Болезнь Хантингтона - это неврологическое заболевание, входящее в большую семью «протеопатий», таких как другие так называемые полиглютаминовые расстройства, боковой амиотрофический склероз, болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона. Все эти заболевания характеризуются поздним началом в середине или конце зрелого возраста. Однако, по крайней мере в их наследственных формах, белки, вызывающие заболевания, экспрессируются с первых дней жизни и играют важную роль в развитии мозга, от генезиса нейронных клеток до их дифференцировки и интеграции в функциональные сети.

Болезнь Хантингтона наследуется доминантно, с полной возрастной пенетрантностью, и проявляется психическими, когнитивными и двигательными нарушениями. Она характеризуется выраженной дисфункцией нейронов и потерей (1) средних колючих нейронов из стриатума и (2) пирамидных нейронов коры II/III и V слоев в коре головного мозга. Заболевание вызывается аномальной экспансией CAG в гене HTT, что приводит к аномальной полиглутаминовой экспансии в N-концевой части белка Huntingtin. В популяции людей, не страдающих болезнью Хантингтона, последовательность CAG повторяется от 9 до 35 раз; экспансия CAG, превышающая 35 повторов, приводит к развитию болезни Хантингтона. Болезнь Хантингтона обычно проявляется в зрелом возрасте. Однако существует и ювенильная форма болезни Хантингтона, которая проявляется в возрасте до 21 года. Эта форма встречается редко, часто связана с экспансией длинных триплетов CAG и проявляется клиническими признаками, отличными от тех, что наблюдаются при болезни Хантингтона во взрослом возрасте. Среди этих признаков преобладание умственной отсталости и эпилептических припадков позволяет предположить, что длинные экспансии CAG могут приводить к развитию этой формы болезни Хантингтона.

Хотя в большинстве случаев болезнь Хантингтона проявляется поздно, давно известно, что хантингтин широко экспрессируется в раннем развивающемся эмбрионе мыши. После идентификации гена, кодирующего хантингтин, несколько исследований показали, что он необходим для эмбрионального развития, поскольку инактивация гена хантингтина мыши приводит к эмбриональной летальности на 7,5 день эмбриогенеза (E7,5) (обзор в [1], [2]). Создание гипоморфной модели с пониженным уровнем хантингтина выявило его критическую функцию в процессе нейрогенеза. Потеря хантингтина приводит к дефектам в формировании предшественников эпибласта. Хантингтин также важен для раннего формирования паттерна эмбриона и формирования передней области примитивной полоски и нервной системы.

В соответствии с его ролью в развитии, условное отсутствие хантингтина приводит к порокам развития коры и стриатума в раннем постнатальном периоде, а детеныши погибают вскоре после рождения. Анализ химерных эмбрионов, в которых ограниченное число клеток лишено хантингтина, также показал, что этот белок необходим для дифференцировки нейробластов в области стриатума, коры и таламуса. Еще одним примером, демонстрирующим функцию хантингтина в процессе формирования нервной системы, является его специфическая инактивация в клеточных линиях Wnt1, что приводит к снижению цилиогенеза и тяжелой гидроцефалии. Однако формирование нервной трубки и морфогенез головного мозга при болезни Хантингтона до сих пор остаются во многом неизученными. Тем не менее, как мы расскажем здесь, появляется все больше доказательств того, что развитие мозга у людей с болезнью Хантингтина аномально и способствует развитию заболевания во взрослом возрасте.

Невропатология болезни Хантингтона характеризуется дисфункцией и гибелью нейронов стриатума и тех, которые проецируются из коры в стриатум и из коры в кору. Поскольку стриатум является первой областью, в которой наблюдается потеря нейронов при болезни Хантингтона, его дегенерация первоначально была в центре внимания. Несмотря на центральную роль стриатума при болезни Хантингтона, области мозга взаимосвязаны, и сложность патологических процессов требует рассматривать дегенерацию стриатума в контексте цепи. В согласии с этим, накапливающиеся данные поддерживают идею о том, что дегенерация стриатума при болезни Хантингтона на самом деле обусловлена дефектами передачи сигналов из коры в стриатум [3-5], и может быть связана как с потерей функции дикого типа хантингтина, так и с дисфункцией мутантной формы [1]. Одно из потенциальных объяснений связано с изменением сигнализации нейротрофического фактора мозга (BDNF). Действительно, выживание стриатума в значительной степени зависит от BDNF, и большая часть BDNF, поступающего в стриатум, вырабатывается кортико-стриатальными проецирующими нейронами. Хантингтин способствует транскрипции BDNF и способствует аксональному транспорту и доставке везикул, содержащих BDNF, к кортико-стриатальным синапсам [1]. При заболевании мутантный хантингтин нарушает эти этапы, тем самым снижая трофическую поддержку стриа-тальных нейронов.

