В процессе развития головного мозга и во время всей взрослой жизни гомеодоменовые транскрипционные факторы или гомеопротеины (Gehring, 1987) играют критическую роль в развитии и физиологии головного мозга, в управлении процессами, такими формирование паттерна, нейрогенез, дифференцировка и жизнеспособность нейронов. Эти факторы классически осуществляют свое морфогенетическое действие посредством клеточно-автономной регуляции программ развития (Gehring et al., 1994). Открытие в начале 1990s, что гомеопротеины могут переходить между клетками, открыло интригующую возможность для этих белков, их неавтономную клеточную активность (Prochiantz & Joliot, 2003). Важность этого нового способа коммуникаций между клетками теперь установлена в разных биологических процессах, таких как ведение аксонов и клеток или пластичность коры (Brunet et al., 2007; Sugiyama et al., 2008; Di Lullo et al., 2011). Прекрасным примером сложит роль Engrailed в наведении аксонов retinal ganglion cell (RGC) и в формировании retino-tectal паттерна (Brunet et al., 2005; Wizenmann et al., 2009; Stettler et al., 2012).

Благодаря своей способности проникать в живые клетки и получать доступ к их цитоплазме и ядру, гомеопротеины стали использовать в качестве лекарственных белков (Joshi et al., 2011). Напр., экзогенный Otx2 защищает RGCs от токсической гибели клетки у животных, моделирующих глаукому (Torero-Ibad et al., 2011). После наблюдения, что mesencephalic dopaminergic (mDA) нейроны экспрессируют Engrailed1 (En1) и Engrailed2 (En2) в течение всей жизни и прогрессивно дегенерируют у En1 гетерозиготных мутантов (Simon et al., 2001; Alberi et al., 2004; Sonnier et al., 2007), En1 и En2 (collectively Engrailed) были использованы в качестве терапевтических белков в некоторых мышиных моделях болезни Паркинсона Parkinson's disease (PD) (Alvarez-Fischer et al., 2011). Engrailed защищает mDA нейроны путем индукции трансляции определенных ключевых кодируемых в ядре субъединиц митохондриального комплекса I и путем усиления их активности. Помимо функции выживания mDA нейронов у взрослых, Engrailed также, по-видимому, является регулятором физиологии mDA нейронов у взрослых

Необходимо отметить, что некоторые гомеобелки помимо функции в качестве транскрипционных факторов, также регулируют трансляцию посредством взаимодействия с фактором инициации трансляции eIF4E (Topisirovic & Borden, 2005). Хотя почти 200 гомеопротеинов обнаруживают законсервированный сайт связывания для eIF4E (Nedelec et al., 2004; Topisirovic et al., 2005), регуляция трансляции была изучена только для немногих из них, включая Bicoid, PRH и HoxA9 (Niessing et al., 1999; Topisirovic et al., 2005). Наше исследование по ведению аксонов и жизнеспособности нейронов показало, что регуляция трансляции с помощью Engrailed является важным компонентом передачи сигналов Engrailed (Brunet et al., 2005; Alvarez-Fischer et al., 2011; Stettler et al., 2012). Поэтому идентификация их мишеней трансляции может предоставить важную информацию о механизмах действия гомеопротеинов и поможет идентифицировать новые терапевтические мишени.

Engrailed signaling in retinal axon guidance

Axon guidance molecules and sensory map formation

Активность гомеопротеинов участвует в компартментализации головного мозга и формировании карт (O'Leary et al., 2007). В случае сенсорных карт, репрезентации периферии головного мозга на нескольких уровнях является ключом к переработке информации. Одним из наиболее хорошо изученных примеров центральной сенсорной репрезентации является ретинотопическая (retinotopic) карта, которая проецируется на латеральное коленчатое (geniculate) ядро (thalamus), дорсальную часть среднего мозга (tectum у кур или superior colliculus у мышей) и первичный визуальный кортекс (Erskine & Herrera, 2007). Тот же самый принцип верен и для др. сенсорных систем. Два др. примера это соматотопические карты в первичном сенсорном кортексе и тонотопическая карта частот в первичном слуховом кортексе. В двух последних случаях, передача (relays) формируется в стволе мозга и талямусе. Во всех случаях эти сенсорные карты на всех уровнях от периферии до коры, высоко стереотипированы у нормальных индивидов, демонстрируя высокую степень надежности в их образовании (Buonomano & Merzenich, 1998).

