ASTROCYTES AND SYNAPTIC PLASTICITY. PART II. EXTRACELLULAR MATRIX AND PERINUERONAL NET

Full Text

Важный аспект роли астроцитов в синаптогенезе и функционировании синапсов связан с внеклеточным матриксом (ВКМ). Он участвует во множестве физиологических, а также патологических процессов в ЦНС, таких как болезнь Альцгеймера, шизофрения, эпилепсия и травма. Категории внеклеточный матрикс и перинейро- нальная сеть. Внеклеточное пространство составляет около 20% объема мозга [34]. В нем присутствует комплекс внеклеточных белков, полисахаридов и липидов. Основными компонентами матрикса явля- ются гиалуронат, хондроитинсульфат протеогликаны из семейства лектиканов, в том числе аггрекан, нейрокан, версикан и бревикан, линкерные белки (Crtl1/Hapln1 и Bra2/Hapln4) и тенасцины R и C. Все молекулы матрикса синтезируются в основном нейронами и астроцитами [43] и присутствуют во всех частях ЦНС, хотя и в разных количествах [10]. Состав матрикса варьирует в разных частях ЦНС, что определяется особенностями синтеза и расщепления его молекул. Последнее регулируется матриксными металлопроте- иназами (MMP), которые секретируются астроцитами в неактивной форме и активируются внеклеточными протеиназами. Изначально внеклеточный матрикс был описан Камилло Гольджи в 1898 году и введен в научный лексикон как перинейрональная сеть (ПНС), выявля- емая методом импрегнации серебром на поверхности только некоторых нейронов. Последующие исследо- вания подтвердили наблюдение Гольджи и многое добавили к нашему пониманию организации внекле- точного компонента мозга. ПНС становится попу- лярной темой в нейробиологии, но, к сожалению, во многих публикациях смешиваются понятия ПНС и ВКМ, что порождает непонимание и противоречие в интерпретации результатов. Что можно считать ПНС per se в соответствии с современной точкой зрения? Прежде всего, ПНС опре- деляется конкретным окрашиванием. Самым попу- лярным классическим маркером ПНС является лектин Wisteria floribunda agglutinin (WFA), который связыва- ется с остатками N-ацетилгалактозаминов в составе хондроитинсульфат протеогликанов. Только некоторые нейроны окрашиваются WFA, хотя слабое окраши- вание может быть широко распространено. Другая важная особенность ПНС - тесные связи между моле- кулами, что требует применения более сильных детер- гентов для извлечения компонентов по сравнению с обычным ВКМ [11]. Таким образом, ПНС можно опре- делить как фокальные области ВКМ с высоким содер- жанием хондроитинсульфат протеогликанов. Почему ПНС присутствует вблизи только неко- торых нейронов, остается неясным и требует прове- дения дальнейших исследований. Другой открытый вопрос: покрывает ли ПНС весь нейрон с дисталь- ными частями дендритов, включая шипики, или, как указано во многих публикациях [например, Song, Dityatev, 2017], присутствует только вокруг пери- кариона нейрона с проксимальными дендритами и прилежащими аксо-соматическими синапсами. Выяс- нение этого вопроса имеет решающее значение для понимания влияния роли ПНС в функционировании нейронов, особенно в суммации и процессировании синаптических входов. Локализация перинейрональной сети в ткани мозга. Наиболее выраженная ПНС окружает парвальбумин (PV)-иммуноположительные тормозные нейроны, которые служат классическим примером нейронов с ПНС. В зрительной коре мыши PV+-нейроны с ПНС составляют около 80% всех PV+-нейронов [7]. Элек- трофизиологически эти нейроны характеризуются высоким входным сопротивлением и интенсивной пиковой активностью. Последующие исследования показали, что ПНС окружает также возбуждающие глутаматергические нейроны в разных отделах голов- ного и спинного мозга [29, 30]. В неокортексе нейроны с ПНС присутствуют в каждом слое, но функцио- нальные и структурные различия между ПНС+- и ПНС--нейронами неизвестны. Интересные результаты были получены на гиппо- кампе мышей, где присутствие ПНС было показано вокруг многих, если не каждого пирамидного нейрона, но только в зоне CA2 [6]. Пирамидные нейроны в этой зоне проявляют