CC BY
274
УДК 577.352.465
Система кальциевой сигнализации при нейродегенерации
И.Б. Безпрозванный
Юго-Западный медицинский центр университета штата Техас, Даллас, Техас, США Институт цитологии РАН, 194064, Санкт-Петербург, Тихорецкий просп., 4 E-mail: [email protected]
реферат Нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера (БА), болезнь Паркинсона (БП), амиотропный латеральный склероз (АЛС), болезнь Хантингтона (БХ) и спинномозжечковые атаксии (СМА) представляют собой важнейшую проблему как с точки зрения фундаментальной науки, так и с позиций практической медицины. Несмотря на интенсивные исследования причин этих заболеваний, клинические исследования имеют очень скромный прогресс, и до сих пор не существует лечения ни для одного из них. Одной из основных преград к разработке методов лечения этих заболеваний является отсутствие ясного понимания их этиологии и патофизиологии. В данном обзоре приведено обсуждение результатов в поддержку «Кальциевой гипотезы нейродегенеративных заболеваний». Кальциевая гипотеза постулирует, что атрофические и дегенеративные процессы в нейронах больных БА, БП, АЛС, БХ, и СМА сопровождаются изменениями кальциевого гомеостаза. Более того, кальциевая гипотеза постулирует, что нарушения кальциевой сигнализации являются одним из ключевых и ранних процессов, приводящих к развитию патологии при этих заболеваниях. На основании обсужденных результатов делается вывод, что кальциевые каналы и другие белки, вовлеченные в нейрональную кальциевую сигнализацию, являются потенциальными белками-мишенями для разработки лекарственных препаратов для лечения БА, БП, АЛС, БХ, и СМА.
ключевые слова болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, амиотропный латеральный склероз, болезнь Хантингтона, спинномозжечковые атаксии, кальциевые каналы, кальциевая сигнализация, митохондрии, трансгенные мыши, клинические испытания, имаджинг, мемантин, димебон, рилузол.
список сокращений эндоплазматический ретикулум (ЭР), митохондриальный Ca2+ переносчик (MCU), болезнь Альцгеймера (БА), болезнь Паркинсона (БП), амиотропный латеральный склероз (АЛС), болезнь Хантингтона (БХ), спинномозжечковые атаксии (СМА), белок Хантингтина (Хтт), N-methyl-D-aspartate receptors NMDAR, срединные шипиковые нейроны (СШН), тетрабеназин (TBZ), наследственная болезнь Альцгеймера НБА, фос-фатидилсерина (PtdS).
Кальциевая сигнализация в нейронах связывает мембранную возбудимость и клеточные биологические функции [1]. Поскольку Са2+-каналы существуют на границе между «электрическим» и «сигнальным» мирами, они играют ключевую роль в различных аспектах нейрональной функции. Са2+-сигнализация необходима для кратковременной и долговременной синаптической пластичности. Из-за ее огромной важности нейроны используют многочисленные способы управления концентрацией внутриклеточного Са2+, чаще всего в пределах местных сигнальных микродоменов.
НЕЙРОНАЛЬНАЯ Са!+-СИШАЛИЗАЦИЯ
В нейрональную Са2+-сигнализацию вовлекается большое количество Са2+-каналов: потенциал-зависимые Са2+-каналы плазматической мембраны (VGCC), NMDA-рецепторы, АМРА-рецепторы, ТИР-каналы и депо-управляемые каналы. Высвобождение Са2+ из внутриклеточных депо эндоплазматического ретикулума (ЭР) осуществляется рецепторами инозитол-1,4,5-трисфосфата
(1^Р3И) и рианодиновыми рецепторами (ИуапИ). Помпа SERCA в ЭР, Са2+ помпа плазматической мембраны и Па+/Са2+ обменник плазматической мембраны контролируют концентрацию Са2+ в цитозоле в узком диапазоне значений. В формировании цитозольных Са2+-сигналов важную роль играют митохондрии. Митохондриальный Са2+-переносчик (МСи) является ионным каналом, который вовлекается в мощный и быстрый вход кальция в митохондрии. Большое количество Са2+-связывающих белков вовлечено в поддержание определенного уровня Са2+ в цитозоле (такие как кальбандин^28, кальретинин и парвальбумин) и в просвете ЭР (такие как кальретикулин и кальнексин) нейронов.
