Новая роль астроцитов в регуляции циркадных ритмов
Нейроны супрахиазматического ядра (СХЯ), расположенного в гипоталамусе, считаются главными водителями биоритмов организма. Однако череда новых исследований продемонстрировала важность других клеток — астроцитов. Прежде считалось, что астроциты выполняют лишь функции, направленные исключительно на поддержку главных клеток нервной системы — нейронов, обеспечивая трофическую, опорную, репаративную и другие функции.
Большинство организмов следуют циркадным ритмам при распределении поведенческих и физиологических актов в зависимости от циклов дня-ночи. Внутренние часы млекопитающих содержат петлю транскрипционной и трансляционной обратной связи. В основе этой петли имеются белковые трансактиваторы — CLOCK(NPAS2) и BMAL1 (активаторы экспрессии циркадных генов), а также два семейства транскрипционных репрессоров — криптохромы (CRY1/CRY2) и белки Period (PER1/PER2/PER3). Активаторы регулируют супрессоры, которые при трансляции образуют комплекс с киназами (например, c казеин-киназой Iε и гликоген-синтазой киназой 3 бета), а затем с задержкой проникают в ядро для последующей репрессии активаторов. Этот процесс колеблется в рамках 24 часов, напоминая тиканье часов. В начале 1990-х считалось, что эти молекулярные часы поддерживают чувство времени в специализированных нейронах. Однако в 1998 году ученые обнаружили, что этот механизм свойственен почти всем клеткам организма, и уже в более поздних исследованиях была раскрыта регулирующая функция этого механизма, контролирующая почти половину генов, входящих в геном млекопитающих.
Супрахиазматическое ядро представлено 20 000 нейронов, необходимых для регуляции циркадных ритмов. При их повреждении или удалении нарушалась ежедневная двигательная активность изучаемых грызунов. Также СХЯ адаптируется под дневной свет. Поскольку биологические часы по своей сути неточны, им необходимо периодически обновляться. СХЯ воспринимает световые сигналы по ретино-гипоталамическому тракту, подстраиваясь каждый день под следующий цикл «день-ночь». С помощью межнейрональных связей, гуморальных факторов и регуляции поведения организма СХЯ синхронизирует внутренние часы ЦНС и ПНС, задавая ритм всему организму. Долгое время незыблемым принципом в регуляции циркадных ритмов являлось допущение, что львиную долю работы СХЯ выполняли именно нейроны. Однако ряд недавних исследований ставит под сомнение это представление, демонстрируя важную роль астроцитов в формировании биоритмов.
Астроциты составляют около 1/3 всех глиальных клеток мозга. Считалось, что астроциты, как и другие глиальные клетки, играют роль поддержки для нейронов, снабжая их энергией, нутриентами, участвуя в формировании гематоэнцефалического барьера и репарации ЦНС. Полагается, что патологические изменения астроцитов могут приводить к развитию эпилепсии, нейродегенеративных заболеваний и других заболеваний ЦНС, а также к нарушению мыслительных процессов и памяти. Рассматривая эти факты, становится очевидно: эти клетки имеют гораздо более важное значение, чем считалось прежде. Астроциты отвечают на раздражение выделением глутамата через зависимые Ca2+ -каналы. В недавних исследованиях было доказано, что таким образом астроциты могут влиять на структуру сна. Как и во всех клетках млекопитающих у астроцитов имеются внутренние часы, задающие биоритм экспрессии генов.
