 |
Глава 1. Обзор литературы
|
|
|
|
1.1. Изменения поведения как проявление старения мозга
1.1.1. Изменения поведения в онтогенезе
Изменения поведения человека и животных в онтогенезе – полифункциональный, непрерывный процесс, обусловленный генетическими и средовыми факторами. Изменения мозга происходят на протяжении всей жизни: как в ходе возрастного созревания организма, так и в ходе его старения. Уже в период эмбриогенеза, с началом процесса морфогенеза мозга, происходит интенсивная подготовка к последующим, постнатальным этапам формирования поведения.
Многочисленными исследованиями показано, что структурные и функциональные изменения мозга в ходе онтогенеза человека и животных [Aristakesian E.A., 2009; Dubrovskaya N.M., Zhuravin I.A., 2010; van Grunsven W. et al., 2009] напрямую связаны с изменениями их моторного поведения [Wallace K. et al., 2010; Sadeghi S.G. et al., 2010], ориентировочно-исследовательской деятельности [Zubareva O.E., Klimenko V.M., 2009; Martin S. et al., 2010], эмоционального фона [Da Cunha I.C. et al., 2005; Tsolakidou A. et al., 2010], а также внимания, памяти, обучения [Gallo M., 2007; Miranda M.I., 2007; Van Dongen A.M., 2009; Leirer V.M. et al., 2010]. Общие закономерности их онтогенеза имеют определенное значение для видовой этапности развития поведения, однако обозначить четкие границы его изменения не представляется возможным в силу влияния на них внутренних и внешних факторов.
Выяснение механизмов становления функций мозга и поведения в онтогенезе и их изменений при старении интересовало исследователей всегда. Однако в условиях прогрессирующего в настоящее время увеличения продолжительности жизни и связанного с ним роста количества людей, страдающих возрастными нейродегенеративными заболеваниями, обеспечение активного и качественного старения населения приобрело особую актуальность. Идентичность когнитивных, нейробиологических и нейрохимических возрастных изменений мозга человека и животных делает возможным использование биологических моделей для изучения его механизмов и поиска способов коррекции.
|
|
|
Изменениям поведения человека и животных в ранний постнатальный период происходят наиболее интенсивно. Исследованию этого возрастного периода посвящено значительное количество работ [см. для обзора Keverne E.B., 2004; Hayashi F. et al., 2008; Matsumoto M. et al., 2009; Kikusui T., Mori Y., 2009; George E.D. et al., 2010; Sturman D.A. et al., 2010]. В настоящем обзоре основное внимание будет уделено анализу литературы, посвященной изменениям поведения в процессе физиологического старения и при развитии ассоциированных с ним нейродегенеративных заболеваний.
С возрастом характер поведения человека и животных существенно изменяется: снижается моторно-исследовательская активность [Barreto G. et al., 2010], изменяется эмоциональность – растет уровень тревожности, которая из ситуативной, способствующей приспособлению к изменяющимся условиям среды и, носящей адаптивный характер, может переходить в патологическую и нередко встречающуюся в старшем возрасте депрессию [Shoji H., Mizoguchi K., 2010; Egashira N. et al., 2010; Moretti M. et al., 2011]. С возрастом постепенно снижаются когнитивные функции мозга, что проявляется ухудшениями внимания и памяти, а также обучения [Glisky E.L., 2007; Takeda Т., 2009]. Для изучения механизмов изменения поведения с помощью моделей животных, традиционно используются классические поведенческие тесты, имитирующие поведенческие ситуации человека в среде [Barreto G. et al., 2010; Shoji H., Mizoguchi K., 2010].
На экспериментальной модели невропатии (SNI-spared nerve injury) у крыс в возрасте 3, 10 и 22 мес. и их сравнении с интактными животными того же возраста, было показано, что с возрастом снижалась двигательная активность в тесте «открытое поле» интактных крыс и, особенно, модели SNI. С возрастом увеличивался уровень тревожности в приподнятом крестообразном лабиринте, депрессивное состояние в тесте принудительного плавания, снижалась способность к обучению и пространственной памяти в водном тесте Морриса крыс опытной и контрольной группы. Авторы отмечают, что у крыс с хроническим ощущением боли среднего возраста наблюдалась большая подверженность к депрессии и когнитивным ухудшениям, чем у молодых и старых крыс той же группы [Leite-Almeida H. et al., 2009]. В другой работе исследование поведения 3-х и 26-месячных крыс показало, что у старых крыс двигательная и исследовательская активность в тесте открытое поле и способность к пространственной памяти и обучению в лабиринте Морриса была снижена по сравнению с молодыми животными. Возрастное снижение когнитивных функций мозга авторы связывают и со снижением активности на платформе в тесте Морриса, служащей для ориентировочного запоминания в лабиринте [Schulz D. et al., 2007].
