Оксистерол-зависимый путь регуляции синаптической передачи в нервно-мышечном контакте мыши
- Авторы: Закирьянова Г.Ф.1,2, Ценцевицкий А.Н.1, Гиниатуллин А.Р.1,2, Кузнецова Е.А.1, Петров А.М.1,2
-
Учреждения:
- Казанский институт биохимии и биофизики, Казанский научный центр Российской академии наук
- Казанский государственный медицинский университет
- Выпуск: Том 18, № 4 (2023)
- Страницы: 589-592
- Раздел: Материалы конференции
- Статья получена: 14.11.2023
- Статья одобрена: 16.11.2023
- Статья опубликована: 15.12.2023
- URL: https://genescells.ru/2313-1829/article/view/623320
- DOI: https://doi.org/10.17816/gc623320
- ID: 623320
Цитировать
Полный текст
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Доступ платный или только для подписчиков
Аннотация
Холестерин является важным участником в поддержании жёсткости, текучести и проницаемости билипидного слоя. В дополнение, холестерин обладает большим сродством ко многим белкам мембраны, тем самым способен модулировать их активность, влияя на внутриклеточные процессы. Холестерин подвергается ферментативным и окислительным превращениям, при которых образуются разнообразные оксистерины. Одним из таких оксистеринов является 25-гидроксихолестерин (25ГХ), образующийся при участии фермента холестерин-25-гидроксилазы в основном в макрофагах, дендритных клетках и микроглии.
25ГХ способен поддерживать гомеостаз холестерина в отдельной клетке, где его концентрация не превышает наномолярных значений. Однако подобно паракринному агенту 25ГХ в существенно более высоких концентрациях вырабатывается макрофагами и микроглией при воспалительной реакции.
Много исследований посвящено роли 25ГХ в иммунном ответе в условиях воспаления. 25ГХ может иметь разнонаправленный эффект в модуляции иммунного ответа. С одной стороны, 25ГХ увеличивает секрецию провоспалительных цитокинов и хемокинов, например, IL-1β, IL-6, IL-8, CCL5 и макрофагального колониестимулирующего фактора, а с другой, подавляет воспаление посредством снижения активности инфламмасом. Увеличение продукции 25ГХ при активации Toll-подобного рецептора 4 приводит к снижению пролиферации В-клеток. Также отмечена способность 25ГХ препятствовать проникновению вирусов в клетку за счёт его способности встраиваться в мембрану и менять свойства мембран. Касательно нервной системы не так много данных. В срезах гиппокампа мыши 25ГХ блокирует потенцирующий эффект ряда позитивных аллостерических модуляторов NMDA-рецепторов, что снижает вероятность эксайтотоксичности в условиях гиперактивации NMDA-рецепторов.
Макрофаги играют ключевую роль в адаптивном и врождённом иммунитете и в большом количестве присутствуют в скелетной мышце, что может говорить о функциональном значении 25ГХ во взаимодействии иммунной системы и скелетных мышц. В нервно-мышечном синапсе в диафрагме мыши нами обнаружен концентрационно-зависимый эффект 25ГХ: высокие концентрации (1–10 мкМ) усиливают, а низкие концентрации (0,01–0,1 мкМ) угнетают процесс нервно-мышечной передачи [1].
25ГХ является прямым лигандом для LX-рецепторов, экспрессия которых была нами обнаружена в синаптическом регионе аксонов мотонейронов. Механизм действия высокой концентрации 25ГХ в синаптической передаче осуществляется LX-рецептор-зависимым путём. При этом 25ГХ активировал LX-рецепторы, которые, вероятно, находились в комплексе с эстрогеновыми рецепторами α, затем происходил запуск следующего сигнального пути Gi-белок/βγ-димер G-белка/фосфолипаза С/Ca2+/протеинкиназа С. Стоит отметить, что потенцирующий эффект 25ГХ, осуществляемый посредством активации комплекса LX-рецептор/эстрогеновый рецептор α, напрямую зависит от липидных рафтов, поскольку оба этих рецептора локализованы в липидных микродоменах, и разрушение липидных рафтов предотвращало стимулирующее действие 25ГХ. Также обнаружен вклад активных форм кислорода (АФК) в зависимом от 25ГХ усилении синаптической передачи. Действительно, 25ГХ (1 мкМ) увеличивает продукцию АФК в синаптическом регионе и концентрацию пероксида водорода во внеклеточной среде. Этот рост АФК был зависим от внутриклеточного повышения концентрации ионов кальция. Интересно, что в данном случае АФК играют сигнальную роль, поскольку уровень перекисного окисления липидов под действием 25ГХ не затрагивается.
