Опубликовано
Система комплемента состоит из более чем 30 белков, которые, как известно, давно участвуют в иммунной защите от патогенов и в удалении поврежденных клеток. Белки комплемента могут индуцироваться всеми типами клеток мозга. Последние открытия подчеркивают роль комплемента в нормальном и патологическом развитии мозга. . В частности, система комплемента опосредует "синаптическую обрезку" - процесс развития, посредством которого в незрелом мозге устраняются "ненужные" синапсы. Система комплемента вовлечена в устранение патологических синапсов при шизофрении, вирусной инфекции Западного Нила и волчанке, которые связаны с психическими расстройствами. Комплемент также способствует потере синапса при нейродегенеративных расстройствах. Представляет интерес вклад комплемента в эмбриональный и взрослый нейрогенез, миграцию нейронов и элиминацию развития синапсов в нормальном мозге.
Связь между иммуногенетикой, воспалением и некоторыми основными психическими расстройствами, такими как шизофрения (SZ), биполярное расстройство (BD) и расстройство аутистического спектра (ASD), в настоящее время хорошо обоснована. Молекулярные и клеточные механизмы, которые опосредуют связанные с иммунитетом изменения нервной системы при психических заболеваниях, постепенно выявляются, и система комплемента, по-видимому, играет ключевую роль в этих сложных процессах. Система комплемента представляет собой ансамбль белков, которые совместно участвуют в защите хозяина от инфекций путем опсонизации антигенов, стимуляции воспаления и лизиса патогенов, и была хорошо охарактеризована на периферии. В последнее время система комплемента получила большое внимание в области психиатрии , в частности , после того А. Sekar et al. ( 2016) продемонстрировали, что различные генетические варианты C4, гена, кодирующего белок классического пути комплемента, предрасполагают к SZ. Это историческое исследование обеспечило прочную основу для установления причинно-следственной связи между опосредованной комплементом синаптической обрезкой и истончением коры, часто ассоциирующимися с шизофренией. Кроме того, опосредованная комплементом потеря синапса также была связана с вирусной волчанкой и вирусом Западного Нила, двумя иммунными нарушениями, которые могут вызывать психоз и когнитивные нарушения, соответственно.
Система комплемента состоит из более чем 30 белков, присутствующих в плазме крови или на поверхности клетки. Эти белки в основном вырабатываются печенью, хотя несколько типов клеток в разных органах, включая мозг, экспрессируют и секретируют молекулы комплемента. Молекулы комплемента выполняют три основные функции в иммунной системе: i) опсонизация «чужеродных» молекул, бактерий или поврежденных клеток, то есть стимуляция их фагоцитоза нейтрофилами или моноцитами, ii) усиление воспалительного ответа через короткие пептиды, называемые анафилатоксинами ( C3a, C4a и C5a) в результате ферментативного расщепления белков комплемента и iii) лизис патогенных микроорганизмов через образование пор в липидной мембране. Белки комплемента растворимы и циркулируют в крови в неактивной форме. В ответ на активирующий механизм некоторые белки комплемента превращаются в протеазы и расщепляют другие специфические члены комплемента, инициируя каскады амплификации. Активация комплемента происходит в результате активации одного или нескольких из трех различных путей: классический путь, путь лектина и альтернативный путь. Три пути сходятся, чтобы вызвать расщепление C3, который является наиболее распространенным белком комплемента, что приводит к образованию анафилатоксина C3a и фрагмента C3b. Фактор I в присутствии его кофактора и рецептора C3b CR1 расщепляет C3b на iC3b и небольшой пептид из 17 аминокислот (C3f). Результирующая конформационная перегруппировка iC3b генерирует поверхности связывания для взаимодействия с рецепторами комплемента CR2 (CD21), CR3 (CD11b / CD18) и CR4 (CD11c / CD18), расположенными на лейкоцитах, что подавляет воспаление и повышает чувствительность B-клеток, таким образом образуя связь между врожденной и адаптивной иммунной системой . Фрагмент C3b также может непосредственно метить антигены для опсонизации или связываться с другими пептидами комплемента с образованием конвертазы C5. Результирующее расщепление С5 является началом терминального пути комплемента: С5 расщепляется на С5а, наиболее мощный анафилатоксин, и С5b. Последний образует комплекс с C6 и C7, который затем связывается с C8. Результирующее изменение конформации C8 позволяет вставить альфа-цепь и закрепить мембрану-мишень. Комбинация комплекса C5b678 с одной-восемью молекулами C9, называемая комплексом мембранной атаки, образует пору, которая лизирует целевой патоген.