Нейровизуализационные исследования досимптоматических носителей мутации болезни Хантингтона убедительно доказывают, что дефицит функциональных связей, вероятно, предшествует дегенерации нейронов на десятилетие. Это относится как к кортико-стриатальным цепям, так и к другим кортикопроизводным цепям, таким как кортико-кортикальные связи проекционных нейронов мозолистого тела через мозолистое тело, которое интегрирует функции между полушариями. Потеря объема коры происходит задолго до появления каких-либо симптомов [6]. Более того, Tang и др. обнаружили значительные изменения в метаболической активности коры даже у досимптоматических носителей мутации болезни Хантингтона [7]. Кортико-стриатальные связи изменяются на ранних стадиях болезни Хантингтона, за десятилетия до открытой нейродегенерации, как показали нейровизуализационные исследования у преманифестных носителей гена болезни Хантингтона [7-9]. Таким образом, стриатальная дегенерация может быть первой нейрональной дегенерацией, возникающей вследствие дисфункции коры головного мозга; потеря кортико-стриатальной связи в конечном итоге приводит к дегенерации коры головного мозга. В соответствии с этой гипотезой, нейроны, проецирующиеся на стриатум (нейроны слоя V), особенно восприимчивы у пациентов с болезнью Хантингтона.

Аналогичным образом, нейроны II/III слоев коры, проецирующиеся через мозолистое тело в контралатеральное полушарие, также являются специфическим местом дегенерации у пациентов с болезнью Хантингтона, а многочисленные нейровизуализационные исследования показали, что мозолистый мозг у носителей гена болезни Хантингтона истончается еще до потери нейронов (обзор приведен в [10]). Таким образом, как и в случае с кортико-стриатальной связью, дисфункция коры на ранних стадиях болезни Хантингтона может объяснить уменьшение толщины мозолистого тела, наблюдаемое у досимптоматических носителей гена.

В целом эти данные позволяют предположить, что ранняя дисфункция коры головного мозга, наблюдаемая у пациентов с болезнью Хантингтона, может быть результатом аномального развития. В соответствии с этой идеей носители мутаций болезни Хантингтона имеют меньший внутричерепной объем взрослого мозга до начала заболевания по сравнению с контрольной группой, что, вероятно, отражает аномалии развития [8]. Кроме того, базовые антропометрические измерения показали, что у детей из группы риска развития болезни Хантингтона непропорционально маленькая голова, что свидетельствует об аномальном росте мозга.

Кора головного мозга взрослого человека состоит из шести слоев, которые формируются в процессе развития по принципу «изнутри наружу» (самый глубокий слой формируется первым, а верхний - последним) посредством последовательных волн производства нейронов (рис. 1). Клеточные механизмы, задействованные в каждой волне, сходны: предшественники подвергаются интеркинетической ядерной миграции, перемещению своих ядер в соответствии с клеточным циклом, что обеспечивает их самообновление (путем симметричного деления) и дифференцировку в постмитотические нейроны (путем асимметричного деления). Новорожденные нейроны приобретают мультиполярную морфологию, поляризуются, развивая аксон, и мигрируют радиально вдоль кортикальной пластинки, чтобы занять свое окончательное положение. Это сопровождается фазой дендритного и аксонального морфогенеза в течение позднего периода беременности и раннего постнатального периода жизни, что является важным шагом для их интеграции в микросхемы и создания функциональных сетей. В дополнение к этой оси дифференцировки в нейроны (ось дифференцировки), важным вопросом в данной области является то, приобретается ли спецификация нейронов в различные типы на ранних этапах дифференцировки нейронов или после. Недавнее исследование, основанное на анализе РНК-секвенирования коры головного мозга мыши и человека, предоставило доказательства того, что природа предшественников меняется в ходе кортикогенеза (ось рождения), чтобы последовательно генерировать различные типы возбуждающих нейронов взрослой коры [11].



