Физиологические эффекты сиалидаз в формировании пластичности нервной ткани

Психофармакология и биологическая наркология / ТОМ 7 / ВЫПУСК 1 / 2007 ISSN 1606–8181 1414 Ключевые слова Резюме © С.Н. ПРОШИН; 2007 Всероссийский центр экстренной и радиационной медицины им. А.М. Никифорова МЧС России; акад. Лебедева ул., 4/2, Санкт�Петербург, 194044, Россия ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ СИАЛИДАЗ В ФОРМИРОВАНИИ ПЛАСТИЧНОСТИ НЕРВНОЙ ТКАНИ Пластичность является важной характеристикой всех живых сис� тем, благодаря которой обеспечивается физиологическая реакция адап� тации организма к среде. Пластичность подразумевает изменение струк� турно�функциональной организации клеток (клеточных популяций) организма в ответ на воздействие внешних и/или внутренних факто� ров. Способность различных отделов центральной нервной системы к реорганизации была бы невозможна без феномена нейропластичнос� ти, которая представляет способность нейронов изменять свои функ� ции, химические характеристики и/или структуру (морфологию) [19]. Ганглиозиды являются важным структурным элементом клеток цен� тральной нервной системы и представляют собой гликосфинголипи� ды, содержащие остатки сиаловых кислот и локализованные, главным образом, в плазматической мембране. Однако значение ганглиозидов в физиологии клетки было обозначено, прежде всего, в связи с их функ� цией рецепторов для определенных полипептидных гормонов, напри� мер, тиротропина, а также для ряда токсинов. Так, GD 1b и GT 1b являют� ся рецепторами для C. tetani, GM 2 — для C. perfringens Д, а GM 1 имеет выраженное сродство к холерному токсину [2, 12, 26]. Ганглиозиды формируются на основе N�ацил�сфингозина (церамид) через образование цереброзида, и главное их отличие от цереброзидов заключается в наличии в своей структуре N�ацетил�нейраминовой кис� лоты, т.е. сиаловой кислоты. В зависимости от количества молекул си� аловой кислоты в структуре ганглиозидов данные гликосфинголипиды подразделяются на моносиало�, дисиалоганглиозиды и т.д. [6, 7]. Со� держание ганглиозидов в плазматической мембране находится под кон� тролем сиалилтрансфераз и сиалидаз, которые, соответственно, отве� чают за синтез и деградацию этих гликосфинголипидов. У млекопитающих существует 4 типа сиалидаз, отличающихся между собой по клеточной компартментализации и специфичности к субстра� ту [16, 22, 27]. Исследования последних лет показывают, что именно сиалидаза, ассоциированная с плазматической мембраной клетки (ори� гинальное международное название Neu3), имеет важное физиологи� ческое значение для клеток нервной системы человека [17]. Ранее было показано, что матричная РНК (мРНК) для сиалидазы Neu3 у мышей выявляется в корковом веществе головного мозга, глубо� ком ядре мозжечка, в клетках гранулярного слоя и клетках Пуркинье, а также в гиппокампе. Дальнейшие эксперименты с трансфекцией кле� точных линий нейронального происхождения сиалидазой Neu3 проде� ОБЗОРЫ Миниобзор посвящен роли сиалидаз в формировании пластичности нервной ткани. Среди нескольких типов сиалидаз млекопитающих подчеркивается значение для клеток нейронального происхождения сиалидазы, локализованной в плазматической мембране (Neu3), участвующей в гидролизе молекул сиаловой кислоты, которой особенно насыщены ганглиозиды. Рассматриваются физиологические и патофизиологические механизмы сиалидазной активности для клетки в связи с модификацией ганглиозидов с разным количеством остатков сиаловой кислоты. Представлены новые литературные данные об активности и роли различных типов сиалидаз при алкоголизме. Библиогр. 29 назв. Прошин С.