Геномные исследования механизмов нейродегенерации при болезни Паркинсона, ассоциированной с дисфункцией глюкоцереброзидазы на клеточных и животных моделях
- Авторы: Пчелина С.Н.1,2, Безрукова А.И.1, Руденок М.М.1, Журавлев А.С.1, Рыболовлев И.Н.1, Байдакова Г.В.3, Нестеров М.С.4, Абаимов Д.А.5, Усенко Т.С.1, Захарова Е.Ю.3, Емельянов А.К.1,2, Шадрина М.И.1, Сломинский П.А.1
-
Учреждения:
- Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
- Первый Санкт-Петербургский Государственный медицинский университет им. акад. И.П. Павлова
- Медико-генетический научный центр
- Научный центр биомедицинских технологий ФМБА России
- Научный центр неврологии
- Выпуск: Том 18, № 4 (2023)
- Страницы: 528-531
- Раздел: Материалы конференции
- URL: https://journals.rcsi.science/2313-1829/article/view/256262
- DOI: https://doi.org/10.17816/gc623253
- ID: 256262
Цитировать
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Только для подписчиков
Аннотация
Мутации в гене глюкоцереброзидазы (GBA1), кодирующем лизосомный фермент глюкоцереброзидазу (GCase), являются причиной развития аутосомно-рецессивного заболевания, болезни Гоше и фактором высокого риска болезни Паркинсона (БП). Риск развития БП у носителей гомо- и гетерозиготных мутаций гена GBA1 возрастает в 8–10 раз, однако не у всех носителей мутаций развивается БП в течение жизни. В то же время GBA-ассоциированная форма БП (GBA-БП) составляет от 10 до 30% от всех форм паркинсонизма. Механизм развития GBA-БП остаётся неизвестными. Нами и другими авторами было показано снижение активности GCase и накопление лизосфинголипидов у пациентов с GBA-БП как в периферической крови, так и клетках мозга [1, 2]. Предполагается, что дисфункция GCase может приводить к нарушению аутофагии и накоплению белка альфа-синуклеина, олигомеризация которого является ключевым процессом нейродегенерации при БП.
С целью изучения влияния дисфункции глюкоцереброзидазы (GCase) на нейродегенерацию дофаминергических нейронов (ДА-нейроны) используются различные подходы, сочетающие моделирование паркинсонизма с дисфункцией GCase на мышах [3, 4]. В настоящем исследовании нами впервые проведена оценка активности GCase, уровня лизосфинголипидов, степени нейродегенерации нейронов чёрной субстанции (ЧС) компактной (ЧСкч) и ретикулярной (ЧСрч) частей, уровня дофамина и альфа-синуклеина (общего, олигомерного) в мозге модельных мышей с пресимптоматической стадией паркинсонизма, которым вводился нейротоксина 1-метил-4-фенил-1,2,3,6-тетрагидропиридина (MPTP) (МPTP-индуцированная пресимптоматическая стадия паркинсонизма (двукратное введение в дозе 12 мкг/кг c интервалом в 2 часа)) в сочетании с однократным введением селективного ингибитора GCase кондуритол-В-эпоксида (СВЕ) (100 мг/кг). Также нами проведено сопоставление транскриптома первичной культуры макрофагов пациентов с GBA-БП [5] и транскриптома ЧС головного мозга мышей двойной нейротоксической модели.
Исследование показало, что однократная инъекция СВЕ приводит к 50% снижению активности GCase и повышению уровня лизосфинголипидов в мозге мышей. Введение как МPTP, так и СВЕ приводило к увеличению уровня олигомерных форм альфа-синуклеина в стриатуме. При этом уровень нейродегенерации ДА нейронов ЧСкч, оценённый через 14 дней после инъекции путём иммуногистохимического окрашивания на тирозингидроксилазу (ТН), был сопоставим при введении МPTP и СВЕ — падение до 50 и 60%, соответственно. Двойная нейротоксическая модель характеризовалась более выраженным снижением концентрации дофамина, накоплением общего альфа-синуклеина в стриатуме и более выраженной нейродегенерацией ДА нейронов в ЧСрч (70% vs 45% при введении МPTP).
Сопоставление дифференциальной экспрессии генов в первичной культуре макрофагов пациентов с GBA-БП по сравнению с контролем выявило снижение экспрессии таких генов, связанных с нейрогенезом, как JUNB, NR4A2, EGR1. В то же время как в группе пациентов с GBA-БП (TRIM13, BCL6), так и в группе мышей с MPTP-индуцированным паркинсонизмом с дисфункцией GCase была выявлена активация генов, вовлечённых в PI3K-Akt-mTOR сигнальный путь, участвующий в регуляции аутофагии (Pdk4, Sgk, Ppp2r3d).
Полученные данные показывают, что дисфункция глюкоцереброзидазы, обусловленная введением животным CBE, может приводить к накоплению нейротоксических форм альфа-синуклеина и дейродегенерации ДА-нейронов, сопоставима с вариантом введения с небольшими дозами MPTP, при этом увеличивая накопление альфа-синуклеина и степень дисфункции нигростриарной ститемы при сочетанном введении. Сопоставление результатов транскриптомного анализа, проведённого в клетках пациентов с GBA-БП и мозга двойной нейротоксической мышиной модели (CBE+МPTP) выявило изменение экспрессии генов, вовлечённых в регуляцию процесса аутофагии. Подходы, направленные на увеличение активности GCase и аутофагии, могут быть эффективны при разработке нейропротекторных средств.
Ключевые слова
Полный текст
Мутации в гене глюкоцереброзидазы (GBA1), кодирующем лизосомный фермент глюкоцереброзидазу (GCase), являются причиной развития аутосомно-рецессивного заболевания, болезни Гоше и фактором высокого риска болезни Паркинсона (БП). Риск развития БП у носителей гомо- и гетерозиготных мутаций гена GBA1 возрастает в 8–10 раз, однако не у всех носителей мутаций развивается БП в течение жизни. В то же время GBA-ассоциированная форма БП (GBA-БП) составляет от 10 до 30% от всех форм паркинсонизма. Механизм развития GBA-БП остаётся неизвестными. Нами и другими авторами было показано снижение активности GCase и накопление лизосфинголипидов у пациентов с GBA-БП как в периферической крови, так и клетках мозга [1, 2]. Предполагается, что дисфункция GCase может приводить к нарушению аутофагии и накоплению белка альфа-синуклеина, олигомеризация которого является ключевым процессом нейродегенерации при БП.
С целью изучения влияния дисфункции глюкоцереброзидазы (GCase) на нейродегенерацию дофаминергических нейронов (ДА-нейроны) используются различные подходы, сочетающие моделирование паркинсонизма с дисфункцией GCase на мышах [3, 4]. В настоящем исследовании нами впервые проведена оценка активности GCase, уровня лизосфинголипидов, степени нейродегенерации нейронов чёрной субстанции (ЧС) компактной (ЧСкч) и ретикулярной (ЧСрч) частей, уровня дофамина и альфа-синуклеина (общего, олигомерного) в мозге модельных мышей с пресимптоматической стадией паркинсонизма, которым вводился нейротоксина 1-метил-4-фенил-1,2,3,6-тетрагидропиридина (MPTP) (МPTP-индуцированная пресимптоматическая стадия паркинсонизма (двукратное введение в дозе 12 мкг/кг c интервалом в 2 часа)) в сочетании с однократным введением селективного ингибитора GCase кондуритол-В-эпоксида (СВЕ) (100 мг/кг). Также нами проведено сопоставление транскриптома первичной культуры макрофагов пациентов с GBA-БП [5] и транскриптома ЧС головного мозга мышей двойной нейротоксической модели.
Исследование показало, что однократная инъекция СВЕ приводит к 50% снижению активности GCase и повышению уровня лизосфинголипидов в мозге мышей. Введение как МPTP, так и СВЕ приводило к увеличению уровня олигомерных форм альфа-синуклеина в стриатуме. При этом уровень нейродегенерации ДА нейронов ЧСкч, оценённый через 14 дней после инъекции путём иммуногистохимического окрашивания на тирозингидроксилазу (ТН), был сопоставим при введении МPTP и СВЕ — падение до 50 и 60%, соответственно. Двойная нейротоксическая модель характеризовалась более выраженным снижением концентрации дофамина, накоплением общего альфа-синуклеина в стриатуме и более выраженной нейродегенерацией ДА нейронов в ЧСрч (70% vs 45% при введении МPTP).
Сопоставление дифференциальной экспрессии генов в первичной культуре макрофагов пациентов с GBA-БП по сравнению с контролем выявило снижение экспрессии таких генов, связанных с нейрогенезом, как JUNB, NR4A2, EGR1. В то же время как в группе пациентов с GBA-БП (TRIM13, BCL6), так и в группе мышей с MPTP-индуцированным паркинсонизмом с дисфункцией GCase была выявлена активация генов, вовлечённых в PI3K-Akt-mTOR сигнальный путь, участвующий в регуляции аутофагии (Pdk4, Sgk, Ppp2r3d).
Полученные данные показывают, что дисфункция глюкоцереброзидазы, обусловленная введением животным CBE, может приводить к накоплению нейротоксических форм альфа-синуклеина и дейродегенерации ДА-нейронов, сопоставима с вариантом введения с небольшими дозами MPTP, при этом увеличивая накопление альфа-синуклеина и степень дисфункции нигростриарной ститемы при сочетанном введении. Сопоставление результатов транскриптомного анализа, проведённого в клетках пациентов с GBA-БП и мозга двойной нейротоксической мышиной модели (CBE+МPTP) выявило изменение экспрессии генов, вовлечённых в регуляцию процесса аутофагии. Подходы, направленные на увеличение активности GCase и аутофагии, могут быть эффективны при разработке нейропротекторных средств.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Источник финансирования. Работа выполнена в рамках государственного задания по теме: «Изучение молекулярных и клеточных компонентов патогенеза социально-значимых заболеваний для разработки методов ранней диагностики и лечения» (регистрационный номер № 121060200125-2).
Об авторах
С. Н. Пчелина
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»; Первый Санкт-Петербургский Государственный медицинский университет им. акад. И.П. Павлова
Автор, ответственный за переписку.
Email: sopchelina@hotmail.com
Россия, Москва; Санкт-Петербург
А. И. Безрукова
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Email: sopchelina@hotmail.com
Россия, Москва
М. М. Руденок
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Email: sopchelina@hotmail.com
Россия, Москва
А. С. Журавлев
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Email: sopchelina@hotmail.com
Россия, Москва
И. Н. Рыболовлев
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Email: sopchelina@hotmail.com
Россия, Москва
Г. В. Байдакова
Медико-генетический научный центр
Email: sopchelina@hotmail.com
Россия, Москва
М. С. Нестеров
Научный центр биомедицинских технологий ФМБА России
Email: sopchelina@hotmail.com
Россия, Московская область
Д. А. Абаимов
Научный центр неврологии
Email: sopchelina@hotmail.com
Россия, Москва
Т. С. Усенко
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Email: sopchelina@hotmail.com
Россия, Москва
Е. Ю. Захарова
Медико-генетический научный центр
Email: sopchelina@hotmail.com
Россия, Москва
А. К. Емельянов
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»; Первый Санкт-Петербургский Государственный медицинский университет им. акад. И.П. Павлова
Email: sopchelina@hotmail.com
Россия, Москва; Санкт-Петербург
М. И. Шадрина
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Email: sopchelina@hotmail.com
Россия, Москва
П. А. Сломинский
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Email: sopchelina@hotmail.com
Россия, Москва
Список литературы
- Kopytova A.E., Usenko T.S., Baydakova G.V., et al. Could Blood Hexosylsphingosine Be a Marker for Parkinson’s Disease Linked with GBA1 Mutations? // Movement Disorders. 2022. Vol. 37, N 8. P. 1779–1781. doi: 10.1002/mds.29132
- Menozzi E., Schapira A.H.V. Exploring the Genotype-Phenotype Correlation in GBA-Parkinson Disease: Clinical Aspects, Biomarkers, and Potential Modifiers // Frontiers in Neurology. 2021. Vol. 12. P. 694764. doi: 10.3389/fneur.2021.694764
- Yun S.P., Kim D., Kim S., et al. α-Synuclein accumulation and GBA deficiency due to L444P GBA mutation contributes to MPTP-induced parkinsonism // Molecular Neurodegeneration. 2018. Vol. 13, N 1. P. 1. doi: 10.1186/s13024-017-0233-5
- Mus L., Siani F., Giuliano C., et al. Development and biochemical characterization of a mouse model of Parkinson’s disease bearing defective glucocerebrosidase activity // Neurobiology of Disease. 2019. Vol. 124. P. 289–296. doi: 10.1016/j.nbd.2018.12.001
- Usenko T., Bezrukova A., Basharova K., et al. Comparative Transcriptome Analysis in Monocyte-Derived Macrophages of Asymptomatic GBA Mutation Carriers and Patients with GBA-Associated Parkinson’s Disease // Genes. 2021. Vol. 12, N 10. P. 1545. doi: 10.3390/genes12101545
Дополнительные файлы
