Свободно използване на проезведения(научна литература) с авторски права

Masaya Tohyama Shingo Miyata Tsuyoshi Hattori Shoko Shimizu Shinsuke Matsuzaki

Anat Sci Int DOI 10.1007/s12565-014-0269-3.

Наскоро са били докладвани няколко потенциални гени за ранимост към големите психиатрични разстройства (Шизофрения и Голяма Депресия), като disrupted-in-schizophrenia 1(DISC1), dysbindin, и активиран от хипофизната аденилатциклаза полипептид (PACAP). DISC1 участва в невроналното развитие директно чрез адхезионни молекули или чрез своите свързващи партньори на DISC1 като elongation protein f- 1 (FEZ1), DISC1-binding zinc-finger protein (DBZ) и kendrin. PACAP също регулира невроналното развитие чрез stathmin 1 или чрез регулиране на DISC1-DBZ свързване. Dysbindin също участва в невроналното развитие чрез регулиране на формирането на центрозомалната микротубуларна мрежа. Всички такива молекули изследвани до момента участват в невроналното развитие. Така, тези резултати дават нови молекулярни прозрения в механизмите на невроналното развитие и невропсихиатричните разстройства. От друга страна, в допълнение към невроните, DISC1и DBZ са били открити в олигодендроцитите и участват в регулирането на тяхната диференциация. DISC1 инхибира диференциацията на олигодендроцитните прекурсорни клетки в олигодендроцити, докато DBZ има положителна регулаторна роля в диференциацията на олигодендроцитите. Нарушаването на развитието на олигодендроцитите причинява Голямя Депресия.

Шизофренията е инвалидизиращо психично заболяване, което засяга около 3% от населението в света. Въпреки това, до момента, не са установени ефективни лекарства за нея. Основната причина е, че основният й механизъм не е изследван адекватно на молекулярно ниво. Последните линкидж и асоциационни проучвания показват, че DISC1 и свързващите му партньори , dysbindin и PACAP  може да са главните рискови фактори за Шизофрения и Голяма Депресия, въпреки че наличието на единични нуклеотидни полиморфизми (SNPs) не винаги разкриват риск от заболяване. Налице са вече достатъчно доказателства, показващи, че (1) всички тези молекули участват в невроналното развитие, което показва, че невропсихични заболявания като Шизофрения и Биполярно  афективно разстройство и Голяма Депресия са заболявания на невроналното развитие; и (2) абнормното развитие на олигодендроцитите може тясно да се свърже с Голяма Депресия.

       DISC1 регулира невроналното развитие чрез повишаване на експресията на адхезионни молекули (N-cadherin и b1-integrin protein).

DISC1 регулира невронната матурация чрез взаимодействие на свързващи партньори(fasciculation and the elongation protein f-1 (FEZ1), DISC1-binding zinc-finger protein (DBZ)и kendrin).

DISC1 участва в разтежа на невронните израстъци чрез взаимодействието му с FEZ1 като го усилва.

DISC1-DBZ взаимодействието предизвиква инхибиране на растежа на невритите по време на ранната онтогенетична фаза. Въпреки това, взаимодействието на DISC1-DBZ се дисоциира преходно от РАСАР и дисоциираният DISC1 предизвиква растежа на аксона. С течение на времето, взаимодействието DISC1- DBZ се изгражда отново, за да се спре растежа на аксона. Всъщност, развитието на кошерните клетки- морфологично дефинирана категория парвалбумин (PV) –съдържащи интерневрони- е нарушено в DBZ нокаут – мишки. DBZ mRNA се експресира силно във вентралната част на субвентрикуларната зона на медиалното ганглийно възвишение, където PV-съдържащи корови интерневрони са генерирани в ембрионалния ден 14.5 (E14.5). Въпреки че нивото на експресия на PV и броя на PV-съдържащите интерневрони не се променя в кортексите на DBZ нокаут- мишки, кошовите клетки са по-малко разклонени и имат по-къси израстъци в соматосензорните кортекси на DBZ нокаут- мишки в сравнение с тези в кората на WT- мишки. Освен това, в соматосензорните кори на DBZ нокаут- мишки, нивото на mРНК кодираща ензимите за синтезиране на гама-аминобутирова киселина – GAD67 са понижени. Тези констатации показват, че DBZ участва в морфогенезата на кошерните неврони. В DBZ нокаут-мишки, е установено намаляване на броя на кортикалните GABAeргични- неврони и незрели дендритни дървета на кортикални пирамидални клетки. Освен това, в DBZ нокаут-мишки е докладвано забавяне на миграцията на корови клетки.