ограниченную синаптическую пластичность (отсутствует LTP) в отличие от нейронов в зонах CA1 и CA3. Когда в срезах мозга ПНС была искусственно дезинтегрирована при помощи хондро- итиназы ABC, CA2-нейроны стали проявлять LTP. По критерию интенсивности окрашивания срезов мозга при помощи лектина WFA было установлено более раннее созревание ПНС в CA2 у животных, находя- щихся в обогащенной среде обитания. Стоит отметить две другие характерные особен- ности пирамидных нейронов СА2: 1) большую устой- чивость к повреждению при перевозбуждении в экспе- риментальных условиях [12] и обычно сохранение в склеротическом гиппокампе у пациентов с эпилеп- сией [3, 41] и 2) способность генерировать спон- танную эпилептиформную активность [56]. Являются ли эти свойства связанными с ПНС, вопрос остается открытым. Перинейрональная сеть и пластичность нейронов. Раннее развитие ЦНС характеризуется периодом высокой пластичности (критический период), когда нейроны формируют и теряют синапсы достаточно быстро. Позднее происходит консолидация межнейро- нальных связей, что является признаком зрелого мозга. Этот переход от пластического периода к стабиль- ному связан с резким увеличением количества проте- огликанов и других компонентов ВКМ, что позволяет визуализировать ПНС с помощью лектина WFA. Эти наблюдения интерпретируются как указание на нега- тивное влияние ВКМ на пластичность нейронов в сформированном мозге, в отличие от ювенильного мозга, в котором ВКМ поддерживает миграцию пред- шественников нейронов, рост аксонов и формирование синапсов. Такое различие может указывать на то, что влияние ВКМ на пластичность нейронов напрямую зависит от количества и, возможно, качества различных компонентов ВКМ. Монокулярная депривация является ярким примером влияния ВКМ/ПНС на пластичность нейронов в развитии [36]. Сенсорная депривация в одном глазу в критический период приводит к пожиз- ненному ухудшению зрения вследствие реконструкции межнейрональных связей в зрительной коре в обоих полушариях (названном как сдвиг в окулярной доми- нантности [Wiesel, Hubel, 1965]). Такой сдвиг зависит от созревания тормозных нейронов, в частности гене- рирующих быстрые спайки PV+-нейронов, которые подавляют спонтанную активность возбуждающих нейронов и, таким образом, позволяют им получать и анализировать визуальную информацию после открытия глаз [15]. У взрослых животных моноку- лярная депривация не вызывает сдвига в окулярной доминантности из-за стабильности межнейрональных синапсов. Содержание животных в темноте значи- тельно увеличивает пролонгацию критического периода и уменьшает иммунореактивность нейро- кана (хондроитинсульфат из семейства лектиканов) в зрительной коре. Введение хондроитиназы ABC в мозг зрелых животных восстанавливает способность нейронов к сдвигу окулярной доминантности [36]. Значимость тормозных PV+-нейронов в феномене монокулярной депривации убедительно показана в эксперименте на живом мозге крыс с разрушением ВКМ и одновременной электрофизиологической регистрацией. Дезинтеграция ВКМ у взрослых крыс значительно уменьшала ингибирующую активность и сдвигала баланс между процессами возбуждения и торможения в сторону усиления возбуждения, таким образом возвращая мозг в незрелое состояние [30]. Блокирование в зрительной коре взрослых крыс тормозных нейронов при помощи ингибирования фермента, ответственного за синтез ГАМК, реактиви- рует окулярную доминантность, что сопровождается уменьшением содержания хондроитинсульфат проте- огликанов [23]. Ряд других наблюдений с применением различных экспериментальных подходов подтверждает тезис о том, что созревание ВКМ отвечает за снижение пластич- ности нейронов. Так, в экспериментах с условным рефлексом на страх было показано, что деградация ВКМ в миндалевидном теле взрослых крыс приводит к утрате памяти на действие условного раздражителя, ассоциированного с безусловным стимулом отвра- щения\страха [21]. По мнению авторов, значительно ослабленная LTP в таламусе может быть причиной потери