Генетические и эпигенетические процессы как компонент консолидации памяти

Экспрессия генов

Признано (Yamasaki М., Takeuchi Т., 2007; Аршавский Ю. И., 2011; Гринкевич Л. Н., 2012; Базян А. С., 2013; Григорьян Г. А., Маркевич В. А., 2014; Гурская О. Я. и соавт., 2015; Kim S., Kaang В., 2017; Xia Z., Storm D., 2017; Брызгалов Д. В. и соавт., 2018; Kelley Р. et al., 2018; Mitchell A. et al., 2018; Rawashdeh О. et al., 2018; Baltaci S. et al., 2019), что при реверберации нервных импульсов в нейронах под влиянием глутамата, взаимодействующего с NMDA- и АМРА-рецепторами повышается уровень ионов Са2+, что вызывает каскад процессов. Он начинается с активации транскрипционных факторов и ферментов, способных изменять упаковку хромосом и состояние гистонов, а его финальным этапом может быть изменение экспрессии генов раннего ответа, генов позднего ответа и генов белков, которые непосредственно участвуют в консолидации памяти.

Последовательность этих событий примерно такова: Са2+

активация Са2+-кальмодулин-зависимой киназы II (СаМКП) —» —» активация протеинкиназы А (ПКА) —> активация митоген-акти-вируемой протеинкиназы (МАРК) активация белка СВР (коакти-ватора транскрипционного фактора CREB), он же фермент HAT

активация транскрипционного фактора CREB (сАМР response element-binding protein) под влиянием СВР вход активированного CREB в ядро —» повышение экспрессии мозгового нейротрофического фактора (BDNF), экспрессия c-fos и экспрессия тирозинги-дроксилазы, экспрессия генов других белков, с участием которых повышается содержание АМРА-рецепторов на постсинаптической поверхности или плотности (PSD), —> формирование долгосрочной потенциации как основы долгосрочной памяти (рис. 5.1—5.2).

Поданным ряда авторов (например, Брызгалов Д. В. и соавт., 2018), непосредственным активатором транскрипционного фактора CREB является Са/кальмодулин-зависимая протеинкиназа IV (CAMKIV), которая активируется за счет такой цепочки реакций, как: повышение уровня Са2+ в нейроне —> активация Са-кальмодулина (САМ) активация Са/кальмодулинкиназы (САМКК) —> активация Са/кальмодулинкиназы II (САМКП) —> активация Са/кальмодулинкиназы IV (CAMKIV) —> активация транскрипционного фактора CREB.

Примерная последовательность событий в глутаматергических пирамидных нейронах СА1 гиппокампа при выработке условного рефлекса

Рис. 5.1. Примерная последовательность событий в глутаматергических пирамидных нейронах СА1 гиппокампа при выработке условного рефлекса:

СаМКП — Са2+-кальмодулин-зависимая киназа II; ПКА — протеинкиназа А; МАРК — митоген-активируемая протеинкиназа; BDNF — мозговой нейротрофический фактор; ТГ — тирозингидроксилаза (по Kim S., Kaang В., 2017, с изм.)

Показано, что одновременно с активацией транскрипционного фактора CREB под влиянием ионов Са2+ происходит активация факторов, вызывающих модификацию ДНК и гистонов, то есть ремоделирование хроматина, так как без этого процесса не происходит экспрессия генов, необходимых для полноценной долгосрочной консолидации памяти. Таким образом, внутриклеточные регуляторные каскады передают информацию от мембраны к ядру, регулируя экспрессию генов путем активации транскрипционных факторов и за счет ремоделирования хроматина, при этом ремоделирование хроматина относят к эпигенетическим (надгенетическим) процессам. Потребность в этом процессе (то есть во втором уровне регуляции экспрессии генов) при формировании синаптической пластичности была обнаружена почти 20 лет назад (Strahl В., Allis С., 2000; Карпов В. Л., 2005; Wood М. et al., 2006; Berger S., 2007; Гринкевич Л. Н., 2012).

Схема MAPK/ERK каскада

Рис. 5.2. Схема MAPK/ERK каскада

Примечание. MAPK/ERK каскад интегрирует информацию, приходящую на различные клеточные входы. Нижележащей является протеинкиназа ERK.

Будучи активированной за счет фосфорилирования, ERK транслоцируется в ядро, где участвует в регуляции экспрессии генов через активацию ряда транскрипционных факторов, в том числе TSF, SRF и CREB, которые, взаимодействуя с регуляторными элементами SRE и CRE, регулируют экспрессию генов-мишеней, в том числе транскрипционных факторов АР-1 (Гринкевич Л. Н., 2012).

Роль отдельных протеинкиназ в формировании долгосрочной памяти. В отношении такого участника каскада, как Са-каль-модулин-зависимая киназа II (СаМКП), сообщают, что этот фермент вызывает вторичные сигнальные процессы, играющие центральную роль в формировании синаптической пластичности, а ее ингибиторы блокируют формирование долгосрочной потенциации (LTP), то есть препятствуют формированию долгосрочной памяти (Kim S., Kaang В., 2017).

Протеинкиназа А (РКА), как уже неоднократно отмечалось, активируется под влиянием цАМФ, поэтому ее ингибирование также препятствует формированию долгосрочной памяти (Kim S., Kaang В., 2017; Rawashdeh О. et al., 2018).

