Neurodegenerative Disorders: Apoptosis
Н Е Й Р О Д Е Г Е Н Е Р А Ц И Я
APOPTOSIS IN NEURODEGENERATIVE DISORDERS Mark P. Mattson Nature Reviews Molecular Cell Biology 1, 120-130 (2000)
При многих заболеваниях нарушение регуляции апоптоза (Рис.1) м.б. центральной аномалией. Напр., устойчивость клеток к апоптозу ответственна за многие типы опухолей. Апоптоз - это процесс клеточной гибели , связанный с активцией каспаз и отсутствием набухания для поддержания интеграции органел (mitochondria и endoplasmic reticulum). Апоптоз происходит в ткани точечно, так что здоровые и гибнущие клетки перемешаны. При другой форме клеточной гибели, некрозе, клеточные органелы рразбухают и лизируется плазматическая оболочка в результате происходит массивная гибель групп клеток. (Рис.1.) \| Morphological и biochemical features of apoptosis. В потивоположность быстрому обороту клеток в пролиферирующих тканях нейроны обычно живут в течение всего периода жизни организма. Напр., двигательные нейроны должны сохранять соединение со скелетными мышцами, а долговеременная память, очевидно, нуждается в сохранении жизнеспособными нейронов в областях головного мозга, отвечающих за кодирование памяти. Во время развития центральной и периферической нервной системы многие нейроны подвергаются апоптозу во время промежутка веремени, совпадающего с процессом SYNAPTOGENESIS . Сигналы, которые предопределяют выживут или погибнут развивающиеся нейроны, м.б. связаны с конкуренцией за ограниченный доступ к продуцируемым мишенями NEUROTROPHIC FACTORS и за активацию рецепторов для возбуждающего нейротрансмиттера глютамата. Инициальная избыточная продукция нейронов, сопровождаемая гибелью некоторых, является вероятно адаптивным процессом, который поставляет достаточное количество нейронов для формирования nerve cell circuits (рефлекторной дуги) в точном соответствии с их функциональной спецификацией. К сожалению, многие люди испытывают обширную гибель одной или нескольких популяций нейронов в результате болезни или повреждения. Напр., гибель нейронов гиппокампа или коры ответственна за симптомы болезни Alzheimer; гибель нейронов среднего мозга, которые используют в качестве нейротрансмиттера dopamine лежит в основе болезни Parkinson; б-нь Huntington связаны с гибелью нейронов в striatum, которые контролируют движения тела; а гибель lower двигательных нейронов проявляется как amyotrophic lateral sclerosis (Рис.2). Boxes Box 1 \| Synaptic signalling in neuronal death и survival Components of signalling pathways that initiate или prevent apoptosis are highly concentrated in synaptic terminals - the sites of intercellular communication between neurons. For example, receptors for glutamate are located in postsynaptic regions of dendrites и receptors for neurotrophic factors are in both pre- и postsynaptic terminals. Much of the biochemical machinery involved in apoptosis can be activated in synaptic terminals, where it can alter synaptic function и promote localized degeneration of synapses и NEURITES ^{105, 106} (Рис.3.) For example, Par-4 production, mitochondrial alterations, caspase activation и release into the cytosol of factors that may cause nuclear apoptosis can be induced in SYNAPTOSOME preparations и neurites of cultured brain neurons by insults that induce apoptosis in intact neurons^{105, 106}. Caspase-mediated cleavage of synaptic proteins may control the process of neuronal apoptosis. For example, AMPA receptor subunits are selectively degraded in hippocampal neurons after exposure to an apoptotic dose of glutamate, resulting in decreased calcium influx, thereby preventing excitotoxic necrosis⁶. The latter mechanism might also allow neurons to 'withdraw' from participation in neuronal circuits, permitting them to recover from potentially lethal conditions. Apoptotic pathways may also function in synaptic plasticity, particularly under conditions of stress и injury. Studies showing that TNF-α и NF-κB activation modify long-term depression и potentiation of synaptic transmission in the hippocampus¹⁰⁷ provide further evidence that anti-apoptotic signalling can modulate synaptic plasticity. Finally, changes in mitochondrial membrane permeability in synaptic terminals have been associated with impaired synaptic plasticity in the hippocampus⁹³, suggesting a role for apoptotic mitochondrial alterations in synaptic function. Links DATABASE LINKS Bcl-2 \| Bcl-x_L \| Bax \| Bad \| caspase-8 \| caspase-3 \| BDNF \| NGF \| bFGF \| TNF-α \| CNTF \| LIF \| CREB \| NCKAP1 \| APP \| presenilins 1 и 2 \| GDNF \| IGF-1 ENCYCLOPEDIA OF LIFE SCIENCES Alzheimer disease \| Apoptosis: molecular mechanisms	(Рис.2.) \| Brain regions in which neurodegenerative conditions are typified by selective apoptosis of neurons. Neuronal death cascades Многие сигналы м. инициировать или 'запустить' апоптоз в нейронах (Рис.3). Хорошо изученным сигналом является отсутствие поддержки нейротрофными факторами, что м. запускать апоптоз во время развития нервной системы и возможно при нейродегенеративных заболеваниях. Большинство нейронов в ЦНС млекопитающих обладает рецепторами для другого триггера апоптоза - возбуждающего нейротрансмиттера глютамата. Избыточная активация рецепторов глютамата м. индуцировать апоптоз с помощью механизма, связанного с притоком кальция, и такая 'excitotoxicity' м. появиться при острых нейродегенеративных условиях, таких как stroke (инсульт), травма и тяжелые эпилептические судороги, а также при б-ни Alzheimer и нарушениях двигательной системы. Третьим триггером нейрональной гибели является оксидативный стресс , при котором свободные радикалы такие как superoxide anion radical и hydroxyl radical) повреждают клеточные липиды, белки и нуклеиновые кислоты. METABOLIC STRESS , возникающий после stroke или во время старения м. также инициировать апоптоз нейронов. Наконец, средовые токсины м. индуцировать нейрональный апоптоз, а некоторые такие токсины м. индуцировать паттерны повреждений головного мозга и поведенческие фенотипы, очень сходные с болезнями Parkinson и Huntington. (Рис.3.) \| Roles for altered synaptic signalling in neurodegenerative disorders. Генетические и средовые факторы, запускающие нейрональный апоптоз, м.б. разными в различных физиологических и патологических условиях ( Table 1),но многие последующие биохимические события, ведущие к клеточной гибели законсервированы. Одна классификация этой программы гибели базируется на убедительных доказательствах, что митохондриальные изменения являются центральными в решении перехода к апоптозу. Митохондрии в клетках, приступивших к апоптозу, онаруживают повышенную продукцию кислородных радикалов (oxyradical), открытие пор их мембран и высвобождение cytochrome c (Рис.1.) \| Morphological и biochemical features of apoptosis. Эти изменения являются центральными в процессе гибели клетки, т..