Role of the integrated stress response system (ISR) in neuropsychiatric pathologies of the central nervous system

Full Text

Сокращения: Aβ — бета-амилоид; ATF4 — активирующий транскрипционный фактор 4; BDNF — нейротрофический фактор мозга; БА — болезнь Альцгеймера; БР — биполярное расстройство; CReP — конститутивный репрессор фосфорилирования eIF2α; CHOP — индуцируемый повреждением ДНК транскрипт 3; ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота; eIF2 — эукариотический фактор инициации трансляции 2; eIF2α — эукариотический фактор инициации трансляции 2, субъединица альфа; eIF2B — эукариотический фактор инициации трансляции, субъединица 2B; GCN2 — недерепрессируемая киназа общего контроля 2; ГДФ — гуанозиндифосфат; ГТФ — гуанозинтрифосфат; HRI — гем-регулируемая ингибиторная киназа; ИОС — интегрированный ответ на стресс; мРНК — матричная рибонуклеиновая кислота; РАС — рассеянный склероз; NMDA — n-метил-D-аспартат; PERK — PKR-подобная киназа эндоплазматического ретикулума; PKR — протеинкиназа R; ПТСР — посттравматическое стрессовое расстройство; PP1 — протеинфосфатаза 1; РНК — рибонуклеиновая кислота; РС — рассеянный склероз; СИОЗС — селективный ингибитор обратного захвата серотонина; TrkB — тирозинкиназный рецептор B (tyrosine kinase receptor B); ТПМ — травматическое поражение мозга; УРПМ — условно-рефлекторное предпочтение места; ф-eIF2α — фосфорилированная форма эукариотического фактора инициации трансляции 2α; ВОП — вентральная область покрышки

ВВЕДЕНИЕ

Интегрированный ответ на стресс (ИОС)

Интегрированный ответ на стресс (ИОС, Integrated stress response, ISR) представляет собой высококонсервативный механизм клеточного ответа на стрессовые воздействия, встречающийся у всех эукариот от дрожжей до людей [1]. Ключевым событием сигнального каскада ИОС является фосфорилирование субъединицы эукариотического фактора инициации трансляции, eIF2α (рис. 1). Известны четыре киназы, способных катализировать эту реакцию: PKR-подобная киназа эндоплазматического ретикулума (PERK), недерепрессируемая киназа общего контроля 2 (GCN2), гем-регулируемая ингибиторная киназа (HRI) и протеинкиназа R (PKR) [2]. В ответ на внутренние и внешние стрессовые сигналы происходит активация этих киназ, сопровождающаяся фосфорилированием соответствующих сайтов. Например, PERK активируется в ответ на стресс эндоплазматического ретикулума, возникающий в результате накопления неправильно сложенных белков или нарушения кальциевого гомеостаза [3-5], HRI может быть активирована дефицитом железа, тепловым шоком или осмотическим стрессом [6], а GCN2 реагирует на депривацию аминокислот, ультрафиолетовое излучение и некоторые другие сигналы [7, 8]. Сигналами для активации PKR могут служить вирусная двухцепочечная РНК, цитокины, белки теплового шока и активные формы кислорода [9-11]. Таким образом, запуск ИОС происходит в ответ на широкий спектр стрессовых воздействий, общим процессом для которых является фосфорилирование указанными киназами фактора eIF2α в положении Ser51, с образованием ф-eIF2α.

 

Рис. 1. Сигнальный путь интегрированного ответа на стресс (ИОС). PERK — PKR-подобная киназа эндоплазматического ретикулума; GCN2 — недерепрессируемая киназа общего контроля 2; PKR — протеинкиназа R; HRI — гем-регулируемая ингибиторная киназа; eIF2α — эукариотический фактор инициации трансляции 2α; ATF4 — активирующий транскрипционный фактор 4; GADD34 — регуляторная субъединица протеинфосфатазы 1 15а; PP1 — протеинфосфатаза 1; CReP — конститутивный репрессор фосфорилирования eIF2α; ГТФ — гуанозинтрифосфат; ГДФ — гуанозиндифосфат.

 

Белок eIF2α является субъединицей комплекса эукариотического фактора инициации трансляции 2 (eIF2), в состав которого также входят β- и γ-субъединицы. Фактор eIf2 образует тройной комплекс совместно с ГТФ и инициаторной мет-тРНК, который принимает участие в инициации трансляции [12]. При этом ГТФ гидролизуется с образованием ГДФ, после чего комплекс eIF2-ГДФ теряет связь с 40S-субъединицей рибосомы и диффундирует в цитоплазму. Для повторной активации комплекса необходим еще один фактор, eIF2B, который служит в качестве обменника нуклеотидов, способствуя замещению ГДФ на ГТФ, с образованием eIF2-ГТФ, который способен вновь участвовать в инициации трансляции.

Однако в условиях активации ИОС фосфорилирование eIF2α в положении Ser51 приводит к тесному и необратимому связыванию eIf2 и eIf2B [13]. В таких условиях eIf2 теряет возможность образовывать тройной комплекс с ГТФ и мет-тРНК, что приводит к общему торможению трансляции мРНК и синтеза белка в клетке. Параллельно этому, увеличивается трансляция некоторых мРНК, имеющих короткие открытые рамки считывания в 5’-некодирующей области, за счет использования альтернативных механизмов инициации трансляции [14–16]. Эти мРНК транслируются в белки, обеспечивающие реакцию клетки на воздействие стрессоров.

Среди них наиболее изучен ATF4 — транскрипционный фактор 4, регулирующий экспрессию генов, продукты которых участвуют в транспорте и биосинтезе аминокислот, метаболизме углеводов, антиоксидантной защите апоптозе и других процессах, необходимых для клеточного ответа на нарушение гомеостаза [17]. Кроме того, ATF4 способен запускать генетическую экспрессию ряда белков, участвующих в регуляции программируемой смерти клеток, ключевым из которых является про-апоптотический фактор индуцируемый повреждением ДНК транскрипт 3, также известный как CHOP [18, 19]. В целом, ИОС считается адаптивной реакцией, направленной на восстановление гомеостаза и выживание клетки, однако хроническая активация ИОС приводит к нарушению функции клетки и запуску путей программируемой смерти [1].