Экспрессия 25ГХ повышается при ряде нейродегенеративных заболеваний. Концентрация 25ГХ повышается при боковом амиотрофическом склерозе, характеризующемся прогрессирующей атрофией мышц, приводящей к летальному исходу. Высокие концентрации 25ГХ свыше 5–30 мкМ могут снижать выживаемость и индуцировать апоптоз двигательных нейронов. Однако низкие концентрации 1 мкМ и менее имеют противоположные эффекты, увеличивая выживаемость нейронов.
Отмечена важная роль липидных рафтов в патогенезе БАС. Например, при БАС снижается уровень кавеолина-1, что приводит к нарушению липидных рафтов, тем самым способствуя прогрессированию заболевания. К тому же у мышей с моделью БАС SOD1G93A на ранней стадии заболевания нами обнаружены изменения свойств мембран, а именно дестабилизация липидных рафтов и упорядоченности липидного бислоя, увеличение текучести мембраны [2]. Одним из предположительных причинных факторов данного явления может быть увеличение церамида в мышцах, который приводит к дестабилизации рафтов, например, при двигательной разгрузке [3–5]. Действительно, повышенный уровень церамида нами был обнаружен и в мембране мышей с моделью БАС на ранней стадии. При БАС выявлено повышение уровня внеклеточного холина, вероятно, из-за увеличения неквантовой секреции нейромедиатора, что может возникать вследствие нарушения липидных рафтов. Стоит отметить, что нерегулируемое увеличение ацетилхолина при БАС способствует двигательной дисфункции и проявлению признаков возрастных морфологических изменений в нервно-мышечном соединении, например, нарушению кластеризации никотиновых ацетилхолиновых рецепторов в постсинаптической мембране. В дополнение, нарушение липидных рафтов при БАС было сопряжено с увеличением уровня гидроперекисей в гомогенатах мышц с моделью БАС и перекисного окисления липидов. Исходя из вышеперечисленного, можно заключить, что при БАС нарушаются свойства мембраны.
Далее нами было обнаружено, что 25ГХ может препятствовать этим ранним изменениям свойств мембраны при БАС, индуцируя стабилизацию липидных рафтов в нервно-мышечных синапсах у мышей с моделью БАС на ранней стадии. Более того, 25ГХ препятствовал накоплению церамида в нервно-мышечном синапсе. Также нами была отмечена способность 25ГХ подавлять такие синаптические изменения в нервно-мышечном синапсе при БАС, как увеличение перекисного окисления липидов, уровня внеклеточного холина и нарушение кластеризации никотиновых ацетилхолиновых рецепторов [2].
Таким образом, 25ГХ разнонаправленно влияет на нервно-мышечную передачу, угнетая рекрутирование синаптических везикул при низких концентрациях и потенцируя мобилизацию везикул при более высоких концентрациях. Помимо этого, выявлено положительное влияние 25ГХ при БАС. В частности, 25ГХ препятствовал проявлению ранних признаков нарушения свойств нервно-мышечного синапса в модели БАС. 25ГХ способен восстанавливать такие синаптические аномалии, как увеличение текучести мембраны, накопление церамида, снижение упорядоченности мембраны и перекисное окисление липидов. К тому же при БАС 25ГХ снижает повышенный уровень внеклеточного холина, который может способствовать фрагментации нервно-мышечных синапсов.
Полный текст
Холестерин является важным участником в поддержании жёсткости, текучести и проницаемости билипидного слоя. В дополнение, холестерин обладает большим сродством ко многим белкам мембраны, тем самым способен модулировать их активность, влияя на внутриклеточные процессы. Холестерин подвергается ферментативным и окислительным превращениям, при которых образуются разнообразные оксистерины. Одним из таких оксистеринов является 25-гидроксихолестерин (25ГХ), образующийся при участии фермента холестерин-25-гидроксилазы в основном в макрофагах, дендритных клетках и микроглии.
25ГХ способен поддерживать гомеостаз холестерина в отдельной клетке, где его концентрация не превышает наномолярных значений. Однако подобно паракринному агенту 25ГХ в существенно более высоких концентрациях вырабатывается макрофагами и микроглией при воспалительной реакции.
Много исследований посвящено роли 25ГХ в иммунном ответе в условиях воспаления. 25ГХ может иметь разнонаправленный эффект в модуляции иммунного ответа. С одной стороны, 25ГХ увеличивает секрецию провоспалительных цитокинов и хемокинов, например, IL-1β, IL-6, IL-8, CCL5 и макрофагального колониестимулирующего фактора, а с другой, подавляет воспаление посредством снижения активности инфламмасом. Увеличение продукции 25ГХ при активации Toll-подобного рецептора 4 приводит к снижению пролиферации В-клеток. Также отмечена способность 25ГХ препятствовать проникновению вирусов в клетку за счёт его способности встраиваться в мембрану и менять свойства мембран. Касательно нервной системы не так много данных. В срезах гиппокампа мыши 25ГХ блокирует потенцирующий эффект ряда позитивных аллостерических модуляторов NMDA-рецепторов, что снижает вероятность эксайтотоксичности в условиях гиперактивации NMDA-рецепторов.
Макрофаги играют ключевую роль в адаптивном и врождённом иммунитете и в большом количестве присутствуют в скелетной мышце, что может говорить о функциональном значении 25ГХ во взаимодействии иммунной системы и скелетных мышц. В нервно-мышечном синапсе в диафрагме мыши нами обнаружен концентрационно-зависимый эффект 25ГХ: высокие концентрации (1–10 мкМ) усиливают, а низкие концентрации (0,01–0,1 мкМ) угнетают процесс нервно-мышечной передачи [1].
25ГХ является прямым лигандом для LX-рецепторов, экспрессия которых была нами обнаружена в синаптическом регионе аксонов мотонейронов. Механизм действия высокой концентрации 25ГХ в синаптической передаче осуществляется LX-рецептор-зависимым путём. При этом 25ГХ активировал LX-рецепторы, которые, вероятно, находились в комплексе с эстрогеновыми рецепторами α, затем происходил запуск следующего сигнального пути Gi-белок/βγ-димер G-белка/фосфолипаза С/Ca2+/протеинкиназа С. Стоит отметить, что потенцирующий эффект 25ГХ, осуществляемый посредством активации комплекса LX-рецептор/эстрогеновый рецептор α, напрямую зависит от липидных рафтов, поскольку оба этих рецептора локализованы в липидных микродоменах, и разрушение липидных рафтов предотвращало стимулирующее действие 25ГХ. Также обнаружен вклад активных форм кислорода (АФК) в зависимом от 25ГХ усилении синаптической передачи. Действительно, 25ГХ (1 мкМ) увеличивает продукцию АФК в синаптическом регионе и концентрацию пероксида водорода во внеклеточной среде. Этот рост АФК был зависим от внутриклеточного повышения концентрации ионов кальция. Интересно, что в данном случае АФК играют сигнальную роль, поскольку уровень перекисного окисления липидов под действием 25ГХ не затрагивается.
Экспрессия 25ГХ повышается при ряде нейродегенеративных заболеваний. Концентрация 25ГХ повышается при боковом амиотрофическом склерозе, характеризующемся прогрессирующей атрофией мышц, приводящей к летальному исходу. Высокие концентрации 25ГХ свыше 5–30 мкМ могут снижать выживаемость и индуцировать апоптоз двигательных нейронов. Однако низкие концентрации 1 мкМ и менее имеют противоположные эффекты, увеличивая выживаемость нейронов.
Отмечена важная роль липидных рафтов в патогенезе БАС. Например, при БАС снижается уровень кавеолина-1, что приводит к нарушению липидных рафтов, тем самым способствуя прогрессированию заболевания. К тому же у мышей с моделью БАС SOD1G93A на ранней стадии заболевания нами обнаружены изменения свойств мембран, а именно дестабилизация липидных рафтов и упорядоченности липидного бислоя, увеличение текучести мембраны [2]. Одним из предположительных причинных факторов данного явления может быть увеличение церамида в мышцах, который приводит к дестабилизации рафтов, например, при двигательной разгрузке [3–5]. Действительно, повышенный уровень церамида нами был обнаружен и в мембране мышей с моделью БАС на ранней стадии. При БАС выявлено повышение уровня внеклеточного холина, вероятно, из-за увеличения неквантовой секреции нейромедиатора, что может возникать вследствие нарушения липидных рафтов. Стоит отметить, что нерегулируемое увеличение ацетилхолина при БАС способствует двигательной дисфункции и проявлению признаков возрастных морфологических изменений в нервно-мышечном соединении, например, нарушению кластеризации никотиновых ацетилхолиновых рецепторов в постсинаптической мембране. В дополнение, нарушение липидных рафтов при БАС было сопряжено с увеличением уровня гидроперекисей в гомогенатах мышц с моделью БАС и перекисного окисления липидов. Исходя из вышеперечисленного, можно заключить, что при БАС нарушаются свойства мембраны.
