Ишемия мозга: экспрессия генов раннего реагирования
Биохимические процессы генной экспрессии - транскрипции на первом этапе (биосинтез молекул информационной, или матричной, РНК (мРНК) на матрице ДНК) и трансляции на втором этапе (процесс синтеза белка на основе кодовой последовательности нуклеотидов в мРНК) - определяются доступностью ATP и GTP и в целом сохранностью энергетического метаболизма. Поэтому неудивительно, что первой реакцией ткани мозга на снижение мозгового кровотока является снижение синтеза мРНК и белков. Для поддержания белкового синтеза требуется мозговой кровоток не менее 50-60 мл/100 г в 1 мин Это существенно выше уровня, необходимого для поддержания продукции ATP [ Mies G., Ishimaru S. 1991 , Nowak T.S., Kiessling Jr.a.M. 1999 , Yoshimine Т., Hayakawa Т. 1987 , Jacewicz M., Kiessling M. 1986 , Xie Y., Mies G. 1989 ].
Экспериментально установлено, что критическим уровнем кровотока для синтеза мРНК гена раннего реагирования c-fos при фокальной ишемии является 25-30 мл/100 г в 1 мин, тогда как для накопления Fos-белка - 35-40 мл/100 г в 1 мин, что подтверждает зависимость выраженности транскрипционной активности от энергетического метаболизма. В области центрального инфаркта полностью заторможен синтез и мРНК, и белков, в то время как в окружающей периинфарктной ткани синтез мРНК сохранен при угнетении белковой продукции [ Kamiya Т., Jacewicz M. 1995 ].
Восстановление мозгового кровотока после преходящей фокальной ишемии сопровождается быстрой нормализацией синтеза мРНК, что сопряжено с восстановлением большинства метаболических процессов. В то же время дефицит белкового синтеза может сохраняться в течение многих часов рециркуляции. Степень восстановления синтеза белков отражает индивидуальную уязвимость нейронных популяций и имеет прогностическое значение: быстрая и полная нормализация трансляционной активности предопределяет выживание нейронов , а медленная и частичная, наблюдаемая в нейронах СA1 области гиппокампа , - смерть [ Abe К., Araki Т. 1988 , Araki Т., Kato H. 1990 , Johansen F.F., Diemer N.H. 1990 , Matsumoto K., Jamada K. 1990 , Widmann R., Kuroiwa Т. 1991 ].
Несмотря на общее мнение, согласно которому недостаточность трансляционных механизмов и, следовательно, белкового синтеза негативно влияет на исход ишемии, появились данные о том, что в определенных условиях in vitro белковый дефицит останавливает прогрессирование апоптоза. В исследованиях, проведенных in vivo, также было доказано нейропротективное действие некоторых ингибиторов белкового синтеза. Однако их благоприятные эффекты, возможно, были связаны и с усилением транскрипционной активности потенциально протективных генов [ Edwards D.R., Mahadevan L.C. 1992 , Furukawa K., Estus S. 1997 , Martin L.J., et al. 1998 , Goto K., Ishige A. 1990 , Papas S., Crepel V. 1992 , Shigeno Т., Yamasaki Y. 1990 ].
Первой, относительно неспецифичной реакцией генома на любое повреждающее воздействие (в том числе ишемию) является индукция генов раннего (немедленного) реагирования ( гена c-fos , гена c-jun , гена krox-20 , гена zif/268 и др.), или "третичных мессенджеров". Их включение происходит уже в первые минуты ишемии в ответ на изменения активного ионного транспорта и потенциала мембран в периинфарктной области, стимуляцию нейрональных рецепторов продуктами глутаматной эксайтотоксичности и оксидантного стресса . От рецепторов и мембран сигнал о повреждающем клетку воздействии передается к ядру нейронов, где и начинается экспрессия генов. Процесс экспрессии динамично регулируется лиганд-активированными транскрипционными факторами (в том числе ядерными рецепторами к стероидным гормонам). Активность синтезированных белков может изменяться под влиянием посттрансляционной модификации по механизмам фосфорилирования и дефосфорилирования [ Ашмарин И.П., Стукалов П.В. 1996 , Beato M., Herriich P. 1995 , Bravo R. 1990 , Herschman H.R. 1991 , Kiessling M., Gass P. 1994 , Morgan J.I., Curran T. 1991 , Steng M., Greenberg M.E. 1990 , Vandromme M., Gauthier-Rouviere C. 1996 ].
Экспрессия большинства генов раннего реагирования приводит к синтезу ДНК-связанных протеинов, или транскрипционных факторов, которые в свою очередь вызывают экспрессию широкого спектра генов через активацию AP1 и CRE промоторных элементов. Другие гены раннего реагирования кодируют сигнальные молекулы, вовлеченные в биохимические каскады: протеинфосфатазы , С-белки , тканевый активатор плазминогена , циклооксигеназу и синтезируемые цитокины , т.е. можно сказать, что гены раннего реагирования участвуют в передаче информации от клетки к клетке [ Akins P.T., Liu P.K. 1996 , An G., Lin T.N. 1993 , Morgan J.I., Curran T. 1991 ].
Среди транскрипционных факторов выделяют 2 группы: - первая белки "лейциновой застежки" (основной застежки, leucin zipper, или basic zipper - bzip ), к которым относят белки генов fas , генов jun и генов myc , вторая - "цинк-пальцевые" белки (zinc finger) , включающая белок KROX-24 (или белок Zif/268 ), белок KROX-20 , белок EGR-3 , белок NGFI-B , белок NGFI-C , белок NURR .
Белки fos-, jun- и krox-генных семейств играют решающую роль в контроле за клеточным циклом , развитием, ростом и дифференциацией клеток , а также определяют судьбу дифференцированных нейронов центральной нервной системы с определенным молекулярным фенотипом. Транскрипционные факторы могут являться, по результатам проведенных исследований, медиаторами как нейрональной смерти, так и выживания клеток [ Herdegen Т., Skene P. 1997 , Nowak T.S., Jacewicz M. 1994 ].
На экспериментальных моделях ишемического инсульта с постоянной окклюзией средней мозговой артерии было показано, что экспрессия мРНК гена c-fos и гена zif/268 быстро нарастает в течение первого часа после окклюзии мозговой артерии, достигает пика через 38 ч и возвращается к норме соответственно через 24 и 12 ч. В то же время в течение не менее 4 дней после начала ишемии сохраняется повышенный синтез транскрипционных факторов в периферических отделах ишемизированной зоны [ Uemura Y., Kowall N.W. 1991(a) , Uemura Y., Kowall N.W. 1991(b) , Wang X., Yue T.L. 1994 ].
Экспрессию генов раннего реагирования с индукцией образования мРНК и протеинов определяют на обширной территории всего полушария мозга, гомолатерального окклюзии. При этом ряд исследователей наблюдали ее и в области центрального инфаркта. Были выявлены слабо определяемые уровни c-fos мРНК в ядерной зоне ишемии , которые соответствовали степени снижения мозгового кровотока. Вместе с тем было продемонстрировано отсутствие белкового синтеза в инфарктной области. Более того, сохранение способности клеток ишемизированной зоны к синтезу de novo транскрипционных факторов, кодируемых генами раннего реагирования, признано наиболее точным и чувствительным критерием их жизнеспособности [ An G., Lin T.N. 1993 , Gass P., Spranger M. 1992 , Herrera D.G., Robertson H.A. 1989 , Uemura Y., Kowall N. W. 1991 , Uemura Y., Kowall N.W. 1991 , Jacewicz M., Takeda Y. 1993 , Welsh F.A., Moyer D.J. 1992 ].
Получены интересные данные о регистрации повышенной экспрессии генов раннего реагирования в областях, удаленных от зоны ишемии. По мнению большинства исследователей, этот феномен связан с самораспространяющимся процессом периинфарктной деполяризации, или распространяющейся депрессией . Об этом свидетельствует идентичная реакция генов раннего реагирования на экспериментальную распространяющуюся депрессию и активацию глутаматных NMDA-рецепторов [ Hansen A.J. 1985 , Herdegen Т., Sandkiihier J. 1993 , Herdegen Т., Skene P. 1997 , Herrera D.G., Robertson H.A. 1990 , Nedergaard M., Hansen A.J. 1993 , Lauritzen M., Hansen A.J. 1992 , Obrenovitch T.P., Zilkha E. 1996 ].
