Сфингоидные основания – потенциальные индукторы апоптоза при боковом амиотрофическом склерозе

Научной группой Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН (Москва), совместно с коллегами химического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (Москва), Института молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН (Москва) и Института физиологически активных веществ РАН (Черноголовка, Московская обл.) впервые показано потенциальное участие сфингоидных оснований в апоптотической гибели клеток нервной системы при боковом амиотрофическом склерозе. Результаты исследований опубликованы в статье У.А. Гутнер и соавт. («Биохимия», том 84, вып. 10, стр. 1437–1449).

Сфингоидные основания – потенциальные индукторы апоптоза при боковом амиотрофическом склерозе

Метаболизм сфингоидных оснований

Боковой амиотрофический склероз (БАС) — неизлечимое нейродегенеративное заболевание, характеризующееся селективной дегенерацией двигательных нейронов спинного мозга и моторной коры и ствола головного мозга. В последнее время интенсивно исследуются механизмы апоптоза (программируемой гибели клеток), который может быть ответственен за дегенерацию двигательных нейронов при этом заболевании.

Как для спорадической, так и наследственной формы БАС характерны различные нарушения липидного метаболизма. Особое место среди липидов занимают сфинголипиды, которые являются наиболее важными источниками вторичных мессенджеров, передающих сигналы клеточной пролиферации, дифференцировки и апоптоза. В основе структуры сфинголипидов присутствует сфингоидное основание — сфингозин. Свободный сфингозин (СФЗ) возникает в результате гидролиза церамида церамидазой и вновь превращаться в церамид с помощью церамидсинтазы. Сфингозин и сфинганин способны индуцировать многие типы апоптоза. В частности, они вызывают деградацию ДНК, проводят токсический сигнал от фактора некроза опухоли-α, индуцируют окислительный стресс, активируют каспазы и многие другие сигнальные молекулы апоптоза. Сфингозин способен фосфорилироваться до сфингозин-1-фосфата (СФЗ-1-Ф) в результате действия двух киназ. Этот метаболит, напротив, обладает антиапоптотическими свойствами и защищает клетки от гибели.

Метаболизм сфингоидных оснований представлен на рисунке. Однако участие сфингоидных оснований в гибели двигательных нейронов при БАС практически не известно.

Целью исследования являлось определение изменений содержания сфингоидных оснований — сфингозина, сфинганина и сфингозин-1-фосфата и экспрессии генов ферментов, участвующих в их метаболизме, в структурах головного мозга (гиппокампе, коре и мозжечке) и в поясничном отделе спинного мозга трансгенных мышей линии FUS(1-359), моделирующих боковой амиотрофический склероз на разных стадиях его развития.

Представленные результаты наших исследований демонстрируют резко выраженную дисрегуляцию в метаболизме сфингоидных оснований, включая сфингозин, сфинганин и сфингозин-1-фосфат, преимущественно в спинном мозге мышей, в то время как содержание этих сфинголипидов оказывается на низком уровне и практически не меняется в структурах головного мозга в процессе развития БАС. Это может определяться поражением именно двигательных нейронов при этом заболевании. При этом резко повышается содержание сфингозина и сфинганина и снижается отношение антиапоптотического агента — СФЗ-1-Ф к проапоптотическим СФЗ и сфинганину, что указывает на резкую интенсификацию гибели клеток в структурах спинного мозга. Такого разрушительного процесса в головном мозге мы не наблюдаем.

Обнаружены также значительные изменения в экспрессии генов ферментов, участвующих в метаболизме сфингозина и сфингозин-1фосфата на терминальной стадии развития БАС в спинном мозге. Повышается уровень мРНК кислой церамидазы Asah1, локализованной в лизосомах, тогда как уровень экспрессии нейтральной церамидазы Asah2, которая находится на поверхности плазматической. мембраны, достоверно снижается в ходе прогрессии FUS-опосредованной протеинопатии. Эти данные демонстрируют повышение уровня сфингозина в лизосомах. Изменение активности лизосомальной церамидазы может указывать на развитие «лизосомального» апоптоза. Отмечен резкий скачок экспрессии СФЗ-1-Ф-лиазы, которая приводит к распаду СФЗ-1-Ф до конечных продуктов — этаноламин-фосфата и гексадеценаля. Параллельно происходит снижение киназной активности на терминальной стадии заболевания, что демонстрирует падение антиапоптотических резервов клеток двигательных нейронов и стремительное развитие апоптоза на терминальной стадии заболевания.

Применение метода масс-спектрометрии позволило изучить различия в уровнях трех самых важных сфингоидных оснований, анализ которых другими методами довольно затруднителен. Мы впервые продемонстрировали возможное участие сфингоидных оснований в гибели клеток спинного мозга при развитии БАС. Кроме того, эти данные получены на модели, которая довольно близко имитирует спорадическую форму БАС у человека. Более глубокое понимание биологических путей, регулирующих метаболизм различных сфинголипидов при развитии БАС, может привести к идентификации мишеней для лекарственных препаратов. В качестве таких мишеней могут выступить ферменты метаболизма сфингоидных оснований, участвующих в патогенезе БАС, например, ингибиторы кислой церамидазы, ответственной за генерацию сфингозина. Особый интерес в качестве потенциального лекарственного средства для лечения БАС представляет препарат Fingolimod — синтетический аналог сфингозина, который в организме фосфорилируется и оказывает влияние, характерное для сфингозин-1-фосфата, антиапоптотического метаболита сфинголипидов. Таким образом, подробное изучение изменений в метаболизме сфингоидных оснований при БАС позволит более подробно понять его патологические аспекты и создать новые лекарственные средства для лечения данной нейродегенеративной патологии.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ:

Текст подготовлен автором: Ульяна Александровна Гутнер

Для связи с авторами: alicealessenko@gmail.com

ДАТА ПУБЛИКАЦИИ ПОСТ-РЕЛИЗА:

18.10.2019