Реферат: Нейрональные рецепторы в клетках иммунной системы
Реферат: Нейрональные рецепторы в клетках иммунной системы
Александр Александрович Болдырев,
доктор биологических наук
Человек давно предполагал наличие
взаимодействий между иммунной и нервной системами в организме. Недаром нам всем
привычна пословица “В здоровом теле - здоровый дух”. Известны также и примеры
обратной связи - еще Гиппократ отметил эту закономерность. В его “Диалогах”
ученики спрашивают: “Учитель, ты лечил богатых и бедных, победителей и
побежденных. Какова разница между ними?” И Гиппократ ответил: “Раны победителей
заживают быстрее!”
И вот совсем недавно нейрохимики
получили доказательства реальной связи между иммунной и нервной системами. В
лимфоцитах, циркулирующих в кровяном русле, обнаружены специфические рецепторы
нервных клеток. Изучение свойств этих рецепторов открывает новые возможности
взаимодействия двух важнейших систем организма.
Глутаматные
рецепторы в нервной системе
Среди различных медиаторов,
обеспечивающих передачу возбуждения между нейрональными клетками, особое место
занимает достаточно простая по структуре молекула глутаминовой кислоты,
глутамат: HOOC–СН2–СН2–СН(NH2)–СООН. Глутаматергические механизмы представлены
примерно в 40% нервных клеток, а оставшаяся часть выпадает на долю всех
остальных медиаторов (серотонина, ацетилхолина, допамина и др.).
По своему участию в работе нервных
клеток глутаматные рецепторы делятся на два больших подтипа. Одни, ионотропные,
соединены с ионными каналами, они открывают их после активации соответствующими
молекулами (лигандами), так что потоки ионов вызывают электрическую активность
нейрона. Другие, метаботропные, структурно не связаны с ионными каналами, они
управляют метаболическими процессами в клетке через специальные сигнальные
молекулы-информаторы, контролируя активность ионотропных рецепторов. Лиганды,
активирующие нейрональные рецепторы, - их первичные информаторы (первичные
мессенджеры), а сигнальные молекулы, образующиеся при активации метаботропных
рецепторов и использующиеся для корректировки сигналов внутри клетки, -
вторичные мессенджеры.
Наличие разных глутаматных
рецепторов в глутаматергических синапсах головного мозга продемонстрировано с
помощью фармакологических соединений, взаимодействующих с каким-либо одним
видом глутаматных рецепторов. Выделяют три группы ионотропных рецепторов,
названных в соответствии с лигандами, обеспечивающими их активацию:
NMDA-рецепторы, каинатные рецепторы и AMPA-рецепторы.
Метаботропные рецепторы в настоящее
время представлены восемью различными белками, которые делятся на три группы в
зависимости от того, какие вторичные мессенджеры они включают в работу.
Рецепторы группы I связаны с регуляцией кальций-зависимых реакций, а II и III
групп - с циклическими нуклеотидами.
Более подробно о функциях вторичных
мессенджеров в клетках и внутриклеточных путях регуляции можно прочитать в
специальной литературе [1].
Кроме соединений, имитирующих действие
глутамата на отдельные виды рецепторов, агонистов глутамата, известны и
вещества, избирательно выключающие их, - антагонисты глутамата. Для простоты
изложения не будем приводить полные названия, а ограничимся общеупотребимыми
сокращениями этих синтетических лигандов, которые активно используют в
экспериментальной нейрохимии. Однако следует обратить внимание, что все
разнообразие возможностей современной фармакологии вместилось в одну простую
формулу глутамата, способного в синаптических структурах мозга активировать
различные рецепторы, причем в том соотношении, которое обеспечивает
согласованную работу всей глутаматергической системы.
Молекулярные
реакции активируемого нейрона
Нейрон активируется в результате
взаимодействия глутамата с ионотропными рецепторами. Возникающая при этом
электрическая активность (электрический потенциал) распространяется вдоль по
аксонам до нервного окончания и передает информацию о возбуждении на другие
нейроны. Одновременно в возбуждаемой нервной клетке происходят важные метаболические
изменения. Временная последовательность этих процессов в общих чертах выяснена
и представляется следующим образом. При высвобождении глутамата в
межсинаптическую щель среди всех рецепторов, взаимодействующих с ним, наиболее
активны каинатные. Они открывают соответствующие ионные каналы, через которые
ионы натрия устремляются внутрь клетки и формируют возбуждающий потенциал.