|
|
|
Изменения поведения человека и животных в онтогенезе зависят не только от возраста, но и от пола, генотипа, а также внешней среды. M.Altun и сооавторами [2007] проведено масштабное исследование самок и самцов крыс линии Sprague–Dawley, Lewis и Wistar в возрасте 3-30 мес. в 17 возрастных точках на поведение, продолжительность жизни и общее состояние организма. Показано, что с возрастом двигательная и поисково-исследовательская активность животных снижалась, а нарушение координации и баланса отмечалось только у старых крыс. Поведение, продолжительность жизни и общее состояние крыс зависели от пола и генотипа, и были различны. Обогащение обстановки (enriched environment) внутри домашней клетки животных не влияло на поведение, но увеличивало среднюю продолжительность жизни крыс. Показано, что тревожность ускоренно стареющих мышей SAMP8, модели ранних нейродегенеративных изменений мозга, с возрастом увеличивается, но более быстрыми темпами по сравнению с контрольными мышами SAMR1. Кроме того, уровень и темп роста тревожности животных зависел от пола [Chen GH et al., 2005]. Исследования поведения трансгенных мышей линии 129S2/Sv, BALB/C, C3H/He, C57BL/6J, CBA/Ca и DBA/2 показали, что поисково-исследовательская активность, тревожность и способность к обучению были различны для каждой линии [Brooks S.P. et al., 2005]. Следует отметить, что поведение животных одних и тех же генетических линий, взятых из разных питомников, может отличаться [Blizard D.A. et al., 2005], поэтому авторы рекомендуют в исследованиях для полной картины анализа использовать несколько линий.
|
|
|
1.1.2. Изменения поведения при физиологическом старении и нейродегенеративных расстройствах
Старение человека, и в отсутствии нейродегенеративных расстройств, сопровождается структурными и нейрофизиологическими изменениями мозга, снижением когнитивных функций разной степени, однако вопрос о возрасте, в котором наступает это снижение, остается открытым. В одних работах указывается, что снижение когнитивных функций человека начинается в возрасте только после 60 лет, в других – в более раннем возрасте, возможно, уже в 30 лет [Park D.C. et al., 2002; Salthouse T.A., 2009; Schaie K.W., 2009]. В то же время все исследователи единодушны в том, что существенные индивидуальные различия в возрасте манифестации определяются как генетическими факторами, так и качеством жизни людей [Hillman C.H. et al., 2006; Woodruff-Pak D.S. et al., 2010].
Недавние исследования электрофизиологических параметров мозга во время выполнения задания на запоминание продемонстрировали изменения профиля его активации при старении [Andrews-Hanna J.R. et al., 2007]. Одновременная активация медиальной зоны префронтальной коры, коры задней части поясной извилины и боковой части теменной коры в мозге молодых людей снижается с возрастом и, возможно, может быть причиной нарушений деятельности стареющего мозга. Кроме того, обнаружено, что при выполнении заданий, нейронная активность в некоторых областях стареющего мозга и, в частности, в префронтальной коре, снижена [Cabeza R., 2002; Park D.C., Reuter-Lorenz P., 2009]. Данные, полученные с помощью позитрон-эмиссионной томографии, показали, что в мозге молодых людей при запоминании информации, происходит активация зоны правого полушария мозга. У пожилых людей, демонстрирующих плохие результаты при выполнении задания, также происходит активация зоны правого полушария, тогда как у хорошо справляющихся с тестом пожилых людей активируются участки обоих полушарий. Авторы предполагают, что в данном случае, судя по всему, вовлечение дополнительных зон мозга является компенсаторной реакцией, обеспечивающей формирование воспоминаний [Cabeza R., 2002; Cabeza R. et al., 2002]. Эти наблюдения свидетельствуют о том, что для процесса нормального старения характерны серьезные нарушения биологических механизмов, управляющих работой мозга.
