АСТРОЦИТЫ И ПЛАСТИЧНОСТЬ СИНАПСОВ. ЧАСТЬ I. СИНАПТОГЕННЫЕ МОЛЕКУЛЫ

Полный текст

Характерной особенностью центральной нервной системы (ЦНС) является высокий уровень пластичности не только в нейрогенезе, но и в зрелом мозге. Пластичность определяется главным образом поведением синапсов, которые могут изменять свою структуру, функциональную активность, формироваться вновь или исчезать в течение всего жизненного цикла. Наиболее выраженные изменения синапсов отмечены в раннем развитии, когда формируются межнейронные связи вначале с большим избытком синапсов, число которых с возрастом уменьшается вследствие удаления функционально неактивных контактов (синаптический прунинг). Перисинаптические отростки астроцитов. Астроциты составляют около 50% всех клеток мозга, влияют на многие функции нейронов, и неудивительно, что они участвуют практически во всех процессах, связанных с синапсами, включая их пластичность. Характерная морфологическая особенность астроцитов серого вещества (протоплазматических астроцитов) - это обилие тонких листообразных отростков на радиальных ветвях. Эти отростки тесно связаны со многими синапсами, в которых в основном они окружают постсинаптическую часть (дендритные шипики). Такая морфологическая особенность определила их название - перисинаптические отростки астроцитов (ПОА). ПОА вместе с пре- и постсинаптическими частями нейронов являются высокодинамичными структурами. ПОА могут набухать, изменять свою длину и степень покрытия синапсов. Эти изменения коррелируют с синаптической активностью - функционально более активные синапсы в большей мере покрыты ПОА. Астроциты и элиминация синапсов. Астроциты не только поддерживают формирование синапсов, но также участвуют в их элиминации как в нейрогенезе, так и в сформированном мозге. Удаление ненужных синаптических связей контролируется как автономными механизмами самих нейронов, так и влиянием окружающих клеток. Процесс элиминации синапсов протекает в две фазы - первая (у мышей первые 3 недели), когда формируются правильные сенсорные и моторные связи, и вторая фаза (у мышей 3-8 неделя), когда консолидируются элементы высших функций, таких как внутренне управляемое поведение, планирование цели, контроль импульсов. Астроциты участвуют в обеих этих фазах. Один из астроцит-зависимых механизмов контроля синаптического прунинга связан с классической системой комплемента. Синапсы и дендритные шипики, подлежащие удалению, метятся компонентом комплемента C1q, который инициирует в клетках микроглии опосредованный компонентом C3 фагоцитоз. Именно астроциты, выделяя трансформирующий фактор роста бета-1 (TGF-β1), индуцируют экспрессию C1q в избыточных синапсах [7]. Астроциты сами могут фагоцитировать синапсы. Для решения этой задачи астроциты оснащены фагоцитарными рецепторами MEG10 и MERTK, которые ответственны за фагоцитоз фрагментов распадающегося синапса не только в незрелом, но и в зрелом мозге [13]. Синаптогенные молекулы астроцитов. Первое свидетельство значимости астроцитов для образования синапсов было получено на культуре ганглиозных нейронов сетчатки, которые могут выживать in vitro в течение нескольких недель без поддержки со стороны каких-либо других клеток. В таких условиях эти нейроны формируют очень мало синапсов. Но когда к нейронам добавляли среду от культивируемых астроцитов, наблюдался всплеск образования синапсов [39]. Позднее синаптогенные свойства астроцитов были подтверждены для разных типов нейронов из неокортекса, гиппокампа, мозжечка и спинного мозга [43, 55]. Эти данные однозначно свидетельствуют о продукции астроцитами синаптогенных молекул. В секретоме (наборе секретируемых астроцитами молекул) в настоящее время выявлено несколько тысяч белков и многие из них оказывают влияние на нейроны, индуцируя образование синапсов и контролируя синаптическую пластичность [25]. Первой идентифицированной синаптогенной молекулой был