Митоген-активируемая протеинкиназа (mitogen-activated pro-teinkinase, или МАРК), которая представлена такой ее наиболее активной изоформой, как ERK (extracellular signal regulated kinase), активируется под влиянием ПКА, а также под воздействием факторов роста, гормонов и нейротрансмиттеров и других факторов (Kim S., Kaang В., 2017). При этом ERK активируется путем фосфорилирования, после чего транслоцируется в ядро, где принимает участие в регуляции экспрессии генов, определяя долгосрочные пластические изменения за счет активации СВР (CBER-связывающий белок), а также транскрипционных факторов, в том числе таких, как CBER, TCF (ELK-1) и SRF. Благодаря активации этих факторов повышается экспрессия генов первичного ответа, а затем и генов позднего ответа (Гринкевич Л. Н., 2012; Xia Z., Storm D., 2017). Кроме того, МАРК/ ERK каскад интегрирует информацию от Са2+- и цАМФ-зависимых сигнальных систем (Гринкевич Л. Н., 2012; Xia Z., Storm D., 2017; Rawashdeh О. et al., 2018).

Напомним, что в нервной системе MAPK/ERK каскад контролирует процесс выживания нейронов, регенерацию отростков и синаптический спраутинг (разрастание), а дисфункция MAPK/ERK каскада является причиной ряда нейродегенеративных заболеваний, в том числе болезни Альцгеймера.

Важность MAPK/ERK каскада в функционировании ЦНС заключается в том, что этот каскад способен интегрировать информацию, приходящую от других каскадов, и регулировать экспрессию генов не только через фосфорилирование транскрипционных факторов, но и, как показано в последнее время, через индукцию фосфорилирования и ацетилирования гистонов. Ингибирование ERK осуществляют фосфатазы РР2А и МКР1, которые кодируются генами раннего ответа и экспрессируются в ответ на стимулы, активирующие ERK. Блокада этих фосфатаз значительно пролонгирует действие ERK.

Значение ERK показано в опытах по фасилитации (облегчения) синаптической связи в культуре сенсорно-моторных нейронов моллюска Aplysia, вызванной аппликацией серотонина. В частности, в этих опытах обнаружено увеличение фосфорилирования ERK и транслокация этой киназы в ядра пресинаптических нейронов. Активацию ERK наблюдали также при выработке ассоциативного обучения у голожаберного моллюска Hermissenda и краба, а также при формировании условного оборонительного рефлекса пищевой аверсии у моллюска Helixlucorum (горная улитка), в реализации которого участвует серотонин; выработка этого рефлекса блокируется под влиянием ингибитора ERK.

В большой серии исследований, проведенных на позвоночных животных с использованием различных форм ассоциативного обучения, также наблюдается избирательная активация ERK в структурах, задействованных в обучении и блокаде этих форм обучения при ингибировании ERK. Таким образом, получены веские доказательства того, что активация MAPK/ERK каскада необходима для формирования долгосрочной памяти как у позвоночных, так и беспозвоночных животных. При этом MAPK/ERK каскад интегрирует информацию от условных, безусловных, мотивационных стимулов и обеспечивает адекватный ответ клетки путем регуляции экспрессии генов на двух уровнях: за счет активации транскрипционных факторов и за счет модификаций гистонов, в частности их ацетилирования и фосфорилирования.

CREB-связывающий белок, или CREB-binding protein, СВР, относится к семейству белков-коактиваторов, поэтому он также называется «транскрипционный коактиватор». СВР активирует (в том числе за счет ацетилирования) такие транскрипционные факторы, как CREB, c-Fos, с-Jun, Elk-1, NF-kB и др. (Chen G. et al., 2010; Аршавский Ю. И., 2011; Гринкевич Л. Н., 2012; Брызгалов Д. В. и соавт., 2018). Для того чтобы активировать эти факторы, СВР должен быть фосфорилирован. Это осуществляется с участием ПКА, CaMKII, RSK и других протеинкиназ. Например, ПКА увеличивает способность транскрипционного фактора CREB повышать экспрессию генов в 45 раз.

Относительно недавно было обнаружено, что СВР является также гистоновой ацетилтрансферазой (HAT), то есть ацетилирует гистоны, благодаря чему вызывает эпигенетические эффекты. Метилирование СВР, например под влиянием аргинин-К-метилтрансферазы, нарушает связи СВР с транскрипционным фактором CREB, что приводит к репрессии транскрипции. Показано, что мутации в гене СВР могут вызывать синдром Рубинштейна-Тауби (RTS), при котором наблюдаются выраженные когнитивные нарушения, в том числе нарушения обучения и памяти. Сообщается, что при дефиците гена СВР у мышей наблюдается очень низкий уровень краткосрочной и долгосрочной памяти.

Протеинкиназа М-дзета (proteinkinase M-zeta, PKMzeta, PKMQ была открыта в 2009 г. (Heida J. et al., 2009; Sacktor T., 2011; Lee A. et al., 2013; Григорьян Г. А., Маркевич В. A., 2014). Она является атипичной формой протеинкиназы С-дзета (PKCQ, лишенной аутоингибиторного домена. Однажды перейдя в активную форму, РКМ-дзета так и остается в ней пожизненно. Полагают, что РКМ-дзета находится только в нервной ткани и что именно она обеспечивает долгосрочную память, так как под ее воздействием увеличивалась экспрессия АМРА-рецепторов на постсинаптической мембране и их встраивание в постсинаптическую плотность (PSD) дендритных шипиков. Этому способствует адаптерный белок PSD-95. С участием РКМ-дзета краткосрочная память переходит в долгосрочную.

Важно, что роль РКМ-дзета проявляется не для всех видов памяти, а для памяти на эмоционально окрашенные события, в том числе памяти страха и тревожного состояния. Поэтому было высказано предположение, что ингибирование РКМ-дзета позволит «стирать память» об этих негативных событиях, что является актуальной задачей для профилактики постстрессовых депрессий. В качестве ингибитора этой протеикиназы был найден пептид, состоящий из 13 аминокислот, который был назван как zeta inhibitory peptide (ZIP) или миристоилированный дзета-ингибирующий пептид. Другим, но более слабым ингибитором является хелеритрин. Однако эти ингибиторы не нашли клинического применения для стирания следов памяти страха, но их применение в эксперименте подтвердило важную роль РКМ-дзета в формировании долгосрочной памяти. При этом, если эффект протеинкиназы СаМКП, под влиянием которого индуцируется LTP, относительно непродолжительный, то эффект РКМ-дзета длительный, так его активация как протеинкиназы пожизненная.

