Роль эпигенетически-регулируемой перестройки метаболизма астроцитов при нейродегенерации на ранней стадии болезни АльцгеймераНИР

The role of epigenetically regulated metabolic reprogramming of astrocytes in the neurodegeneration of early stage of Alzheimer's disease - EMRA-AD

Соисполнители НИР

HUST Соисполнитель

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Роль эпигенетически-регулируемой перестройки метаболизма астроцитов при нейродегенерации на ранней стадии болезни Альцгеймера
Результаты этапа: 1. Изменение морфологии астроцитов при развитии БА. 1.1. Было получено, что GFAP-позитивная объемная доля астроцитов в соматосенсорной коре достоверно не различалась для клеток мозга мышей контрольной и экспериментальной групп, что говорит о том, для в обеих исследуемых группах астроциты занимают сходный объем в пространстве, то есть имеют сходные размеры (Рис. 1В). При этом, изменялись детали морфологии астроцитов, а именно: объемная доля толстых астроцитарных отростков у мышей с БА увеличивалась, а тонких – уменьшалась, однако при этом в среднем толщина астроцитарных отростков становилась меньше (Рис. 1Г, Д. Е). Полученные данные говорят о том, что несмотря на сходный объем пространства, занимаемого астроцитами, при БА изменяется морфология отростков. Такое морфологическое изменение астроцитов может приводить к худшему “покрытию” синапсов и нарушению синаптической передачи на симптоматической стадии БА. 1.2. In vivo исследование морфологии митохондрий астроцитов соматосенсорной коры бодрствующих мышей. В течение первого этапа проекта мы разработали новый подход для анализа морфологии митохондрий астроцитов в условиях in vivo. Разработанный подход использует алгоритм, основанный на соотношении величин собственных значений локальных матриц Гессе, полученных для профиля яркости изображения (флуоресцентного изображения митохондрий, содержащих GFP). Мы установили, что зрелые астроциты коры содержат митохондрии двух типов – округлые и в виде вытянутых тяжей (Рис. 2). Используя данный подход, мы определили относительную площадь пространства (в двумерной проекции), занимаемого митохондриями указанных типов (Рис. 2Б-Г). В дальнейшем данный подход будет использован для оценки возможных изменений морфологии митохондрий, возникающих в ходе развития БА. 2. Влияние БА на динамику внутриклеточной концентрации ионов Са2+ в астроцитах соматосенсорной коры. Мы показали, что спонтанная локомоция сопровождается значительным увеличением интенсивности флуоресцентного сигнала ΔF/F, отражающим массовую активацию всех астроцитов в области регистрации сигнала у контрольных и трансгенных мышей обеих возрастных групп (Рис. 5). Такая генерализованная активация астроцитов, по-видимому, отражает увеличение [Ca2+]i в астроцитах под влиянием активности локальной нейронной сети и нейромодуляторных проекций. В обеих группах мышей как на досимптоматической, так и на симптоматической стадиях БА наблюдалась задержка между повышением концентрации цитоплазматического Са2+ относительно начала локомоции (Рис. 6), однако достоверные различия между контрольной и экспериментальной группами отсутствовали (Рис. 6А). Задержка развития астроцитарного Са2+ ответа на локомоцию на досимптоматической и симптоматической стадиях БА достоверно не отличалась (Рис. 6В), но имеется тенденция к увеличению отставания Са2+ ответа астроцитов по мере развития патологии, что может указывать на нарушение механизмов генерации астроцитарной Са2+ активности при БА. 3. Метаболические изменения, происходящие в астроцитах и нейронах при БА. 3.1. Редокс-состояние ЭТЦ митохондрий астроцитов и нейронов. С использованием нового разработанного методического подхода на основе КР-микроспектроскопии мы показали, что в условиях in vivo изменяется редокс-состояние митохондрий астроцитов и нейронов соматосенсорной коры при развитии БА. В состоянии покоя на досимптоматической стадии в астроцитах и нейронах контрольных мышей дикого типа и трансгенных мышей с моделью БА отсутствуют различия в относительном содержании восстановленных цитохромов В и С-типа (Рис. 9). При этом на симптоматической стадии в астроцитах коры трансгенных мышей снижается относительное содержание восстановленных цитохромов В-типа и есть тенденция к увеличению относительного содержания восстановленных цитохромов С-типа. Отметим, при сравнении контрольных мышей в возрасте, соответствующем