памяти. Аналогичные результаты были полу- чены в отношении воспоминаний визуального страха. Было показано, что ВКМ/ПНС необходимы для сохра- нения отдаленной памяти, но не памяти на недавние события [48]. Напротив, искусственно интенсифици- рованная сенсорная стимуляция у молодых животных приводит к укорочению критического периода и более раннему созреванию ВКМ/ПНС [1, 2]. Интересно, что физические упражнения оказы- вают противоположное воздействие на спинной (пояс- ничный отдел) и головной мозг у крыс. Бег мышей в колесе вызывал увеличение числа нейронов с ПНС при окраске лектином WFA в спинном мозге и снижение их в гиппокампе [42]. Анализ нокаутных животных. Значимость различных компонентов ВКМ была исследована у нока- утных мышей, и были получены убедительные дока- зательства их участия в функционировании нейронов. Мыши, у которых гены аггрекана и линкерного белка Crt1 были удалены, погибают в перинатальном периоде из-за выраженных нарушений хряща [52, 53]. Для преодоления отрицательных эффектов делеции Crt1 были получены трансгенные мыши, в которых Crt1 экспрессируется под влиянием хрящевого спец- ифического промотора и энхансера [9]. У этих мышей ген экспрессируется в хряще, но не в мозге. Животные имеют нормальный жизненный цикл, фертильны и не проявляют аномального поведения. Интенсивность окрашивания ткани мозга нокаутных мышей при помощи лектина WFA была снижена на 25%, а монону- клеарная депривация наблюдалась у взрослых мышей и напоминала ее у молодых животных [7]. Анализ периринальной коры у Crt1 нокаутных мышей показал улучшенную долговременную память, связанную с изменениями LTP, аналогичными тем, которые наблюдались при дезинтеграции ПНС у контрольных здоровых мышей [37]. Удаление бревикана (хондроитинсульфат протео- гликан из семейства лектиканов) не вызывало каких- либо явных изменений в анатомии мозга, продол- жительности жизни и поведении, включая память, и приводило только к нарушению LTP в зоне CA1 гиппокампа [4]. Более детальный анализ выявил критическое значение бревикана и его сплайсинговых вариантов в функционировании глутаматергиче- ского входа в PV+-нейроны гиппокампа [16]. Прежде всего было установлено, что у контрольных мышей PV+/бревикан+-нейроны менее возбудимы и различа- лись по другим электрофизиологическим характери- стикам, связанным со спецификой K+-каналов. Анализ возбуждающих глутаматергических синапсов на PV+-нейронах у бревикан нокаутных мышей показал, что их число не изменяется в постнатальный день 15 (P15), но уменьшается к P30, что указывает на важную роль бревикана в созревании синапсов. При этом пове- дение и число тормозных синапсов на PV+-нейронах у этих нокаутных мышей не изменялось. Дальнейший анализ показал, что бревикан может быть вовлечен в процесс латерального перемещения субъединиц GluA1 рецептора глутамата и калиевых каналов Kv1.1 и последующего их накопления в активных зонах синапса. Особый интерес представляет установление влияния синаптической активности на уровень бреви- кана, ее чрезмерное увеличение вызывает снижение содержания этого лектикана. Известны два сплай- синговых варианта бревикана, растворимый белок BCAN1, и BCAN2, способный связываться с гликозил- фосфатидилинозитолом в плазматической мембране нейронов. За большинство вышеупомянутых эффектов отвечает именно BCAN2. Важно отметить, что астро- циты также участвуют в продукции бревикана парал- лельно с нейронами. Снижение концентрации и изменение характера распределения лектиканов, выявленное при помощи окрашивания ткани мозга лектином WFA, показано у тенасцин R нокаутных мышей, которые были жизнеспо- собны, фертильны и у которых отсутствовали грубые анатомические изменения в головном мозге [54]. Эти мыши проявляли способность к более быстрому ревер- сивному обучению (что указывает на гибкость позна- вательной способности), улучшенную рабочую память и повышенную реактивность на новизну [33]. У гомозиготных мышей с делецией гена тенас- цина С выявлены заметные аномалии в неокортексе: увеличение плотности пирамидных нейронов и умень- шение количества PV+-нейронов, аберрантная форма дендритов с аномальными шипиками у пирамидных нейронов. Эти изменения сопровождались распро- страненным астроглиозом [25]. В гиппокампе были зафиксированы сокращения объема зоны СА1 с умень- шением количества тормозных нейронов, а также неко- торые аномалии электрофизиологических реакций у свободно перемещающихся взрослых животных [22]. У этих мышей также обнаружен дефицит в простран- ственной памяти [44]. Как ВКМ/ПНС могут влиять на работу нейронов? Рассматривается несколько механизмов. Некоторые компоненты ВКМ могут быть непосредственно связаны с плазматической мембраной. Ферменты, ответственные за синтез гиалуроната, гиалуронатсин- тазы, локализованы в цитоплазме, а также в плазма- тической мембране нейронов [18]. Хотя гиалуронат обычно высвобождается во внеклеточное простран- ство, кинетика этого процесса остается неясной. Неко- торые и даже длинные молекулы гиалуроната могут быть присоединены к плазматической мембране в течение некоторого времени. Все лектиканы являются секретируемыми белками, кроме BCAN2, который может непосредственно связываться с плазматической мембраной. Убедительное доказательство того, что гиалуронат влияет на синаптическую передачу, было получено в культуре нейронов. Связывание гиалуроната с плазма- тической мембраной дендритных шипиков коррели- ровало с уменьшением латеральной диффузии рецеп- торов AMPA и увеличением синаптической активности [19]. Удаление гиалуроната приводит к ослаблению LTP в зоне CA1 гиппокампа, что, по мнению авторов, было связано с влиянием на Ca2+ каналы [27]. Идентифицировано несколько рецепторов хондро- итинсульфат протеогликанов: contactin-1 (также известный как NOGO-рецептор NgR), RPTPσ и LAR, хотя значение этих взаимодействий требует даль- нейших исследований. У нокаутных по RPTPσ и LAR мышей показана более выраженная регенерация аксонов при травме спинного мозга [17, 39]. Включая в свой состав молекулы с высоким отри- цательным зарядом, ВКМ/ПНС может действовать как эффективный буфер для катионов, например, таких как Ca2+ и Fe3+ и, таким образом уменьшать окислительное повреждение и, возможно, эффекты перевозбуждения [32, 46]. Хондроитинсульфат протеогликаны - очень крупные молекулы с многочисленными боковыми цепями. Они, включаясь в состав ПНС, могут связываться с многими секретируемыми нейроактивными молеку- лами и фиксировать их. Две такие молекулы, транс- крипционный фактор Otx2 (orthodenticle homeobox 2) и Narp (neuronal activity-regulated pentraxin) из семейства генов немедленного ответа являются значимыми для созревания PV+-тормозных нейронов. Аномалии синапсов и состава ВКМ могут иметь решающее значение в патогенезе ряда когнитивных нарушений, включая расстройства аутистического спектра (РАС), синдром ломкой Х-хромосомы, синдром Ретта и шизофрению. Шизофрения, в отличие от РАС (рассмотренных в первой части), проявляется позже, как правило, в возрасте 15-25 лет, что совпадает со второй стадией синаптического прунинга (удаления функционально неактивных контактов) в префронтальной коре подростков [38]. Поскольку шизофрения характе- ризуется уменьшенным объемом серого вещества в префронтальной коре, было высказано предположение, что обширный синаптический прунинг может явиться одним из патогенетических факторов [57]. Данные МРТ указывают на ослабление связей в головном мозге, что также может быть связано с интенсивной элиминацией синапсов [49]. Плотность дендритных шипиков специфически снижается в слое 3, но не в слоях 5 и 6 префронтального неокортекса в мозге у пациентов с шизофренией [28]. Система комплемента может иметь центральное значение в патогенезе шизофрении [20]. Содержание компонентов комплемента C1q, C3, C4 увеличено при заболевании [31]. Геномный анализ возможных канди- датов, связанных с шизофренией, позволил иденти- фицировать ген CSMD1, кодируемый белок которого инактивирует компоненты комплемента C3 и C4 [14]. У мышей с