к. агенты, такие как manganese superoxide dismutase и cyclosporin A, которые действуют непосредственно на митохондрии, чтобы супрессировать оксидативный стресс и образование пор в мембранах, также предупреждают гибель нейронов. (Табл.1) \| Factors that may modulate apoptosis in neurodegenerative disorders Биоохимические изменения, которые происходят на ранней стадии апоптоза м. индуцировать дисфункцию митохондрий или прямо или косвенно (Table 2). Семейство B-cell lymphoma-2 (Bcl-2) белков содержит как про-, так и анти-апоптическх членов. Наиболее изученные анти-апоптические члены в нейронах - это Bcl-2 и Bcl-x_L; про-апоптические члены - это Bcl-2-associated X-protein ( Bax) и Bcl-associated death promoter ( Bad). Избыточная экспрессия Bcl-2 в культуре клеток и у трансгенных мышей усиливает резистентность нейронов к гибели, индуцируемой с помощью excitotoxic, метаблического и оксидативного инсульта. Напротив, нейроны без Bax защищены от апоптоза. Механизм, с помощью которого Bcl-2 белки контролируют гибель клеток, неясен до конца, но он связан с взаимодействиями членов этого семейства с митохондриями. (Табл.2) \| Examples of proteins that promote или suppress neuronal apoptosis Дальнейшие механизмы, регулирующие ранние стадии апоптооза, связаны с каспазами, prostate apoptosis response-4 (Par-4) белком и telomerase. Каспазы являются эволюционно законсервированными цистеиновыми протеазами, центральными для апоптоза во многих типх клеток. Некоторые каспазы активируются во время ранней фазы апоптоза. Напр., активация caspase-8 в нейронах в ответ на ligation of 'death receptors', таких как Fas и p75 neurotrophin receptor. Эти вышестоящие каспазы м. затем активировать 'effector' каспазы, такие как caspase-3 прямо или косвенно и м. при этом вызвать апоптоз независимо от митохондральных альтераций. Эффекторные каспазы м. б. также активированы в ответ на митохондриальные изменения и высвобождение цитохрома c; эти каспазы м. затем активировать ДНКазу, которая расщепляет ДНК на фрагменты равные по величине олигонуклеосомам. Каспазы м. также расщеплять разные субстратные белки, которые м. координировать процесс гибели клеток, включая энзимы такие как poly-ADP-ribose polymerase и ataxia telangiectasia mutated (ATM) kinase; ионные канальцы, включая субъединицы α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionate (AMPA) субтип нейронального рецептора глютамата; и цитосклетные белки, такие как actin и spectrin. Par-4 активируется в клетках опухоли простаты, подвергающихся апоптозу, но он существенен и для онтогенетической и патологической нейрональной гибели. Уровни Par-4 быстро увеличиваются в ответ на различные апоптические стимулы путем усиления трансляции Par-4 мРНК. LEUCINE ZIPPER домен на carboxyl конце Par-4 существенен для его про-апоптической функции и взаимодействий Par-4 с др. белками, включая протеин киназу Cζ и Bcl-2, следовательно, эти застежки м.б. центральными в механизме, с помощью которого Par-4 индуцируюе дисфункцию митохондрий. Теломераза добавляет 6 оснований ДНК (TTAGGG) к концам хромосом, предупреждая тем самым их укорочение и защищая их во время расхождения хромосом во митотических клетках. Теломераза состоит из catalytic reverse-transcriptase субъединицы (TERT), матричной РНК и нескольких ассоциированных регуляторных белков. Активность теломеразы увеличивается во время иммортализации и трансформации клеток (следовательно, участвует в патогенезе большинства опухолей) и во мнгих тканях, включая головной мозг во время развтия, но она подвалена во всех соматических тканях во время позднего эмбриогенеза и раннего постнатального развития. Активность теломеразы и экспрессия TERT ассоциирует с повышенной резистентностью нейронов к апоптозу в экспериментальных моделях нейрональной гибели во время развития и при нейродегенератичных заболеваниях. Анти-апоптическое действие TERT в нейронах сказывается на ранних ступенях клеточной гибели до митохондриальных нарушений и активации каспаз. Cell survival mechanisms Во время эволюции на нервную систему оказывалось серьезное давление, чтобы выработать механизм защиты против нейрональной гибели (Рис. 3, Box 1). Имеется несколько важных путей передачи анти-апоптических сигналов. Идентифицированы нейротрофные факторы, которые м. защищать нейроны от апоптоза путем активации рецепторов, связанных через киназные каскады с продукцией белков, способствующих выживанию клеток. Напр., brain-derived neurotrophic factor ( BDNF), nerve growth factor ( NGF) и basic fibroblast growth factor ( bFGF) м. предупреждать гибель нейронов в культуре частично за счет стимуляции продукции антиоксидантных энзимов, членов семейства Bcl-2 и белков, участвующих в регуляции гомеостаза кальция. Цитокины, такие как tumour necrosis factor-α( TNF-α), ciliary neurotrophic factor ( CNTF) и leukaemia inhibitory factor ( LIF) м. предупреждать гибель нейронов в экспреиментальных моделях. Некоторые нейротрофные факторы и цитокины используют путь выживания, связанный с транскрипционным фактором NF-κB. Активация NF-κB м. защищать культивируемые нейроны от гибели, индуцированной различными стимулами. Изучение мышей, у которых отсутствует p50 субъединица NF-κB показало, что NF-κB также является анти-апоптических в головном мозге и in vivo. Генными мишенями, которые обеспечивают это survival-promoting действие NF-κB, м. б. manganese superoxide dismutase, Bcl-2 и inhibitor of apoptosis proteins (IAPs). Однако, активация NF-κB в MICROGLIA м. способствовать нейрональному апоптозу путем индукции продукции oxyradicals и EXCITOTOXINS , следовательно, NF-κB м. или предупреждать или способствовать гибели нейронов в зависимости от специфических условий. Помимо внеклеточных путей нейропротекции существует несколько внутриклеточных сигнальных путей, защищающих нейроны от апоптоза. Напр., стресс м. индуцировать экспрессию нейротрофных факторов и хит-шоковые белки. Нейротрофные факторы в свою очередь действуют аутокринным или паракринным способом, чтобы активировать рецепторами опосредованные киназные сигнальные пути на клеточной поверхности, которые ультимативно индуцируют экспрессию генов, кодирующих способствующие выживанию белки, такие как антиоксидантные энзимы. Хит-шоковые белки действуют как 'chaperones' для большинства белков, поддерживая тем самым стабильность белков. Они м. также взаимодействовать непосредственно с каспазами, ингибируя их активность. Кальций наиболее разносторонний и важный внутриклеточный мессенжер в нейронах. Хотя кальция часто способствует гибели нейронов, он м. также активировать пути, которые способствуют выживанию. Напо., кальций м способствовать выживанию посредством пути, связанным с активацией protein kinase B (PKB/Akt) с помощью calcium/calmodulin-dependent protein kinase. Кальций является важным регулятором клеточной реакции на стресс, активируя транскрипцию через cyclic-AMP response element-binding protein (CREB), который м. способствовать выживанию нейронов. Кальций м. также активировать быстрый путь нейропротекторных сигналов, в котором активированный кальцием actin-severing белок gelsolin индуцирует деполимеризацию актина, вызывая супрессию притока кальция через мембранные NMDA (N-methyl-D-aspartate) рецепторы и voltage-зависимые кальцевые канальцы. Это м. осуществляться через intermediary actin-binding белки, которые взаимодействуют с NMDA рецепторами и белками кальцевых канальцев. Наконец, сигналы, такие как кальций и секретируемые amyloid precursor protein-α (sAPP-α), которые увеличивают продукцию cyclic GMP, м. индуцировать активацию калиевых канальцев и транскрипционный фактор NF-κB, и тем самым увеличить резистентность нейронов к excitotoxic апоптозу. Apoptosis и neurodegenerative disorders Alzheimer's disease. Болезнь Алцгеймера характеризуется прогрессивной неспособностью познания (cognition) и эмоциональными нарушениями, которые строго коррелируют с синаптической дегенерацией и гибелью нейронов в LIMBIC STRUCTURES , таких как гиппокамп и amygdala, и в ассоциированных областях коры мозга (Рис.2). Деградирующие нейроны обнаруживают агрегаты гиперфосфорилированного tau белка, и признаки избыточного кальцием-опосредованного протеолиза и оксидативного стресса (Рис.4). Определяющим признаком болезни Алцгеймера является накопление