Нажмите "Enter", чтобы перейти к контенту

Физиологические и патофизиологические функции белков клеточного цикла в постмитотических нейронах: последствия для болезни Альцгеймера

Physiological and pathophysiological functions of cell cycle proteins in post-mitotic neurons: implications for Alzheimer’s disease
Источник: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4366542/

Болезнь Альцгеймера (AD) является наиболее распространенным нейродегенеративным расстройством, для которого нет эффективного лечения. Для развития успешной терапии требуется более глубокое понимание механизма болезни на ранних стадиях патологии. На протяжении многих лет многочисленные исследования показали, что белки клеточного цикла экспрессируются в нейронах пациентов с АД. Традиционно, нейроны считаются постмитотическими, а это означает, что они постоянно убираются из клеточного цикла. Таким образом, было высказано предположение, что экспрессия белков клеточного цикла у взрослых нейронов пациентов с АД способствует или даже провоцирует патологоанатомы, лежащие в основе АД. Интересно, что экспрессия белков клеточного цикла обнаруживается и в постмитотических нейронах здорового контроля, хотя и в меньшей степени, чем у пациентов с АД. Это указывает на то, что белки клеточного цикла могут служить важным физиологическим функциям в дифференцированных нейронах. Здесь мы предлагаем обзор исследований, которые поддерживают роль белков клеточного цикла в восстановлении ДНК и нейропластичности в постмитотических нейронах. Аберрантный контроль этих процессов мог, в свою очередь, способствовать нейродегенерации, опосредованной клеточным циклом. Баланс между регенеративными и дегенеративными эффектами белков клеточного цикла в постмитотических нейронах может меняться на разных стадиях AD. На ранних стадиях AD-патологии экспрессия белка клеточного цикла может в первую очередь возникать, чтобы помочь в восстановлении сублетальных двунитевых разрывов ДНК. С накоплением патологии опосредованная клеточным циклом нейропластика и нейродегенерация могут стать более преобладающими. Понимание физиологической и патофизиологической роли белков клеточного цикла в AD может дать нам более глубокое понимание нейродегенеративного процесса в AD.

Болезнь Альцгеймера (AD), наиболее распространенное нейродегенеративное заболевание, отвечает за большинство случаев позднего начала деменции [8]. Болезнь следует за прогрессирующим и смертельным заболеванием. Патологические признаки AD включают тяжелую нейродегенерацию, старческие бляшки, состоящие из внеклеточных отложений амилоидного β (Aβ) белка и нейрофибриллярных клубок (NFT), состоящих из внутриклеточных агрегатов гиперфосфорилированного микротрубочка, ассоциированного с тау-белком. Aβ-белок представляет собой протеолитический фрагмент белка-предшественника β-амилоида (APP). Автосомальные доминантно унаследованные мутации в генах, кодирующих APP, пресенилин 1 (PSEN1) и пресенилин 2 (PSEN2) способствуют усиленному осаждению Aβ и причинно связаны с ранним началом AD. Мутации, идентифицированные в APP, представляют собой missense мутации, лежащие внутри или близко к домену, кодирующему Aβ-пептид. Мутации в PSEN1 и PSEN2 непосредственно влияют на протеолиз APP, приводя к повышенным уровням Aβ [101]. Автосомальные доминантные унаследованные мутации, приводящие к AD, являются относительно необычными. Более распространенным является появление варианта гена, кодирующего аполипопротеин E, APOE-ε4, который, как было показано, является фактором риска развития AD и встречается как в ранних, так и в поздних случаях [93]. APOE-ε4 также способствует накоплению Aβ, как показано в исследованиях с трансгенными мышами [76, 92]. Больше поддержки центральной роли Aβ в патогенезе AD происходит из наблюдения, что пациенты с синдромом Дауна демонстрируют повышенный риск развития деменции и церебральных Aβ-рангов в раннем возрасте. В синдроме Дауна обильное церебральное осаждение Aβ объясняется избыточным синтезом APP из-за дополнительной копии хромосомы 21, где расположен ген APP. Патогенные эффекты мутаций, связанных с ранним началом AD, сильно повлияли на гипотезу о том, что AD является амилоидным процессом. Широко распространенная, но не бесспорная гипотеза амилоидного каскада предполагает, что Aβ управляет невритной тау-патологией, являясь важным вторичным явлением, которое тесно коррелирует с синдромом деменции [34, 85]. Несмотря на исчерпывающие знания о различных невропатологических коррелятах AD, пока еще не достигнут общий консенсус относительно механизма дисфункции нейронов и потери нейронов в AD, особенно в продромальной фазе заболевания. Это очень затрудняет разработку моделей болезней и методов лечения.

В настоящее время в посмертных исследованиях сообщалось о повышенной экспрессии белков клеточного цикла в постмитотических нейронах пациентов с АД. Клеточный цикл был связан со всеми вышеупомянутыми признаками AD, и поэтому было высказано предположение, что повторный вход в нейронный клеточный цикл может способствовать развитию патологии AD и что отказ от завершения клеточного цикла приводит к нейродегенерации, явление, называемое «абортозом» ‘[77]. Однако, как будет описано ниже, белки клеточного цикла также экспрессируются в нейронах без видимых патологических изменений и нейронов здоровых людей без суицида. Здесь мы рассмотрим физиологические и патофизиологические роли белков клеточного цикла в постмитотических нейронах. Признание событий, которые могут привести к постмитотическому нейрону, чтобы повторно выражать белки клеточного цикла, поможет нам интерпретировать значение этих белков в AD.

