CC BY
286
34
Обзоры
ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ СЕРОВОДОРОДА В НЕРВНОЙ СИСТЕМЕ
А.В. Яковлев, Г.Ф. Ситдикова
Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, Россия
Physiological role of hydrogen sulfide in nervous system
A.V. Yakovlev, G.F. Sitdikova
Kazan (Volga region) Federal University, Kazan, Russia
В обзоре рассматриваются современные данные литературы и результаты собственных исследований, посвященные физиологической и патологической роли нового газомедиатора — сероводорода (H2S) в центральной и периферической нервной системе. H2S синтезируется при помощи трех ферментов: цистатионин р-синтаза, циста-тионин у-лиаза и 3-меркаптопируват сульфтрансфера совместно с цистеин аминотрансферазой. В нервной системе синтез H2S обеспечивает в основном фермент цистатионин р-синтаза и его высокий уровень экспрессии наблюдается в эмбриональный и ранний постнатальный период развития организма, что, по-видимому, необходимо для созревания и роста нейрональных сетей, защиты нейронов и астроци-тов в условиях оксидативного стресса. Мутация гена цистатионин р-синтазы у человека приводит к аутосомальным рецессивным метаболическим заболеваниям, ментальной дисфункции, сосудистым поражениям и гипергомоцистеи-немии. Рассматриваются эффекты H2S на ионные каналы, секрецию медиатора как в центральной, так и в периферической нервной системах, участие H2S в патогенезе различных нейродегенеративных заболеваний, а также нейропротекторное и антиоксидантное действие.
Ключевые слова: сероводород, цистатионин р-синтаза, цистатионин у-лиаза, 3-меркаптопируват сульфтрансфера, центральная и периферическая нервная системы, секреция медиатора, ионные каналы, нейродегенеративные заболевания.
Сероводород (H2S) хорошо известен как токсичный газ, в высоких концентрациях блокирующий дыхательную функцию митохондрий [1]. Однако относительно высокие концентрации H2S были обнаружены в мозге крысы и человека, что позволило предположить физиологическую роль этого газа [2]. В дальнейшем были обнаружены важнейшие биологические эффекты H2S, включая регуляцию кровяного давления, освобождения инсулина, расслабления гладких мышц, клеточной возбудимости, цитопротекторное действие [3—12], что обосновало отнесение H2S к группе газомедиаторов, включающих также оксид азота (II) (NO) и монооксид углерода (CO) [5, 13,14].
Эндогенно H2S синтезируется из цистеина ферментами цистатионин р-синтаза (CBS), цистатионин у-лиаза (CSE) и 3-меркаптопируват сульф-трансфераза (MST)/ цистеин аминотрансферазой (CAT) [15-17]. Было показано, что H2S усиливает N-метил-й-аспарта (НМДА)-опосредованные ответы в гиппокампе и облегчает индукцию долговременной потенциации (ДВП), синаптической модели памяти и обучения [15]. H2S также модулирует синаптические ответы в серотонинергических нейронах ядер шва [18], регулирует освобождение нейромедиатора из двигательных нервных окончаний [19—24], секрецию кортикотропин-рилизинг гормона из гипоталамуса [25]. В астроцитах H2S повышает внутриклеточную концентрацию Са2+, вызывая Са2+-волны [26]. Все эти эффекты предполагают, что H2S является сигнальной молекулой в мозге [27].
е-mail: alv.yakovlev@gmail.com
The review provides modern data and the results of author's research on physiological and pathological roles of the new gasotransmitter - hydrogen sulfide (H2S) in the central and peripheral nervous system. H2S is synthesized by three enzymes: cystathionine p-syntase, cystathionine y-lyase and 3-mercaptopiruvat sulftransferase/cysteine aminotransferase. In nerve systems the main source of synthesis H2S is cystathionine p-syntase and high level enzyme expression observed in the embryonic and early postnatal period of organism development that is apparently necessary for the growth and maturation of neural networks for the protection of neurons and astrocytes in the conditions of oxidative stress. Cystathionine p-syntase gene mutation in humans leads to an autosomal recessive metabolic diseases, mental dysfunction, vascular lesions and hyperhomocysteinemia. The aim of this review is to present the currents data about the effects of H2S on ion channels, transmitter release, its participation in the pathology of various neurodegenerative diseases, as well as its antioxidative and neuroprotective action in central and peripheral nervous systems.
Key words: hydrogen sulfide, central and peripheral nerve system cystathionine p-syntase, cystathionine y-lyase and 3-mercaptopiruvat sulftransferase, neurotransmitter release, ion channels, neurodegenerative diseases.
синтез H2S
H2S синтезируется в значительных концентрациях во многих тканях организма. Самая высокая скорость синтеза H2S была отмечена в мозге, сердечно-сосудистой системе, печени и почках [27— 30]. CSE синтезирует H2S в сердечно-сосудистой системе, микроглии, печени, почках [4]. В нервной системе активность фермента CSE практически не выявляется, а экспрессия обнаружена в основном в белом веществе мозга [31]. CBS и CSE локализованы в цитоплазме и в качестве субстрата для синтеза эндогенного H2S используют серосодержащую аминокислоту — L-цистеин, полученную из пищи или синтезируемую из другой аминокислоты L-метионин через образование промежуточного продукта гомоцистеина. Активность обоих ферментов зависит от витамина В6, но они различаются по механизму синтеза H2S [15, 32].
Цинк-зависимый фермент 3-MST совместно с CAT синтезирует H2S в ходе конверсии пирувата из 3-меркаптопирувата [33]. Недавно был обнаружен альтернативный путь синтеза H2S из D-цистеина, поступающего с пищей, который превращается с помощью фермента D-аминооксидаза в 3-меркаптопи-руват, далее используемый 3-MST [34, 35].
