Физиологические эффекты сиалидаз в формировании пластичности нервной ткани

ОБЗОРЫ

1414 ----------

Резюме

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 (ЫеиЗ), 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.

Ключевые слова

сиалидаза; ганглиозиды; нервная система; пластичность

© 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 систем, благодаря которой обеспечивается физиологическая реакция адаптации организма к среде. Пластичность подразумевает изменение структурно-функциональной организации клеток (клеточных популяций) организма в ответ на воздействие внешних и/или внутренних факторов. Способность различных отделов центральной нервной системы к реорганизации была бы невозможна без феномена нейропластичности, которая представляет способность нейронов изменять свои функции, химические характеристики и/или структуру (морфологию) [19].

Ганглиозиды являются важным структурным элементом клеток центральной 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 функцией рецепторов для определенных полипептидных гормонов, например, тиротропина, а также для ряда токсинов. Так, GD1b и GT1b являются рецепторами для C. tetani, GM2 — для C. perfringens Д, а GM1 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 кислоты, 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]. Содержание ганглиозидов в плазматической мембране находится под контролем сиалилтрансфераз и сиалидаз, которые, соответственно, отвечают за синтез и деградацию этих гликосфинголипидов.

У млекопитающих существует 4 типа сиалидаз, отличающихся между собой по клеточной компартментализации и специфичности к субстрату [16, 22, 27]. Исследования последних лет показывают, что именно сиалидаза, ассоциированная с плазматической мембраной клетки (оригинальное международное название Neu3), имеет важное физиологическое 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, глубоком ядре мозжечка, в клетках гранулярного слоя и клетках Пуркинье, а также в гиппокампе. Дальнейшие эксперименты с трансфекцией клеточных линий нейронального происхождения сиалидазой Neu3 проде-

монстрировали индукцию дифференцировки в исследуемых клеточных линиях [10]. При этом дифферен-цировка клеток сопровождалась морфологическими изменениями, что регистрировалось как в более выраженном образовании аксонов, так и в их регенерации, что было убедительно показано на клеточной культуре клеток, полученных из гиппокампа крыс [21]. Предполагается, что данный физиологический эффект сиалидазы Neu3 сопровождается изменением в плазматической мембране содержания высших ганглио-зидов и накоплением содержания ганглиозидов с одной молекулой сиаловой кислоты [13].

В сформировавшейся нервной системе нейрональные клетки находятся под жестким контролем микроокружения. Следует отметить, что в центральной и периферической нервной системе баланс факторов, ингибирующих или стимулирующих образование аксонов, различается. Особенно наглядно это проявляется при повреждении нейронов. К комплексу факторов, ингибирующих образование аксонов (ингибиторы регенерации аксонов — axon regeneration inhibitors) и накапливающихся в месте повреждения аксона, относятся миелин-ассоциированный гликопротеин, хон-дроитин сульфат протеогликаны и т.д. Считается, что такие ганглиозиды как GD1a и GT1b являются рецепторами для МАГ, а их гидролиз в результате действия сиалидазы устраняет ингибирующий эффект МАГ на образование аксонов [24]. Очевидно, что как рост аксонов, так и миграция нейрональных клеток развивающейся нервной ткани непосредственно взаимосвязаны с экстраклеточным матриксом.

Как известно, молекулы ламинина, являющиеся молекулами экстраклеточного матрикса и продуцирующимися астроцитами, могут комбинироваться между собой в двух вариантах, один из которых способствует образованию аксонов, а второй — пролиферации предшественников клеток коры головного мозга. В связи с этим, интересна сравнительная характеристика ламинина, который продуцировался астроцитами, в одном случае выделенными из коры эмбрионального мозга, а во втором — из коры новорожденных крысят. В то время как астроциты эмбрионального мозга продуцировали «гладкий» лами-нин, еще одной отличительной характеристикой которого являлась его ассоциация с поверхностью ас-троцитов, то астроциты, выделенные из мозга новорожденных крысят продуцировали разветвленный по своей структуре ламинин, который секретировал-ся во внеклеточную среду. Исследование нейрональной клеточной линии Е16 показало, что образование аксонов было более выражено при совместном культивировании на астроцитах, выделенных из эмбрионального 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 поверхности плазматической мембраны (молекулы сиаловых кислот ориентированы только на поверхность плазматической мембраны), приводила к деполимеризации ламинина [4].

Контакт нейрональной клетки с факторами внешней среды осуществляется через плазматическую мембрану и сиалидаза Neu3, локализованная в мембране, является непосредственным участником событий, происходящих при аксоногенезе. Образование аксонов требует глубокой перестройки молекулярных ансамблей нейрона, называемой поляризацией нейронов и сопровождающейся ассимет-ричным перераспределением в плазматической мембране сиалидазы Neu3. Аккумуляция сиалидазы Neu3 на конце аксона, который не приступил к росту, сопровождается дестабилизацией актиновых фи-ламентов, что индуцирует аксоногенез. Интересно отметить, что аксоногенез сопровождается образованием только одного аксона. Ингибирование сиа-лидазы Neu3 блокирует рост аксона. Аксоногенез регулируется сиалидазой Neu3 таким образом, что она локально усиливает активность тирозинкиназы А, которая, в свою очередь, ингибирует RhoA-сигнальный каскад через активацию фосфатидилинозитол--3-киназы (PI3K). Данный процесс сопровождается деполимеризацией актина только в одном отростке--предшественнике аксона. Считается, что пространственное ограничение дестабилизации актиновых филаментов в неполяризованном нейроне, в котором принимает участие сиалидаза Neu3, чрезвычайно важно для избирательного аксоногенеза [3].