Именно сравнение характера влияния различных протеинкиназ на процессы памяти, в том числе СаМКП и РКМ-дзета, дало основание ряду авторов (Kelley Р. et al., 2018; Baltaci S. et al., 2019) разделить долгосрочную потенциацию (LTP) на два вида: раннюю (E-LTP) и позднюю (L-LTP). В частности, ранняя LTP требует активации протеинкиназы СаМКП, в то время как поздняя LTP требует активации протеинкиназы РКМ-дзета, в результате чего повышается экспрессия генов таких белков, активация мозгового нейротрофического фактора (BDNF), нейротрофического фактора NT-3 (Sacktor Т., Fenton А., 2018).

Роль транскрипционных факторов в консолидации синаптической пластичности. Как известно, имеется около 1500, а по некоторым данным, около 3000 транскрипционных факторов, гены которых представлены в геноме человека, при этом большая часть из них экспрессируется в мозге. Часть транскрипционных факторов активируются при обучении, и поэтому они играют ключевую роль в консолидации долгосрочной памяти. Среди них: CREB, API, С/ ЕВР, которые регулируют экспрессию генов за счет взаимодействия в ДНК с CRE-доменом, или CRE элементом, а также транскрипционные факторы, регулирующие экспрессию генов через домен или элемент SRE (serum response element) в ДНК. Среди последних — транскрипционные факторы c-Fos, c-Jun, Zif286. Большая часть этих транскрипционных факторов активируется под влиянием киназ системы MAPK/ERK. Ниже представлены сведения о ряде факторов, которые играют ведущую роль при формировании долгосрочной памяти.

Транскрипционный фактор CREB (сАМР response elementbinding protein). В процессе синаптической пластичности CREB играет очень важную функцию, так как повышает экспрессию генов раннего ответа, под влиянием которых синтезируется новая группа транскрипционных факторов (в том числе c-Fos, Zif268, С/ЕВР). CREB активируется под влиянием MAP-киназы (Аршавский Ю. И., 2011; Гринкевич Л. Н., 2012; Kim S., Kaang В., 2017; Xia Z., Storm D.,

2017; Kelley P. et al., 2018; Rawashdeh O. et al., 2018; Брызгалов Д. В. и соавт., 2018). Свое название этот фактор получил от того, что он способен связываться с CRE-последовательностью ДНК, то есть последовательностью, которая носит название сАМР response elements. Впервые CREB был описан в 1987 г. как фактор, который регулирует работу гена соматостатина. В последующем было установлено, что CREB также повышает экспрессию таких генов таких белков как c-Fos, BDNF, тирозингидроксилазы, многих нейропептидов, в том числе соматостатина, энкефалина, кортиколиберина, фактора роста нервов. CREB близок по структуре к CREM (сАМР response element modulator) и ATF-1 (activating transcription factor-1).

Белок CREB и его изоформы. Белок CREBI является активатором, a CREBII (как и CREMa, CREMb) — ингибитором генной экспрессии (Гринкевич Л. Н., 2012). Активация белков CREBI и CREBII достигается путем фосфорилирования/дефосфорилирования. Этот процесс осуществляется несколькими путями: через Са2+-зави-симую активацию CaMKIV, ПКА, а также MAPK/ERK-каскад посредством нижележащих протеинкиназ RSK2 и MSK.

Показано, что активация CREBI играет исключительно важную роль в формировании долгосрочной синаптической пластичности как у позвоночных, так и у беспозвоночных животных. При этом ингибирование ингибиторного белка CREBII значительно улучшает формирование долгосрочной памяти. Любая манипуляция, которая приводит к усилению экспрессии CREBI, приводит к улучшению памяти, например сверхэкспрессия кальций/кальмодулин-зависимой протеинкиназы IV (CaMKIV), которая непосредственно регулирует активность CREB в переднем мозге мышей, улучшает их пространственную память в тестах водного лабиринта Морриса. Показано, что избыточная экспрессия CREB в базально-латеральной миндалине усиливает память в классических тестах на состояние страха и социальное поражение. Как известно, фосфодиэстераза (ФДЭ), подвергая гидролизу цАМФ, угнетает активность CREB. Поэтому такие ингибиторы ФДЭ, как ролипрам и силденафил, улучшают память в мышиной модели болезни Альцгеймера.

Транскрипционный фактор c-Fos. Это белок (62 кДа), который относится к большому семейству транскрипционных факторов Fos (Гринкевич Л. Н., 2012; Базян А. С., 2013). В него входят также FosB, Fra-1 и Fra-2. Белок c-Fos регулирует экспрессию генов за счет взаимодействия с доменом SRE в ДНК. Кроме того, этот белок образует комплекс с транскрипционным фактором c-Jun (из семейства транскрипционных факторов Jun), образуя комплекс АР-1 (Activator protein-1). Белок c-Fos подвергается посттрансляционной модификации в виде фосфорилирования под влиянием МАРК, cdc2, РКА или РКС, что влияет на его способность образовывать комплекс АР-1. Помимо участия в формировании долгосрочной потенциации c-Fos также регулирует пролиферацию, дифференцировку и выживание клеток и ангиогенез. Нарушение продукции c-Fos может приводить к формированию рака.