Поскольку CBS является основным ферментом, синтезирующим H2S в ЦНС, более подробно остановимся на его структуре, регуляции и экспрессии. CBS человека имеет сложную структуру и механизм регуляции [36]. Ген CBS у человека состоит из
Гены & Клетки Том IX, № 3, 2014
Обзоры
35
23 экзонов, расположенных в области от 42 до 209 пары азотистых оснований, полипептид CBS закодирован экзонами 1-14 и 16 [37]. Экспрессия гена, кодирующего CBS, тканеспецифична и регулируется через механизм, чувствительный к окислительно-восстановительному потенциалу, что связано с пролиферационным статусом клетки [4, 38].
Большое количество мутаций в различных областях CBS было найдено у больных с гомоцистеинури-ей, это заболевание передается по наследству и связано с высоким уровнем в плазме L-гомоцистеина и с пониженной активностью CBS [38]. Активность CBS в мозге зависит от внутриклеточной концентрации Са2+/кальмодулина. Следовательно, можно предполагать, что H2S синтезируется в ответ на вход Са2 + в клетку. В отсутствие CBS или при его дефиците работа фермента ткани не способны утилизировать гомоцистеин, что приводит к гиперчувствительности клеток к гомоцистеину [4]. Соответственно при го-моцистеинурии наблюдается повышение концентраций гомоцистеина и метионина в плазме и моче и снижение уровня цистатионина и цистеина [39, 40]. У мышей с генетическим дефицитом СВS проявляются признаки, сходные с гипергомоцистеинемией у человека. Наблюдалось уменьшение размеров мозжечка, в частности, толщины молекулярного и внутреннего гранулярного слоев коры со второй недели постнатального развития [41]. В течение эмбрионального периода уровень экспрессии CBS достаточно низкий, однако значительно возрастает на поздних пренатальных и ранних стадиях постнатального развития организма [4, 27]. Исследования распределения CBS в мозге мыши в эмбриональном периоде с Е9,5 по Е13,5 (Е — эмбриональный день развития) показали, что высокий уровень CBS наблюдается в области зачатка конечностей, хвоста, мозгового пузыря, в развивающихся органах, таких, как печень, скелетная и нервная системы. Сравнительный анализ показал, что в ЦНС максимальная экспрессия наблюдается в вентрикулярных областях с пролифелирующими клетками, в стриатуме, в 4 желудочке, в продолговатом мозге, а также слабый сигнал детектировался в среднем мозге, неокортексе и спинном мозге. К рождению (Р0 — постнатальный день) экспрессия CBS по всему мозгу однородна, но к Р2—Р10 наблюдается усиление сигнала в определенных областях ЦНС: мозжечок и обонятельные луковицы. В постнатальном развитии и во взрослом мозге наблюдается спад экспрессии фермента без изменения концентрации в крови L-цистеина, за исключением клеток Пуркинье в мозжечке и в областях СА1/СА3 гиппокампа, астроцитах, в миндалевидном теле [15, 27, 41—43]. При этом иммуногистохимическими методами показано, что CBS локализуется не только в теле нейрона, но и в дендритах, аксонах и синаптических окончаниях [40]. Авторы предполагают, что высокий уровень экспрессии в период эмбрионального и раннего постнатального развития необходим для созревания и роста нейрональных сетей [38]. Кроме того, высокое содержание H2S и активность CBS играют важную роль в регуляции соотношения метионина и гомоцистеина в ЦНС, так как избыток гомоцистеина приводит к нарушениям развития нервной трубки [44]. Повышенный уровень H2S также необходим для «выживания» нейронов гиппокампа во взрослом мозге мыши [40]. Известно, что гиппокамп играет важную роль в обучении и памяти, возможно, снижение уровня H2S в зубча-
том ядре гиппокампа приводит к дефициту памяти у взрослых животных [40]. Интересно отметить, что и уровень экспрессии D-аминооксидазы в мозжечке и почках мыши увеличивались с момента рождения до 8 нед., тогда как синтез H2S при помощи 3-MST достоверно не изменялся. Максимальное использование в качестве субстрата для синтеза H2S D-цистеина наблюдалось после 6 нед. постнатального развития и затем достоверно снижалось, в то же время продукция H2S из L-цистеина не менялась в первые месяцы после рождения. Авторы предполагают, что D-цистеин, так же, как и H2S, необходим для защиты развивающихся нейронов от оксидативного стресса и, например, в мозжечке он более эффективен по сравнению с L-цистеином [5, 34]. Возможно, D-цистеин обладает нейропротекторными свойствами и способен предотвращать развитие нейродегенеративных заболеваний в развивающемся мозге, вызванных оксидативным стрессом и высоким уровнем активных форм кислорода, как, например, при аутизме [45, 46].
Эндогенно генерируемый H2S в нормальных условиях не накапливается и не оказывает токсического воздействия на клетку благодаря сбалансированному клеточному метаболизму этого газа [4]. Грань между физиологическими и токсическими эффектами H2S очень тонкая. По-видимому, клетки млекопитающих имеют четкий регуляторный механизм контроля эндогенного уровня H2S в физиологически допустимых пределах [4]. Концентрация свободного H2S гомогенате клеток в головном мозге в зависимости от методов определения составляет от 14 нМ до 9,2 мкМ [36]. В крови крыс уровень H2S составляет от 10 мкМ (Wistar) до 50 мкМ (Sprague-Dawley) [47], а гомогенат клеток спинного мозга в присутствии субстрата фермента CBS L-цистеина продуцирует 6 нмоль/мин. H2S на грамм протеина [30]. Такой сильный разброс в концентрации связан с особенностями используемых методов определения газа, а кроме того, H2S способен храниться в связанном виде и высвобождаться в ответ на стимуляцию. Кроме того, H2S может образовывать полисульфиды (H2Sn, n = 2—8) [48, 49] в присутствии кислорода [34, 48]. Было показано, что полисульфиды приблизительно в 300 раз более эффектно активируют TRPA1-каналы, чем H2S [48].
Таким образом, уровень H2S в тканях повышается только в ответ на специфическую стимуляцию, притом локально и кратковременно. Затем его концентрация быстро снижается, так как он расщепляется ферментами, связывается с белками или реагирует с другими соединениями [4, 50].