Fig. 1. Timeline of cortical development in mice. During cortical neurogenesis, multipotent stem cells proliferate and divide to generate the radial glial cells (RGCs) that constitute the ventricular zone (VZ). Their nuclei migrate between the apical and basal surfaces in a movement called interkinetic nuclear migration, coordinated with the cell cycle (1). RGCs maintain the progenitor pool by symmetric division and by asymmetric division, generate neurons that form the first layers (deep layers) by direct neurogenesis (2); at later time points, intermediate progenitors generate upper layer neurons by indirect neurogenesis in the subventricular zone (SVZ). Newborn neurons radially migrate along the fibres of RGCs to reach their final position according to an inside-out model in which the upper layer neurons migrate through the deeper layer neurons. At the same time, neuronal maturation starts with polarization and axonal growth during the multipolar/bipolar transition (3), which ends at post-natal life with dendritic morphogenesis (4). CP: cortical plate; IPC: intermediate progenitor cell; Ma: asymmetric mitosis; Ms: symmetric mitosis; MZ: marginal zone; PN: post-mitotic neuron; RGC: radial glial cell.

Поразительно, но за последние 10 лет мы поняли, что белок хантингтин важен для нескольких из этих этапов. Хантингтин поддерживает пул циклических предшественников через регуляцию ориентации их митотического веретена [12], а затем регулирует RAB11-зависимый трафик N-кадхерина, обеспечивая правильный мультиполярно-биполярный переход новорожденных нейронов и их последующую миграцию [13]. Совсем недавно мы обнаружили, что хантингтин способствует аксональному росту через регуляцию актинового и микротрубочного цитоскелетов [14], [15].

При болезни Хантингтона образцы, полученные от людей и мышей, показали, что мутантный хантингтин вызывает аномалии INM и неправильную ориентацию митотического веретена, а также смещает судьбу предшественников в сторону тех, которые больше вовлечены в нейрональную линию [12], [13], [16], [17]. У мышей с болезнью Хантингтона мутантный хантингтин также препятствует миграции постмитотических нейронов и их созреванию в постнатальном периоде [13], [18-20]. Наконец, при болезни Хантингтона нарушается аксональный рост из-за дефектов связывания микротрубочек в конусе роста, что уменьшает количество нейронов II/III слоев, соединяющих полушария через мозолистое тело. Таким образом, болезнь Хантингтона вмешивается в развитие коры головного мозга мыши на каждом этапе. В результате мозг молодой зрелой мыши с болезнью Хантингтона содержит меньше нейронов, чем мозг контрольной особи, и не все нейроны достигают своего конечного пункта назначения, а у тех, которые достигают, изменяется их связь.

Хотя эти данные весьма наводят на размышления, в данной области не хватало доказательств того, что болезнь Хантингтона влияет на нейроразвитие человека. Исследования нейронов, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC) от людей с болезнью Хантингтона, подтвердили наличие измененной программы развития, поскольку выявили изменения в экспрессии генов развития и дифференцировке нейронов (обзор представлен в [21]). Мутантный хантингтин также изменяет качественные особенности нейронов в кортикальных популяциях органоидов мозга людей с болезнью Хантингтона и в нейрулоидных образованиях. В 2020 году Mangin и др. отметили отсутствие асимметрии между правой и левой Сильвиевой щелью у людей с болезнью Хантингтона на основе тщательного нейровизуализационного анализа глубины корональной сулькальной зоны [22]. Поскольку Сильвиева щель формируется у людей примерно на четырнадцатой неделе беременности, авторы предположили, что дефект Сильвиевой щели, вероятно, возник в процессе эмбриогенеза [22]. Вскоре после этого исследования нам удалось изучить фетальные ткани носителей мутации с небольшими патологическими расширениями, которые обычно вызывают поздние проявления болезни Хантингтона [16]. Мы продемонстрировали молекулярные изменения в клетках-предшественниках нейронов, такие как неправильная локализация мутантного хантингтина и белков функционального комплекса, дефекты полярности и дифференцировки нейропрогениторных клеток, аномальный цилиогенез, а также изменения митоза и клеточного цикла. В частности, у носителей мутации болезни Хантингтона количество пролиферирующих клеток было снижено, и большее число нейропредшественников преждевременно вступало в процесс уточнения линий.