Поскольку нейроны чрезвычайно чувствительны к изменениям внутриклеточной концентрации Са2+, они используют целый ряд Са2+-зависимых структур, включая белки, вовлеченные в слияние синаптических пузырьков с пресинаптической мембраной (например, синаптотаг-мины), Са2+-зависимые киназы и фосфатазы (например, Са2+/СаМ киназа и Са2+-зависимая фосфатаза кальци-
Забол. Затронутые нейроны Возраст начала болезни Спор/ насл. Гены Препараты Мишень воздействия Эффект
БА Нейроны коры и гиппокампа > 65 95 % спор 5 % насл. APP PSEN1 PSEN2 Наменда (Мемантин) блокада NMDA- рецепторов, снижение токсичности Умеренные улучшения когнитивной функции
Донепезил (Арицепт), Галантамин (Разадин), Ривастигмин(Экселон) Ингибиторы ацетилхолинэсте-разы. Увеличение концентрации ацетилхолина в мозге Умеренные улучшения когнитивной функции
БП Допаминергичес-кие нейроны pars compacta черного вещества >65 95 % спор 5 % насл. Synucl LRRK2 Parkin PINK1 DJ-1 L-Dopa (Леводопа) Увеличение содержания допамина в нейронах черного вещества Симптоматическое облегчение
БАС Моторные нейроны 40-60 95 % спор 5 % насл. SOD1 Рилузол (Рилутек) Антиглутаматное действие (активатор захвата глутамата, блокада рецептора NMDAR и Па- каналов) Увеличивает продолжительность жизни на несколько месяцев
БХ Срединные шипи-ковые нейроны стриатума 40-50 100 % насл. Huntingtin Тетрабеназин (Ксеназин) Антидопаминовое действие (ингибитор VMAТ, снижает количество выделяемого допамина) Уменьшение хореи
СМА Различные области мозга, вовлеченные в контроль моторики 40-50 100 % насл. Ataxins Отсутствует Отсутствует Отсутствует
Таблица 1. Нейродегенеративные заболевания (Bezprozvanny, 2009)
нейрин), Са2+-зависимые сигнальные энзимы (например, Са2+-зависимые аденилат циклаза и Са2+-зависимая N0-синтаза) и Са2+-зависимые транскрипционные факторы (например, цАМФ-зависимый элемент-связывающий белок, кальцинейрин В-управляемый ядерный фактор активированных Т лимфоцитов и Са2+-связывающий нисходящий регуляторный элементарный модулятор). Такое многообразие Са2+-зависимых элементов обеспечивает возможность тонкой Са2+-зависимой регуляции нейрональных функций во временной шкале, варьирующей от микросекунд (как в случае с Са2+-зависимым слиянием синаптиче-ского пузырька с пресинаптической мембраной) до секунд и минут (как в случае с Са2+-зависимым фосфорилирова-нием и дефосфорилированием) и до дней и даже лет (как в случае с Са2+-зависимыми изменениями в нейрональной экспрессии генов). Эти Са2+-зависимые процессы ведут к кратковременным и долговременным изменениям возбудимости нейронов (посредством изменения активности ионных каналов и характера экспрессии) и к изменениям синаптической передачи (посредством модификации синаптической машинерии и облегчения формирования или разобщения синаптических связей). Вследствие чрезвычайной чувствительности нейронов к изменениям Са2+-сигналов даже сравнительно тонкие дефекты и нарушения Са2+-сигнализации могут со временем привести к разрушительным последствиям [2].
