Люси в небе с бриллиантами, 5HT2AR на синаптической мембране с mGluR2

Перевёл текст "5HT and Glutamate Receptors—Unique Complex Linked to Psychosis". Уже писал кратко об этой публикации в форуме neuroscience.ru: "Люси в небе с глутаматом и бриллиантами".

Уникальный комплекс рецепторов 5HT2A и mGluR2, связанный с механизмами психоза

6 марта 2008 года. Комплекс, состоящий из двух весьма различных нейротрансмиттерных рецепторов, серотонинового и метаботропного глутаматного, может пролить свет на скрытую патологию шизофрении. Так говорится в статье, предварительная онлайн-версия которой появилась на сайте журнала Nature 24 февраля. Группа исследователей под руководством Стюарта Силфона (Stuart Sealfon) и Хавьера Гонсалес-Маэзо (Javier González-Maeso) из Mount Sinai School of Medicine в Нью-Йорке сообщает, что комплекс, образуемый метаботропным глутаматным рецептором 2 (mGluR2) и 5-гидрокситриптаминовым 2A-рецептором (5-HT2A), при активации галлюциногенами вызывает уникальные клеточные реакции, воспроизводящие некоторые из симптомов шизофрении, и что экспрессия этих рецепторов у больных изменена. Эти находки позволяют авторам заключить, что "..комплекс является многообещающей новой мишенью для терапии психозов".

Мысль о взаимодействии белков 5HT2AR и mGluR2 не является такой уж странной, ведь оба протеина образуют так называемые G-белок-сопряженные рецепторы (G-protein-coupled receptors, GPCR), которые известны своей способностью образовывать гетеродимеры и даже смешанные олигомеры большей площади. Однако все найденные комплексы подобного типа до сих пор представляли собой союз GPCR одного класса (всего таких классов шесть). Уникальность комплекса 5HT2AR/mGluR2 в том, что его составляют рецепторы, принадлежащие к разным классам, и исследователи приводят убедительные свидетельства существования такой неординарной конструкции. 

Первый автор González-Maeso с коллегами наткнулись на комплекс, изучая распределение метаботропных глутаматных рецепторов. Они заметили, что в сенсорной коре мыши рецептор 5HT2AR редко пересекался с mGluR3, но, что интересно, клетки, содержащие 5HT2AR, почти всегда давали позитивную реакцию при поиске субъединицы mGluR2. Пойдя дальше, ученые обнаружили, что наличие 5HT2AR является необходимым условием нормальной экспрессии mGluR2 в кортикальных клетках: нарушая экспрессию 5HT2AR, они отмечали снижение уровней mGluR2.

Так как оба рецептора обнаруживались в одной области и проявляли способность регулировать экспрессию друг друга, исследователи задумались о том, что они могут образовывать комплекс. González-Maeso и соратники использовали несколько различных методов для проверки своей гипотезы. Используя иммуннопреципитацию образцов коры человека и транфецированных клеток, а также два метода, позволяющих определить, находятся ли молекулы в непосредственной близости (bioluminescence resonance energy transfer и  fluorescence resonance energy transfer), исследователи заключили, что белки действительно образуют комплекс. 

Но будет ли такое соединение функциональным? По-видимому, да, ведь аффинность одного рецептора зависит от другого. К примеру, когда исследователи использовали для разделения рецепторов GTP-yS, аналог GTP, не подвергающийся гидролизу, аффинность обоих рецепторов к своим лигандам падала. Агонист глутаматного рецептора LY379268 повышал аффинность 5HT2AR к галлюциногенным агентам DOI, DOM и DOB, а галлюциноген DOI снижал аффинность mGluR2 к своим агонистам. Эти аллостерические взаимодействия удавалось прервать, используя антагонисты рецепторов.  

Что интересно, авторы обнаружили, что само присутствие mGluR2 воздействует на функцию 5HT2AR, снижая активацию субъединицы Gαq/11 и повышая активацию ингибиторной субъединицы Gαi -  это участники сигнального каскада G-белков. Данные эффекты были реверсированы в присутствии mGluR2-агонистов. Более того, глутаматные агонисты, по-видимому, модулируют воздействие, оказываемое галлюциногенами на сигнальную цепочку 5HT2AR у мышей. Галлюциногены, такие как LSD, способны запускать два типа сигнальных последовательностей при воздействии на 5HT2AR. В первой цепочке активируется транскрипционный фактор c-fos, во второй - транскрипционный фактор egr-2. Негалюциногенные агонисты 5HT2AR активирут лишь c-fos. Исследователи обнаружили, что глутаматный агонист LY379268 не затрагивает путь c-fos, но блокирует индукцию egr-2. Вероятно, он специфически блокирует лишь галюциногенный сигнал рецептора 5HT2AR. К тому же LY379268, как оказалось, способен блокировать подергивание головы у мышей, вызываемое галюциногеннами. "Наши результаты согласуются с гипотезой о том, что комплекс 5HT2AR-mGluR2 интегрирует серотониновые и глутаматные сигналы для регулировки процессов фильтрации сенсорной информации в коре. Этот процесс нарушен при психозах." - пишут авторы.  

Находки дают дополнительные основания предполагать, что агонисты метаботропных глутаматных рецепторов будут эффективны в лечении шизофрении. При заболевании снижена активность глутаматных сигналов, и недавние клинические испытания говорят о том, что mGluR-агонисты способны компенсировать этот недостаток (см. обзор на сайте Schizophrenia Research Forum). Существуют и намеки на активную роль mGlu-рецепторов в процессах памяти и обучения - можно предположить, что дополнительным полезным эффектом агонистов станет коррекция когнитивных нарушений, связанных с заболеванием (см. новостной обзор на сайте Schizophrenia Research Forum). Теперь же, благодаря находкам González-Maeso и коллег, мы можем предположить, что агонисты mGlu-рецепторов будут воздействовать на галлюцинации. Анализируя посмертные образцы тканей мозга больных шизофренией, исследователи обнаружили, что уровни 5HT2AR и mGluR2 в клеточных мембранах кортекса повышены и понижены соответственно. "Повышение уровней 5HT2AR и снижение уровней mGluR2, зарегистрированные в мозге при шизофрении, могут способствовать галлюциногенному паттерну сигнальной активности" - предполагают авторы. Том Фаган (Tom Fagan), сайт schizophreniaforum.org.

