Биохимические механизмы нейродегенеративных заболеваний

Развитие нейродегенеративных заболеваний (НДЗ) связывают, прежде всего, с аккумуляцией патогенных конформеров белков (специфичных для каждого НДЗ) в определенной зоне мозга [19]. Так, в основе патогенеза болезни Альцгеймера (БА) лежит аккумуляция пептидов Ав₁₋₄₀ и Ав₁₋₄₂ — фрагментов амилоидного белка-предшественника [20], и тау-протеина [21], главным образом, в гиппокампе и коре больших полушарий мозга. Вне зависимости от природы белка с проагрегантными свойствами и локализации белковых агрегатов (внеили внутриклеточной), всем им присуща цитотоксичность, реализуемая путем изменения базовых биохимических параметров в поврежденных зонах мозга, преимущественно, баланса внутриклеточного кальция [15, 22−24].

Свой вклад в повреждение ЦНС и в дизрегуляцию Са²⁺ при острых и хронических НДЗ вносит феномен эксайтотоксичности — гиперстимуляции глутаматергических рецепторов, преимущественно рецепторов N-метил-D-аспартата (NMDA), которые являются Ca²⁺-каналами [24, 25]. Результирующий избыток Са²⁺ в цитоплазме вызывает персистентную «патологическую» активацию кальпаинов. Нерегулируемый гидролиз субстратов кальпаинов — структурных и регуляторных белков нервной ткани, в том числе проапоптотических, негативно сказывается на морфологии и функциях нейронов и приводит к подавлению базовых механизмов их выживания [14, 15, 26, 27]. Механизмы плейотропного действия кальпаинов в стимуляции нейрональной гибели рассмотрены в недавних обзорах [14, 28].

Предполагают, что изменения активности кальпаинов также могут влиять на секрецию в-амилоидных пептидов, вероятно, через активацию кальпаинами программируемой клеточной смерти — ПКС (Nixon and Mohan, 1999). Однако механизм такого возможного косвенного влияния кальпаинов на в-амилоидную секрецию еще не установлен. Достоверно показано, что кальпаины при болезни Альцгеймера расщепляют белок р35, отвечающий за нормальное развитие нервной ткани, до 25 кДа формы (р25), аккумулирующейся в мозге больных БА (Lee et al., 2000). Активированная 25 кДа форма киназы вызывает пролонгированную активацию циклин-зависимой киназы 5 (Cdk 5) (Kusakawa et al., 2000); в свою очередь, Cdk 5 отвечает за гиперфосфорилирование тау-протеина. Таким образом, р25 (продукт гидролиза кальпаинами) приводит, в конечном итоге, к гиперфосфорилированию тау-протеина и его аккумуляции в неупорядоченных внутриклеточных нейрофиламентах, которая регистрируется у пациентов с болезнью Альцгеймера (Selkoe, 2001). Гиперфосфорилирование придает тау-протеину, обычно легко расщепляемому кальпаинами (Guttmann and Johnson et al., 1999), высокую устойчивость к деградации м-кальпаином (Litersky and Johnson, 1992), так что неупорядоченные нейрофиламенты устойчивы к расщеплению кальпаинами.

Одной из установленных физиологических функций АРР является ингибирование активности Cdk5, осуществляемое внеклеточным N-концевым доменом АРР (Han et al., 2005). Вследствие этого, в нейронах дефицитных по АРР мышей снижен метаболизм, повышен уровень фосфорилирования тау-протеина, а также они более чувствительны к экзайтотоксическому глутамат-индуцированному апоптозу, механизм которого основан на активации Cdk5. Кроме того, поскольку белки нейрофиламентов являются превосходными субстратами кальпаинов, кальпаины могут играть важную роль в некротической гибели нейронов, которая сопровождает заболевание (Goll et al., 2003).

Предполагаемая роль кальпаинов при болезни Альцгеймера (БА) более комплексна, чем просто нерегулируемая или повышенная активность кальпаинов в результате нарушения гомеостаза Са²⁺.

С другой стороны, в мозге пациентов повышена концентрация Са²⁺ (Leissring et al., 2000). Иммуногистохимические исследования показывают, что у страдающих БА повышен уровень m-кальпаина (Grynspan et al., 1997; Tsuji et al., 1998), а также усилен аутолиз µ-кальпаина до 76 и 78 кДа фрагментов (Saito et al., 1993; Marcurn et al., 2005). Это различие аутокаталитической активности в мозге больных и здоровых людей сглаживается добавлением дитиотреитола (ДТТ) (Marcum et al., 2005). Показано, что на фоне 3-кратного повышения интенсивности протекания автолиза кальпаинов (по данным Вестерн-блот анализа), в мозге больных БА наблюдается значительное снижение Са²⁺-зависимой казеинолитической активности. Объяснением феномена может служить обнаруженное в гиппокампе мозга пациентов, страдающих БА, значительное повышение интенсивности окислительных процессов. Одна из наиболее чувствительных к окислению мишеней — тиоловые группы, составляющие активных центров цистеиновых протеаз. Несмотря на то, что в мозге больных БА и кальпаины, и каспазы находятся в активной конформации, проявлению их протеолитической активности, как предполагают, может препятствовать сильный окислительный стресс, повреждающий наиболее чувствительные зоны мозга. Посмертная казеинолитическая активность в мозге здоровых людей и больных БА одинакова в отсутствие экзогенных восстанавливающих агентов, но в их присутствии (например, ДТТ) у больных БА эта активность значительно выше (Marcurn et al., 2005). Это указывает на то, что в мозге больных значительная доля молекул фермента находится в окисленном состоянии, и их латентная протеолитическая активность в этом случае может проявиться при действии антиоксидантов.

Фармакологические препараты, избирательно воздействующие на кальпаины, в клинике пока отсутствуют. Вместе с тем, среди одобренных к применению препаратов присутствуют регуляторы кальциевых каналов и ряд стероидных гормонов, которые способны влиять на протеолитические каскады и оказывать непрямое модулирующее действие на активность кальпаинов.