Чтобы понять роль белков клеточного цикла в патологии AD, крайне важно понять, как клеточный цикл работает в здоровых условиях (подробно описан в [66]). Эукариотический клеточный цикл можно разделить на фазу щели 1 (G1), фазы синтеза ДНК (S), фазы 2 (G2) и митотической (М) фазы (рис.1). Если среда неблагоприятна для деления клеток, ячейка может войти в фазу G0, состояние длительного задержания клеточного цикла. Клетки могут входить только в фазу G0, пока они находятся в фазе G1. Как только ячейка прошла фазу G1, она полностью привержена клеточному циклу и не может вернуться к фазе G0. Чтобы успешно пройти через клеточный цикл, ячейке необходимо пройти несколько контрольных точек. Прогрессирование клеточного цикла мимо этих контрольно-пропускных пунктов тщательно контролируется и регулируется системой управления клеточным циклом [66]. Основными компонентами этой системы являются циклин-зависимые киназы (CDK), которые активируются при связывании с конкретными белками циклина. Активные CDK могут фосфорилировать нисходящие сигнальные белки, тем самым стимулируя прогрессирование через различные фазы клеточного цикла. С другой стороны, активность CDK может быть ингибирована сниженной транскрипцией или повышенной деградацией циклин или белками CDK-ингибитора (CDKI) из семейства Cip / Kip или INK4. Каждая фаза клеточного цикла характеризуется участием специфических CDK, циклин и CDKI (фиг.1). 1Опровержение белков, участвующих в регуляции клеточного цикла. Цикл деления клеток эукариотических клеток можно разделить на четыре фазы. Во время S-фазы происходит синтез ДНК, а во время M — митоз и цитокинез. г
1 и G
2 — фазы зазора, которые разделяют фазы S и M. Клетки могут входить в постоянное состояние покоя, называемое G
0. Нейроны постоянно находятся в G
0. Прогрессирование через клеточный цикл жестко регулируется системой контроля клеточного цикла, состоящей из циклинзависимых киназ (CDK), циклин и ингибиторов CDK (CDKI). CDKs необходимо связывать с циклинами, чтобы они стали каталитически активными. Комплексы CDK-циклина, важные для фазового перехода, изображены на границе двух фаз. Важные ингибиторы циклина D-CDK4 / 6 комплексов относятся к семейству CDKI INK (p15INK4b, p16INK4a, p18INK4c и p19INK4d). Ингибиторы всех других циклин-CDK-комплексов относятся к семейству CDKI Cip / Kip (p21Cip1, p27Kip1, p57Kip2)

Считается, что в зрелом возрасте деление нейрональных клеток может происходить только в субвентрикулярной зоне и субгранулярной зоне гиппокампа человека [25]. Как только нейроны полностью дифференцированы, предполагается, что они входят в фазу G0, в течение которой повторный вход клеточного цикла непрерывно блокируется. Поэтому удивительно, что в посмертных исследованиях сообщается о повторной экспрессии белков клеточного цикла в дифференцированных нейронах пациентов с АД (таблица 1). В то время как это повторное выражение, как было показано, происходит в разных областях мозга, большинство исследований было сосредоточено на посмертной гиппокампальной ткани. Часто, но не исключительно, белки клеточного цикла обнаруживают колокализацию с помощью NFT [6, 7, 12, 15, 24, 39, 65, 91, 98, 105, 111, 114, 115] и старческих бляшек [6, 7, 12, 24, 39, 98, 111, 114, 115]. Это наблюдение предполагает, что аберрантная экспрессия белков клеточного цикла может быть патологическим признаком AD. Кроме того, поскольку повторная экспрессия белков клеточного цикла уже наблюдается у пациентов с ранней патологией AD [71, 72] или умеренной когнитивной недостаточностью (MCI) [105], продромальной стадией AD, было выдвинуто отклонение от клеточного цикла потенциально могут играть раннюю или даже причинную роль в патогенезе AD. Из посмертных исследований кажется, что постмитотические нейроны могут прогрессировать до фазы G2 / M; маркеры G1 (CDK4, cyclin D, E и p38), синтез ДНК [69, 102] и S-фаза (циклин A, PCNA, mcm2), G2 (CDK1) и M-фаза (циклин B, CDK1) (таблица 1) были обнаружены. Однако, похоже, что дифференцированные нейроны у пациентов с АД не могут завершить клеточный цикл, так как ни одно исследование не сообщает об успешных событиях митоза. Поэтому было высказано предположение, что постмитотические нейроны могут протекать до фазы G2 / M, при этом их прогрессия блокируется и прерывается. Наблюдение, что постмитотические нейроны экспрессируют белки клеточного цикла, не ограничивается случаями AD, поскольку в нескольких исследованиях показана повторная экспрессия белков клеточного цикла в других нейродегенеративных расстройствах [71, 72, 89, 91]. Табл. 1Обзор исследований клеток циклические белки в посмертной человеческой ткани головного мозга

AD Болезнь Альцгеймера, здоровый контроль HCs, иммуноблоттинг IB, иммуноцитохимия ICC, N количество субъектов, нейрофибриллярные клубочки NFT, N / A не применимо, 0 маркеров клеточного цикла, окрашенных в HCs

Маркеры клеточного цикла были colocalized, но не исключительно, с NFT / senile бляшки

† В этой колонке указывается, какие белки клеточного цикла были обнаружены при здоровом контроле, даже если уровни экспрессии были очень низкими

Интерпретация характера наблюдаемых белков клеточного цикла в нейронах в посмертной ткани остается сложной. Исходя из посмертных исследований, трудно установить функциональную связь между повторным вводом нейронального клеточного цикла и патологией. Последушие исследования предоставляют исследователю статическую картину, полученную в ходе прогрессирования патологии, что затрудняет вывод о функциональной последовательности событий. Повторная экспрессия белков клеточного цикла нейронами может быть вызвана патологией предшествующей нейродегенерации или адаптивным ответом на меняющуюся сотовую среду. Кроме того, исследования тканей головного мозга человека показывают, что белки клеточного цикла также экспрессируются в здоровых контрольных случаях [12, 15, 20, 24, 37, 39, 56, 65, 71, 72, 89, 91, 98, 105, 111, 114, 115] (таблица 1), хотя обычно на более низких уровнях, чем у пациентов с АД, и в нейронах без видимого присутствия патологии. Эти данные ставят вопрос о редкости, специфичности и причинности экспрессии белка клеточного цикла в AD. Более того, наблюдаемая экспрессия белков клеточного цикла у здоровых взрослых нейронов предполагает, что белки клеточного цикла могут выполнять основные физиологические функции в постмитотических нейронах.