амилоидных бляшек, формируемых агрегатами amyloid-β пептида — фрагмента в 40–42 аминокислоты, генерируемого протеолитическим процессингом amyloid precursor protein (APP). В нейронах, ассоциированных с отложениями амилоида в головном мозге пациентов с б-нью Алцгеймера, выявляются усиление повреждений ДНК и активность каспаз, нарушения экспрессии генов, связанных с апоптозом, таких как члены семейства Bcl-2, Par-4 и генов, реагирующих на повреждение ДНК. Анализ профилей экспрессии тысяч генов в ткани головного мозга пациентов с б-нь. Алцгеймера показал заметное снижение экспрессии анти-апоптического гена, называемого NCKAP1 ( NCK-associated protein 1). (Рис.4.) \| Brain tissue section from the hippocampus of a patient who died with Alzheimer's disease. Обработка культивируемых нейронов amyloid-β м. индуцировать апоптоз непосредственно и м. значительно увеличивать их уязвимость к гибели, индуцируемой условиями, такими как повышенный оксидативный стресс и пониженная доступность энергии, которая как извеснро появляется в головном мозге при старении. Механизм, с помощью которого amyloid-β сенсибилизирует нейроны к гибели, связан с peroxidation мембранных липидов. Это нарушает функцию мембранных ion-motive ATPases , глюкозы и глютамата транспортеров, это ведет к деполяризации мембран, снижению АТФ, избыточному притоку кальция и дисфункции митохондрий. Соответственно. антиоксиданты, которые супрессируют пероксидацию липидов, и лекарства, которые стабилизируют гомеостаз клеточного кальция, могут защищать нейроны от индуцированного amyloid-β апоптоза. Более того, нейротрофные факторы и цитокины, предупреждающие апоптоз нейронов, м. защищать нейроны от amyloid-β-индуцированной гибели. Далее было показано, что APP является субстратом для caspase-3. Помимо обеспечениея апоптоза за счет генерации amyloid-β β- и/или γ-secretase, расщепление APP продуцирует ассоциирующий с мембраной С-терминальный фрагмент APP, который м. индуцировать апоптоз, возможно с помощью пути, связанного с APP-binding белком, наз. APP-BP1, который м. отправлять нейроны в митотический цикл, который заканчивается апоптозом. Обеспечиваемое каспазой расщепление APP м. высвобождать С-терминальный пептид, наз. C31, который способен индуцировать апоптоз. Мутации рех генов, наследуемых аутосомно доминантно, м. вызывать раннее начало наследственной формы Alzheimer's disease — ген, кодирующий APP, и два гена, kодирующие presenilins 1 и 2. APP мутации, по-видимому, обусловливают б-нь Алцгеймера в результате нарушения протеолитического процессинга APP так, что уровни amyloid-β увеличиваются, а уровни sAPP-α снижаются (Рис.5). Presenilin мутации м. способстовать нейрональной дегенерации путем усиления расщепления с помощью γ-secretase APP, и тем самым увеличения продукции нейротоксического amyloid-β (1–42). Когда мутантный presenilin-1 белок экспрессируется в культивируемых клетках и в трансгенных и нокаутных мышах, то нейроны становятся восприимчивыми к смери, индуцируемой различными инсультами, включая устранение трофического фактора, воздействие amyloid-β или glutamate, и лишение энергии. Мутантный presenilin-1 действует на ранней ступени перед продукцией Par-4 , митохондриальной дисфункцией и активацией каспаз. Гомеостаз кальция в endoplasmic reticulum (ER) нарушается так, что большая часть кальция высвобождается, когда нейрон подвергается воздействию потенциально повреждаюещего оксидативного или метаболического инсульта. Агенты, супрессирующие высвобождение ER кальция, такие как dantrolene и xestospongin, м. противодействовать повреждающим эффектам мутаций, указывая тем самым, что усиленное высвобождение кальция является центральным в патогенетическом действии мутантного presenilin-1. Presenilin-2 м. также облегчать апоптоз. (Рис.5.) \| Mechanisms underlying the pro-apoptotic actions of altered APP processing и presenilin-1 mutations. Motor system disorders. Пациенты с б-нью Паркинсона обнаруживают выраженную моторную дисфункцию в результате дегенерации dopamine нейронов в SUBSTANTIA NIGRA . Хотя причина б-ни Паркинсона неизвеста, повышенный оксидативный стресс и митохондриальная дисфункция в дофаминовых нейронах являются центральынми. Имеется также дефицит в MITOCHONDRIAL COMPLEX I , который м. возникать из или вносить вклад в повышенный клеточный оксидативный стресс. Как средовые, так и генетические факторы м. сенсибилизировать дофаминовые нейроны к усиливающимися с возрастом оксидативным стрессам и дефициту энергии. Обезьяны и люди под воздействием токсина 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP) обнаруживают Паркинсон-подобные синдромы. В тканях головного мозга пациентов Parkinson's disease обнаруживаются сходные с апоптическими изменения ДНК и активация генов в гибнущих дофаминовых нейронах. Более того, уровни Par-4 селективно увеличены в дофаминовых нейронах substantia nigra перед их гибелью, а подавление экспрессии Par-4 защищает эти нейроны от гибели. Ингибирование Caspase-1 с помощью в-в, супрессирующих макромолекулярный синтез, и нейротрофных факторов, таких как glial cell-derived neurotrophic factor ( GDNF), м. защищать дофаминовые нейроны в моделях б-ни Паркинсона. Мутации в α-synuclein, компоненте повреждений головного мозга, наз. LEWY BODIES , ответственны за небольшой процент случаев б-ни Паркинсона, а экспрессия мутантного α-synuclein в культивируемых клетках способствует апоптозу. Huntington's disease наследственное нарушение, при котором нейроны в striatum дегенерируют, вызывая неконтролируемые движения тела. Она обусловлена увеличением тринуклеотида (CAG) в гене huntingtin, продукт которого содержит увеличенное количестово полиглютаминовых повторов. Изучение пациентов с б-нью Гентингтона и грызунов, получавших митохондриальный токсин 3-nitropropionic acid, показало, что нарушенная митохондриальная функция и excitotoxic гибель м.б. центральынми при этой б-ни. Как мутантный huntingtin обеспечивает селективныю дегенерацию striatal нейронов? Неизвестно, однако апоптическая программа задействована. Изучение LYMPHOBLASTS от пациентов с б-нью Гентингтона выявило увеличение стресс-индуцированного апоптоза , ассоциированного с дисфункцией митохондрий и усиленной активацией caspase-3 , следовательно, мутантный huntingtin не ограничивается нейронами. Caspase-8 перераспределяется в нерастворимую фракцию в istriatal ткани пациентов, а экспрессия мутантного huntingtin в культивируемых клетках индуцирует caspase-8-зависимый апоптоз. Кроме того, huntingtin м. расщепляться каспазами. Модельные мыши рекапитулируют отдельные аспекты б-ни гентингтона, включая внутриклеточные включения huntingtin и деградацию striatal нейронов с некоторыми признаками апоптоза. Ингибирование caspase-1ослабляет течение б-ни в одной из таких моделей. Экспрессия мутантного huntingtin в головном мозге взрослых крыс вызывает образование INTRANEURONAL INCLUSIONS и клеточной гибели. Однако, образование ядерных включений, содержащих huntingtin не обязательно для апоптоза; фактически такие включения м.б. частью цитопротективной реакции. Более того, дикого типа, но не мутантный huntingtin, м. защищать клетки от апоптоза путем супрессии гибели клеток до наступления митохондриальной дисфункции. Пациенты с amyotrophic lateral sclerosis (ALS) страдают от прогрессивных параличей, вызванных дегенерацией двигательных нейронов спинного мозга. Большинство случаев ALS спорадично, но некоторые наследуются. Эта избирательная дегенерация двигательных нейронов связана с повышением оксидативных стрессов, избыточной активацией глютаматных рецепторов и избытком клеточного кальция. Возникновение аутоантител против voltage-зависимых кальциевых канальцев м. вносить вклад в патогенез ALS. Мутации в антиокисдантном энзиме Cu/Zn-superoxide dismutase (SOD) ответственны за некоторые наследуемые случаи ALS, а экспрессия генов, содержащих эти мутации у трансгенных мышей вызывает в спинном мозге патологию, очень сходную с той, что у пациентов ALS. Мутации не снижают антиоксидантной активности энзима, но вызывают избыток неблагоприятной про-апоптической активности, которая м.