Транскрипционный фактор АР-1 (Activator protein-1) — это комплекс, состоящий из двух транскрипционных факторов: c-Fos и с-Jun. Этот фактор связывается в ДНК с доменом АР-1 и повышает экспрессию генов позднего ответа, а тем самым участвует в формировании синаптической потенциации. Этот фактор входит в семейство АР-1, для которого характерно образование димеров с участием таких транскрипционных факторов, как c-Fos, FosB, c-Jun, JunD, Fra-1, Fra-2. Индукция экспрессии большинства факторов АР-1 зависима от MAPK/ERK системы, так как блокада этой системы препятствует формированию долгосрочной памяти (Гринкевич Л. Н., 2012).

Транскрипционный фактор C/EBPalpha, или ССААТ / enhancer bindig protein, или энхансер-связывающий белок. Сообщают (Alberini С. et al., 1994; Alberini С., Chen D., 2012; Брызгалов Д. В. и соавт., 2018), что он кодируется геном c/ebp, который относится к генам раннего ответа. Этот фактор в ДНК связывается с доменом DBD и доменом bZip, в результате чего повышается экспрессия генов позднего ответа, которые кодируют белки, участвующие в формировании синаптической пластичности. Активация экспрессии С/ЕВР описана на модели фасилитации синаптической связи моллюска Aplysia, а также при формировании условного рефлекса пищевой аверсии у виноградной улитки (Helix). В этих опытах экспрессия С/ЕВР индуцировалась серотонин-ПКА-ЕКК-СЯЕВ-зависимым путем. Сообщают, что повышение экспрессии гена белка С/ЕВР улучшает память, а ингибирование активности с помощью белка ATF4 ухудшает ее, что показано в опытах на крысах в тесте водного лабиринта Морриса.

Транскрипционный фактор Zif286, или фактор Egrl (Early Growth Response Protein 1, то есть белок ранней реакции роста 1). Он также имеет другие синонимы, например Krox-24, NGFI-A, TIS8 и ZENK. Этот транскрипционный фактор принадлежит к семейству EGR белков С2Н2-типа с цинковыми пальцами. В ДНК он связывается с доменом SRE и тем самым регулирует экспрессию белков, которые необходимы для долгосрочной синаптической потенциации, а также для дифференциации и митогенеза. Показано, что активация транскрипционного фактора Zif286 происходит не при первичной консолидации, а при реконсолидации, то есть при повторном воспроизведении следа памяти (Григорьян Г. А., Маркевич В. А., 2014).

Транскрипционный фактор IGF-2, или инсулиноподобный фактор роста 2 (insulin like growth factor, IGF-2), или сомато-медин А. Сообщают (Alberini С., Chen D., 2012; Брызгалов Д. В. и соавт., 2018; Pardo М. et al., 2018), что он является членом семейства инсулиноподобных факторов роста (соматомединов), в которое входят также IGF1 и IGF3. Это семейство регулирует размеры тела и рост во время пренатального развития, то есть опосредует эффект гормона роста (соматотропного гормона, или СТГ). Оказалось, что IGF-2, в отличие от IGF-1 и IGF-3, имеет прямое отношение к консолидации памяти (рис. 5.3). Его содержание особенно высоко в структурах, участвующих в формировании памяти. Повышая свою активность под влиянием транскрипционного фактора С/ЕВР (за счет роста экспрессии гена), он увеличивает синтез субъединиц глутаматных рецепторов и вызывает структурные изменения в глу-таматергическом синапсе, то есть выступает в роли транскрипционного фактора. Кроме того, он повышает нейрогенез в гиппокампе взрослых крыс, повышает пролиферацию клеток, выживание незрелых нейронов, повышает синтез субъединиц рецептора АМРА. Показано, что IGF-2 способствует исчезновению страха и в то же время улучшает выполнение пространственных задач. Все эти эффекты IGF-2 реализует с участием сигнального каскада MAPK/ERK. Наиболее вероятно, что повышение экспрессии гена IGF-2 происходит по следующей схеме: повышение уровня Са2+ в нейроне —> активация Са-кальмодулина (САМ) —> активация Са/кальмодулин-киназы (САМКК) —> активация Са/кальмодулин-киназы II (САМКП) —> активация Са/кальмодулин-киназы IV (CAMKIV) —> активация транскрипционного фактора CREB —> повышение экспрессии С/ЕВР (как представителя ранних генов) —> повышение уровня С/ЕВР, то есть ССААТ/энхансер-связывающего белка —> повышение экспрессии гена IGF-2. Полагают, что IGF-2 может быть использован как усилитель памяти, особенно у пациентов с болезнью Альцгеймера.

Транскрипционный фактор белок Elk-1 (ETSLike-1 protein). Сообщается (Besnard A. et al., 2011; Yiannakas A., Rosenblum K., 2017; Брызгалов Д. В. и соавт., 2018), что этот белок относится к семейству транскрипционных факторов ETS (то есть Е26 transformation-specificor E-twenty-six family). Все члены этого семейства имеют общий белковый домен, способный связываться с определенным доменом SRE (ответный элемент сыворотки, serum response element) в молекуле ДНК и вызывать экспрессию генов.

Экспрессия белка Elk-1 характерна для многих нейронов мозга, имеющих отношение к процессам долгосрочной консолидации памяти. Активация белка Elk-1 как транскрипционного фактора начинается с активации под влиянием мозгового нейротрофического фактора (BDNF), который взаимодействует с рецептором TrkB. Затем идет цепь активаций, то есть TrkB Ras —> Raf —> МАРК (в том числе c-Jun-N терминальную киназу, или JNK, МЕК, р38 / МАРК и ERK) —> белок Elk-1 —»экспрессия генов раннего ответа, в том числе гена c-Fos или гена Egr-1. В этом сигнальном пути функцию Ras может выполнять ПКС, которая непосредственно активирует МАРкиназы. Дефосфорилирование белка Elk-1 происходит с участием фосфатаз, в том числе с участием кальциневрина.

