Нейрональные рецепторы в клетках иммунной системы

Рефераты по медицине и здоровью » Нейрональные рецепторы в клетках иммунной системы

Александр Александрович Болдырев доктор биологических наук

Человек давно предполагал наличие взаимодействий между иммунной и нервной системами в организме. Недаром нам всем привычна пословица “В здоровом теле - здоровый дух”. Известны также и примеры обратной связи - еще Гиппократ отметил эту закономерность. В его “Диалогах” ученики спрашивают: “Учитель ты лечил богатых и бедных победителей и побежденных. Какова разница между ними?” И Гиппократ ответил: “Раны победителей заживают быстрее!”

И вот совсем недавно нейрохимики получили доказательства реальной связи между иммунной и нервной системами. В лимфоцитах циркулирующих в кровяном русле обнаружены специфические рецепторы нервных клеток. Изучение свойств этих рецепторов открывает новые возможности взаимодействия двух важнейших систем организма.

Глутаматные рецепторы в нервной системе

Среди различных медиаторов обеспечивающих передачу возбуждения между нейрональными клетками особое место занимает достаточно простая по структуре молекула глутаминовой кислоты глутамат: HOOC–СН2–СН2–СН(NH2)–СООН. Глутаматергические механизмы представлены примерно в 40% нервных клеток а оставшаяся часть выпадает на долю всех остальных медиаторов (серотонина ацетилхолина допамина и др.).

По своему участию в работе нервных клеток глутаматные рецепторы делятся на два больших подтипа. Одни ионотропные соединены с ионными каналами они открывают их после активации соответствующими молекулами (лигандами) так что потоки ионов вызывают электрическую активность нейрона. Другие метаботропные структурно не связаны с ионными каналами они управляют метаболическими процессами в клетке через специальные сигнальные молекулы-информаторы контролируя активность ионотропных рецепторов. Лиганды активирующие нейрональные рецепторы - их первичные информаторы (первичные мессенджеры) а сигнальные молекулы образующиеся при активации метаботропных рецепторов и использующиеся для корректировки сигналов внутри клетки - вторичные мессенджеры.

Наличие разных глутаматных рецепторов в глутаматергических синапсах головного мозга продемонстрировано с помощью фармакологических соединений взаимодействующих с каким-либо одним видом глутаматных рецепторов. Выделяют три группы ионотропных рецепторов названных в соответствии с лигандами обеспечивающими их активацию: NMDA-рецепторы каинатные рецепторы и AMPA-рецепторы.

Метаботропные рецепторы в настоящее время представлены восемью различными белками которые делятся на три группы в зависимости от того какие вторичные мессенджеры они включают в работу. Рецепторы группы I связаны с регуляцией кальций-зависимых реакций а II и III групп - с циклическими нуклеотидами.

Более подробно о функциях вторичных мессенджеров в клетках и внутриклеточных путях регуляции можно прочитать в специальной литературе [1].

Кроме соединений имитирующих действие глутамата на отдельные виды рецепторов агонистов глутамата известны и вещества избирательно выключающие их - антагонисты глутамата. Для простоты изложения не будем приводить полные названия а ограничимся общеупотребимыми сокращениями этих синтетических лигандов которые активно используют в экспериментальной нейрохимии. Однако следует обратить внимание что все разнообразие возможностей современной фармакологии вместилось в одну простую формулу глутамата способного в синаптических структурах мозга активировать различные рецепторы причем в том соотношении которое обеспечивает согласованную работу всей глутаматергической системы.

Молекулярные реакции активируемого нейрона

Нейрон активируется в результате взаимодействия глутамата с ионотропными рецепторами. Возникающая при этом электрическая активность (электрический потенциал) распространяется вдоль по аксонам до нервного окончания и передает информацию о возбуждении на другие нейроны. Одновременно в возбуждаемой нервной клетке происходят важные метаболические изменения. Временная последовательность этих процессов в общих чертах выяснена и представляется следующим образом. При высвобождении глутамата в межсинаптическую щель среди всех рецепторов взаимодействующих с ним наиболее активны каинатные. Они открывают соответствующие ионные каналы через которые ионы натрия устремляются внутрь клетки и формируют возбуждающий потенциал. Аналогичную роль выполняют AMPA-рецепторы.

В покоящемся нейроне NMDA-рецепторы связаны с ионами магния из-за чего их сродство к медиатору снижено. Однако благодаря деполяризации мембраны вызываемой возбуждающим потенциалом комплекс распадается ионы магния отделяются от NMDA-рецепторов и способность последних связывать глутамат повышается. Таким образом на второй стадии возбуждения открываются NMDA-зависимые ионные каналы пропускающие внутрь нейрона натрий и кальций. Это удлиняет возбужденное состояние мембраны и одновременно включает внутриклеточные реакции зависящие от ионов кальция.