б. связана с усилением пероксидазной активности. Благодаря взаимодействиям с hydrogen peroxide или superoxide anion, мутантный энзим м. индуцировать оксидативные повреждения мембран и нарушения функции митохондрий. У людей с ALS, ДНК начинает фрагментироваться между нуклеосомами (признак ядерного апоптоза) в нейронах передних рогов и моторном кортексе спинного мозга. Повреждения ДНК, связанны в повышенной локализацией Bax и пониженной ассоциацией Bcl-2 в митохондриях. Уровень Bax, но не Bcl-2, повышен в моторных нейронах спинного мозга пациентов ALS, и сходный паттерн экспресси членов семейства Bcl-2 наблюдается у мышей, мутантов по Cu/Zn-SOD. Далее, избыточная экспрессия Bcl-2 и применение ингибиторов каспаз задерживают дегенерацию и гибель моторных нейронов у мутантных Cu/Zn-SOD мышей. Stroke. Фокальные ишемические инсульты (stroke), главная причина гибели и нетрудоспособности в мире, является результатом повреждения головного мозга, характеризующегося INFARCT с некрозом коры, при котором все клетки быстро погибают, а в окружающей ISCHAEMIC PENUMBRA , нейроны погибают через несколько дней-неделю. Метаболический компромис, избыточная активация глютаматовых рецепторов, избыток кальция и усиленная продукция oxyradical обнаруживаются в нейронах, субъектах ишемии. Кроме того, сложные цитокиновые каскады. используемые микроглиальными клетками и cerebrovasculature м.б. важными в облегчении или предупреждении нейрональной гибели после инсульта. Клетки в ишемической penumbra обнаруживают повреждения ДНК и активацию белков, реагирующих на повреждения ДНК, PARP и Ku80. У грызунов в ишемической penumbra обнаруживаются морфологические и молекулярные изменения, согласующиеся с апоптозом, включая активацию каспаз, экспрессию проапоптических генов и высвобождение cytochrome c. Сигнальные пути, связанные с гидролизом мембранных фосфолипидов, участвуют в нейрональном апоптозе при инсульте. Расщепление мембранного sphingomyelin с помощью acidic sphingomyelinase (ASMase) генерирует липидный медиатор ceramide. Фокальная церебральная ишемия у мышей индуцирует значительное увеличение активности ASMase и уровеня ceramide и продукции воспалительных цитокинов. Если у мышей отсутствует ASMase или применяется в-во, ингибирующее продукцию керамида или продукция цитокинов супрессирована, то повреждения мозга уменьшаются, а симптомы сглаживаются. Мыши без phospholipase-A₂ обнаруживают снижение повреждений головного мозга после фокальной церебральной ишемии , это подтверждает важность функции одного или нескольких липидных медиаторов, генерируемых с помощью этого энзима при инсульте. Мыши без специфичесих каспз или после применения ингибитора каспаз обнаруживают ументьшение повреждений головного мозга после инсульта. Кроме того, высвобождение нейротрофных факторов — bFGF, BDNF, NGF и sAPP-α предупреждает нейрональный апоптоз и предупредждает нейрональную гибель после инсульта. Центральная роль митохондриальных повреждений в гибели нейронов после инсульта подтверждается в исследованиях, показавших, что отсутствие митохондиальной Mn-SOD углубляет повреждения головного мозга после инсульта, тогда как избыточная экспрессия Mn-SOD оказывает противоположнгый эффект. Обработка крыс cyclosporin A уменьшает размеры ишемического инфаркта. Traumatic brain и spinal cord injury. Травма инициирует биохимические и молекулярные события, тех же самых нейродегенератисных каскадов и нейропротекторных сигнальных механизмов, которые происхъодят и при хронических нейродегенеративных заболеваниях. У погибших после traumatic brain injury (TBI) обнаруживаются сходные с апоптозом изменения нейронов, включая присутствие разрывов ДНК, активацию каспаз и усиление экспрессии Bax и p53. Сенсорные, моторные и познавательные дефекты после TBI у мышей строго коррелируют с количеством нейронов, робнаруживающих апоптические изменения в ядрах. Такая гибель нейронов ассоциирована с повышенной экспрессией p53 и гибелью рецепторов Fas и их лиганда. Активность caspase-3 заметно увеличивается в коре мозга крыс в ответ на TBI, а внутрижелудочковое введение ингибитора caspase-3, z-DEVD-fmk, перед повреждением снижает гибель клеток и улучшает симптомы. Мыши, экспрессирующие доминантно-негативный ингибитор caspase-1 обнаруживают снижение повреждений головного мозга и продукции свободных радикалов после TBI. Внутрижелудочковая инфузия NGF у крыс спустя 24 ч после TBI, вызывает улучшение обучаемости и памяти и снижение гибели нейронов. Cyclosporin A защищает против синаптической дисфункции и гибели клеток у грызунов после TBI, это согласуется с ключевой ролью проницаемости митохондриальных мембран в нейродегенеративных процессах. После травматического spinal cord injury (SCI) — обнаруживается апоптоз OLIGODENDROCYTES в центре повреждения и соседнем тракте белого вещества. У грызунов SCI обусловливает нейрональный апоптоз, который м.б. предупрежден с помощью glutamate-receptor антогонистов . После SCI у крыс, наблюдается активация каспаз в нейронах в месте повреждения спустя несколько часов и в олигодендроцитах по соседству и удаленных от повреждения через день-два. SCI у крыс и обезьян вызывает апоптоз олигодендроцитов, связанный с прогрессивным похожим на воспаление процессом. Таким образом, апоптоз нейронов и олигодендроцитов м. вносить существенный вклад в параличи у пациентов после SCI. Prospects for treatment и prevention Одним из подходов блокирования запуска апоптоза м. служить, напр., супрессирование продукции amyloid-β production при б-ни Алцгемера или активирование рецепторов глютамата при инсульте. Другие подходы нацелены на раннеит прмитохондриональные альтерации, такие как лекарства, которые уничтожают свободные радикалы, блокируют приток кальция в нейроны или ингибируют активность Par-4. Активация anti-apoptotic путей с помощью воздействия нейротрофными факторами еще один подход. Помогают, bFGF при инсульте, BDNF и insulin-like growth factor-1 ( IGF-1) при ALS, и vitamin E при Alzheimer's disease. Следующая волна клинических испытаний будет включать ингибиторы каспаз, противовоспалительные лекарства и агенты, стабилизирующие митохондриальную функцию, такие как cyclosporin A и creatine, которые супрессирую продукцию митохондриями oxyradical и препрятсвую исчезновению АТФ. Возможны серьезные побочные эффекты. Эпидемиологические данные показывают, что снижение поступления калорий с пищей редуцирует риск б-ни Паркинсона. Нейроны грызунов, поддерживаемых при ограниченном пищевом рационе, более резистентны к апоптозу и обнаруживаюет сглаживание симптомов у экспериментальных моделей нейродегенеративных заболеваний и инсультов. Это м. б. связано со снижением вырaботки митохондриями oxyradical или с уменьшением метаболической стрессовой реакции, при которой нейроны отвечают на стрессовое снижение доступной энергии повышением продукции стрессовых белков и нейротрофных факторов. Разработка дальнейших средств повышения резистентности нейронов с помощью диеты и поведенческих манипуляций составит важную добавку к лекарствам, задерживающим нейродегенерацию.