Важно, что активация ИОС никогда не приводит к полной остановке синтеза белка в клетке, в том числе за счет существования механизма обратной связи: ATF4 индуцирует генетическую экспрессию белка GADD34 – регуляторной субъединицы протеинфосфатазы 1, что способствует дефосфорилированию eIF2α [19, 20]. Другой механизм обратной связи включает в себя ИОС-индуцированное увеличение уровня белка CreP – конститутивного репрессора фосфорилирования eIF2α [21]. Экспериментальные данные также свидетельствуют о некотором базовом уровне активации ИОС, поскольку часть молекул eIF2α всегда находится в фосфорилированном состоянии [22–25]. Таким образом, стрессовые воздействия лишь смещают баланс ф-eIF2α/eIF2α в сторону фосфорилированной формы. Более того, ИОС сигналинг может принимать участие в ряде физиологических процессов, независимых от наличия стрессоров, таких как регуляция клеточного цикла [26], метаболизм глюкозы [27] и поддержание антиоксидантной защиты [23].

Особую роль eIF2α сигналинг играет в нервных клетках. Так, изменение отношения ф-eIF2α/eIF2α служит механизмом для регуляции процессов долговременной потенциации и депрессии и формирования синаптической пластичности [28–30]. Закономерна возможная роль ИОС в формировании памяти и реализации когнитивных функций [29–33]. Например, гетерозиготная мутация гена eIF2α в положении Ser51 (делающая невозможным его фосфорилирование) улучшает консолидацию долговременной памяти у мышей [29], тогда как фармакологическое ингибирование дефосфорилирования eIF2α в гиппокампе мышей снижает ассоциированную со страхом память [29, 34]. Мыши с конститутивной делецией гена eIF2α-киназы GCN2 демонстрируют парадоксальное улучшение памяти при выполнении сложной задачи, и нарушение памяти в стандартной тренировочной парадигме [35]. Возможно, стимул-индуцированное фосфорилирование eIF2α в дендритах и аксонах нейронов приводит к локальному подавлению синтеза белка и ATF4-опосредованному ингибированию активности фактора CREB1, который стимулирует экспрессию генов, вовлеченных в синаптическую пластичность [36]. Однако индуцированное снижение уровня мРНК ATF4 в гиппокампе мышей нарушает синаптическую пластичность и глутаматергическую функцию, в конечном итоге нарушая формирование долговременной памяти [37]. Наконец, воздействие на культуру первичных нейронов нейротрофического фактора мозга (BDNF) приводит к увеличению трансляции регуляторной субъединицы протеинфосфатазы 1 15а (GADD34) с последующим снижением уровня ф-eIF2α и увеличением синтеза белка de novo [38]. Помимо участия в процессах формирования памяти у лабораторных животных, показано участие ИОС в регуляции пищевого поведения [39–41]. Например, генетическое редактирование eIF2α в положении Ser51 (делающее невозможным его фосфорилирование) в нейронах, экспрессирующих агути-родственный пептид, приводит к расстройству пищевого поведения и увеличению чувствительности к лептину [40].

Важность ИОС в ЦНС подтверждается также тем, что мозг является одним из наиболее восприимчивых к дисрегуляции ИОС органов [42]. Например, мутации в гене, кодирующем CReP (конститутивную фосфатазу eIF2α), связаны с микроцефалией и диабетом [43], мутации в гене eIF2α-киназы PERK ассоциированы с диабетом, дисплазией скелета и умственной отсталостью [44], а мутации в генах всех пяти субъединиц eIF2B вызывают лейкоэнцефалопатию с исчезновением белого вещества [45]. Все большее количество данных указывает на участие ИОС в патологиях ЦНС, связанных с дегенерацией нервной ткани, таких как болезни Альцгеймера, Паркинсона и Хантингтона, боковой амиотрофический и рассеянный склероз, а также травматическое поражение мозга [46–50]. Например, многие характерные патологические процессы при данных заболеваниях — окислительный стресс, митохондриальная дисфункция, нарушение фолдинга белка, депривация аминокислот, нарушение кальциевого гомеостаза — способны запускать ИОС посредством активации соответствующих eIF2α-киназ [42]. В свою очередь, гиперактивация ИОС может быть одним из патологических механизмов, ответственных за дисфункцию и дегенерацию клеток нейронов и глии, и, в итоге, – за функциональные нарушения, наблюдаемые при этих заболеваниях мозга. Данные об активации ИОС в данных патологиях и ее модуляции в моделях на животных суммированы в таблице 1.

 

Таблица 1. Свидетельства активации ИОС в нейродегенеративных патологиях

Ответы	Ссылки
Болезнь Альцгеймера (БА)
↑ ф-eIF2α в различных областях мозга людей с БА	[51–58]
↑ ф-PKR в головном мозге людей с БА	[53]
↑ ф-PERK в обонятельных луковицах пациентов с БА	[56]
↓ eIF2B в головном мозге людей с БА	[51]
↓ ф-eIF2α в головном мозге людей с БА на поздних стадиях заболевания	[59]
Распределение ф-PERK коррелирует с абнормально фосфорилированной формой тау-белка в мозге пациентов с БА	[60]
↑ ф-eIF2α, ф-PERK, ATF4 и других маркеров ИОС в моделях БА на мышах и крысах	[51, 53–55, 61–72]
↓ ф-eIF2α в мозге крыс после введения олигомеров Aβ в желудочки мозга	[73]
↓ ф-eIF2α на ранних стадиях заболевания в модели Tg2576-трансгенных мышей	[74]
Aβ-пептид вызывает опосредованное PKR увеличение ф-eIF2α в первичных нейронах мыши и в мозге обезьян	[34]
PERK-независимое ↑ ф-eIF2α, ↓ GADD34 и снижение синтеза белка в астроцитах 3xTg-AD мышей	[75]
↑ ф-eIF2α в клетках со сверэкспрессией мутантного белка-прекурсора Aβ	[55]
↑ ф-eIF2α в клетках нейробластомы человека после воздействия олигомеров Aβ	[76, 77]
↑ ф-eIF2α в клеткочной линии со сверэкспрессией мутантного белка-прекурсора Aβ	[55]
Делеция гена PERK способствует улучшению синаптической пластичности и пространственной памяти в генетических моделях БА на мышах	[61]
Делеция сайта фосфорилирования eIF2α в 5xFAD-трансгенных мышах не привела к улучшению поведенческих показателей	[78]
Гаплонедостаточность PERK снизила активацию ИОС и когнитивные нарушения в 5XFAD-трансгенных мышах	[62]
Условный нокаут PERK в переднем мозге приводит к снижению ф-eIF2α и восстанавлению долговременной потенциации в APP/PS1 модели БА на мышах	[79]
Делеция гена GCN2 привела к гиперактивации PERK- eIF2α пути и увеличению амилоидоза в мозге 5XFAD-трансгенных мышей	[80]
Салубринал увеличивает уровень бета-секретазы и синтез Aβ в первичных нейронах	[54]
Салубринал снизил маркеры окислительного стресса и апоптоза, вызванные инъекциями Aβ в желудочки мозга крыс	[73]
Салубринал снизил БА-подобную симптоматику на ранних стадиях патологии в модели Tg2576-трансгенных мышей	[74]
GSK2606414 снижают ф-eIF2α и восстанавливает долговременную потенциацию в APP/PS1 модели БА на мышах	[79]
Ингибитор PKR SAR439883 показал нейропротекторный эффект в нескольких моделях БА на мышах	[72]
Инъекции GADD34 в гиппокамп снизили ↑ ф-eIF2α и улучшили когнитивные показатели в APP23 модели БА на мышах	[64]
ISRIB предотвращает опосредованное ф-eIF2α нарушение долговременной памяти на острой модели БА у мышей	[51]
ISRIB восстанавливает функцию синапсов и память на модели БА у трансгенных мышей	[51]
ISRIB уменьшает Aβ-индуцированные маркеры стресс эндоплазматического ретикулума, нейродегенерации и нейровоспаления в модели введения Aβ в желудочки мозга крысам	[71]
ISRIB не смог восстановить нарушения памяти в APP/PS1 и APP J20 моделях БА на мышах	[81, 82]
Болезнь Паркинсона (БП)
↑ ф-eIF2α и ф-PERK в мозге людей с БП	[83–85]
↑ ф-eIF2α в мононуклеарных клетках крови пациентов с семейными и спорадическими формами БП	[86]
↑ ф-eIF2α, ф-PERK и ATF4 в генетических и фармакологичеких моделях БП на грызунах	[83, 87–89]
↑ ф-eIF2α в pink1- и parkin-мутантных дрозофилах	[90]
↑ ф-eIF2α и ↑ ф-PERK в культуре астроцитов крысы со сверхэкспрессией α-синуклеина	[91]
↑ ф-eIF2α и ↑ CHOP в клеточной модели БП со сверхэкспрессией α-синуклеина	[92]
Гуанабенз (ингибирует фосфатазу eIF2α) способствует выживанию нейронов мыши в различных моделях БП	[93]
GSK2606414 показал нейропротекторный эффект в ряде моделей БП на мышах	[83]
Нейропротекторный эффект салубринала в ротенон-индуцированной модели БП на крысах	[88]
Ингибитор PKR C-16 снижает активацию ATF4 и смерть дофаминергических нейронов в моделях БП на мышах	[89]
Болезнь Хантингтона (БХ)
↑ ф-eIF2α в полосатом теле в модели N171-82Q-трансгенных мышей	[94]
↑ ф-eIF2α в клеточной модели БХ	[95, 96]
↑ ATF4 мРНК и уровень белка в клеточной модели БХ	[97]
ISRIB снижает клеточную смерть в культуре клеток полосатого тела STHdhQ111-трансгенных мышей	[98]
GSK2606414 восстанавливает пространственную память и память распознавания, а также восстанавливает плотность дендритных шипов в пирамидных нейронах CA1 в модели мышей R6/1	[99]
Активатор PERK, MK-28, восстанавливает моторные и исполнительные функции, а также увеличивает продолжительность жизни в модели R6/2 мышей	[100]
Ингибитор фосфатазы eIF2α салубринал оказывает нейропротекцию в клеточной модели БХ	[96]
Боковой амиотрофический склероз (БАС)
↑ ф-eIF2α в образцах спинного мозга людей с БАС	[101]
↑ ф-eIF2α и ф-PKR в образцах коры головного мозга больных C9ORF72-обусловленным БАС	[102]
↑ ATF4 в спинном мозге пациентов со спорадическим и семейным БАС	[103]
Сигнальный путь ИОС способствует трансляции интронных повторов, вовлеченных в патогенез БАС	[104]
↑ ATF4 мРНК в спинном мозге в модели SOD1-мутантных мышей	[105]
Активация PERK в моторных нейронах SOD1-мутантных мышей	[106]
↑ ф- eIF2α и ф-PERK в SOD1-мутантных клетках нейробластомы	[107]
GSK2606414 снизил клеточную смерть в модели БАС на культуре нейронов	[108]
Гетерозиготный нокаут гена PERK усиливает течение болезни в модели mtSOD1 трансгенных мышей	[109]
Нокаут гена ATF4 способствует увеличению продолжительности жизни SOD1-мутантных мышей	[110]
Sephin1 (ингибитор фосфатазы eIF2α) нивелировал поведенческие, морфологические и молекулярные изменения у SOD1-мутантных мышей	[111]
Гуанабенз показал нейропротекцию в модели mtSOD1-трансгенных мышей через ингибирование фосфатазы eIF2α	[112]
Салубринал снижает патогенез у SOD1-мутантных мышах	[113]
ISRIB улучшил выживание SOD1-G93A трансгенных нейронов	[114]
ISRIB-подобные 2BAct и PRXS571 ухудшают течение болезни у SOD1-G93A трансгенных мышей	[115]
↑ ф-eIF2α в областях поражения мозга людей с РС	[116]
Рассеянный склероз (РС)
↑ ATF4, CHOP и биомаркеров стресса эндоплазматического ретикулума в мозге людей с РС	[117–119]
↑ ф-eIF2α, ATF4 и CHOP в культуре человеческих олигодендроцитов под воздействием РС-релевантных стрессоров	[120]
Активация PERK-eIF2α-CHOP пути в нейронах оптических нервов в модели аутоиммунного энцефаломиелита на мышах	[121]
↑ ф-eIF2α, ф-PERK и маркеров в ганглиях дорсальных корешков мыши в модели аутоиммунной энцефалопатии	[122]
↑ ф-eIF2α в олигодендроцитах мыши в модели ЦНС-специфичной сверхэкспрессии интерферона-γ	[123]
↑ GADD34 в олигодендроцитах мыши в модели ЦНС-специфичной сверхэкспрессии интерферона-γ	[124]
↑ ф-eIF2α в культуре олигодендроцитов в модели воспалительного стресса	[125]
Интерферон-γ вызывает фосфорилирование ф-eIF2α и увеличение маркеров апоптоза в культуре олигодендроцитов	[123]
Нейропротекторный эффект интерферон-γ-опосредованного увеличения ф-PERK и ф-eIF2α в олигодендроцитах мышей в модели аутоиммунной энцефалопатии	[126, 127]
Нейропротекторный эффект инактивации гена GADD34 в модели интерферон-γ-опосредованной димиелинизации	[124]
Делеция гена фосфатазы eIF2α GADD34 приводит к облегчению патологии в модели аутоиммунной энцефалопатии на мышах	[125]
Инактивация гена PERK в олигодендроцитах мыши приводит к снижению ф-eIF2α, потере олигодендроцитов, димиелинизации и деградации аксонов в модели аутоиммунной энцефалопатии	[128]
Индуцированная гиперактивация PERK в олигодендроцитах способствует нейропротекции и ремиелинизации в культурах клеток и моделях РС на мышах	[129]
Гетерозиготный нокаут гена PERK ухудшает течение патологии в модели ЦНС-специфичной сверхэкспрессии интерферона-γ	[123, 130]
ISRIB восстановил рост отростков и снизил клеточную смерть олигодендроцитов в условиях РС-релевантного стресса	[120]
Sephin1 ингибировал образование олигодендроцитами отростков в условиях стресса	[120]
Sephin1 увеличил ф-eIF2α в культуре олигодендроцитов в модели воспалительного стресса, а также показал нейропротекторный эффект в модели аутоиммунной энцефалопатии на мышах	[125]
Салубринал увеличил ф-eIF2α, снизил гипомиелинизацию и потерю олигоденроцитов в срезах гиппокампа после воздействия интерферона-γ	[124]
Гуанабенз увеличивает ф-eIF2α, снижает интерферона-γ-индуцированную потерю олигодендроцитов и димиелинизацию в культуре клеток, а также в моделях РС на мышах	[131]
Травматическое поражение мозга (ТПМ)
↑ ф-eIF2α, ф-PERK, ATF4 и других маркеров ИОС в различных областях мозга в моделях ТПМ на мышах и крысах	[46, 132–158]
↓ ф-eIF2α и ATF4 в модели мягкого ТПМ на мышах	[159]
Условный нокаут гена PERK в олигодендроцитах приводит к гиперактивации ИОС и большему разрушению белого вещества в результате травмы спинного мозга	[160]
Салубринал снижает нейроапоптоз в модели латерального удара (ТПМ) у крыс	[134]
Салубринал улучшает поведенческие показатели в модели ТПМ, вызванного контузией, на крысах	[138]
Салубринал снижает маркеры стресса эндоплазматического ретикулума, аутофагии и апоптоза в модели кортикального удара на мышах	[142]
Салубринал улучшил когнитивные показатели и снизил смерть нейронов в модели мягкого ТПМ у мышей	[159]
Салубринал снижает маркеры апоптоза и нормализовал импульсивное поведение в модели ТПМ, вызванной взрывом	[152]
Гуанабенз увеличил ф-eIF2α и улучшил поведенческие параметры в модели контролируемого кортикального удара	[135]
GSK2606414 снижает потерю нейронов и улучшил контекстуальную дискриминацию в модели контролируемого кортикального удара на мышах	[140]
GSK2606414 снижает экспрессию маркеров ИОС и нейрональный апоптоз в модели хирургической травмы мозга на крысах	[145]
GSK2656157 предотвращает потерю дендритных шипиков и нормализует нарушение памяти в модели контролируемого кортикального удара на мышах	[161]
ISRIB восстановил функцию долговременной памяти, а также нормализовал нарушение долговременной потенциации в модели фокальной контузии на мышах	[46]
ISRIB снижает нейрональный апоптоз и способствовал нормализации локомоторной функции в модели травмы спинного мозга на мышах	[151]
ISRIB снижает нейровоспаление и нормализовал поведенческие нарушения в модели травмы спинного мозга	[162]
ISRIB снижает ферроптоз и повреждение белого вещества в модели контролируемого кортикального удара на крысах	[163]
ISRIB нормализовал импульсивное поведение и синаптическую функцию в модели многократного ТПМ на мышах	[164]
ISRIB нормализовал локомоторные и когнитивные нарушения в модели ТПМ на рыбах зебраданио (zebrafish, Danio rerio)	[165]

 

В то время как участие ИОС в перечисленных патологиях подробно описано [42, 50, 166–168], гораздо менее изучен, и поэтому нуждается в систематизации, вопрос о роли системы ИОС в наиболее распространенных психических расстройствах мозга, в том числе депрессии, тревоге, шизофрении, биполярном расстройстве, посттравматическом стрессовом расстройстве и зависимости от психоактивных веществ. Отдельное внимание в работе будет также уделено экспериментальным данным о перспективах фармакологической модуляции ИОС в контексте данных патологий.

МОДУЛЯТОРЫ КАСКАДОВ ИОС

Ингибитор интегрированного ИОС (ISR inhibitor, ISRIB) – относительно недавно синтезированная экспериментальная малая молекула (рис. 2), оказывающая ингибирующее воздействие на путь клеточного ИОС [169, 170]. ISRIB оказывает свое действие, высокоспецифично связываясь с eIf2B (β-субъединицей эукариотического фактора инициации трансляции-2), способствуя его димеризации, в результате чего увеличивается эффективность eIf2B как фактора обмена нуклеотидов, а eIf2B становится нечувствительным к фосфолированию eIF2α (Рис. 2). Таким образом, ISRIB блокирует негативный эффект фосфорилирования eIF2α на трансляцию, что препятствует развитию ИОС, воздействуя напрямую на основной активирующий его механизм [169].

 

Рис. 2. Механизмы действия препаратов-модуляторов ИОС. PERK — PKR-подобная киназа эндоплазматического ретикулума; eIF2α — эукариотический фактор инициации трансляции 2α; ATF4 — активирующий транскрипционный фактор 4; GADD34 — регуляторная субъединица протеинфосфатазы 1 15а; PP1 — протеинфосфатаза 1.

 

Салубринал (рис. 2) – еще один новый экспериментальный препарат-модулятор ИОС [171, 172]. Основной механизм его действия связан с ингибированием формации комплекса GADD34:PP1, состоящего из серин/треониновой протеинфосфатазы (PP1) и регуляторной субъединицы (GADD34), выступающего PP1 регулирующей субъединицей 15А [173–176]. Это приводит к ингибированию дефосфорилирования eIF2α и, как следствие, - к непрямой активации ИОС. Аналогичный механизм действия наблюдается и у некоторых других, родственных салубриналу препаратов, в частности Sal003 и Sephin1 [125, 177–180]. Третьим ключевым классом препаратов, оказывающих выраженное влияние на ИОС, являются ингибиторы PERK, в частности GSK2606414 и GSK2656157 (рис. 2) [181–183]. В отличие от обсуждаемых выше препаратов, ингибиторы PERK оказывают стимулирующее воздействие на ИОС, и их использование в экспериментальной практике связано преимущественно с возможностью подавления роста опухолей [184, 185].

ИОС В ПСИХИЧЕСКИХ ПАТОЛОГИЯХ ЦНС

Большое депрессивное расстройство

Большое депрессивное расстройство представляет собой широко распространенное и клинически гетерогенное психическое заболевание со сложной этиологией и высокой устойчивостью к терапии. Основными симптомами депрессии являются продолжительное снижение настроения и мотивации, нарушение когнитивных функций, а также вегетативные симптомы, такие как расстройства сна и аппетита [186]. В патогенез депрессии вовлечены также нейровоспаление [187], окислительный стресс [188] и стресс эндоплазматического ретикулума [189], каждый из которых, как указывалось выше, способен запускать ИОС. И хотя клинических исследований, указывающих на активацию ИОС в депрессии, довольно мало, описано увеличение экспрессии ATF4 в посмертных образцах префронтальной коры больных депрессией, погибших в результате суицида [190], и в периферических образцах мононуклеарных клеток крови больных с депрессией [191, 192]. Кроме того, результаты исследований полногеномных ассоциаций указывают на потенциальную взаимосвязь с риском возникновения депрессии интронного варианта гена EIF2B (который кодирует регуляторную субъединицу комплекса eIF2) [193], полиморфизма связывающего транскрипционный фактор домена гена EIF2AK1 (который кодирует eIF2α-киназу HRI) [194], а также полиморфизм регуляторной области гена ATF4 [195].

Данные, полученные в экспериментальных моделях депрессии на животных, также указывают на возможную активацию ИОС при депрессивном патогенезе. В модели хронического социального поражения на мышах наблюдается увеличение уровня фосфорилированных форм PERK и eIF2α в гиппокампе [196]. Активация PERK-eIF2α пути может ингибировать фактор CREB, что приводит к подавлению экспрессии BDNF, наблюдаемому в данной модели [196]. Аналогично, признаки активации ИОС были обнаружены в моделях депрессии у крыс, основанных на умеренном непредсказуемом стрессе, приводя к увеличению фосфорилирования PERK и eIF2α в гиппокампе, а также увеличению уровня белков ATF4 и фосфорилированной формы eIF2α в префронтальной коре [192] на фоне депрессивно-подобного поведения в тестах предпочтения сахарозы и вынужденного плавания. У самцов крыс линии Wistar, подвергнутых воздействию мягких стрессоров (белый шум, стробоскопическое освещение, фиксацию, плавание в горячей и холодной воде и др.) в течение 6 недель [197] также описано депрессивно-подобное поведение на фоне увеличения содержания фосфорилированных форм PERK и eIF2α в образцах гиппокампа, а серотонергический антидепрессант – селективный ингибитор обратного захвата серотонина (СИОЗС) флуоксетин - нормализует изменения в фосфорилировании PERK и eIF2α в гиппокампе. Наконец, у самок крыс линии Wistar, 6-недельный протокол хронического непредсказуемого стресса вызывает увеличение экспрессии гена ATF4 в префронтальной коре животных, которое снимается другим СИОЗС (сертралином) [198]. Это позволяет предположить, что подавление активности eIF2α-сигналинга может быть связано с механизмами терапевтического эффекта антидепрессантов группы СИОЗС.

В другой модели депрессивно-подобное состояние у крыс индуцировалось инъекциями липополисахарида, что также привело к активации киназы PERK в гиппокампе, но не в префронатльной коре [199]. При этом введение крысам ISRIB снижает вызванное липополисахаридом нейровоспаление, а также показатели депрессивно-подобного поведения [199]. Наконец, на двух моделях депрессии на мышах — липополисахарид-индуцированного нейровоспаления и кортикостерон-индуцированного стресса — показано увеличение фосфорилирования eIF2α в серотонинергических нейронах ядрер шва [200] на фоне снижения уровня BDNF, увеличения содержания белков, связанных со стрессом эндоплазматического ретикулума, а также тревожно- и депрессивно-подобного поведения [200]. Инъекции туникамицина — соединения, вызывающего стресс эндоплазматического ретикулума и, как следствие, активацию ИОС — в дорсальные ядра шва мышей также увеличивают уровень ф-eIF2α в дорсальных ядрах шва и депрессивно-подобное поведение мышей. Локальные инъекции туникамицина в ядра шва изменяют экспрессию генов, связанных с нейропластичностью (таких как BDNF, его рецептор TrkB, нейритин и другие), а также снижают серотонин-опосредованную нейротрансмиссию в различных других областях мозга [200].

Инъекции ISRIB, наоборот, блокируют вызванные туникамицином изменения экспрессии генов синаптических белков, а также предотвращают депрессивное поведение животных [200]. В то же время введение салубринала (ингибитора eIF2α и активатора ИОС) усиливает эффект туникамицина на перечисленные параметры [200]. Интересно, что кетамин - ингибитор N-метил-D-аспартатных (NMDA) рецепторов глутамата, рассматриваемый в качестве быстродействующего антидепрессанта, также нормализует индуцированные туникамицином изменения уровня ф-eIF2α и поведения [200], позволяя допустить, что увеличение фосфорилирования eIF2α и активация ф-eIF2α-опосредованного сигналинга в дорсальных ядрах шва может отвечать за нарушения нейротрансмиссии, нейропластичности и поведения, наблюдаемые в экспериментальных моделях [200]. В целом, несмотря на нехватку клинических данных, исследования в моделях на животных свидетельствуют о том, что ИОС и особенно PERK-eIF2α сигналинг могут играть важную роль в патогенезе депрессии, открывая новые возможности для использования препаратов, нацеленных на систему ИОС, в качестве возможных антидепрессантов.

Шизофрения

Шизофрения представляет собой распространенное гетерогенное заболевание со сложной этиологией, возникающее в результате комбинации генетической предрасположенности и факторов окружающей среды [201]. К числу симптомов шизофрении относятся позитивные (бред и галлюцинации), а также негативные (отсутствие мотивации, социальная изоляция и когнитивные нарушения) [202]. Роль ИОС в патогенезе этого заболевания остается малоизученной, однако, свидетельства участия ИОС в шизофрении можно найти в генетических исследованиях, клинических данных, а также в экспериментальных моделях этого заболевания. Так, определенные мононуклеотидные мутации в гене ATF4 сопряжены с шизофренией у мужчин, но не у женщин в Китае [203]. По данным общегеномной ассоциации >13000 случаев болезни показана связь шизофрении с геном EIF2AK2, кодирующим киназу eIF2α HRI [204]. Протеомный анализ префронтальной коры больных шизофренией показывает увеличение содержания другой киназы eIF2α — GCN2 [205]. На нейросферах из клеток обонятельного эпителия больных шизофренией так же показано снижение глобального синтеза белка и снижение содержания рибосомальных белков. Последующий анализ путей дифференциально экспрессируемых белков и мРНК транскриптов в нейросферах показал обогащение пути, связанного с eIF2α сигналингом. Исследования клеток крови больных шизофренией показывают увеличение фосфорилирования eIF2α в лимфоцитах [206] и фракции мононуклеарных клеток крови [207], указывая на возможную системную активацию ИОС.

Признаки активации ИОС также описаны в моделях шизофрении на мышах. Так, в модели пренатального воздействия полирибоинозиновой-полирибоцитидиловой кислоты (иммуностимулянт, вызывает шизофрено-подобные изменения у потомства) наблюдается увеличение отношения ф-eIF2α/eIF2α в гиппокампе и префронтальной коре [206]. В другой модели мыши с условным нокаутом гена CACNA1C (кодирующего кальциевый канал Cav1.2, ассоциированный с шизофренией и биполярным расстройством) в эксайторных глутаматергических нейронах префронтальной коры [208] демонстрируют повышенную тревожность и нарушения социального поведения, а также снижение синтеза белка и увеличение ф-eIF2α в префронтальной коре, тогда как ISRIB восстанавливает синтез белка и нормализует поведенческие нарушения в данной модели [208]. С использованием культуры кортикальных нейронов с мутантным геном DISC1 (Disrupted In Schisophrenia 1, ассоциирован с шизофренией) отмечается накопление ATF4 в ядрах клеток и ATF4-индуцированные изменения экспрессии ряда генов, приводящих к нарушению синаптической функции [209]. Структурный анализ показал, что мутации в гене DISC1 препятствуют образованию комплекса DISC1-ATF4, что приводит к нарушению DISC1-опосредованного подавления активности ATF4 [209]. Генетическое подавление экспрессии ATF4 (гетерозиготная мутация ATF4) нормализует синаптическую функцию, восстанавливая плотность синаптических контактов, повышая среднюю частоту спонтанных разрядов и количество активных нейронных соединений. Напротив, усиление экспрессии ATF4 в культуре немутантных нейронов приводит к транскриптомным изменениям и снижению синаптической возбудимости, аналогичным наблюдаемым в DISC1-мутантных клетках. Это указывает на ключевую роль фактора ATF4 в патогенезе DISC1-опосредованной шизофрении, и поднимает вопрос о роли ИОС-опосредованной активации ATF4 в других формах этого заболевания (например, анализ образцов коры мозга пациентов с шизофренией показывает снижение ключевых компонентов ИОС — PERK и ATF4 [210]).

Более того, мыши с условным нокаутом гена PERK в коре мозга демонстрируют ряд шизофрено-подобных поведенческих нарушений, связанных с обработкой информации и поведенческой гибкостью, а также снижение уровней ф-eIF2α и ATF4 в префронтальной коре [210]. Содержание ф-eIF2α и ATF4 в префронтальной коре пожилых людей с шизофренией не отличается от контроля [211]. В целом, противоречивость представленных данных может быть связана с большой клинической гетерогенностью шизофрении, а также с различиями животных моделей, используемых в работах. Поэтому, несмотря на растущее количество данных в пользу участия ИОС в шизофрении, конкретная роль этого пути в ее патологии остается неясной и требует дальнейшего изучения.

Биполярное расстройство

Биполярное расстройство (БР) характеризуется повторяющимися эпизодами повышенного настроения и депрессии, которые связаны с характерными когнитивными, физиологическими и поведенческими симптомами [212]. На данный момент существуют лишь косвенные данные о возможной роли ИОС в патогенезе БР. Так, на модели клеточной культуры лимфоцитов человека туникамицин (как активатор стресса эндоплазматического ретикулума) стимулирует фосфорилирование eIF2α в контрольной группе, но не в лимфоцитах больных БР [213]. Отсутствие нормальной реакции на туникамицин сопровождается повышенной смертностью клеток, причем этот эффект наблюдается только для лимфоцитов пациентов на поздней стадии заболевания. Эти данные позволяют допустить роль дисфункций ИОС в БР.

Кроме того, на периферических клетках больных БР показано увеличение маркеров стресса эндоплазматического ретикулума [213–216], однако остается неизвестным, сопряжены ли эти изменения с фосфорилированием eIF2α и активацией ИОС. Наконец, недавний генетический анализ открытых баз данных геномов больных БР с использованием метода менделевской рандомизации на предмет связи генов компонентов ИОС пути с БР [217] выявил значимые ассоциации БР с геном EIF2B5, кодирующим субъединицу фактора eIF2B (молекулярную мишень ISRIB), а также с геном EIF2AK4, кодирующим GCN2 - киназу eIF2α.

Посттравматическое стрессовое расстройство

Посттравматическое стрессовое расстройство (ПТСР) возникает в результате сильного травмирующего события, и сопровождается долговременными психическими, нейроэндокринными и нейрофизиологическими нарушениями [218]. Данные об участии ИОС в патогенезе ПТСР в настоящее время ограничиваются моделями на животных с использованием однократного пролонгированного стресса у крыс, где показано увеличение содержания ф-eIF2α и ф-PERK, а также нескольких маркеров стресса эндоплазматического ретикулума в префронтальной коре [219, 220] и накопление в ядрах нейронов префронтальной коры белков ATF4 и CHOP на фоне увеличения апоптоза и поведенческих нарушений, связанных со способностью крыс к обучению и памяти [219]. Интересно, что ингибитор PERK GSK2606414 восстанавливает как изменения уровня белков, так и поведенческие нарушения, наблюдаемые в данной модели ПТСР [219]. В целом, эти данные указывают на PERK-зависимую гиперактивацию ИОС в данной модели, однако для однозначного вывода о роли ИОС в ПТСР необходимы дальнейшие исследования с использованием других моделей, а также более обширные и систематические клинические данные.

Зависимость от психоактивных препаратов

Зависимость от употребления самых разных классов психоактивных веществ имеет сходные нейробиологические механизмы – долгосрочные молекулярные и клеточные изменения нейронов мезолимбической дофаминергической системы [221]. Недавно показано, что ИОС играет активную роль в этих процессах. Так, в моделях условно-рефлекторного предпочтения места (УРПМ) и самостимуляции кокаином и морфином у крыс воздействие стимула, ассоциированного с наркотиком, вызывает снижение ф-eIF2α и ATF4 в базолатеральной миндалине [222], тогда как инъекции Sal003 (ингибитора фосфатазы eIF2α) в эту область мозга подавляет поведение, направленное на ассоциированные с наркотиками стимулы, а снижение экспрессии гена ATF4 путем РНК-интерференцией блокирует эффект Sal003. Инъекции последнего в прилежащее ядро крыс приводит к подавлению поведения, направленного на поиск наркотика в модели отмены кокаина [223]. У мышей, кокаин [224, 225], никотин [226], алкоголь и метафметамин [224] снижают уровень фосфорилирования eIF2α в вентральной области покрышки (ВОП) — ключевой зоны мозга, вовлеченной в формирование зависимости [227]. Интересно, что молодые мыши-подростки, характеризующихся сниженным отношением ф-eIF2α/eIF2α в ВОП, проявляют большую предрасположенностью к возникновению зависимости от кокаина и никотина [224, 226]. Более того, у молодых мышей кокаин и никотин способны вызывать долговременную потенциацию в нейронах ВОП (один из механизмов формирования зависимости) в меньших дозах, по сравнению со взрослыми [224, 226].

Генетическое подавление фосфорилирования eIF2α в ВОП (замена Ser51 на аланин в одном из аллелей гена Eif2s1) приводит к снижению порога долговременной потенциации никотином и кокаином в нейронах ВОП у взрослых мышей, до уровня сопоставимого с наблюдаемым у подростков [224, 226]. При этом введение активатора ИОС Sal003 в ВОП ингибирует эффект кокаина на долговремменную потенциацию, а также снизило показатели аддиктивного поведения у мышей-подростков [224].

Напротив, ISRIB усиливает эффект кокаина и никотина на долговременную потенциацию, а также способствовал формированию аддиктивного поведения [225]. Введение агониста каннабиноидных рецепторов WIN 55,212-2 крысам также снижает фосфорилирование eIF2α в прилежащем ядре подростков, но не взрослых особей [228], тогда как WIN 55,212-2 и кокаин усиливают поведенческие эффекты друг друга (кросс-сенситизация) у крыс-подростков [228]. Вовлеченность eIF2α сигналинга в патогенез зависимости также подтвержает то, что у людей генетическая предрасположенность к курению связана с полиморфизмом гена Eif2s1, кодирующего eIF2α [226]. Таким образом, ингибирование ИОС в нейронах мезолимбической системы играет важную роль в формировании зависимости от самых разных наркотиков, а подавление ф-eIF2α сигналинга может быть ключевым фактором, определяющим большую предрасположенность молодых особей к наркотикам.

Хроническое воздействие морфина увеличивает содержание ф-eIF2α в коре головного мозга крыс, что сопровождалось апоптотическими изменениями морфологии клеток [229], а системные инъекции морфина повышают уровень ф-eIF2α в спинном мозге крыс и увеличивают экспрессию маркеров апоптоза и стресса эндоплазматического ретикулума [230]. Многократное введение амфетамина увеличивает фосфорилирование ф-eIF2α и снижает общий уровень синтеза белка в стриатуме мышей [231], а однократное воздействие высокой дозы метамфетамина и амфетамина - повышает уровень ф-eIF2α в гиппокампе мышей [232] и стриатуме крыс [233]. Данные наблюдения указывают на то, что патологические изменения в мозге, вызываемые наркотическими препаратами (в том числе опиатами и амфетамином), сопряжены с активацией системы ИОС.

ОБСУЖДЕНИЕ

ИОС представляет собой важный защитный механизм, направленный на поддержание клеточного гомеостаза в стрессовых условиях. При этом изменения в активации eIF2α-сигналинга могут иметь как адаптивный, так и патогенный эффект в зависимости от контекста и степени активации ИОС. В краткосрочной перспективе этот механизм способствует выживанию клеток, снижая общий уровень синтеза белков и перераспределяя ресурсы для восстановления гомеостаза. Однако хроническая активация этого пути может вызвать программируемую клеточную смерть через такие медиаторы, как ATF4 и CHOP, что может приводить к нейрональной дисфункции и гибели клеток, описанных при болезни Альцгеймера, Паркинсона и других нейродегенеративных расстройствах. В то же время, для психических заболеваний функциональное значение сигнальных каскадов ИОС остается неясным. С одной стороны, приведенные выше данные указывают на вовлеченность компонентов ИОС в патогенез психических расстройств, таких как депрессия, шизофрения, биполярное расстройство, аддикции и ПТСР. Более того, модуляторы ИОС, такие как ISRIB и салубринал, показывают терапевтическую эффективность в некоторых моделях этих заболеваний. С другой стороны, нельзя исключать вероятность того, что изменения в eIF2α-сигналинге являются не причиной, а следствием общей клеточной дисрегуляции в условиях патологии. Важно также отметить, что большая часть приведенных данных получена с использованием моделей на животных, внося определенные ограничения в их интерпретацию. Во-первых, такие модели не всегда полностью отражают сложность и многокомпонентность психических заболеваний у человека. Патогенез депрессии или шизофрении у людей часто включает широкий спектр факторов, таких как генетические, социальные и биохимические компоненты, которые трудно воспроизвести в экспериментах на животных. Во-вторых, значимость ИОС в моделях нейродегенерации и психических расстройств у грызунов может варьироваться в зависимости от использованных методов и экспериментальных условий. Например, активация ИОС в гиппокампе у крыс в модели хронического непредсказуемого стресса может быть реакцией на хронический стресс, но не обязательно означать, что данный каскад является первопричиной заболевания.

Кроме того, вопрос о целесообразности искусственной модуляции активности eIF2α сигналинга в условиях патологии остается открытым. С одной стороны, препараты, такие как ISRIB и салубринал, демонстрируют потенциал в улучшении поведенческих и нейрофизиологических показателей в некоторых моделях рассматриваемых патологий. С другой стороны, искусственное ингибирование или стимуляция eIF2α сигналинга могут иметь непредсказуемые последствия для общего клеточного гомеостаза, особенно в условиях сложных многокомпонентных патологий ЦНС. В целом, несмотря на потенциальную важность ИОС в патогенезе психических расстройств, текущие данные остаются фрагментарными, а вопрос о том, является ли ИОС ключевым механизмом или же сопутствующим звеном в более широкой сети патофизиологических изменений, остается открытым. Будущие исследования должны быть сосредоточены на интеграции знаний о роли ИОС с другими сигнальными каскадами и на разработке терапевтических стратегий, нацеленных на точное и контролируемое вмешательство в этот путь.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ИОС в мозге является важным механизмом адаптации клеток к стрессу, влияющим на нейрональную активность и участвующим в патогенезе ряда заболеваний ЦНС. На фоне психических расстройств может наблюдаться как активация (при депрессии и ПТСР), так и ингибирование (в некоторых моделях биполярного расстройства, шизофрении и зависимости) ИОС. Таким образом, нацеленные на различные компоненты системы ИОС фармакологические агенты, такие как ISRIB и салубринал, представляют собой перспективные терапевтические средства, способные модулировать негативные эффекты активации или ингибирования ИОС, модулируя симптомы психических заболеваний. В целом, будущие исследования могут быть направлены на дальнейшее выяснение специфических ролей путей ИОС в психических расстройствах и разработку целенаправленных терапий для смягчения их пагубных эффектов и предотвращения развития нежелательных побочных эффектов, связанных с дерегуляцией ИОС. Понимание сложного взаимодействия между стрессовыми реакциями клетки и патогенезом психических расстройств будет способствовать продвижению стратегий лечения этих состояний.

ВКЛАДЫ АВТОРОВ

Идея статьи (А.В.К., Н.П.И.,), подготовка черновика статьи (Н.П.И., В.С.Н., А.В.К.), редактирование и подготовка финальной версии (Н.П.И., А.В.К.)

ИСТОЧНИКИ ФИНАНСИРОВАНИЯ

Настоящая работа финансово поддержана средствами Санкт-Петербургского государственного университета (проект 93020614).

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют об отсутствии явных и потенциальных конфликтов интересов.

About the authors

N. P. Ilyin

Institute of Translational Biomedicine, Saint Petersburg State University; Almazov National Medical Research Centre

Email: avkalueff@gmail.com
Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

V. S. Nikitin

Neurobiology, Scientific Center for Genetics and Life Sciences, Sirius University of Science and Technology

Email: avkalueff@gmail.com
Russian Federation, Sochi

A. V. Kalueff

Institute of Translational Biomedicine, Saint Petersburg State University; Almazov National Medical Research Centre; Neurobiology, Scientific Center for Genetics and Life Sciences, Sirius University of Science and Technology

Author for correspondence.
Email: avkalueff@gmail.com
Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg; Sochi

References

Supplementary files