Посещений:
НАРУШЕНИЯ ГОЛОВНОГО МОЗГА



Роль первичных фосфолипаз С

Primary phospholipase C and brain disorders
Yong Ryoul Yang, Du-Seock Kang, Cheol Lee, Heon Seok, Matilde Y. Follo, Lucio Cocco, Pann-Ghill Suh
Advances in Biological Regulation 61 (2016) 80-85

In the brain, the primary phospholipase C (PLC) proteins, PLCb, and PLCg, are activated primarily by neurotransmitters, neurotrophic factors, and hormones through G proteincoupled receptors (GPCRs) and receptor tyrosine kinases (RTKs). Among the primary PLC isozymes, PLCb1, PLCb4, and PLCg1 are highly expressed and differentially distributed, suggesting a specific role for each PLC subtype in different regions of the brain. Primary PLCs control neuronal activity, which is important for synapse function and development. In addition, dysregulation of primary PLC signaling is linked to several brain disorders including epilepsy, schizophrenia, bipolar disorder, Huntington's disease, depression and Alzheimer's disease. In this review, we included current knowledge regarding the roles of primary PLC isozymes in brain disorders.
Нервная активность влияет на транскрипцию генов и локальный синтез белка синаптических молекул. которые в конечном итоге регулируют синаптическую функцию и развитие головного мозга. Зависимое от активности нейронов высвобождение большого количества внеклеточных лигандов (напр., нейротрансмиттеров, нейротрофных факторов и гормонов) влияет на развитие нейронов, синаптическую функцию и нейрологические нарушения (Flavell and Greenberg, 2008). Эти внеклеточные лиганды активируют прежде всего изоэнзимы phospholipase C (PLC), PLCβ (1e4) и PLCγ (1 и 2), посредством G protein-coupled receptors (GPCRs) и receptor tyrosine kinases (RTKs) (Follo et al., 2015; Yang et al., 2013). Активация PLCβ или PLCγ расщепляет phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2)на вторичные мессенджеры, diacylglycerol (DAG) и inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3), которые выполняют ключевые роли во внутриклеточной сигнальной трансдукции. Хотя изоэнзимы PLCβ и PLCγ обладают сходными каталитическими функциями, некоторые исследования сообщают об их способности выполнять совершенно разные роли в головном мозге. PLCb1 выявляется на высоком уровне в нескольких регионах головного мозга, включая кору головного мозга, гиппокамп, amygdala, латеральную перегородку и обонятельные луковицы (Ross et al., 1989). Нарушения PLCb1-обеспечиваемой передачи сигналов в головном мозге ассоциируют с эпилепсией, шизофренией и биполярными расстройствами (Garcia del Cano et al., 2014; Kim et al., 1997; Kurian et al., 2010; Lo Vasco et al., 2013; Poduri et al., 2012). PLCβ4 экспрессируется на высоких уровнях в retina cerebellum, но редко обнаруживается в переднем мозге (Tanaka and Kondo, 1994). Паттерны экспрессии PLCβ4 отражают его функциональные роли, при этом дисфункция PLCβ4 сцеплена с атаксией, малыми эпилептическими припадками и дефектами зрительного преобразования (Cheong et al., 2009; Jiang et al., 1996; Kim et al., 1997). Более того, аномальная экспрессия PLCβ4 обнаруживается у индивидов с болезнью Гентингтона (Marchina et al., 2014). PLCγ1 экспрессируется в переднем мозге, особенно в коре и гиппокампе (Jang et al., 2013; Suh et al., 2008). Генетические исследования подтвердили, что PLCγ1 участвует в развитии нескольких нарушений головного мозга, включая эпилепсию, биполярные расстройства, болезнь Гентингтона и депрессию (Giralt et al., 2009; He et al., 2010; Rantamaki et al., 2007; Turecki et al., 1998). Здесь мы обсудим потенциальные роли PLCβ1, PLCβ4, и PLCγ1 в функционировании головного мозга и нарушениях головного мозга.