(Рис.2.) | Brain regions in which neurodegenerative conditions are typified by selective apoptosis of neurons.

Neuronal death cascades

Многие сигналы м. инициировать или 'запустить' апоптоз в нейронах (Рис.3). Хорошо изученным сигналом является отсутствие поддержки нейротрофными факторами, что м. запускать апоптоз во время развития нервной системы и возможно при нейродегенеративных заболеваниях. Большинство нейронов в ЦНС млекопитающих обладает рецепторами для другого триггера апоптоза - возбуждающего нейротрансмиттера глютамата. Избыточная активация рецепторов глютамата м. индуцировать апоптоз с помощью механизма, связанного с притоком кальция, и такая 'excitotoxicity' м. появиться при острых нейродегенеративных условиях, таких как stroke (инсульт), травма и тяжелые эпилептические судороги, а также при б-ни Alzheimer и нарушениях двигательной системы. Третьим триггером нейрональной гибели является оксидативный стресс , при котором свободные радикалы такие как superoxide anion radical и hydroxyl radical) повреждают клеточные липиды, белки и нуклеиновые кислоты. METABOLIC STRESS , возникающий после stroke или во время старения м. также инициировать апоптоз нейронов. Наконец, средовые токсины м. индуцировать нейрональный апоптоз, а некоторые такие токсины м. индуцировать паттерны повреждений головного мозга и поведенческие фенотипы, очень сходные с болезнями Parkinson и Huntington.

(Рис.3.) | Roles for altered synaptic signalling in neurodegenerative disorders.

Генетические и средовые факторы, запускающие нейрональный апоптоз, м.б. разными в различных физиологических и патологических условиях ( Table 1),но многие последующие биохимические события, ведущие к клеточной гибели законсервированы. Одна классификация этой программы гибели базируется на убедительных доказательствах, что митохондриальные изменения являются центральными в решении перехода к апоптозу. Митохондрии в клетках, приступивших к апоптозу, онаруживают повышенную продукцию кислородных радикалов (oxyradical), открытие пор их мембран и высвобождение cytochrome c (Рис.1.) | Morphological и biochemical features of apoptosis.
Эти изменения являются центральными в процессе гибели клетки, т..к. агенты, такие как manganese superoxide dismutase и cyclosporin A, которые действуют непосредственно на митохондрии, чтобы супрессировать оксидативный стресс и образование пор в мембранах, также предупреждают гибель нейронов.

(Табл.1) | Factors that may modulate apoptosis in neurodegenerative disorders

Биоохимические изменения, которые происходят на ранней стадии апоптоза м. индуцировать дисфункцию митохондрий или прямо или косвенно (Table 2). Семейство B-cell lymphoma-2 (Bcl-2) белков содержит как про-, так и анти-апоптическх членов. Наиболее изученные анти-апоптические члены в нейронах - это Bcl-2 и Bcl-x_L; про-апоптические члены - это Bcl-2-associated X-protein ( Bax) и Bcl-associated death promoter ( Bad). Избыточная экспрессия Bcl-2 в культуре клеток и у трансгенных мышей усиливает резистентность нейронов к гибели, индуцируемой с помощью excitotoxic, метаблического и оксидативного инсульта. Напротив, нейроны без Bax защищены от апоптоза. Механизм, с помощью которого Bcl-2 белки контролируют гибель клеток, неясен до конца, но он связан с взаимодействиями членов этого семейства с митохондриями.

(Табл.2) | Examples of proteins that promote или suppress neuronal apoptosis

Дальнейшие механизмы, регулирующие ранние стадии апоптооза, связаны с каспазами, prostate apoptosis response-4 (Par-4) белком и telomerase. Каспазы являются эволюционно законсервированными цистеиновыми протеазами, центральными для апоптоза во многих типх клеток. Некоторые каспазы активируются во время ранней фазы апоптоза. Напр., активация caspase-8 в нейронах в ответ на ligation of 'death receptors', таких как Fas и p75 neurotrophin receptor. Эти вышестоящие каспазы м. затем активировать 'effector' каспазы, такие как caspase-3 прямо или косвенно и м. при этом вызвать апоптоз независимо от митохондральных альтераций. Эффекторные каспазы м. б. также активированы в ответ на митохондриальные изменения и высвобождение цитохрома c; эти каспазы м. затем активировать ДНКазу, которая расщепляет ДНК на фрагменты равные по величине олигонуклеосомам. Каспазы м. также расщеплять разные субстратные белки, которые м. координировать процесс гибели клеток, включая энзимы такие как poly-ADP-ribose polymerase и ataxia telangiectasia mutated (ATM) kinase; ионные канальцы, включая субъединицы α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionate (AMPA) субтип нейронального рецептора глютамата; и цитосклетные белки, такие как actin и spectrin. Par-4 активируется в клетках опухоли простаты, подвергающихся апоптозу, но он существенен и для онтогенетической и патологической нейрональной гибели. Уровни Par-4 быстро увеличиваются в ответ на различные апоптические стимулы путем усиления трансляции Par-4 мРНК. LEUCINE ZIPPER домен на carboxyl конце Par-4 существенен для его про-апоптической функции и взаимодействий Par-4 с др. белками, включая протеин киназу Cζ и Bcl-2, следовательно, эти застежки м.б. центральными в механизме, с помощью которого Par-4 индуцируюе дисфункцию митохондрий.