Аналогичную роль выполняют AMPA-рецепторы.
В покоящемся нейроне NMDA-рецепторы
связаны с ионами магния, из-за чего их сродство к медиатору снижено. Однако
благодаря деполяризации мембраны, вызываемой возбуждающим потенциалом, комплекс
распадается, ионы магния отделяются от NMDA-рецепторов, и способность последних
связывать глутамат повышается. Таким образом, на второй стадии возбуждения
открываются NMDA-зависимые ионные каналы, пропускающие внутрь нейрона натрий и
кальций. Это удлиняет возбужденное состояние мембраны и одновременно включает
внутриклеточные реакции, зависящие от ионов кальция.
Длительность второй волны возбуждения
определяется не только активностью NMDA-рецепторов. Появление глутамата в
межсинаптической щели стимулирует специальные белки, которые обеспечивают
захват и обратный транспорт этого медиатора в нервные или глиальные клетки.
Точно так же и ионы кальция, попавшие внутрь возбужденного нейрона, с одной
стороны, инициируют высвобождение дополнительного количества кальция из
внутриклеточных депо, а с другой, - активируют ионные насосы, выбрасывающие
кальций из клетки наружу. Следовательно, вероятность активации NMDA-рецепторов
лежит в том временном интервале, когда они еще могут связаться с медиатором
(мембрана нейрона деполяризована и магний отделен от ингибирующего центра), а в
межсинаптической области еще имеются молекулы глутамата, избежавшие обратного захвата.
Но и кальций-зависимые реакции в клетке имеют ограниченные временные
возможности - пока стационарная (очень низкая) концентрация этого иона не будет
восстановлена. Таким образом, взаимодействие между каинатными и
NMDA-рецепторами определяет длительность волны возбуждения и эффективность
перестройки метаболизма нервной клетки под влиянием кальция.
Но даже и эта сложная игра на
сродстве разных рецепторов к глутамату и эффективности системы его обратного
транспорта не исчерпывает тонкой настройки нервной клетки на передачу и
реализацию возбуждения. Она довершается участием метаботропных рецепторов в
регуляции активности ионотропных рецепторов и глутаматного транспортера.
На пресинаптической мембране при
возбуждении метаботропные рецепторы групп II и III подавляют высвобождение
глутамата. Напротив, метаботропные рецепторы группы I стимулируют этот процесс.
Их действие инициируют арахидоновая кислота (АА) и диацилглицерин (DAG),
которые высвобождаются при активации фосфолипазы С (PLC) метаботропными рецепторами
группы I на постсинаптической мембране. Второй регулятор, диацилглицерин,
активирует протеинкиназу С, которая блокирует калиевые каналы. На этой же
постсинаптической мембране метаботропные рецепторы групп II и III блокируют
потенциал-зависимые Са-каналы. Таким образом, возбуждение клетки, вызванное
ионотропными рецепторами синаптического контакта, контролируется метаботропными
рецепторами этих же синаптических мембран (рис.1).
![](/image/13739_1.jpeg)
Рис.1. Схема взаимодействия
ионотропных и метаботропных рецепторов в функции нейрона.
Глутамат высвобождается из
пресинаптического окончания и взаимодействует с ионотропными (иГлуР) и
метаботропными (мГлуР) рецепторами (I, II и III) в зависимости от того, с
какими вторичными мессенджерами они связаны - инозитолтрифосфатом, (IP3),
циклическим АМФ, (сАМР), ионами кальция и ферментом аденилатциклазой (АС). Эти
мессенджеры активируют различные внутриклеточные киназы (в том числе
протеинкиназу С, РKС), регулирующие проницаемость ионных каналов
постсинаптической мембраны. Избыточная продукция вторичных мессенджеров
приводит к нейротоксичности. Метаботропные рецепторы группы I увеличивают
высвобождение глутамата, а групп II и III - уменьшают его.
Активация протеинкиназы С и
подавление K-каналов удерживают деполяризацию мембраны, тем самым препятствуя
связыванию магния с NMDA-рецепторами и поддерживая их сродство к медиатору.