Публикации:
1. "Идентификация серотонин\глутаматного рецепторного комплекса с возможной ролью в развитии психозов." González-Maeso J, Ang RL, Yuen T, Chan P, Weisstaub NV, López-Giménez JF, Zhou M, Okawa Y, Callado LF, Milligan G, Gingrich JA, Filizola M, Meana JJ, Sealfon SC. Identification of a serotonin/glutamate receptor complex implicated in psychosis. Nature 452, 93-97 (6 March 2008) | doi:10.1038/nature06612; Received 2 November 2007; Accepted 20 December 2007; Published online 24 February 2008
2. "Горькая парочка G-белковых рецепторов: роль в психических заболеваниях." Новость в Nature Reviews Neuroscience 9, 252-253 (April 2008) | doi:10.1038/nrn2362 Psychiatric disorders: Double GPCR trouble Charlotte Harrison
3. "Новости нейронаук: комплекс, связанный с психозом." - Соломон Снайдер. Snyder SH. Neuroscience: a complex in psychosis. Nature. 2008 Mar 6;452(7183):38-9. doi:10.1038/452038a; Published online 5 March 2008
4. "Длительная in-vivo стимуляция запускает процесс синаптической метапластичности в неокортексе" Clem, R.L., Celikel, T. & Barth, A. L. Ongoing in vivo experience triggers synaptic metaplasticity in the neocortex. Science 319, 101–104 (2007). - открыта новая роль mGlu-рецепторов: они позволяют поддерживать долговременную потенциацию, "помогая" NMDA-рецепторам, которые в длительной перспективе переключается в режим LTD, останавливая процесс укрепления синаптической связи, лежащий в основе запоминания информации.
5. Популярный обзор предущей статьи на сайте Nature Reviews Neuroscience: Synaptic plasticity: Learning through continuing potentiation. Leonie Welberg

См. также:
Lucy in the Sky with Diamonds - песня Битлз, которую ассоциировали с LSD по начальным буквам названия.
Статьи по шизофрении за неделю 25 апреля - 1 мая 2008 - упоминается исследование галлюциногена DOI.
Глутаматный антипсихотик как альтернатива D2-блокаторам - про агонист mGlu-рецепторов.
Daring to Think Differently About Schizophrenia - испытания глутаматного антипсихотика вошли в новую стадию. Статья об исследователе, перешедшем "с дофаминового на глутаматный фронт".
Глутаматная гипотеза шизофрении в изложении Биты Могхаддам.
Ингибитор NAAG-пептидазы в терапии шизофрении - еще одна возможность активировать mGlu-рецепторы.
"Глутаматергические агенты в терапии шизофрении: выходя за пределы допаминовой гипотезы" - видеолекция.
"Психоз и грядущая глутаматная революция" - блог MindHacks
 Rethinking Learning and Memory—mGluRs, LTP, and Potential Therapies - "Переосмысление процессов памяти и обучения: mGlu-рецепторы, долговременная потенциация и возможные методы терапии". Обзор публикации [4] на форуме исследователей шизофрении.
Psych 119: Drugs and Behavior - Instructor David Presti. Серия лекций Университета Беркли, 2006 год.

Soundtrack:


P.S. Про LSD.

29 апреля скончался швейцарский учёный Альберт Хофманн, синтезировавший в 1938 году LSD, а в 1943 открывший его галюциногенное действие. Пишут, что LSD не вызывает физиологического привыкания, в отличие от наркотических средств. Однако у некоторых людей он может провоцировать срыв в психоз. Открытие связи рецепторов глутамата и серотонина было сделано незадолго до смерти Хофманна.

На животных галлюциногены изучаются, но некоторые считают, что этого недостаточно, ведь они оказывают уникальное воздействие на сознание человека. Возможно, открытие группы Силфона и Гонсалез-Маэзо и другие открытия позволят возобновить крупные контролируемые исследования галлюциногенов на людях, дав возможность подбирать устойчивых испытуемых и быстро прерывать развитие психозов и других нежелательных эффектов.

Тем, кто хорошо воспринимает английский на слух, может понравиться серия аудиолекций 2006 года "Психоактивные препараты и поведение" Дэвида Прести, представленная на сайте Университета Беркли. Лекции 25 и 27 (ноябрь 2006 г.) посвящены в основном LSD - его открытию, попыткам применения в психотерапии, влиянию на культуру, воздействию на психику, побочным эффектам. Прести довольно благожелательно настроен в отношении LSD..

Статьи по шизофрении за неделю 25 апреля - 1 мая 2008

За указанные 7 дней появилось 95 статей, так или иначе связанных с исследованиями шизофрении. Вот список в еженедельно пополняемой базе данных на сайте Schizophrenia Research Forum:
Current Papers: Week of 25 April 2008 - 1 May 2008
Я просмотрел только первые двадцать аннотаций из девяноста пяти и выбрал три интересных статьи, чтобы дать общее представление. Бывает, что в базу добавляют больше ста статей в неделю.. а всего индексировано 502 недели, почти за десять лет.

1. "Галлюциноген DOI снижает низкочастотные осцилляции в префронтальной коре крыс:  антипсихотики реверсируют этот эффект." Celada P, Puig MV, Díaz-Mataix L, Artigas F. The Hallucinogen DOI Reduces Low-Frequency Oscillations in Rat Prefrontal Cortex: Reversal by Antipsychotic Drugs. Biol Psychiatry. 2008 Apr 22;

DOI был впервые синтезирован Александром Шульгиным. Является частичным агонистом серотониновых рецепторов, в том числе 5-HT2A. Пишут, что DOI десинхронизирует разряды пирамидальных клеток, и это может частично объяснять его психотомиметическое воздействие, а клозапин и галоперидол, напротив, способствуют синхронизации. Кстати, недавно было сделано важнейшее открытие, касающееся именно рецептора 5-HT2A и его связи с психозами. Атипичные антипсихотики являются антагонистами этого рецептора. Также см. текст "клозапин усмиряет неспокойные нейросети".