С целью изучения вклада внутренних часов астроцитов в регуляцию циркадных ритмов исследователи вывели поколение мышей носителей астроцит-специфического гена-репортера, добившись этого с помощью объединения астроцит-специфического промотора ALDH1A1, управляющего CRE-рекомбиназой, с геном-репортером, управляемым промотором BMAL1. Было продемонстрировано, что внутренние часы астроцитов СХЯ имеют синхронные биоритмы. Эта находка сопоставима с ранними исследованиями, демонстрирующими биоритм высвобождения АТФ астроцитами и уровни PER в глиальных клетках дрозофил. При исследовании нейронов СХЯ было выявлено, что электрофизиологические ритмы имеют молекулярную природу. В отдельном исследовании было доказано, что в активности астроцитов преобладают устойчивые ритмы, о чем свидетельствует внутриклеточный кальций. Выявилось, что нейроны СХЯ проявляли активность в течение дня, в то время как астроциты — ночью, в период когда мыши бодрствовали. Эти находки наталкивают на мысль, что астроциты являются частью циркадной сети, участвующей в организации поведения. Было обнаружено: астроциты, экспрессирующие промотор ALDH1A1, составляют лишь 10 % от всей массы клеток СХЯ мышей, что по соотношению сопоставимо с 1500 нейронами, экспрессирующими ВИП-гормон, необходимого в данном случае для синхронизации клеток СХЯ друг с другом и регуляции суточных ритмов в поведении.
Метод генной инженерии выявил, что при делеции Bmal1, возникшей у астроцитов СХЯ, возникала длительная задержка и нарушение поведенческих актов. В новой опубликованной работе в Nature Communications с помощью альтернативной стратегии (индукции тамоксифена у промотора Glast), нацеленной на астроциты, ученые так же выявили, что делеция Bmal1 нарушает двигательную активность, но в меньшей степени. Важно отметить, что ни один из результатов исследования не напоминает фенотип, возникающий при делеции Bmal1 в нейронах переднего мозга или СХЯ. Исследователи продемонстрировали: делеция специфической для астроцитов СХЯ мутированной версии киназы Csnk1e вызвала 4 и 1,5 часовые задержки при их отключении в гомо- и гетерозиготных астроцитах. Эти фенотипы сопоставимы с теми, что возникают при делеции в нейронах СХЯ, полученных синапсин-опосредованной экспрессией Cre, тем самым подтверждая, что астроциты могут являться регуляторами молекулярных и поведенческих ритмов. Помимо участия астроцитов в регуляции, они также могут быть основным звеном определяющим продолжительность периодов циркадных циклов.
Условно считается: управление ритмом — результат межнейрональных взаимодействий. Однако результаты недавних исследований указывают на важность взаимодействий астроцитов с нейронами. В то время как внутренние часы нейронов СХЯ являются важным звеном в организации поведения, одних лишь нейронов недостаточно для регуляции циркадных ритмов. Когда внутренние часы астроцитов способствуют регуляции длительности периодов СХЯ, включая организацию поведения, их участие становится необязательным при вождении ритма.
«Эффективность астроцитов в генерации и передаче циркадных временных сигналов нас поразила», — заявляет доктор Марко Бранкацио, руководитель научной группы MRC’s Laboratory of Molecular Biology, где, собственно, и проводилось исследование. «Нам было известно из существующих исследований, что астроциты участвуют в регуляции циркадных ритмов, но мы и не предполагали, что они могут восстанавливать циркадную функцию нейронов. Это открывает свежую и непредвиденную перспективу для будущих исследований и разработок новых видов лечения нарушений циркадных ритмов, а также углубляет наше понимание работы биоритмов».
«В последние годы стало очевидно: нарушения циркадных ритмов, вызванные ночными графиками работы, неврологическими заболеваниями или деменцией могут иметь очень опасные последствия для здоровья и благополучия. Данное исследование — существенный шаг в сторону лучшего понимания того, как мозг контролирует циркадные ритмы на молекулярном и клеточном уровне, в дальнейшем это сможет помочь лучше справляться с последствиями таких нарушений», — доктор Джоанна Латимер, глава отдела нейронаук и психического здоровья The Medical Research Council.
Фотография: микроскопическое изображение ткани супрахиазматического ядра. При увеличении можно различить очертания астроцитов.
Источники:
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5376383/
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982217303548
