Дофамин (DA) (3-гидрокситирамин; 3,4-дигидроксифенетиламин; C 8 H 11 NO 2 ) был впервые синтезирован в 1910 г.. Первоначальные эксперименты с DA в том же году оценивали его биологические эффекты как слабого симпатомиметика . Спустя почти 30 лет, в 1938 году, Питер Хольц и его коллеги идентифицировали декарбоксилазу L-DOPA у млекопитающих, которая использует L-DOPA в качестве субстрата для получения DA. Годом позже Hermann Blaschko в 1939 г. постулировал путь биосинтеза катехоламинов, который остается в силе и сегодня , рассматривая дофамин (DA) в качестве предшественника адреналина и норадреналина . В последующие годы сообщалось о наблюдениях небольших концентраций DA в нескольких периферических тканях. Любопытно, что название «дофамин» не использовалось до 1952 года, когда Генри Дейл предложил более короткое название . В 1950-х годах было признано участие DA в биологических процессах, помимо того, что он является предшественником адреналина и норадреналина, выполняя важную физиологическую функцию в мозге млекопитающих.
Арвид Карлссон и его коллеги (1957–1959) обнаружили, что дофаминовые кислоты имеют фундаментальную функцию и уникальное распределение в головном мозге и других тканях . Бертлер и Розенгрен (ученики Карлссона) сообщили, что дофаминовая кислота присутствует в мозге всех изученных ими млекопитающих, но ее распределение в головном мозге различается. Арвид Карлссон, Пол Грингард и Эрик Кандель были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 2000 году за работу по передаче сигналов в нервной системе. Функция DA как нейротрансмиттера предшествует его важности в иммунной системе, исходя из многих процессов, в которых он участвует в ЦНС. Однако история DA и его функций в иммунной системе и других тканях началась совсем недавно.
Это различие в сочетании с результатами других исследований, в которых использовали резерпин, ингибитор транспортера амина хромаффинных гранул и синаптического везикулярного переносчика амина , и L-ДОФА, вызвало предположение, что дофамин участвует в модуляции двигательной функции. Ранние сообщения о распределении дофамина у животных и человека показали, что дофамин существует в основном в хвостатом ядре в значительных количествах . В начале 1960-х годов первоначальные исследования болезни Паркинсона проводились с использованием тканей человека из вскрытий, что продемонстрировало отсутствие DA в стриатуме . Вскоре после этого возникла идея назначения L-ДОФА пациентам с болезнью Паркинсона и психотическими расстройствами, что привело к первым клиническим испытаниям L-ДОФА для смягчения симптомов болезни Паркинсона. После длительного периода испытания в 1973 г. L-ДОФА была коммерциализирована вместе с бенсеразидом - ингибитором ДОФА-декарбоксилазы.
В нескольких исследованиях уже сообщалось об актуальности дофамина как модулятора двигательной функции. Биохимическое изучение дофаминовых рецепторов (DR) в ЦНС началось с исследований Грингарда, как и открытие того, что дофамин стимулирует аденилатциклазу в шейных симпатических ганглиях и хвостатом ядре крысы . Результаты стимуляции DA привели к классификации двух типов рецепторов вторичного мессенджера цАМФ: стимулирующих (альфа-тип) и ингибирующих (бета-тип) . Функция цАМФ зависит от связывания его рецептора (DR) с гетеротримерными G-белками G α -s/olf и G α -i/o. Подтипы рецепторов – этоD1-подобный подтип (D1-подобный) , который включает D1R и D5R, и D2-подобный подтип (D2-подобный) , включающий более длинный рецептор D2R, короткий рецептор D2R, D3R и D4R . Другим важным компонентом DAS является натрий-зависимый переносчик дофамина (DAT; ген SLC6A3 ), который был клонирован у крыс и коров несколькими группами в 1991 году и у людей в 1992 году.
Дофамин (DA) представляет собой моноамин, который наиболее известен своей нейротрансмиттерной функцией, но, как и у других нейромедиаторов, его эффекты не ограничиваются центральной нервной системой (ЦНС). Несколько исследований подтверждают мнение о том, что дофамин является корегулятором иммунной системы (IS) , тканей и органов, таких как жировая ткань и почки. Изменения в дофамиергической системе (DAS ) связаны со многими проблемами со здоровьем, включая высокое артериальное давление , психические расстройства (например, шизофрению) и нейродегенеративные заболевания (например, болезнь Паркинсона).