Классический путь
Классический путь активируется комплексом C1, состоящим из белка C1q, распознающего антитела, связанные с их антигеном, связанными с проферментами C1r и C1s. Через C1q комплекс также может распознавать неиммуноглобулиновые активаторы, особенно поверхностные белки бактерий и вирусов. Связывание C1q с его мишенью приводит к конформационному изменению C1q, который активирует C1r, который, в свою очередь, расщепляет и активирует две молекулы C1s комплекса C1 с образованием активированной сериновой протеазы C1s. Активированные C1s расщепляют C4 и C2, чьи продукты расщепления объединяются с образованием C3 конвертазы C4b2b, которая активирует C3.
Путь лектина
Путь лектина активируется за счет связывания рецепторов распознавания образов, таких как маннозо-связывающие лектины, фиколины или "собиратель" 11, со специфически расположенными углеводами, присутствующими на поврежденных клеточных поверхностях или патогенных микроорганизмах. Это приводит к активации связанных сериновых протеиназ (MASP1 / 2) и расщеплению С4 и С2. Образование C3 конвертазы C4b2b затем расщепляет C3, как в классическом пути.
Альтернативный путь
В отличие от двух других путей, альтернативный путь не инициируется связыванием молекул комплемента с антигенами или антителами. Спонтанный гидролиз C3 приводит к разрыву внутримолекулярной тиоэфирной связи и приводит к образованию реакционноспособных молекул C3 (H 2 O) и C3b. Когда C3 (H 2 O) или C3b связывается с положительно заряженными поверхностями, присутствующими в микроорганизмах, он вступает в реакцию с фактором B в присутствии фактора D с образованием C3 конвертазы (C3 (H 2 O) Bb или C3bBb), которая сильно стабилизируется пропердин (фактор Р). Затем конвертаза генерирует дополнительные молекулы C3b, инициируя усиление петли положительной обратной связи.
Белки комплемента в нормальном развитии мозга
Исследования, проведенные с 1990-х годов, показали внепеченочную продукцию белков комплемента несколькими органами и типами клеток и, в частности, нейронами и глиальными клетками. Эта локальная продукция в ЦНС тем более важна, поскольку гематоэнцефалический барьер препятствует проникновению циркулирующих макромолекул, включая комплементарные белки, в ткани мозга. В последние два десятилетия, экспрессия комплемента компонентов было зарегистрировано в первичных культурах астроцитов, микроглии, олигодендроцитов и нейронов. Более поздние исследования показали, что нервные клетки экспрессируют молекулы комплемента на протяжении эмбрионального и постнатального развития в ткани головного мозга человека. Важно, что компоненты комплемента высвобождаются во внеклеточное пространство, что позволяет предположить, что данный тип клеток мозга может участвовать в активации комплемента, не экспрессируя полный спектр молекул комплемента.
Экспрессия комплемента нервными клетками была впервые продемонстрирована с помощью иммунопреципитации в культивируемых астроцитах. Это наблюдение было совместимо с макрофагальной функцией астроцитов и их ролью в иммунной системе мозга . Астроциты экспрессируют компоненты классического пути (C1q, C1r, C1s, C2, C3, C4), альтернативного пути (факторы B, D, I, H, P) и терминального пути (C5-C9) . Они также экспрессируют рецепторы комплемента CR1, CR2, C3aR и C5aR. В мозге мыши астроциты являются основным источником С3. Как и астроциты, микроглия считается частью иммунной системы мозга из-за их способности секретировать провоспалительные факторы, такие как хемокины и цитокины, а также из-за их макрофагальной функции . Микроглиальные клетки экспрессируют классические компоненты пути (C1q, C1r, C1s, C2, C3, C4) и комплемент рецепторы C1qR, CR2, C3aR и C5aR. Было показано, что клетки микроглии являются доминирующим источником C1q в мозге мыши. Олигодендроциты также экспрессируют членов классического пути (C1q, C2, C3, C4), фактор H, а также компоненты терминального пути (C5-C9) . Наконец, нейроны также экспрессируют молекулы комплемента. В культуре они могут производить полную систему комплемента . мРНК, кодирующая C1q, C2, C3, C4 и терминальные компоненты комплемента (C5-C9), была также обнаружена в нейронах человека с использованием гибридизации in situ в посмертной ткани мозга. Иммуногистохимические эксперименты с использованием человеческих корковых нейронов в культуре показали присутствие белка C4 в нейронах и во внеклеточной среде, подтверждая, что нейроны экспрессируют и высвобождают C4. В целом, эти результаты предполагают, что и нейроны, и глиальные клетки экспрессируют компоненты комплемента и их рецепторы. Учитывая провоспалительную роль анафилатоксинов C3a и C5a, экспрессия их рецепторов глиальными клетками не была удивительной. Напротив, экспрессия этих рецепторов в нейронах была более неожиданной. Тем не менее, нейрональная экспрессия C3aR и C5aR на низком уровне была показана в коре, мозжечке и гиппокампе в мозге взрослой мыши.
Экспрессия комплемента варьируется в зависимости от воспалительного состояния мозга. В ответ на инфекцию или воспаление, такие как бактериальный менингит, в спинномозговой жидкости обнаруживаются повышенные уровни белков комплемента . Регуляция экспрессии рецептора комплемента была показана на ишемической модели мозга, где C3aR и C5aR более выражены как в нейронах, так и в глиальных клетках после окклюзии кровеносных сосудов . Интересно, что специфическая положительная регуляция клеточной экспрессии комплемента наблюдалась в модели транзиторной ишемии, где экспрессия C1q специфически увеличивается в микроглии, но не в нейронах. Экспрессия компонентов и рецепторов комплемента также варьируется в ходе развития мозга . Например, в мышином гиппокампе экспрессия C3 намного ниже в постнатальный день 30 (P30), чем в P2 . В мозжечке крысы экспрессия C3aR и C5aR в гранулярных клетках достигает пика около 12 дней после рождения. Эта тонкая регуляция развития экспрессии комплемента привела к изучению его роли в созревании мозга.
Исследование, проведенное на личинках Xenopus, выявило экспрессию компонентов комплемента уже на стадии гаструла / ранняя нейрула. В частности, пропердин, C1qA, C3 и C9 экспрессируются в нервной пластинке и в нейральных предшественниках, тогда как C1qR и C6 экспрессируются на периферии нервной пластинки, в предполагаемом нервном гребне . На основании наблюдения, что существует хронологическая и тканевая спецификация экспрессии комплемента, была выдвинута гипотеза участия комплемента в процессах развития независимо от воспаления. У млекопитающих C5 и C5aR также экспрессируются на ранних стадиях развития. C5 и C5aR локализуются в нейроэпителии у мышей на ранних стадиях нейруляции, а также в нейроэпителии человека. C5aR-дефицитные мыши не обнаруживают явных врожденных аномалий, но имеют больше пороков развития нервной трубки, чем контроли дикого типа после дефицита фолиевой кислоты у матери . Эти наблюдения указывают на степень функциональной избыточности экспрессируемых в процессе развития белков комплемента, причем роль C5aR в нейруляции становится очевидной только в условиях стресса окружающей среды. Ось C5a-C5aR участвует в нейрогенезе, но только на эмбриональных стадиях развития. Недавнее исследование показало, что активация C5aR увеличивает пролиферацию нервных клеток-рекурсоров (NPC) in vivo в эмбриональной желудочковой зоне посредством передачи сигналов PKCζ / ERK и, наоборот, фармакологическая блокада C5aR уменьшает пролиферацию . Напротив, у мышей без C5aR не наблюдается измененного нейрогенеза у взрослых . Точно так же антагонисты C5aR не изменяют пролиферацию нейральных NPC во внешнем гранулярном слое раннего постнатального мозжечка крысы. Однако агонисты C5aR способствуют пролиферации NPC в зернистом слое на той же стадии развития, что позволяет предположить, что C5aR экспрессируется, но не активируется . Эффект активации C5aR на эмбриональных, но не постнатальных стадиях может быть объяснен развитием экспрессии C5a во времени. Действительно, концентрация C5a выше в эмбриональной, чем в спинномозговой жидкости взрослого человека, что свидетельствует о том, что нейроэпителий секретирует большие количества C5a, способствуя пролиферации NPC . Временное нарушение передачи сигналов C5a-C5aR во время эмбрионального развития изменяет организацию мозга взрослых и вызывает поведенческий дефицит , подчеркивая решающую роль этого пути для создания функциональных нейронных цепей. Интересно, что Serping1 ген, кодирующий ингибитор C1, о котором известно, что он блокирует инициацию классического и лектинового путей, негативно регулирует пролиферацию нервной системы в эмбриональной желудочковой зоне, уменьшая активацию C5aR . Таким образом, активация C5aR должна быть точно сбалансирована для адекватной пролиферации NPC в эмбриональной желудочковой зоне.
Молекулы комплемента, кроме C5a, также участвуют в контроле нейрогенеза у взрослых. Таким образом, рецептор комплемента CR2 экспрессируется нейронными предшественниками во взрослой зубчатой извилине (DG), и его активация с помощью C3d или интерферона-альфа снижает пролиферацию NPC и уменьшает образование новых нейронов в гиппокампе взрослых. Наоборот, у мышей Cr2 - / - наблюдается повышенный нейрогенез у взрослых DG . C3a также вовлечен в нормальный и индуцированный ишемией нейрогенез у взрослых. C3aR экспрессируется нейральными клетками-предшественниками (NPC) у взрослых мышей. Базальный нейрогенез у взрослых снижается как у мышей с дефицитом C3, так и у мышей, у которых отсутствует C3aR. Кроме того, у мышей с дефицитом С3 нарушен нейрогенез, вызванный ишемией, в субвентрикулярной зоне, основной источник нейральных клеток-предшественников в мозге взрослой мыши.
Система комплемента также играет роль в миграции нейронов. Во время развития мозга клетки могут скоординированно мигрировать в одном и том же направлении, процесс, называемый коллективной миграцией, которая требует хемоатракции между клетками. В клетках нервного гребня из Xenopus laevis и рыбок данио коллективная миграция зависит от фрагмента C3a и его рецептора C3aR. Нарушение взаимодействия между лигандом и его рецептором препятствует правильной клеточной миграции и вызывает дисперсию нейронов (. Сообщалось о возможном родственном механизме у NPC, происходящих из мозга взрослых, в которых C3a и SDF-1 индуцируют фосфорилирование ERK, что, в свою очередь, вызывает дифференцировку и миграцию нейронов in vitro.
В последнее десятилетие ключевая роль комплемента в постнатальном созревании мозговых цепей была раскрыта. При рождении мозг млекопитающего характеризуется избытком синаптических связей. В ходе постнатального развития лишние синапсы устраняются для создания функциональных зрелых нейрональных сетей. Этот процесс, называемый синаптической обрезкой, зависит от активности и был задокументирован в различных регионах, таких как кора , мозжечок, ретиногенная система и нервно-мышечное соединение. Роль комплемента в синаптической обрезке была впервые продемонстрирована в ретиногенной системе. На ранних стадиях развития ганглиозные клетки сетчатки (RGC) проецируют обильные аксоны на нейроны дорсального латерального коленчатого ядра (dLGN) таламуса. Во время постнатального развития ретиногенные синапсы устраняются, чтобы обеспечить хорошую сегрегацию между ипси и контралатеральными входами в нейроны dLGN. Зависимая от активности обрезка у мышей в первую постнатальную неделю необходима для обеспечения функционального бинокулярного зрения у взрослых . Используя массивную томографию на тонких срезах головного мозга, исследователи показали, что C1q и C3 в избытке экспрессируются и колокализуются с возбуждающими синапсами в dLGN в P5, но не в P30. В соответствии с ролью комплемента в синаптической обрезке у мышей с дефицитом C1q, C3 и C4 наблюдается более высокая плотность возбуждающих синапсов в dLGN и аномалии в специфической для глаза сегрегации . Колокализация между C3 и возбуждающими синапсами предполагает, что C3 или его продукты расщепления действуют как метки синапсов, которые должны быть устранены микроглией. Действительно, если взаимодействие между iC3b и его рецептором CR3 блокировано, синаптическая обрезка нарушается . CR3 избирательно экспрессируется клетками микроглии во время постнатального развития, и инъекция антероградной метки в сетчатку показала, что пресинаптические элементы поглощаются клетками микроглии в развивающейся dLGN, что указывает на то, что клетки микроглии являются ключевыми участниками опосредованного комплементом синаптического сокращения. C1q и C4 также локализуются в синапсах в развивающейся dLGN . Однако неясно, участвуют ли они непосредственно в зависимой от микроглии элиминации синапсов путем мечения синапсов, или же они косвенно способствуют элиминации синапсов, позволяя расщеплять C3 и генерировать iC3b.
В соответствии с многочисленными исследованиями, подчеркивающими, что синаптическая обрезка зависит от активности, опосредованное микроглией поглощение входов RGC регулируется активностью пресинаптических нейронов. Это также предполагает, что неактивные синапсы - это те, которые помечены молекулами комплемента и нацелены на микроглию-опосредованную обрезку, хотя механизмы, лежащие в основе зависимого от активности связывания комплемента, остаются неизвестными. Роль комплемента в синаптической обрезке также была продемонстрирована в других областях мозга. Таким образом, система комплемента способствует обрезке аксонных бутонов в пирамидальных нейронах слоя V соматосенсорной коры . Роль микроглии в синаптической обрезке также была продемонстрирована в гиппокампе , предполагая, что комплемент-зависимая синаптическая обрезка может быть широко распространена в развивающемся мозге.
Добавить отзыв