2. Epilepsy


Эпилепсия является хроническим нейрологическим заболеванием, характеризующимся повторяющимися судорогами, обусловленными нарушениями регуляции активности нейронов. Эпилепсия может возникать по ряду причин, однако, у большинства пациентов причина неизвестна и точные молекулярные и клеточные основы нервной аномалии до конца не выявлены (Chang and Lowenstein, 2003). Некоторые генетические исследования сообщают об ассоциации PLCβ1 и PLCγ1 с эпилепсией. В исследованиях с использованием дефицитных по PLCβ1 мышей обнаружили рано начинающиеся тяжелые тонические судороги (Kim et al., 1997). Электрическая стимуляция соседних гранулярных клеток в гиппокампе приводила к гибели клеток hilar промежуточных нейронов, содержащих соматостатин (Sloviter, 1987). У PLCβ1-дефицитных мышей потеря соматостатин-содержащих hilar промежуточных нейронов приводила к гипервозбудимости гиппокампа. Мускариновые ацетилхолиновые рецепторы, в особенности M1, M3 и M5, являются G protein-coupled receptors (GPCRs), купированными с Gq/11. Gαq активирует PLCβ1 и обеспечивает множественные функции, включая холинергические судороги, движения и привыкание к лекарствам (Nathanson, 2000). В соответствии с ранее опубликованными результатами нарушения PLCβ1 нарушают передачу сигналов, обеспечиваемую мускариновыми ацетилхолиновыми рецепторами (mAChRs) (Kim et al., 1997). В соответствии с эпилептическим фенотипом нокаутных гомозиготных PLCβ1 мышей, детская эпилептическая энцефалопатия ассоциирует с первой гомозиготной мутацией потери функции гена PLCβ1 у человека (Kurian et al., 2010). Исследование Annapurna et al., выявило гомозиготную делецию гена PLCβ1 у пациента со злокачественными мигрирующими частичными судорогами в детском возрасте (Poduri et al., 2012). В целом эти находки подтверждают роль PLCβ1-обеспечиваемой передачи сигналов в возникновении эпилептических судорог.
Уровни мРНК и белка Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) достоверно повышены в гиппокампе индивидов с эпилепсией (Murray et al., 2000; Takahashi et al., 1999). Кроме того, активация BDNF-обеспечиваемой tropomyosin receptor kinase B (TrkB) описана при limbic эпилепсии у животных моделей (Danzer et al., 2004). Дефицитные по нейрон-специфичному TrkB мыши и трансгенные мыши с избыточной экспрессией BDNF демонстрируют, что активация TrkB необходима для возникновения эпилепсии (Croll et al., 1999; He et al., 2004). Эти результаты также подтверждают, что BDNF-TrkB-обеспечиваемая передача нижестоящих сигналов является критической для возникновения эпилепсии. PLCγ1 является ключевым медиатором для передачи сигналов TrkB рецептора и активация передачи сигналов TrkB-PLCγ1 индуцируется в модели возбуждения (kindling) (Kaplan and Miller, 2000). TrkBPLC/PLC knock-in мыши, лишенные места прикрепления TrkB-PLCγ1, и PLCγ1 гетерозиготные мыши обнаруживают пониженный limbic epileptogenesis [13, 25]. Эти результаты подтверждают, что PLCγ1-обеспечиваемая передача сигналов необходима для лимбической эпилепсии.
Малые эпилептические припадки являются типом генерализованных неконвульсивных судорог и характеризуются кратковременной потерей и возвращением сознания. Малые эпилептические припадки возникают в основном у детей и обычно в течение короткого периода времени (Snead, 1995). Таламо-кортикальная нервная цепь (circuit) дает эпилептические spike-wave discharges (SWD) разряды, которые являются электроэнцефалографическими метками кратковременной потери сознания при эпилепсии (Huguenard and McCormick, 2007). PLCβ4 обнаруживается на высоких уровнях в таламусе, это является неотделимым от нейрофизиологии малых эпилептических припадков. (Watanabe et al., 1998). Важно, что специфичный для таламуса и кортекса нокдаун PLCβ4 и нокаут PLCβ4 во всем теле мыши приводит к спонтанным малым эпилептическим припадкам с одновременными поведенческими арестами (behavioral arrests) и возникновением спонтанных spike-wave discharges (SWDs). Важно, что T-типа Ca2+ каналы в таламо-кортикальных нейронах , как было установлено, участвуют в SWDs у этих мышей (Cheong et al., 2009).