Эффекты H2S в центральной нервной
системе
Впервые физиологические эффекты H2S на нейрональную активность в мозге была показана научной группой H. Kimura [15, 16, 51]. Было установлено, что физиологические концентрации H2S (<130 мкМ) при «слабой» тетанической стимуляции (15 пульсов с частотой 100 Гц) вызывали ДВП в клетках пирамидного слоя СА1 области гиппокампа. В отсутствии донора H2S такая же стимуляция не приводила к возникновению ДВП. При этом H2S оказывал доза-зависимое влияние на синаптические токи через НМДА рецепторы, увеличивая их в низких концентра-
Гены & Клетки Том IX, № 3, 2014
36
Обзоры
циях (<130 мкМ) и подавляя в высоких (>320 мкМ). Исследование механизмов действия H2S показало, что эффект газа не связан с его восстанавливающим действием на субъединицы НМДА-рецепторов [15]. В дальнейших исследованиях было показано, что донор H2S оказывал стимулирующие действие на НМДА-рецепторы, экспрессированные в мембране ооцитов, в нейронах гиппокампа и глии [15, 27, 51]. С помощью иммуногистохимического анализа в первичных культурах нейронов и глии было показано, что H2S в микромолярных концентрациях вызывал увеличение уровня цАМФ. Поскольку известно, что активация протеинкиназы А усиливает активность НМДА-рецепторов [52], было сделано заключение, что H2S регулирует активность НМДА-рецепторов посредством увеличения внутриклеточного содержания цАМФ, который, в свою очередь приводит к фосфорилированию NR1, NR2A и NR2B субъединиц НМДА-рецептора, усиливающему ток через глутаматные каналы [15]. Кроме того, H2S способен регулировать НМДА-опосредованный выброс нейромедиатора при помощи сульфгидриро-вания субъединиц канала и (или) за счет усиления их чувствительности к глутамату [53]. Аппликация антагонистов НМДА рецепторов или ингибиторов аденилатциклазы предотвращало действие донора H2S и вызывало нарушение ДВД в гиппокампе, что также показано и у мышей, нокаутированных по гену CBS [15, 27, 51].
С другой стороны, активация рецепторов глутамата приводила к изменению активности фермента CBS в клетках. Так, аппликация L-глутамата, НМДА, вызывала усиление продукции H2S CBS в суспензии клеток мозга крысы, тогда как увеличение концентрации ионов Mg2 + в среде и отсутствие глицина — ко-активатора НМДА-рецепторов — снижала концентрацию H2S. Таким образом, синтез H2S связан с деполяризацией мембраны и увеличением концентрации Са2+ в результате активации ионотропных глутаматных рецепторов [27].
Показано, что H2S участвует в поддержании баланса между процессами возбуждения и торможения в мозге [54]. у-аминомасляная кислота (ГАМК) является один из основных тормозных медиаторов в ЦНС, а дефицит ГАМК-эргического торможения приводит к фебрильным судорогам. Показано, что H2S усиливал ГАМК-опосредованное торможение, что вело к уменьшению повреждения гиппокампа, вызванного повторными фебрильными судорогами [55]. В основе этого эффекта лежит усиление под действием H2S экспрессии мРНК и уровня белковых субъединиц ГАМК(Б) рецепторов как на пре-, так и на постсинаптических мембранах. Предполагается, что усиление скорости синтеза субъединиц ГАМК-рецептора связано с H^-вызванным входом Ca2+ в цитоплазму и инициацией Са2+-зависимой транскрипции ДНК [56].
Са2+ играет важную роль в клеточной физиологии, участвуя практически во всех сигнальных процессах, таких как передача сигнала, экзо- и эндоцитоз, синтез протеинов, регуляция ионного транспорта, функций мембранных и цитозольных белков. Нарушение гомеостаза для Са2+ приводит к развитию различных дисфункций нервной системы. В нервной системе существует реципрокное взаимодействие между глиальными клетками и нейронами [57]. Так, глиальные Са2+-волны способны управлять нейрональной активностью, и наоборот, активация
нейронов запускает выброс ионов Са2+ в цитоплазму астроцитов [58]. В культуре астроцитов и нейронах среза гиппокампа и мозжечка крысы донор H2S вызывал освобождение Са2+ из внутриклеточных депо и индуцировал Са2+-волны [59, 60].
В ядре одиночного тракта аппликация H2S вызывала увеличение частоты спонтанных и амплитуды вызванных моносинаптических потенциалов без изменения характеристик потенциала действия и потенциала покоя нейронов. Данные эффекты связаны с увеличением внутриклеточной концентрации Са2+ в ответ на аппликацию H2S. Ингибирование CBS значительно снижало величину синаптических токов, а также уровень цитоплазматического Са2+, что свидетельствует об эндогенной регуляции синаптической передачи H2S [61].
Влияние на концентрацию Са2+ в клетке может быть опосредовано через модуляцию Са2+-каналов плазматической мембраны. Так, активация Т-тип Са2+-каналов в первичных афферентных нейронах у крысы, вызванная аппликацией донора H2S, приводила к гипералгезии [62]. В культуре нейронов гранулярного слоя мозжечка донор H2S в концентрациях 50—100 мкМ увеличивал внутриклеточную концентрацию Са2+ за счет активации L-типа Са2+-каналов, в высоких концентрациях — до 300 мкМ, приводил к гибели клеток [60, 63].