|
|
|
Возможно, одной из причин появления этих нарушений являются повреждения миелиновых волокон, объединяющих нейроны различных участков коры мозга [Andrews-Hanna J.R. et al., 2007]. Несмотря на минимальную потерю нейронов в большинстве областей коркового слоя мозга в процессе физиологического старения [Yankner B.A., Lu T., Loerch P., 2008], проводимость и целостность структур мозга нарушаются из-за изменений функций синапсов. Кроме того, изучение экспрессии генов в клетках мозга стареющих животных и человека выявило значительные изменения экспрессии генов, кодирующих синаптические медиаторы [Jiang C.H. et al., 2001; Lu T. et al., 2004; Fraser H.B. et al., 2005; Loerch P.M. et al., 2008]. С возрастом в префронтальной коре мозга происходит выраженное подавление активности многих генов, что, возможно, нарушает равновесие между ингибирующими и возбуждающими нервными импульсами. Это может повышать нервную активность в префронтальной коре мозга и вести к нарушению поведенческих реакций, эмоций, развитию нейродегенеративных процессов [Loerch P.M. et al., 2008]. Однако существует ли четкая грань между этими функциональными изменениями, развивающимися с возрастом, и патологическими процессами, лежащими в основе нейродегенеративных заболеваний, таких, например, как болезнь Альцгеймера, на сегодня неизвестно.
Возрастные сдвиги в лимбической системе приводят к изменениям формирования кратковременной и долговременной памяти, соотношения различных эмоциональных реакций. Данные, полученные с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии, свидетельствуют о том, что для физиологического и патологического старения мозга характерны различные изменения активности гиппокампа и определенных регионов коры мозга. При нормальном старении происходит снижение метаболической активности основания гиппокампа и зубчатой извилины, тогда как ранним индикатором болезни Альцгеймера является снижение активности энторинальной области коры мозга [Small S.A. et al., 2002]. На тканевом уровне отличительными признаками развития болезни Альцгеймера является гибель нейронов, начинающаяся в энторинальной области коры и гиппокампе, а также уменьшение объема височных долей [Price J.L. et al., 2001; Rodrigue K.M., Raz N., 2004]. Однако другие патологические признаки болезни Альцгеймера (утрата синапсов, амилоидные бляшки и нейрофибриллярные тяжи) часто выявляются у здоровых пожилых людей, не страдающих от ухудшения познавательных функций.
|
|
|
Старение сопровождается изменением возбудимости ядер экстрапирамидной системы, которая принимает участие в регуляции сложных двигательных актов. Изменение связи этих ядер с черным ядром мозга, а также синтеза и транспорта медиатора дофамина может приводить к нарушению функции экстрапирамидной системы. Поэтому в старости возникают нарушения движения, развивается дрожание, а в случае глубоких нарушений – развивается болезнь Паркинсона. При старении нарушаются реципрокные отношения между нервными центрами, что сказывается на координации и быстроте смены движений, на лабильности нервного центра. Более того, падает и надежность нейронов, регулирующих двигательные акты. Сдвиги в двигательной активности – результат изменений во всех звеньях регуляции. Эти изменения сказываются на точности движений, на способности выполнять сложные двигательные комплексы, на мышечной работоспособности [Morie M. et al., 2010; Nolan M. et al., 2010].
1.2. Возможные механизмы возрастных изменений
Анализ изменений экспрессии генов человека и животных выявил несколько функциональных категорий генов, экспрессия которых изменяется при старении [Zahn J.M. et al., 2007; Yankner B.A. et al., 2008] и свидетельствует о возрастном снижении активности митохондрий. Наиболее выраженное снижение экспрессии генов, вовлеченных в митохондриальный метаболизм энергии, наблюдается у людей, страдающих от ухудшения познавательной функции и болезни Альцгеймера [Blalock E.M. et al., 2004; Liang W.S. et al., 2008; Miller J.A. et al., 2008]. С возрастом повышается экспрессия генов, участвующих в формировании стресс-реакций. Вероятно, мозг использует механизмы устойчивости к стрессу для защиты от патологических изменений, вызывающих дегенерацию нейронов. В мозге стареющих мышей экспрессия части митохондриальных генов повышается, а других – снижается [Loerch P.M. et al., 2008].
Несмотря на доказанную сохранность ряда механизмов старения и профилей генной экспрессии, недавно выявлены значительные расхождения в изменениях экспрессии более чем 150 генов у человека и животных. Экспрессия значительной части генов, управляющих процессами старения (в основном обеспечивающих функционирование нейронов), повышается в мозге стареющих мышей, но снижается в мозге пожилых людей и не имеет отношения к характеру и скорости гибели нейронов [Bishop N.A. et al., 2010].
Таким образом, необходимость учета видовых особенностей изменений экспрессии генов, очевидна, как, возможно, определяющих факторов в развитии нейродегенеративных заболеваний.