Теломераза добавляет 6 оснований ДНК (TTAGGG) к концам хромосом, предупреждая тем самым их укорочение и защищая их во время расхождения хромосом во митотических клетках. Теломераза состоит из catalytic reverse-transcriptase субъединицы (TERT), матричной РНК и нескольких ассоциированных регуляторных белков. Активность теломеразы увеличивается во время иммортализации и трансформации клеток (следовательно, участвует в патогенезе большинства опухолей) и во мнгих тканях, включая головной мозг во время развтия, но она подвалена во всех соматических тканях во время позднего эмбриогенеза и раннего постнатального развития. Активность теломеразы и экспрессия TERT ассоциирует с повышенной резистентностью нейронов к апоптозу в экспериментальных моделях нейрональной гибели во время развития и при нейродегенератичных заболеваниях. Анти-апоптическое действие TERT в нейронах сказывается на ранних ступенях клеточной гибели до митохондриальных нарушений и активации каспаз.

Cell survival mechanisms

Во время эволюции на нервную систему оказывалось серьезное давление, чтобы выработать механизм защиты против нейрональной гибели (Рис. 3, Box 1). Имеется несколько важных путей передачи анти-апоптических сигналов. Идентифицированы нейротрофные факторы, которые м. защищать нейроны от апоптоза путем активации рецепторов, связанных через киназные каскады с продукцией белков, способствующих выживанию клеток. Напр., brain-derived neurotrophic factor ( BDNF), nerve growth factor ( NGF) и basic fibroblast growth factor ( bFGF) м. предупреждать гибель нейронов в культуре частично за счет стимуляции продукции антиоксидантных энзимов, членов семейства Bcl-2 и белков, участвующих в регуляции гомеостаза кальция. Цитокины, такие как tumour necrosis factor-α( TNF-α), ciliary neurotrophic factor ( CNTF) и leukaemia inhibitory factor ( LIF) м. предупреждать гибель нейронов в экспреиментальных моделях.

Некоторые нейротрофные факторы и цитокины используют путь выживания, связанный с транскрипционным фактором NF-κB. Активация NF-κB м. защищать культивируемые нейроны от гибели, индуцированной различными стимулами. Изучение мышей, у которых отсутствует p50 субъединица NF-κB показало, что NF-κB также является анти-апоптических в головном мозге и in vivo. Генными мишенями, которые обеспечивают это survival-promoting действие NF-κB, м. б. manganese superoxide dismutase, Bcl-2 и inhibitor of apoptosis proteins (IAPs). Однако, активация NF-κB в MICROGLIA м. способствовать нейрональному апоптозу путем индукции продукции oxyradicals и EXCITOTOXINS , следовательно, NF-κB м. или предупреждать или способствовать гибели нейронов в зависимости от специфических условий.

Помимо внеклеточных путей нейропротекции существует несколько внутриклеточных сигнальных путей, защищающих нейроны от апоптоза. Напр., стресс м. индуцировать экспрессию нейротрофных факторов и хит-шоковые белки. Нейротрофные факторы в свою очередь действуют аутокринным или паракринным способом, чтобы активировать рецепторами опосредованные киназные сигнальные пути на клеточной поверхности, которые ультимативно индуцируют экспрессию генов, кодирующих способствующие выживанию белки, такие как антиоксидантные энзимы. Хит-шоковые белки действуют как 'chaperones' для большинства белков, поддерживая тем самым стабильность белков. Они м. также взаимодействовать непосредственно с каспазами, ингибируя их активность.

Кальций наиболее разносторонний и важный внутриклеточный мессенжер в нейронах. Хотя кальция часто способствует гибели нейронов, он м. также активировать пути, которые способствуют выживанию. Напо., кальций м способствовать выживанию посредством пути, связанным с активацией protein kinase B (PKB/Akt) с помощью calcium/calmodulin-dependent protein kinase. Кальций является важным регулятором клеточной реакции на стресс, активируя транскрипцию через cyclic-AMP response element-binding protein (CREB), который м. способствовать выживанию нейронов. Кальций м. также активировать быстрый путь нейропротекторных сигналов, в котором активированный кальцием actin-severing белок gelsolin индуцирует деполимеризацию актина, вызывая супрессию притока кальция через мембранные NMDA (N-methyl-D-aspartate) рецепторы и voltage-зависимые кальцевые канальцы. Это м. осуществляться через intermediary actin-binding белки, которые взаимодействуют с NMDA рецепторами и белками кальцевых канальцев. Наконец, сигналы, такие как кальций и секретируемые amyloid precursor protein-α (sAPP-α), которые увеличивают продукцию cyclic GMP, м. индуцировать активацию калиевых канальцев и транскрипционный фактор NF-κB, и тем самым увеличить резистентность нейронов к excitotoxic апоптозу.

Apoptosis и neurodegenerative disorders

Alzheimer's disease.

Болезнь Алцгеймера характеризуется прогрессивной неспособностью познания (cognition) и эмоциональными нарушениями, которые строго коррелируют с синаптической дегенерацией и гибелью нейронов в LIMBIC STRUCTURES , таких как гиппокамп и amygdala, и в ассоциированных областях коры мозга (Рис.2). Деградирующие нейроны обнаруживают агрегаты гиперфосфорилированного tau белка, и признаки избыточного кальцием-опосредованного протеолиза и оксидативного стресса (Рис.4). Определяющим признаком болезни Алцгеймера является накопление амилоидных бляшек, формируемых агрегатами amyloid-β пептида — фрагмента в 40–42 аминокислоты, генерируемого протеолитическим процессингом amyloid precursor protein (APP). В нейронах, ассоциированных с отложениями амилоида в головном мозге пациентов с б-нью Алцгеймера, выявляются усиление повреждений ДНК и активность каспаз, нарушения экспрессии генов, связанных с апоптозом, таких как члены семейства Bcl-2, Par-4 и генов, реагирующих на повреждение ДНК. Анализ профилей экспрессии тысяч генов в ткани головного мозга пациентов с б-нь. Алцгеймера показал заметное снижение экспрессии анти-апоптического гена, называемого NCKAP1 ( NCK-associated protein 1).

(Рис.4.) | Brain tissue section from the hippocampus of a patient who died with Alzheimer's disease.

