Посещений:
ШИЗОФРЕНИЯ
Роль передачи сигналов Wnt
|
An emerging role for Wnt and GSK3 signaling pathways in schizophrenia KK Singh Clinical Genetics
Volume 83, Issue 6, pages 511–517, June 2013 |
Schizophrenia is a disabling illness with limited treatment options. The underlying pathophysiology remains unknown, partially due to its heterogeneous nature, and a lack of understanding of the biological functions of genetic risk factors. Several signaling pathways have been implicated, however, with the varying degrees of support. In this article, I will focus on the converging evidence supporting a prominent role for Wnt and glycogen synthase kinase 3 (GSK3) signaling in the biological bases of schizophrenia. This includes current pharmacological therapies that target GSK3, animal model and cell-based studies, and recent human genetic findings that implicate Wnt and GSK3 signaling.
|
Передача сигналов Wnt довольно консервативный путь, который играет множество ролей в развитии организма. Этот сигнальный путь также играет выдающуюся роль в нервной системе, от нейрального развития до функции нервных дуг (circuit) у взрослых. Благодаря широким пределам передачи сигналов Wnt, не удивительно, что этот путь участвует в различных нейропсихиатрических и нейродегенеративных нарушениях, а также в повреждениях головного и спинного мозга [1]. Мы сфокусируемся на доказательствах, подтверждающих роль передачи сигналов Wnt при шизофрении.
Schizophrenia is a brain development disorder
Шизофрения является широко распространенным хроническим психиатрическим заболеванием, которое среди прочих является ведущей причиной потери трудоспособности в мире. Современное лечение оказывает свое основное воздействие на психотические или позитивные симптомы (напр. галлюцинации), но не лечит лежащий в основе причинный механизм. Одним из ключевых затруднений разработки эффективной терапии является отсутствие понимания биологических основ болезни. Пациенты обычно диагностируются в поздней молодости и сохраняют симптомы до пожилого возраста, основная гипотеза заключается в том, что шизофрения связана с нарушением развития головного мозга и нервных связей [2-4]. Исследования показали, что in utero и при ранних средовых инсультах, таких как инфекция во время беременности (которая может нарушать развитие головного мозга у плода), увеличивается риск шизофрении [5]. Др. доказательства включают наблюдения, что пациенты с шизофренией обнаруживают задержку в когнитивных вехах своего раннего детского развития [6]. В этой связи пациенты с шизофренией имеют 1.0-2.0 стандартных отклонения ниже среднего в генеральной популяции в своей познавательной способности, это отражает ранний дефицит функции головного мозга [7-9]. Итак, эти данные подтверждают, развитие головного мозга, скорее всего, нарушено у пациентов и это указывает на то, что специфические для головного мозга сигнальные пути во время развития, такие как передача сигналов Wnt, могут быть важным фактором в этиологии болезни.
Introduction to Wnt signaling
Канонический путь состоит из передачи сигналов, инициируемой Wnt рецепторами, связан с β-catenin и транскрипцией Wnt-зависимых генов мишеней. Канонический Wnt путь был описан детально [10]. Коротко, в отсутствие связывания Wnt лиганда со своим рецепторным комплексом, происходит внутриклеточная деструкция комплекса с помощью glycogen synthase kinase 3β (GSK3β), Axin, adenomatous polyposis coli (APC) и casein kinase 1 a (CK1a) (Fig. 1). Этот комплекс удерживает ключевого игрока пути, β-catenin, фосфорилируемого и направляемого его на β-transducin repeat containing protein (βTRCP)-обусловленную протеосомную деградацию, снижая тем самым концентрацию цитозольного β-catenin. Однако, когда Wnt лиганды соединяются со своим рецепторным комплексом [членом семейства frizzled (FZ) и с низкой плотностью lipoprotein 5/6 (Lrp5/6)], то это вызывает рекрутирование APC и Disheveled (Dvl) на мембрану, облегчая диссоциацию деструктивного комплекса. Это ведет к снижению фосфорилирования β-catenin, и увеличивает его стабильность в цитоплазме, и происходит транслокация β-catenin в ядро, где он соединяется с др. кофакторами, чтобы инициировать T-cell factor/lymphoid enhancing factor (TCF/LEF)-обеспечиваемую транскрипцию генов.