2. "N-ацетилцистеин (NAC) как прекурсор глутатиона в лечении шизофрении: двойное слепое рандомизированное плацебо-контролируемое испытание." Berk M, Copolov D, Dean O, Lu K, Jeavons S, Schapkaitz I, Anderson-Hunt M, Judd F, Katz F, Katz P, Ording-Jespersen S, Little J, Conus P, Cuenod M, Do KQ, Bush AI. N-Acetyl Cysteine as a Glutathione Precursor for Schizophrenia-A Double-Blind, Randomized, Placebo-Controlled Trial. Biol Psychiatry. 2008 Apr 22;

У больных шизофренией подозревают нарушение redox-процессов (см. тут). А NAC, как было показано, способен повышать уровни глутатиона у грызунов. Решили провести исследование 140 больных шизофренией. К завершению в нем участвовали лишь 84 человека. Сообщают о том, что NAC "безопасен и умеренно эффективен как добавочное средство". Эффективность измеряли по показателям шкал PANSS.

О NAC писал также исследователь Джон Кристал  в комментарии к тексту "Окислительный стресс - на стыке NMDA- и ГАМК-гипотез шизофрении?":

"..возникновение нейрональных ГАМК-дефицитов может быть печальным конвергентным последствием нарушений глутаматергической нейротрансмиссии и наследственных отклонений нейрометаболизма. Эта информация подчеркивает значение новых данных, пока что весьма предварительных, о возможности применения N-ацетилцистеина (N-acetyl-cysteine, NAC) в качестве добавочной терапии при шизофрении. NAC, повышающий внутриклеточный уровень глутатиона, может быть нацелен на клеточные процессы, описанные Behrens и коллегами."

Вот так научные исследования базовых механизмов шизофрении указывают пути для разработки методов терапии.

3. В свободном доступе (PDF): "Дисфункция ГАМКергического ингибирования в префронтальном кортексе ведет к 'психотической' гиперактивации." Tanaka S. Dysfunctional GABAergic inhibition in the prefrontal cortex leading to "psychotic" hyperactivation. BMC Neurosci. 2008 Apr 25;9(1):41.

Известно о наличии ГАМК-гипофункции при шизофрении, в частности, об отклонениях в ГАМКергических клетках-канделябрах, иннервирующих пирамидальные нейроны в стратегически важных локациях. Автор построил компьютерную модель префронтальной коры и рассмотрел динамику сетей, изымая из них нейроны-канделябры и другие ГАМК-клетки. Думаю, чтобы понять суть исследования, нужно прочитать дотошно статью, да еще и разбираться в методах моделирования нейросетей. Танака пишет, что дисфункция ГАМК-нейронов в его модели увеличивает вероятность перехода к гиперактивному, гипердофаминергическому режиму из некоего "стандартного режима активности, следующего колоколообразной закономерности". Можно проверить данные о Танаке, и, если это солидный исследователь, разместить краткое описание в форуме neuroscience.ru, чтобы специалисты по нейросетям высказали свое мнение. В тексте статьи масса формул и графиков. "Широко простирает нейромоделирование руки свои в мозги человеческие". ((с)пёрто). Рассмотрение аспектов шизофрении в компьютерных моделях не является новинкой, я уже размещал одну ссылку на подобную публикацию.

Эпигенетическая гипотеза патофизиологии шизофрении.

Перевод текста An Epigenetic Hypothesis for Schizophrenia Pathophysiology.

Гипотеза опубликована на сайте Schizophrenia Research Forum 17 января 2008 года.
Авторы - Dennis R. Grayson, Alessandro Guidotti, Erminio Costa (Деннис Грейсон, Алессандро Гуидотти, Эрминио Коста).

Шизофрения (Sz) - тяжелое нарушение работы мозга, поражающее почти 1% населения. Генетические факторы заболевания исследованы, пожалуй, наиболее дотошно, однако упор на анализ сцеплённого наследования и ассоциаций генов в масштабах целого генома обеспечил нас лишь частичным пониманием этиологических факторов, лежащих в основе недуга (Harrison, Weinberger, 2005). Наряду с другими факторами, препятствием для генетических исследований стали неменделевский характер наследования шизофрении, гетерогенность фенотипов и отсутствие специфических биомаркеров. Проаналировав базу данных SchizophreniaGene сайта Schizophrenia Research Forum по состоянию на январь 2008, мы обнаруживаем, что в ходе проведенных 1200 генетических исследований значительные суммарные показатели получены для нескольких локусов, включая гены метилтетрагидрофолатредуктазы (MTHFR), допаминового рецептора D2, допаминового рецептора D4, различных субъединиц рецептора NMDA (NR2A, GRIN2A) и серотонинового транспортера A4 (SLC6A4). Дисбиндин и нейрегулин также продемонстрировали позитивную ассоциацию в некоторых работах. Однако, несмотря на информативность анализа сцепленного наследования и генетических ассоциаций, интерпретацию данных усложняет комплексный характер генетики Sz. Действительно, несовпадение результатов недавних мета-анализов цельногеномного сканирования с результатами крупных исследований сиблинговых пар свидетельствует об отсутствии реплицированного свидетельства в пользу любого из нынешних генов-кандидатов (Crow, 2007).


