Кто старое помянет, или польза альтернативного сплайсинга.
Перевод заметки с форума исследователей шизофрении (25 августа 2005 года).
Вот сама заметка: Are You Reelin in the Years? Not without Alternative Splicing.
Кто старое помянет, или польза альтернативного сплайсинга.
Статья размещается по особой договоренности с Форумом Исследователей Болезни Альцгеймера. Оригинальный вариант содержит дополнительные комментарии.
25 августа 2005. Узнаете ли вы бриллиант, когда он окажется у вас в руках? Только при помощи долговременной потенциации (LTP) - способности нейронов последовательно усиливать ответную реакцию на учащающиеся стимулы. LTP является ключевым механизмом памяти, а к ухудшению памяти приводит, помимо прочих факторов, и бета-амилоид (см. заметку на сайте Alzheimer Research Forum) - пептид, формирующий нерастворимые бляшки в мозге при болезни Альцгеймера (AD). В прошлый четверг журнал «Neuron» опубликовал статью Джоахима Герца и коллег, которые обнаружили, что два других связанных с болезнью Альцеймера белка - рилин и рецептор ApoER2 - участвуют в процессе долговременной потенциации. Соединение этих белков, зависящее от альтернативного сплайсинга гена ApoER2, вызывает фосфорилирование N-метил-D-аспартатного (NMDA) типа глутаматных рецепторов, участие которых в долговременной потенциации и формировании памяти демонстрировалось неоднократно. ApoER2, конечно же, связывается с аполипоптоеином Е, а именно его ApoE-ε4 вариантом, который наиболее сильно ассоциирован с риском наступления поздней формы болезни Альцгеймера (См. вводную информацию по ApoE на сайте Alzheimer Research Forum). Рилин, еще один лиганд ApoER2, регулирует миграцию нейронов в период развития. Но он экспрессируется в мозге и у взрослых. Более того, недавно вышедшие данные показывают, что рилин-производящие клетки Кахаля-Ретциуса, вероятно, первыми страдают при наступлении болезни Альгеймера. Так какова же конкретная роль рилина во взрослом мозге?
Недавно авторами было показано, что кооперация рилина и ApoE-рецепторов ведет к усилению LTP (Weeber et al., 2002), но точный механизм действия этих двух белков был неясен. В попытке пролить свет на эту тайну, первый автор Уве Бефферт и коллеги исследовали в структуре гена ApoER2, отличающегося своей эволюционной консервативностью, единственный экзон, присутствующий только у млекопитающих.
Это экзон номер 19, который подвержен дифференциальному сплайсингу, что часто наблюдается у протеинов, участвующих в процессах нейропередачи. Используя knock-in векторы для замены нормальных копий ApoER2 у мышей геном, не подверженным сплайсингу, Бефферт и коллеги исследовали роль этого экзона в мозге млекопитающих. Они отметили, что без экзона 19 миграция нейронов протекает нормально, исключая его влияние на развитие мозга. Активация тирозин киназ, вызванная связыванием рилина с ApoE-рецептором, протекала нормально как в присутствии экзона 19, так и без него, следовательно, для надлежащего выполнения этой конкретной задачи он также не требовался. Это побудило авторов рассмотреть другие процессы, на которые мог бы влиять этот экзон.
Бефферт и коллеги попытались обнаружить отличительные черты процесса LTP в срезах гиппокампа, взятых у knock-in мышей. Базальная трансмиссия LTP протекала одинаково как в срезах мозга мышей с подавленной экспрессией экзона 19, так и в тканях от нормальных мышей. Однако при стимуляции LTP рилином все радикально изменилось. Рилин-зависимое усиление LTP полностью отсутствовало у мышей с отключенным экзоном 19. После этого Бефферт и коллеги заблокировали AMPA рецепторы и замерили постсинаптические потенциалы в попытке узнать, оказывает ли рилин свое воздействие на LTP посредством модификации трансмиссии через другой глутаматный рецептор - NMDAR. При добавлении рилина, трансмиссия в нейронах нормального образца выросла почти вдвое, в то время как в образцах с отсутствующим экзоном 19 трансмиссия даже упала - приблизительно на 50 процентов.
«Совокупность полученных данных говорит о том, что вызываемое рилином усиление LTP задействует молекулярный механизм, зависящий от альтернативного сплайсинга экзона 19. Также этот механизм включает, пусть и частично, модулирование функций NMDA рецептора» - пишут авторы.
Но усиление LTP не ограничивается срезами гиппокампа. Авторы проверили knock-in мышей в двух популярных тестах работы памяти - тесте на обусловливание страха (в котором мышь, подобно собаке Павлова, учится ассоциировать стимул, например звуковой сигнал, с получением слабого шокового воздействия на лапки) и тесте на пространственное ориентирование (в котором мышь в контейнере с водой учится по памяти находить затопленную платформу). Статистические результаты мышей с отсутствующим экзоном 19 оказались низкими в обоих тестах. Например, в тесте на обусловливание страха мыши без экзона реагировали на звуковой сигнал лишь в 10% случаев, в то время как knock-in мыши с экзоном реагировали на 40% сигналов. А в водном лабиринте мыши без экзона в поисках платформы проводили на 20% времени меньше в том квадрате, где она находилась.
Еще более интригующим стало наблюдение зависимости альтернативного сплайсинга ApoER2 от активности мыши. У нормальных мышей экпрессия экзон-19-позитивного варианта гена повышалась в периоды активности, например во время кормежки. Этот альтернативный сплайсинг не зависел от времени суток, что говорит о его действительной связи с активностью, а не с действием эндогенных циркадных ритмов.
Так как же Рилин и ApoER2 воздействуют на рецепторы NMDA? Проведя эксперименты по коиммунопреципитации с использованием культур клеток и экстрактов мозга мышей, Бофферт и коллеги обнаружили, что ApoER2 и субъединицы NR2A и NR2B рецептора NMDA могут взаимодействовать друг с другом. Использовав ту же стратегию, авторы обнаружили взаимодействие ApoER2 с белком postsynaptic density 95 (PSD95), который способен соединяться с бета-амилоидом и в некоторых исследованиях был связан с его токсичностью (Lacor et al., 2004). Интересно то, что это взаимодействие происходит только при наличии экзона 19 в ApoER2. Более того, авторы нашли все упомянутые компоненты в синаптосомах и обнаружили, что рилин ведет к фосфорилированию NMDA рецепторов при изоляции последних в комплексах с ApoER2.
Возможный механизм модулирования активности NMDA рецептора и LTP экзоном 19 в ApoER2.
Известны только два класса белков, способных соединяться с экзоном 19 ApoER2 (окрашен пурпурным цветом) - это PSD95 и JIP - протеины, взаимодействующие с c-Jun N-terminal киназой (JNK). PSD95 может соединяться с SFK и рекрутировать их к NMDA рецептору (Tezuka et al., 1999), в то время как JIP-ы способны рекрутировать JNK, которые могут модулировать LTP (Curran et al., 2003). Характер возможного воздействия ApoE на рилин неизвестен, но он должен представлять большой интерес для исследователей болезни Альцгеймера. (Изображение взято из статьи Beffert et al., любезно предоставлены журналом Neuron и издательством Cell Press).
Все эти свидетельства побудили авторов к построению новой, улучшенной схемы взаимодействий рилина, ApoER2, PSD95 и NMDA рецепторов. Роль ApoE на данный момент неясна, но авторы указывают, что «ApoE, еще один лиганд ApoER2 и важный изоформ-специфичный модификатор риска наступления болезни Альцгеймера позднего типа, может в принципе изменять характер сигнальной активности ApoER2 и ответной реакции NMDAR, вмешиваясь в нормальную активацию рецепторов (см. рисунок). Этот механизм работы ApoE может вносить вклад в его роль в болезни Альцгеймера".
Недвусмысленная демонстрация действий рилина во взрослом мозге является важным аспектом этой работы, пишет Габриелла Д’Арканджело из Колледжа Бейлора, штат Хьюстон, в напечатанном журналом Neuron анонсе. Она также предполагает, что целью будущих исследований должен стать вопрос, регулирует ли рилин синаптогенез и синаптическую стабильность во взрослом мозге - ведь известно то, что рилин требуется для роста нейритов в развивающемся мозге. Потеря синапсов, несомненно, является важной частью патологии болезни Альцгеймера (см. отчет о симпозиуме на Alzheimer Research Forum), в то время как снижение экспрессии рилина в мозге больных шизофренией было недавно связано с гиперметилированием ДНК (Grayson et al., 2005), отмеченным у пациентов. «Интересно будет проанализировать сплайсинг ApoER2 в мозге людей, страдающих шизофренией, а также больных другими заболеваниями, приводящими к дефектам памяти и обучения, такими как болезнь Альцгеймера» - заключает Д’Арканджело. ----- Том Фаган (Tom Fagan).
Упомянутые статьи:
Beffert U, Weeber EJ, Durudas A, Qiu S, Masiulis I, Sweatt JD, Li W-P, Adelmann G, Frotscher M, Hammer RE, Herz J. Modulation of synaptic plasticity and memory by reelin involves differential splicing of the lipoprotein receptor ApoER2. Neuron. August 18, 2005;47:567-579. Abstract
D’Arcangelo G. ApoER2: A Reelin receptor to remember. Neuron. 2005 Aug 18;47(4):471-3. Abstract