Л.В. ЯКОВЕНКО

Холестерин и синапсы

Качество работы нервной системы зависит от скорости передачи сигналов между нервными клетками в местах их контактов, называемых синапсами (от греч. synapsis – соединение). Хотя синапсы были обнаружены более 100 лет назад, то, как они образуются, – процесс, называемый синаптогенезом, – до сих пор остается загадочным. Например, до сих пор не известно, сколько синапсов может образовывать нейрон с другими нервными клетками, предопределено ли количество синапсов заранее или оно может изменяться при взаимодействии нейрона с другими клетками.

Недавно с использованием культуры нейронов определенного типа, выделенных из центральной нервной системы, удалось установить два неожиданных факта, касающихся синаптогенеза. Первый из них состоит в том, что нейроны сами по себе образуют мало синапсов, если им в этом не помогают другие клетки нервной системы, называемые глиальными. Другой факт не менее удивителен: химическим сигналом, с помощью которого глиальные клетки побуждают нейроны к образованию новых синапсов, оказался холестерин.

История началась 4 года назад, когда американские исследователи Пфригер и Барс решили выяснить, могут ли образовываться работоспособные синапсы в чистой культуре ганглиозных клеток сетчатки. Нейроны были выделены из сетчатки новорожденных крыс и очищены от других типов клеток с помощью специального иммунологического метода, основанного на связывании клеток со специфическими антителами. Очищенную культуру нейронов содержали в простой среде без обычного добавления сыворотки крови – это предотвращало апоптоз (запрограммированную смерть клеток), несмотря на отсутствие глиальных клеток – астроцитов, которые в норме поддерживают жизнедеятельность нейронов.

К удивлению исследователей в чистой культуре ганглиозные клетки образовывали очень мало синапсов. Когда же их культивировали совместно с астроцитами, синапсов образовывалось в 70 раз больше. Чтобы выяснить, каким образом астроциты так сильно влияют на способность нейронов образовывать синапсы, были проведены обширные электрофизиологические, иммунохимические и электронно-микроскопические исследования.

Окончание аксона на дендрите

Оказалось, что в присутствии астроцитов число синапсов, образуемых каждым нейроном, возрастало в 7 раз. Более того, астроциты были необходимы для поддержания этого количества синапсов, т.к. при удалении глиальных клеток из культуры большая часть синапсов исчезала.

Так было впервые показано, что глия, которая долгое время считалась пассивной средой, не участвующей в формировании цепей передачи информации в нервной системе, может активно влиять на формирование и разрушение синапсов. Сразу же возник вопрос, каким образом астроциты управляют этими процессами. Из экспериментов, проведенных в начале исследования, следовало, что сигналом к образованию синапсов является какой-то выделяемый ими растворимый белок.

Сложный синапс: 1 – дендрит; 2 – симметричные утолщения мембран; 3 – шипковый аппарат; 4 – нервное волокно; 5 – синаптические пузырьки; 6 – митохондрии

Чтобы определить, что это за сигнал, другая группа исследователей разделила культуральную среду астроцитов на фракции и определила активность каждой из них. Оказалось, что образование синапсов вызывает фракция с молекулярной массой 150–650 кДа, способная связываться с гепарином. Было также установлено, что астроциты вызывают появление в нейронах белка, который по данным микросеквенирования и масс-спектрометрии оказался так называемый аполипопротеидом Е (апоЕ)*.

АпоЕ – белок, связывающийся с гепарином и входящий в состав ЛПВП, которые переносят липиды между клетками различных тканей и органов. В мозге апоЕ производится, в основном, астроцитами, а на нейронах находится множество рецепторов, связывающих этот белок, поэтому он был главным кандидатом на роль регулятора образования синапсов.

Однако рекомбинантный апоЕ никак не повлиял на образование синапсов нейронами. Поскольку апоЕ входит в состав ЛПНП, участвующих в обмене холестерина, исследователи решили добавить в культуру нейронов именно холестерин. Результат превзошел все ожидания.

Холестерин вызвал такое же увеличение количества синапсов, как и культуральная среда астроцитов. Более того, удаление холестерина из этой культуральной среды или подавление синтеза холестерина астроцитами сопровождалось потерей способности астроцитов влиять на образование синапсов. Хотя авторы исследования и не проверили, будет ли оказывать удаление апоЕ из среды инкубации такой же эффект, они обнаружили, что антагонист рецепторов ЛП значительно уменьшает способность астроцитов стимулировать образование синапсов.

Простейшее объяснение полученных данных состоит в том, что холестерин выделяется астроцитами, связывается с содержащими апоЕ ЛП и поглощается затем нейронами, в которых и оказывает свое стимулирующее действие. С таким выводом согласуется и то, что нейроны, культивируемые с астроцитами, содержат в своих мембранах в два раза больше холестерина, чем нейроны, культивируемые сами по себе.

Новые факты породили новые вопросы. Во-первых, является ли и апоЕ белком, производимым астроцитами и отвечающим за увеличение числа синапсов? Возможно, в этом участвуют и другие аполипопротеиды или глиальные белки. Во-вторых, какие из многочисленных рецепторов ЛПНП, связывающие апоЕ, обеспечивают этот процесс? Некоторые рецепторы просто обеспечивают поглощение ЛПНП нейронами, но есть и причастные к передаче сигналов. Важно выяснить также, как именно холестерин вызывает формирование синапсов: используются ли при этом внутриклеточные пути передачи сигналов, связанные непосредственно с рецепторами апоЕ, или же другие пути, включающие различные каскадные процессы. С другой стороны, возможно эти пути ни при чем, т.к. холестерин может быть нужен в чистом виде для образования синапсов: он связывается с некоторыми синаптическими белками, необходим для образования синаптических пузырьков и для нормальной работы некоторых рецепторов в синапсе.

Возможно, самый важный вопрос – является ли холестерин лимитирующим фактором при образовании синапсов. Холестерин, содержащийся в мозге, почти целиком получается в результате синтеза в астроцитах. Появление синапсов в развивающемся мозге и по времени и в пространстве совпадает с развитием астроцитов, поэтому оно может определяться локальным производством холестерина.

Может ли поступление холестерина управлять синаптической пластичностью мозга взрослого организма? Это пока не известно. Недавно обнаружено, что один из белков, имеющих отношение к работе рецептора ЛПНП, непосредственно определяет синаптическую пластичность в срезах гиппокампа. Уже давно подозревали, что апоЕ причастен к нейродегенеративной потере синаптической пластичности при болезни Альцгеймера. Одна из его форм, апоЕ4, связанная с повышенным риском заболевания болезнью Альцгеймера в старости, обладает наименьшей по сравнению с другими формами способностью вызывать рост дендритов у нейрона. Будет ли эта форма отличаться от других по способности вызывать образование синапсов?

То, что холестерин, производимый глиальными клетками, является химическим сигналом, вызывающим образование синапсов, делает возможным исследования роли глии в развитии синапсов и синаптической пластичности in vivo.

Интересно, что посмертное исследование мозга Эйнштейна не обнаружило никаких существенных его отличий от мозга среднего человека, за исключением количества глиальных клеток, которых было гораздо больше нормы. Однако тогда этому не придали значения, поскольку связывали деятельность мозга только с нейронами.