Figure 1. Wnt signaling pathways. There are three main Wnt signaling pathways: (a) canonical Wnt signaling, (b) Wnt-calcium signaling and (c) non-canonical Wnt/planar cell polarity signaling.
Имеется несколько неканонических Wnt сигнальных путей, которые в которых не участвует β-catenin-обусловленная транскрипция, включая передачу сигналов планарной клеточной полярности (PCP) и Wnt/calcium путь (Fig. 1). При передаче сигналов PCP, FZ функционирует посредством G белков, чтобы активировать Dvl, это в свою очередь должно привести к активации Rho и Rac белков, которые в конечном итоге регулируют цитоскелет. В сигнальном пути Wnt/Ca 2+, активация FZ приводит к Dvl-обусловленному увеличению внутриклеточного Ca 2+, которое затем вызывает активацию protein kinase C (PKC) и calcium/calmodulin protein kinase II (CaMKII). Стоящие ниже этих белков некоторые потенциальные субстраты могут оказывать эффект на широкий круг функций в ЦНС, включая образование нервных петель и синаптическую пластичность [11].
Psychiatric pharmaceuticals and Wnt signaling
Одной из первых линий терапии пациентов с шизофренией являются низкомолекулярные лекарства. Существует непонятное тесное взаимоотношение между разными классами лекарств, используемых сегодня для лечениях психиатрических нарушений и передачей сигналов Wnt. Wnt передача сигналов, по-видимому, прямо или косвенно является мишенью для воздействия лекарств, подтверждая, что эта сигнальная сеть может иметь прямое отношение к патогенезу и потенциально к этиологии, психиатрических нарушений (Fig. 2).
Figure 2. Psychiatric disease pathways impinge upon glycogen synthase kinase 3 signaling networks. Diagram illustrating how human genetic findings, pharmacological drug treatments directly or indirectly influence canonical and non-canonical Wnt signaling pathways.
The intersection of dopamine and Wnt signaling: antipsychotics
Передача сигналов dopamine (DA) является одной из основных мишеней для хорошо известных лекарств, которые оказывают психиатрически-похожие эффекты, и и является также мишенью фармацевтических препаратов, таких как антипсихотические средства (напр. clozapine). Новый путь, стоящий ниже рецепторов DA, недавно стал принимать форму, при этом передача сигналов DA наталкивается на GSK3β [12]. Активация D2 рецепторов с помощью DA приводит к ингибированию энзима Akt, который снижает ингибирующее фосфорилирование GSK3β, тем самым делает GSK3β более активным. Хроническое использование различных лекарств, которые увеличивают уровни DA в головном мозге дикого типа, таких как amphetamine, apomorphine или methamphetamine, также приводит к увеличению ингибирующего фосфорилирования Akt к увеличению активации GSK3β [13]. Более того, антипсихотические лекарства ингибируют DA рецепторы [14], включая лекарство haloperidol, который способен усиливать активацию Akt in vivo у мышей [15]. Эти данные подтверждают строгое взаимоотношение между уровнями DA и передачей сигналов Akt/GSK3β и потенциально передачей сигналов Wnt. В этой связи DA рецептор D2, как было установлено, ингибирует передачу сигналов Wnt на уровне TCF/LEF-обеспечиваемой транскрипции [16]. Интересно, что D2 рецептор, как было установлено, оказывает свой эффект за счет непосредственного связывания и секвестрации β-catenin [16]. Дополнительное подтверждение этим наблюдениям получены из Rushlow лаб., где наблюдалось, что хроническое введение clozapine и haloperidol в префронтальный кортекс и striatum крыс регулирует уровни белка GSK3β, β-catenin, Dvl и Axin [17]. Последующие исследования из той же лаб. продемонстрировали, что антипсихотическое лечение повышает уровни Dvl3 и увеличивает связывание GSK3β c D2 рецептором [18]. Эти данные подтверждают, что одним из эффектов антипсихотического лечения является ингибирование передачи сигналов D2 и регулирование передачи сигналов Wnt.
Lithium
Lithium является одним из наиболее широко используемых лекарств при биполярных нарушениях и иногда используется в комбинации с др. лекарствами для лечения шизофрении. Одним из главных механизмов действия лития является прямое ингибирование активности GSK3β за счет конкуренции с магнием, а также косвенное ингибирование его за счет повышения ингибирующего фосфорилирования GSK3β по serine 9 [19-21]. Кроме того, способность лития ингибировать GSK3β может приводить к накоплению β-catenin. Поэтому следствием применения лития in vivo или к культивируемым клеткам, включая клетки нейральных предшественников и нейроны, приводит к усилению TCF/LEF-обеспечиваемой транскрипции генов gene transcription [22, 23]. Эта прямая активация канонической передачи сигналов Wnt подтверждает возможную роль этого пути в обеспечении уравновешивающих настроение эффектов лития.
Данные из лаб. Caron также продемонстрировали, что литий дестабилизирует трехчастные комплексы, состоящие из β-arrestin/Akt/PP2A, которые регулируются с помощью передачи сигналов D2 рецепторов [24]. Дополнительные исследования лаб. Klein показали, что GSK3β регулирует стабильность трехсоставного комплекса β-arrestin-2/Akt/PP2A за счет непосредственных взаимодействий и что хроническое применение лития в физиологических концентрациях разрушает комплекс за счет ингибитора GSK3 [25]. Это заключение далее было подтверждено экспериментами с использованием непосредственных ATФ-конкурентноспособных GSK3 ингибиторов, а также экспериментами потери функции у Gsk3 +/- гетерозиготных мышей, у которых сходным образом разрушался трехсоставной комплекс β-arrestin-2/Akt/PP2A [26]. Напротив, модели с избыточностью генетической функции, которые избыточно экспрессировали трансген GSK3β со специфичного для головного мозга prion промотора, восстанавливал уровни трехсоставного комплекса β-arrestin-2/Akt/PP2A после воздействия литием [27]. Это строго свидетельствует в пользу, что одним из основных действий лития является регуляция передачи сигналов Wnt непосредственно, что влияет на функцию головного мозга и поведение.
Metabotropic glutamate receptors
Недавно повысился интерес к использованию metabotropic glutamate receptors 2/3 (mGlu(2/3)) как потенциального нового терапевтического механизма для шизофрении, которое не использует прямое моделирование D2 рецепторов. Rushlow с коллегами сообщили о лечении с помощью агонистов mGlu2/3, которые обладая антипсихотическо-подобной активностью, приводили как к активации Akt, так и к ингибирующему фосфорилированию GSK3 вместе с накоплением Dvl2 и Dvl3 и β-catenin после повторного воздействия [18]. Более того, они показали, что mGlu2/3 комплекс физически взаимодействует с Dvl2. Эти результаты предоставляют др. пример класса не-dopaminergic фармакологических агентов, которые модулируют путь Wnt и сигнальную сеть Akt-GSK3.
Psychiatric genetics and Wnt signaling
Психиатрические болезни очень сложные и наследуемые нарушения, имеющие тенденцию концентрироваться в семьях. Это говорит в пользу генетической этиологической роли психиатрических заболеваний и служит в качестве основы, из которой исходили генетические исследования последних лет. Открытие генов риска стало высоко популярным, после открытия потенциала выявления основ шизофрении и новых молекулярных мишеней, которые могут быть использованы для разработки новых лекарств. Интересно, что некоторые гены, которые способны сильно модулировать передачу сигналов Wnt, участвуют непосредственно.