По современному представлению, истоки болезни, возможно, не укладываются лишь в вариации последовательностей ДНК; наряду с последними, ключевую этиопатогенетическую роль могут играть эпигенетические нарушения (Petronis, 2004; Costa et al., 2006). В 1960-х и 1970-х годах была проведена важная серия исследований, данные которых были уже в наше время дополнены посмертным анализом тканей мозга больных и здоровых людей, что и навело нас на новую гипотезу о причинах этого заболевания (см. Costa et al., 2002). Представленный механизм, являющийся модификацией ГАМКергической гипотезы (см. Guidotti et al., 2005; Lewis et al., 2005), предполагает, что аберрантная экспрессия генов (напр., рилина, глутаматдекарбоксилазы-1 - GAD1 или GAD67, везикулярного ГАМК-транспортера - VGAT, ГАМК транспортера - GAT-1, NMDA-рецепторов - субъединицы NR2, и других - см. Benes et al., 2007; Huang et al., 2007), наблюдаемая в ГАМКергических нейронах у больных шизофренией, происходит вследствие гиперметилирования промоторов, опосредованного чрезмерной экспрессией ДНК-метилтрансферазы I (и, возможно, других ДНК-метилтрансфераз). В вышеизложенном виде гипотеза метилирования довольно узка; однако мы хотели бы расширить ее дополнительными механизмами, согласующимися с характером изменений эпигенетической регуляции ключевых промоторов, экспрессированных в ГАМКергических нейронах (Costa et al., 2007). Мы полагаем, что каждый из механизмов снижает экспрессию соответствующих мРНК, заглушая промоторы, и в сумме это вызывает симптомы, наблюдаемые у психотических пациентов. С другой стороны, возможно, гиперметилирование промоторов вызывает вторичные эффекты, косвенно влияющие на ГАМК-функцию. Например, было показано, что нейрегулин позитивно регулирует NMDA рецепторы (Gu et al., 2005), что, в свою очередь, может моделировать количество ГАМК, высвобождаемой в ГАМКергические синапсы (Beneyto and Meador-Woodruff, 2007; Homayoun and Moghaddam, 2007). Таким образом, снижение количества нейрегулина может вызывать гипофункцию NMDA рецепторов, усугубляя ГАМКергическую гипофункцию, связанную с недостатком GAD1. В совокупности, нужно исследовать каждый из этих вариантов в контексте представленной гипотезы для того, чтобы разобраться в соотношениях, о которых пишут разные исследователи. В то же время рассмотрение эпигенетической гипотезы, вероятно, поможет свести воедино многие нестыкующиеся находки, до того смущавшие умы ученых.

Связь метионина с психозом

Эпигенетическая гипотеза отчасти основана на результатах серии клинических испытаний, проведенных в конце 1960-х годов с целью поиска лучшей терапии для больных шизофренией (Park et al., 1965; Antun et al., 1971; обзор в работе Costa et al., 2002). Основанием для проведения эксперимента послужил следующий довод: галоперидол блокирует допаминовые рецепторы, следовательно, можно добиться улучшения понижением уровня допамина в мозге. Для этого больным шизофренией и контрольной группе давали в большом количестве метионин (Мет.). Ожидалось, что Мет. повысит активность ферментов, метаболизирующих допамин посредством метилирования, и вызовет снижение уровней допамина в мозге. Исследователи ожидали, что конечным эффектом станет улучшение состояния пациентов либо ослабление симптоматики. Вместо этого оказалось, что Мет. вызывает острые психотические эпизоды у пациентов, демонстрировавших в прошлом симптомы шизофрении (Antun et al., 1971; Costa et al., 2002). Первым предположением было то, что Мет индуцировал синтез одного из метаболитов допамина, способного вызвать психотический эпизод. Однако уровни различных метаболитов допамина оставались неизменными. Механизм Мет-обусловленного рецидива психотических симптомов оставался загадкой до тех пор, пока наши лаборатории не смогли повторить этот опыт на мышах. Нам удалось продемонстрировать, что Мет. опосредует изменения в экспрессии генов и метилировании промоторов у мышей как in vivo, так и in vitro (Tremolizzo et al., 2005; Noh et al., 2005; Dong et al., 2005; 2007). Интересно то, что Мет. повышал в мозге уровни S-аденозилметионина, и это повышение совпадало с изменениями в степени метилирования промоторов и экспрессии генов. К тому же мы наблюдали усиленное связывание метилцитозин-связывающих белков, таких как MeCP2, с этими промоторами (Dong et al., 2007; Kundakovic et al., 2007). Стоит отметить, что у больных шизофренией кортикальные уровни S-аденозилметионина (SAM) повышены почти вдвое (Guidotti et al., 2007), что сочетается с гипотезой о нарушенном метилировании, сопровождающем болезнь. Некоторые из клинических работ по Мет. десятки лет были преданы забвению и лишь недавно, когда мы начали исследовать эпигенетическую гипотезу, были включены в неё (Costa et al., 2002).

Отклонения в экспрессии ДНК-метилтрансфераз (Dnmt: Dnmt1, 3a, и\или 3b) в ГАМКергических нейронах больных шизофренией могут вызывать глобальные изменения геномного метилирования, что в итоге понижает экспрессию большого числа промоторов. В то время как Dnmt1, 3a и 3b экспрессированы в постмитотических клетках, вероятно, лишь Dnmt1 высоко экспрессирована в ГАМКергических, но не в пирамидальных нейронах (Veldic et al., 2004; 2005; 2007). У больных шизофренией наблюдается чрезмерная экспрессия Dnmt1 в ГАМКергических нейронах 1 и 2 слоя коры и в густоветвистых средних шипиковых нейронах (medium spiny neurons) хвостатого ядра и скорлупы (Veldic et al., 2007). Заметных изменений в экспрессии Dnmt3a или 3b как при шизофрении, так и у больных биполярным расстройством установить не удалось. Однако не было проведено достаточно детальных исследований точной нейрональной локализации соответствующих мРНК. Роль этих белков в постмитотических нейронах выяснена не до конца, и многочисленные исследования показали, что каждый из них выполняет свою функцию, работая в спарке с метилцитозин-связывающими белками и дезацетилазами гистонов (Van Emburgh and Robertson, в печати). В согласии с повышенной экспрессией Dnmt1 в кортикальных ГАМКергических нейронах пациентов (Guidotti et al., 2005), наша (Grayson et al., 2005) и другие группы (Abdolmaleky et al., 2005) показали, что у больных шизофренией частично гиперметилированы промоторы рилина. Мы выдвигаем предположение о том, что сниженная экспрессия мРНК рилина, GAD1 и других генов приводит к снижению ингибиторного тона ГАМКергических интернейронов (ГАМКергической гипофункции), описанному у больных шизофреней и, судя по всему, имеющему отношение к нарушению ритмов пирамидальных клеток (Benes and Berretta, 2001; Guidotti et al., 2005; Lewis et al., 2005, Levenson and Sweatt, 2005). Этим можно объяснить множество наблюдений, связывающих нарушенное ингибирование гипервозбудимых аудио- и визуальных сетей с возникновением галлюцинаций (восприятием неподходящей сенсорной информации) при психозе. Отсев указанной избыточной сенсорной информации осуществляют ГАМК-сети, и скорее всего их работа становится неэффективной (Loh et al., 2007).

Процессы метилирования и деметилирования могут включать и выключать экспрессию генов в нейронах

Хотя точная комбинация ДНК-метилтрансфераз (1, 3a или 3b), активных в специфических нейронах, в настоящее время неизвестна (Veldic et al., 2004; Levenson et al., 2006), очевидно происходящее в наши дни раскрытие роли метилирования в нормальной работе мозга. Например, при осуществлении груминга некоторыми крысами у их детенышей изменяется статус метилирования гена глюкокортикоидного рецептора в гиппокампе (Weaver et al., 2004; 2005; Meaney and Szyf, 2005). В более свежем исследовании, с использованием условно-рефлекторного замирания, была обнаружена связь изменений метилирования промоторов рилина и протеинфосфатазы-1 (PP1) с консолидацией памяти (Miller and Sweatt, 2007). Некоторые исследователи считают, что паттерны метилирования в контексте реконструкции хроматина могут быть обратимыми, а также могуть быть тесно связаны с дезацетилированием гистонов. Действительно, ингибитор дезацетилазы гистонов, вальпроевая кислота, обычно прописываемая психотическим пациентам как стабилизатор настроения, может отчасти действовать через усиление процессов деметилирования ДНК (Cervoni and Szyf, 2001; Mund et al., 2006; Milutinovic et al., 2007; Dong et al., 2007). Хотя вопрос об экспрессии ДНК-деметилаз все еще вызывает противоречия, представляется очевидным то, что ингибиторы дезацетилазы гистонов, такие как вальпроевая кислота и MS-275, действуют, ингибируя дезацетилазы и изменяя паттерны метилирования промоторов в клеточной ДНК. Концепция регулирования нейрональной экспрессии генов посредством деметилирования была предложена в контексте когнитивного развития (Hong et al., 2000) и формирования памяти (Levenson and Sweatt, 2005).

Мы предлагаем схему, представленную на рис. 1, для объяснения эпигенетических причин шизофрении в свете вышеизложенных концепций. Как было сказано, предполагается связь повышенной экспрессии Dnmt1 с выборочным гиперметилированием промотора и снижением количества мРНК. В число генов, чей мРНК понижен в ГАМКергических нейронах, входят рилин, GAD1, SST, VGAT, Gat-1, NR2-субьединицы рецептора NMDA, и транскрипционные факторы Dlx (Guidotti et al., 2005; Beneyto and Meador-Woodruff, 2007; Benes et al., 2007). Наблюдение избыточной экспрессии Dnmt1 в ГАМКергических нейронах больных шизофренией сочетается с идеей о том, что в основе заболевания может лежать дисфункция механизма эпигенетического гиперметилирования промоторов (Veldic et al., 2004; 2005). Мы также показали, используя антисенсные к Dnmt1 олигонуклеотиды, что нокдаун белка Dnmt1 предотвращает Met-опосредованное снижение количества мРНК рилина и GAD1 в кортикальных нейронах in vitro (Noh et al., 2005). В то время как роль Dnmt1-, 3a- и 3b-опосредованных изменений в ген-специфичном метилировании хорошо известна в контексте биологии раковых заболеваний (Szyf, 2005), очень мало известно о метилировании как о нейрональном регуляторном механизме. На данный момент мы не понимаем, чем вызвано это повышение (количества Dnmt1) при шизофрении, но оно может быть связано с пока нерасследованным механизмом усиления экспрессии гена Dnmt1 в ответ на гормональные всплески, свойственные пубертатному или раннему постпубертатному периоду (возможно, эстрогена или иных гормонов). Это могло бы объяснить следующие наблюдения: 1) при снижении количества рилина с момента рождения наблюдается более тяжелый патологический фенотип (Hong et al., 2000) и 2) симптомы шизофрении очень редко возникают до пубертатного возраста. Пока что эта идея недоказана, но она обеспечивает подходящий каркас для тестирования гипотез, относящихся к возрастной регуляции экспрессии Dnmt1 под влиянием разнообразных гормонов, вероятно, действующих на уровне соответствующих промоторов. Это предположение также подразумевает возможность того, что ингибиторы Dnmt1 пригодятся при поиске новых антипсихотических средств.



(рисунок 1. "Гипотеза: ГАМКергическая гипофункция при шизофрении." Повышение Dnmt1, Dnmt3a, Dnmt3b -> снижение мРНК в ГАМКергических нейронах, в т.ч. GAD1 -> сниженный выброс ГАМК -> снижение плотности дендритных шипиков на пирамидальных клетках, снижение нейропильной плотности + увеличение числа ГАМК-А рецепторов и повышенная возбудимость нейронов => симптомы шизофрении)


Поскольку нейрон-специфичные и возрастные паттерны экспрессии сопровождаются отчетливыми изменениями в структуре хроматина и статусе метилирования ДНК (Razin, 1998; Sharma et al., 2005), важно сосредоточиться на механизме, посредством которого метилирование критических цитозинов в этих последовательностях влияет на доступ транскрипционных факторов к своим сайтам узнавания. На основании наших данных мы предполагаем, что метилирование представляет собой переключатель, используемый для регулирования экспрессии промоторов в определенных условиях (Kundakovic et al., 2007). Важная концепция, подкрепленная многими исследованиями, предполагает то, что повышенное метилирование вызывает усиленное рекрутирование метилцитозин-связывающих белков к промотору, индуцируя репрессивное или молчащее состояние хроматина (Grayson et al., 2005; Dong et al., 2005). Вопрос о возможности переключения этого "тумблера метилирования" в исходное положение до сих пор открыт и подлежит исследованию. Недавно полученные данные говорят о том, что изменения процессов развития, индуцируемые в отсутствие MeCP2 с момента рождения, обратимы, и что они согласуются с ролью метилирования как динамического модулятора экспрессии промоторов (Guy et al., 2007). Теперь важно выяснить, проявляют ли подобную чувствительность к изменениям в процессах метилирования другие промоторы, подавленные при шизофрении.