Вероятно, именно благодаря этому избыточное возбуждение метаботропных
рецепторов вызывает токсический эффект NMDA. Это свойство лежит в основе
дисбаланса в функции нервных клеток, который проявляется при различных
повреждениях мозга - от нейродегенерации до ишемии, наступающей при инсульте.
Значит, нейротоксичность NMDA-рецепторов может приводить к клеточной смерти -
либо к некрозу, либо к апоптозу.
Для понимания молекулярных
механизмов работы системы небезразлично, какой путь будет выбран. Важно это знать
и медикам, разрабатывающим способы защиты нейронов мозга от смерти в
неблагоприятных условиях [2]. Современные приборы с помощью специальных
красителей позволяют количественно оценить каждый из этих видов клеточной
смерти при окислительном повреждении мозга. Очень часто для таких исследований
используется проточная цитометрия - метод индивидуальной характеристики клеток [3].
Апоптоз,
некроз и пролиферация клеток
Благодаря проточной цитометрии
исследователи могут легко отличать живые нейроны от тех, которые встали на путь
клеточной смерти, и дифференцировать некротические нейроны от апоптозных на
самых ранних стадиях. Апоптоз - генетически запрограммированная смерть,
осуществляемая с помощью специфических механизмов и ферментов. При апоптозе
клетка сморщивается, ее структуры разрушаются цистеиновыми-аспарагиновыми
протеиназами, так называемыми каспазами. Семейство этих ферментов (в него
входит около десяти различных протеиназ) составляет каскад взаимоконтролируемых
белков, перевод которых в активное состояние требует одновременного присутствия
ряда клеточных факторов. Такой ступенчатый механизм предохраняет от случайного
возникновения апоптоза.
Некроз обусловлен механическим или
иным повреждением клеточной мембраны, нарушением целостности и управляемости
клетки. Клетки, не способные выполнять свои функции, умирают, а их большое
количество создает в ткани очаг воспаления.
Несмотря на принципиальные отличия
апоптоза и некроза, их объединяет полезное свойство - они помогают организму
очиститься от ненужных (поврежденных) или вредных (чужеродных) структур. В очаг
воспаления устремляются макрофаги и другие клетки, “мусорщики”, удаляющие
некротические части тканей или чужеродные частицы (например, попавшие в ткани
занозы). С помощью апоптоза организм пытается распознать и ликвидировать
клетки-мутанты, ставшие опасными для организма (перерождающиеся спонтанно или
под влиянием внешних факторов). Так, частота появления в организме
злокачественных клеток много выше, чем вероятность самого заболевания,
поскольку в большинстве случаев они распознаются и нейтрализуются иммунной
системой без вреда для организма.
Апоптоз запрограммирован на
постепенное контролируемое устранение клеток, а некроз осуществляется быстро,
хаотически и неуправляемо. При апоптозе фрагменты клеток или даже целые
белковые молекулы могут использоваться другими клетками для выполнения тех же
самых функций. Например, в тимусе, где происходит созревание лимфоцитов,
клетки, распадающиеся при апоптозе, поставляют свои белки-рецепторы для
превращения “юных” лимфоцитов в полноценные иммунные клетки.
Эпителиальные клетки слизистой
запрограммированы таким образом, что апоптоз индуцируется в них периодически и
с большой частотой (они живут лишь 1.5-2 недели). Отторжение апоптозных клеток
снижает вероятность проникновения в организм вирусной инфекции. Интересно, что
в русской армии для предотвращения кишечных эпидемий по указу Петра I в пищу
добавляли перец. Сегодня известно, что это прекрасное средство для активации
апоптоза клеток слизистого эпителия.
Так или иначе, выгода распознавания
ранних стадий и типа клеточной смерти очевидна. Для каждого из них имеются свои
специфические маркеры. Один из фосфолипидов клеточных мембран, фосфатидилсерин,
в нормальных условиях расположенный с внутренней стороны мембранного бислоя,
при нарушениях цитоскелета сигнализирует о начале апоптоза. Кстати, именно так
макрофаги распознают и удаляют злокачественные клетки. Белки, чувствительные к
фосфатидилсерину (аннексины), используют для раннего распознавания апоптозных
клеток. А для некротических клеток с поврежденной мембраной имеется другой
маркер. Им может быть краситель, например иодид пропидия (PI), который
связывается с нуклеиновыми кислотами, но не проникает через мембрану живых
(нативных) клеток.