3. Schizophrenia


Шизофрения - нарушения головного мозга, сопровождаемые нарушениями познавательных функций, таких как внимание, мотивация, исполнение и эмоции. Сложность механизмов, лежащих в основе шизофрении связана с нарушениями нескольких регионов головного мозга (напр., префронтальной коры, гиппокампа и amygdala) (Shenton et al., 2001). Хотя молекулярные механизмы, лежащие в основе патофизиологии шизофрении до конца непонятны, генетические и молекулярные исследования идентифицировали ряд генов чувствительности и связанные с этим пути, включая dopaminergic (Seeman and Lee, 1975), serotoninergic (Lopez-Figueroa et al., 2004), muscarinic (Dean et al., 1996) и glutamatergic передачу сигналов (Nudmamud-Thanoi and Reynolds, 2004). Удивительно, продолжительная стимуляция dopamine или SKF83959 (D1-D2 агонист допаминовых рецепторов) вызывает апоптоз нейронов посредством PLC-обусловленной передачи сигналов в кортикальных нейронах (Zhang et al., 2011). Кроме того, PLCβ1 участвует в передаче сигналов мускариновых рецепторов (Kim et al., 1997) в гиппокампе и глютаматовыми рецепторами (mGluR5)-обеспечиваемой передаче сигналов в неокортексе (Hannan et al., 2001). Измененная экспрессия PLCβ1 обнаруживается в префронтальной зоне и superior височной коре пациентов с шизофренией, указывая на вовлечение PLCβ1-обеспечиваемой передачи сигналов в патогенезе шизофрении (Lin et al., 1999). Более того, нарушение каскада serotonin2A receptor-(Gqα)-PLCβ1 обнаружено в левом, но не в правом superior temporal gyrus у пациентов с шизофренией (Shirakawa et al., 2001). Критическая роль PLCβ1 в патогенезе шизофрении подтверждается наблюдением делеций гена PLCβ1 (Lo Vasco et al., 2012) и снижением уровней мРНК PLCβ1 в дорсолатеральном префронтальном кортексе у пациентов с шизофренией (Udawela et al., 2011). В соответствии с этими наблюдениями нокаутные PLCβ1 мыши обнаруживают аномальное поведение, связанное с шизофренией, включая гиперактивность, нарушенное prepulse подавление акустического старт-рефлекса, аномальное социальное поведение, а также отсутствие поведения barbering и гнездования. (Koh et al., 2008; McOmish et al., 2008). Аномальное поведение, обнаруживаемое у PLCβ1 нокаутных мышей, было также связано с muscarinic acetylcholine, vasopressin V1b, oxytocin и metabotropic glutamatergic рецепторами, которые сцеплены с передачей сигналов GPCR-PLCβ1 (Koh, 2013).
Несколько исследований подтвердили, что передача сигналов BDNF-TrkB важна для патогенеза шизофрении. Уровни мРНК BDNF и TrkB были снижены в префронтальной коре у пациентов с шизофренией, показывая, что передача сигналов BDNF-TrkB участвует в патогенезе шизофрении (Hashimoto et al., 2005; Weickert et al., 2003). Кроме того, PLCγ1-обеспечиваемая передача сигналов влияет на регуляцию N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) посредством neuregulin 1 (NRG1) (Gu et al., 2005), гена чувствительности к шизофрении (Stefansson et al., 2002; Yang et al., 2003). Значимость передачи сигналов TrkB-PLCγ1 и NRG1-ErbB4 (NRG1 рецептор) важна для патогенеза шизофрении (Pandya and Pillai, 2014). Эти находки указывают на возможное участие передачи сигналов TrkB-PLCγ1 в патогенезе шизофрении.