Предыдущие исследования показали роль белков клеточного цикла в восстановлении ДНК. Окислительный стресс является основным источником повреждения ДНК в постмитотических нейронах. Все аэробные организмы испытывают окислительный стресс, который может возникать как побочный эффект транспортной цепи митохондрий, (хроническое) воспаление и ионизирующее излучение. Это может быть вредно для клетки из-за образования реакционноспособных видов кислорода (ROS), химически реактивных молекул, которые содержат кислород. Чрезмерная ROS может приводить к разрыву двух нитей (DSB) в ДНК [44], которые считаются наиболее смертельными повреждениями ДНК. Клетки полагаются на два механизма восстановления при обнаружении DSB: гомологичная рекомбинация (HR) и не гомологичное концевое соединение (NHEJ) (рассмотрено в [62, 81]). Механизм HR использует гомологичную хромосому или идентичную сестринскую хроматиду в качестве матрицы для восстановления DSB. Поскольку сестринские хроматиды идентичны, а гомологичные хромосомы очень похожи друг на друга, этот механизм восстановления обычно не имеет генетических рисков. NHEJ, с другой стороны, соединяет концы сломанных сегментов ДНК и, если необходимо, заполняет промежутки. NHEJ часто считается неточным, так как делеции и вставки могут более легко возникать по сравнению с тем, когда используется механизм ремонта HR. Считается, что дифференцированные нейроны в основном используют NHEJ для восстановления DSB [75].

Контроль клеточного цикла и восстановление повреждений ДНК сложным образом связаны в клетках с циклированием, поэтому не удивительно, что это в некоторой степени сохраняется в зрелых нейронах. Было показано, что белки клеточного цикла играют роль в активации и экспрессии компонентов механизмов репарации ДНК (недавно рассмотренные в [96] и [28]), что дает представление о том, почему постмитотические нейроны могут реактивировать механизмы клеточного цикла для проведения процессов восстановления ДНК. Свидетельство теперь начинает предполагать, что активация клеточного цикла является важной особенностью ответа NHEJ в дифференцированных нейронах [18, 83, 95]. После введения DSB in vitro обработкой пероксидом водорода ROS дифференцированные нейроны показали повышенную экспрессию белков, связанных с ответом NHEJ [95] и входом в клеточный цикл, таким как cyclin D1 [83], фосфорилированный ретинобластома белок (pRb) [83, 95] и более глобальных регуляторов клеточного цикла, таких как Ki-67 [83, 95] и mcm2 [83]. Кроме того, было обнаружено повышенное фосфорилирование Rb циклином С и циклином D [95]. Предотвращение циклического C-опосредованного клеточного цикла или одновременная блокировка CDK4 и CDK6, которые важны при прогрессировании G1 (фиг.1), увеличили повреждение ДНК при воздействии перекиси водорода [83, 95]. Интересно, что принудительный вход в фазу G1 также активировал ответ NHEJ в отсутствие повреждений DSB [95]. Постмитотические нейроны, подвергнутые восстановимому повреждению ДНК, не переходили к S-фазе, но оставались в фазе G1 [83]. С другой стороны, непреодолимое повреждение ДНК, вызванное избыточными уровнями перекиси водорода, по-видимому, способствовало прогрессированию фазы G1 / S, как показано увеличением включения бромдезоксиуридина (BrdU, аналога тимина), экспрессии CDK2 и cyclin E и впоследствии привело к апоптозу [ 83]. Блокирование активности CDK2 уменьшало апоптоз, но не влияло на восстановление ДНК [83]. Эти результаты были в значительной степени подтверждены экспериментом in vivo, в котором крысы подверглись сублетальному ионизирующему излучению (ИК), сосредоточенному на их головах, чтобы индуцировать DSB [18]. Сенсорные ганглиозные нейроны этих животных исследовали через 0,5, 3, 6 ч, 1, 3 и 15 дней после облучения. DSB были подтверждены иммуноокрашиванием для фосфорилированного H2AX и присутствием 53 связывающего белка 1, оба участвуют в реакции NHEJ [18]. Пик в ядерном циклоне D был обнаружен через 1 день после инфракрасного излучения и, хотя впоследствии он уменьшился, было обнаружено, что он остается повышенным до 15 дней после облучения. Интересно отметить, что p21, ингибитор прогрессирования фазы G1 / S также достигал максимума через 1 день после ИР, но уменьшался через 3 дня и отсутствовал на 15-й день. Наконец, выражение cyclin A не могло быть обнаружено, поддерживая представление о том, что нейроны не прогрессируют к S-фазе. В соответствии с этим нейроны не проявляли признаков апоптоза. Эти данные подтверждают, что сублетальные DSB вызывают дифференцированные нейроны для повторного входа в фазу G1, но без последующего перехода к S-фазе.

Более косвенная поддержка связи между DSB и повторным вводом клеточного цикла связана с исследованиями, связанными с мутацией атаксии telangiectasia (ATM). ATM autophosphorylates при обнаружении DSB [9] и является важным ингибитором фазовых переходов клеточного цикла, включая прогрессию фазы G1 / S, чтобы позволить циклическим клеткам время восстанавливать повреждение ДНК. Ген Atm дефектен у пациентов с телангиейэктазией атаксии (AT), которая характеризуется сниженной резистентностью к DSB, прогрессирующей нейродегенерацией клеток Пуркинье и экспрессией белка нейронного клеточного цикла [45, 103]. Это иллюстрирует, что повреждение, вызванное повреждением ДНК, вызванное клеточным циклом, не только важно для циклических нейронов для восстановления ДНК, но также может иметь большое значение в постмитотических нейронах. Исследование in vivo с использованием Drosophila melanogaster, выражающее человеческое тау в нервной системе мух, сообщило, что у тау-экспрессирующих постмитотических нейронов наблюдается повышенный признак DSB по сравнению с постмитотическими нейронами у здоровых мух [48]. Интересно, что уменьшение АТМ в тау-экспрессирующих нейронах, увеличение апоптоза и экспрессия PCNA [48]. Это указывает на то, что поднабор тау-экспрессирующих нейронов, возможно, те, у которых имеются восстановимые DSB, естественно не входят в S-фазу, но могут оставаться в фазе G1 и, следовательно, выживать. Действительно, понижающая регуляция Cdh2 и p53, участвующих в ATM-ассоциированной остановке G1 [19], также увеличивала экспрессию PCNA и апоптоз в тау-экспрессирующих нейронах [48]. Следовательно, снижение активности АТМ и, следовательно, остановка клеточного цикла на фазе G1 может позволить большему количеству нейронов перейти в S-фазу и умереть. В некоторых исследованиях было показано, что делеции АТМ могут защитить нейроны от апоптоза, вызванного повреждением ДНК, поскольку ATM может потребоваться для опосредованного p53 апоптоза [55]. Однако некоторые другие исследования также подтверждают, что нокдаун АТМ вызывает экспрессию S-фазовых маркеров в постмитотических нейронах [58, 80, 103, 104] и усиливает апоптоз [58, 80, 104], которые оба, по-видимому, увеличиваются в условиях окислительного стресса [104], подтверждая нейродегенеративный фенотип и восприимчивость к раку [68], наблюдаемую у пациентов с АТ. Хотя эти исследования не исследовали, если в этих нейронах произошел ремонт NHEJ в фазе G1, они поддерживают защитную роль для остановки G1 при повреждении ДНК у взрослых нейронов.