В случае зрительной системы , RGCs от височной и носовой частей сетчатки проецируются соотв. в переднюю и заднюю части тектума (tectum) (Erskine & Herrera, 2007). Сходным образом, дорсальные и вентральные RGCs проецируются в медиальный и латеральный регионы тектума. Точность точка в точку возникает в раннем развитии. У эмбрионов кур точная ретинотопическая карта присутствует в тектуме на 11-й день эмбриогенеза, а у грызунов в целом ретинотопическая карта формируется до рождения. Хотя активность нейронов вносит вклад в её уточнение (Reber et al., 2004), карта формируется, когда аксоны растут в структуры мишени во время фазы быстрого удлинения аксонов. Как было предположено Sperry (1963), эта инициальная фаза влечет за собой существование сигналов наведения аксонов (как привлекающих, так и отталкивающих), экспрессируемых тектумом, и соотв. рецепторов, экспрессируемых ростовыми конусами. Отталкивающие сигналы наведения инструктируют удлиняющиеся аксоны сделать паузу и изменить программу их роста на ветвление и синаптогенез (Moya et al., 1988). Идентифицирован ряд привлекающих и отталкивающих сигналов, обнаруживающих градированную экспрессию в нервной системе (Erskine & Herrera, 2007; Tojima et al., 2011).

В тектуме, EphrinA лиганды экспрессируются в виде градиента, низкая концентрация в передней и высокая в задней части (Cheng et al., 1995; Drescher et al., 1995). Соотв. им рецепторы, EphAs, наиболее многочисленны в RGC аксонах височной части скорее, чем в носовой части сетчатки, высокие концентрации лигандов EphrinA отталкивают ростовые конусы от височной доли, предупреждая их инвазию в заднюю часть тектума (Cheng et al., 1995; Drescher et al., 1995). Engrailed и EprhinA5 обнаруживают точно такую же градированную экспрессию в тектуме (Itasaki & Nakamura, 1996; Retaux & Harris, 1996) , это согласуется в находками, что Engrailed регулирует экспрессию EphrinA5 (Logan et al., 1996; Shigetani et al., 1997).

Engrailed as a guidance molecule for RGC axons

Помимо непрямой функции в регуляции экспрессии EphrinA5, Engrailed непосредственно наводит аксоны сетчатки in vitro и in vivo (Brunet et al., 2005; Wizenmann et al., 2009). Это лучше всего объясняется градированной экспрессией Engrailed на поверхности тектума, при этом 5% белков (En1 и En2) находится во внеклеточном пространстве (Wizenmann et al., 2009) и они способны проникать внутрь ростовых конусов, где они регулируют трансляцию белков посредством пути mTOR (Brunet et al., 2005). Важность передачи сигналов Engrailed in vivo была продемонстрирована с помощью нейтрализующих экспрессию одноцепочных антител во внеклеточном пространстве, приводящих к неправильной локализации ростовых конусов из височной части в заднюю часть тектума (Wizenmann et al., 2009).

Хотя это не было показано прямо in vivo, но ведение с помощью Engrailed нуждается в его интернализации ростовыми конусами. Это было продемонстрировано в экспериментах in vitro, показавших, что Engrailed привлекает и отталкивает соотв. ростовые конусы их носовой и височной частей сетчатки и что эта активность нуждается в его интернализации и локальной трансляции белка (Brunet et al., 2005). В последних экспериментах, базирующихся на методе поворота (turning assay), внеклеточные EphrinA5 не добавлялись, указывая, что Engrailed достаточен или что он взаимодействует с элементами, экспрессируемыми в самих конусах.

Роль Engrailed в ведении аксонов была также исследована двумя др. in vitro экспериментальными проектами. Первым был метод плоски (stripe assay), при котором аксоны от носовой и височной частей конфронтировали в альтернативными полосками мембран от передней и задней частей тектума (Walter et al., 1987). При таком методе аксоны носовой части сетчатки росли не взирая какие передние или задние мембраны встречаются, в противоположность отталкиванию аксонов из височной части сетчатки задними мембранами. Подобное отталкивание устраняется с помощью удаления EphrinA5 (Drescher et al., 1997) и сильно снижается нейтрализацией Engrailed (Wizenmann et al., 2009), подтверждая, что два пути взаимодействуют.