дефицитом CSMF1 выявлены некоторые особенности нейропсихических нарушений, в том числе фенотип, подобный тревожности [45]. Другой перспективный подход основан на пони- мании роли белка, связывающего жирные кислоты 7 (FABP7, fatty acid binding protein 7). FABP7, цитоплаз- матический белок, который связывает длинноцепо- чечные жирные кислоты и участвует в поглощении, транспорте и метаболизме жирных кислот. Этот белок главным образом экспрессируется в астроцитах. FABP7 рассматривается как возможный ген риска шизофрении [40, 51]. Выключение действия FABP7 у мышей вызывает аномального поведение: характерное для шизофрении преимпульсное ингибирование и измененное эмоциональное поведение [51]. У FABP7 нокаутных мышей обнаружена аберрантная морфо- логия дендритов, уменьшенная плотность дендритных шипиков в медиальной префронтальной коре (соот- ветствует дорсальной префронтальной коре головного мозга человека) параллельно с уменьшением количе- ства возбуждающих нейронов и снижением частоты миниатюрных возбуждающих постсинаптических токов при электрофизиологических наблюдениях [13]. Данные, полученные в культуре клеток, подтвердили наблюдения in vivo: добавление к нейронам астроцитов от FABP7 нокаутных мышей или культуральной среды от FABP7 астроцитов значительно изменяло морфо- логию нейронов, которые становились похожими на нейроны при шизофрении. Мутации гена DISC1 (disrupted in schizophrenia-1) часто наблюдаются при шизофрении [5]. Белок DISC-1 был обнаружен в синапсах, хотя его функция не уста- новлена. Он также экспрессируется в астроцитах. Астроциты с мутантным геном DISC1 характеризу- ются более низким уровнем высвобождения D-серина, важного колиганда NMDA-рецепторов. Этот дефицит астроцитов может предрасполагать к снижению актив- ности NMDA-рецепторов, что широко признано в качестве значимого клеточного механизма при шизоф- рении [24]. Было показано, что антипсихотический препарат клозапин увеличивает выделение D-серина из астроцитов [47]. Изменения в ВКМ/ПНС хорошо документированы при шизофрении. Так, при посмертном анализе минда- левидного тела было установлено уменьшение выра- женности ПНС и увеличение присутствия хондрои- тинсульфат протеогликанов вокруг астроцитов [35]. Количество PV+-нейронов не отличалось от такового в контрольных образцах. Интересно, что фармаколо- гическое лечение пациентов не повлияло на эти изме- нения в ПНС. Следует отметить еще одну молекулу, которая вовлечена в ряд нейропсихических расстройств, включая РАС и шизофрению. Релин является секрети- руемым гликопротеином ВКМ, который имеет большое значение для развития и поддержания структур в ЦНС. В раннем развитии этот белок в основном продуциру- ется одним типом нейронов, расположенных вблизи поверхности pia mater, а в сформированном мозге основным его источником являются тормозные интер- нейроны. Релин является важной молекулой, участву- ющей в контроле созревания и пластичности синапса [50]. В нескольких генетических исследованиях были обнаружены различные мутации по типу однону- клеотидного полиморфизма в гене релина (RELN) у пациентов с шизофренией и РАС [8]. При обеих пато- логиях зарегистрировано значительное снижение уровня релина. В моделях животных частичное умень- шение уровня релина вызвало нарушения поведения, подобные при шизофрении и РАС. Следует отметить, что мы рассматривали только некоторую часть зависимых от астроцитов механизмов в развитии шизофрении. Так, нарушение баланса внеклеточного глутамата вследствие снижения его захвата астроцитами около синапсов также считается одним из важнейших механизмов патологии [26].

About the authors

Vadim N Shvalev

National medical research cardiology centre

Email: vadim.shvalev@mail.ru
121552, Моscow, 3-rd Cherepkovskaya str. 15А

Alexander A Sosunov

Columbian University

Email: aas190@cumc.columbia.edu
New York, 10032, USA

Yury A Chelyshev

Kazan state medical university

Email: chelyshev-kzn@yandex.ru
420012, Каzan, Butlerov str., 49

References

Supplementary files