Н. Физиологические эффекты сиалидаз в формировании пластичности нервной ткани // Психофармакол. биол. наркол. — 2007. — Т. 7, № 1. — С. 1414–1418. сиалидаза; ганглиозиды; нервная система; пластичность Психофармакология и биологическая наркология / ТОМ 7 / ВЫПУСК 1 / 2007 ISSN 1606–8181 ОБЗОРЫ 1415 монстрировали индукцию дифференцировки в иссле� дуемых клеточных линиях [10]. При этом дифферен� цировка клеток сопровождалась морфологическими изменениями, что регистрировалось как в более вы� раженном образовании аксонов, так и в их регенера� ции, что было убедительно показано на клеточной куль� туре клеток, полученных из гиппокампа крыс [21]. Предполагается, что данный физиологический эффект сиалидазы Neu3 сопровождается изменением в плаз� матической мембране содержания высших ганглио� зидов и накоплением содержания ганглиозидов с од� ной молекулой сиаловой кислоты [13]. В сформировавшейся нервной системе нейрональ� ные клетки находятся под жестким контролем микро� окружения. Следует отметить, что в центральной и периферической нервной системе баланс факторов, ингибирующих или стимулирующих образование ак� сонов, различается. Особенно наглядно это проявля� ется при повреждении нейронов. К комплексу факто� ров, ингибирующих образование аксонов (ингибиторы регенерации аксонов — axon regeneration inhibitors) и накапливающихся в месте повреждения аксона, от� носятся миелин�ассоциированный гликопротеин, хон� дроитин сульфат протеогликаны и т.д. Считается, что такие ганглиозиды как GD 1a и GT 1b являются рецеп� торами для МАГ, а их гидролиз в результате действия сиалидазы устраняет ингибирующий эффект МАГ на образование аксонов [24]. Очевидно, что как рост ак� сонов, так и миграция нейрональных клеток развива� ющейся нервной ткани непосредственно взаимосвя� заны с экстраклеточным матриксом. Как известно, молекулы ламинина, являющиеся молекулами экстраклеточного матрикса и продуци� рующимися астроцитами, могут комбинироваться между собой в двух вариантах, один из которых спо� собствует образованию аксонов, а второй — проли� ферации предшественников клеток коры головного мозга. В связи с этим, интересна сравнительная ха� рактеристика ламинина, который продуцировался астроцитами, в одном случае выделенными из коры эмбрионального мозга, а во втором — из коры ново� рожденных крысят. В то время как астроциты эмб� рионального мозга продуцировали «гладкий» лами� нин, еще одной отличительной характеристикой которого являлась его ассоциация с поверхностью ас� троцитов, то астроциты, выделенные из мозга ново� рожденных крысят продуцировали разветвленный по своей структуре ламинин, который секретировал� ся во внеклеточную среду. Исследование нейрональ� ной клеточной линии Е16 показало, что образование аксонов было более выражено при совместном куль� тивировании на астроцитах, выделенных из эмбри� онального мозга крысят. Различался и электроста� тический потенциал астроцитов эмбрионального и новорожденного мозга: в первом случае он составил pI –2,8, во втором — pI –3,8. Обработка клеток ферментом (нейраминидазой), удаляющим молекулы сиаловых кислот с поверхнос� ти плазматической мембраны (молекулы сиаловых кислот ориентированы только на поверхность плаз� матической мембраны), приводила к деполимериза� ции ламинина [4]. Контакт нейрональной клетки с факторами внеш� ней среды осуществляется через плазматическую мембрану и сиалидаза Neu3, локализованная в мем� бране, является непосредственным участником со� бытий, происходящих при аксоногенезе. Образова� ние аксонов требует глубокой перестройки молекулярных ансамблей нейрона, называемой по� ляризацией нейронов и сопровождающейся ассимет� ричным перераспределением в плазматической мем� бране сиалидазы Neu3. Аккумуляция сиалидазы Neu3 на конце аксона, который не приступил к рос� ту, сопровождается дестабилизацией актиновых