H2S способен напрямую действовать на ионные каналы, регулируя мембранный потенциал и возбудимость. Влияние H2S на возбудимость было обнаружено еще в работе 1993 г., где было показано, что донор H2S вызывал увеличение проводимости мембраны серотонинергических нейронов ядра шва ствола мозга за счет активации К-проводимости [64]. Обнаружено, что одной из мишеней действия H2S являются АТФ-зависимые К+-каналы (К(АТФ)-каналы), активация которых приводит к гиперполяризации мембраны, снижению возбудимости и подавлению респираторного ритма в группе парафациальных нейронов в срезах продолговатого мозга у новорожденных крысят [47, 65]
Показано влияние H2S на активность Са2+-активируемых K-каналов большой проводимости (ВК-каналов). В культуре GH3 клеток крысы донор H2S доза-зависимо усиливал вероятность открытия каналов и этот эффект опосредовался восстанавливающим эффектом H2S на дисульфидные связи субъединицы каналов с внутренней стороны канала [8, 66]. С другой стороны, донор H2S ингибировал ВК-каналы в клетках HEK 293, экспрессирующих а субъединицу этих каналов [67]. Различия в эффектах H2S могут быть связаны с различиями в экспрессии различных сплайс вариантов альфа и бета субъединиц каналов. В первичной культуре тригеминальных нейронов при помощи иммуноцитохимического анализа показана колокализация CBS-позитивных и нейронов, содержащих K-каналы подтипа Kv1.1 и Kv1.4. Экзогенная аппликация донора H2S приводила к значительной деполяризации нейронов без изменения входного сопротивления, подавлению выходящих К-токов через потенциалзависимые К-каналы. В первичных сенсорных нейронах спинного мозга крысы H2S увеличивал возбудимость за счет активации токов через тетро-дотоксин-устойчивые № + -каналы [68, 69].
Один из возможных механизмов действия H2S на возбудимые клетки может быть связан с образованием полисульфидов. Так, показано, что донор по-
Гены & Клетки Том IX, № 3, 2014
Обзоры
37
лисульфидов — Na2S3 способен активировать TRPA1-каналы в астроцитах крысы, вызывая вход Са2 + [48], что способствует выбросу D-серина и приводит к усилению активности нейрональных НМДА-каналов. В результате интеграция двух механизмов, активирующих НМДА-рецепторы — с помощью H2S и полисульфидов может способствовать усилению ДВП в гиппокампе [5, 32, 48].
H2S оказывает непосредственное влияние на освобождение медиатора в периферической и центральной нервной системах. Так, еще в конце 90-х годов прошлого века было показано, что летальные и сублетальные дозы H2S ингибировали фермент синтеза катехоламинов в различных отделах мозга, в результате чего происходило повышение уровня норадреналина, адреналина и серотонина [70—73]. В гипоталамо-гипофизарной системе донор H2S в концентрациях 0,1—10 мМ снижал выброс корти-котропин-релизинг гормона, вызванный аппликацией КС1, тогда как базальная секреция гормона не изменялась. Подобное действие оказывал и SAM, активатор синтеза H2S. Кроме того, SAM уменьшал повышение концентраций глюкокортикоидов в плазме крови, вызванное стрессом, что позволяет предположить участие H2S в регуляции гипоталамо-гипо-физарной системы [25].
Показано, что в периферической нервной системе H2S стимулировал капсаицин-чувствительные сенсорные нервные окончания, вызывая секрецию вещества P и нейрокинина А [74]. В двигательных нервных окончаниях экзогенный и эндогенный H2S оказывал усиление спонтанного и вызванного освобождения медиатора в синапсах холоднокровных и теплокровных животных [6, 7, 9, 13, 19—24]. Анализ влияния H2S на спонтанную секрецию медиатора показал увеличение частоты миниатюрных токов концевой пластики без изменения их амплитудновременных параметров, что свидетельствует об отсутствии влияния газа на чувствительность постсинаптических холинорецепторов [19]. Исследование внутриклеточных механизмов действия H2S показало участие системы аденилатциклазы, а также внутриклеточных Са2+-депо [22, 24]. Возможно также, что H2S непосредственно вмешивается в механизмы экзоцитоза синаптических везикул, связанные с трансформацией белков SNARE-комплекса, о чем свидетельствует увеличение частоты спонтанного освобождения медиатора. Можно предположить, что H2S приводит к изменению окислительно-восстановительного статуса SNARE комплекса, что влияет на стабильность белковых взаимосвязей [75].
Таким образом, в нервной системе H2S обладает широким спектром действия, участвуя в регуляции секреции медиатора, проведении и восприятии болевой информации, формировании долговременной синаптической пластичности.
Нейропротекторные и патофизиологические
эффекты H2S
Токсичность H2S известна уже более 300 лет, длительные воздействия низких доз газа вызывают утомление, потерю аппетита, головные боли, раздраженность, нарушения памяти, головокружение; приводят к заболеваниям ЦНС, сердечно-сосудистой и дыхательной систем, желудочно-кишечного тракта
[4]. На моделях животных многократная экспозиция токсических доз H2S приводила к нейрохимическим, морфологическим и электрофизиологическим изменениям в развивающимся мозге [76]. Наблюдалась демиелинизация аксонов, гибель нейронов, повреждения олигодендроцитов и усиление эндоцитоза [77]. В высоких концентрациях H2S повреждал клетки мозга и вызывал нарушение процессов обучения и памяти [76].
Однако, в настоящее время показано, что эндогенный H2S может оказывать и нейропротекторное действие, защищая нейроны в условиях оксидатив-ного стресса. H2S усиливает синтез главного внутриклеточного антиоксиданта — глутатиона, который способен связывать свободные формы кислорода в митохондриях [36, 78, 79].
Существуют две формы глутаматной нейротоксичности — одна связана с гиперактивацией НМДА-рецепторов, а вторая — с подавлением цистеин/ глутаматного антипорта [80]. H2S способен активировать цистеин/глутаматный антипорт и цистеиновый транспортер, что сопровождается увеличением внутриклеточной концентрации цистеина и продукции глутатиона [36, 79, 81]. В первичной культуре кортикальных астроцитов, H2S предотвращал Н2О2 — вызванное повреждение клеток путем уменьшения внеклеточной концентрации глутамата, что приводило к усилению поглощения цистеина и продукции глутатиона [42].