4. Bipolar disorder


Bipolar disorder (BD)- это нейропсихатрические нарушения, характеризующиеся маниакальными и депрессивными эпизодами. Клинические и генетические исследования выявили гены чувствительности к BD (Baum et al., 2008; Sklar et al., 2008; Wellcome Trust Case Control, 2007). Radhakrishna et al. обнаружили локус чувствительности к BD на хромосоме 20p11.2-q11.2, который кодирует alpha-2 адренергические рецепторы, G протеиновую субъединицу и два энзима. Одним из этих энзимов является PLCγ1, который участвует в цикле phosphatidylinositol. Литий, лекарство для BD, как было установлено химически, ингибирует цикл phosphatidylinositol, предоставляя тем самым дальнейшее доказательство теории, что PLCγ1 связана с BD (Radhakrishna et al., 2001). В соответствии с этим, пациенты с BD с превосходной реакцией на лечение литием, имеют динуклеотидный повтор в геномном регионе PLCγ1 (Turecki et al., 1998). Поскольку динуклеотидный повтор расположен в области интрона, не имеющего очевидного функционального значения, то эта находка указывает на то, что специфические аллели с этим повтором могут находиться в неравновесном сцеплении с соседним полиморфизмом, что влияет на патогенез BD. Дальнейшие исследования выявили три полиморфных сайта, расположенных в трех разных экзонах гена PLCγ1 (Ftouhi-Paquin et al., 2001). Однако, эта находка не была подтверждена в выборке из популяции леченных литием норвежских пациентов с BD. Эта популяция обнаруживала достоверное увеличение PLCG1-8 повторов только среди реагирующих на литий по сравнению с контрольными субъектами, базируясь на анализе присутствия или отсутствия разных динуклеотидных аллелей (Lovlie et al., 2001). Несколько исследований подтвердили, что BDNF, активатор передачи сигналов PLCγ1, играет роль в возникновении и лечении BD. Уровни BDNF в сыворотке снижены как в депрессивной, так и маниакальной фазе, указывая, что передача сигналов PLCγ1 снижена во время патогенеза BD (Cunha et al., 2006; Sklar et al., 2002). Т.о., BDNF был идентифицирован как потенциальный аллель риска для BD (Okada et al., 2006).

5. Huntington's disease


Болезнь Гентингтона (HD) с поздним началом наследственное нейродегенеративное заболевание, характеризуется неконтролируемыми движениями, эмоциональными проблемами, и пониженной познавательной способностью. Болезнь Гентингтона вызывается увеличенными, нестабильными тринуклеотидными повторами в гене huntingtin (htt). Эта мутация транслируется в участки глютаминовых остатков вблизи N-конца htt, которые вызывают токсическую избыточность функции, особенно в полосатом теле и коре (Gusella and MacDonald, 2000). Несколько сложных молекулярных механизмов обусловливают дисфункцию и гибель нейронов полосатого тела. Согласно этим механизмам ряд исследований предполагает, что BDNF контролирует жизнеспособность и функцию нейронов полосатого тела и что передача сигналов BDNF-TrkB ин\грает критическую роль в патогенезе HD (Baquet et al., 2004; Gorski et al., 2003). В подтверждение этих исследований уровни экспрессии BDNF были снижены caudate нейронах, но не в кортикальных нейронах у субъектов с HD (Ferrer et al., 2000). Эти результаты показывают, что передача сигналов BDNF-TrkB-PLCγ1 влияет на патогенез HD. В подтверждение этих находок, R6/1; BDNF+/- мыши( мышиная модель HD (R6/1) с низкими уровнями BDNF) обнаруживает ранние и сильные нарушения познавательной способности по сравнению с R6/1 мышами с нарушениями в гиппокампе long term potentiation (LTP) (Giralt et al., 2009). Предыдущие исследования также подтвердили важную роль PLCγ1 в LTP гиппокампа (Minichiello et al., 2002).
Анализ профиля генной экспрессии (GEP) при HD в фибробластах периферической ткани кожи показал, что уровни мРНК PLCβ4 повышены в HD фибробластах по сравнению с контрольными клетками. Необходимы дальнейшие исследования для демонстрации роли PLCβ4 в HD (Marchina et al., 2014).

6. Depression


Депрессия (большое депрессивное нарушение) является распространенным и серьезным нарушением настроения. Снижение объёма нейронов и потеря нейронов, вызываются стрессами и депрессивными состояниями в гиппокампе. Поврежденный гиппокамп нормализуется с помощью хронического лечения антидепрессантами (Warner-Schmidt and Duman, 2006). Интересно, что лечение антидепрессантами повышает уровни BDNF и одновременно ослабляет депрессию (Duman, 2002; Dwivedi et al., 2005), и индуцирует активацию передачи сигналов TrkB-PLCγ1 (Rantamaki et al., 2007). Лечение антидепрессантами также увеличивает фосфорилирование CREB, который располагается ниже пути передачи сигналов TrkB-PLCγ1. Избыточная экспрессия CREB в гиппокампе приводит к поведенческим эффектам типа антидепрессантов у крыс (Chen et al., 2001). В подтверждение этих находок, головной мозг жертв самоубийств, большинство из которых страдает от депрессии, обнаруживает пониженную экспрессию BDNF по сравнению с головным мозгом здоровых (Karege et al., 2005).
Аналитическая стратегия путей выявила 17 достоверно значимых путей, ассоциированных с депрессией. Из них связанный с PLCβ1 путь передачи сигналов был основным, ассоциированным с депрессией (Kao et al., 2012). Интересно, что анализ микромассивов показал, что хроническое лечение с помощью quetiapine (QTP), с действием, подобным антидепрессантам, изменяет уровень мРНК PLCβ1, которая оказалась молекулярной мишенью QTP (Orsetti et al., 2009). Эти результаты подтверждают ассоциацию PLCβ1 с депрессией.

7. Alzheimer's disease


Болезнь Алцгеймера (AD) является связанным с возрастом нейродегенеративным заболеванием с прогрессирующей потерей памяти и снижением познавательной способности. AD на микроскопическом уровне характеризуется внеклеточными амилоидными бляшками и нейрофибриллярными клубками внутри нейронов, состоящими из пептидов amyloid-β (Aβ) и tau (белок ассоциированный с микротрубочками), соотв. Согласно гипотезе tau, клубочки tau первыми разрушают нервные клетки и нарушают их нормальную функцию, важную для памяти (Aleong et al., 2003; Querfurth and LaFerla, 2010). Важно, что tau соединяется с SH3 доменом PLCγ1, подтверждая физиологическое значение PLCγ1 в патогенезе AD (Jenkins and Johnson, 1998; Reynolds et al., 2008). Помимо белков tau также arachidonic кислота активирует активность PLCγ1 in vitro . Эти результаты подтверждают, что активация цитозольного PLA2, медиатора, индуцируемого агонистом высвобождения arachidonic кислоты, может быть необходимой для индуцируемой tau активности PLCγ1 в нейрональных клетках. (Hwang et al., 1996). В соответствии с этими наблюдениями, PLCγ1 достоверно уменьшается в мембранозной фракции тканей коры при AD (Shimohama et al., 1995).
Ряд исследований предполагает участие передачи сигналов BDNF-TrkB в AD. Уровни мРНК и белка BDNF, также как и передачи сигналов BDNF-TrkB были снижены в гиппокампе и неокортексе головного мозга пациентов с AD (Allen et al., 1999; Connor et al.,1997; Fahnestock et al., 2002; Ferrer et al.,1999). BDNF защищает от олигомерами amyloid-β 1e42 пептидами вызываемой клеточной гибели нейронов (Kitiyanant et al., 2012). Более того, дефосфорилирование tau вызывается с помощью BDNF (Elliott et al., 2005). Хотя прямые доказательства роли PLCγ1 в патогенезе AD всё ещё отсутствуют, предыдущие исследования, связанные с передачей сигналов BDNF-TrkB при AD строго подтверждают участие PLCγ1 в патогенезе AD.

8. Conclusion


Активация первичных PLCs регулирует различные сигнальные события в головном мозге. Среди primary PLCs, PLCβ1, PLCβ4 и PLCγ1 обнаруживаются на высоком уровне в головном мозге. Разные механизмы распределения и регуляции каждого из первичных PLC изоэнзимов вносят вклад в их специфическую роль в разных регионах головного мозга. Хотя результаты многих исследований подтверждают ассоциацию первичных PLCs с разными нарушениями головного мозга, всё ещё остается много вопросов. Необходимо понять более точно механизм, лежащий в основе того, как каждая первичная PLC участвует в патогенезе нарушений головного мозга, чтобы лечить психиатрические и нейродегенеративные заболевания.