Какую роль процессы метилирования играют в этиологии и патогенезе болезни альцгеймера? Научные исследования.

Исследования последних лет свидетельствуют о важности процесса метилирования в этиологии и патогенезе многих заболеваний и открывают новые перспективы их терапии. Метилирование белков определяет их функциональную активность, а метилирование фосфолипидов — структуру мембран и обеспеченность организма незаменимыми жирными кислотами 8. Метилирование ДНК играет ведущую роль в формировании и поддержании эпигенетического кода — динамического наследственного процесса, определяющего спектр активности генов, помимо генетической последовательности нуклеотидов, и лежит в основе многих, если не большинства, соматических заболеваний 83. Так, например, было показано, что делеция генов метилтрансфераз ДНК, отвечающих за процесс эпигенетического метилирования, смертельна для эмбрионов 31.

Гомоцистеин (Нсу) — серосодержащая аминокислота, являющаяся промежуточным продуктом ферментативного распада S-аденозилгомоцистеина (S-AH) в реакциях трансметилирования с участием основного донора метальных групп — S-аденозилметионина (S-AM). В недавних исследованиях было установлено, что основную роль в патогенезе многих заболеваний играют гомоцистеин и нарушение процессов трансметилирования 73. Повышение его концентрации, или гипергомоцистеинемия, цитотоксично в силу активации нескольких механизмов воздействия Нсу на клетку: активации оксидантного стресса вследствие подавления ферментов-антиоксидантов (супероксиддисмутазы и глутатионпероксидазы) и участие в процессе «разобщения» NO синтазы (NOS) 47,78; ингибирования метилтрансфераз (равновесие реакции с участием S-AH гидроксилазы при избытке Нсу смещено в сторону образования S-аденозилгомоцистеина — ингибитора метилтрансфераз) 9,32; активации стресса эндоплазматической сети (ER-стресс) и накопления незрелых белков в эндоплазматической сети, ведущего к апоптозу 33.

Клетка старается избавиться от токсичного метаболита путем либо реметилирования его в метионин (при участии витаминов В9 — фолата, В12 — кобаламина, бетаина и цинка), либо транссульфурирования в цистеин (при участии витамина В6 — пиридоксина). Метаболическая карта событий одноуглеродного обмена состоит из двух сопряженных циклов — обмена метионина и обмена фолатов (см. рисунок) и зависит как от внешних (обеспеченность витаминами и микроэлементами, присутствие бактериальных, фармакологических и токсических агентов), так и внутренних (мутации генов, эпигенетическая регуляция) факторов.

Примечание

  • AMP — аденозинмонофосфат;
  • ВНМТ — бетаин-гомоцистеин метилтрансфераза;
  • CBS — цистатионин-b-синтаза;
  • СТН — цистатионин g-лиаза;
  • DHF — дигидрофолат;
  • DHFR — дигидрофолат редуктаза;
  • dТМР — дезокситимидинмонофосфат;
  • GNMT — глицин N-метилтрансфераза;
  • Gly — глицин;
  • GSH — глутатион;
  • DMG — диметилглицин;
  • MTHFR — метилентетрагидрофолат редуктаза;
  • МТА — метилтиоаденозин;
  • MS — метионин синтаза;
  • S-AM — S-аденозилметионин;
  • S-AH — S-аденозилгомоцистеин;
  • SAHH — S-аденозилгомоцистеин гидроксилаза;
  • Ser — серин;
  • SHMT — серин гидрокси метилтрансфераза;
  • TS — тимидин синтаза;
  • THF — тетрагидрофолат;
  • B2, B6, B12 — витамины.

В данном обзоре рассматривается участие процессов метилирования в этиопатогенезе болезни Альцгеймера (БА), характерным нейрогистологическим признаком которой является присутствие в пораженных нейронах аргирофильных белковых клубков. Долгое время исследования были сосредоточены на изучении их состава и условий формирования. Результатом этих работ было обнаружение белка мембран эндоплазматической сети — пресенелина-1 (PS1), участвующего в формировании синаптических связей, долговременной памяти и жизнеобеспечения нейронов. Установлено, что РS1 повышает активность g-секретазы, которая совместно с b-секретазой (ВАСЕ, b-secretase) регулирует наработку b-амилоидного пептида (Аb) из пептида предшественника амилоида (amyloid precursor protein, APP) 20, 59, играющих ключевую роль в формировании патологических процессов, приводящих к БА.

Предпринимались активные поиски специфических генетических мутаций этих белков как этиологического фактора заболевания. В экспериментах на культуре нейронов было показано, что нарушение протеолитического процессинга пептида предшественника амилоида приводило к увеличению наработки нейротоксической формы b-амилоида (Аb) — Аb 1—42, снижению секреции нейропротекторной формы АРР и повышению чувствительности нейронов к гибели от воздействия возбуждающих факторов — эксайтотоксичности (excitotoxicity) 28. Предполагается, что нейроны, имеющие подобные мутации, отличаются повышенным выбросом Ca2+ в ответ на активацию глутаматных рецепторов, дисфункцией митохондрий и повышенной наработкой свободных радикалов 29. Причем активации глутаматных рецепторов (их выраженным агонистом являются производные гомоцистеина) отводится ведущая роль в инициации нейродегенеративных процессов при БА.

Если роль специфических мутаций остается под вопросом, то участие процессов метилирования в продукции амилоида в настоящее время не вызывает сомнений. Работы последних лет показали, что недостаток в инкубационной среде фолата⊘витамина B12 и связанное с этим снижение уровня S-AM повышают наработку пресенелина и секретина и соответственно Аb 20. Интересно, что внесение экзогенного S-АМ и вызванная этим активация метилирования ДНК в участках промоторов генов этих белков способно подавлять их активность и снижать наработку Аb 20, 29. Если учесть, что при БА довольно часто встречается гипергомоцистеинемия и низкий уровень в крови фолата и кобаламина, то подобная смоделированная на клеточной культуре ситуация вполне допустима и в организме больного. Тем более, что в специфических участках гена АРР коры мозга человека, содержащих специальную метилируемую последовательность — динуклеотид цитидин-гуанозин (CpG), отмечается отрицательная корреляция между возрастом и уровнем их метилирования, так называемое «физиологическое гипометилирование» 77, что характерно и для БА.

В недавно проведенном исследовании 10 была предпринята попытка доказать, что экзогенный S-AM потенцирует массовую экспрессию генов. Однако из 588 генов, проанализированных в культуре клеток нейробластомы (SK-N-BE), только 7 ответили на внесение донора метильных групп — S-AM. Очень важно, что среди них оказался ген PS1, кодирующий белок пресенелин. Внесение в среду S-AM приводило к метилированию его промотора и подавлению экспрессии этого гена 29. Этот эффект предлагается использовать в терапии БА. В пользу эпигенетической гипотезы также свидетельствует достоверное снижение уровня аденозина и повышение уровня гомоцистеина и S-AН в крови у больных БА 61, 62. Недавно проведенные исследования показали, что у больных БА значительно повышенный уровень S-AH в крови коррелирует с уровнем гомоцистеина (r=0,74, p<0,001), pc="" 0="" 001="" dha="" 60="" 62="" s-ah="" -n-="" s-am="" hcy="" sam="" b="" span="">

Определенную роль в этом процессе могут играть нарушения энергетического обмена у больных БА 67, 81, что, естественно способно отразиться на уровне синтеза донора метильных групп — S-AM (АТФ — источник аденина в этом соединении). В связи с этим стоит отметить, что снижение активности митохондриальной цитохромоксидазы в дендритах нейронов, тромбоцитах и фибробластах является наиболее ранним проявлением болезни 26, 81. Однако метилирование ДНК в силу жизненной важности процесса имеет сложную систему контроля, где уровень субстрата является лишь одним из триггеров, запускающих всю систему.

Кроме Аb, важную роль в развитии БА играет и небетаамилоидный пептид (NAC) — нейротоксичный гидрофобный белок, производное пресинаптического полипептида a-синуклеина 6. Многие исследователи считают, что их накопление в сенильных бляшках нервных окончаний гиппокампа служит маркером болезни Альцгеймера 1, хотя амилоидные бляшки являются также «физиологическими» образованиями у пожилых людей 79. Оба белка активно участвуют в генерации свободных радикалов кислорода, активируют в клетках как оксидантный, так и нитрозидантный стрессы (супероксид быстро связывается с оксидом азота с образованием весьма реакционного соединения — пероксинитрита, NO+О2–®ONOО–), что, по современным представлениям, является основным ведущим фактором повреждения нейронов и их гибели 17, 35, 74, 76. Образование свободных радикалов кислорода, чему способствует также гомоцистеин, вызывает повреждение ДНК и активацию поли (АДФ-рибоза)полимеразы (РАRР) — фермента, при длительной активации либо массивном повреждении молекулы ДНК приводящем к энергетическому истощению клетки и запускающем клеточную программу некроза (процесс, инициирующий воспалительное повреждение тканей) 39, 75. Стоит подчеркнуть, что белки NAC и Аb активируют PARP только в агрегированном состоянии (NAC — на 20%, Аb — на 87%), а в растворенном виде они неэффективны 1.

Основным компонентом клубков в нейронах является также белок tau, что позволяет некоторым исследователям отнести эти заболевания к тауапатиям 12, 23, 56. Кроме БА, к ним относятся еще около двадцати заболеваний, среди которых болезнь Пика, синдром Дауна, прогрессирующий супрануклеарный паралич, миотоническая дистрофия, подострый склерозирующий панэнцефалит, постэнцефалический паркинсонизм, старческая деменция. Все они имеют различные комбинации клинических, нейропатологических, биохимических и генетических свойств, связанных с дисфункцией бeлкa tаu 12. Например, при БА происходит гиперфосфорилирование всех шести известных изоформ белка tau 12, что при участии ионов меди 50 приводит к нарушению образования микротубул нейронов и инициирует агрегацию белка с образованием парных спиралевидных филаментов (paired helical filament) 15, 23, 24, 63. Кроме того, наряду с tau NAC способствует агрегации Аb и активации нуклеарного фактора каппа Б (NF-kВ), контролирующего транскрипцию и апоптоз клеток 76. И хотя большинство исследователей склонны считать причиной тауапатий генетические нарушения, существуют данные в пользу эпигенетической концепции, т. е. значительной роли процессов метилирования в данном заболевании 44. Достаточно сказать, что в случае недостаточности фолата и кобаламина и при гипергомоцистеинемии двукратно возрастает риск возникновения БА 64, 82.

Как уже подчеркивалось, тауапатии характеризуются гиперфосфорилированием белка tau. В клетках эукариотов найдена фосфосерин⊘треонин фосфатаза белка 2А (РР2А) — гетеротример, обслуживающий многие сигнальные пути в клетке, в том числе необходимый для эффективного регулирования микротубулярного цитоскелета путем дефосфорилирования tau 40, 48, 69, 80. В свою очередь ее активность регулируется за счет ковалентных модификаций определенных участков белковой цепи путем их фосфорилирования и метилирования 21, 55. Карбоксильное метилирование С-концевого лейцина каталитической С-субъединицы фермента РР2А — РР2А© — важнейший этап активации фермента, осуществляется за счет специфической РР2А метилтрансферазы (РРМТ) 22, 48, 69. Проведенный иммунологический анализ показал, что экспрессия белка РРМТ и уровень метилирования РР2А© значительно снижены в поврежденных отделах мозга при БА, хотя в норме фермент имеет значительное представительство в нейронах коры головного мозга. Интересно, что у больных также наблюдаются локальные потери иммунореактивности РРМТ, что находится в прямой зависимости с уровнем нарушений белка tau в этих же отделах мозга, но не коррелирует с количеством амилоидных бляшек 69. Авторы считают, что именно нарушение регуляции цикла метилирование⊘деметилирование РР2А также принимает участие в патогенезе БА.

Клинические наблюдения показали, что сывороточный уровень Нсу у пациентов с БА значительно повышен, а концентрация фолата и кобаламина (критических витаминов его обмена) в крови достоверно снижена 13, 46, 63. При этом отмечается четкая обратная зависимость между уровнем гомоцистеина и уровнем фолата и кобаламина в плазме крови 4, 46. По данным некоторых авторов 64, увеличение уровня гомоцистеина крови на 5 мкм увеличивает риск БА на 40%. Повышенный уровень гомоцистеина найден также в спинномозговой жидкости и тканях мозга больных 19, 62. Данный факт чрезвычайно важен, поскольку Нсу может повышать чувствительность нейронов к токсинам и способствует апоптозу и некрозу 5, 11, 43, 45.

Электронная микроскопия показала, что индуцированная гипергомоцистеинемия у крыс приводит к ультраструктурным изменениям мозга, характерным для БА, болезни Паркинсона и старения, причем эти изменения более выражены при недостатке фолата, чем витамина B12 37, 77. Было также установлено, что нейроны гиппокампа более чувствительны к токсическому действию гомоцистеина, чем нейроны коры мозга 43. БА очень часто сопровождается кардиососудистой патологией, что, по мнению исследователей 71, говорит об их общем патогенетическом механизме, в том числе об участии в нем гомоцистеина, который считают фактором риска развития атеросклероза и сердечно-сосудистой патологии, и связанного с ним недостатка витаминов В6, В9 и В12.

В некоторых эпидемиологических исследованиях 57 именно недостаток фолата и кобаламина (в меньшей степени) считается ведущим фактором в развитии деменции и БА, а гипергомоцистеинемия — лишь следствием активации синтеза креатинина, которое имеет место при данной патологии. Другие исследователи полагают «виновником» гипергомоцистеинемий никотинамид N-метилтрансферазу (NNMT) — фepмeнт, присутствующий у человека и отсутствующий у обезьян, активность которого и характер питания (избыточное потребление мяса), по данным генетических исследований, определяют уровень гомоцистеина в организме человека 70, 84.

Интересные данные были получены при исследовании влияния уровня фолата в сыворотке крови на развитие сосудистой патологии мозга и влияние этих факторов на нейродегенеративные процессы. Оказалось 68, что имеется выраженная положительная корреляция между низким уровнем фолата и выраженностью атрофии новой коры (посмертные наблюдения). Следует подчеркнуть, что корреляция была более выражена в группе с минимальными проявлениями атеросклероза и отсутствием участков инфарктов мозга.

В экспериментах на трансгенных мышах с повышенным синтезом белка предшественника амилоида было показано, что недостаток фолата приводит к нейродегенеративным процессам в гиппокампе 44 и способствует гибели дофаминергических нейронов у мышей при моделировании болезни Паркинсона 16. Некоторые исследователи считают, что сниженный уровень заинтересованных витаминов (В9, В12) является следствием окислительного стресса при хронической иммунной активации (хронические очаги инфекции; скрытая инфекция), способствующей их разрушению и как следствие гипергомоцистеинемии. Эти данные являются аргументом в пользу необходимости использования противовоспалительной терапии при БА18, 42, 53.

При воздействии гомоцистеина на нейроны характерно быстрое повреждение ДНК и активация PARP и фактора транскрипции — белка р53 43, в функции которого входит индукция синтеза и транслокация в митохондрии проапоптозных белков — Вах и блокирование активности другого фактора транскрипции — NF-kB, индуцирующего синтез белков антиапоптозного семейства— Вс1–2 и Мn-супероксиддисмутазы 11, 52. Следует учитывать, что гипергомоцистеинемия способна потенцировать образование свободных радикалов и по иному пути, кроме подавления активности ферментов-антиоксидантов. Асимметричный диметиларгинин (aDMA) является эндогенным ингибитором NO синтетаз 54, приводящим к функциональному разобщению фермента, который становится дополнительным источником супероксида в клетке. Дополнительным аргументом в пользу этой гипотезы служат эксперименты с внесением в инкубационную среду культуры нейронов гомоцистеина (на 24 ч), что приводило к ингибированию фермента диметиларгинин диметиламиногидролазы (DDAH) (за счет взаимодействия с цистеином активного центра), тормозило распад и дозозависимо повышало уровень аDМА 62.

Необходимо подчеркнуть, что нейроны значительно более чувствительны к недостатку фолата, чем астроциты 44. Это важный факт, поскольку многие считают, что в основе гибели нейронов при БА лежит опосредованная глутаматными рецепторами нейротоксичность. Было показано 41, что белок Аb, входящий в состав бляшек, значительно повышает чувствительность нейронов к возбуждающему повреждению глутамата, N-метил-D-аспартата и каиновой кислоты. Если учесть, что выраженными агонистами метаботропных глутаматных рецепторов (mGluRs) и NMDA-рецепторов являются производные гомоцистеина — гомоцистеиновая (НСА) и гомоцистеинсульфиновая (НСSА) кислоты, синтезируемые in vivo 14, 38, 66, и, кроме того, НСА является ингибитором цистеинсульфинат декарбоксилазы и препятствует образованию гипотаурина (предшественника таурина) 14, то это может служить весомым доказательством важной роли гипергомоцистеинемии в патогенезе заболевания.

Веским аргументом в пользу ведущей роли нарушений процессов метилирования в патогенезе БА является то, что изменения уровня гомоцистеина и S-AH — более ранние признаки развития заболевания по сравнению с уровнем Аb в мозге, который повышается уже при развившейся патологии 36. Следует подчеркнуть, что гомоцистеинзависимый протеин эндоплазматической сети — Неrр, уровень которого возрастает при ER-стpecce, способен связываться с пресенелином и активировать наработку Аb 58. Совершенно неожиданную связь между уровнем Аb и состоянием процессов одноуглеродного обмена при БА обнаружили Kruman и соавт. 44. Ими было установлено, что одним из ведущих механизмов при БА является повреждение ДНК нейронов, приводящее в конечном итоге к их апоптозу⊘некрозу 2, 30, 49. При этом заболевание можно отнести к системным, так как во всех клетках организма находят нарушение систем репарации ДНК 7. Эксперименты с культурой ткани гиппокампа крыс и на трансгенных мышах с избыточным синтезом Аb показали, что недостаток в ткани фолата⊘метионина в инкубационной среде (диете) либо присутствие в ней гомоцистеина способствуют развитию апоптоза и некроза нейронов, но этот процесс значительно усиливается в инкубируемой ткани, если при этом присутствует Аb 44. Причем недостаток фолата⊘метионина не влиял на уровень наработки Аb у мышей.

Эти данные свидетельствуют, что гомоцистеин является активатором нейродегенеративных изменений при БА и может занимать ведущее место среди нарушений метаболизма одноуглеродных компонентов, участвующих в развитии этого заболевания. Кстати, именно наличие агонистов mGluRs (HCSA и НСА) при гипергомоцистеинемии хорошо дополняет картину патологических процессов при БА. На морских свинках было показано, что активация mGluRs индуцирует в нейронах внутриклеточную наработку Аb с явлениями дегенерации пирамидальных нейронов в гиппокампе 72. Более того, показано, что агрегаты Аb активируют mGluRs и вызывают внутриклеточное образование интермедиата сигнального пути — инозитолфосфата — процесса, характерного для апоптоза нейронов в опытах in vitro 3, 34.

Не менее важным фактором, участвующим в патогенезе БА, является активность различных метилтрансфераз мозга, которая у больных значительно подавлена, что находит отражение в снижении утилизации меченой S-AM в тканях мозга при БА 25. Скорее всего это следствие увеличения концентрации S-АН (ингибитора метилтрансфераз), однако существуют также данные о низкой активности некоторых метилтрансфераз (per se), взятых из тканей больных. Например, в гомогенатах фронтальной коры пациентов найдено снижение активности РЕМТ — фермента, способствующего синтезу фосфатидилхолина 27. Активность фенилэтаноламин-N-метилтрансферазы (PNMT), превращающего норэпинефрин (норадреналин) в эпинефрин (адреналин), и катехол-О-метилтрансферазы (СОМТ), катаболизирующей биологически активные и токсические катехолы и катехоламины, снижена у больных примерно на 30% по сравнению с контрольной группой, а концентрация S-АН в префронтальной коре была выше на 26%, чем у здоровых 36. Интересно, что активность PNMT регулирует уровень дофамина и норэпинефрина в мозге 51, положительно коррелирует с когнитивными функциями и длительностью болезни и негативнос уровнем внутринейрональных клубков при БА. Активность СОМТ, важнейшего фермента метаболизма нейромедиаторов, также положительно коррелирует с когнитивными способностями, длительностью заболевания и негативнос уровнем клубков в поврежденных нейронах 36.

Таким образом, результаты исследований, проведенных в последние годы, свидетельствуют о том, что процессы метилирования играют чрезвычайно важную, если не ключевую, роль в этиологии и патогенезе БА. Прогресс, достигнутый за последнее время в разработке данной проблемы, открывает широкие перспективы в плане профилактики и лечения этой патологии.