Основываясь на участии DA в регуляции поведения и когнитивных процессах, многие исследования были сосредоточены на нервной системе , описывая общие механизмы, физиологические проблемы и сигнальные пути DAS . Однако , существование DA в кровотоке предполагает наличие дофаминергических компонентов, которые модулируют функции в иммунной системе , как и в других системах .
Центральная нервная система (ЦНС) и иммунная система являются основными адаптивными системами, участвующими в непрерывном и функциональном взаимодействии для обеспечения гомеостаза. DA и другие катехоламины, такие как норадреналин, действуют как нейроиммунотрансмиттеры в симпатико-адренергических окончаниях вегетативной нервной системы, которая иннервирует первичные и вторичные лимфоидные органы, в дополнение к прямому локальному влиянию, которое несинаптические секреции вагуса оказывают на иммунные клетки. Исследования моноаминов, таких как серотонин, DA и его производные, а также нейропептиды, приобретают все большее значение с 1980-х годов, учитывая их нейроиммунорегуляторные функции.
Дофаминергическая система
DAS представляет собой обширную белковую сборку, которая синтезирует, высвобождает, воспринимает и метаболизирует DA в различных типах клеток у млекопитающих. Она также модулирует широкий набор нейронных процессов. Несколькими примерами функций мозга, в которых участвует DA, являются познание, двигательный контроль, настроение, системы вознаграждения, восприятие боли и сексуальное поведение .
Функция DA вне нервной системы была изучена совсем недавно. Например, DA опосредует восстановление зубов с помощью стволовых клеток с помощью тромбоцитов, регулирует выведение солей почками и модулирует артериальное давление . DA не может преодолевать гематоэнцефалический барьер; таким образом, передача сигналов в DAS нейронов должна быть независимой от передачи сигналов DAS в периферических системах.
Дофамин на перефирии
DA в периферических системах происходит из нервной системы и брыжеечной области. Концентрация DA в периферической плазме у человека составляет примерно 0,1 нмоль/л (0,1 пмоль/мл) и образуется в основном из симпатических норадренергических нервных волокон. Эта концентрация может варьироваться почти в 50 раз для производных, таких как DA сульфат, после приема стандартной пищи и в зависимости от региона системы кровообращения .
Концентрация дофамина оценивалась в брыжеечной области в образцах из абдоминальных операций по поводу аденокарциномы желудка и новообразования поджелудочной железы. Абдоминальные концентрации DA в артериальной плазме (образцы из лучевой и печеночной артерий) и венозной плазме (из правой печеночной и воротной вен) составляют примерно 0,312 пмоль/мл и 0,937 пмоль/мл соответственно. Кроме того, в слизистой оболочке желудочно-кишечного тракта человека была обнаружена иммунореактивность тирозингидроксилазы, а также ее каталитическая активность и наличие DR . Концентрация DА и его метаболитов в плазме воротной вены по отношению к артериальной плазме продемонстрировала большую продукцию DА в брыжеечных органах (12 нмоль/мин), что составляет примерно 50% DА, продуцируемого в организме человека.
Экспрессия дофаминергической системы
Физиологические механизмы клеточной передачи сигналов и фармакология метаболизма DR и DA подробно описаны в ЦНС мышей . Механизмы и белковые компоненты этой системы, вероятно, являются общими для клеток ЦНС и всех других тканей у млекопитающих. Однако гены DAS в каждом типе ткани по-разному экспрессируются и белковые компоненты должны быть специфически модулированы в зависимости от функции типа клеток. Таким образом, гены и белки DAS, такие как DR и DAT, экспрессируются в широком диапазоне тканей (например, в жировой ткани, периваскулярной жировой ткани, почках, сердце, гипофизе, желудочно-кишечном тракте и бета-клетках поджелудочной железы), которые регулируют процессы, отличные от тех, которыми управляет ЦНС (например, регуляция аретриального давления, регуляция процессов зрения в сетчатке, регуляция проницаемости сосудов в эпителии и высвобождение инсулина). Однако многие из этих исследований были выполнены в основном на мышиных моделях и клеточных линиях (человека и мыши), что потенциально может привести к различиям в результатах.