Обработка культивируемых нейронов amyloid-β м. индуцировать апоптоз непосредственно и м. значительно увеличивать их уязвимость к гибели, индуцируемой условиями, такими как повышенный оксидативный стресс и пониженная доступность энергии, которая как извеснро появляется в головном мозге при старении. Механизм, с помощью которого amyloid-β сенсибилизирует нейроны к гибели, связан с peroxidation мембранных липидов. Это нарушает функцию мембранных ion-motive ATPases , глюкозы и глютамата транспортеров, это ведет к деполяризации мембран, снижению АТФ, избыточному притоку кальция и дисфункции митохондрий. Соответственно. антиоксиданты, которые супрессируют пероксидацию липидов, и лекарства, которые стабилизируют гомеостаз клеточного кальция, могут защищать нейроны от индуцированного amyloid-β апоптоза. Более того, нейротрофные факторы и цитокины, предупреждающие апоптоз нейронов, м. защищать нейроны от amyloid-β-индуцированной гибели. Далее было показано, что APP является субстратом для caspase-3. Помимо обеспечениея апоптоза за счет генерации amyloid-β β- и/или γ-secretase, расщепление APP продуцирует ассоциирующий с мембраной С-терминальный фрагмент APP, который м. индуцировать апоптоз, возможно с помощью пути, связанного с APP-binding белком, наз. APP-BP1, который м. отправлять нейроны в митотический цикл, который заканчивается апоптозом. Обеспечиваемое каспазой расщепление APP м. высвобождать С-терминальный пептид, наз. C31, который способен индуцировать апоптоз.

Мутации рех генов, наследуемых аутосомно доминантно, м. вызывать раннее начало наследственной формы Alzheimer's disease — ген, кодирующий APP, и два гена, kодирующие presenilins 1 и 2. APP мутации, по-видимому, обусловливают б-нь Алцгеймера в результате нарушения протеолитического процессинга APP так, что уровни amyloid-β увеличиваются, а уровни sAPP-α снижаются (Рис.5). Presenilin мутации м. способстовать нейрональной дегенерации путем усиления расщепления с помощью γ-secretase APP, и тем самым увеличения продукции нейротоксического amyloid-β (1–42). Когда мутантный presenilin-1 белок экспрессируется в культивируемых клетках и в трансгенных и нокаутных мышах, то нейроны становятся восприимчивыми к смери, индуцируемой различными инсультами, включая устранение трофического фактора, воздействие amyloid-β или glutamate, и лишение энергии. Мутантный presenilin-1 действует на ранней ступени перед продукцией Par-4 , митохондриальной дисфункцией и активацией каспаз. Гомеостаз кальция в endoplasmic reticulum (ER) нарушается так, что большая часть кальция высвобождается, когда нейрон подвергается воздействию потенциально повреждаюещего оксидативного или метаболического инсульта. Агенты, супрессирующие высвобождение ER кальция, такие как dantrolene и xestospongin, м. противодействовать повреждающим эффектам мутаций, указывая тем самым, что усиленное высвобождение кальция является центральным в патогенетическом действии мутантного presenilin-1. Presenilin-2 м. также облегчать апоптоз.

(Рис.5.) | Mechanisms underlying the pro-apoptotic actions of altered APP processing и presenilin-1 mutations.

Motor system disorders.

Пациенты с б-нью Паркинсона обнаруживают выраженную моторную дисфункцию в результате дегенерации dopamine нейронов в SUBSTANTIA NIGRA . Хотя причина б-ни Паркинсона неизвеста, повышенный оксидативный стресс и митохондриальная дисфункция в дофаминовых нейронах являются центральынми. Имеется также дефицит в MITOCHONDRIAL COMPLEX I , который м. возникать из или вносить вклад в повышенный клеточный оксидативный стресс. Как средовые, так и генетические факторы м. сенсибилизировать дофаминовые нейроны к усиливающимися с возрастом оксидативным стрессам и дефициту энергии. Обезьяны и люди под воздействием токсина 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP) обнаруживают Паркинсон-подобные синдромы. В тканях головного мозга пациентов Parkinson's disease обнаруживаются сходные с апоптическими изменения ДНК и активация генов в гибнущих дофаминовых нейронах. Более того, уровни Par-4 селективно увеличены в дофаминовых нейронах substantia nigra перед их гибелью, а подавление экспрессии Par-4 защищает эти нейроны от гибели. Ингибирование Caspase-1 с помощью в-в, супрессирующих макромолекулярный синтез, и нейротрофных факторов, таких как glial cell-derived neurotrophic factor ( GDNF), м. защищать дофаминовые нейроны в моделях б-ни Паркинсона. Мутации в α-synuclein, компоненте повреждений головного мозга, наз. LEWY BODIES , ответственны за небольшой процент случаев б-ни Паркинсона, а экспрессия мутантного α-synuclein в культивируемых клетках способствует апоптозу.

Huntington's disease наследственное нарушение, при котором нейроны в striatum дегенерируют, вызывая неконтролируемые движения тела. Она обусловлена увеличением тринуклеотида (CAG) в гене huntingtin, продукт которого содержит увеличенное количестово полиглютаминовых повторов. Изучение пациентов с б-нью Гентингтона и грызунов, получавших митохондриальный токсин 3-nitropropionic acid, показало, что нарушенная митохондриальная функция и excitotoxic гибель м.б. центральынми при этой б-ни.

Как мутантный huntingtin обеспечивает селективныю дегенерацию striatal нейронов? Неизвестно, однако апоптическая программа задействована. Изучение LYMPHOBLASTS от пациентов с б-нью Гентингтона выявило увеличение стресс-индуцированного апоптоза , ассоциированного с дисфункцией митохондрий и усиленной активацией caspase-3 , следовательно, мутантный huntingtin не ограничивается нейронами. Caspase-8 перераспределяется в нерастворимую фракцию в istriatal ткани пациентов, а экспрессия мутантного huntingtin в культивируемых клетках индуцирует caspase-8-зависимый апоптоз. Кроме того, huntingtin м. расщепляться каспазами.

Модельные мыши рекапитулируют отдельные аспекты б-ни гентингтона, включая внутриклеточные включения huntingtin и деградацию striatal нейронов с некоторыми признаками апоптоза. Ингибирование caspase-1ослабляет течение б-ни в одной из таких моделей. Экспрессия мутантного huntingtin в головном мозге взрослых крыс вызывает образование INTRANEURONAL INCLUSIONS и клеточной гибели. Однако, образование ядерных включений, содержащих huntingtin не обязательно для апоптоза; фактически такие включения м.б. частью цитопротективной реакции. Более того, дикого типа, но не мутантный huntingtin, м. защищать клетки от апоптоза путем супрессии гибели клеток до наступления митохондриальной дисфункции.

Пациенты с amyotrophic lateral sclerosis (ALS) страдают от прогрессивных параличей, вызванных дегенерацией двигательных нейронов спинного мозга. Большинство случаев ALS спорадично, но некоторые наследуются. Эта избирательная дегенерация двигательных нейронов связана с повышением оксидативных стрессов, избыточной активацией глютаматных рецепторов и избытком клеточного кальция. Возникновение аутоантител против voltage-зависимых кальциевых канальцев м. вносить вклад в патогенез ALS. Мутации в антиокисдантном энзиме Cu/Zn-superoxide dismutase (SOD) ответственны за некоторые наследуемые случаи ALS, а экспрессия генов, содержащих эти мутации у трансгенных мышей вызывает в спинном мозге патологию, очень сходную с той, что у пациентов ALS. Мутации не снижают антиоксидантной активности энзима, но вызывают избыток неблагоприятной про-апоптической активности, которая м.б. связана с усилением пероксидазной активности. Благодаря взаимодействиям с hydrogen peroxide или superoxide anion, мутантный энзим м. индуцировать оксидативные повреждения мембран и нарушения функции митохондрий.