DISC1 и kendrin (наричан също перицентрин-B) се локализират съвместно в центрозомата, и взаимодействието на DISC1-kendrin е задължително условие за центрозомалната локализация на DISC1. Карбокси края на DISC1 е крайно необходим за взаимодействието с kendrin и се изисква също и за центрозомалното насочване на DISC1. Свръхекспресията на DISC1-свързващия регион уврежда микротубулната организация. По този начин, взаимодействието DISC1 kendrin играе ключова роля в динамиката на микротубулите.

DISC1 играе ключова роля в развитието на мозъка, включително растежа на невритите(дендрити и аксони) и матурацията на невроните чрез взаимодействие с FEZ1, DBZ или kendrin. Аминокиселините 446-553 на DISC1 действат като FEZ1- и DBZ-свързващи региони, а аминокиселини 446-597 на DISC1 са жизнено важни за взаимодействието с kendrin. Тези резултати предполагат, че районите на DISC1 близо до точката на края на транслокацията (аминокиселина 598) участват във взаимодействието с FEZ1, DBZ и kendrin, и че FEZ1, DBZ и kendrin се свързват с припокриващи (но различни) региони на DISC1. Следователно е многовероятно при големите психиатрични разстройства, получени от транслокация на гена на DISC1, патогенезата да се дължи на загуба на свързване на FEZ1, DBZ и kendrin с DISC1, което води до забавяне на невроналното развитие. В подкрепа на това, предишни изследвания са показали връзка между SNPs на гена FEZ1 и шизофрения, между някои SNPs на РАСАР- гена или PAC1- гените и шизофрения и между SNP на. Няколко независими изследвания са показали, че свързани с цитоскелета протеини, такива като NudE-подобни (NUDEL) и lissenchphaly-1 (LIS1) са възможни партньори, взаимодействащи с DISC1- протеина. NUDEL, LIS1 и моторният протеин dynein формират молекулен комплекс, участващ в невроналната миграция. DISC1 поддържа NUDEL-LIS1- dynein комплекса в центрозомата. Освен това, DISC1 също участва или в транспортирането на NUDEL-LIS1- dynein комплекс или на протеин 2 свързан с рецептора на растежния фактор(Grb2) до аксоналния връх заедно с kinesin-1.

РАСАР регулира невронната матурация чрез статминовата каскада в допълнение към DISC1-DBZ- та каскада.

РАСАР нокаут мишки проявяват известни поведенчески нарушения, които включват хиперактивност с нарушено привикване към нови ситуации, повишено поведение за търсене на новости, намалена тревожност, както и данни за невронална дисфункция, като например увреждания на препулсовото инхибиране и LTP на хипокампа. РАСАР рецептор- , PAC1-дефицитни мишки също са показали увеличение на двигателната активност, намаляване на подобното на тревожност поведение и абнормно социално поведение, както и увреждане на хипокампалната LTP. Освен това се предполагат асоциации между някои SNPs на РАСАР- или PAC1- гени и шизофрения. По този начин се натрупват доказателствата, които предполагат тясна връзка между РАСАР и шизофрения. Досега са показани два РАСАР-сигнални пътища, свързани с шизофрения. Един път регламентира връзката между DISC1 и DBZ чрез РАСАР, докато другия инхибира stathmin1- експресията чрез РАСАР. В РАСАР нокаут мишки, stathmin1- експресията е повишена в gyrus dentatus, както и нивата на mRNA и нивата на протеина. В допълнение, РАСАР- стимулирането инхибира stathmin1 експресия в PC 12 клетки. Последващ хистохимичен анализ показва, че stathmin1 е повишен в невроните на субгрануларната зона (SGZ). Повишена експресия на stathmin1 в SGZ- неврони и първично култивирани неврони на gyrus dentatus предизвиква образуване на абнормни дървовидни разклонения (арборизации) на аксоните, както in vivo, така и in vitro. In vivo анализите показват, че тези влакна са разпространени в хилуса, докато анализ с имуноелектронна микроскопия показва, че процесите на покълване са аксони. Тези данни показват, че stathmin1 е ангажиран с невроналното развитие.

Също е проучен молекулният механизъм на stathmin1-експресията. Повишената експресия на Hes1 и ID3 от РАСАР- стимулацията подтиска Acl1- експресията, която на свой ред усилва stathmin1- експресията. Трябва да се отбележи, че също така е установено увеличение в експресията на stathmin1 в мозъците на пациенти с шизофрения, но не и при тези на пациенти с БАР, което показва,че повишеният stathmin1 в gyrus dentatus на психиатрични разстройства зависими от РАСАР дефицит може да предизвика абнормни невронни вериги, които предизвикват болестно поведение.

Съществуват доказателства за връзка между DTNBP1 гена (кодиращ dysbindin; dystrobrevin свързващ protein1) и шизофрения. В допълнение, пясъчните мишки с изтрит DTNBP1 ген и липсващ dysbindin показват поведенчески аномалии, предполагащи асоциация с шизофрения. Изяснен е механизма, чрез който загубата на dysbindin предизвиква шизофреноподобно поведение. Dysbindin- нокаутът резултира в аберантна организация на актиновия цитоскелет в SH – SY5Y клетки. Освен това морфологични аномалии на актиновия цитоскелет по същия начин са били наблюдавани в растежния конус на култивирани хипокампусни неврони, получени от пясъчните мишки. Налице са сигнификантни корелации между нивото на експресия на dysbindin и нивото на фосфорилиране на c-Jun N-terminal киназата (JNK), която участва в регулирането на цитоскелетната организация. По този начин dysbindin играе ключова роля в координирането на JNK сигнализацията и актиновия цитоскелет, необходими за невронната матурация. Съответно на това е вероятно при шизофрения, получена от намалената дисбиндинова експресия, патогенезата да се дължи разстройство на мускулния организация, което води до забавено невронно развитие.

Идентифицирани са няколко dysbindin- взаимодействащи партньори, включително транскрипционен фактор – ядреният транскрипционен фактор Y бета (NF- YB). NF-YB принадлежи към семейството на CCAAT- свързващи трансккрипционни фактори, които са важни за основната транскрипция на класа на регулаторните гени и участват в клетъчни реакции. Също така беше изследвано функционалното участие на dysbindin в транскрипцията чрез взаимодействието си с NF-YB. Като резултат, ние показахме, че NF-YB / dysbindin комплексът регулира транскрипцията на myristoylated alanine-rich protein kinase C substrate (MARCKS) чрез взаимодействие с някои CCAAT- последователности. В допълнение MARCKS- експресията е увеличена в sdy мутант мишки в сравнение с див тип мишки. Тези констатации показват, че абнормната експресия на MARCKS чрез дисфункция на dysbindin може да причини увреждане на невронната трансмисия и абнормна синаптогенеза, даващи нови прозрения за механизмите на невронното развитие и патогенезата на шизофренията.

Необичайното активиране на нигростриаталните и мезолимбични допаминергични трактове се смята за една от най-важните причини за шизофрения, въпреки, че причината за тази необичайна хиперактивация на допаминергичната система в шизофренния мозък, е неясна. Dysbindin участва също така в този механизъм. Три линии на доказателства сочат, че dysbindin регулира допаминовата секреция чрез модулация на SNAP 25: (1) dysbindin се експресира в невроните на substantia nigra; (2) супресията на дисбиндиновата експресия в PC12- клетки води до увеличаване на експресията на SNAP 25, който играе важна роля в невротрансмитерната секреция; и (3) супресията на dysbindin увеличава отделянето на допамин.

DISC1 и DBZ регулират невронната функция чрез глиалните клетки

DISC1 негативно регулира диференцирането на олигодендроцитните прекурсорни клетки в олигодендроцити

DISC1- mRNA се експресира в олигодендроцитите на corpus callosum на мишка. Онтогенетично най- високата експресия на mRNA на DISC1 се идентифицира в постнаталния ден 7 (PD) 7, последван от постепенно намаляване до зряла възраст. Освен това, DISC1- mRNA се експресира в олигодендроцитни прекурсорни клетки на първично култивирани корови клетки на плъх и намалява, когато олигодендроцитните прекурсорни клетки са били предизвикани да се диференцират с депривация на PDGF. Експресията на маркерите, свързани с миелин, 20,30-cyclic-nucleotide 30-phosphodiesterase (CNPase) и myelin basic protein (MBP), както и броят на клетките със зряла олигодендроцитна морфология, намаляват след DISC1 свръхекспресия. Обратно, израз на CNPase и броя на олигодендроцити със зряла морфология се увеличават след DISC1 нокдаун. Свръхекспресията на пресечен форма на DISC1 също до увеличена експресия на миелинови протеини и броя на зрелите олигодендроцити, потенциално действащ чрез доминантен негативен механизъм. Soz10 и Nkx2.2 участват в DISC1- регулаторния път за олигодендроцитната диференциация, както добре познати транскрипторни фактори, участващи в регулирането на миелиновите гени. Тези данни показват, че DISC1 експресиран в олигодендроглиални наследствени клетки негативно регулира диференцирането на олигодендроцитните прекурсорни клетки в олигодендроцити.