Показано, что сиалидаза Neu3 неслучайно распределяется в плазматической мембране клеток млекопитающих, а локализована в определенных участках, представляющих инвагинации мембраны размером в 50—100 нм, обогащенных гликосфинголипидами и кавеолином и устойчивых к обработке неионным детергентом Х-100 [28]. Такие участки плазматической мембраны еще называют микродоменами. Микродомены чрезвычайно насыщены различными киназами и играют важную роль в физиологии клетки [9, 14, 23]. При этом, сиалидаза Neu3, изменяя качественный и количественный состав ганглиозидов в микродоменах, модулирует активность киназ, и, следовательно, реакцию клетки на определенные сигналы [18]. В мышиной нейробластоме Neuro2a ингибирование действия сиалидазы Neu3 привело к тому, что, хотя по сравнению с контрольной клеточной линией

содержание ганглиозидов осталось неизменным, их качественный состав менялся. В то время как содержание GM3 не изменялось, концентрация двух исследованных моносиалоганглиозидов (GM1 и GM2) и ди-сиалоганглиозида GD1a снижалась на 66, 54 и 50 % соответственно [25]. Предполагается, что сиаладаза, локализованная в плазматической мембране, способна прямо активировать рецептор к тирозинкиназе А, отщепляя остаток сиаловой кислоты [29]. Однако, чтобы подтвердить данную активность, потребуются дальнейшие исследования.

Является доказанным фактом активность сиалидазы, локализованной в плазматической мембране, в результате которой происходят отщепления молекул сиаловой кислоты от ганглиозидов. Ранее физиологическое 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 GD1a и GD1b на дофаминэргические клетки. Однако, если культура подвергалась обработке сиалидазой, то нейротокси-ческое действие исследуемых дисиалоганглиозидов полностью устранялось. Интересно отметить, что отлично от GD1a и GD1b дисиалоганглиозид GD3 (в аналогичных концентрациях) не проявлял нейроток-сического эффекта на дофаминэргические. Таким образом, можно говорить о выраженном патофизиологическом действии некоторых ганглиозидов на нейрональные клетки и защитном физиологическом механизме нейрональных клеток от воздействия данных ганглиозидов посредством активации сиалидазы [1].

Вместе с тем в присутствии ряда катехоламинов дисиалоганглиозид GD3, который является субстратом для сиалидазы Neu4L, может провоцировать апоптоз и, как следствие, нейродегенерацию. Показано, что снижение экспрессии сиалидазы Neu4L, активность которой ассоциирована с митохондриальной мембраной, приводит к высвобождению цитохрома С в цитозоль и, напротив, поступлению GD3 в митохондрии, что указывает на регулирующую активность сиалидаз через гидролиз соответствующих ганглиозидов на процесс апоптоза нейрональных клеток [11].

Регуляция состава гликосфинголипидов в плазматической мембране может иметь эффект и на возбудимость 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 повреждены аксоны, вследствие пережатия, изменяется метаболизм, что сопровождается повышением количества молекул сиаловой кислоты на клеточной мембране. Считается, что повышение отрицательного заряда плазматической мембраны (за счет молекул сиаловой кислоты) приводит к гипервозбудимости нейрона. При этом данные внутриклеточного электрофизиологического исследования зарегистрировали достоверное изменение потенциала покоя и порога возбуждения нейрона по сравнению с контрольной культурой [20]. Дальнейшие исследования показали, что субпороговые осцилляции потенциала мембраны, возникающие в нейроне с пережатым аксоном, действительно связаны с повышением количества 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 характеризуются повышенной экспрессией всех форм сиалидаз. Показано, что хроническое (в течение 8 недель) потребление алкоголя крысами линии Вистар приводило к повышению в клетках печени активности сиалидазы в цитозоле (cytosolic sialidase -CS) и повышению активности сиалидазы, ассоциированной с плазматической мембраной (Neu3), однако ингибировало активность лизосомальной сиалидазы (lysosomal membrane sialidase — LMS). Было зарегистрировано, что в зависимости от процентности потребляемого этанола (10,6 , 20,8 или 36 %) количество информационной РНК (иРНК) для сиалидазы 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 хронического потребления алкоголя происходило угнетение в клетках печени крыс активности лизосомаль-ной сиалидазы (LMS), что было подтверждено измерением количества иРНК. Так, при потреблении крысами этанола с процентностью 10,6 количество иРНК снижалось на 35 %, если процент этанола составлял 20,8, то количество иРНК снижалось на 50 %, а при концентрации потребляемого этанола 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 изменением ганглиозидов, играют важную роль в клеточной физиологии и процессе образования пластичности нервной ткани. Вместе с тем значение

сиалидаз в механизме формирования долговременной памяти и патофизиологии стресса еще предстоит 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 microdomains 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 neuroblastoma 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.

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

электронная копия статьи — http://www.elibrary.ru, © Архив