Полагают, что белок Elk-1 играет важную роль в формировании долгосрочной памяти, в том числе вкусовой памяти, которая реализуется с участием островковой коры (инсулы), миндалины и медиальной префронтальной коры. Так, показано, что ингибиторы МАР-киназ, в частности ингибиторы МЕК блокируют фосфорилирование белка Elk-1 и тем самым ухудшают консолидацию вкусовой памяти. Блокада связывания белка Elk-1 с ДНК нарушает у крыс долгосрочную пространственную память. Показано, что помимо взаимодействия с ДНК, белок Elk-1 участвует в фосфорилировании гистонов, то есть в модуляции хроматина и тем самым способствует эпигенетическому процессу консолидации памяти.

Постсинаптические пути, вовлеченные в опосредованное инсулиноподобным фактором роста 2 (IGF-2) формирование долгосрочной памяти

Рис. 5.3. Постсинаптические пути, вовлеченные в опосредованное инсулиноподобным фактором роста 2 (IGF-2) формирование долгосрочной памяти:

САМ — Са-кальмодулин; САМКК — Са/кальмодулинкиназа;

САМКИ — Са/кальмодулинкиназа II; CAMKIV — Са/кальмодулинкиназа IV; CREB, С/ЕВР — транскрипционные факторы; IGF-II — инсулиноподобный фактор роста 2; BDNF — мозговой нейротрофический фактор; TrkB — тирозинкиназный рецептор для BDNF; PKMzeta — протеинкиназа М-зета;

МАРК — MAP-киназы; ELK-1 — активатор транскрипционных факторов, или ETS-подобный белок 1; RAS — малые G-белки (Брызгалов Д. В. и соавт., 2018)

Установлено, что активация белка Elk-1 в стриатуме играет центральную роль в формировании наркомании, то есть с его участием формируется память на действие наркотиков. Блокада активности белка Elk-1 предотвращает формирование кокаиновой зависимости у крыс и уменьшает зависимость от опиоидов. Острый прием этанола приводит к избыточному фосфорилированию белка Elk-1 в миндалине, что указывает на его причастность к формированию алкоголизма. Показано, что бета-амилоидные пептиды, которые накапливаются при болезни Альцгеймера, блокируют BDNF-индуцированное фосфорилирование транскрипционного фактора Elk-1, что нарушает формирование долгосрочной памяти (Besnard A. et al., 2011; Yiannakas A., Rosenblum К., 2017; Брызгалов Д. В. и соавт., 2018). При синдроме Дауна снижена активность кальциневрина, в связи с чем активность белка Elk-1 повышена. Низкая активность белка Elk-1, в том числе из-за недостаточного его фосфорилирования, отмечена при депрессии с суицидальным поведением (Besnard A. et al., 2011; Yiannakas A., Rosenblum К., 2017; Брызгалов Д. В. и соавт., 2018).

Сигнальный путь «белок Wnt транскрипционный белок бе-та-катенин транскрипционные факторы TCF/LEF» и его роль в консолидации памяти. Сообщается (Гурская О. Я. и соавт., 2015; Vallee A., Lecarpentier Y., 2016; Tapia-Rojas С., Inestrosa N., 2018; Ramos-Fernandez E. et al., 2019), что в цитоплазме имеется белок бета-катенин (beta-catenin), который представляет собой вариант транскрипционного фактора. Он проникает в ядро, где совместно с транскрипционным коактиватором белком TAZ (известным как белок WWTR) активирует транскрипционный белковый комплекс TCF/LEF, в результате чего происходит экспрессия многих генов, что способствует дифференцировке и росту клеток в эмбриональном и в постнатальном периодах, в том числе превращению стволовых клеток в соответствующие клетки различных органов (в кардиомиоциты, в стволовые полипотентные клетки крови). Среди генов, которые экспрессируются под влиянием сигнального пути «Wnt — бета-катенин», такие, как сМус, циклин D1, аксин 2 и CaMKIV.

Бета-катенин находится в клетке в малом количестве, так как постоянно разрушается в протеосомах «деградационным комплексом», в который входят такие белки, как супрессор опухолей (adenomatous polyposis coli, или белок АРС), а также казеинкиназа (СК1), протеинкиназа GSK-3 (или гликогенсинтазакиназа-Збета), белок бета-TrCP, белок Axin. Этот комплекс помимо бета-катенина блокирует и коактиватор TAZ. Для того чтобы бета-катенин и коак-тиватор TAZ могли проявить свою транскрипционную активность, «деградационный комплекс» должен быть инактивирован. Это происходит под влиянием белка Dishevelled (DSH). Этот белок становится активным (то есть способным к инактивации деградацион-ного комплекса) под влиянием белка Wnt (уинт), но при условии, что белок Wnt взаимодействует с селективным для него рецептором. Этот рецептор представляет собой комплекс «белок Фрайззлед

(Frizzled, Fzd) + липопротеиды низкой плотности LRP5/LRP6 + белок аксин + белок Dishevelled (DSH)». Таким образом, белок Wnt можно рассматривать в качестве индуктора активности бета-кате-нина и коактиватора TAZ.

Название белка Wnt происходит от гена дрозофилы wingless («ген сегментарной полярности»), который контролирует развитие крыльев у мушки. Оказалось, что у млекопитающих имеются 19 генов этого белка, то есть имеются его разновидности (например, Wntl). Но все они контролируют рост и развитие эмбриона. Связыванию белка Wnt с рецепторами Фрайззлед (Fzd) и липопротеидами LRP5/ LRP6 препятствуют различные эндогенные антагонисты, среди которых белок Wnt-ингибирующий фактор (WIF), белок sFRP, белок DKK (Dickkopf 1), белок SOST (sclerostin), белок Shisa. Этим антагонистам противостоят белки-проагонисты, способствующие образованию комплекса «Wnt — рецептор Фрайззлед — липопротеиды LRP5/LRP6». К таким проагонистам относится, например, белок R-spondin (RSPO).