У людей с ALS, ДНК начинает фрагментироваться между нуклеосомами (признак ядерного апоптоза) в нейронах передних рогов и моторном кортексе спинного мозга. Повреждения ДНК, связанны в повышенной локализацией Bax и пониженной ассоциацией Bcl-2 в митохондриях. Уровень Bax, но не Bcl-2, повышен в моторных нейронах спинного мозга пациентов ALS, и сходный паттерн экспресси членов семейства Bcl-2 наблюдается у мышей, мутантов по Cu/Zn-SOD. Далее, избыточная экспрессия Bcl-2 и применение ингибиторов каспаз задерживают дегенерацию и гибель моторных нейронов у мутантных Cu/Zn-SOD мышей. Stroke.

Фокальные ишемические инсульты (stroke), главная причина гибели и нетрудоспособности в мире, является результатом повреждения головного мозга, характеризующегося INFARCT с некрозом коры, при котором все клетки быстро погибают, а в окружающей ISCHAEMIC PENUMBRA , нейроны погибают через несколько дней-неделю. Метаболический компромис, избыточная активация глютаматовых рецепторов, избыток кальция и усиленная продукция oxyradical обнаруживаются в нейронах, субъектах ишемии. Кроме того, сложные цитокиновые каскады. используемые микроглиальными клетками и cerebrovasculature м.б. важными в облегчении или предупреждении нейрональной гибели после инсульта. Клетки в ишемической penumbra обнаруживают повреждения ДНК и активацию белков, реагирующих на повреждения ДНК, PARP и Ku80. У грызунов в ишемической penumbra обнаруживаются морфологические и молекулярные изменения, согласующиеся с апоптозом, включая активацию каспаз, экспрессию проапоптических генов и высвобождение cytochrome c.

Сигнальные пути, связанные с гидролизом мембранных фосфолипидов, участвуют в нейрональном апоптозе при инсульте. Расщепление мембранного sphingomyelin с помощью acidic sphingomyelinase (ASMase) генерирует липидный медиатор ceramide. Фокальная церебральная ишемия у мышей индуцирует значительное увеличение активности ASMase и уровеня ceramide и продукции воспалительных цитокинов. Если у мышей отсутствует ASMase или применяется в-во, ингибирующее продукцию керамида или продукция цитокинов супрессирована, то повреждения мозга уменьшаются, а симптомы сглаживаются. Мыши без phospholipase-A₂ обнаруживают снижение повреждений головного мозга после фокальной церебральной ишемии , это подтверждает важность функции одного или нескольких липидных медиаторов, генерируемых с помощью этого энзима при инсульте.

Мыши без специфичесих каспз или после применения ингибитора каспаз обнаруживают ументьшение повреждений головного мозга после инсульта. Кроме того, высвобождение нейротрофных факторов — bFGF, BDNF, NGF и sAPP-α предупреждает нейрональный апоптоз и предупредждает нейрональную гибель после инсульта. Центральная роль митохондриальных повреждений в гибели нейронов после инсульта подтверждается в исследованиях, показавших, что отсутствие митохондиальной Mn-SOD углубляет повреждения головного мозга после инсульта, тогда как избыточная экспрессия Mn-SOD оказывает противоположнгый эффект. Обработка крыс cyclosporin A уменьшает размеры ишемического инфаркта.

Traumatic brain и spinal cord injury.

Травма инициирует биохимические и молекулярные события, тех же самых нейродегенератисных каскадов и нейропротекторных сигнальных механизмов, которые происхъодят и при хронических нейродегенеративных заболеваниях. У погибших после traumatic brain injury (TBI) обнаруживаются сходные с апоптозом изменения нейронов, включая присутствие разрывов ДНК, активацию каспаз и усиление экспрессии Bax и p53. Сенсорные, моторные и познавательные дефекты после TBI у мышей строго коррелируют с количеством нейронов, робнаруживающих апоптические изменения в ядрах. Такая гибель нейронов ассоциирована с повышенной экспрессией p53 и гибелью рецепторов Fas и их лиганда. Активность caspase-3 заметно увеличивается в коре мозга крыс в ответ на TBI, а внутрижелудочковое введение ингибитора caspase-3, z-DEVD-fmk, перед повреждением снижает гибель клеток и улучшает симптомы. Мыши, экспрессирующие доминантно-негативный ингибитор caspase-1 обнаруживают снижение повреждений головного мозга и продукции свободных радикалов после TBI. Внутрижелудочковая инфузия NGF у крыс спустя 24 ч после TBI, вызывает улучшение обучаемости и памяти и снижение гибели нейронов. Cyclosporin A защищает против синаптической дисфункции и гибели клеток у грызунов после TBI, это согласуется с ключевой ролью проницаемости митохондриальных мембран в нейродегенеративных процессах.

После травматического spinal cord injury (SCI) — обнаруживается апоптоз OLIGODENDROCYTES в центре повреждения и соседнем тракте белого вещества. У грызунов SCI обусловливает нейрональный апоптоз, который м.б. предупрежден с помощью glutamate-receptor антогонистов . После SCI у крыс, наблюдается активация каспаз в нейронах в месте повреждения спустя несколько часов и в олигодендроцитах по соседству и удаленных от повреждения через день-два. SCI у крыс и обезьян вызывает апоптоз олигодендроцитов, связанный с прогрессивным похожим на воспаление процессом. Таким образом, апоптоз нейронов и олигодендроцитов м. вносить существенный вклад в параличи у пациентов после SCI.

Prospects for treatment и prevention

Одним из подходов блокирования запуска апоптоза м. служить, напр., супрессирование продукции amyloid-β production при б-ни Алцгемера или активирование рецепторов глютамата при инсульте. Другие подходы нацелены на раннеит прмитохондриональные альтерации, такие как лекарства, которые уничтожают свободные радикалы, блокируют приток кальция в нейроны или ингибируют активность Par-4. Активация anti-apoptotic путей с помощью воздействия нейротрофными факторами еще один подход. Помогают, bFGF при инсульте, BDNF и insulin-like growth factor-1 ( IGF-1) при ALS, и vitamin E при Alzheimer's disease. Следующая волна клинических испытаний будет включать ингибиторы каспаз, противовоспалительные лекарства и агенты, стабилизирующие митохондриальную функцию, такие как cyclosporin A и creatine, которые супрессирую продукцию митохондриями oxyradical и препрятсвую исчезновению АТФ. Возможны серьезные побочные эффекты.

Эпидемиологические данные показывают, что снижение поступления калорий с пищей редуцирует риск б-ни Паркинсона. Нейроны грызунов, поддерживаемых при ограниченном пищевом рационе, более резистентны к апоптозу и обнаруживаюет сглаживание симптомов у экспериментальных моделей нейродегенеративных заболеваний и инсультов. Это м. б. связано со снижением вырaботки митохондриями oxyradical или с уменьшением метаболической стрессовой реакции, при которой нейроны отвечают на стрессовое снижение доступной энергии повышением продукции стрессовых белков и нейротрофных факторов. Разработка дальнейших средств повышения резистентности нейронов с помощью диеты и поведенческих манипуляций составит важную добавку к лекарствам, задерживающим нейродегенерацию.

Н Е Й Р О Д Е Г Е Н Е Р А Ц И Я

APOPTOSIS IN NEURODEGENERATIVE DISORDERS