Са!+-БЛОКАЮРЫ И КОМБИНИРОВАННЫЙ ПОДХОД
к лечению нейродегенеративных нарушений
Нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера (БА), болезнь Паркинсона (БП), амиотропный латеральный склероз (АЛС), болезнь Хантингтона (БХ) и спинномозжечковые атаксии (СМА), представляют собой
важнейшую проблему как с точки зрения фундаментальной науки, так и с позиций практической медицины. Несмотря на интенсивные исследования причин этих заболеваний, клинические исследования имеют очень скромный прогресс, и до сих пор не существует лечения ни для одного из них. Лекарственные препараты, используемые для коррекции указанных нарушений, имеют ограниченный эффект, принося только временное облегчение в проявлении симптомов болезни или несколько задерживая процесс развития заболевания (табл. 1). Основной прогресс в понимании этих нарушений был связан с установлением мутаций, вызывающих патологические процессы. БХ и СМА являются типичными генетическими нарушениями, и гены, ответственные за развитие этих заболеваний, были клонированы 15 лет назад (табл. 1). Большинство случаев БА, БП и АЛС являются спорадическими, но примерно у 5 % пациентов болезнь обусловлена наследственными причинами. Большая часть генов, ответственных за развитие наследственных форм этих заболеваний, клонирована (табл. 1). Изучение генов, вызывающих указанные болезни, позволило сформулировать механистическую гипотезу развития патологических процессов и создать мышиную модель для исследования этих патологий.
Львиная доля попыток изучения указанных патологий сфокусирована на определении основных причин рассматриваемых заболеваний и на развитии путей воздействия на них. Например, основной причиной развития БА считалось накопление амилоида. Поэтому основные усилия исследователей были направлены на предотвращение аккумуляции амилоида путем блокирования его продукции или путем облегчения его вывода из головного мозга. В случае с БХ главной причиной заболевания является экспрессия мутантной формы белка хантингтина (Хтт).
Соответственно, основные усилия экспериментаторов в данном случае были направлены на попытки снижения экспрессии мутантного Хтт в головном мозге (например, применяя интерференцию антисмысловой РНК или нокдаун). Несмотря на блестящие научные результаты, эти подходы очень трудно перенести в клинику. Так, в случае с БА, клинические испытания амилоид-связывающего соединения трамипросата (Альцгемед) и ингибитора у-секретазы таренфлурбила (Флуризан) потерпели неудачу. А клинические испытания амилоид-связывающих моноклональных антител (Бапинеузумаб) имели очень ограниченный эффект. Для клинических испытаний подходов в лечении БХ узким местом является создание адекватной системы доставки иРНК или антисмысловой последовательности РНК в головной мозг человека. Пока нет решения этой проблемы, данные клинические испытания не могут быть начаты.
В то время как фокусирование внимания на амилоиде и мутантном Хтт имеет смысл для развития подходов в лечении БА и БХ, следует отметить, что информация, накопленная к настоящему времени, указывает на то, что это очень трудные цели для воздействия, а разработка успешной терапии, основанной на этих подходах, займет значительное время и потребует больших усилий. Вдобавок к развитию методов лечения мы можем предложить терапию, которая позволит отложить возраст проявления симптомов и/или снизит степень проявления заболевания. В данном обзоре мне хотелось бы сфокусировать внимание на идее о том, что белки, вовлеченные в кальциевую сигнализацию в нейронах, представляют собой притягательную цель для развития терапии «отсрочки начала болезни» для нейродегенеративных патологий. Мы считаем, что в клинике наиболее перспективным будет использование комбинации определенных для каждой болезни терапевтических подходов (таких как «амилоид-направленная» терапия при БА или «хантингтин-направленная» терапия при БХ) и блокаторов Са2+.