После того, как бета-катенин поступает в ядро, он должен взаимодействовать с транскрипционными факторами TCF/LEF, которые и определяют, какие гены будут экспрессированы под влиянием белка Wnt. Этот процесс активации может быть нарушен под влиянием ресвератрола (флавоноида, кожицы черного винограда, содержащегося в красном вине), что может быть использовано для подавления сигнала Wnt при раковых заболеваниях.

Отметим также, что бета-катенин является одновременно адаптерным белком, связывающим белки кадерины с актиновым цитоскелетом, что необходимо для клеточной адгезии.

Помимо канонического пути, существует неканонический путь регуляции морфогенеза, который реализуется под влиянием белка Wnt, но без участия бета-катенина, а за счет активации рецепторов, ассоциированных с G-белками (каскад Wnt/Ca2+) или за счет активации киназы JNK (каскад Wnt/JNK) с участием малых ГТФ-аз (Rho и Rac). Каскад Wnt/Ca2+ повышает активность фосфолипазы С; это стимулирует образование ДАГ (диацилглицерола) и ИТФЗ (инозитол-1,4,5-трифосфата), что повышает уровень Са2+ в нейроне и активирует киназы СаМКП и РКС, а также кальциневрин, т.е. фосфатазу. Изменение активности киназ повышает активность ряда транскрипционных факторов, включая CREB и NFAT, которые участвуют в регуляции клеточной адгезии и миграции, а также в консолидации памяти. Кроме того, каскад Wnt/JNK в конечном итоге активирует транскрипционные факторы (например, ATF2), которые повышают экспрессию генов белков, необходимых для организации цитоскелета и подвижности клетки. Оба неканонических пути активируются за счет взаимодействия Wnt с его рецептором Фрайззлед (Fzd). Какой сигнальный путь будет активирован, зависит от вида

Wnt и вида корецепторов, которые присоединяются к основному рецептору, то есть к Фрайззлед (Fzd). Это могут быть липопротеиды LRP5/6 (для Wntl, Wnt3a и Wnt8), что запускает канонический путь либо коррецепторы Rorl или Ror2 (для Wnt5a). Иначе говоря, в одной и той же клетке активация различных сигнальных путей Wnt зависит от экспрессирующихся в ней корецепторов.

В настоящее время показано, что сигнальный путь Wnt/бета-ка-тенин играет ключевую роль в поддержании плюрипотентности, а также в процессах перепрограммирования соматических клеток. То есть этот путь определяет характер детерминации и дифференцировки клеток. В старости за счет перехода на неканонический путь сигнализации происходит одряхление стволовых клеток, что уменьшает их способность к размножению в миокарде или других тканях.

В последние годы показано, что сигнальный путь Wnt играет одну из ключевых ролей в процессах синаптической пластичности, формировании следа памяти и обучения, а его дисфункция имеет отношение к формированию болезни Альцгеймера (Гурская О. Я. и со-авт., 2015; Vallee A., Lecarpentier Y., 2016; Tapia-Rojas С., Inestrosa N., 2018; Ramos-Fernandez E. et al., 2019). В постнатальном периоде этот путь участвует в формировании нейронных связей, помогает новообразованным синапсам в создании и закреплении межклеточных взаимодействий, а также, подобно мозговому нейротрофическому фактору (BDNF), опосредует синаптические перестройки и пластичность.

Показано, что в тех регионах мозга, которые имеют прямое отношение к формированию памяти и ее консолидации, высока экспрессия всех компонентов сигнального пути «Wnt — бета-катенин». Показано, что при низких дозах радиоактивного излучения (0,3 Gy), стимулирующих нейрогенез в гиппокампе, повышается экспрессия белков Wntl, Wnt3a, Wnt5a и бета-катенина в нервных стволовых клетках, а также в гиппокампе in situ, что сопровождается улучшением обучения животных в водном лабиринте Морриса.

Показано также, что бета-катенин в таламусе регулирует экспрессию генов, кодирующих такие белки, как потенциал-зависимые ионные каналы, рецепторы к нейромедиаторам, белки синаптических везикул и структурные белки. Это означает, что бета-катенин может регулировать степень возбудимости нейронов таламуса.

Сообщается (Гурская О. Я. и соавт., 2015), что белок Wnt7a опосредует расширение и ветвление аксонов, участвует в формировании активных зон, увеличивая кластеризацию синапсина I в синаптических везикулах, кластеризацию синаптофизина, синаптотагмина и белка SV2 в пресинапсах. Белок Wnt5a (при участии Са2+/СаМКП) повышает встраивание в мембрану ГАМКА-рецепторов, увеличивая тем самым тормозные токи.

Показано, что система «Wnt — бета-катенин» участвует в морфогенезе дендритных шипиков, инициируя появление новых и увеличивая плотность и размеры уже существующих шипиков, что повышает эффективность глутаматергических синапсов в гиппокампе, а также повышает фосфорилирование СаМКП. Система «Wnt — бета-катенин» повышает экспрессию белка PSD-95, то есть белка постсинаптической плотности-95 (Ramos-Fernandez Е. et al., 2019). У мышей, получающих ингибитор транскрипции генов, экспрессия которых возрастает под влиянием бета-катенин/TCF/LEF, уменьшается содержание белка PSD-95, снижается плотность шипиков дендритов и уменьшается пространственная память. Это позволяет заключить, что ген белка PSD-95 является целевым геном системы «Wnt — бета-катенин», а сам по себе этот белок является необходимым для синаптической пластичности гиппокампа. Сообщается, что активация канонического пути белков Wnt3a, Wnt7a или Wnt7b усиливает синаптогенез посредством стабилизации бета-катенина, тогда как белок Wnt5a, запускающий неканонический путь, негативно влияет на синаптогенез.

