Энергия шванновских клеток «в помощь» погибающим нейронам

В новом исследовании показано, что сразу после повреждения аксона в шванновских клетках усиливаются процессы гликолиза для обеспечения аксонов энергией и предотвращения их дегенерации. Авторы также определяют возможные цели терапевтического вмешательства, на которые можно воздействовать для обеспечения защиты аксонов.

Повреждение аксона — инициальное событие при некоторых острых и хронических нейродегенеративных заболеваниях, что часто ведет к гибели нейронов [1]. Таким образом, сохранение целостности аксонов имеет решающее значение для предотвращения быстрого развития этого необратимого процесса. В то время как центральная роль нейронов в процессе дегенерации была тщательно исследована [1, 2], недавние работы показывают, что шванновские клетки, миелинизирующие глиоциты периферической нервной системы (ПНС), также играют важную роль в правильной активации регенерационных процессов в нервной ткани [3]. Тем не менее, доподлинно неизвестно, как и непосредственно ли сами клетки Шванна и аксоны нейронов влияют друг на друга, способствуя регенерации (как это происходит в ЦНС) [4, 5]. Эти вопросы поднимаются в новой работе Babetto с соавт. в текущем выпуске «Nature Neuroscience».

После травмы нейроны и глиальные клетки участвуют в сложной программе внутриклеточных событий по контролю аксональной дегенерации, в конечном итоге приводящей к немедленной активации программы регенерации, направленной на предотвращение гибели нейронов [2]. Для функционирования этой программы необходима активация нескольких молекулярных процессов, организованных в сложную сигнальную систему, ключевым среди которых является выделение кальция из внутриклеточного нейронального пространства [7]. В свою очередь, клетки Шванна теряют черты дифференцировки (процесс т. н. дедифференцировки), в них активируется специальная программа аутофагии, и они мигрируют вдоль растущей сосудистой оболочки, образуя полосы Бюнгнера, которые в конечном итоге служат направлением для роста поврежденных аксонов [3]. Если в конце процесса аксоны успешно достигают своей цели, клетки Шванна вновь дифференцируются и ремиелинизируют аксоны. На молекулярном уровне в глиоцитах было выявлено несколько факторов, среди которых транскрипционный фактор c-Jun, играющий ведущую роль на протяжении реализации всей программы глиальной репарации [8].

Помимо выделения кальция, в аксонах активируется локальная трансляция мРНК для регуляции обратной сигнализации (от аксона к телу нейрона) и модуляции ответа на повреждение нейрона. Последний процесс крайне энергоемкий, одну из ролей в его контроле играет комплекс 1 мишени рапамицина в клетках млекопитающих (mTORC1) [9]. Для поддержания процесса восстановления нейроны должны перейти в особый регенерационный режим и активировать серию транскрипционных событий, способствующих экспрессии определенного набора генов [2]. Следует отметить, что эпигенетические модификации также являются крайне важными для описанных изменений и для поддержки функции конусов роста [2].

Все эти процессы требуют большого количества энергии. Фенотип шванновских клеток превращается в регенераторный, в то время как нейроны переходят из катаболического состояния в анаболическое для обеспечения синтеза всех макромолекул, необходимых для развития регенерирующих аксонов [2, 3].

В своем новом исследовании [6] Babetto с соавт. показывают, что вскоре после аксотомии (иссечение аксона целиком или его части — прим. перев.), когда в шванновских клетках активируется программа дедифференцировки для формирования ответной реакции на немедленные изменения, происходящие вслед за повреждением [3], сами шванновские клетки также адаптируют свою метаболическую активность под возросшую потребность в энергии. И действительно, резко повышается активность ферментов гликолиза для синтеза пирувата и лактата, необходимых в качестве энергетической поддержки аксонов для предотвращения их дегенерации (рис. 1).

Используя модель травматического повреждения аксонов in vitro, авторы показали, что простого присутствия клеток Шванна достаточно для замедления аксональной дегенерации, что, в таком случае, ведет к лишь частичной фрагментации аксонов узла заднего корешка (УЗК) спинного мозга. Эксперименты, целью которых было определение механизма, лежащего в основе этого явления, показали, что клетки Шванна подвергаются метаболическому переключению. Оно характеризуется повышением экспрессии всех ферментов гликолиза. Примечательно, что повышение гликолитической активности в глиальных клетках в сочетании с временным повышением экспрессии ключевого ферментного комплекса-активатора гликолиза 6-фосфофрукто2-киназы/фруктоза-2,6-бифосфатазы 3 (PFKFB3) может служить источником энергии для нейронов, находящихся в стадии дегенерации.

Авторы нашли доказательства этой гипотезы in vivo. Им удалось наблюдать повышение поглощения глюкозы и потребления лактата в поврежденных седалищных нервах у мышей спустя почти 48 ч после аксотомии. Это сопровождалось повышенной экспрессией в шванновских клетках фермента GLUT1, ответственного за поглощение глюкозы, и лактатдегидрогеназы А (ЛДГА) — фермента, преобразующего пируват в лактат. Хотя метаболомный анализ выявил снижение промежуточных метаболитов гликолиза в поврежденных нервах (что предполагает быстрое потребление глюкозы), в клетках Шванна обнаружилось повышение экспрессии PDHK1 (киназа пируватдегидрогеназы 1 — фермент из семейства PDHK, фосфорилирующий и инактивирующий пируватдегидрогеназу). Данный факт свидетельствует о том, что в клетках Шванна пируват служит субстратом, служащим для накопления энергии (т. е. не происходит превращения его в ацетил-CoA для дальнейшего участия в аэробном пути окисления).

Чтобы подтвердить свои выводы, авторы провели нокаут экспрессии генов ключевых гликолитических ферментов в шванновских клетках. Вследствие этого у мышей-мутантов с удаленными генами Glut1, Pfkfb3 или LdhА в шванновских клетках (ответственных за миелинизацию аксонов) сразу же после аксотомии наблюдалась выраженная гибель аксонов нейронов. Эти данные являются убедительными доказательствами того, что метаболическое сообщение между клетками Шванна и аксонами служит для снабжения поврежденных нейронов пируватом и лактатом. Эти метаболиты необходимы для восстановления энергетического дефицита и для предотвращения (ограничения) аксональной дегенерации, аналогично роли олигодендроцитов в ЦНС [4, 5].

Интересно, что активация гена ErbB2 в изолированных клетках Шванна ведет к ускоренному накоплению лактата в супернатанте. Это привело авторов к постулату о том, что сигнальный путь «белок нейрегулин 1 — ген ErbB2» может находится вне зоны воздействия этого метаболического переключателя. Однако роль ErbB2 в Валлериановой дегенерации спорна [10, 11]. Таким образом, будущие исследования in vivo необходимы, чтобы выявить молекулярные механизмы, которые запускают описанные события, и определить, что вызывает метаболические сдвиги: дедифференцировка клеток Шванна или же изменения в глиально-аксональном взаимодействии.

Наблюдаемое накопление пирувата и лактата в клетках Шванна ставит вопрос о том, какой может быть судьба этих двух метаболитов. Анализ in vitro выявил сильную индукцию переносчиков монокарбоксилата MCT1 и MCT4 в глиальных клетках вскоре после аксотомии. Данная находка подразумевает, что транспортировка пирувата и лактата к аксонам увеличивается сразу же после травмы. Ключевую роль метаболитов шванновских клеток в поддержании функционирования и в предотвращении дегенерации аксонов удалось подтвердить в экспериментах in vitro. Восстановление поврежденных нейронов УЗК с помощью пирувата (который обладает свойством проникновения сквозь клеточную мембрану) оказалось достаточной мерой для замедления дегенерации аксонов, в то время как добавление специфических ингибиторов MCT уменьшало выживаемость аксонов.

Следующим шагом стала попытка авторов выяснить, какие сигнальные пути могут активировать гипергликолитический фенотип в клетках Шванна. С помощью поиска фосфорилированных молекул после повреждения удалось выявить сигнальные пути AMPK и mTOR. AMPK регулирует экспрессию GLUT1 и PFKFB3, а mTOR контролирует экспрессию нескольких генов, участвующих в метаболизме глюкозы. Эксперименты in vivo подтвердили важную роль пути mTOR в аксональной защите. Действительно, удаление гена mTOR (а не AMPK) в отдельных шванновских клетках снизило выживаемость аксонов после аксотомии и понизило экспрессию GLUT1, PFKFB3 и ЛДГА. Следует отметить, что у этих мышей-мутантов также снизилась экспрессия мишеней ферментов mTOR: индуцируемый гипоксией фактор 1? (Hif1?) и c-Myc12. Интересно, что одной из характеристик раковых клеток, у которых также наблюдаются процессы дедифференцировки, является аномальное повышение поглощения и потребления глюкозы [12], что часто приводит к активации пути mTOR. Таким образом, с точки зрения метаболизма, интригующе звучит то, что процесс дедифференцировки клеток Шванна напоминает аналогичный процесс в опухолевых клетках.

Для определения того, какой компонент сигнального пути mTOR задействован, авторы вывели мышей-мутантов, у которых в шванновских клетках были удалены гены, кодирующие белки Raptor или же Rictor, являющиеся субъединицами mTORC1 и mTORC2, соответственно. Только у мутантов с отсутствующим Raptor наблюдалась сниженная выживаемость аксонов после аксотомии. Кроме того, экспериментально увеличив активность mTORC1 за счет селективного удаления гена TSC2 (кодирует комплекс туберозного склероза 2 или туберин) во взрослых шванновских клетках был замедлен распад миелина и дегенерация аксонов после травмы. Следует отметить, что у мышей-мутантов с крайне сниженной экспрессией TSC1 в зрелых шванновских клетках наблюдаются дефективные процессы ремиелинизации на 12-й день после повреждения нерва [13]. Независимо от того, обусловлены ли эти различающиеся результаты различными экспериментальными моделями, или тем фактом, что TCS1 и TSC2 в поврежденных клетках Шванна имеют различные мишени, или же различными анализируемыми временными точками, необходимы дополнительные исследования. Конечно, основываясь на других исследованиях [6], mTOR позиционируется как центральный узел программ регенерации аксонов и глиоцитов [7, 14].

В своем последнем эксперименте авторы проверили, будут ли работать сделанные ими молекулярно-биологические выводы in vivo (использовалась мышиная модель хронической аксональной дегенерации). В нем выключение TCS2 у зрелых клеток Шванна привело к смягчению неврологического дефицита у мышей.

В совокупности эти выводы свидетельствуют о том, что комплексы mTORC1, Hif1a и c-Myc являются составными элементами молекулярного пути, контролирующего метаболическое переключение, происходящее в клетках Шванна сразу после травмы. Эти выводы также указывают на то, что упреждающую активацию этого сигнального пути можно использовать в качестве потенциального практического приложения для нивелирования неврологического дефицита. Однако несколько вопросов остаются нерешенными. Способны ли шванновские клетки поддерживать метаболизм аксонов и на более поздних стадиях Валлериановой дегенерации? Связаны ли эти изменения с процессом обратной дифференцировки, который в шванновских клетках характеризуется повышенной экспрессией белка c-Jun (продукт гена JUN), как сообщалось ранее [15]? Как клетки Шванна, отличающиеся своей способностью к дедифференцировке, воспринимают происходящую дегенерацию нервной ткани и что лежит в основе их быстрой реакции? Если mTOR действительно является центральным узлом регенерации в ПНС, может ли ограниченная экспрессия этого белкового комплекса в нейронах ЦНС [1] быть достаточным объяснением плохой регенеративной способности ЦНС? Ответив на некоторые или на все эти вопросы, появится возможность узнать больше о механизмах, контролирующих регенерацию нервной ткани, и об удивительном сообщении между аксонами и клетками глии во время регенерации.

Источник: medach.pro

Комментарии: