Нейротрофические факторы (BDNF, GDNF) и серотонинергическая система мозга
Опубликована Ноя. 16, 2016
Последнее обновление статьи Сен. 27, 2022
Нейротрофические факторы играют ключевую роль в развитии, дифференцировке, синаптогенезе, выживании нейронов головного мозга и в процессах их адаптации к внешним воздействиям. Серотонинергическая (5-НТ) система является другим основным фактором развития и нейропластичности мозга. В обзоре приведены результаты собственных исследований и данные литературы о взаимодействии нейротрофического фактора мозга (BDNF) и глиального нейротрофического фактора (GDNF) с 5-HT-системой мозга. Особое внимание уделено сопоставлению BDNF с GDNF, который относится к другому семейству нейротрофических факторов и считается преимущественно регулятором дофаминергической системы. Приведенные в обзоре данные свидетельствуют о том, что: 1) BDNF и GDNF взаимодействуют с 5-НТ-системой мозга механизмами обратных связей, осуществляющих ауторегуляцию сложного комплекса 5-НТ–нейротрофические факторы; 2) GDNF, как и BDNF, стимулирует рост 5-НТ нейронов и влияет на экспрессию ключевых генов 5-НТ-системы мозга — триптофангидроксилазы-2, 5-НТ1А– и 5-НТ2А-рецепторов. В свою очередь, 5-НТ влияет на экспрессию в структурах мозга генов, контролирующих BDNF и GDNF; 3) различие между BDNF и GDNF проявляется в разном уровне и в относительном распределении экспрессии этих факторов в структурах мозга (экспрессия BDNF наиболее высока в гиппокампе и коре мозга, экспрессия GDNF — в стриатуме), в разной реакции 5-НТ2A-рецепторов на введение BDNF и GDNF, в различном влиянии на некоторые формы поведения.
Ключевые слова
Серотонинергическая система, нейротрофические факторы, нейротрофический фактор мозга BDNF, взаимодействие между 5-НТ-системой и нейротрофическими факторами., глиальный нейротрофический фактор GDNF
Принятые сокращения: ДА — дофамин; 5-НТ — серотонин или 5-гидрокситриптамин (5-hydroxytriptamine); 5-НТ-система — серотонинергическая система мозга; BDNF — нейротрофический фактор мозга (Brain-Derived Neurotrophic Factor); GDNF — глиальный нейротрофический фактор (Glial cell line-Derived Neurotrophic Factor); GFRal—4 — гликозилфосфатидилинозитол-(ОРІ)-сцеп- ленные белки клеточной поверхности, экстраклеточные рецепторы; SERT — серотониновый транспортер; TGFß — трансформирующий ростовой фактор ß (transforming growth factor ß); TrkB — тропомиозиновый тирозинкиназный В рецептор (tropomyosin-related kinase В receptor); UTR — нетранслируемая область (untranslated region).
Нейротрофические факторы — большая группа полипептидов (до 200 а.о.), организованных в одно- и двухцепочечные формы, — играют ключевую роль в развитии и сохранении структур как центральной, так и периферической нервной системы. Они принимают участие в регуляции роста, развития, дифференцировки и выживания клеточных популяций, процессах их адаптации к внешним воздействиям [1–4].
В настоящее время известно не менее восьми семейств нейротрофических факторов, хотя у разных авторов встречаются некоторые расхождения в их классификации [5, 6].
Первый нейротрофический фактор, фактор роста нервов (NGF), был открыт в начале 50-х годов [7] и через 30 лет был обнаружен нейротрофический фактор мозга (Brain-Derived Neurotrophic Factor, BDNF) [8]. Открытие BDNF вызвало обостренный интерес и привлекло внимание ко всем нейротрофическим факторам. Как вскоре выяснилось, BDNF обладает замечательным свойством стимулировать рост нейронов, аксонов и дендритов, формирование синапсов и другие процессы нейропластичности не только в раннем онтогенезе, но и в мозге взрослого организма [9, 10], что раньше считалось невозможным. В настоящее время BDNF — один из наиболее изученных нейротрофических факторов центральной нервной системы.
Нейротрофические факторы разных семейств обладают общими свойствами, но особое внимание привлекают те из них, которые влияют на функционирование нейромедиаторных систем мозга. Так BDNF тесно связан с серотонинергической (5-ПТ) системой мозга, а глиальный нейротрофический фактор (Glial cell line-Derived Neurotrophic Factor, GDNF) оказывает выраженное защитное действие на нигро- стриарную и мезолимбическую дофаминовую (ДА) систему мозга и считается дофаминергическим [11].
Между тем остается открытым вопрос, на котором сконцентрировано внимание в нашем обзоре — насколько медиатор-специфичны свойства нейротрофических факторов разных семейств? Вопрос адресован в первую очередь к 5-ПТ-системе, являющейся эволюционно древнейшей и наиболее экспансивной нейромедиаторной системой мозга. Огромным числом исследований установлено участие 5-НТ в регуляции разнообразных форм поведения — сна и бодрствования, агрессивного поведения, сексуальной мотивации [12] и нейроэндокринной регуляции, в т.ч. регуляции гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы [13] — основной системы реакции на стресс. 5-НТ вовлечен в механизм действия всех применяемых в настоящее время групп антидепрессантов (ингибиторов обратного захвата 5-НТ, трициклических антидепрессантов, ингибиторов моноаминоксидаз), а с недостаточностью функциональной активности 5-НТ-системы связывают возникновение депрессии и суицидов [14, 15].
5-НТ и BDNF считаются главными «игроками» в механизмах нейрогенеза и нейропластичности [4]. Гораздо меньше данных о взаимоотношениях 5-НТ и GDNF. Эти два нейротрофических фактора принадлежат к разным семействам: BDNF — к семейству нейротрофинов, GDNF — к семейству трансформирующих ростовых факторов ß (TGFß). В данном обзоре мы попытались проанализировать и сопоставить данные об особенностях этих нейротрофических факторов и их взаимодействии с 5-НТ-системой мозга.
BDNF наиболее широко (по сравнению с другими нейротрофическими факторами) представлен в мозге. Это относится и к многообразию структур мозга, и к уровню экспрессии BDNF. По нашим данным [16, 17], экспрессия BDNF в структурах мозга крыс на порядок выше уровня экспрессии GDNF. По современным представлениям, ген BDNF человека локализуется в р 14-регионе 11 хромосомы (у крыс и мышей — в хромосомах 3q33 и 2qE3 соответственно) и содержит 12 экзонов, 9 из которых имеют специфические промоторы (I—VIII 5'-экзоны сплай- сирующиеся с общим 3'-экзоном IX). Такая структура гена наблюдается как у человека [18], так и у грызунов [19], однако число экзонов несколько варьирует (у мышей их 9, а у крыс 10). Как транскрипты мРНК, так и белок BDNF широко представлены в неокортексе, гиппокампе, миндалине и мозжечке [20].
BDNF отличается структурной и функциональной сложностью, которая обусловлена 1) наличием нескольких промоторов в кодирующем гене; 2) экспрессией множества транскриптов, подверженных альтернативному сплайсингу или имеющих различные паттерны полиаденилирования; 3) несколькими изоформами предшественника, но только одной формой зрелой молекулы; 4) существованием двух различных рецепторов (TrkB и р75), активация которых вызывает противоположные эффекты. Все эти особенности определяют сложность селективного молекулярного механизма, регулирующего продукцию и функциональную активность BDNF [21].
Сложная транскрипционная регуляция BDNF вовлекает и эпигенетические факторы. Промоторы I, II и IV гена BDNF человека и I, II, IV—VI и IX гена Bdnf грызунов насыщены CpG- островками (богатые CG участки ДНК), что делает их мишенями для процессов метилирова- ния/деметилирования [21]. Имеются многочисленные доказательства участия метилирования гена Bdnf в регуляции нормальной активности нейронов и в патологических процессах [22]. Значительный вклад в эпигенетический контроль экспрессии BDNF вносит также деацетилирование гистонов. Чаще всего модификации подвергаются гистоны НЗ и Н4 в промоторах I и IV, что может иметь критическое значение для реализации нейропластических процессов, действия антидепрессантов и стабилизаторов настроения [22]. Недавно стало известно, что экспрессию гена Bdnf могут регулировать и ан- ти-BDNF транскрипты (микроРНК) [21].
Транскрипция BDNF в нейронах позитивно регулируется с помощью деполяризации мембраны, индуцируемой сенсорными стимулами, а также активацией NMDA-рецепторов глутамата. Наличие множества промоторов и альтернативного сплайсинга приводит к появлению, по меньшей мере, 17 транскриптов (у человека) с
различными 5'- и З'-нетранслируемыми областями (untranslated region, UTR). Тем не менее все они имеют общую кодирующую область, включающую экзон IX, содержащий полную последовательность молекулы его предшественника — proBDNF. Кроме того, этот экзон содержит два сайта полиаденилирования, производящих транскрипты с длинной, либо короткой З'-UTR [18]. Это имеет важное функциональное значение, поскольку мРНК с длинной З'-UTR локализована преимущественно в шипиках дендритов [23] и транслируется в ответ на активацию нейронов. Напротив, мРНК с коротким З'-UTR активно транслируется в телах нейронов для поддержания базального уровня белка BDNF [24].
BDNF производится «по требованию» в ответ на нейрональную активность из белка-предшественника pre-proBDNF, который разрезается до proBDNF в аппарате Гольджи [20]. В мозге proBDNF ожидает три возможных исхода: 1) секретироваться и функционировать в виде proBDNF; 2) подвергнуться редактированию в комплексе Гольджи и секретироваться в качестве зрелой молекулы BDNF; 3) секретироваться в виде proBDNF и «дозреть» до BDNF в синаптическом пространстве [25].
Эффекты зрелого BDNF реализуются путем активации двух типов рецепторов — тропомиозинового тирозинкиназного В рецептора (tropomyosin-related kinase В receptor, TrkB) и неспецифичного р75-рецептора. Однако экспрессия TrkB-рецептора значительно выше, отношение TrkB/p75 в большинстве структур мозга достигает 8—10 [26]. Это определяет превалирующую роль TrkB-рецептора, инициирующего каскады фосфорилирования, что, в свою очередь, приводит к синтезу белка, росту аксонов, созреванию дендритов, увеличивая синаптическую пластичность [20]. В отличие от BDNF, proBDNF связывается с общим для нейротрофинов р75-рецептором и ингибирует рост нейритов, сокращает размеры нейронов и запускает процессы апоптоза [27—29].
Вызывает интерес соотношение зрелой формы BDNF и его предшественника BDNF/proBDNF. Противоположные функции BDNF и его предшественника proBDNF дают основание считать соотношение BDNF/proBDNF (или используемое некоторыми исследователями proBDNF/BDNF, что при значительном преобладании в мозге BDNF представляется менее удобным) важнейшим ауторегуляторным механизмом синаптической пластичности, а его снижение, вызванное увеличением предшественника или понижением уровня BDNF, — одним из патогенетических факторов нейро- и психопатологий. Детальная информация о функциях BDNF и proBDNF и анализ их роли в механизмах синаптической пластичности представлены в обзоре Бородиновой и Саложина [29]. Однако использование отношения как информативно важного показателя нейропластичности мозга осложняется тем, что изменения экспрессии как BDNF, так и proBDNF структуроспецифичны и в разных структурах мозга могут меняться противоположным образом. Так, нами были обнаружены выраженные различия в экспрессии BDNF, proBDNF и отношения BDNF/proBDNF между генетически предрасположенными к высокому уровню агрессивности и «ручными» крысами. Однако при этом во фронтальной коре агрессивных крыс уровень proBDNF снижен по сравнению с «ручными» крысами, а в гиппокампе — повышен. Соответственно, отношение BDNF/ proBDNF во фронтальной коре высоко агрессивных крыс повышено, в гиппокампе — снижено [16].
Экспрессия BDNF чувствительна к таким воздействиям как стресс, травма, гипогликемия, ишемия и повреждения мозга. Экспрессия BDNF модулируется большим числом фармакологических агентов, мишенями которых являются самые разные нейротрансмиттерные системы [30]. Полагают, что нарушения в генетическом и эпигенетическом контроле метаболизма, транспорта или передачи сигнала BDNF способствуют развитию ряда неврологических и психических расстройств, включая болезнь Альцгеймера [31—33], Хантингтона [34—36], Паркинсона [37], невропатическую боль [38, 39], шизофрению [40, 41], тяжелые депрессивные расстройства [42, 43], аддикцию [44, 45].
BDNF и 5-НТ-система мозга. Тесная связь двух основных факторов развития и нейропластичности мозга — BDNF и 5-ПТ — показана многочисленными исследованиями и не вызывает сомнения. Отчетливое влияние BDNF на 5-НТ-систему выявлено в опытах, как на клеточных культурах, так и in vivo. На культуре клеток ядер шва 14-дневного эмбриона крысы было установлено, что 18-часового воздействия BDNF оказалось достаточно, чтобы почти вдвое увеличить число 5-ПТ-нейронов и рост аксонов [46]. Этот поразительный эффект сочетался с увеличением уровня мРНК генов, кодирующих 5-НТ - транспортер (SERT), 5-НТ1А- и 5-НТ^-рецепторы, и осуществлялся через TrkB-рецепторы BDNF, поскольку предотвращался блокатором тирозинкиназы — генистеином.
Влияние BDNF на 5-НТ-систему мозга подтверждено и в опытах in vivo. Хроническое введение BDNF локально в область основного скопления клеточных тел 5 - НТ-нейронов — дорзальных ядер шва — изменяло их электрофи-энологическую активность [47]. BDNF, введенный в средний мозг или интравентрикулярно, повысил во всех пяти изученных структурах мозга уровень 5-НТ и его основного метаболита — 5-гидроксииндолуксусной кислоты [48]. Этими же авторами было отмечено и повышение уровня ДА, но оно было более локальным и ограничивалось стриатумом. BDNF оказывал защитное действие при повреждении 5 - ПТ-нейронов нейротоксином, главным образом увеличивая число 5-ПТ-аксопов [49]. Значительное, длительно сохраняющееся повышение экспрессии ключевого гена синтеза 5-ПТ в мозге — трипто- фангидроксилазы-2 (ТПГ-2), а также генов 5-НТ1А- иб-НТ^-рецепторов было отмечено и после однократного центрального введения BDNF [50]. Эти изменения были обнаружены у мышей предрасположенной к депрессивноподобному поведению линии ASC (Antidepressants Sensitive Cataleptics), но не у родственной «недепрессивной» линии СВА, и они свидетельствуют о значительной роли генотипа в эффектах BDNF.
Обращает внимание характерное для BDNF (как и для GDNF) необычно продолжительное действие препаратов. В цитированных выше работах определение экспрессии генов 5-ПТ-системы было проведено через 21 день после однократного введения BDNF в латеральный желудочек мозга. Ранее нами было установлено сохранение положительного действия BDNF (восстановление резко сниженного у мышей DBA/2 престимульного ингибирования) через 1,5 мес. после его однократного центрального введения [51]. Эта уникальная особенность действия нейротрофических факторов поддерживает представление о вызываемых ими морфологических изменениях в синаптических связях и нейрогенезе.
Доказательства влияния BDNF на 5-ПТ-систему мозга получены и на животных с генетическим нокаутом BDNF. Поскольку как мыши, так и крысы с полным нокаутом гена BDNF“/_ нежизнеспособны, опыты проводили на гетерозиготах BDNFь/_. Существенных изменений в уровне 5-ПТ в структурах мозга молодых мышей отмечено не было, но вдвое сниженная экспрессия BDNF приводила к значительным нарушениям в 5-ПТ-системе мозга, которые проявлялись в понижении чувствительности к ингибитору обратного захвата 5-НТ, раннем угасании ее функциональной активности и усилении агрессивности. Было сделано заключение, что эндогенный BDNF критически важен для нормального развития и функционирования 5-НТ-сис- темы мозга [52]. Это представление было подтверждено и другими исследователями. Пониженный у мышей BDNF^~ уровень BDNF приводит к снижению функциональной активности SERT и 5 - ПТ ^-рецепторов в гиппокампе, а также выраженному дефициту 5-НТ2А-рецепторов в префронтальной коре и дорзальных ядрах шва среднего мозга [4].
Особую роль в механизме действия BDNF на 5-ПТ-систему мозга, по-видимому, играют 5-ПТ^- рецепторы. Этот тип 5-НТ-рецепторов вовлечен в механизм действия галлюциногенов и антипсихотиков. Семидневное воздействие BDNF на клеточную культуру гиппокампа понизило уровень 5-НТ2Д-, но не 5-ПТ ^-рецепторов. В то же время у гетерозиготных мышей BDNF^ уровень 5-НТ2А-рецепторов повышен [53].
Конд иционный нокаут BDNF с использованием системы сге-ІохР рекомбинации (BDNF2L/2LCbCre) позволил «выключить» ген Bdnf уже после рождения, ингибируя экспрессию BDNF в течение двух недель постнатального развития, и таким образом продемонстрировал, что дефицит BDNF в постнатальном периоде также приводит к усилению агрессивности [54] и нарушению экспрессии, плотности 5-НТ2А-рецепторов и связанной с ними нейротрансмиссии [55, 56].
В свою очередь, многочисленные данные показывают, что не только BDNF действует на 5-НТ-систему мозга, но и 5-НТ действует на BDNF. Основными подходами, использованными для выявления влияния 5-НТ на BDNF, были: 1) фармакологический анализ с применением селективных агонистов и антагонистов 5-НТ- рецепторов или самого 5-НТ; 2) генетические модели с измененными характеристиками 5-НТ- системы мозга нокауты, у которых полностью или частично выключен один из ключевых элементов 5-НТ-системы (чаще всего SERT).
Прежде всего, оказалось, что 5-НТ увеличивает экспрессию гена и уровень белка BDNF в культуре эмбриональных клеток ядер шва [57]. Фармакологический анализ с использованием агонистов и антагонистов 5-НТ2А- и 5-НТ2С-ре- цепторов показал модулирующее участие 5-ПТ^- рецепторов в регуляции экспрессии гена Bdnf. Обращает внимание, что агонист 5-ПТ^- рецепторов по-разному влиял на мРНК BDNF в различных структурах мозга: в гиппокампе уровень мРНК данного гена снизился, в неокортек- се — повышался.
Участие 5-НТ в регуляции BDNF было также показано на мышах и крысах с нокаутом гена, кодирующего SERT Оказалось, что отсутствие SERT у нокаутных животных повлияло не только на уровень и метаболизм в мозге 5-НТ, но и на BDNF. Экспрессия BDNF в гиппокампе и префронтальной коре крыс SERT_/_ понижена. Мутантные крысы SERT_/_ уже в раннем онтогенезе отличались от контрольных животных пониженной экспрессией BDNF и сниженным уровнем его транскрипционного фактора. Позднее авторы обнаружили, что сходное с BDNF действие оказывал хронический стресс, вызывавшийся отделением крысят от матери (maternal separation). Нокаут SERT_/_ и стресс понижали экспрессию BDNF в вентральном гиппокампе и вентромедиальной префронтальной коре, хотя в дорзальном гиппокампе и дорзомеди- альной коре гетерозиготных крыс SERT4'/_ стресс вызывал повышение экспрессии BDNF [61].
Интересно, что у 5-недельных и 5-месячных высоко агрессивных мышей линии АВН выявлены нарушения в работе 5-НТ-системы, выражающиеся в снижении метаболизма медиатора и дисбалансе в плотности 5-НТja- и З-НТ^-рецепторов [62], при этом уровень белка BDNF в гиппокампе, коре и стриатуме мышей линии АВН значительно выше, чем у мышей неагрессивной линии ABG [63].
Уверенно сказать, что здесь первично, а что вторично, трудно. Однако роль 5-НТ мозга как важнейшего регулятора агрессивного поведения не вызывает сомнения [64]. Более того, селекция по агрессивному поведению связана с глубокими изменениями в 5-НТ-системе мозга [65, 66]. Все это дает основание полагать, что именно понижение метаболизма медиатора и изменение плотности 5-НТ1А-рецепторов повлекло за собой повышение уровня BDNF.
Первоначально GDNF был выделен из культуры клеток глиомы и, как оказалось, содержится преимущественно в астроцитах, являясь основным продуцентом этих клеток. Необходимо отметить, что в последнее время патологии астроцитов придается важнейшее значение в возникновении дегенеративных процессов в центральной нервной системе человека [67,68]. Сразу же было показано трофическое действие GDNF на культуру ДА-нейронов [11], ив насто - ящее время GDNF получил признание как фактор, необходимый для развития, поддержания и защиты нигростриатных ДА-нейронов, в т.ч. как потенциальный фактор, защищающий и восстанавливающий ДА-нейроны, пораженные при болезни Паркинсона [69, 70]. Вместе с тремя другими структурно родственными факторами — нейротурином, артемином и персефином GDNF образует семейство нейротрофических факторов, входящее в суперсемейство трансформирующего ростового фактора ß [71]. Члены семейства GDNF передают сигнал через экстра- клеточные рецепторы (GFRal—4), каждый из которых селективен для соответствующего члена семейства. GDNF проявляет наиболее высокую аффинность к GFRal. Рецепторный комплекс GDNF—GFRal связывается с экстраклеточным доменом рецепторной тирозинкиназы, модулируя различные внутриклеточные сигнальные каскады [72]. В дополнение GDNF может напрямую связываться с молекулами нейрональной клеточной адгезии (NCAM) с последующей активацией Src-подобных киназ и МАР-киназы.
GDNF имеет биологически активную проформу (proGDNF), которая экспрессируется в большинстве отделов мозга и обнаружена как в астроцитах, так и в ДА-нейронах [73]. Кроме GDNF, при разрезании proGDNF образуются пептиды, известные как DNSP-11 (у человека) и ВЕР (у крысы), также обладающие биологической активностью. ВЕР усиливает синаптическое возбуждение в пирамидальных нейронах гиппокампа [74], а DNSP-11 так же эффективно защищает ДА-нейроны, как и зрелая форма GDNF [75].
Распространение GDNF и его рецепторов не ограничено областью ДА-нейронов среднего мозга. Рецепторы GDNF, как и его транскрипты и белок, обнаружены во многих других структурах мозга, указывая на то, что GDNF может выполнять разнообразные функции [76]. Среди них — участие в синаптогенезе в гиппокампе, где GDNF и GFRal играют инструктивную роль в формировании синапсов, индуцируя эктопические пресинаптические сайты [77]. Интересно отметить, что GDNF улучшает пространственное обучение мышей линии ASC предрасположенных к депрессивноподобному поведению [78]. Это обнаружено через две недели после однократного введения GDNF в латеральный желудочек мозга и может быть связано с синаптическим ремоделированием, происходящим под контролем GDNF. В ряде исследований сообщается, что GDNF/GFRal-сигнализация может быть важна в развитии и функционировании различных типов ГАМКергических нейронов в мозге млекопитающих [70]. GDNF участвует в поддержании клеточных элементов гематоэнцефалического барьера [79—81]. Увеличение экспрессии proGDNF после введения бактериального липополисахарида [73] и повышение образования GDNF астроцитами и клетками микроглии, наблюдаемое при воспалении, указывает на GDNF как на активатор микроглии и ингибитор нейронального воспаления [76, 82].
Благодаря разнообразию выполняемых функций, GDNF, с одной стороны, участвует во многих физиологических процессах, с другой — в патогенезе ряда неврологических и психических расстройств. Известно о вовлечении GDNF в механизмы старения [73], болезни Паркинсона, Альцгеймера, Хантингтона, бокового амиотрофического склероза [83], эпилепсии [70] и ряда нейропсихических расстройств, таких как биполярное расстройство [43] и униполярная депрессия [84].
На экспрессию GDNF могут влиять различные факторы, одним из которых служит хронический стресс. Хорошо известно, что длительные стрессовые воздействия являются фактором риска для развития психических расстройств, включая депрессию. Так, крысы, подвергавшиеся воздействию хронического непредсказуемого стресса, проявляют депрессивноподобное поведение и одновременно демонстрируют значительное снижение экспрессии GDNF в гиппокампе [85]. Воздействие хронического ультра- мягкого стресса на мышей стресс-чувствитель- ной линии BALB/c значительно понизило экспрессию GDNF в гиппокампе и стриатуме [86]. «Гормоны стресса» глюкокортикоиды могут подавлять экспрессию и секрецию GDNF [87—89], вызывая эпигенетические эффекты множеством разнообразных путей [90]. Так, хронический ультрамягкий стресс повышает метилирование ДНК, связанное с модификацией гистонов, что приводит к репрессии транскрипции Gdnf и формированию более восприимчивого к депрессии фенотипа мышей [86]. Изменить ответ нейрона на GDNF могут и микро РНК путем подавления рецепторов GFRala (специфичной изоформы гена GFRA1), что и обнаружено в базолатеральной миндалине субъектов, страдавших от депрессии [91]. Индукторами экспрессии GDNF также являются низкокалорийная диета, физические упражнения и обогащенная среда [75].
5-НТ-система и GDNF. Сведения о взаимодействии GDNF и 5-НТ-системы мозга немногочисленны, но вполне достаточны для утверждения о тесном взаимодействии этих систем. Прежде всего, влияние GDNF на 5-НТ-систему мозга было показано в опытах in vitro. В культуре клеток GDNF увеличивал размеры клеточных тел, число и длину аксонов 5-HF-нейронов [92]. Однократное центральное введение GDNF устойчиво уменьшало тревожность и проявление каталептического замирания у предрасположенных к каталепсии и депрессивноподобному поведению мышей линии А8С. Однако при этом усилились признаки депрессивности и стереотипного поведения [93]. Это сочеталось со значительным изменением экспрессии ключевых генов 5-НТ-системы. В среднем мозге увеличилась экспрессия гена, кодирующего триптофан гидрокс ил азу- 2 (ТПГ-2), лимитирующий синтез 5-НТ в мозге. GDNF повысил экспрессию гена б-НТгд-рецептора во фронтальной коре, но понизил ее в гиппокампе [94, 95]. В свою очередь, было показано, что в культуре клеток глиомы крыс С6 5-НТ дозо- и времязависимым образом усиливает экспрессию и секрецию GDNF, действуя преимущественно через 5-НТ^- рецепторы [96]. Оказалось, что данный эффект достигается путем трансактивации рецепторов фактора роста фибробластов через 5-НТ2А-ре- цепторы [97]. В то же время избыточная концентрация 5-НТ снижает экспрессию GDNF, ослабляя таким образом дифференцировку мезэнцефалических нейронов [98].
Косвенным свидетельством тесной связи GDNF и 5-НТ-системы является его способность отвечать на применение антидепрессантов, таких как ингибиторы обратного захвата НТ. В ряде работ было показано, что экспрессия и секреция GDNF увеличивалась при однократном и хроническом введении ингибиторов обратного захвата как в культуре клеток [99—101], так и в сыворотке крови больных депрессией после курса лечения антидепрессантами [102].
Эти данные свидетельствуют о существовании взаимодействия в системе GDNF—5-НТ, которое, вероятно, осуществляется с участием НТгд-рецепторов.
Обнаружение нейротрофических факторов мозга открыло новую страницу в понимании механизмов нейрогенеза и синаптической пластичности. Оно также в очередной раз показало, насколько сложны регуляторные системы мозга и насколько упрощены современные представления о механизмах этих регуляций. Однако именно парадигма редукционизма позволила достичь значительных успехов в понимании работы мозга и выделить опорные точки во взаимодействии нейротрансмиттеров и нейротрофических факторов в регуляции поведения в норме и патологии.
Существование в мозге нескольких нейротрофических факторов поднимает целый ряд вопросов, среди которых 1) насколько различаются их функции, являются они в основном дублерами или обладают индивидуальными особенностями; 2) каковы их взаимоотношения с медиаторными системами мозга, прежде всего, с другим регулятором нейропластичности — 5-HF-системой. Сопоставление данных об особенностях самого «старого» и самого изученного нейротрофического фактора мозга BDNF с данными о GDNF, который структурно отличается от BDNF и относится к иному семейству нейротрофических факторов, позволяет ответить на некоторые из этих вопросов.
BDNF является наиболее экспрессирующимся и, по-видимому, с наиболее широким спектром физиологического действия. Накопленные данные свидетельствуют о тесных связях BDNF и 5-НТ-системы мозга. Важно, что это именно взаимодействие, поскольку не только BDNF необходим для нормального развития и функционирования 5-НТ-системы мозга, но 5-НТ мозга влияет на BDNF.
GDNF, который считается преимущественно регулятором ДА-системы, также взаимодействует с 5-НТ мозга. Как и BDNF, он стимулирует рост 5 - НТ -нейронов мозга и влияет на экспрессию ключевых генов 5-НТ-системы мозга — тр и птофан гидро кс ил азы - 2, 5-НТ1А- и 5 - НТ ^-рецепторов. Существенную роль в механизмах взаимодействия этих нейротрофических факторов с 5-НТ-системой играют 5-НТ-рецепторы. Действие как BDNF, так и GDNF, зависит от генотипа.
BDNF и GDNF вовлечены в регуляцию некоторых форм поведения, в т.ч. патологического. Основа их влияния двойственна. Во-первых, они обладают способностью стимулировать нейрогенез и восстанавливать функциональную активность, сниженную при нейродегенеративной патологии. Во-вторых, они взаимодействуют с 5-НТ-систе- мой мозга — регулятором широкого спектра видов нормального и патологического поведения.
Способность стимулировать нейро- и синап- тогенез объясняет необычно длительное действие BDNF и GDNF. Нами было установлено сохранение положительного действия BDNF в течение 1,5 мес. после его однократного центрального введения [50]. Эта уникальная особенность действия BDNF и GDNF не имеет аналогов среди других фармакологических групп нейротропных препаратов.
Однако выявляются и различия между BDNF и GDNF. Они проявляются в разном уровне и в структурном распределении экспрессии этих факторов в мозге: экспрессия BDNF гораздо выше экспрессии GDNF, ее уровень наиболее высок в гиппокампе и коре мозга, а экспрессии GDNF — в дофаминергической структуре, стриатуме.
Относительная роль BDNF и GDNF в регуляции двух медиаторных систем — 5-НТ и ДА — тоже различна. Очевидно, что для BDNF приоритетной является 5-НТ, а для GDNF — ДА-сис- тема мозга (рисунок, см. цв. вклейку). Введение BDNF снижало экспрессию гена 5-НТ^-рецепторов во фронтальной коре, увеличивало ее в гиппокампе, а также повышало функциональную активность 5-НТ2А-рецепторов. Напротив, GDNF повышал экспрессию гена 5-НТ2А-ре- цепторов во фронтальной коре, понижал ее в гиппокампе и не влиял на их функциональную активность [94].
Зависимость эффектов BDNF и GDNF от структуры мозга, по-видимому, связана с особенностями микросреды этих структур, влияющей на функционирование 5-НТ-нейронов. Это может быть различная плотность 5-НТ-рецепторов, интенсивность димеризации, соотношение и взаимодействие между разными типами 5-НТ и других видов рецепторов [103]. В отношении GDNF важным фактором является высокая гетерогенность астроцитов, которые в разных участках мозга значительно различаются по своим биохимическим характеристикам, что, несомненно, отражается на их функциях, реакциях и роли в разных нейропатологиях [104].
Важно отметить, что между 5-НТ-системой и нейротрофическими факторами мозга BDNF и GDNF существует обратная связь (feedback mechanism), по-видимому, осуществляющая ауторегуляцию нейротрансмиттер-нейротро- фических комплексов: 5-НТ—BDNF—5-НТ и 5-НТ—GDNF—5-НТ. Различная реакция 5-НТ разных структур на введение как BDNF, так и GDNF, не позволяет говорить о положительном или отрицательном механизме обратной связи во взаимодействии этих систем. Однако эта сложная функциональная связь, несомненно, является как одним из факторов нейропластичности, так и потенциальной мишенью для препаратов, модулирующих активность нейротрофических факторов мозга.
Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке бюджетного проекта (№ 0324-2016-0002) и РНФ (грант № 14-25-00038).