Экспериментально показано, что
после длительной (30 мин) индукции окислительного стресса активацией NMDA-рецепторов
появляются и некротические, и апоптозные клетки, причем их долю в популяции
легко рассчитать (рис. 2). Таким образом, в руках исследователей имеется
модель, позволяющая оценивать как потенциальную уязвимость нейронов со стороны
различных факторов, так и возможность защиты клеток от апоптоза или некроза
(например, с помощью лекарственных препаратов).
![](/image/13739_2_1.jpeg)
Рис.2. Экспериментальные результаты
индукции апоптоза и некроза в суспензии нейронов: в контроле (слева) и после 30
мин инкубации в присутствии 0.5 мМ NMDA (справа). Цифрами указаны субпопуляции
нейрональных клеток: живые (3), апоптозные (4), подверженные легкому (1) и
тяжелому (2) некрозу.
Следить за развитием апоптоза можно
также, измеряя активность внутриклеточных каспаз, которые в клетке взаимно
контролируют друг друга (рис. 3). Так, при связывании на клеточной мембране
внеклеточных сигнальных молекул со специальным рецептором (CD95/Fas) в
цитоплазме неактивная прокаспаза 8 превращается в активный фермент, который, в
свою очередь, активирует каспазу 3, что открывает клетке путь к апоптозу.
Нагружая клетки флуорогенным субстратом каспазы 3 и стимулируя их разными
способами, можно измерять сигнал от флуоресцентного продукта. Растет продукт -
активируется каспаза 3, и интенсивность сигнала будет пропорциональна активации
фермента и вероятности развития апоптоза.
![](/image/13739_3_1.jpeg)
Рис.3. Схема активации апоптоза,
вызванной лигандом, взаимодействующим с рецептором CD95/Fas и стимулирующим
каспазный цикл.
1 - взаимодействие лиганда с
клеточным рецептором;
2 - высвобождение прокаспазы 8 и ее
активация (сигнал клеточной смерти);
3 - появление одного из факторов
активации апоптоза (активная каспаза 8);
4, 5 - образование белков клеточной
смерти (Bid, Bax), устраняющих защиту митохондриальной мембраны белком Bcl-2,
препятствующим утечке цитохрома с;
6 - утечка цитохрома с из
митохондрий и образование апоптосом с участием фактора Apaf-1;
7 - образование апоптосом и
превращение прокаспазы 9 в активный фермент, активирующий каспазу 3, которая
инициирует апоптоз.
Однако каспаза 3 участвует не
только в реализации апоптоза, но и во многих стадиях клеточного цикла и в
процессах пролиферации [4]. Особенно важны эти реакции для клеток иммунной
системы. Значит, в ряде случаев активность каспазы 3 не обязательно означает
начало апоптоза, а может быть связана с пролиферацией лимфоцитов.
Глутаматные рецепторы
иммуннокомпетентных клеток
История открытия и изучения
глутаматных рецепторов накопила массу примеров их причастности к работе нервной
системы: NMDA-рецепторы ответственны за молекулярные механизмы памяти,
метаботропные рецепторы вовлечены в процессы нейропластичности [5]. Тем
неожиданнее оказались факты, указывающие на возможное присутствие глутаматных
рецепторов не только в нейрональных клетках [6]. В 1997 г. И.А.Костанян и
соавторы обнаружили, что глутамат хорошо связывается с мембранами лимфоцитов
человека [7]. Вытеснить из этой связи его можно, добавляя структурный аналог
глутамата - квисквалоновую кислоту. Позже было показано, что глутаматные
рецепторы имеются в лимфоцитах грызунов, и их активация приводит к росту в
клетках свободных ионов кальция и активных форм кислорода, в результате чего
активируется каспаза 3 [8]. Предотвращение роста активного кислорода блокирует
этот фермент (рис.4). Все эти факты демонстрировали, что работа NMDA-рецепторов
в лимфоцитах - не случайный процесс, а связана с глутаматной регуляцией
иммуннокомпетентной системы клетки.