НЕЙРОНАЛЬНАЯ Ca2+-СИШАЛИЗАЦИЯ И СТАРЕНИЕ
Наши нейроны одного с нами возраста. Поэтому не удивительно, что риск развития нейродегенеративных заболеваний увеличивается с возрастом (табл. 1). Сравнительные исследования нейронов молодых и старых грызунов показали, что нейрональный аппарат Са2+-сигнализации подвергается значительным возрастным изменениям. Этот предмет интенсивно освещался в научной печати [2]. Недавно была предложена интегральная модель зависимых от возраста изменений в обороте гиппокампального Са2+ [3]. Основным свойством стареющих нейронов является увеличение концентрации Са2+ через усиление высвобождения Са2+ из внутриклеточных депо через 1тР3И и ИуапИ, усиление входа Са2+ через VGCC L-типа, увеличение медленной следовой гиперполяризации вследствие активации Са2+-зависимых К+ каналов, уменьшение вклада NMDAR-опосредованного входа Са2+, уменьшение буферной способности цитозоля и активация кальцинейрина и кальпаинов. Такие изменения в нейрональной Са2+-динамике приводят к усилению восприимчивости к индукции долгосрочной депрессии и к увеличению пороговой частоты для запуска долгосрочной потенциации в стареющих нейронах [4]. Ра-
нее обсуждалось значение этих изменений для возрастных нарушений функций памяти [4].
Механизмы, ответственные за возрастные изменения в нейрональной Са2+-сигнализации, до сих пор до конца не понятны. Одно из возможных объяснений связано с возрастными дефектами в митохондриальной функции из-за совокупного окислительного повреждения митохондрий. Митохондрии стареющих нейронов деполяризованы и менее эффективно способны управлять входом Са2+ [2]. Были обнаружены возрастные изменения транскрипции генов белков Са2+-сигнализации [2]. Некоторые из этих изменений напрямую зависят от процесса старения, некоторые являются компенсаторными, но в целом картина согласуется с наличием возрастных изменений в нейрональной Са2+-сигнализации на самых разных уровнях.
НЕИРОНАЛЬНАЯ Ca!+-СИШАЛИЗАЦИЯ
и болезнь хантингтона
Болезнь Хантингтона (БХ) - это генетическое нарушение, которое вызывается одиночной мутацией: увеличение CAG (полиглутаминового) повтора в гене хантингтина (Хтт) [5] (табл. 1). Больше всего при БХ повреждаются срединные шипиковые нейроны (СШН) стриатума. Большинство исследователей согласны с мнением о том, что мутантный белок Хттехр приобретает «новую токсическую функцию» [6]. Дестабилизация нейрональной Са2+-сигнализации является одной из токсических функций белка Хттехр. Исследования мозга пациентов с БХ, а также модельные эксперименты на мышах показали, что в мозгу происходят последовательные изменения уровней экспрессии белков Са2+-сигнализации [7]. Нами была предложена «Кальциевая гипотеза БХ» [8].
Существует несколько основных путей влияния Хттехр на Са2+-сигнализацию в СШН (рис. 1). В нашей лаборатории установлено, что Хттехр напрямую и специфично связывается с С-концом InsP3R1 [9]. Ассоциация Хттехр с InsP3R1 была независимо от нас подтверждена [10]. Связывание с Хттехр увеличивает аффинность InsP3R1 к InsP3 [9]. Ключевое значение активации InsP3R1 для нейротоксичности Хттехр было подтверждено в экспериментах на культуре СШН мышей, служивших моделью БХ [11, 12], а также в генетических экспериментах на модели БХ, на основе Drosophila [10]. Мы показали, что вирусная доставка пептида, который разрушает связь между Хттехр и InsP3R1, оказывает защитное действие на СШН стриатума в модели БХ на основе мышей в условиях in vitro и in vivo [13]. Эти данные подтверждают значение усиления активности In-sP3R1 в патогенезе БХ.
Экспрессия Хттехр вызывает усиление активности ЫГ2В-содержащего NMDA-рецептора [14]. Увеличение токов через NMDA-рецептор является следствием действия Хттехр на транспорт NMDA-рецептора к плазматической мембране [15]. СШН стриатума, экспрессирующие Хттехр, чувствительны к NMDAR-опосредованной токсичности. Фармакологическое ингибирование NMDA-рецептора оказывает нейропротективный эффект на культуры СШН мышей - моделей БХ [11, 16]. И мемантин, и рилузол в наших исследованиях оказывали нейропротективное действие на культуры СШН с БХ. Причем мемантин был более эффективным [17]. Мемантин продемонстрировал некото-
рые благоприятные эффекты в рамках мелкомасштабной экспериментальной оценки этого препарата у пациентов с БХ [18], и скоро он будет проходить четвертую фазу клинических испытаний терапии БХ (табл. 2). Рилузол прошел третью фазу клинических испытаний на больных БХ, но это исследование не было успешным [19] (табл. 2).