В заключение кажется, что постмитотические нейроны могут быть способны повторно войти в клеточный цикл, чтобы инициировать восстановление DSB, и оставаться в фазе G1, пока повреждение ДНК является восстанавливаемым или сублетальным. Высокие дозы непоправимых DSB индуцируют дальнейшее прогрессирование к S-фазе в клеточном цикле и в конечном итоге приводят к апоптозу. Связь между фазой фазы S и апоптозом подтверждается другими исследованиями [22, 48, 55]. Основополагающий механизм, ответственный за апоптоз в S-фазе, требует дальнейшего изучения, но было предложено объяснить репликативный стресс [108]. Поскольку клетки будут реплицировать ДНК во время фазы S, это вызовет гиперплоидию в нейронах. Возможно, из-за недостаточного восстановления DSB большинство нейронов, по-видимому, не могут завершить S-фазу, что может привести к тому, что результирующая анеуплоидия еще больше усилит геномную нестабильность и в конечном итоге приведет к смерти нейрона.

Исследования белков клеточного цикла также предложили связь с нейропластичностью. Нейропластичность относится к способности мозга структурно и функционально адаптироваться к своей динамичной и постоянно меняющейся среде. Иммуноэлектронная микроскопия и эксперименты по иммуноблоттингу показали ассоциацию циклина B и D, а также CDK2 и CDK4 с аксоновским цитоскелетом микротрубочек в мышиной неокортикальной ткани [82]. В том же исследовании, кроме того, показана активность киназы бычему тубулину, особенно циклином В, комплексованным с CDK2. siRNA-понижающая регуляция и фармакологическое ингибирование CDK1, 2 и 4 и cyclin B, D и E in vitro способствовали росту нейритов в клеточной линии нейробластомы мыши и основных нейронах мыши, что указывает на роль этих белков клеточного цикла в регуляции устойчивости сети и динамики нейронных цитоскелетов [82]. Соответственно, cyclin D1 был недавно связан с реорганизацией микротрубочек в нейронах крыс гиппокампа [54]. Другое недавнее исследование показало, что cyclin E также может играть роль в формировании синапсов в постмитотических нейронах путем ингибирования CDK5 [74]. В отличие от других CDK, которые обычно активируются циклическим белком, CDK5 каталитически активируется p35 / p39 или более стабильным фрагментом p25 и оказывает ингибирующее действие на клеточный цикл [110]. Многие исследования показали ключевую роль CDK5 в синаптической пластичности. Однако, поскольку активация и ингибирование CDK5 оба были связаны с улучшением, но также с ухудшением показателей нейропластичности, его функции, вероятно, будут зависимыми от контекста [21]. Было продемонстрировано, что Cyclin E ингибирует активность CDK5, препятствуя его связыванию с p35 / p39 [74]. Острая абляция циклина E в постмитотических нейронах приводила к уменьшению числа синапсов и дендритных шипов в культурах in vitro мышей гиппокампальных нейронов [74]. Эти результаты были подтверждены in vivo, так как мыши, выбитые циклином E, имели изменения в дендритных шипиках, уменьшенную длину постсинаптических плотностей и снижение синаптической передачи. Кроме того, у нуль-мозгов циклина E было меньше фосфорилирования NR1-субъединицы NMDA-рецептора и, соответственно, снижение NMDA-зависимых токов.

Поскольку нейродегенерация приводит к потере связей между нейронами, это важный стимул для запуска нейропластических процессов в остальных нейронах. Поэтому вполне возможно, что белки клеточного цикла, которые, как утверждается, регулируются здоровыми нейронами при потере синаптических связей, помогают в синаптическом ремоделировании. Показано, что потеря синаптических соединений вызывает экспрессию белков клеточного цикла в интактных постмитотических нейронах как in vitro [51], так и in vivo [35, 36]. Было обнаружено, что поражения в энторинальной коре индуцируют экспрессию белка клеточного цикла (cyclin D1, cyclin B и ERK1 / 2) в зубчатой ​​извилине гиппокампа [35] и наоборот (cyclin D1, CDK6, PCNA, CDK2, cyclin B , CDK5 и p25 / 35) [36]. CDK4 и его активатор cyclin D1 были активированы в интактных нейронах, граничащих с ишемическими ядрами в головном мозге крысы [60, 61], а также были обнаружены в связи с уширением в интактных нейронах без признаков апоптоза [46]. Все это означает, что эти белки клеточного цикла необходимы для выживания, восстановления или компенсаторных механизмов.

Несколько других регуляторов клеточного цикла были связаны с пластичностью нейронов в полностью дифференцированных нейронах, таких как антиафазосодержащий комплекс / циклосома (APC / C) и его активатор Cdh1, полоподобная киназа 2 (Plk2), киназа Aurora A и происхождение (ORC) (рассмотрен в [29]). В клеточном цикле APC / C в первую очередь функционирует для стимуляции M-фазы и выхода путем контроля деградации других белков клеточного цикла, включая циклин B. В развивающихся постмитотических нейронах ядерный Cdh1-APC / C был продемонстрирован для подавления роста аксонов [ 53], тогда как активность cdc20-APC / C в центросоме была критической для морфогенеза дендритов [49]. Кроме того, предполагается, что активность Cdh1-APC / C играет роль в поддержании гомеостатической пластичности, механизм, посредством которого нейроны адаптируют свой пиковый выход в оптимальном диапазоне после хронического возбуждения или депрессии, путем снижения регуляции субъединицы Glur1 рецептора AMPA при хронической повышенной синаптической активности [31]. Другим белком клеточного цикла, участвующим в гомеостатической пластичности, является Plk2, который активен во время фазы S и поздней фазы G2. Было показано, что Plk2 связывает и деградирует CDK5-фосфорилированный спин, связанный с белком RapGAP (SPAR), что приводит к снижению синаптической прочности [84]. Аврора Киназа, которая в основном функционирует для координации динамики центросомы, играет роль в расширении нейритов [67] и в транскрипции белка, зависящей от активности NMDA, в синапсе [40]. Другой важный регулятор клеточного цикла, ORC, участвует в развитии дендритной ветви и позвоночника [41]. Наконец, было показано, что избыточная экспрессия конститутивно активного Ras, важного регулятора клеточной пролиферации, привела к изменению синаптической связи как на функциональном, так и на структурном уровне у кортикальных нейронов мышей [5].