фи� ламентов, что индуцирует аксоногенез. Интересно отметить, что аксоногенез сопровождается образо� ванием только одного аксона. Ингибирование сиа� лидазы Neu3 блокирует рост аксона. Аксоногенез ре� гулируется сиалидазой Neu3 таким образом, что она локально усиливает активность тирозинкиназы А, которая, в свою очередь, ингибирует RhoA�сигналь� ный каскад через активацию фосфатидилинозитол�� 3�киназы (PI3K). Данный процесс сопровождается деполимеризацией актина только в одном отростке�� предшественнике аксона. Считается, что простран� ственное ограничение дестабилизации актиновых филаментов в неполяризованном нейроне, в котором принимает участие сиалидаза Neu3, чрезвычайно важно для избирательного аксоногенеза [3]. Показано, что сиалидаза Neu3 неслучайно распре� деляется в плазматической мембране клеток млеко� питающих, а локализована в определенных участках, представляющих инвагинации мембраны размером в 50–100 нм, обогащенных гликосфинголипидами и кавеолином и устойчивых к обработке неионным де� тергентом Х�100 [28]. Такие участки плазматической мембраны еще называют микродоменами. Микродо� мены чрезвычайно насыщены различными киназами и играют важную роль в физиологии клетки [9, 14, 23]. При этом, сиалидаза Neu3, изменяя качествен� ный и количественный состав ганглиозидов в микро� доменах, модулирует активность киназ, и, следова� тельно, реакцию клетки на определенные сигналы [18]. В мышиной нейробластоме Neuro2a ингибиро� вание действия сиалидазы Neu3 привело к тому, что, хотя по сравнению с контрольной клеточной линией Психофармакология и биологическая наркология / ТОМ 7 / ВЫПУСК 1 / 2007 ISSN 1606–8181 ОБЗОРЫ 1416 содержание ганглиозидов осталось неизменным, их качественный состав менялся. В то время как содер� жание GM 3 не изменялось, концентрация двух иссле� дованных моносиалоганглиозидов (GM 1 и GM 2 ) и ди� сиалоганглиозида GD 1a снижалась на 66, 54 и 50 % соответственно [25]. Предполагается, что сиаладаза, локализованная в плазматической мембране, способ� на прямо активировать рецептор к тирозинкиназе А, отщепляя остаток сиаловой кислоты [29]. Однако, что� бы подтвердить данную активность, потребуются даль� нейшие исследования. Является доказанным фактом активность сиали� дазы, локализованной в плазматической мембране, в результате которой происходят отщепления моле� кул сиаловой кислоты от ганглиозидов. Ранее физи� ологическое действие ганглиозидов на нейрональные клетки рассматривалось главным образом в связи с повышением их жизнеспособности [8]. В настоящее время активно исследуется патофизиологическое действие ганглиозидов на нейрональные клетки. При иммуноцитохимическом исследовании нейронов в культуре мезенцэфалона выявлено нейротоксичес� кое действие дисиалоганглиозидов GD 1a и GD 1b на дофаминэргические клетки. Однако, если культура подвергалась обработке сиалидазой, то нейротокси� ческое действие исследуемых дисиалоганглиозидов полностью устранялось. Интересно отметить, что отлично от GD 1a и GD 1b дисиалоганглиозид GD 3 (в аналогичных концентрациях) не проявлял нейроток� сического эффекта на дофаминэргические. Таким об� разом, можно говорить о выраженном патофизиоло� гическом действии некоторых ганглиозидов на нейрональные клетки и защитном физиологическом механизме нейрональных клеток от воздействия дан� ных ганглиозидов посредством активации сиалида� зы [1]. Вместе с тем в присутствии ряда катехоламинов дисиалоганглиозид GD 3 , который является субстра� том для сиалидазы Neu4L, может провоцировать апоптоз и, как следствие, нейродегенерацию. Пока� зано, что снижение экспрессии сиалидазы Neu4L, активность которой ассоциирована с митохондриаль� ной мембраной, приводит к высвобождению цитох� рома С в цитозоль