Регенерацию нейронов можно улучшить за счет снижения активности киназ

При большинстве нейродегенеративных заболеваний повреждается не только тело нейронов, но и аксоны, необходимые для передачи нервных импульсов. Механизмы, которые защищают нейроны от разрушения, одновременно ингибируют восстановление аксонов. Это большая проблема в разработке терапии заболеваний, связанных с потерей нейронов — от болезни Альцгеймера до глаукомы. Однако с помощью высокопроизводительного скрининга удалось найти киназы, ингибирование которых приводит и к сохранению нейрона, и к восстановлению аксонов. Хотя механизм этого эффекта до конца не понятен, обнаруженные киназы в будущем могут стать потенциальной мишенью для терапии нейродегенеративных заболеваний.

Развитие нервной системы и ее работа — постоянный баланс между клеточной смертью и выживанием, восстановлением и дегенерацией клеток и связей между ними. Нервная система состоит из множества взаимодействующих между собой нейронов. Соединения между ними, а также взаимодействие нейронов с рецепторами, мышцами и другими тканями и органами устанавливается не только во время эмбрионального развития, но и после рождения. Этот процесс включает в себя возникновение нейронов и их миграцию, появление синапсов, а также и постоянную работу над ошибками. Нейроны, которые неправильно взаимодействуют с соседними клетками или не смогли установить взаимодействие вовсе, и избыточные нейроны, которые были произведены нейрональными клетками-предшественниками «про запас», подлежат уничтожению путем апоптоза. Кроме того, существуют механизмы, которые редактируют только взаимодействие отростков нервных клеток (аксонов и дендритов), и не влияют на жизнеспособность клетки. Нарушение этого процесса может приводить к дефектам развития и нейродегенеративным заболеваниям — болезням Альцгеймера и Паркинсона, а также другим заболеваниям, связанным с потерей нейронов. Развитие и функционирование нервной системы регулируется в организме разными способами, один из которых — сигнальные каскады протеинкиназ.

Протеинкиназы — ферменты, которые присоединяют фосфатную группу к другим белкам (то есть фосфорилируют их). Фосфорилирование влияет на белки, например, активируя их способность к ферментативным реакциям или побуждая формировать белковые комплексы. Протеинкиназы нередко объединены в сигнальные каскады, состоящие из последовательных модулей. На вершине таких каскадов находятся протеинкиназы, реагирующие на внешние сигналы, в роли которых может выступать повреждение клетки, воздействие каких-либо веществ или избыток/недостаток питательных веществ. В ответ на сигнал протеинкиназа фосфорилируется, после чего она сама может фосфорилировать и активировать следующую киназу или киназы в каскаде. Классическим примером таких каскадов являются сигнальные пути митоген-активированных протеинкиназ (MAPK), которые, как правило, состоят из трех модулей (рис. 2).

Рис. 2. В ответ на воздействие факторов внешней среды или на сигналы, связанные с развитием организма, происходит фосфорилирование (обозначено буквами P в фиолетовых кружочках) киназы киназы MAP-протеинкиназ (MAPKKK). Активированные MAPKKK фосфорилируют киназы MAP-протеинкиназы (MAPKK), которые в свою очередь фосфорилируют MAP-протеинкиназы (MAPK). MAPK фосфорилируют различные белковые субстраты, которые включают в себя белки цитоплазмы, белки цитоскелета или факторы транскрипции. Фосфорилирование этих белков приводит к различным событиям в клетке: изменениям в метаболизме, ремоделированию цитоскелета, экспрессии генов и т. д. Рисунок из статьи P. Jagodzik et al., 2018. Mitogen-Activated Protein Kinase Cascades in Plant Hormone Signaling

Киназа киназы MAP-протеинкиназы DLK (Dual leucine zipper kinase — киназа с двойной лейциновой застежкой) — одна из ключевых протеинкиназ в нейронах млекопитающих. Она фосфорилирует протеинкиназы JNK (c-Jun N-terminal kinases), которые в свою очередь фосфорилируют огромное количество белков, связанных с транскрипцией генов, различными сигнальными путями, движением клеток, а также апоптозом. Таким образом, DLK участвует в огромном количестве процессов — порой противоположных друг другу. При развитии нервной системы DLK одновременно контролирует как образование аксонов и миграцию нейронов (за счет фосфорилирования белков, связанных с цитоскелетом), так и апоптоз лишних или нефункциональных нейронов (за счет активации соответствующих белков JNK-киназами). Кроме того, DLK участвует в дегенерации аксонов, но этот процесс не зависит от активности JNK-киназ. Во взрослом организме DLK запускает гибель нейронов в ответ на повреждение при ишемии, травме, отравлении нейротоксинами или нейродегенеративных заболеваниях (K. A. Fernandes et al., 2014. DLK-dependent signaling is important for somal but not axonal degeneration of retinal ganglion cells following axonal injury).

Повреждение аксонов сопутствует большому количеству патологических состояний, а также нормальному старению. Известно, что протеинкиназа DLK участвует в передаче сигнала от поврежденного участка аксона в тело нейрона, приводя к его апоптозу. Такой эффект хорошо изучен на примере ганглионарных клеток сетчатки глаза (см. картинку дня Конусы роста аксонов). Аксоны этих нейронов, объединяясь в зрительный нерв, передают зрительный импульс в мозг. При повреждении зрительного нерва сигнал о повреждении передается в тело нейронов на достаточно большое расстояние (длина зрительного нерва составляет примерно 30 мм).

Одной из стратегий по спасению ганглионарных клеток может быть подавление активности DLK. Действительно, при повреждении зрительного нерва не экспрессирующие DLK ганглионарные клетки выживают гораздо лучше (T. A. Watkins et al., 2013. DLK initiates a transcriptional program that couples apoptotic and regenerative responses to axonal injury). Но так как DLK также участвует в образовании аксонов, их регенерация невозможна, а восстановление функции нейронов становится все более маловероятным. Поэтому требуется поиск альтернативных методов, которые могли бы одновременно и сохранить поврежденный нейрон и обеспечить регенерацию аксонов.

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего, которые ранее обнаружили роль DLK в регенерации аксонов (T. A. Watkins et al., 2013. DLK initiates a transcriptional program that couples apoptotic and regenerative responses to axonal injury), провели поиск новых киназ, которые важны как для сохранения нейрона при повреждении, так и для восстановления аксонов. Для поиска исследователи провели высокопроизводительный скрининг (high-throughput screening) 366 веществ, способных ингибировать 224 известные киназы. Некоторые из этих веществ подавляют активность не одной, а нескольких киназ, поэтому авторы провели скрининг двумя способами. Сначала они искали вещества, которые помогают выживать ганглионарным клеткам после повреждения. Так как каждую клетку нельзя повредить механически, к клеткам добавляли колхицин — вещество, мешающее работе микротрубочек цитоскелета, в том числе в аксонах. Такое химическое повреждение запускает те же механизмы, что и механическое. Во втором скрининге искали вещества, которые увеличивали рост отростков нейронов (аксонов и дендритов). В обоих случаях каждую из 366 молекул добавляли к культурам ганглионарных клеток, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека, и наблюдали за исходом с помощью микроскопа.

Альтернативой такому подходу мог бы быть скрининг, в котором последовательно «выключали» гены с помощью малых интерферирующих РНК (siRNA, small interfering RNA). Но использование молекул решает две задачи. Во-первых, ингибиторы часто влияют на несколько киназ сразу, позволяя очертить круг из нескольких кандидатов, некоторые из которых могут оказаться неизвестными. Во-вторых, если вещество успешно снижает активность киназы, то оно сразу же становится кандидатом в лекарственные препараты или хотя бы в основу для нового лекарственного препарата. А это сохраняет огромное количество времени в последующих исследованиях.

По результатам скрининга вещества разделили на три группы: первая — неактивные вещества, вторая — вещества, увеличивающие выживаемость нейронов и (или) рост отростков нейронов, третья — вещества, уменьшающие эти параметры. При анализе полученных результатов удалось найти уже известные киназы. Ингибирование rho-зависимых киназ (Rho-associated protein kinase) ранее было связано с регенерацией аксонов ганглионарных клеток, а ингибирование циклинзависимых киназ — с их выживаемостью. Среди киназ, которые обеспечивали и то, и другое, выделялись три киназы, которые входят в подсемейство GCK-IV-киназ — MINK1, MAP4K4 и TNIK (рис. 3). Интересно, что эти киназы участвуют в активации DLK в нейронах в ответ на стресс (M. Larhammar et al., 2017. The Ste20 Family Kinases MAP4K4, MINK1, and TNIK Converge to Regulate Stress-Induced JNK Signaling in Neurons).

Рис. 3. Диаграмма Венна основных киназ, обнаруженных при анализе скринингов выживаемости (Survival) и длины отростков нейронов (Neurite length) с помощью алгоритма машинного обучения idTRAX. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

Роль киназ-кандидатов, безусловно, проверили с помощью альтернативных методов. Снижение их активности ранее известными ингибиторами приводило к увеличению выживаемости ганглионарных клеток и росту аксонов в клеточных культурах. Авторы также смогли изучить последствия того, что будет, если нарушить работу этих киназ в ганглионарных клетках, полученных из сетчатки мышей: снижение активности одновременно трех киназ увеличивало их выживаемость в культуре. Кроме того, нарушение работы киназ защищало нейроны от различных видов повреждений (окислительного стресса, повреждений микротрубочек, повреждения ДНК). После таких результатов настало время исследовать, как протеинкиназы GCK-IV действуют в живом организме.

Исследователям достаточно было изучить, как «выключение» активности киназ влияет на ганглионарные клетки. Поэтому они воспользовались аденоассоциированными вирусами, несущими направляющую РНК (guide RNA) против трех киназ, которые вводили напрямую в глаза трансгенных мышей, экспрессирующих нуклеазу Cas9, или контрольных мышей. Через 14 дней удалось достичь «выключения» целевых генов.

Далее у мышей разрушали зрительный нерв (подробности этой методики описаны в статье Z. Tang et al., 2011. An Optic Nerve Crush Injury Murine Model to Study Retinal Ganglion Cell Survival). Эта процедура имитирует то, что происходит в сетчатке пациентов с глаукомой или травмой зрительного нерва: после нарушения целостности аксонов сигнал о повреждении передается в тело ганглионарных клеток, и они отмирают путем апоптоза. Мышам с модифицированными нейронами и контрольным мышам проводили эту процедуру (или имитировали ее), а затем изучали, как выживают ганглионарные клетки. Гипотеза подтвердилась: через две и через десять недель после операции у мышей с нефункциональными протеинкиназами GCK-IV в сетчатке оставалось больше ганглионарных клеток, чем у контрольных животных. Такой же эффект наблюдался при «выключении» уже известной киназы DLK.

А что с аксонами? Авторы повторили описанную выше процедуру, включив в эксперимент вирусы с направляющей РНК против киназы DLK. Через две недели у мышей разрушали зрительный нерв, а через три недели изучали вновь образованные аксоны. У контрольных мышей наблюдали новые, но редкие отростки ганглионарных клеток. У мышей с неактивной киназой DLK, как и предполагалось, аксоны не восстанавливались. В случае неактивных GCK-IV-киназ новые аксоны появлялись, но в недостаточном количестве. Тогда авторы пошли еще на одну уловку — «выключение» гена PTEN. Этот способ помогает восстановить синтез белка в поврежденных нейронах (K. K. Park et al., 2008. Promoting Axon Regeneration in the Adult CNS by Modulation of the PTEN/mTOR Pathway) — еще одна проблема, которую нужно преодолеть для регенерации аксонов. Снижение уровня PTEN в ганглионарных клетках без DLK не приводит к восстановлению аксонов, зато в клетках, где отсутствовали GCK-IV-киназы, аксоны восстанавливались значительно лучше.

Рис. 4. Подавление активности GCK-IV-киназ увеличивает регенерацию аксонов после разрушения зрительного нерва (пунктирные линии). Красным цветом обозначены аксоны клеток. A — зрительный нерв контрольных мышей, B — зрительный нерв мышей, не экспрессирующий DLK, C — зрительный нерв мышей, не экспрессирующий GCK-IV-киназы, D — зрительный нерв мышей с подавленной экспрессией PTEN, E — не экспрессирующий DLK зрительный нерв мышей с подавленной экспрессией PTEN, F — не экспрессирующий GCK-IV-киназы зрительный нерв мышей с подавленной экспрессией PTEN. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

Пока авторы не могут объяснить, за счет чего ингибиторы GCK-IV-киназ одновременно увеличивают выживаемость самих нейронов и их аксонов. Одна из вероятных гипотез состоит в том, что GCK-IV-киназы участвуют в активации DLK. При их «выключении» DLK активируется, но не настолько, чтобы запустить клеточную смерть. В пользу этой гипотезы свидетельствует лишь частичная регенерация аксонов после повреждения зрительного нерва. Вторая гипотеза предполагает, что GCK-IV-киназы участвуют в ответе на повреждение аксонов независимо от DLK. Например, киназа MAP4K4 активируется в ответ на повреждение кардиомиоцитов при окислительном стрессе. «Выключение» этой киназы увеличивает выживаемость и улучшает функцию клеток в этих условиях (L. R. Fiedler et al., 2019. MAP4K4 Inhibition Promotes Survival of Human Stem Cell-Derived Cardiomyocytes and Reduces Infarct Size In Vivo). При этом в кардиомиоцитах DLK отсутствует.

Тем не менее, наличие еще одной мишени для разработки препаратов, помогающих восстановить утраченные или поврежденные нейроны, не может не радовать. Дальнейшее изучение того, как работают GCK-IV-киназы в нейронах при различных условиях, поможет в этом процессе.

Источник: Amit K. Patel, Risa M. Broyer, Cassidy D. Lee, Tianlun Lu, Mikaela J. Louie, Anna La Torre, Hassan Al-Ali, Mai T. Vu, Katherine L. Mitchell, Karl J. Wahlin, Cynthia A. Berlinicke, Vinod Jaskula-Ranga, Yang Hu, Xin Duan, Santiago Vilar, John L. Bixby, Robert N. Weinreb, Vance P. Lemmon, Donald J. Zack, and Derek S. Welsbie. Inhibition of GCK-IV kinases dissociates cell death and axon regeneration in CNS neurons // PNAS. 2020. DOI: 10.1073/pnas.2004683117.

Екатерина Грачева