Несомненно, развитие коры головного мозга у мышей и людей при болезни Хантингтона изменяется. Однако до сих пор неизвестно, как именно наблюдаемые тонкие нарушения развития проявляются при более поздних проявлениях болезни Хантингтона.

Как описано выше, многочисленные исследования визуализации описывают признаки болезни за десятилетия до клинического диагноза, что соответствует очень ранним патологическим изменениям. В подтверждение аномалий развития при болезни Хантингтона Hickman и др. обнаружили повышенную частоту пороков развития в посмертных образцах мозга при болезни Хантингтона [23].

Однако эти данные носят коррелятивный характер. То, что нарушения развития формируют субстрат для будущих продромальных клинических признаков и дегенерации, стало ясно из двух исследований на мышах, показавших, что экспрессия мутантного хантингтина или гипоморфного хантингтина исключительно в раннем возрасте достаточна для возникновения признаков болезни Хантингтона у взрослых мышей [2], [18]. Экспрессия мутантного хантингтина с момента зачатия до постнатального 21-го дня (P21) приводила к стриатной нейродегенерации и изменениям в стриатальной и кортико-стриатальной активности и двигательной координации. Аналогично, у мышей, экспрессирующих низкий уровень хантингтина в тот же период развития, во взрослом возрасте наблюдалась дегенерация стриатума и коры головного мозга, а также нарушение проходимости белого вещества и аксональная дегенерация.

В другом исследовании было обнаружено, что возбуждающая синаптическая активность коры снижается в первую неделю постнатального развития в нейронах II/III слоя при болезни Хантингтона; это сопровождалось повышением внутренней возбудимости и снижением сложности дендритного дерева. Эти изменения были преходящими, так как система самокорректировалась к трехнедельному возрасту. Противодействие этим преходящим изменениям путем усиления глутаматергической передачи было достаточным для устранения поведенческого дефицита и патологии у взрослых мышей с болезнью Хантингтона. Эти результаты не только показывают, что аномалии в развитии мозга способствуют развитию болезни у взрослых особей, но и доказывают, что лечение этих аномалий может представлять терапевтический интерес [24] (рис. 2).



Fig. 2. Post-natal ampakine treatment delays Huntington's disease symptoms in mice. In a mouse model of Huntington's disease (HdhQ7/Q111), dendritic arborization of pyramidal neurons appears to be reduced, whereas neuronal excitability and synaptic activity are elevated. Post-natal treatment with the ampakine CX516 leads to a delay in the onset of adult Huntington's disease symptoms in HdhQ7/Q111 mice, which display normal behaviour [24].

Не вызывает сомнений, что болезнь Хантингтона имеет компонент развития. Аномальное нейроразвитие может объяснить уязвимость кортикопроизводных цепей в более позднем возрасте и клинические продромальные признаки. Для подавляющего большинства таких клинических признаков может иметь место длительная компенсация дисфункции развития, о чем свидетельствует тот факт, что до появления первых клинических признаков, как правило, в зрелом возрасте, существует длительная фаза молчания. Как бы то ни было, становится все более очевидным, что при разработке терапевтических подходов мы должны рассмотреть способы устранения аномального нейроразвития при болезни Хантингтона. Возможно, лечение придется назначать в самом начале жизни; еще предстоит выяснить, будет ли снижение уровня мутантного хантингтина во взрослом возрасте, даже на продромальной стадии, достаточным для предотвращения прогрессирования симптомов, поскольку мозговые цепи уже нарушены. Прежде всего, нам еще предстоит глубже понять влияние хантингтина и мутантного хантингтина на развивающийся мозг, а также взаимодействие между компенсаторными и патогенными механизмами, которые происходят на продромальной стадии заболевания.