Single genes associated with Schizophrenia
DISC1
Одним из первых идентифицированных и лучше всего изученных генов риска шизофрении является DISC1. DISC1 впервые был выявлен в Шотландской семье с многими поколениями, страдавшими от шизофренией, биполярными нарушениями и глубокой депрессией [28-30]. DISC1 был открыт благодаря сбалансированной транслокации между хромосомами 1 и 11 человека. Открытие DISC1 в качестве фактора риска с тех пор было сделано в одной из родословных Американской семьи [31], однако, др. варианты DISC1не были найдены в др. генетических исследованиях. Лаборатория Tsai впервые связала DISC1 с передачей сигналов Wnt, когда было установлено, что DISC1 сам по себе способен ингибировать функцию GSK3β [32]. Более того, DISC1, как было установлено, регулирует стабильность β-catenin посредством GSK3β, приводя к повышению уровней β-catenin, которые способны стимулировать транскрипцию TCF/LEF-опосредованных генов. Связь между DISC1 и передачей сигналов Wnt стала ещё сильнее после наблюдения, что ген передачи сигналов Wnt, наз. Dix domain containing 1 ( Dixdc1) является прямым партнером по взаимодействию с DISC1 и совместно этот комплекс регулирует каноническую передачу сигналов Wnt [33]. В целом открытие DISC1 как регулятора GSK3β и передачи сигналов Wnt довольно интересно, учитывая, что его функция сходна с таковой у стабилизатора настроения лития, который также ингибирует функцию GSK3β и может регулировать передачу сигналов Wnt. Следовательно, различные нейро-онтогенетические и взрослые функции DISC1 головного мозга и его эффект на поведение мышей (см. ниже), указывают, что DISC1 остается важным для психиатрических болезней.
Akt
Имеются доказательства, что Akt является фактором риска для шизофрении. Первые исследования, указывающие на сопричастность Akt, это то, что ген локализован на хромосоме 14q32 человека, т.е. локусе, открытом в семьях с шизофренией [34]. Одной из важных находок стало наблюдение, что ткань головного мозга умерших пациентов с шизофренией имеет очень низкую концентрацию белка Akt1 по сравнению со здоровым контролем [15]. Более того, авт. также установили, что применение haloperidol, антипсихотического лекарства, драматически увеличивающего киназную активность Akt, что ведет к повышенному ингибированию GSK3β [15]. В подтверждение этой находки, Akt оказался также вовлечен в шизофрению при genome-wide association study (GWAS) мета-анализе, осуществлённом Psychiatric GWAS Consortium (PGC) из 17 независимых исследований (p<10 -8) [35]. Поскольку Akt может фосфорилировать GSK3β, то остается неясным, может ли это непосредственно приводить к активации канонической передачи сигналов Wnt. Однако недавнее исследование подтвердило, что киназная активность Akt необходима для способности лития усиливать активность канонического Wnt репортера [22]. Кроме того, Dvl1 и Wnt1 оказались способны увеличивать активность Akt, приводя к стабилизации β-catenin [36]. Следовательно, поскольку генеральной активации Akt недостаточно, чтобы стимулировать передачу сигналов Wnt, то это указывает на то, что при определенных условиях Akt может участвовать и возможно поддерживать передачу сигналов Wnt.
Single nucleotide variants derived from exome sequencing
Недавние исследования осуществили альтернативный подход к изучению шизофрении, используя метод прямого секвенирования, чтобы обнаружить новые мутации в генах в семьях с шизофренией, при этом затронутые индивиды и два незатронутых родителя подверглись секвенированию экзонов [37, 38]. Надежда установить, не являются ли мутации de novo (new) у пациентов с шизофренией (т.e. отсутствующие в ДНК родителей), которые бы являлись вредными и могли бы объяснить болезнь. Удивительно, многие варианты и потенциальные мутации были описаны, которые подтверждали de novo мутационный paradigm для шизофрении. Интересно, что имеется ряд вариантов, которые непосредственно воздействуют на передачу сигналов Wnt. Из работы группы Karayiorgou and Rouleau, недавние относящиеся к делу гены включают low-density lipoprotein 1 (LRP1), DAB2IP, UBR5, VPS35, TRAPP и PIK3CB. Интересно, что многие de novo одиночных нуклеотидов варианты генов передачи сигналов Wnt (напр. CHD7 и CHD8), как было установлено, участвуют в аутизме, подтверждая, что дефекты передачи сигналов Wnt могут в целом лежать в основе нейропсихиатрических заболеваний (Table 1) [39, 40]. Так все эти гены обладают потенциалом регуляции передачи сигналов Wnt, однако, необходимо предостеречь, что нет функциональных дополнительных новых вариантов и мутаций, чтобы подтвердить, что эти мутации являются фактически патогенными и воздействуют на передачу сигналов Wnt. Желательно, чтобы будущие исследования были соотв. адресованы этому вопросу, т.к. множество предполагаемых мутаций будет открыто с помощью секвенирования.