и, напротив, поступлению GD 3 в митохондрии, что указывает на регулирующую ак� тивность сиалидаз через гидролиз соответствующих ганглиозидов на процесс апоптоза нейрональных клеток [11]. Регуляция состава гликосфинголипидов в плаз� матической мембране может иметь эффект и на воз� будимость нейрона, так как ганглиозиды насыщены молекулами сиаловой кислоты, а сиаловые кислоты, как известно, несут отрицательный заряд. Как изве� стно, в нейронах спинных ганглиев, у которых по� вреждены аксоны, вследствие пережатия, изменя� ется метаболизм, что сопровождается повышением количества молекул сиаловой кислоты на клеточной мембране. Считается, что повышение отрицатель� ного заряда плазматической мембраны (за счет мо� лекул сиаловой кислоты) приводит к гипервозбуди� мости нейрона. При этом данные внутриклеточного электрофизиологического исследования зарегистри� ровали достоверное изменение потенциала покоя и порога возбуждения нейрона по сравнению с конт� рольной культурой [20]. Дальнейшие исследования показали, что субпороговые осцилляции потенциа� ла мембраны, возникающие в нейроне с пережатым аксоном, действительно связаны с повышением ко� личества молекул сиаловых кислот в мембране, так как обработка нейрона нейраминидазой (сиалида� зой) приводила к нормализации электрофизиологи� ческих характеристик [15]. В отличие от других органов мозг и печень харак� теризуются повышенной экспрессией всех форм си� алидаз. Показано, что хроническое (в течение 8 не� дель) потребление алкоголя крысами линии Вистар приводило к повышению в клетках печени активнос� ти сиалидазы в цитозоле (cytosolic sialidase �CS) и повышению активности сиалидазы, ассоциирован� ной с плазматической мембраной (Neu3), однако ин� гибировало активность лизосомальной сиалидазы (lysosomal membrane sialidase — LMS). Было за� регистрировано, что в зависимости от процентности потребляемого этанола (10,6 , 20,8 или 36 %) коли� чество информационной РНК (иРНК) для сиалида� зы в цитозоле (CS) повышалось на 20, 34 и 69 % соответственно, а для сиалидазы, ассоциированной с плазматической мембраной (Neu3), на 22 , 26 и 47 %. Вместе с тем, при аналогичных условиях хро� нического потребления алкоголя происходило угне� тение в клетках печени крыс активности лизосомаль� ной сиалидазы (LMS), что было подтверждено измерением количества иРНК. Так, при потребле� нии крысами этанола с процентностью 10,6 количе� ство иРНК снижалось на 35 %, если процент этано� ла составлял 20,8, то количество иРНК снижалось на 50 %, а при концентрации потребляемого этано� ла в 36 % количество иРНК снижалось на 80 %. Полученные данные представляют несомненный интерес в связи с тем, что у алкоголиков количество сиалоконъюгатов значительно снижено [5]. Таким образом, сиалидазы, активность которых особенно выражена в ЦНС и тесно связана с изме� нением ганглиозидов, играют важную роль в кле� точной физиологии и процессе образования плас� тичности нервной ткани. Вместе с тем значение Психофармакология и биологическая наркология / ТОМ 7 / ВЫПУСК 1 / 2007 ISSN 1606–8181 ОБЗОРЫ 1417 сиалидаз в механизме формирования долговремен� ной памяти и патофизиологии стресса еще пред� стоит выяснить. ЛИТЕРАТУРА 1. Chung E.S., Jin B.K. Disialogangliosides induce neurodegeneration in rat mesencephalic cultures // Biochem. Biophys. Res. Commun. — 2006. — Vol. 346, N 2. — P. 572–577. 2. Cuatrecasas P. Interaction of Vibrio cholerae enterotoxin with cell membrane // Biochemistry. — 1973. — Vol. 12, N 18. — P. 3547–3558. 3. Da Silva J.S., Hasegawa T., Miyagi T. et al. Asymmetric membrane ganglioside sialidase activity specifies axonal fate // Nat. Neurosci. — 2005. — Vol. 8, N 5. — P. 606–615. 