Это взаимодействие было тестировано методом коллапса (collapse assay). Добавление агрегированного EphrinA5 в высоких концентрациях провоцирует коллапс ростовых конусов из височной части, оставляя морфологию конусов из носовой части интактной. Однако в случае снижения концентраций EphrinA5 коллапс конусов из височной доли теряется, несмотря на добавление наномолярных концентрации Engrailed. Такая сенсибилизация передачи сигналов EprhinA5 нуждается в интернализации Engrailed и локальном синтезе белка (Wizenmann et al., 2009).

Engrailed increases mitochondrial protein synthesis in growth cones

Результаты, суммированные выше, ставят вопрос о природе белков. транслируемых в ответ на интернализацию Engrailed. Этот вопрос был решен посредством метаболического мечения ростовых конусов RGC, очищенных из superior colliculus мышей на 17-й день эмбриогенеза, после добавления транспортного средства (vehicle) или Engrailed, сопровождаемое масс-спектрометрией. Поразительно, большое количество активируемых белков транслировалось с кодируемых в ядре митохондриальных мРНК, особенно мРНК, кодирующих белки митохондриального комплекса I, такие как Ndufs1, Ndufs2 и Ndufs3 (Stettler et al., 2012). Это привело нас к подозрению, что уровни АТФ в конусах роста могут варьировать в ответ на Engrailed.

Эта гипотеза была протестирована прямо, используя как биохимический метод, так и imaging в реальном времени живых конусов роста, Engrailed вызывает новый синтез и высвобождал АТФ в течение минут (Stettler et al., 2012). Получение картин живых ростовых конусов показало сходное течение времени, с концентрацией внеклеточного АТФ, достигающей пика спустя 90 сек после добавления Engrailed. Однако чрезвычайно быстрое высвобождение внеклеточного АТФ ингибируется ингибиторами белкового синтеза. Кроме того, процесс блокировался олигомицином, демонстрируя, что молекулы были вновь синтезированы на митохондриальном уровне. Наконец, было показано, что гидролиз АТФ в аденозин и стимуляция рецепторов adenosine A1 необходимы для Engrailed, чтобы действовать синергично с EphrinA5 в индукции

Итак, исследования ростовых конусов выявили клеточно неавтономную передачу сигналов Engrailed's. Engrailed действует локально, чтобы стимулировать трансляцию белков, включая белки комплекса I митохондрий и продукцию АТФ, подтверждая увеличение активности комплекса I и митохондриального дыхания. В терминах ведения аксонов, Engrailed-индуцированные внеклеточные АТФ действуют, чтобы остановить продвижение ростовых конусов после гидролиза в аденозин и активации adenosine A1 receptor (A1R) , действуя совместно с молекулой наведения EphrinA5.

Engrailed signaling in dopaminergic neuron survival

Progressive mDA neuron degeneration in PD

Ключевым признаком болезни PD, второго по распространенности нейрологического нарушения, является медленная прогрессивная гибель mDA нейронов в substantia nigra pars compacta (SNpc) в вентральной части среднего мозга (Dauer & Przedborski, 2003; Dawson & Dawson, 2003). Эти нейроны иннервируют дорсальную часть полосатого тела (striatum) и образуют nigrostriatal путь, участвующий в контроле за произвольными движениями. Потеря mDA нейронов в SNpc в конечном итоге приводит к тяжелому дефициту допамина в полосатом теле, приводя к характерным для PD моторным симптомам, таким как замедленность движений, тремор, ригидность и потеря контроля за положением тела (Dauer & Przedborski, 2003; Dawson & Dawson, 2003). Интересно, что mDA нейроны в соседней ventral tegmental area (VTA) относительно сохранны. Эти нейроны, которые проецируются в ядро accumbens, amygdala, hippocampus, cortex, septum и olfactory tubercule, формируют meso-limbic и meso-cortical пути, участвующие в мотивации, вознаграждении, склонности и памяти. С клинической точки зрения нейродегенерация прогрессирует без симптомов в течение многих лет и первые моторные симптомы появляются, когда теряется почти 50-70% mDA нейронов (Fearnley & Lees, 1991). Доступная сегодня терапия (i.e. применение l-DOPA, глубокой стимуляции головного мозгаd) может смягчать некоторые симптомы, но не прекращает прогрессирование нейродегенерации с соотв. последствиями.

Механизмы, ответственные за избирательную дегенерацию nigrostriatal mDA нейронов, остаются в основном неизвестны. Однако замечательный прогресс был достигнут с открытием генов семейных форм PD (i.e. alpha-synuclein, Pink1, Parkin, DJ-1, Lrrk2), которые составляют около 10% случаев PD (Hardy et al., 2009). Базируясь на этом знании, многочисленные исследования улучшили наше понимание патогенеза PD, с некоторыми неопределенностями, касающимися перекрывания на механических уровнях между последними генетическими формами и наиболее распространенными спорадическими формами болезни. Спорадическая PD, по-видимому, возникает в результате комбинации различных факторов окружающей среды, ассоциированных с генетической чувствительностью индивидов. Можно ожидать, что существуют многочисленные механизмы ассоциированной с PD нейродегенерации с возможными 'горячими точками' на их пересечении.

The mitochondrial hypothesis

Среди последних 'горячих точек', наиболее очевидными являются (1) неправильная укладка белка, приводящая образованию внутри нейронов внутриклеточных включений (Lewy телец), обогащенных alpha-synuclein, нейрофиламентами и убиквитином; (2) воспаление; и (3) дисфункция митохондрий и оксидативные стрессы (Dawson & Dawson, 2003). В отношении митохондриальной дисфункции, несколько наблюдений подчеркивают конвергенцию между средовыми и генетическими факторами и комплексом I и митохондриальной дыхательной цепи (Schapira, 2008). Во-первых, активность комплекса I снижена в PD головном мозге на вскрытии (Shults, 2004). Во-вторых, neurotoxin MPTP (1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydro-pyridine), причина паркинсонизма у людей, избирательно убивает mDA нейроны путем подавления комплекса I и то же самое верно и для внешнесредовых токсинов, ассоциированных с повышенным риском PD, такими как rotenone или paraquat (Dauer & Przedborski, 2003; Dawson & Dawson, 2003; Schapira, 2008). В-третих, Parkin, DJ-1 и alpha-synuclein, а также кодируемая в ядре митохондриальная киназа Pink1 находятся в митохондриях и непосредственно или косвенно ассоциируют с активностью митохондрий (Abou-Sleiman et al., 2006; Iaccarino et al., 2007). Важность митохондрий при PD также подчеркивается ролью, выполняемой Pink1 и Parkin в митохондриальном трафике (Wang et al., 2011) и с помощью контроля качества, осуществляемого посредством целенаправленного направления поврежденных митохондрии на деградацию (mitophagy) (Vives-Bauza & Przedborski, 2011; Wang et al., 2011). Митохондриальная гипотеза в этиологии PD недавно была протестирована на MitoPark мышах, которые обнаруживают дефицит респираторной цепочки особенно в нейронах mDA (Plump et al., 2002; Sterky et al., 2011). Эти мыши генерируются условной инактивацией митохондриального транскрипционного фактора Tfam (существенного для экспрессии и поддержания митохондриальной ДНК), они воспроизводят несколько кардинальных признаков PD, в частности прогрессивная дегенерация nigrostriatal петли (Ekstrand & Galter, 2009). Хотя Tfam не был идентифицирован как PD ген, мыши MitoPark предоставляют генетические доказательства, что первичный дефект в респираторной цепи в mDA нейронах может приводить к прогрессивно гибели mDA клеток. Сходное заключение было сделано на мышиной модели митохондриальных повреждений, генерируемых ограничением экспрессии Pst1 энзима в митохондриях (Pickrell et al., 2011). В соответствии с возможной ретроградной гибелью клеток при PD, поведенческий фенотип, ассоциированный с дисфункцией полосатого тела у этих мышей предшествует потере SNpc mDA нейронов. Это указывает на то, что неспособность mDA нейронов может быть важным патогенным фактором.

