Введение

Биологический процесс аксональной дегенерации

Валлерианская дегенерация – это активный процесс дегенерации, возникающий при перерезании или сдавлении нервного волокна, в результате чего дистальная часть аксона (обычно расположенная дальше от тела нейрона) подвергается дегенерации. Связанный с этим процесс отмирания или ретроградной дегенерации, известный как «дегенерация, подобная валлерианской», наблюдается при многих нейродегенеративных заболеваниях, особенно при нарушениях аксонального транспорта, таких как БАС и болезнь Альцгеймера. Исследования на первичных культурах клеток показывают, что недостаточная доставка необходимого аксонального белка NMNAT2 является ключевым инициирующим событием. Валерианская дегенерация происходит после повреждения аксона как в периферической нервной системе (ПНС), так и в центральной нервной системе (ЦНС). Она развивается в дистальном участке аксона от места повреждения и обычно начинается в течение 24–36 часов после травмы. До начала дегенерации дистальный участок аксона, как правило, остается электрически возбудимым. После повреждения аксональный скелет разрушается, а аксональная мембрана распадается. За аксональной дегенерацией следует деградация миелиновой оболочки и инфильтрация макрофагами. Макрофаги, совместно с клетками Швана, обеспечивают удаление продуктов дегенерации. Клетки Швана реагируют на потерю аксонов путем выталкивания миелиновых оболочек, снижения экспрессии генов миелина, дедифференцировки и пролиферации. В конечном итоге они выстраиваются в трубочки (полосы Бюнгнера) и экспрессируют поверхностные молекулы, направляющие регенерирующие волокна. В течение 4 дней после травмы дистальный конец части нервного волокна, расположенной проксимальнее места повреждения, выпускает отростки в направлении этих трубочек, которые привлекаются факторами роста, продуцируемыми клетками Швана в трубочках. Если отросток достигает трубочки, он прорастает в нее и продвигается примерно на 1 мм в день, в конечном итоге достигая и реиннервируя целевую ткань. Если отростки не могут достичь трубочки, например, из-за слишком большого разрыва или образования рубцовой ткани, хирургическое вмешательство может помочь направить отростки в трубочки. Регенерация эффективна в ПНС, с почти полным восстановлением при повреждениях, возникающих вблизи дистального нервного окончания. Однако восстановление в спинном мозге практически не наблюдается. Важное отличие заключается в том, что в ЦНС, включая спинной мозг, миелиновые оболочки производятся олигодендроцитами, а не клетками Швана.

История

Валерская дегенерация названа в честь Августа Вольнея Уоллера. В 1850 году Уоллер проводил эксперименты на лягушках, перерезая их глософарингеальные и гипоглоссальные нервы. Затем он наблюдал за дистальными нервами в месте повреждения, которые были отделены от своих тел клеток в стволе мозга. После разделения на обоих концах формируются дистрофические веретенообразные структуры, а перерезанные мембраны герметизируются. В дистальном сегменте наблюдается короткая латентная фаза, в течение которой он остается электрически возбудимым и структурно целым. Затем следует дегенерация с набуханием аксолеммы и, в конечном итоге, образование бусовидных аксональных сфероидов. В периферической нервной системе (ПНС) этот процесс занимает около 24 часов, а в центральной нервной системе (ЦНС) – больше времени. Сигнальные пути, приводящие к дегенерации аксолеммы, в настоящее время изучены недостаточно. Однако исследования показали, что этот процесс ААД не зависит от кальция. После деградации аксолеммы происходит гранулярный распад аксонального цитоскелета и внутренних органелл. Ранние изменения включают накопление митохондрий в паранодальных областях в месте повреждения. Эндоплазматическая сеть деградирует, митохондрии набухают и в конечном итоге разрушаются. Происходит деполимеризация микротрубочек, за которой вскоре следует деградация нейрофиламентов и других компонентов цитоскелета. Дезинтеграция зависит от протеаз убиквитина и кальпаина (вызванная притоком ионов кальция), что позволяет предположить, что аксональная дегенерация является активным, а не пассивным процессом, как считалось ранее. Таким образом, аксон подвергается полной фрагментации. Скорость деградации зависит от типа повреждения и также замедлена в ЦНС по сравнению с ПНС. Другим фактором, влияющим на скорость деградации, является диаметр аксона: более крупные аксоны требуют больше времени для деградации цитоскелета и, следовательно, для дегенерации.

Клиренс миелина

Миелин – это фосфолипидная мембрана, которая обвивает аксоны, обеспечивая их изоляцию. Он продуцируется клетками Швана в периферической нервной системе (ПНС) и олигодендроцитами в центральной нервной системе (ЦНС). Удаление миелина – следующий этап в валлеровской дегенерации после аксональной дегенерации. Процесс очистки миелиновых обломков различается в ПНС и ЦНС. ПНС значительно быстрее и эффективнее удаляет миелиновые обломки по сравнению с ЦНС, и клетки Швана являются основной причиной этого различия. Другим ключевым аспектом является изменение проницаемости гематоэнцефалического барьера в обеих системах. В ПНС проницаемость увеличивается по всей длине дистального отрезка, в то время как нарушение барьера в ЦНС ограничено только местом повреждения. Хотя активность MAPK наблюдается, механизм распознавания повреждения клетками Швана еще полностью не выяснен. Распознавание повреждения сопровождается снижением синтеза миелиновых липидов и в конечном итоге прекращается в течение 48 часов. Миелиновые оболочки сначала отделяются от аксонов в разрезах Шмидта-Лантермана, а затем быстро деградируют и укорачиваются, формируя структуры, похожие на бусы. Клетки Швана продолжают очищать миелиновые обломки, разрушая собственный миелин, фагоцитируя внеклеточный миелин и привлекая макрофаги для дальнейшего фагоцитоза. Муринсон и др. (2005) отметили, что немиелинизированные или миелинизированные клетки Швана, контактирующие с поврежденным аксоном, входят в клеточный цикл, что приводит к пролиферации. Наблюдаемая продолжительность деления клеток Швана составляла примерно 3 дня после повреждения. Возможными источниками сигналов пролиферации являются рецепторы ErbB2 и ErbB3. Эта пролиферация может дополнительно усилить скорость очистки миелина и играет важную роль в регенерации аксонов, наблюдаемой в ПНС. Клетки Швана выделяют факторы роста, которые привлекают новые аксональные отростки, растущие из проксимального отрезка после полной дегенерации поврежденного дистального отрезка. Это может привести к реиннервации клеток или органов-мишеней. Однако реиннервация не всегда бывает идеальной, поскольку возможны ошибки при реиннервации проксимальных аксонов к клеткам-мишеням.

Очистка в ЦНС

По сравнению с клетками Швана, олигодендроциты нуждаются в аксональных сигналах для выживания. На этапах развития олигодендроциты, не вступающие в контакт с аксоном и не получающие аксональные сигналы, подвергаются апоптозу. Эксперименты по валлеровской дегенерации показали, что при повреждении олигодендроциты либо подвергаются запрограммированной клеточной гибели, либо переходят в состояние покоя. Следовательно, в отличие от клеток Швана, олигодендроциты не удаляют миелиновые оболочки и их фрагменты. В экспериментах на крысах миелиновые оболочки обнаруживались в течение 22 месяцев. Таким образом, скорость клиренса миелиновых оболочек в ЦНС очень низкая и может быть причиной препятствий для регенерации аксонов ЦНС, поскольку нет доступных факторов роста для привлечения проксимальных аксонов. Еще одной особенностью, которая в конечном итоге возникает, является формирование глиального рубца. Это еще больше снижает шансы на регенерацию и реиннервацию. Олигодендроциты не способны рекрутировать макрофаги для удаления клеточного мусора. Проникновение макрофагов в ЦНС в область повреждения в целом происходит очень медленно. В отличие от ПНС, микроглия играет важную роль в валлеровской дегенерации в ЦНС. Однако их рекрутинг медленнее, чем рекрутинг макрофагов в ПНС, примерно на 3 дня. Кроме того, микроглия может быть активирована, но гипертрофирована и не трансформироваться в полноценные фагоцитарные клетки. Те микроглии, которые трансформируются, эффективно удаляют мусор. Дифференцировку фагоцитарной микроглии можно определить, протестировав экспрессию комплекса главного гистосовместимости (MHC) класса I и II во время валлеровской дегенерации. Скорость клиренса у микроглии значительно ниже, чем у макрофагов. Возможные причины различий в скорости клиренса могут включать отсутствие опсониновой активности вокруг микроглии и отсутствие повышения проницаемости гематоэнцефалического барьера. Сниженная проницаемость может дополнительно препятствовать инфильтрации макрофагов в область повреждения.

Восстановление

Регенерация следует за дегенерацией. Регенерация в периферической нервной системе (ПНС) происходит быстро, обеспечивая скорость восстановления до 1 миллиметра в день. Для обеспечения адекватной реиннервации могут потребоваться трансплантаты. Поддержка регенерации осуществляется шванновскими клетками посредством высвобождения факторов роста. Регенерация в центральной нервной системе (ЦНС) значительно медленнее и практически отсутствует у большинства видов позвоночных. Основной причиной этого может быть замедление удаления миелинового мусора. Миелиновый мусор, присутствующий как в ЦНС, так и в ПНС, содержит несколько ингибирующих факторов. Продолжительное присутствие миелинового мусора в ЦНС, вероятно, препятствует регенерации. Эксперимент, проведенный на тритонах, животных, обладающих способностью к быстрой регенерации аксонов ЦНС, показал, что валлеровская дегенерация при повреждении зрительного нерва занимает в среднем от 10 до 14 дней, что дополнительно подтверждает, что медленная утилизация препятствует регенерации.

Клетки Швана и эндонейральные фибробласты в ПНС

В здоровых нервах фактор роста нервов (NGF) производится в очень небольших количествах. Однако при повреждении экспрессия мРНК NGF увеличивается в пять-семь раз в течение 14 дней. Нервные фибробласты и клетки Швана играют важную роль в усилении экспрессии мРНК NGF. Макрофаги также стимулируют клетки Швана и фибробласты к выработке NGF посредством интерлейкина-1, продуцируемого макрофагами. Другие нейротрофические молекулы, совместно вырабатываемые клетками Швана и фибробластами, включают фактор роста, полученный из мозга (BDNF), нейротрофический фактор, полученный из глиальной клеточной линии (GDNF), цилиарный нейротрофический фактор (CNTF), фактор ингибирования лейкемии (LIF), инсулиноподобный фактор роста (IGF) и фактор роста фибробластов (FGF). Все эти факторы в совокупности создают благоприятную среду для аксонального роста и регенерации. Клетки Швана увеличивают выработку клеточной поверхностной адгезионной молекулы нинжурина, дополнительно стимулируя рост. Эти клеточные линии направляют регенерацию аксонов в правильном направлении. Возможным источником ошибки, возникающей в этом процессе, является потенциальное несоответствие целевых клеток, как было описано ранее. Отсутствие подобных благоприятных факторов в ЦНС приводит к замедлению регенерации в центральной нервной системе.

Валерианская дегенерация медленная .

Мыши штамма C57BL/Wlds демонстрируют замедленную валлиеровскую дегенерацию, что позволяет изучать роль различных типов клеток и лежащие в основе клеточные и молекулярные процессы. Современное понимание этого процесса стало возможным благодаря экспериментам на мышах штамма Wlds. Мутация впервые возникла у мышей в Харлан-Олаке, лаборатории по производству животных в Соединенном Королевстве. Мутация Wlds – это аутосомно-доминантная мутация, локализованная в 4-й хромосоме мыши. Мутация гена представляет собой естественное тандемное утроение размером 85 кб. Мутированная область содержит два связанных гена: никотинамидмононуклеотидаденилтрансферазу 1 (NMNAT1) и фактор убиквитинизации e4b (UBE4B). Линкерная область, кодирующая 18 аминокислот, также является частью мутации. Защита, обеспечиваемая белком WldS, является внутренним свойством нейронов, а не окружающих поддерживающих клеток, и оказывает локальное защитное действие на аксон, что указывает на внутриклеточный механизм, ответственный за опосредованную валлиеровскую дегенерацию.

Влияние мутации WldS

Мутация не наносит вреда мыши. Единственный известный эффект заключается в том, что валлиеровская дегенерация задерживается в среднем до трех недель после повреждения нерва. Первоначально предполагалось, что мутация Wlds замедляет инфильтрацию макрофагов, но недавние исследования показывают, что мутация защищает аксоны, а не замедляет макрофаги. Это, в свою очередь, активирует процесс, зависимый от SIRT1, в ядре, вызывая изменения в транскрипции генов. Однако более поздние работы ставят под сомнение возможность замены гена Wlds полной длины NMNAT1 или NAD+. Эти авторы продемонстрировали как in vitro, так и in vivo, что защитный эффект переэкспрессии NMNAT1 или добавления NAD+ не обеспечивает защиту аксонов от дегенерации. Тем не менее, последующие исследования показали, что NMNAT1 обладает защитным действием в сочетании с аксоно-направляющим пептидом, что позволяет предположить, что ключ к защите, обеспечиваемой WldS, заключается в комбинации активности NMNAT1 и аксональной локализации, обеспечиваемой N-концевым доменом химерного белка. Предоставляемая аксональная защита задерживает начало валлиеровской дегенерации. Соответственно, активация клеток Шванна должна быть отсрочена, поскольку они не будут обнаруживать сигналы аксонального разрушения от рецепторов ErbB2. В экспериментах на мышах с мутацией Wlds инфильтрация макрофагов значительно задерживалась на шесть-восемь дней. Однако, как только деградация аксонов начинается, дегенерация протекает своим обычным ходом, и, в зависимости от типа нервной системы, деградация происходит с вышеописанной скоростью. Возможно, такое позднее начало воздействия ослабляет регенеративные способности у мышей. Исследования показывают, что регенерация может быть нарушена у мышей WldS, но это, вероятно, связано с неблагоприятной средой для регенерации из-за сохранения недегенерировавшего дистального волокна, в то время как обычно происходит очистка от продуктов деградации, освобождающая место для нового роста.

SARM1

Путь валлирианской дегенерации был дополнительно прояснен открытием того, что белок, содержащий стерильный альфа- и TIR-мотив 1 (SARM1), играет центральную роль в этом пути. Ген был впервые идентифицирован в ходе мутагенеза Drosophila melanogaster, а последующие нокауты его гомолога у мышей показали надежную защиту прерванных аксонов, сопоставимую с защитой, обеспечиваемой WldS. SARM1 катализирует синтез и гидролиз циклического АДФ-рибозы (cADPR) из NAD+ в АДФ-рибозу. Активация SARM1 локально вызывает быстрое снижение уровня NAD+ в дистальном сегменте поврежденного аксона, который затем подвергается дегенерации. Позже было показано, что это снижение уровня NAD+ обусловлено присущей TIR-домену SARM1 способностью к расщеплению NAD+. Белок SARM1 состоит из четырех доменов: сигнала митохондриальной локализации, автоингибирующей N-концевой области, состоящей из мотивов армадилло/HEAT, двух стерильных альфа-мотивов, ответственных за мультимеризацию, и C-концевого Toll/Interleukin 1 рецептора, обладающего ферментативной активностью. Эта взаимосвязь подтверждается тем фактом, что мыши с дефицитом NMNAT2, которые обычно нежизнеспособны, полностью восстанавливаются при делеции SARM1, что указывает на расположение активности NMNAT2 выше по течению от SARM1. Другие про-дегенеративные сигнальные пути, такие как путь MAP-киназы, были связаны с активацией SARM1. Сигнализация MAPK, как было показано, способствует потере NMNAT2, тем самым способствуя активации SARM1, хотя активация SARM1 также запускает каскад MAP-киназы, что указывает на наличие некоторой формы петли обратной связи. Одно из объяснений защитного эффекта мутации WldS заключается в том, что область NMNAT1, которая обычно локализуется в теле клетки, замещает нестабильный фактор выживания NMNAT2, чтобы предотвратить активацию SARM1, когда N-концевой Ube4-домен белка WldS локализует его в аксоне. Тот факт, что повышенная выживаемость аксонов WldS обусловлена более медленной скоростью обновления WldS по сравнению с NMNAT2, также помогает объяснить, почему нокаут SARM1 обеспечивает более длительную защиту, поскольку SARM1 будет полностью неактивным независимо от активности ингибитора, в то время как WldS в конечном итоге будет деградировать. Возможные последствия пути SARM1 для здоровья человека можно изучить на моделях животных с травматическими повреждениями головного мозга, поскольку мыши, содержащие делеции Sarm1 в дополнение к WldS, демонстрируют уменьшение повреждения аксонов после травмы. Определенные мутации в NMNAT2 связывают механизм валлирианской дегенерации с двумя неврологическими заболеваниями.