холестерин, секретируемый астроцитами и переносимый в нейроны аполипопротеином E (ApoE) [22, 37]. Имеются убедительные доказательства того, что астроциты выделяют холестерин in vivo [2, 15]. Поскольку нейроны также способны синтезировать холестерин, значение астроцитарного холестерина для их функционирования остается неясным. ApoE присутствует также в цереброспинальной жидкости, и его уровень может указывать на патологические проявления, например, при болезни Альцгеймера [14]. Астроциты выделяют холестерин в межклеточное пространство в виде частиц ApoE, эндоцитоз которых в нейронах осуществляется с участием специфических рецепторов. Аномалии в поглощении и процессинге экзогенного холестерина приводят к нарушению функции нейронов при болезни Ниманна-Пика [32, 49]. Снижение уровня белка, связывающего стерол-регулирующий элемент (SREBP), ответственного за синтез холестерина в астроцитах, приводит к снижению секреции ими холестерина и, как следствие, к уменьшению числа зрелых синапсов и снижению LTP (долговременная потенциация, усиление синаптической передачи нейронами, сохраняющееся на протяжении длительного времени после воздействия) [56]. Позднее in vitro были выявлены другие синаптогенные молекулы, продуцируемые астроцитами - тромбоспондины 1 и 2 (TSP1 и 2) [12]. Эффекты TPS могут опосредоваться их влиянием на потенциал-зависимые кальциевые каналы, что приводит к рекрутированию молекул адгезии и белков, организующих постсинаптические активные зоны возбуждающих синапсов [19]. Следует отметить, что габапентин, используемый для лечения эпилепсии и невропатической боли, также связывается с рецептором TSP. В экспериментах габапентин ингибирует образование синапсов путем блокирования связывания TSP с рецептором [19]. Недавно было показано, что снижение секреции TSP1 астроцитами может быть причиной аномалий нейронов, включая изменения дендритов и нарушения в образовании синапсов при синдроме ломкой Х-хромосомы [11]. Снижение секреции TSP1 астроцитами рассматривается в связи с нарушением организации дендритных шипиков при синдроме Дауна [21]. Важно отметить, что синапсы, индуцированные TSP, не являются функционально активными, они не содержат рецепторы AMPA («молчащие» синапсы, см. обзор Hanse et al., 2013]. Астроциты способны их активировать путем выделения клеточно-поверхностных гепарансульфат протеогликанов глипиканов 4 и 6 [1]. Эти молекулы увеличивают плотность и кластеризацию рецепторов AMPA в синапсах и позволяют постсинапсу реагировать на высвобождение глутамата из пресинапса. Недавно было установлено, что действие глипикана 3 обусловлено его влиянием на секрецию пентраксина 1, что опосредуется через рецепторный белок тирозинфосфатазу сигма (PTPσ). Пентраксин 1 представляет собой секретируемый гликопротеин, который связывается с рецепторами AMPA и стабилизирует их в постсинаптической зоне [20]. Другие две молекулы, которые вызвали большой интерес, - SPARCL1 (SPARC-like protein 1, или hevin) и SPARC (secreted protein acidic and rich in cysteine, или остеонектин). Обе молекулы являются секретируемыми астроцитарными гликопротеинами и принадлежат семейству внеклеточных белков SPARC. Эти молекулы реципрокно влияют на формирование и стабилизацию синапсов: SPARCL1 поддерживает эти процессы, тогда как SPARC блокирует влияние SPARCL1 [33]. Они обнаружены не только в незрелом, но и в сформированном мозге, что указывает на их значимость в пластичности синапсов в зрелом возрасте. Одним из возможных механизмов, ответственных за синаптогенный эффект SPARCL1, является его участие в связывании нейрексинов (NRXs), молекул адгезии в пресинаптической мембране, с нейролигинами (NLs), молекулами адгезии в постсинаптической мембране. В этом смысле SPARCL1 можно рассматривать как молекулярный интерфейс между молекулами адгезии пре- и постсинапса. Действие SPARCL1 стабилизирует структуру синапса и делает его функционально активным [50]. NRX и NLs существуют в нескольких молекулярных формах, а также известны их сплайсинговые варианты. Представляет интерес факт обнаружения SPARCL1 в мультивезикулярных тельцах бергмановской глии мозжечка, что может указывать на высвобождение этого белка при помощи экзосом [36]. Стоит также отметить, что NRXs и NLs крайне важны для созревания синапсов и нормального функционирования. Мутации этих белков синаптического контакта наблюдаются при расстройствах аутистичес-кого спектра (РАС) и шизофрении (см. обзоры Sudhof, 2008, 2017). SPARCL1 участвует в конкурентных механизмах формирования нейронных сетей в коре головного мозга. Так, в слое I зрительной коры у SPARCL1 нокаутных мышей преобладают синапсы, образованные внутрикортикальными нейронами, тогда как у контрольных здоровых мышей многие синапсы формируются таламическими афферентами [47]. Как секретируемый астроцитами SPARCL1 участвует в контроле специфичности нервных связей, остается неясным. Изучение популяций астроцитов в мозге на основе геномного анализа позволило различить 5 типов клеток [31]. Только один из них, идентифицированный в коре, характеризуется высокой экспрессией генов, которые участвуют в синаптогенезе. Астроциты, выделенные из нескольких областей мозга, таких как неокортекс, гиппокамп, средний мозг, мозжечок, проявляют различный синаптогенный потенциал in vitro и значительно различаются по уровню транскриптов для SPARCL1, SPARC, глипиканов 4 и 6 [8]. Секретируемый астроцитами TGF-β1 способствует образованию как возбуждающих, так и ингибирующих синапсов [16, 17]. Синаптогенный эффект TGF-β1 зависит от наличия NMDA-рецепторов и D-серина, коактиватора NMDA-рецепторов, также высвобождаемого астроцитами. Прямые контакты астроцитов с нейронами. Астроциты влияют на развитие синапса не только путем секреции нейроноактивных молекул. Прямые контакты астроцитов с нейронами гиппокампа в культуре приводят к формированию большего количества синапсов и увеличению амплитуды постсинаптичес- ких токов [23]. Авторы получили доказательства того, что контакты между астроцитами и нейронами опосредовались рецепторами интегринов с последующей активацией внутриклеточного сигнального пути, связанного с протеинкиназой C. Интересные данные о роли прямых контактов нейронов с астроцитами для формирования\поддержания синапсов были получены на культивируемых ганглиозных нейронах сетчатки. Аксоны этих нейронов могут формировать синапсы, но их дендриты до определенного момента развития не участвуют в формировании синапсов в качестве постсинаптических структур, несмотря на наличие прямых контактов с аксонами других нейронов (культура состояла из нейронов, полученных из эмбрионов разного возраста, которые росли изолировано друг от друга). Такая особенность объясняется высокими уровнями NRX (эти молекулы могут присутствовать в постсинаптических терминалах, хотя, как было указано выше, типичны для пресинаптических частей) [5]. Прямые контакты с астроцитами приводят к снижению уровня NRX в дендритах, что считается разрешающим фактором для дендритов к образованию синапсов. Другой важный механизм прямого влияния астроцитов на нейроны включает рецепторы эфрина (Eph) из обширного семейства рецепторных тирозинкиназ. Eph широко представлены в постсинаптической мембране, и их активация лигандами (эфринами) поддерживает функцию и пластичность синапсов. Находящиеся в контакте с дендритными шипиками ПОА обогащены эфрином-А3, который связывается с рецептором эфрина EphА4 на дендритных шипиках пирамидных нейронов гиппокампа мыши и, таким образом, влияет на морфологию шипиков и распределение глутаматных рецепторов [42]. Трициклический антидепрессант дезипрамин, широко используемый при лечении депрессивных расстройств, оказывает влияние, по крайней мере частично, на опосредованное эфрином взаимодействие между астроцитами и нейронами [53]. Такое действие дезипрамина снижает в гиппокампе