Длительность второй волны возбуждения определяется не только активностью NMDA-рецепторов. Появление глутамата в межсинаптической щели стимулирует специальные белки которые обеспечивают захват и обратный транспорт этого медиатора в нервные или глиальные клетки. Точно так же и ионы кальция попавшие внутрь возбужденного нейрона с одной стороны инициируют высвобождение дополнительного количества кальция из внутриклеточных депо а с другой - активируют ионные насосы выбрасывающие кальций из клетки наружу. Следовательно вероятность активации NMDA-рецепторов лежит в том временном интервале когда они еще могут связаться с медиатором (мембрана нейрона деполяризована и магний отделен от ингибирующего центра) а в межсинаптической области еще имеются молекулы глутамата избежавшие обратного захвата. Но и кальций-зависимые реакции в клетке имеют ограниченные временные возможности - пока стационарная (очень низкая) концентрация этого иона не будет восстановлена. Таким образом взаимодействие между каинатными и NMDA-рецепторами определяет длительность волны возбуждения и эффективность перестройки метаболизма нервной клетки под влиянием кальция.

Но даже и эта сложная игра на сродстве разных рецепторов к глутамату и эффективности системы его обратного транспорта не исчерпывает тонкой настройки нервной клетки на передачу и реализацию возбуждения. Она довершается участием метаботропных рецепторов в регуляции активности ионотропных рецепторов и глутаматного транспортера.

На пресинаптической мембране при возбуждении метаботропные рецепторы групп II и III подавляют высвобождение глутамата. Напротив метаботропные рецепторы группы I стимулируют этот процесс. Их действие инициируют арахидоновая кислота (АА) и диацилглицерин (DAG) которые высвобождаются при активации фосфолипазы С (PLC) метаботропными рецепторами группы I на постсинаптической мембране. Второй регулятор диацилглицерин активирует протеинкиназу С которая блокирует калиевые каналы. На этой же постсинаптической мембране метаботропные рецепторы групп II и III блокируют потенциал-зависимые Са-каналы. Таким образом возбуждение клетки вызванное ионотропными рецепторами синаптического контакта контролируется метаботропными рецепторами этих же синаптических мембран (рис.1).

Рис.1. Схема взаимодействия ионотропных и метаботропных рецепторов в функции нейрона.

Глутамат высвобождается из пресинаптического окончания и взаимодействует с ионотропными (иГлуР) и метаботропными (мГлуР) рецепторами (I II и III) в зависимости от того с какими вторичными мессенджерами они связаны - инозитолтрифосфатом (IP3) циклическим АМФ (сАМР) ионами кальция и ферментом аденилатциклазой (АС). Эти мессенджеры активируют различные внутриклеточные киназы (в том числе протеинкиназу С РKС) регулирующие проницаемость ионных каналов постсинаптической мембраны. Избыточная продукция вторичных мессенджеров приводит к нейротоксичности. Метаботропные рецепторы группы I увеличивают высвобождение глутамата а групп II и III - уменьшают его.

Активация протеинкиназы С и подавление K-каналов удерживают деполяризацию мембраны тем самым препятствуя связыванию магния с NMDA-рецепторами и поддерживая их сродство к медиатору. Вероятно именно благодаря этому избыточное возбуждение метаботропных рецепторов вызывает токсический эффект NMDA. Это свойство лежит в основе дисбаланса в функции нервных клеток который проявляется при различных повреждениях мозга - от нейродегенерации до ишемии наступающей при инсульте. Значит нейротоксичность NMDA-рецепторов может приводить к клеточной смерти - либо к некрозу либо к апоптозу.

Для понимания молекулярных механизмов работы системы небезразлично какой путь будет выбран. Важно это знать и медикам разрабатывающим способы защиты нейронов мозга от смерти в неблагоприятных условиях [2]. Современные приборы с помощью специальных красителей позволяют количественно оценить каждый из этих видов клеточной смерти при окислительном повреждении мозга. Очень часто для таких исследований используется проточная цитометрия - метод индивидуальной характеристики клеток [3].

Апоптоз некроз и пролиферация клеток

Благодаря проточной цитометрии исследователи могут легко отличать живые нейроны от тех которые встали на путь клеточной смерти и дифференцировать некротические нейроны от апоптозных на самых ранних стадиях. Апоптоз - генетически запрограммированная смерть осуществляемая с помощью специфических механизмов и ферментов. При апоптозе клетка сморщивается ее структуры разрушаются цистеиновыми-аспарагиновыми протеиназами так называемыми каспазами. Семейство этих ферментов (в него входит около десяти различных протеиназ) составляет каскад взаимоконтролируемых белков перевод которых в активное состояние требует одновременного присутствия ряда клеточных факторов. Такой ступенчатый механизм предохраняет от случайного возникновения апоптоза.