Сниженная экспрессия митохондриальных генов является признаком старения организма, которые оказывают особенно выраженное влияние на мозг [Bhagavan H.N., Chopra R.K., 2006; Chong E.W. et al., 2007; Harrison F.E. et al., 2009; Dotan Y. et al., 2009]. Мутации митохондриальной ДНК вызывают наследственные энцефаломиопатии человека, характеризующиеся различными нарушениями работы мозга, выраженность и возраст проявления которых зависит от количества в клетке патологически измененных митохондрий [Bishop N.A. et al., 2010]. Нормальное угасание митохондриальных функций может способствовать возрастному снижению эффективности работы нейронов и миоцитов. В мозге человека угасание митохондриальных функций может оказывать наиболее выраженное влияние на популяции нейронов, отличающиеся большими биоэнергетическими потребностями, такие как большие пирамидальные нейроны, гибнущие при болезни Альцгеймера. Таким образом, снижение функциональности митохондрий может способствовать старению мозга и изменениям поведения, а также повышать вероятность развития возрастных патологий.
На первый взгляд представляется парадоксальным, что в определенных условиях снижение эффективности работы митохондрий способно увеличивать продолжительность жизни и повышать устойчивость нейронов мозга мутантных и трансгенных мышей к гибели [Liu X. et al., 2005; Dell’agnello C. et al., 2007]. Механизмы этого феномена не вполне неясны, но одним из возможных объяснений является то, что при умеренном повышении концентрации АФК выступают в роли сигнальных молекул, запускающих механизмы выживания клеток. Возможно, что изначально снижение экспрессии митохондриальных генов, наблюдаемое в клетках стареющего мозга, может быть частью активного компенсаторного механизма повышения устойчивости к стрессу и может быть эффективным в отношении кратковременного стресса. Однако ассоциированный со старением хронический стресс может еще больше подавлять активность митохондрий и запускать порочный круг нейродегенерации.
Возможность повысить жизнеспособность, и даже продолжительность жизни в условиях некоторого снижения эффективности работы митохондрий связано с описанным В.П.Скулачевым феноменом «мягкого разобщения», при котором небольшое снижение трансмембранного потенциала митохондрий и усиление нефосфорилирующего дыхания позволяют поддерживать концентрации О2 и его одноэлектронных восстановителей на безопасно низком уровне, снижающем вероятность образования супероксид анионрадикалов [ Papa S., Skulachev V.P., 1997; Skulachev V.P., 1998]. Происходящее при естественном старении повышение протонной проводимости внутренней мембраны митохондрий становится, по образному выражению M.D. Brand [ 2000], «разобщением ради спасения».В последние 10 лет накопились убедительные доказательства того, что оптимальный баланс между поглощением субстратов окисления, их превращением в аденозинтрифосфатсинтазу (АТФ) и контролем генерации АФК достигается в клетках посредством регуляции митохондриального дыхания. Были открыты специализированные разобщающие белки внутренней митохондриальной мембраны – UCP, которые разобщают окислительное фосфорилирование и дыхание, перенося протон водорода из межмембранного пространства в матрикс, что приводит к рассеиванию градиента энергии протона в форме тепла. UCP ответственны за физиологическое разобщение, приводящее к уменьшению продукции АФК внутри митохондрий. Более того, доказано, что манипулируя экспрессией белков-разобщителей, можно влиять на продолжительность жизни [Dietrich M.O. et. al. 2010; Andrews Z.B.,2010]. Появились данные, указывающие на связь патогенеза болезни Альцгеймера со снижением экспрессии UCP2 и UCP4, которое наряду с усилением генерации АФК вызывает нарушение механизмов поддержания оптимальной концентрации кальция в митохондриях нейронов [Wu Z. et. al., 2010].Возрастное снижение когнитивных функций мозга человека и животных может быть связано с изменениями в регуляторных сигнальных путях. В последние годы выявлена связь между ними и процессами старения, а также продолжительностью жизни. Результаты исследований на моделях показывают, что скорость старения не неизбежно фиксирована, а может изменяться. Так, показано, что снижение передачи Insulin/IGF-1-сигнала способствует снижению патологии болезни Альцгеймера, тогда как его увеличение может иметь нейропротекторный эффект. Регуляция аутофагии и белкового гомеостаза может изменять агрегации токсичных белков при нейродегенеративных заболеваний. Сигнальные пути могут влиять на функции митохондрий: их сильное снижение ведет к снижению продолжительности жизни, тогда как умеренное снижение может увеличивать продолжительность жизни [Bishop N.A. et al., 2010].