Разработка новых методов терапии должна быть направлена на ДНК-метилтрансферазы и дезацетилазы гистонов?

Метилирование промоторов, по нашему предположению, можно обратить вспять. Например, гиперметилирование гена глюкокортикоидного рецептора в гиппокампе у крыс, недополучивших в детстве материнской опеки, может быть реверсировано ингибиторами дезацетилаз гистонов (Szyf et al., 2007). Проведенные недавно опыты с мышами, получавшими метионин, свидетельствуют о том, что гиперметилирование промоторов рилина и GAD1 может быть эффективно реверсировано вальпроевой кислотой и ингибиторами дезацетилазы гистонов. Это позволяет нам предположить, что вдобавок к ДНК-метилтрансферазам и S-аденозилметионину ключевую роль в регулировании стабильных уровней метилирования промоторов в нейронах мозга может играть ДНК-деметилаза (Dong et al., 2007). Молекулярная природа, кинетика и экспрессия активности деметилазы в мозге остается важной темой для исследований в области патофизиологической терапии шизофрении. На самом деле, индуцирование этой активности, вызываемое клозапином, но не галоперидолом, может объяснить лучшую антипсихотическую эффективность клозапина по сравнению с ранними антипсихотиками (Erbo Dong et al., неопубликованные данные).

Главная цель эпигенетических исследований в психиатрии сейчас заключается в лучшем понимании регулирования различных генов, экспрессируемых в ГАМКергических нейронах. Это даст возможность идентифицировать цели для терапии шизофрении (Costa et al., 2003a ; 2003b; 2006; 2007; Guidotti et al., 2005; Grayson et al., 2006). Когда научное сообщество достигнет твердого понимания регуляторных каскадов, объединяющих своим действием разнообразные промоторы\единицы транскрипции, можно будет разработать более точные и эффективные способы реактивации экспрессии генов (Mund et al., 2006; Kundakovic et al., 2007; Levenson, 2007). Эпигенетическая гипотеза затрагивает не только шизофрению, она простирается и на другие заболевания, в том числе биполярное расстройство, депрессию, аддикции и заболевания аутистического типа, вызванные нарушением развития мозга (см. свежий обзор в Tsankova et al., 2007)

На фото: авторы гипотезы - Grayson, Guidotti, Costa.



Копия перевода в блоге на neuroscience.ru: Эпигенетическая гипотеза патофизиологии шизофрении.
Копия перевода в ЖЖ: Эпигенетическая гипотеза патофизиологии шизофрении.

Недостаток серого вещества при шизофрении и не только

(кросспост)
Текст на сайте schizophreniaforum.org от 12 июля 2007: Healthy Siblings of Young Schizophrenics Overcome Cortical Deficits ("Недостаток серого вещества в коре у здоровых людей, чьи братья\сестры болеют детской шизофренией, с возрастом проходит"). Обзор двух работ, посвященных потере\дефициту серого вещества у больных и их родственников.

Авторы первой работы сканировали кору головного мозга у 52 здоровых людей, чьи ближайшие родственники - братья либо сестры - с детства болели шизофренией (начало заболевания - до 13 лет, очень редкая форма болезни). Для сравнения были взяты 52 человека - также здоровых, но без отягощенной наследственности. Сканировали, насколько я понял, 2 раза, с разрывом в 2 года.

Недостаток серого вещества был обнаружен у юных испытуемых (8 лет) в левом префронтальном кортексе и с обеих сторон в височном кортексе. К 20 годам недостаточность исчезала, при этом повышались баллы по шкале Global Assessment Scale. Авторы - Gogtay et al. - отмечают, что недостаточность удивительно точно повторяет дефициты серого вещества, наблюдающиеся у пациентов с детской шизофренией, лишь с двумя отличиями: 1. У больных этот дефицит продолжает сохраняться и во взрослом возрасте; 2. Дефицит серого вещества у больных наблюдается еще и в третьей области мозга - теменной.

Во второй публикации говорится о линейно замедляющейся с возрастом потере серого вещества у больных "взрослой" формой шизофрении, которая, тем не менее, идет быстрее, нежели естественная потеря серого вещества у здоровых людей. К 50 годам скорость потери серого вещества уравнивается у больных и здоровых, составляя около 5 ml/год. Наибольшаяя разница наблюдаяется в возрасте от начала взрослой жизни и до 29 лет - у здоровых в этом временном периоде скорость потери вещества значительно замедляется (с 4 до 2 ml/год), в то время как у больных такого падения линии графика не наблюдается - у них скорость снижается равномерно с 6.3 ml/год в 20 лет до 5.7 ml/год к 50 годам. Авторы работы говорят о том, что у больных, вероятно, наибольшая потеря происходит в возрасте 10-20 лет, после чего процесс более-менее нормализуется. Параллельно в исследовании было отмечено увеличение объема третьего желудочка у больных. У пациентов с неблагоприятным течением болезни потеря вещества оказалась большей, как и следовало ожидать. Сканировали 96 больных с 5-летним интервалом.

Как всегда, упоминаются возможные недостатки в организации исследований и необходимость дальнейшего изучения вопроса.

Чуть ниже самого обзора работ приведено мини-интервью автора первой публикации, Нитина Гогтая (Nitin Gogtay), с представителем сайта schizophreniaforum.org, Питером Фарли (Peter Farley).

