Как особый белок спасает нервные клетки, проверяют сибирские ученые
Исследователи из ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» изучают свойства дофаминового нейротрофического фактора мозга (CDNF) — белка, необходимого для поддержания жизнедеятельности и роста нервных клеток. Биологи хотят выяснить, как он может влиять на течение болезни Паркинсона. Эксперименты на животных и клеточных линиях подтверждают защитное действие этого белка на клетки мозга.
«Начнем с объяснения термина “дофамин”. Его значение выходит далеко за рамки простой роли химического вознаграждения мозга или стимула к действиям. Дофамин влияет на множество процессов в нашем мозге, включая движение, память и внимание. Если организм испытывает дефицит дофамина, особенно при разрушении специальных клеток мозга (дофаминергических нейронов), возникают серьезные заболевания вроде болезни Паркинсона, характеризующиеся проблемами с движениями и координацией. Теперь перейдем ко второму важному слову — “нейротрофический”. Оно включает два корня: “нейро” (связанное с нервной системой) и “трофический” (в переводе с греческого “трофе” — питание, кормление). Таким образом, речь идет о факторах, необходимых для поддержания жизнедеятельности и роста нервных клеток, своего рода питательных элементах для нашей нервной системы», — рассказывает младший научный сотрудник лаборатории нейрогеномики поведения ФИЦ ИЦиГ СО РАН Яна Павловна Каминская.
Чтобы какое-либо вещество могло называться нейротрофическим фактором, оно должно отвечать ряду важных условий. Во-первых, обязано поддерживать жизнеспособность конкретной группы нейронов, помогая им лучше выживать и развиваться. Во-вторых, этот фактор должен находиться внутри целевой клетки-мишени, когда другая клетка, нуждающаяся в поддержке, направляет к нему свой отросток (аксон). При этом важно, чтобы сам фактор пребывал в биологически активном состоянии, иначе его влияние окажется неэффективным. Наконец, количество вещества должно быть небольшим, чтобы создавать здоровую конкуренцию среди нейронов. Одно из таких веществ — дофаминовый нейротрофический фактор мозга, чья задача заключается в защите и поддержке дофаминовых нейронов.
Дофаминовый нейротрофический фактор мозга успешно прошел первые клинические испытания в Швеции и Финляндии, однако ученые считают, что весь его потенциал еще не раскрыт. У CDNF есть ряд особенностей. Во-первых, для него отсутствуют специальные рецепторы на поверхности клетки, что отличает его от большинства аналогичных факторов. Обычно они действуют через связывание с определенными рецепторами, а тут механизм взаимодействия иной. Во-вторых, CDNF сразу синтезируется в активной форме, без предварительного образования предшественников (проформ). Это тоже редкость среди нейротрофических факторов. Третья особенность заключается в месте локализации CDNF внутри клетки. Большая часть молекул сосредоточена в эндоплазматическом ретикулуме — структуре, похожей на слоеный пирог из мешочков, где происходит формирование трехмерной структуры белков. Здесь CDNF и играет роль своего рода регулировщика правильной укладки белковых молекул.
«Почему это важно? Потому что именно правильная форма белка определяет его способность функционировать должным образом. Если белок будет свернут с ошибками, он станет нефункциональным, начнет накапливаться в клетках и формировать токсичные скопления, что особенно характерно для болезней Паркинсона и Альцгеймера. Таким образом, CDNF может стать ключом к решению проблемы накопления дефектных белков, что помогло бы в разработке терапии этих тяжелых заболеваний», — отметила Яна Каминская.
Ученые предположили: если увеличить количество высвобождаемого из клетки CDNF, это позволит ему лучше поддерживать здоровье окружающих клеток, выполняя свою главную функцию — стимулирование роста и восстановления нервных тканей. Для реализации этой идеи потребовалось изменить саму структуру белка, заменив небольшой фрагмент — сигнальный пептид. Этот участок обычно служит проводником, показывающим CDNF дорогу к месту назначения. Модифицировав его, исследователи добились успешной секреции CDNF во внеклеточную среду. Так, каждая клетка, которая синтезировала CDNF, становилась своеобразной маленькой фабрикой, стабильно поставляющей этот белок окружающим клеткам.
В начале эксперименты проводились на клеточных культурах. Это не настоящие ткани организма, а лабораторные образцы клеток, однако на них удобно наблюдать важные процессы. Один из ключевых результатов работы заключается в том, что обновленная версия CDNF стимулирует образование новых отростков у клеток. Можно представить нервную систему как большую паутину связей между отдельными нейронами. Чем больше связей образуется, тем пластичнее становится нервная ткань: одни соединения укрепляются и фиксируются, обеспечивая новые навыки и память, а другие устаревают и постепенно исчезают. Способность клеток формировать дополнительные отростки крайне важна, поскольку именно это позволяет мозгу адаптироваться к новым условиям и восстанавливаться после повреждений.
Параллельно с экспериментами на клетках ученые провели исследование на лабораторных животных, используя специальную модель, имитирующую проявления болезни Паркинсона. Со временем у этих животных начинают образовываться характерные белковые скопления — агрегации альфа-синуклеина, аналогичные тем, что наблюдаются у больных людей. Чтобы проверить эффективность модифицированного CDNF, исследователи ввели специальный вирус непосредственно в мозг мышей. Этот вирус несет инструкцию по созданию нового варианта белка с измененным сигнальным участком. Затем нейробиологи наблюдали за животными спустя время, необходимое для накопления белка в организме.
Хотя у грызунов нет классических человеческих признаков болезни Паркинсона, таких как дрожание рук или нарушение координации движений, у исследованных мышей накопление белка альфа-синуклеина сопровождается собственными симптомами. Один из признаков нарушения поведения у мышей — отказ животного ухаживать за собой, вылизывать шерсть. Здоровая мышь постоянно поддерживает себя в чистоте, тогда как больная теряет интерес к этому процессу.
«Когда мы применяли наш модифицированный CDNF, животные начали возвращаться к обычному уходу за шерстью, что свидетельствует о положительном влиянии такого вида терапии. Кроме того, у мышей улучшилась способность вставать на задние лапки: такое поведение называется вертикальной стойкой. Эти наблюдения позволяют предположить, что введенный нами белок облегчает животным выполнение повседневных действий и улучшает общее самочувствие. Исследования продолжаются, и впереди предстоит оценить долгосрочные эффекты такого подхода», — прокомментировала Яна Каминская.
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
Автор: Ирина Баранова
Разместила: Ирина Усик