Некроз обусловлен механическим или иным повреждением клеточной мембраны нарушением целостности и управляемости клетки. Клетки не способные выполнять свои функции умирают а их большое количество создает в ткани очаг воспаления.

Несмотря на принципиальные отличия апоптоза и некроза их объединяет полезное свойство - они помогают организму очиститься от ненужных (поврежденных) или вредных (чужеродных) структур. В очаг воспаления устремляются макрофаги и другие клетки “мусорщики” удаляющие некротические части тканей или чужеродные частицы (например попавшие в ткани занозы). С помощью апоптоза организм пытается распознать и ликвидировать клетки-мутанты ставшие опасными для организма (перерождающиеся спонтанно или под влиянием внешних факторов). Так частота появления в организме злокачественных клеток много выше чем вероятность самого заболевания поскольку в большинстве случаев они распознаются и нейтрализуются иммунной системой без вреда для организма.

Апоптоз запрограммирован на постепенное контролируемое устранение клеток а некроз осуществляется быстро хаотически и неуправляемо. При апоптозе фрагменты клеток или даже целые белковые молекулы могут использоваться другими клетками для выполнения тех же самых функций. Например в тимусе где происходит созревание лимфоцитов клетки распадающиеся при апоптозе поставляют свои белки-рецепторы для превращения “юных” лимфоцитов в полноценные иммунные клетки.

Эпителиальные клетки слизистой запрограммированы таким образом что апоптоз индуцируется в них периодически и с большой частотой (они живут лишь 1.5-2 недели). Отторжение апоптозных клеток снижает вероятность проникновения в организм вирусной инфекции. Интересно что в русской армии для предотвращения кишечных эпидемий по указу Петра I в пищу добавляли перец. Сегодня известно что это прекрасное средство для активации апоптоза клеток слизистого эпителия.

Так или иначе выгода распознавания ранних стадий и типа клеточной смерти очевидна. Для каждого из них имеются свои специфические маркеры. Один из фосфолипидов клеточных мембран фосфатидилсерин в нормальных условиях расположенный с внутренней стороны мембранного бислоя при нарушениях цитоскелета сигнализирует о начале апоптоза. Кстати именно так макрофаги распознают и удаляют злокачественные клетки. Белки чувствительные к фосфатидилсерину (аннексины) используют для раннего распознавания апоптозных клеток. А для некротических клеток с поврежденной мембраной имеется другой маркер. Им может быть краситель например иодид пропидия (PI) который связывается с нуклеиновыми кислотами но не проникает через мембрану живых (нативных) клеток.

Экспериментально показано что после длительной (30 мин) индукции окислительного стресса активацией NMDA-рецепторов появляются и некротические и апоптозные клетки причем их долю в популяции легко рассчитать (рис. 2). Таким образом в руках исследователей имеется модель позволяющая оценивать как потенциальную уязвимость нейронов со стороны различных факторов так и возможность защиты клеток от апоптоза или некроза (например с помощью лекарственных препаратов).

Рис.2. Экспериментальные результаты индукции апоптоза и некроза в суспензии нейронов: в контроле (слева) и после 30 мин инкубации в присутствии 0.5 мМ NMDA (справа). Цифрами указаны субпопуляции нейрональных клеток: живые (3) апоптозные (4) подверженные легкому (1) и тяжелому (2) некрозу.

Следить за развитием апоптоза можно также измеряя активность внутриклеточных каспаз которые в клетке взаимно контролируют друг друга (рис. 3). Так при связывании на клеточной мембране внеклеточных сигнальных молекул со специальным рецептором (CD95/Fas) в цитоплазме неактивная прокаспаза 8 превращается в активный фермент который в свою очередь активирует каспазу 3 что открывает клетке путь к апоптозу. Нагружая клетки флуорогенным субстратом каспазы 3 и стимулируя их разными способами можно измерять сигнал от флуоресцентного продукта. Растет продукт - активируется каспаза 3 и интенсивность сигнала будет пропорциональна активации фермента и вероятности развития апоптоза.

Рис.3. Схема активации апоптоза вызванной лигандом взаимодействующим с рецептором CD95/Fas и стимулирующим каспазный цикл.

1 - взаимодействие лиганда с клеточным рецептором;

2 - высвобождение прокаспазы 8 и ее активация (сигнал клеточной смерти);

3 - появление одного из факторов активации апоптоза (активная каспаза 8);

4 5 - образование белков клеточной смерти (Bid Bax) устраняющих защиту митохондриальной мембраны белком Bcl-2 препятствующим утечке цитохрома с;

6 - утечка цитохрома с из митохондрий и образование апоптосом с участием фактора Apaf-1;

7 - образование апоптосом и превращение прокаспазы 9 в активный фермент активирующий каспазу 3 которая инициирует апоптоз.