Система «Wnt — бета-катенин» имеет отношение к изменению дендритной морфологии, вызванной электрической активностью. Так, показано, что при деполяризации, вызываемой гиперкалиевым раствором, в культуре гиппокампальных нейронов возрастает число и длина дендритных ветвей, и это связно с повышением содержания свободного бета-катенина. В основе этого эффекта лежит цепь событий: активация NMDA-рецепторов —> активация СаМКК —> активация СаМК! —> активация Ras активация MEK/ERK —> активация CREB —> повышение транскрипции Wnt2 повышение уровня бета-катенина экспрессия генов белков, необходимых для роста дендритов. Эти данные дают основание считать, что сигнальный путь «Wnt — бета-катенин» имеет отношение к формированию длительной потенциации (LTP). Введение в базолатеральную миндалину белка Dkkl, антагониста системы «Wnt — бета-катенин», препятствует формированию долгосрочной памяти, но не влияет на краткосрочную память. Установлено, что отсутствие бета-катенина в мозге препятствует консолидации памяти у взрослых мышей, а подавление сигнального пути «Wnt — бета-катенин» (с помощью лентивирусной трансдукции) в зубчатой извилине гиппокампа подавляет нейрогенез и нарушает долговременную пространственную память (Гурская О. Я. и соавт., 2015).

При болезни Альцгеймера в гиппокампе повышена экспрессия протеинкиназы GSK-3, которая входит в деградационный комплекс, снижающий содержание бета-катенина, а также повышена экспрессия гена белка Dkkl, который также является антагонистом системы «Wnt — бета-катенин» (Гурская О. Я. и соавт., 2015; Vallee А., Lecarpentier Y., 2016; Tapia-Rojas С., Inestrosa N., 2018). Подавление экспрессии белка Dkkl предотвращает гибель нейронов, фосфорилирование тау-белка, блокирует нейротоксичность, индуцированную бета-амилоидом. Аналогично, антитела к белку Dkkl блокируют синаптическую недостаточность, индуцированную бета-амилоидом. С возрастом экспрессия гена белка Dkkl возрастает, что сопровождается снижением нейрогенеза в гиппокампе. Поэтому уменьшение уровня Dkkl усиливает нейрогенез и TCF/LEF-активность и одновременно устраняет или снижает когнитивные нарушения, связанные с запоминанием и консолидацией памяти. Все эти данные создают базу для разработки методов лечения деменций и ней-родегенеративных заболеваний. Полагают, что снижение активности системы «Wnt — бета-катенин» является пусковым фактором развития болезни Альцгеймера, так как в этом случае повышается образование амилоидного пептида бета и возрастает фосфорилирование тау-белка, что рассматривается как основная причина формирования этого заболевания.

Транскрипционный фактор BDNF, то есть мозговой нейротрофический фактор и его роль в консолидации памяти. Сообщают (Гринкевич Л. Н., 2012; Григорьян Г. А., Маркевич В. А., 2014; Avgan N. et al., 2017; Брызгалов Д. В. и соавт., 2018; Lin Т. et al., 2018; Baltaci S. et al., 2019; Eremenko E. et al., 2019; Loprinzi P., Frith E., 2019; Luo H. et al., 2019; Xiang J. et al., 2019), что по своей природе BDNF является нейропептидом. Активируя тирозинкиназный рецептор TrkB, связанный с тропомиозином, этот фактор способствует выживанию нейронов, стимулирует рост и дифференциацию новых нейронов, то есть повышает взрослый нейрогенез, а также повышает развитие синапсов и тем самым повышает синаптическую пластичность. Это связано с тем, что BDNF активирует многие сигнальные пути, например, PLC-, PI3K-, ERK-пути, и тем самым повышает экспрессию генов белков, участвующих в синаптической пластичности.

Недавно установлено, что BDNF взаимодействует с его TrkB-рецепторами, ингибирует бета-секретазу 1 (ВАСЕ1), которая, как известно, превращает белок-предшественник бета-амилоида (АРР, amiloid precursor protein) в бета-амилоид. Это означает, что под влиянием BDNF снижается образование бета-амилоида, что уменьшает скорость дегенерации нейронов и снижает вероятность развития болезни Альцгеймера. Сообщают (Luo Н. et al., 2019), что апелин-13, нейропептид, обладающий антивоспалительным действием, при введении крысам (как модели болезни Альцгеймера) повышает эффективность пути BDNF/TrkB и тем самым способствует торможению развития дегенерации нейронов и прогрессу этого заболевания. Показано (Fang W. et al., 2019), что BDNF активирует транскрипционный фактор NF-кВ, что также уменьшает процесс дегенерации нейронов. Эффективность этого сигнального пути (BDNF/NF-кВ) возрастает под влиянием такого препарата как нейротропин (NTP), известного как обезболивающее средство. Этот факт объясняет способность нейротропина уменьшать дефицит памяти у пациентов с болезнью Альцгеймера.

Известно, что BDNF продуцируется во многих регионах мозга, но особенно интенсивно в тех из них, которые связаны с мнеми-ческими процессами. В индукции экспрессии BDNF важную роль играет ацетилирование гистона НЗ. Длительный стресс, лежащий в основе депрессий, подавляет ацетилирование гистонов в промоторе гена BDNF и соответственно снижает его экспрессию. В целом снижение экспрессии гена BDNF приводит к формированию Rett-синдрома, шизофрении и болезни Альцгеймера. В то же время показано, что продукция BDNF возрастает под влиянием физических нагрузок (определенного вида), что объясняется синтезом в скелетных мышцах миокинов, повышающих экспрессию гена предшественника BDNF. Поэтому применение физических нагрузок рекомендуют для тех ситуаций, при которых уровень продукции BDNF снижен, например, при болезни Альцгеймера.