Engrailed deficiency leads to mDA neuron degeneration

Развиие mDA нейронов контролируется с помощью совместного действия нескольких сигнальных молекул из Shh, Fgf8, Tgf-β и Wnt путей и серии транскрипционных факторов, включая Pitx3, Lmx1a/Lmx1b, En1/En2, Msx1, Foxa2, Ngn2, Otx2 и Nurr1 (Simeone, 2000; Ang, 2006; Prakash & Wurst, 2006; Smidt & Burbach, 2007; Alves dos Santos & Smidt, 2011). Соответственно, дефекты в экспрессии некоторых онтогенетических генов могут быть источником тяжелых патологий, включая психиатрические болезни (Harrison, 2007; Kennedy & Courchesne, 2008; Walsh et al., 2008). Интересно, что многие из транскрипционных факторов, участвующие в развитии mDA нейронов, продолжают экспрессироваться в mDA нейронах взрослых, влияя на жизнеспособность физиологию (Table 1). Напр., обусловленное условиями устранение NurrI, гена, необходимого для генерации mDA, ведет к прогрессивной потере tyrosine hydroxylase (TH)-позитивных нейронов и снижению допамина в полосатом теле (Kadkhodaei et al., 2009). Сходным образом мыши, несущие только один функциональный аллель Foxa2, обнаруживают аномалии моторного поведения в зрелом возрасте и ассоциированную прогрессивную потерю mDA нейронов (Kittappa et al., 2007). Здесь мы рассматриваем более детально пример Engrailed генов, которые необходимы для поддержания и жизнеспособности mDA нейронов.

Table 1. Summary of transcription factors and signaling molecules important for mDA neuron development and current data supporting a potential implication in PD pathogenesis

Engrailed продолжает экспрессироваться в среднем мозге взрослых, преимущественно в mDA нейронах из SNpc и VTA. Engrailed необходим для жизнеспособности взрослых mDA нейронов и его способствующая жизнеспособности активность обнаруживает дозовую зависимость. En1 гетерозиготные мыши (En1^+/-;En2^+/+) обнаруживают прогрессирующую гибель mDA нейронов (Sonnier et al., 2007). Ряд TH-позитивных нейронов в SNpc этих мутантов начинает уменьшаться в возрасте 6 недель и обнаруживает 38% снижение на 48 неделе, с параллельным уменьшение допамина в полосатом теле. Количество mDA нейронов далее не уменьшается с возрастом, указывая на то, что жизнеспособность субпопуляции SNpc mDA нейронов в меньшей степени зависит от активности Engrailed. mDA нейроны в VTA затрагиваются в меньшей степени (20% снижение к 48 неделям) как это происходит в случае PD. Примечательно, что En1 был идентифицирован как возможный ген чувствительности для идиопатической PD болезни у людей (Haubenberger et al., 2009).

В последние годы ряд генетически преобразованных мышиных моделей был создан, используя сцепленные с PD гены, которые оказались пригодным инструментом для изучения различных аспектов патогенеза PD. Однако большинство этих мышиных моделей не обнаруживает медленной гибели mDA нейронов в SNpc и повышенной ранимости VTA mDA нейронов, наблюдаемых у En1 мутантов. Потеря mDA нейронов у En1 гетерозиготных мышей ведет к моторным, а также к не-моторным PD-подобным симптомам: пониженная спонтанная моторная активность (distance traveled and rearing), повышенная чувствительность к amphetamine, пониженные моторная скоординированность и сенсорно-двигательное обучение (rotarod test), усиление схожего с депрессией поведения (forced swimming test), anhedonic-подобное поведение (снижение предпочтения к сахарозе) и плохое социальное взаимодействие (Fig. 2) (Sonnier et al., 2007). Не-моторые поведенческие аномалии указывают на то, что meso-limbic система также затронута, по-видимому, как следствие потери mDA нейронов в VTA.

En1 neuroprotection in PD models through mitochondrial complex I regulation

Подобно большинству гомеопротеинов Engrailed интернализуется живыми клетками, это делает его потенциально терапевтическим белком у животных, моделирующих болезни человека (Joshi et al., 2011). Это было впервые продемонстрировано у En1 гетерозиготных мышей, которым En1 инъецировался непосредственно выше SNpc и в течение 6 недель диффундировал в SNpc и полностью удерживал mDA нейроны от гибели (Sonnier et al., 2007). Вследствие этого обнадеживающего результата, было изучено может ли Engrailed защищать mDA нейроны в bona fide экспериментальных моделях PD. Мы недавно показали, что защита путем инфузии экзогенного Engrailed защищает mDA нейроны (50% защита) от клеточной гибели, индуцируемой MPTP/MPP+ (1-methyl-4-phenylpyridinium), complex I токсином, активно используемым, чтобы смоделировать PD. Engrailed также защищает нейроны среднего мозга в культуре снова от complex I токсина, rotenone, но не от complex II токсина 3-NP (3-nitropropionic acid; Alvarez-Fischer et al., 2011).

Нейрозащитное действие Engrailed было также продемонстрировано в двух др. животных моделях PD (Alvarez-Fischer et al., 2011). Во-первых, вливание Engrailed в средний мозг защищает mDA нейроны (66% защита) от ретроградной гибели, вызываемой 6-OHDA (6-hydroxydopamine), инъецированным в полосатое тело. Во-вторых, инфузия En1 обеспечивает защитой от гибели нейроны, вызываемой инъекцией проникающего в клетки мутантного alpha-synuclein (A30P). Механизм клеточной гибели, провоцируемой мутантными формами alpha-synuclein (или избыточно экспрессией дикого типа alpha-synuclein), понятен не целиком, тогда как клеточная гибель, индуцируемая с помощью 6-OHDA, как полагают, происходит из-за оксидативного стресса, возможно за счет нарушения комплекса I (Alvarez-Fischer et al., 2008). Итак. эти результаты позволяют нам сформулировать гипотезу, что En1 взаимодействует с активностью митохондриального комплекса I (Fig. 3). Это ни в коей мере не устраняет др. нейропротективные пути.

Исследование En1-обусловленной нейропротекции выявляет неожиданную роль белка в физиологии mDA нейронов (Fig. 3). В самом деле, из-за корреляции En1-индуцируемой жизнеспособности mDA и концентрацией допамина в полосатом теле мы установили, что у интоксифицированных MPTP, а также у контрольных мышей, введение En1 ведет к повышению количества допамина в полосатом теле (Alvarez-Fischer et al., 2011). У контрольных мышей это 50% увеличение не отражает изменений в количестве mDA, тем самым демонстрирует, что En1 увеличивает количество допамина на клетку. Эти наблюдения интересны в свете недавних исследований, показавших, что митохондрии могут быть важным местом синтеза допамина (Cai et al., 2009). Однако точная роль того, что митохондриальная активность может участвовать в регуляции синтеза допамина, нуждается в дальнейшем исследовании.

Наблюдение, что Engrailed регулирует трансляцию субъединиц комплекса I в ростовых конусах побуждает к поиску сходного механизма в mDA нейронах. И в сомом деле было установлено, что En1 усиливает трансляцию субъединиц ключевого комплекса I, включая Ndufs1 и Ndufs3, и усиливает активность комплекса I в препаратах синаптонейросом среднего мозга (Fig. 3) (Alvarez-Fischer et al., 2011). Используя siRNAs против Ndufs1, мы установили, что Engrailed индуцируемая усиленная активность субъедниц комплекса I subunits является важной для нейропротекции против MPTP (Alvarez-Fischer et al., 2011). Этот факт довольно удивителен тем, что проникающий в клетки транскрипционный фактор д. стимулировать трансляцию митохондриальных транскриптов, закодированных в ядре, вдали от ядра и повышать митохондриальную активность в очень короткие временные рамки. Это указывает на то, что ранее нераспознанный динамический механизм регулирует митохондриальную функцию в mDA нейронах. Учитывая, что многие митохондрии присутствуют в синапсах и ростовых конусах, то вполне возможно, что сходные механизмы локальной регуляции трансляции белков модулируют активность митохондрий.

Future directions and concluding remarks

Other homeoprotein transcription factors in mDA physiopathology

Комплекс I млекопитающих это ансамбль из 45 субъединиц, из которых 38 кодируются ядерным геномом. Его каталитический стержень представлен 14 субъединицами, включая Ndufs1 и Ndufs3, которые выполняют существенные функции в сборке и активности комплекса I (Dieteren et al., 2008). Уровни Ndufs1 и Ndufs3 снижаются, особенно в mDA нейронах, в SNpc у гетерозиготных по En1 мышей (Alvarez-Fischer et al., 2011), подкрепляя идею, что En1 является путем PD. Др. гомеобелки, такие как Otx2 или Pitx3, обеспечивают защиту нейронов mDA у взрослых с помощью иных механизмов (Simeone et al., 2011; Peng et al., 2011). Otx2 экспрессируется градировано (high medial, low lateral) в вентральных mDA нейронах (Simeone et al., 2011). Его экспрессия т.о. строгая в VTA и низкая в SNpc. Кондиционный нокаут Otx2 в среднем мозге приводит к резкой потере TH-позитивных проекций во всех областях мишенях VTA mDA нейронов, тогда как SNpc mDA нейроны не затрагиваются (Borgkvist et al., 2006). Напротив, избыточная экспрессия Otx2 в среднем мозге защищает как VTA, так и SNpc mDA нейроны от вызываемой MPTP гибели нейронов (Chung et al., 2010; Di Salvio et al., 2010a). Эффект Otx2 в MPTP модели может быть частично связан с его способностью подавлять экспрессию dopamine transporter DAT (Chung et al., 2010; Di Salvio et al., 2010a). Однако, Otx2 и возможно др. гомеобелки могут регулировать трансляцию мРНК, кодирующих митохондриальные белки. Было установлено, что Otx2 является фактором жизнеспособности для RGCs у взрослых у мышей, моделирующих глаукому (Torero-Ibad et al., 2011).

Pitx3 кооперирует с Nurr1, чтобы активировать транскрипцию нескольких генов, важных для развития mDA нейронов (Jacobs et al., 2009). Соответственно, Pitx3-дефицитные мыши обнаруживают прогрессивную и избирательную потерю mDA нейронов во время эмбрионального и постнатального развития (van den Munckhof et al., 2003; Smidt et al., 2004). Интересно, что Pitx3 регулирует экспрессию brain-derived neurotrophic factor (BDNF) , а недавнее сообщение указывает, что glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF)-Pitx3-BDNF заставляет оперировать петлю, обеспечивающую жизнеспособность mDA нейронов (Peng et al., 2011). GDNF и BDNF являются первыми идентифицированными факторами выживания mDA нейронов (Airaksinen & Saarma, 2002; Zuccato & Cattaneo, 2009), а GDNF транскрибируется на высоком уровне в полосатом теле и возможно является происходящим из мишени нейротрофным фактором для mDA нейронов (Golden et al., 1999). Возможность петли GDNF-Pitx3-BDNF подтверждена в сообщении, что GDNF активирует транскрипцию Pitx3 в mDA нейронах (Peng et al., 2011). BDNF осуществляет свои эффекты посредством TrkB рецептора с p75NTR в качестве корецептора (Huang & Reichardt, 2003). Идея, что гомеопротеин может участвовать в регуляции этого пути у взрослых, очень притягательна.

Наводящая активность Engrailed связана с purinergic передачей сигналов посредством синтеза и высвобождения АТФ. АТФ быстро гидролизуется с помощью эктонуклеотидаз в АДФ, АМФ и, наконец. в аденозин, каждый из которых соединяется преимущественно с разными типами пуринергических рецепторов (Abbracchio et al., 2009). Engrailed передача сигналов осуществляется посредством adenosine и adenosine A1 рецептора и эта передача сигналов функционирует в кооперации с классическими сигнальными молекулами семейства Ephrin/Eph, а именно с EphrinA5. Хемоаттрактивные свойства молекул пуринергической передачи сигналов уже давно были продемонстрированы в некоторых системах, включая нейроны, микроглию (Davalos et al., 2005; Orr et al., 2009) и астроциты (Cotrina et al., 2000), и их участие в пуринами обусловленных нуклеотидами обеспечиваемых взаимодействиях между нейронами и глией (Fields & Burnstock, 2006). Было бы интересно проверить, может ли передача сигналов Engrailed посредством этого пути выполнять роль нейропротекции, в особенности в свете исследований, указывающих на существование взаимодействия между нейротрофиновым и пуринергическим путями (Arthur et al., 2006).