В целом выше выводов утверждают, что белки клеточного цикла могут способствовать нейропластичности. Точный механизм, лежащий в основе нейропластических процессов, опосредуемых регуляторами клеточного цикла в постмитотических нейронах, еще предстоит определить. Поскольку нейропластичность может возникать на многих уровнях и, как было показано, включает несколько белков клеточного цикла, вполне вероятно, что в постмитотических нейронах можно использовать различные механизмы в зависимости от контекстуальных потребностей. Вышеприведенные исследования предполагают, что белки клеточного цикла могут непосредственно взаимодействовать с нейронным цитоскелетом и что они могут оказывать влияние, модулируя специфические функции других регуляторов динамики цитоскелета, таких как CDK5 или SPAR. Кроме того, белки клеточного цикла могут влиять на экспрессию рецептора глутамата или синтез белка. Альтернативно, было высказано предположение, что нейроны отступают от клеточного цикла, чтобы использовать их механизмы клеточного цикла для нейропластических целей (см. [3]). В соответствии с этой гипотезой было высказано предположение, что увеличение белков клеточного цикла отражает потерю нейропластичности в AD; нейропластическая сигнализация может быть ошибочно интерпретирована для митогенной сигнализации и, следовательно, активировать древние механизмы клеточного цикла в дифференцированных нейронах, ведущих к нейродегенерации [3].

Ранние признаки того, что повторное введение нейронального клеточного цикла может привести к нейродегенерации, произошло из исследования более двух десятилетий назад [27]. В этом исследовании онкогенный тег был экспрессирован в постмитотических, мозжечковых клетках Пуркинье у мышей. Вместо того, чтобы индуцировать опухолегенез, авторы столкнулись с повышенной нейродегенерацией. На протяжении многих лет другие экспериментальные исследования [57, 80], коррелятивные данные из посмертных исследований (табл. 1) и тот факт, что реактивация клеточного цикла часто сопровождает Aβ-, а тау-опосредованная клеточная смерть способствовала этому явлению [ 1, 22, 32, 43, 47].

В дополнение к повреждению ДНК и апоптозу, вызванному репликативным стрессом, было предложено несколько путей для объяснения механизма нейродегенерации, опосредованной клеточным циклом. Одна гипотеза гласит, что нейроны умирают через «фазовый стазис»; в фазе поздней S, фазы G2 и M происходит митохондриальная пролиферация, более подверженная воздействию нейронов с дефектным контролем над их клеточным циклом на разрушающие эффекты ROS [90]. Две другие теории вращаются вокруг CDK1 как медиатор гибели клеток при депривации нейронной активности. Было продемонстрировано, что лишение активности вызывает индуцированную E2F1 экспрессию CDK1, которая, в свою очередь, была обнаружена для фосфорилирования BAD на ее участке серина 128 [51, 52]. Если не фосфорилировать в сайтах 112 и 136 серина, BAD гетеродимеризуется с Bcl-2 и Bcl-XL, тем самым способствуя апоптозу [109]. Факторы роста могут вызывать фосфорилирование БАД при серине 112 и 136, что приводит к взаимодействию БАД с белками из семейства 14-3-3 [109]. Это, в свою очередь, способствует выживанию нейронов. Поэтому было высказано предположение, что фосфорилирование БАД в серине 128 предотвращает секвестр серинового 136-фосфорилированного БАД белками 14-3-3 и тем самым антагонизирует выживание нейронов, вызываемых фактором роста. Недавно было обнаружено, что транскрипционный фактор FOXO1 фосфорилируется комплексом циклина B-CDK1 [107]. Фосфорилирование приводило к транслокации FOXO1 от цитоплазмы к ядру. В ядре FOXO1 затем индуцировал экспрессию проапоптотического гена BIM. Активный CDK1 играет роль во время фазы G2 и M, и поэтому оба механизма, вероятно, описывают другой апоптотический путь в постмитотических нейронах, чем это наблюдается при гибели клеток, вызванной повреждением ДНК.

Однако можно поставить под сомнение, является ли апоптоз основным основным механизмом нейродегенерации, связанной с клеточным циклом, в AD. Апоптоз — относительно быстрый способ смерти нейронов. AD, с другой стороны, характеризуется медленной, но прогрессивной нейродегенерацией. Поэтому исследователи были озадачены многими нейронами, которые, как было обнаружено, демонстрировали маркеры клеточного цикла в посмертной ткани пациентов с MCI и AD. Если бы эти белки клеточного цикла действительно указывали на то, что апоптотические процессы находятся в работе, ожидается, что эти нейроны умрут в течение очень коротких временных интервалов, и это не будет соответствовать скорости нейродегенерации в AD. Другим источником для исследователей, которые не согласны с гипотезой вызванного клеточным циклом апоптоза, является отсутствие нейродегенерации в ряде моделей мыши, несмотря на повышение уровня клеточных клеточных циклов [59]. Гипотеза «двух хитов» дает объяснение этому и длительный период между аномалиями клеточного цикла и гибелью клеток [112, 113]. Он постулирует, что окислительный стресс и повторный вход клеточного цикла, один из которых предшествует другому, взаимодействуют, чтобы вызвать гибель клеток. Согласно этой гипотезе, окислительный стресс или митогенные изменения могут привести нейроны в новое устойчивое состояние, в котором они все еще функционируют нормально, но ценой постоянных адаптивных изменений. Эти изменения делают нейроны более уязвимыми для второго оскорбления. Таким образом, экспрессия маркеров клеточного цикла отражает митотическое устойчивое состояние, в котором нейроны более подвержены повреждению, вызванному ROS, и не обязательно указывают на продолжающуюся нейродегенерацию. Однако, согласно этой гипотезе, аномалии окислительного стресса и клеточного цикла кажутся двумя независимыми процессами. Этому противодействуют многие исследования, в которых сообщается о повышении уровня клеточного цикла как при высоких, так и при низких уровнях окислительного стресса [11, 14, 18, 23, 50, 55, 83, 95]. В дополнение к повторному введению клеточного цикла, вызванному повреждением ДНК, описанному выше, ROS были связаны с активацией клеточного цикла в нейронах посредством активации p38, индукцией факторов роста и ингибированием деацетилирования гистонов (суммировано в [50]). Наконец, было показано, что некоторые диетические соединения, влияющие на восприимчивость к окислительному стрессу, регулируют активацию клеточного цикла, например селен [78], железо [22, 26] и фолиевую кислоту / гомоцистеин [55, 73]. В целом, эти результаты, похоже, поддерживают связь между окислительным стрессом и активацией клеточного цикла.