Другой механизм, с помощью которого H2S проявляет защитный эффект — это его антиоксидантное действие. H2S — очень реактивная молекула и может легко вступить в реакцию с другими соединениями, особенно с активными формами кислорода и азота [798]. Значимость реакции H2S с 02 - неоднозначна, так как продукт реакции сульфит может обладать как токсическими, так и антиоксидантными свойствами, что, по-видимому, зависит от его концентрации [82]. Координация клеточной пролиферации и смерти одна из важных жизненных процессов для нормального развития и жизнедеятельности клетки. Физиологическая клеточная смерть происходит через различные формы апоптоза [83]. Оказалось, что H2S эффективно модулирует клеточную пролиферацию или апоптоз в различных системах, усиливая или предотвращая гибель клеток [84]. Так, добавление H2S в клеточную культуру РС12 предотвращало апоптоз, индуцированный аппликацией митохондриальных нейротоксинов (MPP-, 6-0HDA), гомоцистеина и бета-амилоида, оказывая протекторное действие [4]. H2S оказывал неоднозначное действие на протекание ишемического инсульта в мозге. Аппликация донора H2S или L-цистеина ухудшала течение заболевания, тогда как ингибиторы CBS или CSE снижали объем мозгового инфаркта, вызванного односторонней окклюзией средней мозговой артерии [85]. При этом концентрация H2S в коре головного мозга увеличилась, что предлагает негативное влияние H2S. Однако, есть данные, указывающие на позитивное влияние H2S, связанное с его нейропротекторным действием [86, 87]. Кроме того, защитное влияние H2S на нейроны мозга при ишемическом инсульте и глутаматной интоксикации может быть связано с активацией К(АТФ)-каналов и снижением возбудимости нейронов [82].
Гены & Клетки Том IX, № 3, 2014
38
Обзоры
Показано участие H2S в развитии различных нейродегенеративных заболеваний. Нарушения регуляция фермента СBS связывают с различными заболеваниями, сходной чертой которых является отставание в умственном развитии. При болезни Альцгеймера содержание H2S в мозге снижено на ~55%, и этот дефицит вызван падением концентрации SAM [27]. Как было описано выше, H2S проявляет антиоксидантные свойства и его дефицит может привести к увеличению концентрации перок-синитритов и гипохлоритов у пациентов с болезнью Альцгеймера. Кроме того, H2S является вазорелаксантом, поэтому уменьшение уровня H2S, вероятно, вызывает дисфункцию микроциркуляторного русла мозга, приводящую к возникновению болезни Альцгеймера [4, 27].
Дефицит экспрессии фермента CBS в организме приводит к развитию гомоцистеинурии [4]. Во взрослом мозге патологическая концентрация гомоцистеина и его производных способна вызывать повреждение нейронов за счет гиперактивности НМДА-каналов, входа Ca2+ и продукции активных форм кислорода или активацией апоптоза [88]. Таким образом, нейрональные клетки, чувствительные к патологическим концентрациям гомоцистеина, обладают высоким уровнем экспрессии фермента CBS. Активация синтеза H2S защищает нейроны от высокого уровня эндогенного гомоцистеина [38, 88].
Показано, что уровень экспрессии CBS у больных синдромом Дауна в три раза выше по сравнению со здоровыми людьми [4]. Ген CBS расположен в 21 хромосоме, поэтому возникновение трисомии 21 хромосомы при синдроме Дауна приводит к повышенной экспрессии CBS и к увеличению синтеза H2S в мозге. Было показано, что у людей с этим заболеванием в моче увеличена концентрация тиосульфата, продукта метаболизма H2S [4, 89]. По-видимому, избыток H2S оказывал токсичное воздействие на нейроны посредством ингибирования цитохромоксидазы и (или) гиперстимуляцией НМДА-рецепторов и, таким образом, вносил свой вклад в прогрессивную олигофрению у больных трисомией [90].
ЛИТЕРАТУРА:
1. Reiffenstein R.J., Hulbert W.C., Roth S.H. Toxicology of hydrogen sulfide. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 1992; 32; 109-34.
2. Savage C., Gould D.H. Determination of sulfides in brain tissue and rumen fluid by ion-interaction reversed-phase high-performance liquid chromatography. J. Chromatograph. 1990; 526: 540-5.
3. Zhou C.F., Tang X.Q. Hydrogen sulfide and nervous system regulation. Chin. Med. J. (Engl). 2011; 124(21): 3576-82.
4. Wang R. Physiological implications of hydrogen sulfide: A Whiff exploration that blossomed. Physiological reviews. 2012; 92(2): 791-896.
5. Wang R. Gasotransmitters: growing pains and joys. Trends Biochem. Sci. 2014; 39(5): 227-32.
6. Ситдикова Г.Ф., Зефиров А.Л. Газообразные посредники
в нервной системе. Росс. Физиол. журнал им. И.М. Сеченова. 2006; 97(7): 872-882.
7. Ситдикова Г.Ф., Зефиров А.Л Сероводород: от канализаций Парижа к сигнальной молекуле. Природа. 2010; 9:29-37.
8. Sitdikova G.F., Weiger T.M., Hermann A. Hydrogen sulfide increases calcium-activated potassium (BK) channel activity of rat pituitary tumor cells. Pflugers Arch — Eur. J. Physiol. 2010; 459:389-97.
9. Ситдикова Г.Ф., Яковлев А.В., Одношивкина Ю.Г. и соавт. Влияние сероводорода на процессы экзо- и эндоцитоза синаптических везикул в двигательном нервном окончании лягушки. Нейрохимия. 2011; 28(4): 1-7.
10. Khaertdinov N.N., Ahmetshina D.R., Zefirov A.L. et al. Hydrogen Sulfide in Regulation of Frog Myocardium Contractility. Biochemistry (Moscow). 2013; 7(1): 52-57.
Заключение
Таким образом, из приведенных данных можно заключить, что в физиологических условиях H2S является сигнальной молекулой в нервной системе, регулирующей процессы освобождения медиатора, кратковременные и долговременные изменения в синаптических структурах, процессы памяти и обучения [4]. Предполагается, что H2S играет важную роль в созревании и сохранении клеток в эмбриогенезе и в постнатальном морфогенезе в нервной системе, оказывая нейропротекторное, антиоксидантное воздействие как на нейроны, так и на астроциты. С другой стороны, патологическое увеличение или снижение в тканях уровня H2S может стать причиной развития нейродегенеративных заболеваний, ишемического инсульта, оказывать цитотоксические эффекты [81]. Несмотря на разнообразие эффектов H2S в различных тканях, основные клеточные источники и механизмы его освобождения не до конца понятны. H2S может освобождаться сразу после образования ферментами CBS, CSE и 3-MST, либо, H2S может связываться с протеинами и высвобождаться в ответ на физиологические стимулы [17, 36]. Недавние исследования показали, что эндогенный уровень свободного H2S в базальных условиях очень низкий и повышение его, по-видимому, происходит локально в ответ на стимуляцию, что позволяет селективно воздействовать на клеточные мишени. Несмотря на то, что выявлен целый ряд мишеней действия H2S, таких как НМДА-рецепторы, К(АТФ)-каналы, Са2+-каналы и другие, механизмы его эффектов не выяснены. Предполагается, что химическая модификация белков (S-сульфгидрация) опосредует различные физиологические эффекты H2S. Решение этих вопросов и прояснение механизмов действия H2S приведет к возможности его использования в терапевтических целях.
Благодарности
Работа поддержана грантом РНФ № 14-15-00618 и выполнена в рамках государственной программы повышения конкурентоспособности Казанского (Приволжского) федерального университета среди ведущих мировых научно-образовательных центров.
11. Хаертдинов Н.Н., Герасимова Е.В., Ситдикова Г.Ф. АТФ-зависимые К+-каналы как мишень действия сероводорода в миокарде лягушки. Естественные науки. 2012; 1(38): 210-213.
12. Шафигуллин М.У., Зефиров Р.А., Сабируллина Г.И., и соавт. Эффекты донора сероводорода на спонтанную сократительную активность желудка и тощей кишки крысы. БЭБИМ. 2014; 157(3): 275-279.
13. Sitdikova G.F., Zefirov A.L. Gasotransmitters in Regulation of Neuromuscular Transmission. In: Hermann A., Sitdikova G., Weiger T., editors. Gasotransmitters: Physiology and Pathophysiology. Springer; 2012, p 139-161.
14. Яковлев А.В., Ситдикова Г.Ф., Зефиров А.Л. Внутриклеточные пресинаптические механизмы эффектов оксида азота (II) в нервно-мышечном соединении лягушки. Нейрохимия. 2005; 22(1): 81-7.
15. Abe K., Kimura H. The possible role of hydrogen sulfide as an endogenous neuromodulator. J. Neuroscience. 1996; 16: 1066-71.
16. Kimura H., Nagai Y., Umemura K. et al. Physiological roles of hydrogen sulfide: synaptic modulation, neuroprotection, and smooth muscle relaxation. Antioxid Redox Signal. 2005; 7: 795-803.
17. Shibuya N., Tanaka M., Yoshida M. et al. 3-Mercaptopyruvate sulfurtransferase produces hydrogen sulfide and bound sulfane sulfur in the brain. Antioxid. Redox Signal. 2009; 11: 703-14.
18. Kombian S.B., Reiffenstein R.J., Colmers W.F. The actions of hydrogen sulfide on dorsal raphe serotonergic neurons in vitro. J. Neurophysiol. 1993; 70: 81-96.
19. Gerasimova E.V., Sitdikova G.F., Zefirov A.L. Hydrogen sulfide as an endogenous modulator of mediator release in the frog neuromuscular synapse. J. Neurochemical. 2008; 2(1): 120-6.
Гены & Клетки Том IX, № 3, 2014
Обзоры
39
20. Sitdikova G.F., Gersimova E.V., Khaertdinov N.N. et al. Role of cyclic nucleotides in effects of hydrogen sulfide on mediator release in frog neuromuscular junction. J. Neurochemical. 2009; 3(4): 282-7.
21. Sitdikova G.F., Yakovlev A.V., Odnoshivkina Y.G. et al. Effects of Hydrogen sulfide on the exo- and endocytosis of synaptic vesicles in frog motor nerve endings. J. Neurochemical. 2011; 5(4): 245-50.
22. Герасимова Е.В., Яковлева О.В., Зефиров А.Л. и соавт. Роль рианодиновых рецепторов в эффектах сероводорода на освобождение медиатора из двигательного нервного окончания лягушки. БЭБИМ. 2013; 155(1): 14-16.
23. Mitrukhina O.B., Yakovlev, A.V., Sitdikova G.F. The Effects of Hydrogen Sulfide on the Processes of Exo- and Endocytosis of Synaptic Vesicles in the Mouse Motor Nerve Endings. Biochemistry (Moscow). 2013; 7(2): 170-173.
24. Герасимова Е.В., Ситдикова Г.Ф., Зефиров А.Л. Сероводород как эндогенный модулятор освобождения медиатора в нервномышечном синапсе лягушки. Нейрохимия. 2008; 25(2): 138-45.
25. Dello Russo C., Tringali G., Ragazzoni E. et al. Evidence that hydrogen sulfide can modulate hypathalamo-pituitary-adrenal axis function: in vitro and in vivo studies in the rat. J. Neuroendocrinol. 2000; 12: 225-33.
26. Nagai Y., Tsugane M., Oka J. et al. Hydrogen sulfide induces calcium waves in astrocytes. FASEB. 2004; 18: 557-9.
27. Eto K., Ogasawara M., Umemura K. et al. Hydrogen sulfide is produced in response to neuronal excitation. J. Neuroscience. 2002; 22(9): 3386-91.
28. Lu, Y., O'Dowd B.F., Orrego H., Israel Y. Cloning and nucleotide sequence of human liver cDNA encoding for cystathionine-y-lyase. Bioch. Bio. Res. Com. 1992; 189; 749-758.
29. Van der Molen, E.F., Hiipakka M.J., van Lith-Zanders G. Homocysteine metabolism in endothelial cells of a patient homozygous for cystathionine beta-synthase (CS) deficiency. Thromb. Haemost. 1997; 78: 827-833.
30. Distrutti E., Sediari L., Mencarelli A. Evidence that hydrogen sulfide exerts antinociceptive effects in thegastrointestinal tract by activating K(ATP) channels. J. Pharmacol. Exp. Ther. 2006; 316: 325-35.