4. Freire E., Gomes F.C., Jotha�Mattos T. et al. Sialic acid residuse on astrocytes regulate neuritogenesis by controlling the assembly of laminin matrices // J. Cell. Sci. — 2004. — Vol. 117, N 18. — P. 4067–4076. 5. Garige M., Azuine M.A., Lakshman M.R. Chronic ethanol consumption upregulates the cytosolic and plasma membrane sialidase genes, but down regulates lysosomal membrane sialidase gene in rat liver // Metabolism. — 2006. — Vol. 55, N 6. — P. 803–810. 6. Hakomori S. Glycosphingolipids // Sci. Amer. — 1986 — Vol. 245, N 5. — P. 44–53. 7. Hakomori S., Igarashi Y. Functional role of glycosphingolipids in cell recognition and signaling // J. Biochem. — 1995. — Vol. 118. — P. 1091–1103. 8. Hakomori S., Handa R., Iwabuchi K. et al. New insights in glycosphingolipid function: «glycosignalling domain», a cell surface assembly of glycosphingolipids with signal transducer molecules, involved in cell adhesion coupled with signaling // Glycobiology. — 1998. — Vol. 8, N 10. — P. 11–19. 9. Harder T., Simons K. Caveolae, DIGs, and the dynamics of sphingolipid�cholesterol microdomains // Curr. Opin. Cell Biol. — 1997 — Vol. 9, N 4. — P. 534–542. 10. Hasegawa T., Yamaguchi W., Wada T. et al. Molecular cloning of mouse ganglioside sialidase and its increased expression in Neuro2a cell differentiation // J. Biol. Chem. — 2000. — Vol. 275. — P. 8007–8015. 11. Hasegawa T., Sugeno N., Takeda A. et al. Role of Neu4L sialidase and its substrate ganglioside GD3 in neuronal apoptosis induced by catechol metabolites // FEBS Lett. — 2007. — Vol. 581, N 3. — P. 406–412. 12. Jolivet�Reynaud C., Alouf J.E., Binding of Clostridium perfringens 125I�labeled delta�toxin to erythrocytes // J. Biol. Chem. — 1983. — Vol. 258, N 3. — P. 1871–1877. 13. Kato K., Shiga K., Yamaguchi K. et al. Plasma� membrane�associated sialidase (NEU3) differentially regulates integrin�mediated cell proliferation through laminin� and fibronectin�derived signaling // Biochem. J. — 2006 — Vol. 394, N 3. — P. 647–656. 14. Kurzchalia T.V., Parton R.G. Membrane micro� domains and caveolae // Curr. Opin. Cell Biol. — 1999. — Vol. 11. — P. 424–431. 15. Li C.X., Jing Y.L., Xie Y.K. Glycosylation�induced depolarization facilitates subthreshold membrane oscillation in injured primery sensory neurons // Brain Res. — 2007. — Vol. 1139. — P. 201–209. 16. Miyagi T., Wada T., Iwamatsu A. et al. Molecular cloning and characterization of a plasma�membrane� associated sialidase specific for gangliosides // J. Biol. Chem. — 1999 — Vol. 274. — P. 5004–5011. 17. Monti E., Bassi M.T., Papini N. et al. Identification and expression of NEU3, a novel human sialidase associated to the plasma membrane // Biochem. J. — 2000 — Vol. 349. — P. 343–351. 18. Odintsova E., Butters T.D., Monti E. et al. Gangliosides play an important role in the organization of CD82�enriched microdomains // Biochem. J. — 2006. — Vol. 400, N 2. — P. 315–325. 19. Olie J�P., Macher J�P., Costa e Silva J.A. (Eds.) Neuroplasticity: a new approach to the pathophysiology of depression. — London: Science Press Ltd., 2004. 20. Peng X.Q., Zhang X.L., Fang Y. et al. Sialic acid contributes to hyperexcitability of dorsal root ganglion neurons in rats with peripheral nerve injury // Brain Res. — 2004. — Vol. 1026, N 2. — P. 185–193. 21. Rodriguez J.A., Piddini E., Hasegawa T. et al. Plasma membrane ganglioside sialidase regulates axonal growth and regeneration in hippocampal neurons in culture // J. Neurosci. — 2001. — Vol. 21. — P. 8387–8395. 22. Yamaguchi K., Hata K., Koseki K. et al. Evidence for mitochondrial localization of a novel human sialidase (NEU4) // Biochem. J. — 2005. — Vol. 390, N 1. — P. 85–93. 23. Yamaguchi K., Hata K., Wada T. et al. Epidermal growth factor�induced mobilization of a ganglioside� specific sialidase (NEU3) to membrane ruffles // Biochem. Biophys. Res. Commun. — 2006. — Vol. 346, N 2. — P. 484–490. 24. Yang L.J.S., Lorenzini I., VajnK. et al. Sialidase enhances spinal axon outgrowth in vivo // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 2006. — Vol. 103, N 29. — P. 11057–11062. 25. Valaperta R., Valsecchi M., Rocchetta F. et al. Induction of axonal differentiation by silencing plasma membrane�associated sialidase Neu3 in neuro� blastoma cells // J. Neurochem. — 2007. — Vol. 100, N 3. — P. 708–719. 26. Gascoyne N., Van Heyningen W.E. // Infect. Immun. — 1974. — Vol. 12, N 3. — P. 466–469. 27. Wada T., Yoshikawa Y., Tokuyama S. et al. Cloning, expression, and chromosomal mapping of a human ganglioside sialidase // Biochem. Biophys. Res. Commun. — 1999. — Vol. 261. — P. 21–27. 28. Wang Y., Yamaguchi K., Wada T. et al. A close association of the ganglioside�specific sialidase Neu3 with caveolin in membrane microdomains // J. Biol. Chem. — 2002. — Vol. 277, N 29. — P. 26252–26259. Психофармакология и биологическая наркология / ТОМ 7 / ВЫПУСК 1 / 2007 ISSN 1606–8181 ОБЗОРЫ 1418 электронная копия статьи — http://www.elibrary.ru, © Архив (стоимость коммерческого доступа в режиме full text — 55 руб./год) 29. Woronovicz A., Amith S.R., De Vusser K. et al. Dependence of neurotrophic factor activation of Trk tyrosine kinase receptors on cellular siali� dase // Glycobiology. — 2007. — Vol. 17, N 1. — P. 10–24. Proshin S.N. The physiological effects of mammalian sialidase on plasticity of neuronal cells // Psychopharmacol. Biol. Narcol. — 2007 — Vol. 7, N 1. — P. 1414–1418. The Nikiforov Russian Center of Emergency and Radiation Medicine, Emercom of Russia; 4/2 acad. Lebedeva str., Saint�Petersburg, 194044, Russia. Summary: Mini review is aimed to elucidate the significance of mammalian sialidases for plasticity of neuronal cells. Among several types of mammalian sialidases the effects of the human plasma�membrane sialidase (Neu3) has been reviewed more deeply. The activity of human plasma�membrane sialidase is preferentially focused on hydrolyzing gangliosides, sialic acid�containing glycosphingolipids, which are present in surface membranes of cells. The physiological and pathophysiological effects of sialidases have been discussed in relation with shifting from higher to lower ganglioside species. Up�dated results about key role of various types of sialidases in alcohol dependence have also been reviewed. Key words: sialidase; gangliosides; nerve system; plasticity /ColorImageDict > /JPEG2000ColorACSImageDict > /JPEG2000ColorImageDict > /AntiAliasGrayImages false /DownsampleGrayImages true /GrayImageDownsampleType /Bicubic /GrayImageResolution 300 /GrayImageDepth -1 /GrayImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeGrayImages true /GrayImageFilter /DCTEncode /AutoFilterGrayImages true /GrayImageAutoFilterStrategy /JPEG /GrayACSImageDict > /GrayImageDict > /JPEG2000GrayACSImageDict > /JPEG2000GrayImageDict > /AntiAliasMonoImages false /DownsampleMonoImages true /MonoImageDownsampleType /Bicubic /MonoImageResolution 1200 /MonoImageDepth -1 /MonoImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeMonoImages true /MonoImageFilter /CCITTFaxEncode /MonoImageDict > /AllowPSXObjects false /PDFX1aCheck false /PDFX3Check false /PDFXCompliantPDFOnly false /PDFXNoTrimBoxError true /PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXSetBleedBoxToMediaBox true /PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXOutputIntentProfile () /PDFXOutputCondition () /PDFXRegistryName (http://www.color.org) /PDFXTrapped /Unknown /Description > >> setdistillerparams > setpagedevice