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.
yet to be fully understood. The 'sensing' is followed by decreased synthesis of myelin lipids and eventually stops within 48 hrs. The myelin sheaths separate from the axons at the Schmidt Lanterman incisures first and then rapidly deteriorate and shorten to form bead like structures. Schwann cells continue to clear up the myelin debris by degrading their own myelin, phagocytose extracellular myelin and attract macrophages to myelin debris for further phagocytosis. Murinson et al. (2005) observed that non myelinated or myelinated Schwann cells in contact with an injured
axon enter cell cycle thus leading to proliferation. Observed time duration for
Schwann cell divisions were approximately 3 days after injury. Possible sources of proliferation signal are attributed to the ErbB2 receptors and the ErbB3 receptors. This proliferation could further enhance the myelin cleaning rates and plays an essential role in regeneration of axons observed in PNS. Schwann cells emit growth factors that attract new axonal sprouts growing from the proximal stump after complete degeneration of the injured distal stump. This leads to possible reinnervation of the target cell or organ. However, the reinnervation is not necessarily perfect, as possible misleading occurs during reinnervation of the proximal axons to target cells.
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.