Кажется очевидным, что белки клеточного цикла могут выполнять физиологические функции в постмитотических нейронах, которые включают восстановление DSB и нейропластичность. Оба процесса очень важны на разных этапах AD для противодействия патологии. Поэтому мы предлагаем, чтобы на ранних доклинических стадиях AD экспрессия белка клеточного цикла могла преимущественно отражать восстановление сублетальных DSB. Однако при накоплении DSB и AD-патологии во время прогрессирования заболевания нейропластичность и нейродегенерация, вызванная клеточным циклом, могут стать более преобладающими. Более того, контроль за восстановлением DSB и нейропластичностью может становиться все более дефектным, и это также может способствовать нейродегенерации (рис.2). 2 Цикл активации цикла у постмитотических нейронов пациентов с АД. G1-фазовый вход клеточного цикла в постмитотических нейронах облегчает восстановление ДНК по пути не гомологичного конца соединения (NHEJ) (зеленые стрелки). Ущерб от повреждения ДНК может привести к тому, что нейроны перейдут к S-фазе в клеточном цикле, что в конечном итоге приведет к нейродегенерации (красные стрелки). Накопление AD-патологии и нейродегенерации увеличит потребность в нейропластичности, связанной с клеточным циклом (синие стрелки). Наконец, нейропластические сигналы могут быть неверно истолкованы для митогенной сигнализации у пациентов с АД, что также приводит к нейродегенерации

Во-первых, мы предлагаем, чтобы самые ранние стадии AD могли характеризоваться экспрессией белка клеточного цикла, чтобы помочь восстановить ДНК. Доклинические и продромальные стадии AD, по-видимому, характеризуются накоплением, но восстанавливаемыми или сублетальными DSB. Эти DSB могут быть вызваны постепенным увеличением генотоксических оскорблений и дефектных механизмов восстановления ДНК. Действительно, окислительное повреждение ДНК увеличивается с возрастом, но, по-видимому, еще больше увеличивается у пациентов с МРП [99]. Другим потенциальным кандидатом в AD, который может частично быть ответственным за появление DSB, является Aβ [94]. Доклинические стадии AD, вероятно, отмечены возвышенностями в олигомерных, нефибриллярных Aβ, которые могут способствовать накоплению DSB [94] и, следовательно, вызывать повторную экспрессию белков клеточного цикла для инициирования восстановления ДНК. В соответствии с этим у трансгенных мышей, экспрессирующих белок-предшественник амилоида человека с помощью шведской (K670M / N671L) мутации, изменения клеточного цикла наблюдались задолго до образования амилоидной бляшки [97, 106]. Кроме того, было показано, что Aβ-олигомеры могут индуцировать вхождение in vitro в цикл нейронных клеток, как измерено циклин D1 [86], включение BrdU [10, 97] и экспрессию PCNA [10]. Интересно, что включение BrdU и экспрессия PCNA увеличивались зависимым от концентрации образом [10, 97]. Аналогично было продемонстрировано in vitro, что фибриллярный Aβ может индуцировать нейроны взрослых гиппокампа для повторного входа в клеточный цикл в разные стадии, в зависимости от концентрации [63]; тогда как низкие концентрации индуцированной Aβ экспрессии cyclin D1, более высокие концентрации приводили к экспрессии циклина B1.

Было также обнаружено, что Aβ вмешивается в NHEJ [17]. Это подтверждается исследованиями, в которых сообщалось о снижении эффективности NHEJ у пациентов с АД [87], как измерено конечной соединительной активностью, и экспрессии Ku и ДНК-зависимых протеинкиназ-белков, ответственных за распознавание и связывание с DSB, чтобы облегчить преодоление ДНК заканчивается. Тем не менее, активизация циклического цикла может инициировать реакцию NHEJ, которая в дальнейшем будет неэффективной. Тогда можно предположить, что активность клеточного цикла еще больше возрастает, пытаясь компенсировать неэффективный механизм ремонта. В целом это могло бы объяснить результаты, обнаруженные в посмертных исследованиях, где маркеры фазы G1 повышены в нейронах на ранних стадиях AD-патологии [37, 38, 71]. Насколько нам известно, никакие исследования не затрагивали пространственную связь между повреждениями DSB и маркерами клеточного цикла в посмертной человеческой мозговой ткани. В одном из исследований было исследовано, существует ли корреляция между маркерами восстановления DSB и экспрессией циклалина A в постмитотических мозжечковых и гиппокампальных нейронах пациентов с АД [20]. Несмотря на то, что наличие маркеров ремонта DSB было положительно коррелировано с диагнозом (AD против контроля), корреляция между циклин A и DSB не могла быть подтверждена. Отсутствие корреляции может быть объяснено тем фактом, что восстановление DSB происходит в первую очередь во время фазы G1. Поэтому для будущих исследований было бы интересно исследовать колокализацию маркеров NHEJ с помощью маркеров фазы G1 или маркеров повреждений DSB с этапами клеточного цикла.