DAS наблюдали в иммунных клетках мышей и тромбоцитах человека . Недавние исследования описали его влияние на активацию и пролиферацию определенных клеток . Экспрессию всех DR изучали во всех типах лейкоцитов человека . Хотя уровни их мРНК и белка различаются между линиями клеток человека, экспрессия DRs является самой низкой в Т-лимфоцитах и моноцитах среди всех лейкоцитов, тогда как мембраны В-лимфоцитов и NK-клеток имеют самые высокие уровни.
Метаболические пути дофаминовой кислоты
В ЦНС дофамин синтезируется посредством анаболического пути, общего с другими катехоламинами, такими как L-норадреналин (NE) и адреналин (E). Метаболизм катехоламинов служит источником внутриклеточной продукции АФК ( активных форм кислорода ), что происходит при болезни Паркинсона наряду с митохондриальной дисфункцией . Было высказано предположение, что катехоламиновый путь играет особенно важную роль в гомеостазе восстановления-окисления (REDOX) в клетках. Это может опосредовать перепроизводство АФК в нейронах, что может нарушить целостность дофаминергических клеток . Эффекты метаболизма дофаминовой кислоты в лейкоцитах, модуляция РЕДОКС-баланса и функция дофаминовой кислоты в митохондриях остаются малоизученными . В других тканях, таких как мышиная почка, изучение взаимосвязи между DR, окислительным стрессом и балансом REDOX предоставило информацию о высоком артериальном давлении . Деградация катехоламинов, особенно DA, приводит к образованию субпродуктов в небольшом количестве, концентрация которых сильно зависит от типа ткани и клеток .
Анаболизм
Классический путь синтеза дофаминовой кислоты начинается с образования L-тирозина из L-фенилаланина с помощью фенилаланин-4-гидроксилазы (PAH) (EC: 1.14.16.1; ген PAH) . DA синтезируется катехоламиновым путем, первой ферментативной стадией которого является превращение L-тирозина в L-ДОФА под действием тирозин-3-гидроксилазы (TH) (EC: 1.14.16.2; ген TH ). Оба фермента используют молекулярный кислород и тетрагидробиоптерин в качестве кофакторов окисления, что делает их двумя строго регулируемыми ферментами. Затем L-DOPA превращается в DA с помощью DOPA-декарбоксилазы (DDC) (EC: 4.1.1.28; ген DDC ). DA является предшественником L-норадреналина, опосредованного DA бетагидроксилазой DBH (EC: 1.14.17.1; ген DBH ). Наконец, L-норадреналин превращается в адреналин с помощью фенилэтаноламин-N-метилтрансферазы (PNMTase) (EC: 2.1.1.28; ген PNMT ).
Недавняя математическая модель метаболизма дофамина при болезни Паркинсона показывает определенную степень предсказуемости в отношении фармакологических и генетических изменений. Авторы этой модели предлагают ее применение in silico для поиска молекулярных аппроксимаций, позволяющих восстанавливать дисбаланс содержания DА и выявлять изменения окислительного стресса. Эта модель является предварительной попыткой, и авторы прокомментировали будущие разработки и расширения . Было бы желательно, чтобы такие расширения включали периферические дофаминовые системы, например, изучение метаболизма адренергически-симпатических окончаний в лимфоидных органах и определение их прогностического значения в клетках иммунной системы человека.
Два альтернативных пути синтеза DА были идентифицированы в мозге крысы и микросомах печени человека. В первом механизме DDC превращает L-фенилаланин в фенилэтиламин, который, в свою очередь, под действием PAH превращается в тирамин; во втором пути DDC использует L-тирозин для производства тирамина. В обоих случаях тирамин превращается в DA изоформой цитохрома p-450 CYP2D6 (EC: 1.14.14.1; гены CYP2, CYP2D ) .
Ферментативная активность ТH и PAH в лейкоцитах человека была обнаружена с 1980-х годов . Кроме того, широко сообщалось об экспрессии и иммунодетекции ТH в лейкоцитах человека и мыши . С другой стороны, экспрессия DDC в клетках человека также была задокументирована.