31. Gadalla J., Moataz M., Snyder S.H. Hydrogen Sulfide as a Gasotransmitter. J. Neurochemistry. 2010; 113(1): 14-26.
32. Morikawa T., Kajimura M., Nakamura T. et al. Hypoxic regulation of the cerebral microcirculation is mediated by a carbon monoxide-sensitive hydrogen sulfide pathway. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2012; 109: 1293-8.
33. Shibuya N., Kimura H. Production of hydrogen sulfide from D-cysteine and its therapeutic potential. Frontiers in Endocrinology. 2013; 4: 87-93.
34. Nagahara N., Ito T., Kitamura H. et al. Tissue and subcellular distribution of mercaptopyruvate sulfurtransferase in the rat: confocal laser fluorescence and immunoelectron microscopic studies combined with biochemical analysis. Histochem. and Cell Biology. 1998; 110(3): 243-250.
35. Shibuya N., Koike S., Tanaka M., et al. A novel pathway for the production of hydrogen sulfide from D-cysteine in mammalian cells. Nature Communications. 2013; 4: 1366.
36. Kimura H. Hydrogen Sulfide: From Brain to Gut. Antiox. Redox Signal. 2010; 12(9): 1111-23.
37. Shen W., McGath M.K., Evande R. et al. A Continuous Spectrophotometric Assay for Human Cystathionine Beta-Synthase. Analytical biochemistry. 2005; 342(1): 103-10.
38. Robert K., Vialard F., Thiery E. et al. Expression of the cystathionine beta synthase (CBS) gene during mouse development and immunolocalization in adult brain. J. Histochem. Cytochem. 2003; 51: 363-71.
39. Obeid R., McCaddon A., Herrmann W. The Role of Hyperhomocysteinemia and B-Vitamin Deficiency in Neurological and Psychiatric Diseases. Clinical Chem. Lab. Med. 2007; 45(12): 1590-1606.
40. Bruintjes J.J., Henning R.H., Douwenga W., van der Zee E.A. Hippocampal Cystathionine Beta Synthase in Young and Aged Mice. Neuroscience letters. 2014; 563: 135-39.
41. Enokido Y., Suzuki E., Iwasawa K. et al. Cystathionine beta-synthase, a key enzyme for homocysteine metabolism, is preferentially expressed in the radial glia/astrocyte lineage of developing mouse CNS. FASEB. 2005; 19(13): 1854-56.
42. Lee M., Schwab C., Yu S. et al. Astrocytes produce the antiinflammatory and neuroprotective agent hydrogen sulfide. Neurobiol. Aging. 2009; 30: 1523-34.
43. Vitvitsky V., Thomas M., Ghorpade A. et al. A functional transsulfuration pathway in the brain links to glutathione homeostasis. J. Biol. Chem. 2006; 281: 35785-93.
44. Rosenquist T.H., Finnell R.H. Genes, folate and homocysteine in embryonic development. Proc. Nutr. Soc. 2001; 60: 53-61.
45. Fonnum F., Lock E.A. Cerebellum as a target for toxic substances. Toxicol. Lett. 2000; 112-113: 9-16.
46. Sajdel-Sulkowska E.M., Xu M., Koibuchi N. Increase in cerebellar neurotrophin-3 and oxidative stress markers in autism. Cerebellum. 2009; 8: 366-72.
47. Zhao W., Ndisang J.F., Wang R. The modulation of endogenous production of H2S in rat tissues. Can. J. Physiol. Pharmacol. 2003; 81: 848-53.
48. Kimura H. Physiological role of hydrogen sulfide and polysulfide in the central nervous system. Neurochem. International. 2013; 63(5): 492-7.
49. Greiner R., Palinkas Z., Basell K. et al. Polysulfides link H2S to protein thiol oxidation. Antioxid. Redox Signaling. 2013; 19(15): 1749-65.
50. Ishigami M., Hiraki K., Umemura K. et al. A source of hydrogen sulfide and a mechanism of its release in the brain. Antioxid. Redox Signal. 2009; 11: 205-14.
51. Kimura M. Hydrogen sulfide induces cyclic AMP and modulates the NMDA receptor. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2000; 267: 129-33.
52. Kimura H. Hydrogen sulfide as a neuromodulator. Mol. Neurobiol. 2002; 26: 13-19.
53. Tang G., Wu L., Wang R. Interaction of Hydrogen Sulfide with Ion Channels Clin. Experim. Pharm. Physiol. 2010; 37(7): 753-63.
54. Kaila K. Ionic basis of GABAA receptor channel function in the nervous system. Prog. Neurobiol. 1994; 42: 489-537.
55. Han Y., Qin J., Chang X. et al. Hydrogen sulfide may improve the hippocampal damage induced by recurrent febrile seizures in rats. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2005; 327: 431-36.
56. Bading H., Ginty D., Greenberg M. Regulation of gene expression in hippocampal neurons by distinct calcium signaling pathways. Science. 1993; 260: 181-6.
57. Dani J.W., Chernjavsky A., Smith S.J. Neuronal activity triggers calcium waves in hippocampal astrocyte networks. Neuron. 1992; 8; 429-40.
58. Parri H.R., Gould T.M., Crunelli V. Spontaneous astrocytic Ca2+ oscillations in situ drive NMDAR-mediated neuronal excitation. Nat. Neurosci. 2001; 4: 803-812.
59. Nagai Y., Tsugane M., Oka J., Kimura H. Hydrogen sulfide induces calcium waves in astrocytes. FASEB. 2004; 18: 557-9.
60. Garcia-Bereguiain M., Samhan-Arias A., Martin-Romero F., et al. Hydrogen sulfide raises cytosolic calcium in neurons through activation of L-type Ca2+ channels. Antioxid. Redox Signal. 2008; 10: 31-42.
61. Austgen J.R., Hermann G.E., Dantzler H.A. et al. Hydrogen Sulfide Augments Synaptic Neurotransmission in the Nucleus of the Solitary Tract. J. Neurophysiol. 2011; 106(4): 1822-32.
62. Kawabata A., Ishiki T., Nagasawa K. et al. Hydrogen sulfide as a novel nociceptive messenger. Pain. 2007; 132: 74-81.
63. Gutierrez-Martin Y., Martin-Romero F.J., Henao F., et al. Alteration of cytosolic free calcium homeostasis by SIN-1: High sensitivity of L-type Ca2 + channels to extracellular oxidative / nitrosative stress in cerebellar granule cells. J. Neurochem. 2005; 92: 973-89.
64. Kombian B., Reiffenstein R.J., Colmers F. The Actions of Hydrogen Sulfide on Dorsal Raphe Serotonergic Neurons In Vitro. J. Neurophysiol. 1993; 70(I): 81-96.
65. Chen L., Zhang J., Ding Y., Li H. et al. K(ATP) channels of parafacial respiratory group (pFRG) neurons are involved in H2S-mediated central inhibition of respiratory rhythm in medullary slices of neonatal rats. Brain Res. 2013; 1527: 141-8.
66. Sitdikova G.F., Fuchs R., Kainz V., et al. Phosphorylation of BK channels modulates the sensitivity to hydrogen sulfide (H2S). Front. Physiol. 2014; 5: 431.
67. Telezhkin V., Brazier S.P., Cayzac S. et al. Hydrogen sulfide inhibits human BK(Ca) channels. Adv. Exp. Med. Biol. 2009; 648: 65-72.
68. Hu, S., Xu, W., Miao, X. et al. Sensitization of sodium channels by cystathionine p-synthetase activation in colon sensory neurons in adult rats with neonatal maternal deprivation. Exper. Neurology. 2013; 248: 275-85.
69. Xu G.Y., Winston J.H., Shenoy M. et al. The endogenous hydrogen sulfide producing enzyme cystathionine-beta synthase contributes to visceral hypersensitivity in a rat model of irritable bowel syndrome. Mol. Pain. 2009; 5: 44.
70. Warenycia M., Smith K., Blashko C. et al. Monoamine oxidase inhibition as a sequel of hydrogen sulfide intoxication: increases in brain catecholamine and 5-hydroxytryptamine levels. Arch. Toxicol. 1989; 63: 131-136.
71. Roth S., Skrajny B., Reiffenstein R. Alteration of the morphology and neurochemistry of the developing mammalian nervous system by hydrogen sulfide. Clin. Exp. Pharmacol. Physiol. 1995; 2: 379-380.
72. Skrajny B., Hannah R., Roth S. Low concentrations of hydrogen sulfide alter monoamine levels in the developing rat central nervous system. Can. J. Physiol. Pharmacol. 1992; 70: 1515-18.
73. Вараксин А.А., Пущина Е.В. Значение сероводорода в регуляции функции органов. Тихоокеанский медицинский журнал. 2012; 2: 27-34.
74. Patacchini R., Santicioli P., Giuliani S. et al. Hydrogen sulfide (H2S) stimulates capsaicin-sensitive primary afferent neurons in the rat urinary bladder. Br. J. Pharmacol. 2004; 142: 31-34.
Гены & Клетки Том IX, № 3, 2014
40
Обзоры
75. LoPachin, R.M., Barbe D.S. Synaptic cysteine sulfhydryl groups as targets of electrophilic neurotoxicants. Toxic. sciences. 2006; 94(2): 240-255.
76. Partlo L., Sainsbury R., Roth S. Effects of repeated hydrogen sulfide (H2S) exposure on learning and memory in the adult rat. Neurotoxicology. 2001; 22: 177-89.
77. Solnyshkova T.B. Demyelination of nerve fibers in the central nervous system caused by chronic exposure to natural hydrogen sulfide-containing gas. Bull. of Experimental Biology and Medicine. 2003; 136: 328-32.
78. Kimura Y., Kimura H. Hydrogen sulfide protects neurons from oxidative stress. FASEB. 2004; 18(10); 1165-7.
79. Whiteman M., Cheung N., Zhu Y. et al. Hydrogen sulphide: a novel inhibitor of hypochlorous acid-mediated oxidative damage in the brain? Biochem. Biophy. Res. Commun. 2005; 326: 794-798.
80. Tan S., Schubert D., Maher P. Oxytosis: A novel form of programmed cell death. Curr. Top. Med. Chem. 2001; 1: 497-506.
81. Cheng-fang, Z., Xiao-quing T. Hydrogen Sulfide and nervous system regulation. Chinese medical journal. 2011; 124: 3576-82.
82. Kimura Y., Dargusch R., Schubert D. et al. Hydrogen sulfide protects HT neuronal cells from oxidative stress. Antioxid. Redox. Signal. 2006; 8: 661-670.
83. Vaux D.L., Korsmeyer S.J. Cell death in development. Cell. 1999; 96: 245-254.
84. Guang-Dong Y., Wang R. H2S and Cellular Proliferation and Apoptosis. Acta pharmacologica Sinica. 2007; 59(2): 133-40.
85. Qu K., Chen C.P., Halliwell B. et al. Hydrogen sulfide is a mediator of cerebral ischemic damage. Stroke. 2006; 37: 889-893.
86. Lowicka E., Beltowski J., Hydrogen sulfide (H2S) — the third gas of interest for pharmacologists. Pharmacol. Rep. 2007; 59: 4.
87. Wang, R. Two's company, three's a crowd: can H2S be the third endogenous gaseous transmitter? FASEB. 2002; 16:17921298.
88. Skovby F., Gaustadnes M., Mudd H. A revisit to the natural history of homocystinuria due to cystathionine beta-synthase deficiency, Mol. Gen. and Metabol. 2010; 99; 1-3.
89. Belardinelli M.C., Chabli A., Chadefaux-Vekemans B. et al. Urinary sulfur compounds in Down syndrome. Clin. Chem. 2001; 47: 1500-1.
90. Kamoun P. Endogenous production of hydrogen sulfide in mammals. Amino Acids. 2004; 26: 243-254.
Поступила: 19.08.2014
Гены & Клетки Том IX, № 3, 2014
