Влияние мутаций в гене LRRK2 на агрегацию и метаболизм α-синуклеина

Декабрь 4, 2015 / Комментарии 0

Как уже отмечалось ране, в настоящий момент считается, что агрегация белка α-синуклеина является центральным звеном патогенеза БП. α-синуклеин является основным компонентом белковых агрегатов (телец Леви) в дофаминергических нейронах черной субстанции у пациентов как с наследственными, так и со спорадическими случаями заболевания. Для выяснения молекулярных механизмов патогенеза БП, обусловленной мутациями в гене LRRK2, представляется крайне важным ответить на вопрос о влиянии мутаций в гене LRRK2 на метаболизм и агрегацию α-синуклеина, а также выяснить, является ли α-синуклеин субстратом данной киназы.

Известно, что фосфориллирование α-синуклеина может происходить по одному из пяти аминокислотных остатков (S87, Y125, S129, Y133, S136). Наиболее изученным является белок, фосфорилированный по серину в 129 положении (S-129). Фосфорилирование α-синуклеина S-129 усиливает формирование филаментов и олигомерных форм данного белка и преобладает в α-синуклеин-положительных тельцах Леви в нейронах черной субстанции у пациентов с БП. Косвенным подтверждением возможного взаимодействия LRRK2 и α-синуклеина является их колокализация в тельцах Леви. Учитывая тот факт, что тельца Леви выявляются в аутоптатах мозга большинства пациентов с мутациями в гене LRRK2, можно было бы предполагать непосредственное участие LRRK2 в фосфорилировании α-синуклеина. На сегодня всего в одном исследовании в условиях in vitro было показано, что лизат клеток, экспрессирующих ген LRRK2, обладает способностью фосфорилировать рекомбинантный α-синуклеин в положении S-129. Коимуннопреципитация LRRK2 и α-синуклеина из аутоптатов мозга пациентов с деменцией с тельцами Леви и из клеток НЕК 293 на фоне индукции окислительного стресса указывает на то, что эти два белка при стрессовых состояниях могут локализоваться в клетке в одних и тех же компартментах и участвовать в одних и тех же биологических процессах, а киназная активность LRRK2 напрямую или косвенно может влиять на фосфорилирование α-синуклеина. Однако полученные авторами результаты не были подтверждены в ряде других исследований, выполненных как на клеточных культурах, так и на животных моделях при гиперэкспрессии гена LRRK2 дикого типа, либо с мутацией G2019S, что, вероятно, указывает на неспособность LRRK2 усиливать агрегацию α-синуклеина непосредственно за счет прямого фосфорилирования последнего. Таким образом, следует отметить, что до сих пор нет подтвержедения прямого биохимического взаимодействия между α-синуклеином и LRRK2 или прямого фосфорилирования α-синуклеина LRRK2. С другой стороны, нельзя исключить влияние LRRK2 на метаболизм α-синуклеина путем участия этой киназы в процессах фосфорилирования белков, связанных с α-синуклеином. В частности, предполагается участие LRRK2 в фосфорилировании белков-шаперонов семейства 14-3-3, взаимодействующих с α-синуклеином и участвующих в различных внутриклеточных процессах, включая транспорт и белковое взаимодействие.

Альтернативно можно предположить опосредованное влияние LRRK2 на агрегацию α-синуклеина. Подтверждением данной гипотезы могут служить результаты исследования, выполненного на трансгенных мышах. В результате данного исследования было обнаружено, что коэкспрессия гена LRRK2 и α-синуклеина с мутацией А53Т в значительной степени ускоряет нейродегенера-тивные процессы в доза-зависимой манере независимо от генотипа гена LRRK2. Двойной трансген обнаруживал резкую гибель дофаминергических нейронов уже в возрасте 1 месяца, указывая на совместную роль а-синуклеина и LRRK2 в нейродегенерации. Интересно, что ни одна модель на трансгенных мышах с гиперэкспрессией гена LRRK2 не демонстрировала возрастной нейродегенерации.

В последнее время накапливается все больше доказательств вовлеченности как α-синуклеина, так и LRRK2 в регуляцию одних и тех же клеточных процессов, в частности — в регуляции транспорта синаптических везикул в нейронах и динамики цитоскелета. Так, показано, что как α-синуклеин, так и LRRK2 взаимодействует с мембранами синаптических везикул, участвуя в регуляции их эндоцитоза. LRRK2 также вовлечена в процесс регуляции сборки F-актина (филаменты основного белка цитоскелета актина), контролируя активности белков семейства эзрин, радиксин, моезин (ERM) посредством их фосфорилирования. Предполагается участие LRRK2 в регуляции стабильности микротрубочек. В клеточном экстракте мозга нокаутных по гену Lrrk2 мышей показано повышение свободного тубулина. Напротив, в гомогенате мозга трансгенных по гену LRRK2 с мутацией G2019S показано его снижение, что свидетельствует о стабилизирующей роли белка LRRK2 в процессе сборки микротрубочек. LRRK2 способна влиять на систему микротрубочек, также влияя на функциональную активность ассоциированного с микротрубочками белка тау. Фосфорилированный белок тау теряет эффективность связывания с микротрубочками и способность их стабилизации, приводя к нарушению аксонального транспорта. Накопление фосфорилированного т-белка было обнаружено в линиях трансгенных мышей по гену LRRK2 с мутациями G2019S, R1441G. Интересно отметить, что у трети пациентов с БП с мутациями в гене LRRK2 в аутоптатах мозга обнаруживают тау-положительные включения в отсутствии телец Леви. При этом у большинства пациентов выявляются α-синуклеинположительные включения, а у части пациентов белковые включения отсутствуют. Очевидно, что нейродегенерация клеток черной субстанции, обусловленная дисфункцией LRRK2, может происходить без образования белковых агрегатов. Эти наблюдения дают основание предполагать, что LRRK2 функционирует в каскаде патологических событий «над» событиями, приводящими к агрегации того или иного белка и действует в качестве сигнальной молекулы, необходимой для транспорта органелл, сборки микротрубочек и стабильности клетки. Нарушение функции LRRK2 может приводить к дестабилизации микротрубочек, и как результат — к нарушению транспорта α-синуклеин-ассоциированных везикул.

Нельзя также исключить опосредованного влияния LRRK2 на агрегацию α-синуклеина путем нарушения клеточных процессов, влияющих на деградацию этого белка, а именно — убиквитин-протеосомную систему деградации белка (УПС) и аутофагию. Коэкспрессия α-синуклеина с заменой А53Т, и LRRK2 с заменой G2019S у мышей приводила к нарушению активности УПС и усилению агрегации альфа-синуклеина. У мышей с нокаутом гена Lrrk2 наблюдается нарушение процесса аутофагии, накопление α-синуклеина в почках. В исследованиях in vitro экспрессия гена LRRK2 с мутацией R1441C вызывала нарушение аутофагии за счет накопления в клетке аутофагийных вакуолей, содержащих неполностью деградированный белковый материал. Более того, гиперэкспрессия гена LRRK2 с мутацией G2019S в клеточной линии нейробластомы SH-SY5Y не только приводила к увеличению количества аутофагийных вакуолей, но также к изменению морфологии нейритов, что говорит о возможной взаимосвязи этих двух событий.

Обсуждаемые выше исследования, направленные на изучение влияния мутаций в гене LRRK2 на агрегацию α-синуклеина, выполнены in vitro или на модельных животных. Широкое распространение мутаций гена LRRK2 среди пациентов с семейной формой БП впервые дает возможность формирования группы пациентов с БП с однородной этиологией заболевания. В настоящее время опубликовано несколько исследований, где в качестве одной из групп сравнения обследована группа пациентов с мутациями в гене LRRK2. Так, лимфоциты крови пациентов с LRRK2-ассоциированной БП были исследованы с целью выявления нарушений в работе киназного каскада при этой форме заболевания. Нами проведено исследование по изучению уровня общего и олигомерного α-синуклеина в крови у пациентов с БП, обусловленной мутациями в гене LRRK2. Было показано снижение уровня общего α-синуклеина в группе с LRRK2-accоциированной БП по сравнению с группой пациентов со спорадической формой БП и контролем, в то время как отличий в уровне олигомерного α-синуклеина выявлено не было. Выявленное нами снижение уровня α-синуклеина у пациентов с мутациями в гене LRRK2 на фоне нормальной экспрессии гена SNCA позволяет предположить влияние не на уровне транскрипции гена, а на уровне белок-белковых взаимодействий. В частности, не исключено накопление фосфорилированной формы по S87 α-синуклеина. Отсутствие изменений в уровне олигомерного α-синуклеина в группе пациентов с БП с мутациями в гене LRRK2 показано также группой исследователей. Несколькими учеными не выявлено также повышения олигомерных форм α-синуклеина в плазме крови пациентов со спорадической формой БП неизвестной этиологии. Отсутствие изменений в уровне олигомерных форм α-синуклеина в клетках крови у пациентов с БП, и в частности у пациентов с мутациями в гене LRRK2, может объясняться ограниченным временем жизни клеток крови, проявлением иммунного ответа и клеточных компенсаторных механизмов.

В заключение следует отметить, что до настоящего времени остается неясным, как мутации в гене LRRK2 влияют на метаболизм и агрегацию α-синуклеина, а также, является ли α-синуклеин вероятным субстратом данной киназы. Суммируя данные зарубежных исследователей и собственные результаты, можно предположить, что LRRK2 работает на ранних этапах, в каскаде, регулирующем агрегацию α-синуклеина, и данные белки не взаимодействуют непосредственно.

Подпишитесь на свежую email рассылку сайта!

Читайте также