Несколько экспериментальных исследований показали, что Aβ и tau могут быть митогенными [1, 10, 22, 30, 32, 43, 47, 63, 86, 97] и что Aβ и тау-индуцированная гибель клеток часто опосредуются активацией клеточного цикла [1, 22, 32, 43, 47]. Это предполагает функциональную связь между накоплением Aβ и tau во время прогрессирования заболевания и возникновением белков клеточного цикла в нейронах. Однако в патологии человека связь между белками клеточного цикла в нейронах и патологическими признаками AD неясна. Хотя белки клеточного цикла часто обнаруживают колокализацию с помощью NFT, они также обнаруживаются в нейронах без наличия нейрофибриллярной патологии. Тяжесть AD-патологии может быть указана постановкой Braak, которая следует за развитием нейрофибриллярных изменений в мозге AD [13]. В то время как на ранних стадиях Braak височная кора почти лишена нейрофибриллярных изменений, в этой области мозга наблюдается повышенное присутствие маркеров фазы G1 [37, 38]. Также представляется, что корреляция между присутствием амилоидных бляшек и возникновением белков клеточного цикла несовместима (табл. 1). Однако посмертные исследования не касались взаимосвязи между растворимой, нефибриллярной Аβ и активацией клеточного цикла. Поскольку олигомерный Аβ связан с экспрессией белка клеточного цикла и индукцией DSB, это будет интересной темой для дальнейших исследований.

Согласно Braak, постановка возникновения белка белка нейронного цикла проявляется на этапах, предшествующих возникновению бляшек и клубок. Это подтверждает нашу гипотезу о том, что повторная экспрессия белков клеточного цикла является ранним событием в AD и может быть связана с адаптивным ответом, связанным с восстановлением ДНК или нейропластичностью. Далее мы заявляем, что с прогрессированием заболевания наращивание окислительного стресса, генотоксических оскорблений и ухудшение механизмов репарации ДНК приводят к накоплению поражений DSB, которые, как было установлено, увеличены у пациентов с АД [20, 88], в конечном итоге к которая больше не восстанавливается. Это будет все больше побуждать нейроны продвигаться к более продвинутым этапам клеточного цикла, что отразится на увеличении экспрессии S-фазовых маркеров и в конечном итоге приведет к нейродегенерации (рис.2). Рост циклона E, участвующего в фазовом переходе G1 / S, действительно отмечался в зубчатой ​​извилине, суббукуле, СА2 и СА4 гиппокампа пациентов с АД по сравнению с пациентами, перенесшими AD. [71]. В другом исследовании сообщалось о сходной тенденции для Ki-67 в CA2, CA3 и CA4 гиппокампа, тогда как обратная связь с стадией заболевания была замечена в суббукуле, зубчатой ​​извилине и CA1 гиппокампа [91]. Наконец, у трансгенных мышей, несущих шведскую (K670M / N671L) мутацию белка-предшественника амилоида человека, наблюдалось резкое увеличение циклина D1 и cyclin A в возрасте от 6 месяцев до 12 месяцев в лобных кортикальных слоях V / VI [97] ,

Наконец, мы предлагаем, что с развитием AD-патологии и потерей синаптических связей спрос на нейропластичность постепенно увеличивается, что также будет отражено в экспрессии белка клеточного цикла (рис.2). В соответствии с этим было обнаружено, что белки клеточного цикла были активированы в областях гиппокампа доклинических пациентов AD, которые не соответствовали ожидаемому образцу нейродегенерации [72]. Кроме того, было обнаружено, что экспрессия cyclin E в зубчатой ​​извилине значительно коррелирует с нагрузкой на нейритовую бляшку в неокортексе [71]. Нейродегенерация в одной области в конечном итоге также приводит к гибели клеток, вызванной лишениями активности в связанных областях, что будет отражено в увеличении комплексной экспрессии циклина B-CDK1 [51, 52, 107]. В соответствии с этим было обнаружено, что cyclin B был повышен в зубчатой ​​извилине полномасштабных пациентов с АД по сравнению с пациентами, прошедшими до AD [71]. Наконец, поскольку нейропластические сигналы могут (все чаще) неверно истолковываться для митогенной сигнализации в пост-митотических нейронах AD, активация клеточного цикла и нейродегенерация еще более усиливаются [3].

Важным вопросом является вопрос о том, могут ли белки клеточного цикла в нейронах выполнять свои функции независимо от полного повторного ввода клеточного цикла. Было показано, что использование флуоресцентной гибридизации in situ (FISH) по крайней мере частичной хромосомной репликации увеличивается в нейронах в ткани мозга AD [69, 102]. Кроме того, увеличение числа нейронов с более чем диплоидным содержанием ДНК наиболее заметно в продромальной и легкой стадиях AD [4]. Полная или частичная репликация отдельных генетических локусов на разных хромосомах наблюдалась у нейронов гиппокампа и базального переднего мозга в случаях АД, в то время как эти аномалии отсутствовали в контроле с возрастом [102]. Однако анеуплоидия также встречается в здоровой ткани головного мозга человека [42, 69, 79]. Эти признаки анеуплоидии могут указывать на то, что постмитотические нейроны могут действительно повторно войти в клеточный цикл, хотя иногда приводят к неполной репликации ДНК. Однако анеуплоидия в постмитотических нейронах также может возникать из-за неудачной репликации ДНК в клетке-предшественнике нейронов. Чтобы провести различие между этими двумя причинами, была исследована связь между анеуплоидией и циклином B1, так как комбинация этих двух будет показывать активный цикл [69]. Большинство нейронов в AD с тетраплоидным содержанием ДНК экспрессируют cyclin B1, тогда как это, казалось, не имело места для здорового контроля. Связь между повышенным содержанием ДНК и экспрессией cyclin B1 в AD указывает на то, что некоторые нейроны активировали клеточный цикл и продвигались к S-фазе и дальше [69]. Это было оспорено еще одним наблюдением, что тетраплоидные ядра аналогично распространены в AD и контролируют мозг и являются исключительно не-нейронными [100], что указывает на то, что дифференцированные нейроны не могут полностью воспроизвести их ДНК во время фазы S. Тем не менее, маркеры клеточного цикла фазы G2 и ранней М повторялись в постмитотических нейронах, что свидетельствует о том, что эти нейроны завершили S-фазу. Объяснением этого парадокса может быть то, что нейроны могут достигать фазы G2 / M без полной репликации их ДНК [108]. Поэтому в ближайших исследованиях рекомендуется дополнительно исследовать механизм экспрессии белка клеточного цикла в отношении физиологических функций, которые они выполняют в постмитотических нейронах, путем обращения к возникновению анеуплоидных нейронов в мозге с использованием комбинации соответствующих маркеров и, в частности, этапов AD-патологии.