DBZ положително регулира диференцирането на олигодендроцитните прекурсорни клетки в олигодендроцити

DBZ иРНК, също се експресира в олигодендроцитите на corpus callosum на мишката. За разлика от експресията на DISC1 в олигодендроцитите, експресия на DBZ (DISC1-binding zinc-finger protein) не се открива при раждането. Въпреки това, след PD 7 се появяват много позитивни клетки, за да се достигне пик при PD 14. Броят на DBZ- експресиращите клетки след това намаляват до зряла възраст. По този начин, DBZ се експресира в олигодендроцитния ред клетки и пикът му на експресия е преди MBP- експресията. В мазолестото тяло на DBZ-КО- мишки, миелинизацията по време на ранния постнатален период е забавена. Въпреки че закъснението в миелинизацията в по- голяма степен се преодолява в зряла възраст, олигодендроцитите с незрели структурни характеристики са били повече при възрастни DBZ-КО мишки в сравнение с контролните мишки. DBZ също е бил временно повишен по време на олигодендроцитната диференциация при плъх ин витро преди експресията на миелиновия маркер. DBZ нокдаунът води до намаляване на експресията на свързаните с миелин маркери и намаляване на броя на олигодендроцитите със зрели характеристики, но без ефект върху пролиферацията на олигодендроцитните прекурсорни клетки. В допълнение, с DBZ нокдаун в олигодендроцитните прекурсорни клетки, експресията на транскрипционни фактори, регулиращи отрицателно олигодендроцитната диференциация като Hes5, ID2, ID4 и Tcf4, е силно повишен. Обратно, нивата на експресия на транскрипционни фактори като Olig1, olig2, Nkx2.2 и Soz10, които имат положителен регулаторна роля в олигодендроцитната диференциация, са непроменени или намалени, когато ендогенния DBZ е с нокдаун.  Тези резултати показват, че DBZ регулира олигодендроцитната диференциация положително.

DISCI1

Фиг. 1 Дисфункцията на DISC1, РАСАР и dysbindin предоставя чувствителност към психични заболявания чрез анормално развитие на невронните.Masaya Tohyama Anat Sci Int DOI 10.1007/s12565-014-0269-3

Има ли функционална връзка между DISC1 и DBZ в олигодендроцитната диференциация?
Имайки предвид тези резултати, е вероятно, че по време на ранния постнатален етап, олигодендроцитната експресия на DISC1 се активира, за да инхибира олигодендроцитната диференцияция. Въпреки това, като се започне PD 7, експресията на DISC1 в олигодендроцитите постепенно намалява. Това намаление е съпроводено с повишаване на експресията на DBZ, което действа за насърчаване на олигодендроцитната диференциация. Всъщност, повишаването на DISC1 и намаляването на DBZ са били открити в различни демиелинизиращи процеси.

Кортикостеронът в плазмата активира серум глюкокортикоид регулирана киназа 1 (SGK1) и предизвиква морфологични промени в олигодендроцитите. Повтарящи се стресови събития е известно, че са свързани с появата на депресия (Miyata et al. 2011) (фиг. 3). Допълнителният стрес активира хипоталамус-хипофиза-надбъбречна (HPA) система, чрез повишаване нивото на плазмения кортизол. Неотдавна, молекуляр- ния път на кортизола надолу по веригата беше установен. Стресът чрез повишаване на плазмения кортизол активира веригата 3 phosphoinositide-dependent protein kinase (PDK1)-SGK1-N-myc downstream regulated gene 1(NDRG1)-адхезионни молекули (N-cadherin, a-catenin and b-catenin). В допълнение, активирането на сигналния път предизвиква морфологични промени в олигодендроцитите. При контролните мишки, редица миелинизирани влакна са били събрани компактно в мазолестото тяло. Въпреки това, междуфибреното пространство, което се заема почти изцяло от олигодендроцити, се увеличава значително в мазолестото тяло след повтарящ се стрес. Тези констатации показват, че многократното излагане на стрес причинява излишък на дървовидни разклонения на олигодендроцитните израстъци. Подобни констатации се потвърждават по- нататък ин витро. Добавянето на дексаметазон (DEX) води до увеличаване на диаметъра на зрелите но не и на незрелите олигодендроцити. Свръхекспресията на фосфорилиран SGK1 и фосфорилиран NGRD1 в олигодендроцитите има същия ефект като многократно излагане на стрес. Тези резултати показват тясна връзка между олигодендроцитите и Голяма депресия. В подкрепа на това, няколко проучвания показват тясна връзка между патогенезата на Голяма депресия и олигодендроцитите.

HPA

 

Fig. 3

Активирането на хипоталамо-хипофизарно-надбъбречната (HPA)

ос-PDK1-SGK1-NDRG1-адхезивни молекули, чрез многократно стрес индуцира

излишък на дървовидните разклонения на олигодендроцитните процеси.

Modified from Fig. 18 in Miyata et al. (2015)