долговременную потенциацию, что может объяснить снижение памяти, как известный побочный эффект этого фармакологического препарата. Астроциты составляют морфологически и функционально гетерогенную популяцию даже в сером веществе. Генетический анализ выявляет высокую степень изменчивости в популяции астроцитов, что может влиять на их синаптогенные функции. Так, в спинном мозге астроциты в вентральной части отличаются от таковых в дорзальной части, обогащенной секретируемым семафорином 3а, мощным регулятором нейрогенеза и пластичности [41]. Выключение действия семафорина 3a приводит к гибели нейральных клеток и аберрантному синаптическому входу в α-мотонейроны. Расстройства аутистического спектра (РАС) обычно диагностируются в первые 3 года жизни, что соответствует начальной фазе синаптогенеза в коре головного мозга человека. Ряд исследований показывает, что у детей с РАС увеличен объем мозга, особенно в первый год жизни. Это увеличение связано с избытком кортикальных нейронов и межнейрональных связей, что указывает на аберрантный синаптический прунинг на ранней стадии. Другая важная особенность - уменьшение функциональных связей на большие расстояния по всей коре и мозолистому телу и избыток ближних проекций (как в полосатом теле, так и в лобной доли). Эти наблюдения свидетельствуют о невозможности устранения некоторого количества нейронов и синапсов. В мозге пациентов с РАС наблюдается более высокая плотность дендритных шипиков в височной доле, что указывает на недостаточный синаптический прунинг [54]. Хотя прямое участие астроцитов в синаптическом прунинге у трансгенных мышей с моделью РАС не было доказано [46, 54], дальнейшие разработки генетических моделей и более детальный анализ позволят выявить степень участия астроцитов в патологии РАС. Важность глиальных клеток, в том числе астроцитов в РАС, поддерживается данными анализа транскриптома. Секвенирование РНК выявило тесную связь между РАС и геном, связанным с активацией глии, а также с геном, ответственным за иммунные и воспалительные реакции [57]. Иммуногистохимический анализ мозга человека в послеродовом периоде подтвердил появление реактивного астроглиоза и микроглиоза [18]. Параллельно в этом материале были обнаружены высокие уровни провоспалительных цитокинов, таких как интерлейкин-6, интерлейкин-1β, трансформирующий альфа-фактор роста [34, 59]. Следует отметить, что в отличие от астроцитов участие микроглии хорошо документировано в моделях РАС у мышей, на которых было показано, что антибиотик миноциклин оказывается эффективным для смягчения социального дефицита у мышей [40]. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC) становятся уникальным и очень плодотворным объектом для изучения патологии человека и для скрининга потенциальных терапевтических соединений [24]. Нейроны, полученные из iPSC от пациентов с аутизмом, выявили аберрантные уровни продуктов синаптических генов, снижение количества высвобождаемого глутамата и спонтанной активности [48]. Введение в культуру нейронов астроцитов, полученных из индуцированных плюрипонентных стволовых клеток пациентов с РАС, ухудшало состояние нейронов, но введение астроцитов от здоровых людей сдерживало развитие аномальных отклонений в нейронах. Синдром ломкой Х-хромосомы является наиболее распространенной формой наследуемой умственной отсталости и первичной генетической причиной РАС. Патология вызвана мутацией в одном гене под названием Fragile X Mental Retardation Gene 1 (FMR1). Продукт гена FMR гена (FMRP) представляет собой РНК-связывающий белок, который участвует в метаболизме мРНК, транспорте и контроле трансляции мРНК [38]. FMRP имеет несколько сайтов влияния. Основная патология, наблюдаемая в мозге человека на аутопсийном материале, а также в моделях с нокаутными мышами и дрозофилами связана с дефектами нейронов и их дендритных шипиков. При этом плотность шипиков увеличивается, они аномально