Новая надежда на восстановление поврежденных нервов

Исследователи из Университета штата Юта (University of Utah) в США идентифицировали ген, который необходим для регенерации поврежденных нервных клеток, и показали, что посредством искусственной активации этого гена можно «заставить» нервы регенерировать. Это серьезный шаг в сторону появления новых методов терапии пациентов с повреждениями периферических нервов и органов центральной нервной системы. Работа была проведена на модельном объекте – нематоде C. elegans.


На всех трех фотографиях показаны поврежденные аксоны нейронов нематоды. Аксоны – отростки нервных клеток, отходившие от их верхней (апикальной) части, были уничтожены лазером. Их остатки видны в верхней части каждого фото. На самом левом изображении ген dlk-1, необходимый для восстановления нервов, работает нормально (что означает в действительности «недостаточно хорошо»), и регенерирующий нейрон дает слишком много сильно ветвящихся отростков. На фото в центре этот ген был искусственно активирован, и регенерирующий аксон выглядит совершенно нормально, практически не ветвится и в конечном итоге достигает основного нервного ствола. На правом фото показана ситуация, когда ген dlk-1 не экспрессируется вовсе, из-за чего аксон не регенерирует.

Удивительно, но этот ген и запускаемая его белковым продуктом цепь молекулярных событий не требуется для нормального развития нервной системы в эмбриогенезе, как сообщают исследователи в январском номере журнала Science.

«Мы обнаружили молекулярную мишень для препарата будущего, который сможет существенно улучшить регенерацию нейронов после повреждения, вызванного травмой или заболеванием», заявил руководитель исследования, профессор биологии Михаэль Бастиани (Michael Bastiani). Его соавтор профессор биологии Эрик Йоргенсен (Erik Jorgensen) говорит: «в будущем мы хотели бы разработать препараты, которые смогут активировать эту цепь молекулярных событий в нервных клетках и стимулировать их регенерацию. На данный момент у нас нет возможности осуществить желаемое. Но наше новое исследование дает нам надежду на то, что мы найдем рациональный подход к восстановлению нервов у млекопитающих».

Бастиани считает, что стимуляция регенерации аксонов сможет в будущем найти применение в терапии рассеянного склероза, при котором нервы повреждаются из-за потери миелиновых оболочек.

Исследование было проведено на нематодах, потому что белки в их нервной системе имеют высокую гомологию с белками нервной системы человека и выполняют аналогичные функции. Следующим шагом будет идентификация гомологичных гену dlk-1 генов других организмов.

Основой описанной молекулярной цепи являются четыре гена. Самый важный из них – ген dlk-1, продукт которого – фермент MAP-киназа-киназы-киназы (MAPKKK). При повышенной экспрессии этого гена в организме червя поврежденные лазером нервы червей регенерировали с необычной быстротой. Когда ген dlk-1 блокировали, регенерации нервов не происходило вовсе.


В поиске генов, ответственных за регенерацию нейронов

Нервные клетки эмбриона способны к регенерации, однако теряют это свойство по мере взросления организма. Большинство нервных клеток не восстанавливаются вовсе или восстанавливаются очень плохо, хотя клетки периферической нервной системы все же регенерируют гораздо лучше нейронов головного и спинного мозга. Причины этого неизвестны.

Данное исследование было направлено на изучение регенерации аксонов моторных (двигательных) нейронов. Аксон – отросток нервной клетки, по которому нервный сигнал передается к другим нервным клеткам или к клеткам иного типа, например мышечным. Чтобы выявить гены, ответственные за восстановление аксонов, исследователи провели анализ экспрессии генома. Первым геном, на который они обратили внимание, был ген белка бета-спектрина, необходимого для сохранения цитоскелета нейронов. У червей с мутацией в этом гене нервные волокна рвались, когда черви ползали в чашках Петри.

В целом с помощью метода РНК-интерференции ученые подавили активность 5 000 из 20 000 генов нематоды. В одном эксперименте блокировали работу только одного гена и смотрели, как потеря его функции отразится на способности нервов регенерировать. Все эти 5 000 генов присутствуют также и у человека. Чтобы иметь возможность проследить за регенерацией, в нервные клетки червей был внедрен ген флуоресцентного белка. В результате этого масштабного исследования и был обнаружен ген dlk-1 и еще три гена, в отсутствии которых нервные клетки червя были неспособны восстанавливаться.


Существует несколько способов восстановить нейрон

После идентификации dlk-1 биологи оценили эффекты других генов на регенерацию и выяснили, что четыре основных гена активируют внутриклеточные системы, обеспечивающие регенерацию – то есть в клетке уже присутствует все, что необходимо для ее функционального восстановления, но в норме этого не происходит. В случае червей их нервы восстанавливаются хорошо только у молодых особей и совершенно не регенерируют у старых. Активируя ген dlk-1, исследователи добились у старых нематод такой же хорошей регенерации, как и у молодых.

Цепь молекулярных событий, предшествующая регенерации нейрона, известна как «MAP-киназный каскад». МАР-киназы – ферменты, играющие важную роль в таких процессах в клетке, как деление, реакция на стресс и проч. МАР-киназный каскад, описанный в этом исследовании, является уникальным и не работает в эмбриональном развитии, будучи необходимым исключительно для регенерации. Это весьма необычно.

Бастиани и Йоргенсен считают результаты своей работы очень обнадеживающими. Однако следует помнить о том, что для успешной регенерации нейронов белок DLK-1 (продукт гена dlk-1) должен работать сразу после повреждения. Это проблема, поскольку возможный препарат должен будет активировать его в совершенно определенный момент времени, а более поздняя активация будет бесполезной.

По материалам:
University of Utah