Результаты недавно проведенного исследования продемонстрировали важную роль изменений эпигенетического статуса в управлении экспрессией генов, обеспечивающих пластичность мозговых синапсов и память [Fischer A. et al., 2007]. Показано, что утрата части синапсов в гиппокампе и ухудшение памяти при нейродегенеративных процессах может быть связана с изменением структуры хроматина. Введение ингибитора гистоновой деацетилазы, повышало пластичность синапсов и способствовало восстановлению памяти мышей. Эти данные свидетельствуют о важной роли эпигенетических изменений в механизмах потери памяти, ассоциированной с нейродегенеративными процессами. Кроме того, они указывают на существование различий между механизмами потери способности к запоминанию и механизмами утраты возможности извлекать сохраненную в памяти информацию. Учитывая то, что старение человеческого мозга сопровождается нарушениями памяти и снижением активности синапсов, но не утратой значительного количества нейронов, возможно, в основе возрастных нарушений памяти лежит как раз утрата способности к вспоминанию.
Работы с использованием модельных организмов показали, что аутофагия (деградация отработанных компонентов клетки в лизосомах с последующим использованием полученных фрагментов в качестве строительного материала) является критическим регулятором процесса старения [Hara T. et al., 2006; Komatsu M. et al., 2006; Juhasz G. et al., 2007; Hansen M. et al., 2008]. Активация аутофагии оказалась необходимым условием для увеличения продолжительности жизни нематод в условиях подавления активности сигнального механизма, опосредуемого инсулиноподобным фактором роста-1 (IGF-1), и низкокалорийной диеты. Активации аутофагии в нейронах мух-дрозофил достаточно для увеличения продолжительности жизни этих насекомых, тогда как подавление аутофагии вызывает нейродегенерацию и преждевременную гибель дрозофил. Аналогичный эффект оказывает и подавление аутофагии в нейронах мышей. У трансгенных дрозофил и мышей, клетки которых не способны к аутофагии, нейродегенерация сопровождается накоплением аггрегатов убиквитинированных белков, что напоминает симптомы, наблюдаемые в мозге людей с болезнями Хантингтона и Альцгеймера. Экспрессия гена BECN1, а также ряда других ключевых генов, регулирующих работу механизма аутофагии, снижается в нейронах стареющего человеческого мозга, что, возможно, повышает их восприимчивость к токсическому действию белковых агрегатов.
Сигнальный механизм, опосредуемый киназой TOR, является центральным регулятором белкового гомеостаза, действующим посредством подавления аутофагии и трансляции иРНК. Снижение активности работы этого механизма продлевает жизнь дрожжам, нематодам и мухам-дрозофилам [Schieke S.M., Finkel T., 2006]. Более того, ингибитор TOR рапамицин продлевает жизнь мышам даже в тех случаях, когда его прием начат на поздних этапах жизни [Harrison D.E. et al., 2009]. Рапамицин, посредством активации аутофагии, подавляет формирование патологических белковых аггрегатов и замедляет прогрессию нейродегенеративных заболеваний у модельных организмов [Ravikumar B. et al., 2004] Таким образом, модулирование опосредуемого TOR сигнального механизма является потенциальным подходом к лечению нейродегенеративных заболеваний.
Накопление аггрегатов убиквитинированных белков может сопровождать нормальное старение человеческого мозга и обычно достигает патологических уровней при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера и таупатии. Изучение мышиной модели с хронически сниженной активностью протеасом в клетках мозга выявило в мозге таких животных повышенные концентрации нескольких белков, экспрессия части из которых нарушена в клетках мозга пациентов с болезнью Альцгеймера. Более того, у таких мышей наблюдались нарушения пространственной памяти, что подтверждает потенциальную роль нарушений работы протеасом в ухудшении познавательных функций, ассоциированном с болезнью Альцгеймера [Fischer D.F. et al., 2009]. Аггрегаты убиквитинированных белков практически не встречаются в других стареющих тканях, что может быть объяснением необычного долголетия постмитотических нейронов, сохраняющих метаболически активный статус в течение всей жизни человека.
Множество данных свидетельствует в пользу того, что центральным механизмом ассоциированного с возрастом угасания функций организма является накопление окислительных повреждений макромолекул.
1.3. Окислительный стресс и старение мозга
До сих пор наиболее популярной концепцией старения остается свободно-радикальная теория Хармана [Harman D., 1956], предположившего, что ведущую роль в ослаблении жизненных функций с возрастом играет окисление биополимеров АФК. Многочисленными исследованиями было установлено, что при старении действительно возрастает уровень окислительных повреждений ДНК, белков и липидов и свободнорадикальные процессы играют важную роль в патогенезе старения и связанных с ним заболеваний, в том числе – нейродегенеративных. На сегодня общепризнано, что окислительный стресс – нарушение баланса в системах генерации и детоксикации АФК – один из фундаментальных молекулярных механизмов патогенеза. Однако до сих пор остается не ясным, является накопление окислительных повреждений причиной или следствием возрастных изменений организма.