Table 1. De novo single nucleotide variants (SNVs) in Wnt pathway components identified by exome sequencing in schizophrenia
Gene symbol Name Entrez gene ID
DAB2IP DAB2-interacting protein 153090
LRP1 Low density lipoprotein-related protein 1 (alpha-2-macroglobulin receptor) 4035
PIK3CB Phosphoinositide-3-kinase, catalytic, beta polypeptide 5291
TRRAP Transformation/transcription domain-associated protein 8295
UBR5 Ubiquitin protein ligase E3 component n-recognin 5 51366
VPS35 Vacuolar protein sorting 35 homolog 55737
Copy number variations
Недавнее крупномасштабное исследование идентифицировало пенетрантные и редкие факторы риска, названные copy number variations (CNVs) при шизофрении, включая 22q11 (DiGeorge Syndrome region), 1q21.1, 16p13.1, 3q29 и 15q13.3 [41-45], тогда как 16p11.2 микродупликация обусловливает риск по этому локусу [46]. Более того, недавнее исследование также показало, что de novo CNVs увеличивают риск шизофрении и биполярных нарушений [47]. Неожиданно большинство повторяющихся CNVs не являются специфичными для отдельных нервно-психических заболеваний, это делает очень трудным определить, почему CNVs увеличивают риск одной болезни над другой [48-50].
Принимая во внимание, что CNVs являются достоверными факторами риска при шизофрении, существует ли какая-либо связь между генами, которые располагаются внутри этих локусов, и передачей сигналов Wnt? У индивидов с 1q21.1 CNV с микроделецией обнаруживается меньший размер головы, тогда как индивиды с микродупликацией имеют более крупный размер головы по сравнению с контролем того же возраста, подтверждая, что этот CNV регулирует размер головного мозга. Изменения в размерах головного мозга могут контролироваться с помощью различных механизмов, однако одна гипотеза предполагает, что регуляция пула нейральных стволовых клеток во время развития головного мозга играет критическую роль. Один ген в 1q21.1 CNV это B-cell lymphoma 9 (BCL9), который выделяется из-за своей критической функции в передаче сигналов Wnt. BCL9 необходим для удержания β-catenin в ядре, где он облегчает связывание между β-catenin и TCF/LEF, чтобы обеспечивать транскрипцию генов [51-53]. Хотя и спекулятивная, но одна гипотеза предполагает, что альтерации в уровнях BCL9 у пациентов с 1q21.1 CNV ведут к изменению передачи сигналов Wnt, приводя к альтерациям пролиферации нейральных стволовых клеток и размеров головного мозга. В подтверждение этой гипотезы, мыши, в которых уровни β-catenin были стабилизированы и избыточно экспрессированными, обнаруживают достоверно более крупные размеры головного мозга по сравнению с контрольными мышами, демонстрируя, что избыточная активность передачи сигналов Wnt за счет усиления передачи сигналов TCF/LEF достаточна, чтобы увеличить размеры головного мозга [54].
Wnt signaling in animal models of psychiatric disease
Использование животных моделей необходимо для изучения генов, участвующих в шизофрении. Поведенческие фенотипы обнаруживаемые модельными животными (напр. мышами) вряд ли те же самые, что и у человека; однако эти модели всё ещё важны, т.к. они могут выявить лежащие в основе дефекты в circuitry головного мозга, в структуре и времени развития, которые связаны с шизофренией. Более того, отсутствует специфическое связанное с шизофренией поведение у модельных животных, следовательно, мы можем обсуждать передачу сигналов Wnt у модельных мышей, т.к. они используются, чтобы оценить широкую вариабельность поведений, связанных с психиатрическими нарушениями в целом.
Одним из первых исследований на животных по определению участия основых молекул передачи сигналов Wnt стало исследование нокаутных Dvl1 (KO) мышей [55]. У этих мышей возникают проблемы с социальным взаимодействием и prepulse inhibition (PPI) (дефект, наблюдаемый также у пациентов с шизофренией), хотя последующие исследования показали, что эти дефициты являются результатом внешнесредовых воздействий [56]. Однако поскольку Dvl может действовать как в каноническом, так и не каноническом путях передачи сигналов Wnt, то каноническое плечо может иметь особое значение, поскольку мыши с избыточной экспрессией β-catenin во взрослом головном мозге имеют поведенческие фенотипы, сходные с таковыми при воздействии лития и антидепрессантов [57]. Более того, недавнее исследование показало, что APC KO мыши обнаруживают дефицит оперативной памяти, подтверждая, что главные Wnt сигнальные белки строго воздействуют на некоторые когнитивные фенотипы, наблюдаемые у пациентов с шизофренией [58]. Наконец, анализ мышей, лишенных β-catenin в переднем мозге выявил некоторые относительно умеренные аномалии поведения, связанные с психиатрическими нарушениями [59].
Существуют также несколько мышиных моделей DISC1, которые обнаруживают разнообразные интересные нервно-психические фенотипы [60-66]. Удивительно, хотя модели были созданы с использованием различных стратегий, имеются вариации общераспространенных психиатрических фенотипов. Многие из моделей обладают физическими аномалиями головного мозга, согласующиеся с описанными для шизофрении, такими как увеличенный размер боковых желудочков, снижение объема головного мозга, снижение pre-pulse ингибирования и дефицит оперативной памяти. Однако следует предостеречь, что не все мышиные модели обладают один и тем же набором фенотипов, что, скорее всего, обусловлено поражениями DISC1 регионов в каждой модели и с вовлечением популяций разных клеток.
Интересные данные также получены относительно пути Akt-GSK3β в регуляции поведения мышей. Akt1 KO мыши оказываются очень чувствительными к amphetamine-вызванному разрушению PPI и к дефектам оперативной памяти, наблюдаемых у пациентов с шизофренией [15, 67]. Т.к. Akt фосфорилирует и инактивирует GSK3β, то мыши, которые или гетерозиготны по Akt, или имеют целенаправленные инактивирующие сайт фосфорилирования мутации в GSK3β, имеют поведенческие фенотипы, согласующиеся с важной ролью Akt's в обеспечении настроения [26, 68, 69]. Напр., мыши, избыточно экспрессирующие GSK3β, или knock-in мыши, несущие мутации в GSK3a (ser21)или GSK3β (Ser9) сайтах, обладают очень разнообразным поведением, это согласуется с психиатрическими симптомами, такими как повышенная гиперактивность, повышенная чувствительность к amphetamine-вызываемой гиперактивности и вызываемое стрессами депрессивное поведение
[27, 70].
Conclusion
Schizophrenia is a complex and multi-factorial disease, making it difficult to study and model in the laboratory, which contributes to the limited progress in developing novel therapeutic agents. In this article, evidence is presented that supports an important role of the Wnt signaling pathway the etiology and treatment of schizophrenia. However, what is unknown is at what time point during development or during adulthood is the disruption of Wnt signaling a key risk factor for developing symptoms. With the emerging new genetic findings, together with the development of new animal and human stem cell models, it will be possible to obtain a deeper understanding of the etiology of neuropsychiatric disorders, and how Wnt signaling fits into this fast evolving and complicated puzzle.
|