Публикации:

1. Gogtay N, Greenstein D, Lenane M, Clasen L, Sharp W, Gochman P, Butler P, Evans A, Rapoport J. Cortical brain development in nonpsychotic siblings of patients with childhood-onset schizophrenia. Arch Gen Psychiatry . 2007 Jul ; 64(7):772-80. PubMed Abstract; free fulltext pdf (310 кбайт).

2. Van Haren NEM, Pol HEH, Schnack HG, Cahn W, Brans R, Carati I, Rais M, Kahn RS. Progressive brain volume loss in schizophrenia over the course of the illness: evidence of maturational abnormalities in early adulthood. Biol Psychiatry. 2007 Jun 26; [Epub ahead of print] Abstract

Ингибиторные нейросети, гамма-волны и шизофрения.

(Кросспост) Вдогонку предыдущему посту. Перевод текста с schizophreniaforum.org, из раздела "Гипотезы": Bad Brain Vibes: Disturbances of Inhibitory Neural Circuits and Gamma Oscillations in Schizophrenia

Эта гипотеза связывает глутаматную гипотезу и данные о нарушениях ГАМК-системы при шизофрении.

Авторы текста: Tsung-Ung W. Woo, Kevin Spencer, и Robert M. McCarley

В современных описаниях шизофрении исследователи предполагают, что заболевание возникает из-за неспособности мозга интегрировать активность локальных и распределённых нейросетей (Andreasen, 2000; Benes, 2000; Friston and Frith, 1995). В недавнее время отмечен значительный интерес к фиксируемым на ЭЭГ гамма-осцилляциям и к их роли в характерных для шизофрении когнитивных нарушениях. Вероятно, гамма-осцилляции посредством синхронизации нейросетей позволяют осуществлять репрезентацию и выборку информации (Salinas and Sejnowski, 2001), и этот механизм может играть важную роль в процессах перцепции (Engel et al., 2001), выборочного внимания (Fries et al., 2001) и рабочей памяти(Howard et al., 2003; Tallon-Baudry et al., 1998). В согласии с представлением о том, что гамма-опосредованная синхронность может быть нарушена при шизофрении, растущее количество публикаций сообщает о нарушениях гамма-осцилляций при данной болезни, связанных с сенсорной стимуляцией(Brenner et al., 2003; Hong et al., 2004; Kwon et al., 1999; Light et al., 2006), перцепцией(Spencer et al., 2004; Uhlhaas et al., 2006; Wynn et al., 2005), задачами на обнаружение цели(Gallinat et al., 2004; Haig et al., 2000).

Уже давно известно, что употребление антагонистов NMDA-рецептора приводит к психозу и вызывает когнитивные дефициты, напоминающие клиническую картину шизофрении(Javitt and Zukin, 1991; Krystal et al., 1994; Newcomer and Krystal, 2001); эти данные привели к созданию модели шизофрении, которая объясняет возникновение болезни гипофункцией рецептора NMDA (Olney and Farber, 1995; Olney et al., 1999) (см. Глутаматную Гипотезу Биты Могхаддам). Парадоксальные эксайтотоксичные эффекты NMDA-антагонистов, обнаруженные Олни и Фарбером, были объяснены, пусть и частично, блокадой NMDA-рецепторов, расположенных на ГАМК-содержащих тормозных нейронах, которые, как было показано, примерно в 10 раз более чувствительны к NMDA-антагонистам, в том числе к психотомиметикам, по сравнению с NMDA-рецепторами, расположенными на пирамидальных клетках(Greene et al., 2000; Grunze et al., 1996; Olney and Farber, 1995). На основании нижеприведенных свидетельств мы предполагаем, что снижение входящей активации быстроразрядных (fast-spiking) ГАМК-клеток, содержащих кальций-связывающий белок парвальбумин (PV), выражающееся в сниженной активации их NMDA-рецепторов - возможно, в первую очередь тех, что содержат субъединицу NR2A - может опосредовать, по крайней мере частично, многократно описанную недостатьчность 67 kD-изоформы ГАМК-синтезирующего фермента глутаматдекарбоксилазы (GAD67) и нарушение гамма-синхронности при шизофрении.

Гипотеза 1.

Гипофункция NMDA-рецепторов на ГАМКергических нейронах, предположительно – парвальбумин(PV)-содержащих, изменяя ингибиторный контроль над сетями пирамидальных клеток, непосредственно приводит к разрушению синхронизации нейросетей в гамма-диапазоне. Гамма-синхронизация также может быть нарушена косвенно – по вине эксайтотоксичного повреждения пирамидальных клеток в результате недостаточного ингибиторного воздействия на них, и из-за последующего усыхания дендритов и потери синапсов.

1. NR2A регулирует экспрессию PV и GAD67

У животных блокада NMDA рецепторов снижает количество PV-иммуннореактивных нейронов в энторинальной коре(Cunningham et al., 2006; see SRF related news story); это снижение сопровождается значительным нарушением гамма-ритмов. Что интересно, данные эффекты могут быть опосредованы участием субъединицы NR2A. Так, в недавнем исследовании Kinney et al. обнаружили, что в системе первичной нейрональной культуры субъединица NR2A особенно обильно встречается в PV-содержащих ГАМКергических клетках, что подтверждается как транскрипцией, так и собственно уровнем белка, при сравнении ГАМКергических клеток с пирамидальными (Kinney et al., 2006). Более того, селективные агонисты NR2A, а не NR2B, снижают экспрессию мРНК парвальбумина и собственно белка, а также экспрессию мРНК GAD67 в PV-содержащих клетках (Kinney et al., 2006). В свете этих находок действительно интересным становится то, что при шизофрении селективное снижение экспрессии мРНК GAD67 обнаруживается именно в PV-содержащих нейронах (Hashimoto et al., 2003).


2. Сниженная экспрессия NR2A в ГАМК-нейронах при шизофрении.

