Кіріспе
Адамда кездесетін ақуыз: Мидан шыққан нейротрофтық фактор (BDNF), немесе абринурин – адамда BDNF генімен кодталатын ақуыз. BDNF – нейротрофиндер отбасының өсу факторларының мүшесі, олар канондық жүйке өсу факторымен (NGF) байланысты, сондай-ақ NT-3 және NT-4/NT-5-ті де қамтиды. Нейротрофтық факторлар мида және периферияда табылсады. BDNF алғаш рет 1982 жылы Ив Ален Барде және Ханс Тхонен шошқа миынан бөліп алған. BDNF TrkB тирозинкиназа рецепторын белсендіреді.
Brain derived neurotrophic factor (BDNF), or abrineurin, is a protein that, in humans, is encoded by the BDNF gene. BDNF is a member of the neurotrophin family of growth factors, which are related to the canonical nerve growth factor (NGF), a family which also includes NT 3 and NT 4/NT 5. Neurotrophic factors are found in the brain and the periphery. BDNF was first isolated from a pig brain in 1982 by Yves Alain Barde and Hans Thoenen. BDNF activates the TrkB tyrosine kinase receptor.
Функция
BDNF орталық және шеткі жүйке жүйесінің TrkB экспрессиялайтын белгілі бір нейрондарына әсер етеді, бұл қолдасады бар нейрондардың тірі қалуын және жаңа нейрондар мен синапстардың өсуі мен дифференциациялануын ынталандырады. Мида ол оқу, есте сақтау және жоғары ойлау үшін өте маңызды гиппокамп, қыртыс және базальды алдыңғы ми аймақтарында белсенді. BDNF сонымен қатар торлы қабықта, бүйректерде, простатада, қозғалтқыш нейрондарда және қаңқа бұлшықеттерінде экспрессияланады және сілекейде де табылады. BDNF-ның өзі ұзақ мерзімді есте сақтау үшін маңызды. Емшекті жануарлардың миындағы нейрондардың көп бөлігі туғанға дейін қалыптасқанымен, ересек миының кейбір бөліктері нейрогенез деп аталатын процесте нейрондық шектеулі жасушалардан жаңа нейрондарды өсіру қабілетін сақтайды. Нейротрофиндер – нейрогенезді ынталандыруға және бақылауға көмектесетін ақуыздар, ал BDNF олардың ең белсенділерінің бірі. BDNF-ны өндіруге қабілеті жоқ тышқандардың миы мен сезімтал жүйке жүйесінде даму ақаулары байқалады және олар көбінесе туғаннан кейін көп ұзамай қайтыс болады, бұл BDNF жүйке дамуында маңызды рөл атқарады деген жорамалды күшейтеді. BDNF-қа құрылымдық жағынан ұқсас басқа маңызды нейротрофиндерге NT3, NT4 және NGF жатады. BDNF эндоплазмалық ретикулумда синтезделеді және тығыз ядролы везикулалардан секрецияланады. Ол карбоксипептидаза Е (CPE) -мен байланысады, ал осы байланыстың бұзылуы BDNF-ны тығыз ядролы везикулаларға сұрыптаудың жоғалуына әкелуі мүмкін деп болжанады. BDNF жоқ тышқандардың фенотипі ауыр болуы мүмкін, соның ішінде туғаннан кейін өлімге дейін барады. Басқа да белгілерге сезімтал нейрондардың жоғалуы жатады, бұл координацияға, тепе-теңдікке, естуге, дәм сезуге және тыныс алуға әсер етеді. Нокаутты тышқандарда мишақшаның аномалиялары және симпатикалық нейрондардың санының артуы байқалады. Дене шынықтырудың кейбір түрлері адам миында BDNF синтезін айтарлықтай (үш есе) арттыратыны көрсетілді, бұл құбылыс жаттығулардың нәтижесінде болатын нейрогенез бен танымдық функциялардың жақсаруына жартылай себепші болады. Ниацин да BDNF және тропомиозин рецепторлық киназа B (TrkB) экспрессиясын арттырады.
Әрекет ету механизмі
BDNF клеткалардың бетіндегі осы өсу факторына жауап бере алатын кем дегенде екі рецептормен – TrkB (айтылуы: "Трак B") байланысады. Бұл сондай-ақ әртүрлі нейротрансмиттер рецепторларының, соның ішінде альфа 7 никотин рецепторының белсенділігін өзгерте алады. BDNF реэлин сигналдық тізбегімен де өзара әрекеттесетіні көрсетілген. Кахал-Рециус жасушаларының реэлин экспрессиясы BDNF әсерінен даму кезінде төмендейді. Соңғысы нейрондық мәдениетте де реэлин экспрессиясын төмендетеді.
ТркБ
TrkB рецепторы NTRK2 генімен кодталады және TrkA және TrkC-ні қамтитын тирозинкиназа рецепторлар отбасының мүшесі болып табылады. TrkB-нің аутофосфорилирлеуі оның BDNF лигандтарымен ерекше байланысына тәуелді. p75 рецепторы белсендірілген кезде, ол NFkB рецепторының белсендірілуіне алып келеді.
Көрінісі
BDNF ақуызы адамда 11-хромосомада орналасқан, сондай-ақ BDNF деп аталатын генмен кодталады. Нейрондық белсенділік арқылы BDNF-тың IV экзонына тән экспрессияны арттыратын бірнеше механизм бар. Бұл екі жолдың да CREB-тің Ser133 орнында кальций арқылы фосфорилирленуіне қатысы бар, осылайша ол BDNF-тың Cre реттегіш доменімен өзара әрекеттесіп, транскрипцияны күшейтуге мүмкіндік береді. Дегенмен, BDNF экзоны IV экспрессиясын арттыру үшін NMDA рецепторлары арқылы берілетін сигнал қажет болуы мүмкін, себебі CREB-тің CRE-мен өзара әрекеттесуі және BDNF транскриптісінің соңғы аудармасы негізгі спираль-ілмек-спираль транскрипция факторының 2 (BHLHB2) протеинімен тоқтатылады. NMDA рецепторларының белсенділігі реттегіш тежегіштің босатылуын қозғастырады, бұл белсенділікпен шақырылған кальций ағынына жауап ретінде BDNF экзоны IV экспрессиясының жоғарылауын қамтамасыз етеді.
BDNF геніндегі жалпы SNPs
BDNF бірнеше белгілі бір нуклеотидтік полиморфизмдерге (SNP) ие, оның ішінде, мысалы, rs6265, C270T, rs7103411, rs2030324, rs2203877, rs2049045 және rs7124442. 2008 жылғы деректер бойынша, rs6265 – BDNF генінің ең көп зерттелген SNP-сы болып табылады.
Val66Met
BDNF геніндегі жиі кездесетін SNP – rs6265. Кодтау тізбегіндегі бұл нүктелік мутация, 196-орындағы гуаниннің аденоинге ауысуы, аминокислота алмасуына алып келеді: 66-кодондағы валиннің метионинге алмасуы, Val66Met, ол BDNF продомейнінде орналасқан. Val66Met мутациясы гиппокамп тінінің мөлшерінің азаюына себеп болады және одан бері оқу және есте сақтау қабілетінің бұзылулары, ауыр депрессия, сондай-ақ Альцгеймер және Паркинсон аурулары сияқты нейродегенеративті аурулары бар көптеген адамдарда анықталды. Мета-талдау көрсеткендей, BDNF Val66Met варианты сарысудағы BDNF деңгейімен байланысты емес.
Глютаматергиялық сигнализация
Глутамат - мидың басты оқуды қоздыратын нейротрансмиттері, оның шығарылуы постсинаптикалық нейрондардың деполяризациясын тудыруы мүмкін. АМФА және НМДА рецепторлары – глутаматергиялық нейротрансмиссияға қатысатын және ұзақ мерзімді күшейту арқылы оқып-үйрену мен есте сақтау үшін маңызды екі ионотроптық глутамат рецепторы. АМФА рецепторының белсендірілуі натрийдің кіруі арқылы деполяризацияға алып келсе, НМДА рецепторының белсендірілуі жылдам, бір-бірінен кейін ату арқылы натрийге қоса кальцийдің кіруіне мүмкіндік береді. НМДА рецепторлары арқылы шақырылған кальций кіруі BDNF экспрессиясына, сондай-ақ ұзақ мерзімді күшейтуге, дендритогенезге және синапстық тұрақтандыруға қатыс деп саналатын басқа гендердің өрбуіне әкелуі мүмкін.
NMDA рецепторларының белсенділігі
NMDA рецепторларын белсендіру жаңа естеліктерді қалыптастыруға қатысты, белсенділікке тәуелді молекулалық өзгерістерді тудыру үшін қажет. Байылған ортаға ұшырағаннан кейін BDNF және NR1 фосфорилдану деңгейлері бір уақытта жоғарылайды, себебі BDNF, басқа көптеген әсерлерімен қатар, NR1 субъюниттерін де фосфорилдей алады. BDNF-нің NMDA рецепторларының белсенділігін модуляциялаудың негізгі жолдарының бірі – NMDA рецепторларының бір субъюнитін, әсіресе PKC Ser 897 орнында фосфорилдау және белсендіру. Белсендірілгеннен кейін Fyn, өзінің SH2 домені арқылы NR2B-ге байланысып, оның Tyr 1472 орнының фосфорилдануына көмектеседі. Ұқсас зерттеулер Fyn-нің NR2A-ны да белсендіре алатынын көрсеткен, бірақ бұл гиппокампта табылмады. Осылайша, BDNF Fyn белсендіруі арқылы NMDA рецепторларының белсенділігін арттыра алады. Бұл гиппокамптағы кеңістіктік естелік сияқты процестер үшін маңызды екені көрсетілді, бұл BDNF-мен шартталған NMDA рецепторларының терапиялық және функционалдық маңыздылығын көрсетеді. Бұрын AMPA рецепторларының экспрессиясы оқу және естелік қалыптасу үшін маңызды екені айтылған болатын, себебі олар NMDA каналдарының бастапқы белсендірілуінен кейін синапстың құрылымын және функциясын ұзақ уақыт бойы сақтайтын және жүйелі түрде байланыс жасайтын синапстың құрауыштары болып табылады. BDNF TrkB рецепторымен өзара әрекеттесу арқылы GluR1 және GluR2 mRNA экспрессиясын арттыра алады және PKC және CaMKII арқылы Ser 831 фосфорилдану арқылы GluR1 синапты локализациясын ынталандырады. Сондай-ақ, BDNF NMDA рецепторларының белсенділігіне әсері арқылы Gl1 белсенділігіне де әсер ете алады. BDNF тирозин830 фосфорилдану арқылы GluR1 белсендіруін күшейтті, бұл әсер NR2B-нің спецификалық антагонисі немесе Trk рецептор тирозинкиназа ингибиторы болғанда жойылды. Глутамат мидың негізгі оқушы нейротрансмиттері және фосфорилдану әдетте рецепторларды белсендіретін болса, GABA мидың негізгі тежегіш нейротрансмиттері және GABAA рецепторларының фосфорилдануы олардың белсенділігін төмендетуге бейім. Тирозинкиназа ингибиторымен немесе PKC ингибиторымен BDNF сигналдауын тоқтату, жабайы типті егешқұйрықтарда ГАБАергиялық тежегіш постсинаптикалық тоқтардың (IPSC) амплитудасының артуымен шартталған спонтанды әрекет потенциалы жиілігінің айтарлықтай төмендеуіне әкелді.
Синаптогенез
BDNF сонымен қатар синаптогенезді күшейтеді. Синаптогенез жаңа синапстардың құралуына және β-аддуцин арқылы ескі синапстардың ыдырауына байланысты. Аддуциндер – актин талшықтарының өсуін шектеуге және оларды спектринмен, тағы бір цитоскелеттік ақуызбен байланыстыруға көмектесетін мембраналық скелеттік ақуыздар, бұл тұрақты және біріккен цитоскелеттік желілерді құруға мүмкіндік береді. Актиндердің синаптық жұмыс істеуде әртүрлі рөлдері бар. Синаптық алдындағы нейрондарда актиндер синаптық көпіршіктерді тартуға және нейротрансмиттерлер бөлінгеннен кейін оларды қалпына келтіруге қатысады. Синаптық кейінгі нейрондарда олар дендриттік тікендердің пайда болуы мен кері тартылуына, сондай-ақ AMPA рецепторларының енгізілуіне және алынуына әсер етеді. PSD 95 өзінің PDZ доменінің калиринмен байланысуы арқылы актиннің қайта құрылуына қатысатын GTPаздарды – Rac және Rho-ны синапстарға шоғырландырады, бұл тікендердің саны мен көлемін арттырады. Осылайша, BDNF-тың PSD 95 дендриттерге тасымалдануы актиннің қайта құрылуын ынталандырады және BDNF-қа жауап ретінде дендриттік өсуге себеп болады.
Нейрогенез
Зертханалық зерттеулер BDNF нейрогенез процесінде маңызды рөл атқаратынын көрсетеді. BDNF жасушалардың өміршеңдігін арттыру арқылы мидың нейрогендік жауабына үлес қосатын нейрондық шектес жасушалар (NSC) және нейрондық алғабасшы жасушалар (NPC) арасындағы қорғаныс жолдарын күшейтеді және зиянды жолдарды тежейді. Бұл TrkB белсенділігін төмендеткен кезде ерекше айқын болады. Кейбір зерттеулер BDNF нейрондық дифференциацияны қолдауы мүмкін екенін ұсынады.
Зерттеу
Алдын ала зерттеулер BDNF пен депрессия, шизофрения және Альцгеймер ауруы сияқты клиникалық жағдайлар арасындағы мүмкін байланыстарға бағытталды.
Шизофрения
Алдын ала зерттеулер шизофрения мен BDNF арасындағы мүмкін байланысты қарастырды. Шизофрениямен ауыратын науқастардың дорсолатеральды префронтальды қабығының IV және V қабаттарында BDNF мРНК деңгейі төмендегені анықталды, бұл жұмыс жадымен байланысты аймақ.
Депрессия
Депрессияның нейротрофтық гипотезасы депрессияның BDNF деңгейінің төмендеуімен байланысты екенін көрсетеді.