Здесь мы предлагаем, чтобы белки клеточного цикла могли играть ключевую роль в восстановлении DSB и нейропластичности и что аберрантный контроль над этими физиологическими функциями может в конечном счете способствовать нейродегенерации, опосредованной клеточным циклом, в AD (рис.2). Наблюдаемая нейронная экспрессия белков клеточного цикла в ранних патологических и доклинических стадиях AD может представлять повышенную потребность в восстановлении DSB. С прогрессированием заболевания, DSB будут постепенно накапливаться в постмитотических нейронах до такой степени, что они больше не могут быть восстановлены. Следовательно, эти нейроны будут продвигаться на более продвинутые стадии клеточного цикла и в конечном итоге вырождаться. Накопительная патология и прогрессирующая нейродегенерация увеличивают потребность в нейропластичности, что также будет отражено в экспрессии белков клеточного цикла в довольно неповрежденных нейронах. Кроме того, аберрантная активация сигнальных путей, связанных с нейропластичностью в нейронах AD, также может способствовать нейродегенерации, опосредованной клеточным циклом. Это широкое участие белков клеточного цикла может объяснить несоответствие между большим количеством нейронов, экспрессирующих маркеры клеточного цикла, и оцененной скоростью нейродегенерации в AD [102, 105], поскольку не все белки клеточного цикла следует интерпретировать как предикторов потери нейрональных клеток , Поскольку баланс между восстановлением ДНК, нейропластичностью и нейродегенерацией может меняться в зависимости от стадии заболевания, можно утверждать, что каждая стадия AD может быть охарактеризована специфической моделью экспрессии белка клеточного цикла в постмитотических нейронах.

Учитывая физиологическую роль белков клеточного цикла на ранних стадиях развития АД, в будущих исследованиях необходимо уделять внимание нескольким аспектам. Во-первых, мало что известно о активности NHEJ и распространенности DSB на разных стадиях AD. Кроме того, пространственное перекрытие между DSB и маркерами клеточного цикла, к сожалению, плохо описано в предыдущих исследованиях после вскрытия. Поэтому будущим исследованиям необходимо будет рассмотреть связь между маркерами клеточного цикла и DSB в посмертной мозговой ткани с уделением особого внимания реакции NHEJ и распространенности DSB на разных стадиях AD-патологии. Во-вторых, белки клеточного цикла, характерные для фазы G2 и фазы M, были зарегистрированы в контрольных случаях [12, 15, 20, 65, 98], случаях раннего AD [72, 105] и нейронах без видимой патологии [15, 20, 71] , Поскольку их экспрессия маловероятна, относящаяся к репарации ДНК, проспективные исследования должны выяснить, могут ли маркеры фазы G2 и M быть отнесены к нейропластическим событиям или (возрастной) нейродегенерации. Субклеточное распределение белков клеточного цикла и колокализация с помощью маркеров для нейродегенерации и нейропластичности могут дать представление о том, какой механизм используется. И, в-третьих, в будущих исследованиях рекомендуется исследовать, могут ли различные типы анеуплоидии, такие как триплоидия и трисомия трихомии, хромосомы, могут быть связаны с экспрессией белка на конкретных стадиях клеточного цикла и маркерами апоптоза, DSB и нейропластичностью. Это в конечном итоге скажет нам, требуется ли активация полного клеточного цикла для инициирования или проведения нейродегенеративных процессов или нейропластических событий.

Потенциальный подход к получению более глубокого понимания роли контроля клеточного цикла и связанных с ним физиологических механизмов во время прогрессирования заболевания представляет собой протеомику на образцах человеческого мозга, поставленных в мозг. Предыдущие протеомические исследования на ткани мозга человека показали потенциал обнаружения белков, связанных с клеточным циклом, окислительным стрессом и гибелью клеток [2, 64, 70]. Протеомика на образцах человеческой ткани мозга могла бы обеспечить более глубокое понимание корреляции нейродегенерации и дерегулирования клеточного цикла в AD на разных стадиях заболевания. Общей проблемой при анализе этих данных с помощью инструментов биоинформатики является то, что трудно оценить относительный вклад различных типов клеток, присутствующих в исходном образце. Особенно при исследовании изменений цикла нейронных клеток, необходимо исключить изменения клеточного цикла, происходящие в глии или других типах клеток, чем нейроны. Доступны инструменты биоинформатики для оценки относительной роли клеточной популяции с использованием баз данных транскриптов, обогащенных астроцитами, нейронами и олигодендроцитами [16, 33]. Может ли это работать на общие пути, такие как клеточный цикл, остается сомнительным. Более перспективным подходом будет протеомический анализ изолированных нейронов с использованием метода лазерного захвата (LCM) или флуоресцентно-активированной клеточной сортировки (FACS). Современные технические достижения в этой области преодолели проблемы с получением достаточного количества материала с использованием этих подходов и выхода идентифицированных белков с протеомикой. Явным преимуществом этого подхода является то, что нейроны, помеченные для определенных маркеров клеточного цикла, могут быть выделены и проанализированы.

В заключение, увеличение экспрессии белка клеточного цикла происходит в постмитотических нейронах во время прогрессирования AD. В то время как роль белков клеточного цикла в нейронах в механизмах заболевания, связанных с апоптозом, широко признана, их физиологические функции недооцениваются. Здесь мы обсудили две физиологические функции для белков клеточного цикла в постмитотических нейронах, т. Е. Восстановление ДНК и нейропластичность. Аберрантный контроль этих процессов может, в свою очередь, инициировать клеточно-опосредованную нейродегенерацию. Понимание физиологической и патофизиологической роли белков клеточного цикла в AD может дать нам больше информации о нейродегенеративном процессе в AD.

Мы хотели бы поблагодарить Хидде де Йонга за его помощь в создании фигур.

Комментариев нет.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *