; Möller et al., 2017; Schmidt & Strittmatter, 2007).
Др. redox система в клетках, используемая для контроля клеточного баланса redox balance, это система Trx, представленная цитозольным (Trx1) и митохондриальным (Trx2) thioredoxins и selenoenzymes thioredoxin reductases (TrxR) 1 и 2 (Arner & Holmgren, 2000). Гистопатологический анализ TrxR1 нулевого головного мозга показал значительную мозжечковую гипоплазию долей I-VI (Soerensen, Jakupoglu, Beck, et al., 2008). Соотв. foliation нуждается в сложной серии онтогенетических ступеней, которые хорошо скоординированы и интимно связаны (Sotelo, 2004), включая пролиферацию или гибель гранулярных клеток (Wahlsten & Andison, 1991), миграцию вдоль волокон Bergmann глии (Ackerman, Kozak, Przyborski, et al., 1997), и выросты PC дендритов (Soerensen et al., 2008). Поскольку количества предшественников митотических гранулярных клеток редуцируются, но увеличения гибели клеток не наблюдается, основной дефект, лежащий в основе гипоплазии мозжечка, вызываемый нокаутом TrxR1, может возникать в результате сгижения пролиферации гранулярных клеток, движущей силы роста мозжечка и foliation (Soerensen et al., 2008). В головном мозге крыс регионы с высокими энергетическими потребностями и высокой активностью, которые используют redox-reactive метаболиты, включая substantia nigra и субталамическое ядро, обнаруживаются высокие уровни мРНК Trx1 (Silva-Adaya, Gonsebatt, & Guevara, 2014). В то время как область C1 фораимрования гиппокампа обнаруживает очень низкую экспрессию, область CA2/CA3 и dental gyrus гиппокампа обнаруживают более сильную экспрессию (Lippoldt, Padilla, Gerst, et al., 1995). Godoy et al. описали иммунореактивность Trx1 в слое клеток Пуркинье крыс, моторных нейронах спинного мозга, слое эпендимных клеток и клетках хороидного сплетения. TrxR1 обильно экспрессируется в глиальных клетках белого вещества мозжечка в противоположность Trx1. Тогда как экспрессия TrxR2 была обнаружена в телах клеток нейронов в слоях клеток Пуркинье и молекулярного клеточного слоя мозжечка, Trx2 присутствует в волокнах аксонов коры головного мозга, striatum, белом веществе мозжечка и спинном мозге (Godoy, Funke, Ackermann, et al., 2011). Благодаря пост-транскрипционной регуляции, локализация мРНК и белков Trxs может отличаться в некоторых регионах, таких как гиппокамп (Silva-Adaya et al., 2014). Более того, было показано, что у крыс экспрессия Trx1 и Trx2 expression происходит преимущественно в нейронах головного мозга (Lippoldt et al., 1995; Rybnikova, Damdimopoulos, Gustafsson, et al., 2000), тогда как уровни TrxRs белка оказываются более высокими в глиальных клетках, чем в нейронах (Rozell, Hansson, Luthman, et al., 1985; Rubartelli, Bajetto, Allavena, et al., 1992). Нокаут или Trx1 или Trx2 у мышей приводит к летальности в раннем эмбриогенезе (Silva-Adaya et al., 2014). Более того, дефицит Trx2 in vivo и in vitro увеличивает клеточные ROS, апоптоз, энцефалию и раннюю эмбриональную летальность (Nonn, Williams, Erickson, et al., 2003; Tanaka, Hosoi, Yamaguchi-Iwai, et al., 2002), демонстрируя, что обе изоформы Trx аигрют важные роль в дифференцировке, пролиферации и жизнеспособности нейронов. Trx1 способствует действию nerve growth factor (NGF), нейротрофного фактора, существенного для развития и содействия жизнеспособности и функции ЦНС (Huang & Reichardt, 2001). С др. стороны, NGF вызывает транскрипцию Trx1 посредством cyclic AMP-responsive element (CREB). Др. важным сигнальным путем, регулируемым с помощью Trx1, является путь PTEN/P13K/AKT. Посредством инактивации phosphatase и tensin homolog (PTEN), Trx1 активирует протеин киназу B AKT (Meuillet, Mahadevan, Berggren, et al., 2004), медиатор пролиферации и жизнеспособности NPCs (Groszer, Erickson, Scripture-Adams, et al., 2001). Finally, Trx1 также способен редуцировать окисленные CRMP2, чтобы способствовать выросту аксонов (Fig. 1D) (Morinaka, Yamada, Itofusa, et al., 2011). В терминах регенерации использование Trx1 у мышей способствует нейрогенезу после инсультов (Tian, Nie, Zhang, et al., 2014; Zhou, Liu, Ying, et al., 2013).
Третья redox система, играющая роль в клеточном балансе redox во время развития головного мозга является система Prx. Млекопитающие экспрессируют 6 изоформ Prxs (Prxs 1-6), которые снижают различного типа peroxides (Trujillo, Ferrer-Sueta, Thomson, et al., 2007). В качестве повсеместных энзимов, Prxs обнаруживают особенно широкое распределение в субклеточных компартментах. Все изоформы присутствуют в цитозоле и при определенных условиях наблюдались и в ядре, за исключением Prx3 и Prx4 (Oberley, Verwiebe, Zhong, et al., 2001). Prx3 нацелен на митохондрии, тогда как Prx5 целенаправленно воздействует на пероксисомы и митохондрии. Prx4 является единственной изоформой, присутствующей в эндоплазматическом ретикулуме и он секретируется (Rhee, Chae, & Kim, 2005). В противовес их сходному распределению каждый Prx обладает уникальным паттерном онтогенетической экспрессии. В то время как экспрессия Prx1 увеличивается в ходе поздней беременности, с наивысшим уровнем экспрессии на первый день, экспрессия Prx2 остается в основном неизменной. Напротив, экспрессия Prx6 постоянно увеличивается в ходе развития (Shim, Kim, Kim, et al., 2012). Goemaere et al. , использовали иммунохимию, чтобы картировать основную экспрессию Prxs во всем головном мозге C57BL/6 мышей. Они установили локализацию в нейронах Prxs 2-5 и экспрессию в глие Prx1, Prx4 и Prx6. Prxs 2-5 широко определяются в разных популяциях нейронов и особенно хорошо экспрессируются в обонятельных луковицах, коре головного мозга, в ядрах моста, и во всех ядрах краниальных нервов и в моторных нейронах спинного мозга (Goemaere & Knoops, 2012). Интересно, что экспрессия Prx обильна в регионах, которые нуждаются в высоких энергетических затратах. Сходный паттерн экспрессии наблюдался также в головном мозге крыс в отношении Trx1, физиологического компонента для Prxs 1-5 (Lippoldt et al., 1995). Prx1-дефицитные мыши обнаруживают отсутствие пост-митотических двигательных нейронов,, скорее всего, за счет регуляции thiol redox состояния пронейрогенного фактора glycerophosphodiester phosphodiesterase 2 (GDE2) (Yan, Sabharwal, Rao, et al., 2009).
Не удивительно, что все три упомянутые ферментативные системы, регулирующие передачу сигналов redox, вовлечены в разнообразные нейрологические болезни (Hanschmann et al., 2013), включая нарушения развития, такие как перинатальная асфиксия (Romero, Hanschmann, Gellert, et al., 2015).

Conclusion


Brain development is a highly complex process regulated by the interaction of many different pathways and signals. One of these signals is oxidative thiol modifications. Here, we summarized the recent knowledge regarding the impact of the regulation of the thiol redox state of several proteins via H2O2 and oxidoreductases of the thioredoxin family toward the establishment of a functioning neuronal network. A variety of different steps during brain development are redox regulated such as proliferation and differentiation of stem cells, neuronal pruning, and axonal guidance.