Однако каспаза 3 участвует не только в реализации апоптоза но и во многих стадиях клеточного цикла и в процессах пролиферации [4]. Особенно важны эти реакции для клеток иммунной системы. Значит в ряде случаев активность каспазы 3 не обязательно означает начало апоптоза а может быть связана с пролиферацией лимфоцитов.

Глутаматные рецепторы иммуннокомпетентных клеток

История открытия и изучения глутаматных рецепторов накопила массу примеров их причастности к работе нервной системы: NMDA-рецепторы ответственны за молекулярные механизмы памяти метаботропные рецепторы вовлечены в процессы нейропластичности [5]. Тем неожиданнее оказались факты указывающие на возможное присутствие глутаматных рецепторов не только в нейрональных клетках [6]. В 1997 г. И.А.Костанян и соавторы обнаружили что глутамат хорошо связывается с мембранами лимфоцитов человека [7]. Вытеснить из этой связи его можно добавляя структурный аналог глутамата - квисквалоновую кислоту. Позже было показано что глутаматные рецепторы имеются в лимфоцитах грызунов и их активация приводит к росту в клетках свободных ионов кальция и активных форм кислорода в результате чего активируется каспаза 3 [8]. Предотвращение роста активного кислорода блокирует этот фермент (рис.4). Все эти факты демонстрировали что работа NMDA-рецепторов в лимфоцитах - не случайный процесс а связана с глутаматной регуляцией иммуннокомпетентной системы клетки.

Рис.4. Экспериментальные кривые активации каспазы 3.

Инкубация лимфоцитов мыши с N-метил-D-аспартатом (NMDA) приводит к увеличению каспазной активности. Антиоксидант N-ацетилцистеин препятствует активации каспазы.

Дальнейшие исследования проводимые в МГУ им.М.В.Ломоносова и в Институте неврологии РАМН показали что кроме NMDA-рецепторов в лимфоцитарной мембране имеются и метаботропные рецепторы группы III. Как и в нейрональных клетках они выступают регуляторами ионотропных рецепторов. В наших экспериментах при активации NMDA-рецепторов в лимфоцитах увеличивалась концентрация ионов кальция и активных форм кислорода и как следствие активировалась каспаза 3. Ни один из этих эффектов не проявлялся если в среду инкубации добавляли активатор метаботропных рецепторов L-AP4. Однако совместное присутствие NMDA и L-AP4 оказывало драматический эффект на жизнеспособность клеточной популяции. Даже после короткой инкубации появлялось большое количество мертвых клеток. Это привело нас к выводу что присутствие ионотропных и метаботропных рецепторов глутамата на мембранах лимфоцитов делает их чувствительными к тем же самым сигнальным молекулам которые управляют активностью нейронов (рис.5).

Рис.5. Регуляция жизни и смерти лимфоцита глутаматными рецепторами.

При взаимодействии глутамата (Глу) с ионотропными рецепторами (иГлуР) ионы кальция входят внутрь клетки активизируют протеинкиназы и каспазу 3 которая стимулирует пролиферацию. Взаимодействие глутамата с метаботропными рецепторами (мГлуР) через G-белки стимулирует активность иГлуР что приводит к дополнительной активации протеинкиназ и усиленному росту активных форм кислорода (АФК). В этом случае возможна индукция клеточной смерти как по пути апоптоза так и по пути некроза. NMDA и L-AP4 имитируют раздельный эффект глутамата на иГлуР и мГлуР соответственно.

* * *

Насколько важен факт распространения глутаматных механизмов регуляции на иммунную систему? Фактически открытие на клетках иммунной системы глутаматных рецепторов ответственных за молекулярную память позволяет предполагать общность формирования поведенческих адаптационных и других реакций в клетках нервной и иммунной систем. Другими словами и те и другие клетки открыты одним и тем же видам сигнальных молекул и информация обусловленная их появлением доступна как нервной так и иммунной системе. Значит эти системы могут “общаться” используя язык одних и тех же химических символов [9]. Наличие глутаматных рецепторов в клетках иммунной системы вскрывает структурную основу этих взаимодействий и позволяет считать глутамат не только нейро- но и иммунномедиатором.

Список литературы

1. Введение в молекулярную медицину / Ред. М.А.Пальцев. М. 2004.

2. Болдырев А.А. // Биохимия. 2000. Т.65. С.981-990.

3. Болдырев А.А. Юнева М.О. // Соросовский образовательный ж-л. 2004. Т.8 (№2). С.7-14.

4. Caspases: their role in cell death and cell survival / Eds M.Los H.Waczak. 2002.

5. Carpenter D. NMDA receptors and the molecular mechanisms of excitotoxicity in Oxidative Stress at Molecular Cellular and Organ Levels / Еds P.Johnson

Страницы: 1 2