1.3.1.Роль активных форм кислорода в физиологических процессах
АФК постоянно образуются в клетках живых организмов в процессе нормальной жизнедеятельности (энергетического метаболизма, метаболизма моноаминов и др.). Основным источником АФК в соматических клетках являются митохондрии, которые и становятся центральным звеном в цепи событий, приводящих к запуску окислительного стресса. По образному выражению В.П. Скулачева, ««реостат», регулирующий продолжительность жизни, это скорость образования АФК внутри митохондрий» [цит. по Скулачеву В.П., 2005]. Образуются АФК также в микросомальной электронно-транспортной системе при биотрансформации эндогенных и чужеродных химических соединений [Ahmed S.P. et al.,1995], в процессах фагоцитоза [Kinnula V.L. et al., 2002]. Важна роль и системы цитохрома Р-450, локализованной в эндоплазматической сети [Gottlieb E. et al., 2003]. Кроме того, О2 . образуется, ксантиноксидазой при катаболизме пуринов, гемоглобина, рибофлавина, катехоламинов [Halliwell В. et al., 1995; Lander Н.М., 1997; Halliwell В., 2006]. Образованию АФК способствуют нарушения активности дыхательных ферментов и специальной группы соединений, депонирующих избыточный кислород, поддерживающих внутри клетки стационарное напряжение кислорода [Скулачев В.П., 1996].
В нормально функционирующем организме концентрация кислородных радикалов находится под жестким контролем антиоксидантной защиты - специфических ферментативных и неферментативных механизмов, предупреждающих и устраняющих последствия повреждений, вызванных неизбежно протекающими в нём свободнорадикальными окислительными процессами [Владимиров Ю.А., 1998; Болдырев А.А., 2001; Меньщикова Е.Б. и др., 2008]. Так, из каждого миллиона, образующихся супероксидных радикалов от ферментативной защиты ускользает не более четырех [Анисимов В.Н., 2008].
Система антиоксидантной защиты включает низкомолекулярные соединения, которые связывают железо, являются «ловушками» электронов или обрывают цепную реакцию образования липоперекисей. Ключевым ферментом антиоксидантной системы является супероксиддисмутаза (СОД, превращает О2 . в О2 и Н2О2). Гидропероксид, если он не покидает внутриклеточное пространство, служит объектом действия каталазы (разлагает образующуюся Н2О2 на Н2О и О2) и пероксидазы (утилизируют Н2О2 для окисления их субстратов). Образующиеся в результате нерадикальные соединения – пероксид водорода или вода – не представляют непосредственной опасности для клетки. Токсичность пероксида водорода резко возрастает в присутствии металлов переменной валентности (например, Fe2+), которые катализируют реакцию Фентона. Её продукт – гидроксил-радикал – наиболее агрессивный фактор окислительной модификации клеточных структур [Владимиров Ю.А., 2000; de Moura M.B. et al., 2010]. Он может окислять молекулы белков, нуклеиновых кислот и особенно активно атакует липиды мембран, что приводит к активации процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ) и изменению свойств клеточных мембран. Гидроксид-радикал способен разрывать связи в молекулах ДНК, химическую модификацию дезоксирибозы и самих нуклеиновых оснований, что может вызывать глубокие повреждения генетического аппарата клеток и их гибель [Grune T. et al., 2001; Levine R.L. et al., 2001; Dizdaroglu M. et al., 2002]. Агрессивным свободным радикалом является также пероксинитрит (ОNOОН), который образуется при взаимодействии оксида азота (NO.) и анионрадикала кислорода.
Содержание перекисей (ROOH) в клетке регулируется пероксидазами, катализирующими реакцию ROOH ® ROH. В водной среде функционируют глутатион пероксидаза митохондрий и каталаза пероксисом, использующие в качестве субстрата НООН, в липидном матриксе – Se-зависимая глутатион пероксидаза, инактивирующая липидные перекиси. К антиоксидантной следует отнести и системы устранения повреждений, вызванных АФК: ферменты репарации ДНК и деградации поврежденных структур. Деградации подвергаются белки, клеточные органеллы и сами клетки.