истончаются и удлиняются и становятся более извилистыми [29]. Одним из популярных механистических объяснений патофизиологии синдрома ломкой Х-хромосомы является гиперактивация метаботропного рецептора глутамата mGluR5 из-за отсутствия FMRP [6]. Ингибирование mGluR5 выглядело как многообещающая терапевтическая стратегия, и действительно, у мышей ингибирование GluR5 давало обнадеживающие результаты [6], хотя положительные эффекты одобренных ингибиторов mGluR5, таких как мавоглурант и бастимглурант, не были доказаны в клинических испытаниях [3, 62]. Другие перспективные терапевтические подходы в этом направлении рассмотрены в обзоре Castagnola et al., 2017. Поскольку присутствие FRMP было показано не только в нейронах, но и в астроцитах [45], участие астроцитов в связанной патологии было рассмотрено в нескольких исследованиях. В зоне CA1 гиппокампа у FMRP нокаутных мышей показано снижение перисинаптических отростков астроцитов и уменьшение опосредованной микроглиоцитами синаптического прунинга [30]. У этих мышей значительно различаются уровни SPARCL1 и SPARC в коре и гиппокампе, по сравнению с животными [Wallingford et al., 2017]. Астроциты, лишенные способности к высвобождению FMRP, содержали меньше тромбоспондина 1 (TSP1), чем астроциты у мышей дикого типа [11]. Предполагается, что аберрантное влияние астроцитов на дендриты и шипики может быть связано с гиперпродукцией важного нейротрофического фактора нейротропина-3, лиганда рецепторной тирозинкиназы TrkC, важного для развития и созревания возбуждающих синапсов [61]. У мышей с делецией FMRP только в астроцитах в двигательной коре было обнаружено увеличение плотности шипиков и нарушение их структуры параллельно с нарушением приобретения двигательных навыков [28]. На другой модели синдрома ломкой Х-хромосомы у мышей с делецией FMRP только в астроцитах установлена более низкая экспрессия продуцироемого астроцитами транспортера глутамата GLT-1, умеренное увеличение плотности шипиков, предположительно в результате активации внутриклеточного сигнального каскада mTOR [27]. Синдром Ретта представляет собой наследственное заболевание, обусловленное мутациями гена Mecp2, продукт которого метил-CpG-связывающий белок 2 (MeCP2) функционирует как транскрипционный репрессор для многих генов и экспрессируется в нейронах, астроцитах и олигодендроцитах [63]. Синдром проявляется микроцефалией, аутизмом, судорогами, вегетативными дисфункциями и тревогой [10]. Патологические признаки включают аномальную морфологию дендритов, связанную с уменьшением сложности ветвления и уменьшением плотности шипиков [60]. Важность астроцитов в этой патологии впервые была показана в культуре нейронов с введением в нее астроцитов с выключенным геном MeCP2. При этом культивируемые нейроны характеризовались аномальным ветвлением дендритов и аберрантным образованием синапсов [4]. Подтверждение роли астроцитов в патогенезе синдрома Ретта было получено на нокаутных по Mecp2 мышах. Восстановление экспрессии Mecp2 преимущественно в астроцитах значительно сдерживает развитие аномалий поведения, восстанавливает нормальную картину ветвления дендритов и уровнь экспрессии транспортера глутамата в синаптические пузырьки VGLUT1 [35]. Стоит отметить, что MeCP2 нокаутные астроциты утрачивают способность эффективно захватывать глутамат из внеклеточного пространства, что предрасполагает к нежелательному устойчивому перевозбуждению нейронов [44].

Об авторах

Вадим Николаевич Швалев

Национальный медицинский исследовательский центр кардиологии

Email: vadim.shvalev@mail.ru
121552, г. Москва, 3-я Черепковская, д. 15А

Александр Алексеевич Сосунов

Колумбийский университет

Email: aas190@cumc.columbia.edu
Нью-Йорк, 10032, США

Юрий Александрович Челышев

Казанский государственный медицинский университет

Email: chelyshev-kzn@yandex.ru
420012, г. Казань, ул. Бутлерова, д. 49

Список литературы

Дополнительные файлы