Далее нами было обнаружено, что 25ГХ может препятствовать этим ранним изменениям свойств мембраны при БАС, индуцируя стабилизацию липидных рафтов в нервно-мышечных синапсах у мышей с моделью БАС на ранней стадии. Более того, 25ГХ препятствовал накоплению церамида в нервно-мышечном синапсе. Также нами была отмечена способность 25ГХ подавлять такие синаптические изменения в нервно-мышечном синапсе при БАС, как увеличение перекисного окисления липидов, уровня внеклеточного холина и нарушение кластеризации никотиновых ацетилхолиновых рецепторов [2].
Таким образом, 25ГХ разнонаправленно влияет на нервно-мышечную передачу, угнетая рекрутирование синаптических везикул при низких концентрациях и потенцируя мобилизацию везикул при более высоких концентрациях. Помимо этого, выявлено положительное влияние 25ГХ при БАС. В частности, 25ГХ препятствовал проявлению ранних признаков нарушения свойств нервно-мышечного синапса в модели БАС. 25ГХ способен восстанавливать такие синаптические аномалии, как увеличение текучести мембраны, накопление церамида, снижение упорядоченности мембраны и перекисное окисление липидов. К тому же при БАС 25ГХ снижает повышенный уровень внеклеточного холина, который может способствовать фрагментации нервно-мышечных синапсов.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Источник финансирования. Работа поддержана грантом РНФ № 21-14-00044.
Об авторах
Г. Ф. Закирьянова
Казанский институт биохимии и биофизики, Казанский научный центр Российской академии наук; Казанский государственный медицинский университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: gffysiology@gmail.com
Россия, Казань; Казань
А. Н. Ценцевицкий
Казанский институт биохимии и биофизики, Казанский научный центр Российской академии наук
Email: gffysiology@gmail.com
Россия, Казань
А. Р. Гиниатуллин
Казанский институт биохимии и биофизики, Казанский научный центр Российской академии наук; Казанский государственный медицинский университет
Email: gffysiology@gmail.com
Россия, Казань; Казань
Е. А. Кузнецова
Казанский институт биохимии и биофизики, Казанский научный центр Российской академии наук
Email: gffysiology@gmail.com
Россия, Казань
А. М. Петров
Казанский институт биохимии и биофизики, Казанский научный центр Российской академии наук; Казанский государственный медицинский университет
Email: gffysiology@gmail.com
Россия, Казань; Казань
Список литературы
- Zakyrjanova G.F., Tsentsevitsky A.N., Kuznetsova E.A., Petrov A.M. Immune-related oxysterol modulates neuromuscular transmission via non-genomic liver X receptor-dependent mechanism // Free Radical Biology and Medicine. 2021. Vol. 174. P. 121–134. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2021.08.013
- Zakyrjanova G.F., Giniatullin A.R., Mukhutdinova K.A., et al. Early differences in membrane properties at the neuromuscular junctions of ALS model mice: Effects of 25-hydroxycholesterol // Life Sciences. 2021. Vol. 273. P. 119300. doi: 10.1016/j.lfs.2021.119300
- Petrov A.M., Kravtsova V.V., Matchkov V.V., et al. Membrane lipid rafts are disturbed in the response of rat skeletal muscle to short-term disuse // American Journal of Physiology-Cell Physiology. 2017. Vol. 312, N 5. P. C627–C637. doi: 10.1152/ajpcell.00365.2016
- Petrov A.M., Shalagina M.N., Protopopov V.A., et al. Changes in Membrane Ceramide Pools in Rat Soleus Muscle in Response to Short-Term Disuse // International Journal of Molecular Sciences. 2019. Vol. 20, N 19. P. 4860. doi: 10.3390/ijms20194860
- Bryndina I.G., Shalagina M.N., Sekunov A.V. Clomipramine counter-acts lipid raft disturbance due to short-term muscle disuse // Neuroscience Letters. 2018. Vol. 664. P. 1–6. doi: 10.1016/j.neulet.2017.11.009
Дополнительные файлы