BDNF участвует в формировании долгосрочной памяти, в частности в формировании L—LTP, то есть поздней фазы LTP. Так, показано, что инъекция BDNF в гиппокамп крысы повышает пространственную память. Это объясняется тем, что при активации TrkB-рецепторов под влиянием BDNF повышается экспрессия белка CdK5, то есть циклинзависимой киназы 5 (cyclin-dependent kinase 5). Эта киназа играет важную роль в обучении и памяти, так как фосфорилирует ключевой адаптерный белок DAB1, необходимый для функции белка релина, который является регулятором миграции нейронов. Установлено, что CDK5 повышает экспрессию глутаматных NMDA-рецепторов, содержащих субъединицу NR2B, что способствует формированию синаптической пластичности. Доказательством участия BDNF в формировании памяти являются данные о том, что агонист рецептора TrkB препарат 7,8-дигидрок-сифлавон усиливает приобретение следов памяти страха, в то время как блокатор TrkB-рецепторов препарат лакозамид препятствует этому и нарушает краткосрочную и долгосрочную память у мышей. Показано (Avgan N. et al., 2017), что полиморфизм гена BDNF может нарушать долгосрочную зрительную память у человека, не влияя на краткосрочную зрительную память. Все эти данные доказывают роль BDNF для долгосрочной консолидации памяти.

Белок Arc и его роль в консолидации памяти. Этот белок открыт относительно недавно (Григорьян Г. А., Маркевич В. А., 2014; Nikolaienko О. et al., 2017, 2018; Mabb A., Ehlers М., 2018; Parrish N., Tomonaga К., 2018; Shepherd J., 2018). Его название происходит от термина «вирусный архив», или viral (Arc)hive. Он ассоциирован с цитоскелетом, активируется за счет фосфорилирования под влиянием ERK и способствует консолидации памяти (у мышей, дефицитных по гену этого белка, отсутствует способность к долгосрочной памяти). Этот белок рассматривают в качестве главного регулятора синаптической пластичности. Полагают, что он способствует экспрессии АМРА-рецепторов и их переносу на постсинаптическую плотность (PSD) и тем самым способствует снаптической пластичности.

Белок Аге содержит элементы последовательности, которые эволюционно связаны с генами Gag ретротранспозонов. Белок Аге сохраняет ретровирусоподобную капсидообразующую способность (то есть образование оболочки) и может передавать мРНК между клетками нервной системы, что является еще одним компонентом синаптической пластичности. Предполагают, что у млекопитающих этот белок появился в результате внедрения ретровируса на заре эволюции. Этот белок упакован в везикулы совместно с РНК, поэтому, выходя из пресинапса, он может переходить в постсинаптическую клетку и вызывать в ней синтез этого белка. Таким образом, с помощью белка Аге переносится РНК от одной клетки к другой.

Гены раннего и позднего ответа. Сообщается (Аршавский Ю. И., 2011; Гринкевич Л. Н., 2012; Григорьян Г. А., Маркевич В. А., 2014; Kim S., Kaang В., 2017; Kelley Р. et al., 2018; Mitchell A. et al., 2018), что транскрипционные факторы кодируются генами, среди которых различают гены раннего ответа, или ранние гены, или гены первичного ответа, или immediate early genes (IEGs), и гены позднего ответа, или поздние гены, или эффекторные гены. Гены раннего ответа, например, ген c-fos, ген c/ebp, ген zif268, ген Аге, ген АР-1, кодируют соответственно такие транскрипционные факторы, как белки c-Fos, с/ЕВР, Zif268, Arc, API. Эти факторы в свою очередь индуцируют экспрессию генов позднего ответа.

Гены позднего ответа — это гены, кодирующие циклины, факторы роста, белки клеточной адгезии, рецепторы и другие белки, определяющие эффективность синаптической передачи, рост нейритов и формирование новых синапсов. Для генов раннего ответа характерно, что уже после 15 мин от момента их экспрессии происходит синтез соответствующего белка. Показано, что значительное увеличение экспрессии гена c-fos наблюдается при ассоциативном обучении позвоночных животных и моллюска Helix, а также при выработке долгосрочной посттетанической потенциации. Доказательством важности экспрессии генов для синаптической пластичности являются данные о способности блокаторов синтеза белка или РНК препятствовать консолидации памяти, что было обнаружено еще в 1960-е гг. Сообщают, что конкретный набор генов раннего и позднего ответа зависит от частоты генерации ПД, которые приходят к нейрону, а посредником в этом является транскрипционный фактор CREB. Это показано на крысах, а также и при исследовании человека с использованием функциональной МРТ.

В частности, для человека установлено, что области коры, в которых происходят метаболические изменения в процессе формирования долгосрочной памяти, зависят от паттернов возбуждения нейронов. Например, показано, что трехкратная подача одной и той же информации с интервалом в 10 мин успешно переводит ее в долгосрочную память, так как в синапсах развивается долгосрочная потенциация (LTP). Такой метод разнесенного обучения (CBSL), основанный на активации транскрипционного фактора CREB, оказался намного эффективнее, чем обычный метод обучения, что позволило внедрить его при обучении в различных областях знаний.

Конкретный набор экспрессируемых генов также зависит от региона мозга и вида консолидирующей памяти. Например, на грызунах показано, что при закреплении пространственной памяти изменения экспрессии генов преимущественно происходят в ре-тросплениальной коре, функция которой, вероятно, заключается в поисках следов памяти и их редактировании. При повторной консолидации следа памяти (после напоминания), то есть при реконсолидации конкретный набор экспрессируемых генов и транскрипционных факторов может быть иным, чем при первой консолидации, о чем более детально сказано ниже в разделе «Критические представления о механизмах памяти», в его подразделе «Реконсолидация».

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >