ПЕПТИД KED МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РЕГУЛЯЦИИ НЕЙРОГЕНЕЗА ПРИ БОЛЕЗНИ АЛЬЦГЕЙМЕРА

В настоящее время для болезни Альцгеймера (БА) не существует достаточно эффективных методов фармакотерапии [9]. Одним из подходов к лечению является применение препаратов пептидного происхождения, имеющих физиологический механизм действия и высокую
нейропротективную активность. Перспективным представляется исследование коротких пептидов, эффективных в моделях БА in vitro и in vivo. Короткие пептиды практически не имеют побочных эффектов, не вызывают аллергических реакций. Некоторые ди-, три- и тетрапептиды практически не гидролизуются в крови и ЖКТ ис участием переносчиков Pept1, Pept2, Lat1, Lat2 могут транспортироваться в клетки различных органов и тканей. В клетке пептиды активируют сигнальные каскады путём связывания с белками-мишенями или

проникают в ядро и взаимодействуют с ДНК и/или гистоновыми белками. В результате происходит пептидная регуляция экспрессии генов и синтеза белков, механизм которой уникален для каждого пептида [4,6].

Пептид KED (Lys-Glu-Asp) обнаружен в составе полипептидного комплекса, выделенного из сосудов [2]. Нейропротективные свойства этого пептида были выявлены при пероральном применении у лиц пожилого возраста. Пептид KED улучшал психоэмоциональное состояние, нейрофизиологические функции ЦНС и память у пациентов с депрессивными состояниями, апатией, нарушениями памяти и внимания [1]. В первичной культуре нейронов гиппокампа мышей в модели БА пептид KED статистически значимо повышал количество грибовидных шипиков [3]. Известно, что при БА происходит уменьшение числа грибовидных шипиков нейронов гиппокампа, участвующих в механизмах нейропластичности. Таким образом, пептид KED проявлял нейропротективную активность на клеточном (нормализация морфологии нейронов) и органном (функции головного мозга) уровне.

В данном обзоре проанализированы резульгтаты исследований влияния пептида KED на экспрессию генов и синтез белков, регулирующих нейрогенез, старение и вовлечённых в патогенез БА.

Влияние пептида KED на нейрональную дифференцировку дентальных стволовых клеток человека

Методами конфокальной микроскопии и вестерн-блот анализа выявлено, что пептид KED стимулирует в 1.8-2.0 раза синтезмаркеров нейрогенеза (нестин, GAP43) в дентальных стволовых клетках человека [7,12]. 

Нестин экспрессируется на начальной стадии дифференцировки нейронов и относится к белкам цитоскелета [18,20,25,28]. Белок нестин кодируется геном NES. Экспрессия нестина реиндупируется при патологических состояниях, например при глиальном рубце,  возникающем после травмы ЦНС [13]. Установлено, что экспрессия нестина в полипотентных клетках гиппокампа снижаетсяу мышейс БА [26]. В модели БА у мышей под действием куркумина (ингибитора γ-секретазы) наблюдалась нормализация памяти, что коррелировало с увеличением экспрессии белка нестина в гиппокампе животных [14]. Трансплантация предшественников нейронов, экспрессирующих нестин, способствовала снижению проявлений нейродегенеративных изменений у крыс в модели БА [11].

GAP43 (Growth associated protein 43) экспрессируется при дифференцировке нейронов и участвует в генерации и передаче нервного импульса [19,27]. Повышенная концентрация белка GAP43 в спинномозговой жидкости выявлена на начальной стадии БА. У пациентов
с БА обнаружена корреляция между экспрессией пептида Аβ42 и белка GAP43 в гиппокампе, амигдале и коре головного мозга [20]. В другом исследовании определение концентрации белков GAP43 и APOE в плазме крови рекомендуется в качестве биомаркеров ранней стадии БА [16]. Некоторые вещества, нормализующие памятьу пациентов с БА, стимулируют экспрессию GAP43 в головном мозге [9]. Стимуляция экспрессии генов GAP43, NES и синтеза белков GAP43 и нестина, участвующих в нейрогенезе, может способствовать замедлению развития БА.

Пептид KED активирует дифференцировку стволовых клеток в нейрональном направлении, регулируя экспрессию GAP43 и нестина. Поскольку эти белки вовлечены в восстановление нейрогенеза и поддержание функциональной активности нейронов головного мозга при
БА, можно предположить, что пептид KED будет способствовать протективному действию при этом заболевании.

Влияние пептида KED на экспрессию генов и синтез белков клеточного старения

Методами ПЦР в режиме реального времени и иммунофлюоресцентной конфокальной микроскопии показано, что пептид KED ингибирует экспрессию геронтогенов р16, р21 и синтез одноимённых белков в 1.8-3.2 раза в дентальных стволовых клетках человека при моделировании старения in vitro [21].

Транскрипционные факторы 16, р21 ингибируютактивность циклинзависимых киназ, предотвращая фосфорилирование белка ретинобластомы Rb, регулирующего клеточный цикл. Установлено, что экспрессия белков р16 и р21 повышается в нейронах, клетках печени,
поджелудочной железы, селезёнки, кожи, почек человека при старении и имеет отрицательную корреляцию с продолжительностью жизни [23]. Экспрессия белков р16 и р21 повышалась в астроцитах, глии и нейронах головного мозга при старении. Авторы исследования предполагают, что синтез белка р16 в большей степени активируется при нормальном старении, а экспрессия р21 — при ассоциированных с возрастом заболеваниях. Установлено, что при репликативном старении фибробластов и эпителиоцитов их способность к нейрональной дифференцировке снижается, что коррелирует с повышением экспрессии гена р16 [22]. Экспрессия гена и синтез белка р16 повышались в нейронах и астроцитах головного мозга у мышей в модели БА, что сопровождалось снижением когнитивных функций [24]. Следует полагать, что геро- и нейропротекторы будут способствовать снижению экспрессии генов и синтеза белков р16, р21 в клетках и стимулировать нейрональную дифференцировку, как это показано для пептида KED.

Влияние пептида KED на экспрессию генов, вовлечённых в патогенез БА

Установлено, что экспрессия генов SUMO1 и APOE снижается при репликативном старении мезенхимных стволовых клеток костного мозга эмбриона человека линии FetMSC. Пептид KED стимулирует экспрессию генов SUMO1 и APOE в "старых" FetMSC в 1.2 и 2.2 раза соответственно [5]. Кроме того, пептид KED повышает экспрессию гена IGF1, сниженную при репликативном и стационарном старении FetMSC в 3 и 2 раза соответственно [6].

SUMO1 (Small ubiquitin-like modifier 1) — белок, вовлечённый в посттрансляционные модификации протеинов, регулирующих ядерный транспорт, транскрипцию, апоптоз, фазы клеточного цикла, репарацию повреждений ДНК. Нарушение экспрессии гена и синтеза белка
SUMO1 приводит к потере синаптической пластичности и снижению памяти у животных [15]. Предполагается, что дисфункция белка SUMO1 приводит к накоплению в нейронах вакуолей, содержащих токсичный амилоидный пептид Aβ42 [8]. Регуляция экспрессии гена и синтеза белка SUMO1 фармакологическими агентами рассматривается как один из перспективных подходов к поиску нейропротекторов, эффективных при БА [17].

АРОЕ — протеин плазмы крови, участвующий в транспорте холестерола, продукт одноимённого гена в 19 хромосоме. АРОЕ синтезируется астроцитами и микроглией в головном мозге, участвует в транспортировке метаболитов холестерина и триглицеридов, вовлечён в рост и восстановление нейронов. При БА нарушение функции белка АРОЕ может приводить к гиперхолестеринемии и накоплению в тканях головного мозга нейротоксичного пептида Аβ42 [10].

IGF1 (insulin-like growth factor 1) — инсулиноподобный фактор роста 1, участвующий в эндокринной, аутокринной и паракринной регуляции пролиферации и дифференцировки различных типов клеток, в том числе нейронов. Установлено, что IGF-1 активирует сигнальные каскады, препятствующие накоплению токсичной формы амилоидного пептида Аβ42 и прогрессированию БА. Подавление синтеза IGF-1 приводит к развитию метаболического синдрома и БА. Экзогенное применение IGF-1 способствует нормализации синаптической пластичности при БА [28].

Таким образом, регуляция экспрессии генов SUMO1, APOE, IGF1 пептидом KED может способствовать предотвращению или замедлению развития патологических сигнальных каскадов, вовлечённых в патогенез БА. Анализ представленных данных позволяет предположить, что пептид KED связывается с фрагментами нуклеосомы (азотистые основания двунитевой ДНК и/или гистоновые белки Н1, H2b, Н3, Н4) и регулирует экспрессию генов клеточного старения и апоптоза (р16, р21), генов (NES, GAP43) и белков (нестин, GAP43) нейрональной дифференцировки, генов и белков, вовлечённых в патогенез БА (SUMO1, APOE, IGF1) (рисунок). Снижение экспрессии проапоптотических генов р16, р21 и синтеза соответствующих белков под действием пептида KED приводит к замедлению темпов гибели нейронов гиппокампа. Активация генов нейрональной дифференцировки и синтеза одноимённых белков (нестин, GAP43) под влиянием пептида KED будет способствовать поддержанию пула функционально активных нейронов гиппокампа. Нормализация экспрессии генов и синтеза белков SUMO, APOE, IGF-1 под действием пептида KED, по-видимому, может предотвращать развитие патогенетических каскадов и снижать синтез цитотоксического пептида Аβ42 и τ-протеина. Это, возможно, будет способствовать нормализации и сохранению дендритных шипиков нейронов и поддержанию нейропластичности, что выражается в сохранении памяти и нормализации функций ЦНС. Таким образом, пептид KED можно рассматривать как нейропротектор, перспективный для исследований в моделях БА in vivo.

ЛИТЕРАТУРА

1. Балашюва С.Н., Жернаков Г.Л., Дудков А.В. Применение пептидных биорегуляторов у лиц пожилого возраста с нарушениями психоэмоционального состояния // Успехи геронтол. 2008. Т. 21, № 3. С. 448-452.

2. Журкович И.К., Ковров Н.Г., Рыжак Г.А., Миронова Е.С., Хавинсон В.Х. Идентификация коротких пептидов в составе полипептидных комплексов, выделенных из органов животных // Успехи соврем. биол. 2020. Т. 140, № 2. С. 140-148. дот: 10.31857/ $004213242002012Х

3. Красковская Н.А., Куканова Е.О., Линькова Н.С., Попугаева Е.А., Хавинсон В.Х. Трипептиды восстанавливают количество шипиков нейронов в модели болезни Альцгеймера in vitro // Клет. технол. в биол. и мед. 2017. № 2. С. 101-104.

4. Хавинсон В.Х., Линькова Н.С., Тарновская С.И. Короткие пептиды регулируют экспрессию генов  // Бюл. экспер. биол. 2016. Т. 162, № 8. С. 259-264.

5. Шиловский ГА., Ашаикин В.В., Линькова Н.С., Хавинсон В.Х., Ванюшин Б.Ф. Экспрессия генов KLF, PTEN, SUMO1, APOE, SOD2 и SHC1 в покоящихся клетках разного "возраста": модель тестирования некоторых геропротекторов // Клин. геронтол. 2018. Т. 24, № 9-10. С. 80-82.

6. Ashapkin V., Khavinson V., Shilovsky G., Linkova N., Vanuyshin B. Gene expression in human mesenchymal stem cell aging cultures: modulation by short peptides // Mol. Biol. Rep. 2020. Vol. 47, N 6. P. 4323-4329. doi: 10.1007/s11033-020-05506-3

7. Caputi S., Trubiani O., Sinjari B., Trofimova S., Diomede F., Linkova N., Diatlova A., Khavinson V. Effect of short peptides on neuronal differentiation of stem cells // Int. J. Immunopathol. Pharmacol. 2019. Vol. 33. doi: 10.1177/2058738419828613

8. Cho S.J., Yun S.M., Jo C., Lee D.H., Choi K.J., Song J.C., Park S.I., Kim Y.J., Koh Y.H. SUMO1 promotes Aβ production via the modulation of autophagy // Autophagy. 2015. Vol. 11, N 1. P. 100-112. doi: 10.4161/15548627.2014.984283

9. Dinda B., Dinda M., Kulsi G., Chakraborty A., Dinda S. Therapeutic potentials of plant iridoids in Alzheimer's and Parkinson's diseases: a review // Eur. J. Med. Chem. 2019. Vol. 169. P. 185-199. doi: 10.1016/j.ejmech.2019.03.009

10. Grösgen S., Grimm M.O., Friess P., Hartmann T. Role of amyloid beta in lipid homeostasis // Biochim. Biophys. Acta. 2010. Vol. 1801, N 8. P. 966-974. doi: 10.1016/j.bbalip.2010.05.002

11. Hoveizi E., Mohammadi T., Moazedi A.A., Zamani N., Eskandary A. Transplanted neural-like cells improve memory and Alzheimer-like pathology in a rat model // Cytotherapy. 2018. Vol. 20, N 7. P. 964-973. doi: 10.1016/j.jcyt.2018.03.036

12. Khavinson V., Linkova N., Diatlova A., Trofimova S. Peptide regulation of cell differentiation // Stem Cell Rev. Rep. 2020. Vol. 16, N 1. P. 118-125. doi: 10.1007/ s12015-019-09938-8

13. Krishnasamy S., Weng Y.C., Thammisetty S.S., Phaneuf D., Lalancette-Hebert M., Kriz J. Molecular imaging of nestin in neuroinflammatory conditions reveals marked signal induction in activated microglia // J. Neuroinflammation. 2017. Vol. 14, N 1. ID 45. doi:10.1186/s12974-017-0816-7

14. Li J., Han Y., Li M., Nie C. Curcumin promotes proliferation of adult neural stem cells and the birth of neurons in Alzheimer’s disease mice via Notch signaling pathway // Cell Reprogram. 2019. Vol. 21, N 3. P. 152-161. doi: 10.1089/cell.2018.0027

15. Matsuzaki S., Lee L., Knock E., Srikumar T., Sakurai M., Hazrati L.N., Katayama T., Staniszewski A., Raught B., Arancio O., Fraser P.E. SUMO1 affects synaptic function, spine density and memory // Sci. Rep. 2015. Vol. 5. ID 10730. doi: 10.1038/srep10730

16. Niculescu A.B., Le-Niculescu H., Roseberry K., Wang S., Hart J., Kaur A., Robertson H., Jones T., Strasburger A., Williams A., Kurian S.M., Lamb B., Shekhar A., Lahiri D.K., Saykin A.J. Blood biomarkers for memory: toward early detection of risk for Alzheimer disease, pharmacogenomics, and repurposed drugs // Mol. Psychiatry. 2020. Vol. 25, N 8. P. 1651-1672. doi: 10.1038/s41380-019-0602-2

17. Nisticò R., Ferraina C., Marconi V., Blandini F., Negri L., Egebjerg J., Feligioni M. Age-related changes of protein SUMOylation balance in the AβPP Tg2576 mouse model of Alzheimer’s disease // Front. Pharmacol. 2014. Vol. 5. ID 63. doi: 10.3389/fphar.2014.00063 

18. Quick Q., Paul M., Skalli O. Roles and potential clinical applications of intermediate filament proteins in brain tumors // Semin. Pediatr. Neurol. 2015. Vol. 22, N 1. P. 40-48. doi: 10.1016/j.spen.2014.12.005. 

19. Rosskothen-Kuhl N., Illing R.B. Gap43 Transcription modulation in the adult brain depends on sensory activity and synaptic cooperation // PLoS One. 2014. Vol. 9, N 3. ID e92624. doi: 10.1371/journal.pone.0092624 

20. Sandelius Å., Portelius E., Källén Å., Zetterberg H., Rot U., Olsson B., Toledo J.B., Shaw L.M., Lee V.M.Y., Irwin D.J., Grossman M., Weintraub D., Chen-Plotkin A., Wolk D.A., McCluskey L., Elman L., Kostanjevecki V., Vandijck M., McBride J., Trojanowski J.Q., Blennow K. Elevated CSF GAP-43 is Alzheimer’s disease specific and associated with tau and amyloid pathology // Alzheimers Dement. 2019. Vol. 15, N 1. P. 55-64. doi: 10.1016/j.jalz.2018.08.006 

21. Sinjari B., Diomede F., Khavinson V., Mironova E., Linkova N., Trofi mova S., Trubiani O., Caputi S. Short peptides protect oral stem cells from ageing // Stem Cell Rev. Rep. 2020. Vol. 16, N 1. P. 159-166. doi: 10.1007/ s12015-019-09921-3 

22. Sun C.K., Zhou D., Zhang Z., He L., Zhang F., Wang X., Yuan J., Chen Q., Wu L.G., Yang Q. Senescence impairs direct conversion of human somatic cells to neurons // Nat. Commun. 2014. Vol. 5. ID 4112. doi: 10.1038/ ncomms5112 

23. Vazquez-Villaseñor I., Garwood C.J., Heath P.R., Simpson J.E., Ince P.G., Wharton S.B. Expression of p16 and p21 in the frontal association cortex of ALS/ MND brains suggests neuronal cell cycle dysregulation and astrocyte senescence in early stages of the disease // Neuropathol. Appl. Neurobiol. 2020. Vol. 46, N 2. P. 171-185. doi: 10.1111/nan.12559

24. Wei Z., Chen X.C., Song Y., Pan X.D., Dai X.M., Zhang J., Cui X.L., Wu X.L., Zhu Y.G. Amyloid β protein aggravates neuronal senescence and cognitive deficits in 5XFAD mouse model of Alzheimer's disease // Chin. Med. J. (Engl). 2016. Vol. 129, N 15. P. 1835-1844. doi: 10.4103/0366-6999.186646

25. Yan S., Li P., Wang Y., Yu W., Qin A., Liu M., Xiang A.P., Zhang W., Li W. Nestin regulates neural stem cell migration via controlling the cell contractility // Int. J. Biochem. Cell Biol. 2016. Vol. 78. P. 349-360. doi: 10.1016/j.biocel.2016.07.034

26. Zeng Q., Zheng M., Zhang T., He G. Hippocampal neurogenesis in the APP/PS1/nestin-GFP triple transgenic mouse model of Alzheimer's disease // Neuroscience. 2016. Vol. 314. P. 64-74. doi: 10.1016/j.neuroscience.2015.11.054

27. Zhao J.C., Zhang L.X., Zhang Y., Shen Y.F. The differential regulation of Gap43 gene in the neuronal differentiation of P19 cells // J. Cell. Physiol. 2012. Vol. 227, N 6. P. 2645-2653. doi: 10.1002/jcp.23006 

28. Zheng P., Tong W. IGF-1: an endogenous link between traumatic brain injury and Alzheimer disease? // J. Neurosurg. Sci. 2017. Vol. 61, N 4. P. 416-421. doi:10.23736/S0390-5616.16.03431-7

ПЕПТИД KED МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РЕГУЛЯЦИИ НЕЙРОГЕНЕЗА ПРИ БОЛЕЗНИ АЛЬЦГЕЙМЕРА