Недавно было продемонстрировано значительное снижение плотности ГАМКергических GAD67-содержащих нейронов, экспрессирующих субъединицy NR2A, как в передней части поясной извилины(Woo et al., 2004), так и в дорсолатеральном префронтальном(PFC; Woo et al., in preparation) кортексе. Эти находки согласуются с наблюдениями за экспрессией мРНК везикулярного глутаматного транспортера vGluT1, являющегося маркером глутаматергических терминалей коры(Fujiyama et al., 2001; Kaneko and Fujiyama, 2002): его экспрессия в префронтальном кортексе больных шизофренией снижена(Eastwood and Harrison, 2005). Очевидно, остается вопрос идентификации ГАМКергических клеток, демонстрирующих сниженную экспрессию NR2A.

3. Эксайтотоксическое повреждение пирамидальных нейронов вследствие нарушения ингибирования

В результате сниженной возбудительной активации ГАМК-нейронов, следующие в цепочке взаимодействий клетки могут выйти из под ингибиторного контроля и стать уязвимыми перед эксайтотоксичностью(Olney and Farber, 1995). Хотя, как считается, при шизофрении не происходит отмирания нейронов (по крайней мере, не в больших масштабах), эксайтотоксическое повреждение пирамидальных клеток может выражаться в потере дендритов и синапсов. Это может ухудшить функционирование пирамидальных клеток, еще более усугубляя дефицит синхронности.

Гипотеза 2.

Нарушения синхронности в гамма-диапазоне в течение подросткового и раннего взрослого периодов жизни вносят свой вклад в нарушенный процесс созревания нейросетей коры, дерегулируя синаптический и дендритный прунинг. Это должно запускать болезнь и приводить к характерным для начальной стадии шизофрении потере серого вещества и падению уровня функционирования.

Финальная стадия функционального созревания коры головного мозга характеризуется тонкой подстройкой синаптических сетей. Нейробиологические механизмы, от которых зависит начало и конец процесса синаптического усовершенствования, только начинают исследоваться; считается, что ключевую роль здесь может играть созревание ГАМКергических нейросетей, в особенности тех, что состоят из PV-содержащих нейронов (Hanover et al., 1999, Hensch, 2005; Huang et al., 1999; Jiang et al., 2005). Например, в зрительной коре послеродовое созревание экспрессии парвальбумина совпадает по времени с периодом опыт-зависимого усовершенствования нейросетей (Alcantara and Ferrer, 1994; de Lecea et al., 1995; Gao et al., 2000; Patz et al., 2004). Более того, у трансгенных мышей с чрезмерной экспрессией BDNF созревание PV-содержащих нейросетей ускоряется, а также преждевременно завершается тот критический период, в течение которого возможна повышенная синаптическая пластичность развивающегося мозга(Hanover et al., 1999;Huang et al., 1999).

По сравнению с другими кортексными зонами, процесс функционального созревания префронтальной коры довольно затянут; синаптическая подстройка тут заканчивается лишь в позднем пубертатном возрасте и в начале взрослой жизни(Bourgeois et al., 1994; Huttenlocher, 1979; Woo et al., 1997), что совпадает с тем периодом, когда обычно проявляется симптоматика шизофрении. Что интересно, в течение этого периода PV-содержащие нейросети постепенно достигают зрелости(Anderson et al., 1995; Erickson and Lewis, 2002). Хотя убедительные свидетельства отсутствуют, в свете вышеперечисленного видится разумным предположение о том, что, как и в визуальной области, PV-содержащие нейроны могут играть важную роль в управлении процессом синаптической подстройки в префронтальной коре.

Процесс усовершенствования синаптических соединений зависит от активности и подчиняется принципу Хебба (Hebb, 1949). Когда пре- и постсинаптические элементы синапса одновременно (в течение короткого временного окна) активны, синапс усиливается; в противном случае, синапс подлежит уничтожению. Интересно, что продолжительность временного окна, необходимая для активно-зависимого усиления синапсов при регистрации совпадений, вплотную сопадает с тактом гамма-осцилляций (Bi and Poo, 1998; Buzsaki and Draguhn, 2004; Harris, 2003; Harris et al., 2005; Magee and Johnston, 1997; Wespatat et al., 2004; Whittington et al., 1997). Другими словами, гамма-осцилляции могут обеспечивать временную структуру, налагающую рамки на активно-зависимый процесс синаптической подстройки. Таким образом, нарушения в PV-содержащих нейронах, нарушая гамма-осцилляции, могут приводить к аберрантному прунингу синапсов. К тому же исследования показали, что в возрастном промежутке, включающем в себя пубертатный период, происходит исчезновение части глутаматергических аксональных терминалей в префронтальном кортексе, приводящее к потере 40-60 процентов аксональных бутонов (Woo et al., 1997). Возможно, при шизофрении данный процесс аксональной элиминации идет вразлад, и первыми попадают под удар аксоны, воздействующие на NMDA-рецепторы PV-содержащих нейронов. Как обсуждалось выше, сниженная глутаматергическая активация NMDA-рецепторов на PV-нейронах может вызывать дефициты гамма-осцилляций (Cunningham et al., 2006), нарушая активно-зависимый прунинг, что ведет к потере синапсов. В итоге, как результат описанной выше расторможенности, снижение NMDA-активности на PV-нейронах может вызывать эксайтотоксическое повреждение пирамидальных клеток; это может приводить к еще большим потерям дендритов и синапсов. В совокупности данные механизмы могут играть роль в запуске заболевания и приводить к прогрессирующей деградации на ранней стадии болезни.

Значение для терапии.

Гипотезы указывают новое направление для разработки концепций нейробиологически-обоснованных стратегий терапии при шизофрении. В согласии с гипотезами, фармакологическая калибровка NMDA-нейротрасмиссии в PV-содержащих ГАМКергических нейронах, возможно с упором на субъединицy NR2A, скорректирует дефициты гамма-осцилляций у больных. Более того, если данный подход будет применен достаточно рано, он, возможно, предотвратит наступление болезни, нормализуя синаптические дефициты, которые по меньшей мере отчасти вызываются дефицитом гамма-осцилляций.