досимптоматической (3-4 мес.) и симптоматической (6-8 мес.) стадиям заболевания, в астроцитах не изменяется относительное содержание восстановленных цитохромов С-типа и есть тенденция к увеличению содержания восстановленных цитохромов В-типа (Рис. 9 А,В). В то же время на симптоматической стадии астроциты трансгенных мышей демонстрируют увеличение относительного содержания восстановленных цитохромов С-типа по сравнению с досимптоматической стадией, что может говорить о накоплении электронов в ЭТЦ митохондрий этих астроцитов. В нейронах контрольных мышей в возрасте 6-8 мес. наблюдается достоверное уменьшение относительного содержания восстановленных цитохромов В и С-типа по сравнению с контрольной группой в возрасте 3-4 мес (Рис. 9 Б, Г) . Мы предполагаем, что такое изменение связано с образованием в ЭТЦ митохондрий нейронов более взрослых мышей суперкомплексов (респирасом), обеспечивающих более быстрый транспорт электронов, способствующий увеличению активности АТФ-синтазы и синтезу большего количества АТФ. Очень важно, что при этом у трансгенных мышей подобных изменений не происходит (Рис.9 Б,Г) - и их нейроны демонстрируют сходное количество восстановленных цитохромов в возрасте 3-4 и 6-8 мес. В результате этого при сравнении контрольных и трансгенных мышей на симптоматической стадии оказывается, что в нейронах мышей с моделью БА увеличено относительное содержание восстановленных цитохромов С и В-типа (Рис. 9Б, Г). Данное изменение свидетельствует о том, что ЭТЦ нейронов мышей с моделью БА в большей степени, чем у контрольных мышей, заполнена электронами. С одной стороны, это говорит о меньшей скорости электронного транспорта и сниженной активности АТФ-синтазы, а с другой - о повышенной вероятности переноса электрона на кислород в комплексах III или I c образованием супероксид анион-радикала и его переходом в другие активные формы кислорода (АФК). Несмотря на то, что в состоянии покоя мы не выявили выраженных изменений в редокс-состоянии цитохромов митохондрий астроцитов мышей с моделью БА на обеих стадиях, мы обнаружили, что физиологическая нагрузка – стимулированный бег мышей по беговой дорожке – выявляет различия в ответе ЭТЦ митохондрий астроцитов контрольных и трансгенных животных обеих возрастных групп (Рис. 10 А, Б и рис. 11 А, Б). Так, астроциты контрольных мышей в возрасте 3-4. и 6-8 мес. при каждом акте локомоции демонстрируют обратимое увеличение относительного содержания восстановленных цитохромов в ЭТЦ (Рис. 10 А и Рис. 11 А), а астроциты трансгенных мышей уже в возрасте 3-4 мес. - напротив, уменьшение данного показателя (Рис. 10Б и 11Б), что свидетельствует об изменении регуляции метаболизма астроцитов в ответ на физиологическую нагрузку, приводящую к активации нейронов. В случае астроцитов контрольных мышей локомоция приводит к накоплению электронов в ЭТЦ, что, по-видимому, связано со снижением активности электронного транспорта и снижением активности АТФ-синтазы. Это предположение согласуется с литературными данными о том, что при беге в астроцитах увеличивается активность гликолиза для продукции большего количества лактата для обеспечения возросших энергетических потребностей нейронов. Активация гликолиза в астроцитах увеличивает количество образуемого АТФ в цитоплазме и ингибирует активность АТФ-синтазы вследствие активации гликолиза в астроцитах. В случае астроцитов трансгенных мышей на досимптоматической и симптоматической стадиях БА такого изменения заполнения ЭТЦ электронами не происходит - напротив, наблюдается активация электронного транспорта в ЭТЦ. Можно предположить, что при развитии БА в астроцитах изменяется нейрон-опосредованная активация гликолиза, нарушается образование повышенных количеств лактата и не осуществляется в должной мере метаболическая поддержка нейронов. Другой возможной причиной данных нарушений может являться реорганизация ЭТЦ в митохондриях астроцитов трансгенных мышей. Возможно, происходит увеличение числа переносчиков электронов. Оба предположения согласуются с результатами биоинформатического анализа, проведенного нашими китайскими коллегами-партнерами – группой профессора Дан Лиу (Dan Liu) из Хуачжунского университета науки и технологии (г.Ухань) (раздел 1.18). Так, группа профессора Дан Лиу показала, что у пациентов с БА увеличивается экспрессия генов, связанных с процессами окислительного фосфорилирования и транспортом электронов на цитохром С. Также в астроцитах была обнаружена оверэкспрессия генов, связанных с подавлением образования лактата, а также снижение экспрессии генов, связанных с поглощением глюкозы астроцитами. Нейроны контрольных мышей обеих возрастных групп демонстрируют обратимое снижение относительного содержания восстановленных цитохромов в ЭТЦ митохондрий (Рис. 10 В и 11 В), что объясняется увеличением внутриклеточной концентрации ионов Са2+ при локомоции (Рис. 4), входом ионов Са2+ в митохондрии, деполяризацией митохондриальной мембраны и ускорением электронного транспорта для обеспечения протонного градиента, необходимого для работы АТФ-синтазы. У трансгенных мышей на досимптоматической стадии наблюдается такая же динамика изменений относительного содержания восстановленных цитохромов в ЭТЦ, как и у контрольных мышей (Рис. 10 В,Г). При этом на симптоматической стадии локомоция практически не влияет на количество электронов в ЭТЦ, что может свидетельствовать об отсутствии механизмов активации электронного транспорта в ЭТЦ для производства бОльшего количества АТФ (Рис.11 Г). 3.2. Образование перекиси водорода в дыхательной цепи митохондрий астроцитов и нейронов соматосенсорной коры мышей линии 5xFAD. Мы показали, что вызванная локомоция вызывает различные изменения в генерации Н2О2 в митохондриях астроцитов и нейронов контрольных и трансгенных животных (Рис. 13). Так, в группе контрольных мышей локомоция, особенно повторная, приводит к обратимому увеличению содержания Н2О2 в митохондриях астроцитов и не вызывает изменения образования Н2О2 в митохондриях нейронов (Рис.13 А, Б). При этом в митохондриях астроцитов трансгенных мышей при локомоции происходит выраженное увеличение содержания Н2О2 и при первом, и втором актах бега (Рис.13 В), а в нейронах, напротив, наблюдается тенденция к снижению содержания Н2О2 в митохондриях (Рис.13 Г). Следует отметить, что Н2О2 – только один из вариантов АФК, образующихся после генерации супероксид анион-радикала и, возможно, увеличенное заполнение электронами ЭТЦ нейронов трансгенных животных приводит к образованию, помимо Н2О2, и других АФК. Дальнейшие исследования помогут определить, как изменяется образование АФК в нейронах в ходе развития патологии БА и возникают ли риски развития окислительного стресса. 4. Белок-липидный состав астроцитов и нейронов мышей линии 5xFAD. Мы установили, что на досимптоматической стадии в нейронах трансгенных мышей не наблюдается изменений в содержании белков со вторичными бета-структурами по сравнению с контроле, в то время как на симптоматической стадии обнаруживается достоверно более высокое содержание белков с бета-структурами (Рис. 14 А). В астроцитах у трансгенных мышей на досимптоматической и симптоматической стадиях присутствует выраженная тенденция к накоплению белков с бета-структурами, однако, в отличие от нейронов, эта особенность не является статистически значимой (Рис.14 Б). Мы полагаем, что изменения свойств астроцитов, выявленные нами в предыдущих экспериментах, могут быть не связаны с накоплением в астроцитах измененных белков, в то время как в нейронах появление белков с измененной конформацией на симптоматической стадии развития заболевания может вносить существенный вклад в дальнейшие патологические изменения свойств нейронов. Как и ожидалось, мы установили, что в тканях мозга трансгенных мышей на симптоматической стадии накапливается тау-белок по сравнению с мышами дикого типа (Рис. 15). Кроме того, наблюдается снижение параметра, характеризующего общую антиоксидантную активность плазмы крови (Рис. 16). Мы обнаружили достоверное снижение содержания церулоплазмина в плазме крови, что может быть связано с нарушениями в его синтезе, нарушением включения атома меди в молекулу церулоплазмина и, таким образом, уменьшении количества активных форм данного фермента, что может иметь негативные последствия для регуляции редокс-состояния ионов железа и последующего синтеза трансфе
2 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Роль эпигенетически-регулируемой перестройки метаболизма астроцитов при нейродегенерации на ранней стадии болезни Альцгеймера
Результаты этапа:
3 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Роль эпигенетически-регулируемой перестройки метаболизма астроцитов при нейродегенерации на ранней стадии болезни Альцгеймера
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".