Неферментативные жирорастворимые антиоксиданты прерывают цепь свободнорадикальных реакций в липидной фазе мембран (витамины А, Е (токоферолы), К, убихиноны, стероиды, водорастворимые соединения: аскорбиновая кислота, глутатион, карнозин и другие тиолы, мочевая кислота, - реагируют с водорастворимыми радикалами и регенерируют α-токоферол [Sharma S., Sharma R., 2001; Jaruga P. et al., 2002; Меньщикова Е.Б. и др., 2008].
Список эндогенных веществ, потенциально способных участвовать и так или иначе вовлеченных в регуляцию уровня свободнорадикальных процессов, постоянно пополняется и на сегодня уже не представляется возможным четко ограничить систему антиоксидантной защиты, во всяком случае - ее неферментативное звено. В процессах свободнорадикального окисления участвуют стероиды [Xie H.H. et al., 2010], убихинон [Glover E.I. et al., 2010], биогенные амины - дофамин [Spencer W.A. et al., 2011] и серотонин [Ciobica A. et al., 2010], мелатонин [Pohanka M. et al., 2011] и др.
В последнее десятилетие существенно расширились представления о роли АФК в метаболизме здоровых клеток. АФК участвуют в нём в качестве инициаторов и промежуточных продуктов синтеза биологически активных соединений, таких, как лейкотриены, тромбоксаны, простагландины, стероидные гормоны [Bogdan С., et al., 2000; Chang J.C. et al., 2010]. Свободнорадикальное окисление является одним из естественных механизмов модификации липидного состава клеточных мембран, обусловливающим изменения их функциональных характеристик [Pollack M., Leeuwenburgh C., 2001]. Как сигнальные молекулы, АФК вовлечены в регуляцию физиологических процессов на всех уровнях - от активности внутриклеточных ферментов до нервной регуляции и регуляции сосудистого тонуса, от пролиферации и клеточной дифференцировки до апоптоза и экспрессии генов, запускают воспалительный ответ и обеспечивают микробицидность фагоцитирующих клеток [Droge W., 2002]. Достаточно недавно появились убедительные доказательства участия АФК и активных форм азота в синаптической пластичности – поцессах обучения и памяти [Hidalgo C. et. al., 2007]. Показано, что как сигнальные молекулы, АФК вовлечены в процесс долговременной посттетанической потенциации (long-term potentiation), в то время как их избыточная генерация провоцирует её возрастные нарушения. Долговременная посттетаническая потенциация – форма синаптической пластичности, рассматриваемая как субстрат обучения и памяти. Соответственно, в литературе обсуждается вопрос о том, как антиоксиданты могут модулировать этот процесс [Serrano F. et.al, 2004; Hu D. et.al, 2007].Следствием окислительного стресса становятся не только окислительные повреждения макромолекул, но и изменение профиля экспрессии генов: усиление генерации АФК и NO приводит к активации путей внутриклеточной передачи сигналов, ответственных за запуск программы адаптивного ответа клетки, который обеспечивается через индукцию или репрессию разных сочетаний редокс-зависимых генов [Hemish J. et al, 2003; Kregel K.C. et. al., 2007].По аналогии со стрессом по Селье - механизмом включения неспецифических адаптивных реакций организма в ответ на воздействие неблагоприятных факторов [Селье Г., 1979], АФК запускают каскады типовых защитных реакций на уровне клетки. Они активируют определенные факторы транскрипции, усиливают экспрессию ранних генов, синтез факторов антиоксидантной защиты, ферментов репарации, активируют белки теплового шока и усиливают экспрессию их генов. Одновременно подавляются процессы, сопряженные с генерацией активированных кислородных метаболитов – снижается скорость переноса электронов в дыхательной цепи, подавляются процессы биотрансформации в печени, подавляется экспрессия гена эритропоэтина, развивается каскад событий, направленных на подавление процессов окислительного метаболизма, сопряженных с генерацией кислородных радикалов. Таким образом, АФК «работают» как сенсоры высокого напряжения кислорода. В результате кратковременные субтоксические повышения уровня АФК индуцируют формирование защитных механизмов, которые в дальнейшем ослабляют негативные эффекты последующего окислительного стресса, повышают адаптивные резервы организма. [Starkov A.A., 2008; Ristow M., Zarse K., 2010].
Существуют убедительные доказательства участия низкомолекулярных АФК в межклеточных коммуникациях. Обеспечивая передачу внешнего сигнала к ядру, они, таким образом, влияют на экспрессию генов, в том числе – изменяя её при различных заболеваниях [Bishop N.A. et. al., 2010]. АФК включаются в передачу сигнала при взаимодействии с клетками цитокинов, ряда гормонов и нейромедиаторов, при этом в большинстве случаев они генерируются расположенной в плазматической мембране НАДФН-оксидазой [Brown D.I. et. al., 2009].Накапливается всё больше данных, свидетельствующих о том, что, изменения в редокс-зависимых сигнальных путях могут вносить больший вклад в старение, чем накопление окислительных повреждений макромолекул [Blagosklonny M.V., 2008; Upham B.L., Trosko J.E., 2009]. Большинство возрастных заболеваний не являются следствием накопления вызванных окислительным стрессом повреждений. В основе их развития лежат изменения экспрессии генов, связанные с нарушением координации в клеточных сигнальных системах, обеспечивающих тканевой гомеостаз [Lambeth J.D., 2007]. Мозг – метаболически активный орган, расходующий в состоянии покоя от 20 до 25% вдыхаемого кислорода. Соответственно, в нейронах высока продукция АФК. Её чрезмерное усиление ведет к снижению эффективности когнитивных функций, но при физиологических концентрациях АФК участвуют в функциональных изменениях, необходимых для синаптической пластичности и, следовательно, для нормальных когнитивных функций. Тонкая грань в переходе АФК от роли «хороших» молекул к роли «плохих» находится в центе внимания исследователей в последние годы, но далеко не полностью изучена [Watson J.B. et. al., 2006; Massaad C.A., Klann E., 2010]. Важно, что вызываемые окислительным стрессом изменения транскриптома в характерном для старения направлении по времени опережают фенотипические проявления возрастных изменений мозга, в частности, изменения памяти, способности к обучению [Blalock E.M. et. al., 2003; Burger C. et. al., 2008].1.3.2. Окислительный стресс в механизмах старения и патогенезе связанных с ним нейродегенеративных заболеваний
В основе нарушений когнитивных функций при старении и развитии ассоциированных с ним нейродегенеративных заболеваниях лежат возрастные изменения синаптической пластичности. Механизм их развития тесно связан со снижением функциональной активности митохондрий, усилением в них генерации АФК и нарушением внутриклеточного гомеостаза кальция, однако до конца не ясен. С возрастом в живых клетках изменяется как относительное количество митохондрий, так и их качество: прежде всего, способность, осуществлять функцию преобразования энергии. Для млекопитающих (исследования на крысах и мышах) доказана тесная отрицательная связь между эффективностью синтеза АТФ митохондриями мозга и накоплением в них окислительных повреждений белков и липидов [Navarro A. et. al., 2010]. Митохондриям принадлежит важная роль в запуске механизма апоптоза – программируемой смерти клеток – процесса, играющего важную роль в возрастных изменениях клеточного состава тканей [de Moura M.B. et al., 2010].
Вероятность развития окислительного стресса в клетках мозга с возрастом растет. Происходящее при этом ухудшение памяти коррелирует с уменьшением в мозге и плазме крови содержания антиоксидантов [Dröge W. et. al., 2007]. Соответственно, увеличивается уровень продуктов окислительного повреждения макромолекул: ДНК, белков, липидов [Witte M.E. et al., 2010; Bishop N.A. et. al., 2010]. Причиной этого, по одним данным, становится постепенное усиление генерации АФК с возрастом, по другим – снижение функциональных резервов систем антиоксидантной защиты, ферментов репарации и деградации агрегированных в результате окислительного повреждения белков [Анисимов В.Н., 2008; Lindner A.B., Demarez A., 2009; Witte M.E. et al., 2010]. Очевидно, эти процессы развиваются параллельно. Стрессы, неблагоприятные факторы сpеды, неполноценное питание, заболевания, ведущие к активации свободнорадикальных процессов, способствуют раннему старению организма. Развивающийся при этом хронический окислительный стресс может приводить к деполяризации мембран нейронов, изменению порога их чувствительности, к нарушению оптимальных условий функционирования рецепторов и каналов, транспортных систем, ферментов, сигнальной трансдукции и, как следствие, к нарушению функций мозга, в том числе - способности к обучению и памяти. [Liu J. et al., 2002; Droge W., 2002; Onega C., Przedborski S., 2003; Witte M.E. et al., 2010].
Имеются данные, свидетельствующие о повышении с возрастом скорости генерации супероксида митохондриями в разных тканях животных и человека, обусловленном, как предполагается, окислительным повреждением мембран самих митохондрий [Xu C. et al., 2005; Анисимов В.Н., 2008]. Окислительные повреждения, а также изменения структуры митохондриальных белков в результате накопления с возрастом мутаций в митохондриальной ДНК приводят к существенному снижению эффективности переноса эле
|
|
|