В лимфоцитах человека было измерено присутствие и синтез некоторых катехоламинов, таких как L-ДОФА и норадреналин, синтез которых, по-видимому, связан с холинергической стимуляцией, но они по-разному синтезируются В- и Т-лимфоцитами; L-ДОФА присутствует в обоих типах клеток, но норадреналин обнаружен только в Т-клетках . Инкубация лимфоцитов человека с L-тирозином и ацетилхолином увеличивает уровни L-DOPA и DA. В лимфоцитах человека и мыши инкубация с L-тирозином и L-ДОФА повышает уровень L-ДОФА, дофаминовой кислоты и норадреналина.
Катаболизм
В нейронах дофамин восстанавливается из синаптической щели с помощью DAT и накапливается в цитозоле, где он переносится в синаптические запасные везикулы с помощью синаптического везикулярного переносчика аминов (VAT2). Избыток DА в цитозоле нейронов расщепляется ферментативным комплексом, включая моноаминоксидазы (МАО-А и МАО-В) (EC: 1.4.3.4; гены МАОА и МАОВ ), катехоло-метилтрансферазу (CОМТ) (EC: 2.1.1.6; ген СОМТ ), альдегиддегидрогеназы (АLDH) (EC: 1.2.1.3/1.2.1.5; тип гена ALDH ), алкогольдегидрогеназы (ADH) (EC: 1.1.1.1; ген ADH ) и альдегидредуктазы (AR) (EC: 1.1.1.21; тип гена AKR ).
Используя DA, COMT производит 3-метокситирамин (3MT), который MAO-A и MAO-B приобретают для производства 3-метокси-4-гидроксиацетальдегида, который затем используется ALDH для получения гомованилиновой кислоты (HVA). Альтернативно, МАО-А и МАО-В могут воздействовать на DА с образованием 3,4-дигидроксифенилацетальдегида (ДОPАL), который затем превращается в 3,4-дигидроксифенилацетат (DOPAC) с помощью АLDH. DOPAC преобразуется в HVA с помощью COMT. DOPAC и HVA являются конечными основными метаболитами пути деградации DA. Однако в ЦНС наблюдались и другие субпродукты, основанные на активности фенолсульфотрансфераз (PSTs) и уридиндифосфоглюкуронозилтрансфераз (PAPS), которые продуцируют другие производные с сульфатом и глюкуроновой кислотой соответственно . Циклооксигеназы, пероксидазы, цитохромы, оксидазы и оксигеназы также могут окислять DA. Например, простагландин H-синтаза (COX) (EC: 1.14.99.1) продуцирует простагландин H с использованием DA в качестве кофактора; впоследствии DA трансформируется с образованием дофаминохрома. Другие примеры метаболитов с низким содержанием, которые образуются в результате катаболизма дофамина, функции которых не изучались ( обсуждаются в работах Sulzer 1999 и Muñoz 2012).
Другие соединения были обнаружены путем спонтанного окисления катехиновой группы DA и L-DOPA с помощью ROS и аминокислот, полученных из цистеина. Эти соединения представляют собой соответствующие хиноны, которые связаны с окислительным стрессом, такие как ДОФА-хинон, дофаминхинон и 6-гидроксидофаминхинон. Начиная с этих соединений, происходит серия стадий окисления с участием ROS и цистеинов с образованием тиоэфирных производных и аддуктов цистеина . Эти события, касающиеся катаболизма и окисления DA и других катехоламинов, демонстрируют, что классический путь ферментативного расщепления DA должен жестко регулироваться в обычных условиях для производства DOPAC и HVA. В противном случае избыток DА и его метаболитов в цитозоле может привести к образованию кумулятивных соединений, таких как нейромеланин, в лизосомах и вызвать тяжелые повреждения клеток. При болезни Паркинсона избыточная продукция и накопление дофамина и его катаболитов в цитозоле может приводить к митохондриальной дисфункции, окислительному стрессу, образованию нейротоксических протофибрилл α -синуклеина и нарушению деградации белков, которые опосредуют нейродегенерацию дофаминергических нейронов при болезни Паркинсона.
В брыжеечной системе (желудочно-кишечный тракт, селезенка и поджелудочная железа) DOPA, DA и DOPAC метаболизируются в почках, плазме и, прежде всего, в печени, повышая уровни HVA в воротной вене . DOPAC в кровотоке происходит в основном из окончаний симпатических нервов и является предшественником HVA посредством активности COMT. Как правило, повышение уровня некоторых метаболитов в результате деградации дофаминовой кислоты может указывать на то, что клетки повреждены окислительным стрессом, потому что, когда физиологические концентрации дофаминовой кислоты превышаются, катаболиты деградации (HVA, DOPAL, DOPAC и 3МТ) начинают генерировать реактивные вторичные катаболиты посредством спонтанного окисления. при химическом взаимодействии с ROS. Кроме того, когда концентрация всех производных DA возрастает, другие ферменты могут использовать их в качестве субстратов для образования дополнительных метаболитов.
Дофаминовые рецепторы
Большинство исследований DR проводилось в ЦНС, но публикуется много отчетов о других тканях. DAS человека включает по меньшей мере шесть мембранных DR: D1R, D2RL, D2RS, D3R, D4R и D5R. D2DR имеет четыре изоформы, которые генерируются дифференциальным сплайсингом мРНК и имеют различные функции и размеры. В то время как две более длинные изоформы состоят из 443 и 445 аминокислот, короткие изоформы содержат на 29 и 31 аминокислоту меньше. Количество изоформ DRD3 и DRD4 не определено и плохо документировано у людей и животных . Кроме того, эти изоформы не были связаны с какими-либо дифференциальными функциями, в отличие от изоформ DRD2.
Лимфоциты человека экспрессируют DRD5 и два его псевдогена, ψD5DR-1 и ψD5DR-2 , которые являются транскрипционно компетентными и функции которых неизвестны . Однако пептиды псевдогенов, вероятно, генерируют укороченные и нефункциональные рецепторы. ψD5DR-1 и ψD5DR-2 представляют собой сегментарные дуплицированные хромосомные области, которые на 95% идентичны DRD5 и покрывают часть транскрибируемой области DRD5.
Лимфоциты периферической крови человека также экспрессируют DRD3 и DRD4. Хотя изначально предполагалось, что DRD1 и DRD2 не экспрессируются в этих клетках , недавние исследования показали, что DRD2 экспрессируется в Т- и В-лимфоцитах, тогда как DRD1 , по-видимому, не экспрессируется ни в одном лейкоците . По данным проточной цитометрии все DR, за исключением D1R, по-разному экспрессируются почти во всех линиях клеток лейкоцитов человека. Самые последние исследования показывают, что DRD1 и D1R экспрессируются в стимулированных Т-лимфоцитах и связаны с негативной регуляцией иммунного ответа . В частности, экспрессия D4R низкая во всех подтипах лейкоцитов, кроме NK-клеток. Т-лимфоциты и моноциты содержат небольшое количество всех DR, за ними следуют нейтрофилы, которые преимущественно экспрессируют D3R и D5R, но в более низких количествах. В-лимфоциты и NK-клетки имеют самые высокие уровни DR . Кроме того, другие методы, такие как анализ связывания радиолиганда (RBA), использовались для документирования экспрессии DR в мембранах клеток иммунной системы . D1R, D2R, D3R и D5R были обнаружены с помощью иммунодетекции в дендритных клетках, полученных из костного мозга мыши (BMDC)
Влияние дофамина на лейкоциты
Иммунный ответ регулируется цитокинами, гормонами и нейротрансмиттерами; эта регуляция возможна, потому что лейкоциты имеют рецепторы для каждого из этих растворимых факторов . DA представляет собой нейрорегуляторную и иммунорегуляторную молекулу, которая оказывает значительное влияние на клетки, участвующие в иммунном ответе. В лейкоцитах существует баланс между внутренним DА, синтезируемым DDC, и DА, транспортируемым из плазмы крови в клетку через DАТ, последний из которых является первичным источником ДА в лейкоцитах . Белковые компоненты DAS по-разному экспрессируются в зависимости от подтипа лейкоцитов и состояния клеточной активации. Одним из эффектов DA является регуляция лейкоцитов во время активации и функции в иммунном ответе. Эти биологические явления недавно начали изучать в различных типах клеток, таких как гранулоциты, моноциты/макрофаги, дендритные клетки и лимфоциты.
Кроветворение
Костный мозг (ВМ) иннервируется вегетативными симпатоадренергическими эфферентными нервными волокнами, в которых локальное микроокружение имеет решающее значение для поддержания гемопоэтических стволовых клеток (HSC). Стволовые клетки характеризуются способностью к самообновлению на протяжении всей жизни человека и реагируют на сигналы, которые генерируются в микроокружении и идентифицируются маркерами клеточной поверхности, такими как CD34 и CD38. Связь между ЦНС и кроветворным процессом известна как «триада мозг-кость-кровь» и опосредована многими молекулами, включая такие нейротрансмиттеры, как дофамин .
Маэстрони и его коллеги сообщили о первом исследовании функций моноаминов в кроветворении, о проведении химической симпатэктомии с 6-гидроксидофамином (6-OHDA) и о значительно более высоком количестве лейкоцитов в периферической крови у мышей, перенесших трансплантацию костного мозга. Впоследствии Spiegel et al. продемонстрировали экспрессию D3R и D5R в CD34 + клетках человека с помощью проточной цитометрии. Более примитивные клетки CD34 + CD38 lo имели более высокие уровни D3R и D5R. Однако экспрессия D3R и D5R была ниже в более дифференцированных CD3 + CD38 hi клетках, и существовала положительная корреляция между рецептором DA и увеличением миграции CD34 + клеток пуповинной крови, предварительно обработанных GM-CSF. Их результаты показали, что DA является хемоаттрактантом, усиливающим миграцию незрелых CD34 + клеток . Как обсуждалось, функция DA в гемопоэзе, опосредованная D3R и D5R, может быть связана с повышением циркулирующих CD3 + и CD4 + лимфоцитов, о чем свидетельствует ассоциация полиморфизмов в DRD1 и DRD5 с этим количеством клеток . Дополнительная работа функции DА продемонстрировала улучшение нейтропении и восстановление количества колоний колониеобразующих единиц-гранулоцитов-макрофагов (CFU-GM) в костном мозге мышей, получавших 5-фторурацил (5FU). Эти результаты согласуются с сообщениями о том, что DA можно безопасно использовать в качестве антиангиогенного препарата при злокачественных опухолях.
Гранулоциты являются основными иммунными клетками, что обусловлено их обилием и быстрой активацией в присутствии чужеродных элементов. Гранулоциты содержат в своей цитоплазме гранулы, содержащие различные воспалительные и антимикробные медиаторы, влияющие на их защитную активность. В зависимости от содержания их гранул эти клетки классифицируют на эозинофилы, базофилы и нейтрофилы .
Функция эозинофилов в иммунитете связана с реакцией против паразитов . Эти клетки имеют более высокую плотность рецепторов D3R и D5R и низкую плотность D2R и D4R, тогда как D1R не обнаруживается . Ни в одном исследовании не сообщалось о влиянии DA на эозинофилы. Точно так же неизвестно, экспрессируют ли базофилы, участвующие в аллергическом ответе, DR или реагируют на DA. Нейтрофилы представляют собой наиболее многочисленную популяцию лейкоцитов и выполняют важную функцию в начале воспалительной реакции . Эти клетки содержат внутриклеточные катехоламины, такие как DA, адреналин (E) и норадреналин (NE), и несколько их метаболитов, таких как DOPAC, 3MT, HVA, DL-3,4-дигидроксифенилгликоль (DHPG) и метанефрин (MET). ). Далее нейтрофилы синтезируют и разлагают такие амины. In vitro инкубация с α -метил- p-тирозин, ингибитор ТH, снижает внутриклеточную концентрацию DA, NE и его метаболита DHPG. Точно так же резерпин, ингибитор VAT, снижает внутриклеточные концентрации DA и NE, а дезипрамин, ингибитор переносчика NE (NET), снижает внутриклеточные концентрации NE. Эти данные указывают на существование механизмов накопления катехоламинов и обратного захвата катехоламинов в нейтрофилах
Добавить комментарий