![](/image/13739_4_1.jpeg)
Рис.4. Экспериментальные кривые
активации каспазы 3.
Инкубация лимфоцитов мыши с
N-метил-D-аспартатом (NMDA) приводит к увеличению каспазной активности.
Антиоксидант N-ацетилцистеин препятствует активации каспазы.
Дальнейшие исследования, проводимые
в МГУ им.М.В.Ломоносова и в Институте неврологии РАМН, показали, что, кроме
NMDA-рецепторов, в лимфоцитарной мембране имеются и метаботропные рецепторы
группы III. Как и в нейрональных клетках, они выступают регуляторами ионотропных
рецепторов. В наших экспериментах при активации NMDA-рецепторов в лимфоцитах
увеличивалась концентрация ионов кальция и активных форм кислорода и, как
следствие, активировалась каспаза 3. Ни один из этих эффектов не проявлялся,
если в среду инкубации добавляли активатор метаботропных рецепторов L-AP4.
Однако совместное присутствие NMDA и L-AP4 оказывало драматический эффект на
жизнеспособность клеточной популяции. Даже после короткой инкубации появлялось
большое количество мертвых клеток. Это привело нас к выводу, что присутствие
ионотропных и метаботропных рецепторов глутамата на мембранах лимфоцитов делает
их чувствительными к тем же самым сигнальным молекулам, которые управляют
активностью нейронов (рис.5).
![](/image/13739_5_1.jpeg)
Рис.5. Регуляция жизни и смерти
лимфоцита глутаматными рецепторами.
При взаимодействии глутамата (Глу)
с ионотропными рецепторами (иГлуР) ионы кальция входят внутрь клетки,
активизируют протеинкиназы и каспазу 3, которая стимулирует пролиферацию.
Взаимодействие глутамата с метаботропными рецепторами (мГлуР) через G-белки
стимулирует активность иГлуР, что приводит к дополнительной активации
протеинкиназ и усиленному росту активных форм кислорода (АФК). В этом случае
возможна индукция клеточной смерти как по пути апоптоза, так и по пути некроза.
NMDA и L-AP4 имитируют раздельный эффект глутамата на иГлуР и мГлуР
соответственно.
* *
*
Насколько важен факт
распространения глутаматных механизмов регуляции на иммунную систему?
Фактически, открытие на клетках иммунной системы глутаматных рецепторов,
ответственных за молекулярную память, позволяет предполагать общность
формирования поведенческих, адаптационных и других реакций в клетках нервной и
иммунной систем. Другими словами, и те и другие клетки открыты одним и тем же
видам сигнальных молекул, и информация, обусловленная их появлением, доступна
как нервной, так и иммунной системе. Значит, эти системы могут “общаться”,
используя язык одних и тех же химических символов [9]. Наличие глутаматных
рецепторов в клетках иммунной системы вскрывает структурную основу этих
взаимодействий и позволяет считать глутамат не только нейро-, но и
иммунномедиатором.
Список
литературы
1. Введение в
молекулярную медицину / Ред. М.А.Пальцев. М., 2004.
2. Болдырев А.А.
// Биохимия. 2000. Т.65. С.981-990.
3. Болдырев А.А.,
Юнева М.О. // Соросовский образовательный ж-л. 2004. Т.8 (№2). С.7-14.
4.
Caspases: their role in cell death and cell survival / Eds M.Los, H.Waczak.
2002.
5.
Carpenter D. NMDA receptors and the molecular mechanisms of excitotoxicity, in
Oxidative Stress at Molecular, Cellular and Organ Levels / Еds P.Johnson, A.Boldyrev. Research
Signpost, Trivandrum, 2002. P.77-88.
6. Болдырев А.А.,
Тунева Е.О. // Биол. мембраны. 2005. Т.22. С.142-145.
7. Костанян И.А.,
Наволоцкая Е.В., Нуриева Р.И. и др. // Биоорг. хим. 1997. Т.23. С.805-808.
8.
Boldyrev A.A., Kazey V.I., Leinsoo T.A. et al. // Biochem. Biophys. Res.
Commun. 2004. V.324. P.133-139.
9.
Nedergaard M., Takano T. and Hansen A.J. // Nature Rev. Neurosci. 2002. V.3. P.748-755.
|