Накапливаются доказательства, указывающие на то, что астроциты играют важную роль в нейродегенеративных процессах. Интересно, что метаболизм астроцитов, в частности митохондриальная функция, как было установлено, нарушаются в двух мышиных моделях PD (Schmidt et al., 2011). Высвобождается ли Engrailed из mDA нейронов и интернализуется локально астроцитами, или экзогенный Engrailed может непосредственно восприниматься астроцитами и тем самым вносить вклад в Engrailed-обеспечиваемую защиту, пока неизвестно.

A central role for metabolism dysfunction in brain diseases

Помимо гомеопротеинов несколько ядерных транскрипционных факторов выполняют неожиданные роли по регуляции активности митохондрий. Напр., MEF2D транслоцируется в митохондрии и активирует транскрипцию ND6, субъединицу комплекса I, кодируемую митохондриальным геномом (She et al., 2011) MEF2D может вносить вклад в патогенез PD посредством этого механизма в дополнение к его эффектам на жизнеспособность mDA нейронов посредством регуляции аутофагии (Yang et al., 2009). Сходным образом, сообщалось. что Stat3 регулирует активности комплексов I и II путем непосредственного взаимодействия с этими комплексами внутри митохондрий (Wegrzyn et al., 2009). Второй пример это cAMP response element binding protein (CREB), который локализуется в матриксе митохондрий и может быть связан с cAMP response elements в митохондриальном геноме, чтобы регулировать экспрессию митохондриальных генов, включая ND5, кодирующий др. белок комплекса I (Lee et al., 2005). Разрушение CREB в митохондриях снижает активность комплекса I и может вносить вклад в потерю нейронов при некоторых нейродегенеративных болезнях (Lee et al., 2005). Третий и более общий пример связан с недостаточной экспрессией у PD пациентов генов, контролирующих биоэнергетику клеток, экспрессируемых в ответ на PGC-1alpha (Zheng et al., 2010). Активация PGC-1alpha ведет к увеличению экспрессии кодируемых в ядре субъединиц респираторной цепи митохондрий и предупреждает потерю mDA нейронов, вызываемую мутантными alpha-synucleins или rotenone, в двух моделях PD (Zheng et al., 2010). Последний пример иллюстрирует, как взаимодействия между ядром и митохондриями могут гарантировать скоординированную экспрессию набора генов 'регуляции энергии'.

Если принять во внимание, что головной мозг человека использует 20% нашего ежедневного энергетического метаболизма (12% у шимпанзе), то возможно, что из-за его размера и физиологических нагрузок, оказываемых на некоторые его нейроны, в особенности на те. что имеют длинные проекции, регионы головного мозга человека работают на пределе энергетического кризиса. Эта гипотеза подтверждается тем фактом, что даже в генетических случаях многие из нейрологических болезней проявляются только в поздний период жизни, когда метаболические резервы могут быть истощены (Stranahan & Mattson, 2011), т.о. открывается возможность облегчить бремя обусловленных возрастом болезней, благодаря пониманию, как специфические популяции нейронов регулируют свою метаболическую активность.

Engrailed signaling in axon guidance and neuron survival Julia Fuchs, Olivier Stettler, Daniel Alvarez-Fischer, Alain Prochiantz, Kenneth L. Moya, Rajiv L. Joshi European Journal of Neuroscience Special Issue: EARLY BRAIN REPAIR AND PROTECTION Volume 35, Issue 12, pages 1837–1845, June 2012

Engrailed signaling in axon guidance and neuron survival
Julia Fuchs, Olivier Stettler, Daniel Alvarez-Fischer, Alain Prochiantz, Kenneth L. Moya, Rajiv L. Joshi
European Journal of Neuroscience Special Issue: EARLY BRAIN REPAIR AND PROTECTION Volume 35, Issue 12, pages 1837–1845, June 2012