В дополнение к 1^Р3П и NMDA-рецептору, Хттехр также способен воздействовать на функцию потенциал-зависимых Са2+-каналов (VGCC). Хантингтин напрямую связывается с а2/б вспомогательной субъединицей VGCC [10] и с Сау2.2 порообразующей субъединицей VGCC П-типа [20]. Генетическое удаление Dmca1D (по-роформирующей субъединицы кальциевого канала L-типа Drosophila) снижает нейродегенерацию фоторецептора у плодовых мушек-моделей БХ [21]. Электрофизиологический анализ нейронов стриатума мышей-моделей БХ выявил первоначальное увеличение плотности VGCC каналов, которое затем сменялось снижением их плотности [22].
Как и в случае с другими нейродегенеративными нарушениями, механизм токсичности Са2+ при БХ вероятнее всего опосредуется активацией кальпаинов и избыточным накоплением Са2+ в митохондриях (рис. 1). Активация каль-паинов наблюдается и при БХ, а кальпаин-опосредованное расщепление Хттехр и NMDA-рецептора играет ключевую роль в патологии этого заболевания [23-25]. Множество данных также указывает на дисфункцию митохондрий при БХ [26]. Митохондрии, изолированные из лимфобла-стов пациентов с БХ и из мозга трансгенных БХ мышей, демонстрировали ярко выраженные дефекты кальциевой регуляции [27]. Митохондриальная функция была нарушена и в клеточных моделях БХ [11, 12, 16, 28]. В дополнение к действию на митохондрии, проистекающему из влияния на последние чрезмерной концентрации цитозольного Са2+, Хттехр также может оказывать влияние на эти органеллы посредством прямого связывания с их наружной мембраной [27] (рис. 1). Необходимо отметить, что клинически адекватные ингибиторы проницаемости мембраны митохондрии демонстрировали нейропротективный эффект как на клеточных моделях БХ, так и на животных моделях этого заболевания [11, 28].
Первым лекарственным препаратом, одобренным в 2008 г. в США для лечения БХ, явился антагонист до-памина тетрабеназин (ТBZ) (табл. 1). ТBZ - это мощный ингибитор везикулярного транспортера моноаминов, который вызывает опустошение допаминового содержимого из пресинаптических везикул. В клинических испытаниях установлено, что ТBZ достоверно снижал симптомы хореи у пациентов с БХ [29]. Наша лаборатория исследовала эффекты ТBZ на мышах - моделях БХ. Показано, что воздействие этого препарата на ранних стадиях развития болезни снимает дефицит моторной координации и защищает нейроны стриатума от дегенерации [30]. Было сделано заключение о том, что допамин и глутамат действуют синергично для формирования Са2+-сигналов в нейронах стриатума и что нейропротективные эффекты ТBZ могут быть объяснены снижением Са2+-сигнализации [30]. (рис. 1). Эти факты подтверждают, что ТBZ может использоваться не только как препарат для симптоматического лечения на поздних стадиях заболевания, но и как препарат для предсимптом-ной терапии. Однако у некоторых пациентов ТBZ вызывал
сильную депрессию [29], поэтому необходим поиск других антагонистов допамина в качестве альтернативы ТBZ. Например, допамин-специфичный ингибитор везикулярного транспортера моноаминов или блокаторы D1 и D2 рецепторов.
НЕЙРоНАльНАЯ Ca!+-СИШАЛИЗАЦИЯ
и спинномозжечковые атаксии
Как и в случае с БХ, спинномозжечковые атаксии (СМА) являются аутосомальными доминантными генетическими нарушениями, которые вызываются увеличением полиглу-таминовой последовательности в белках атаксинах (Atx) [5]. Существует целый ряд свидетельств того, что нарушение нейрональной Са2+-сигнализации может вносить свой вклад в патогенез этих заболеваний. Некоторые из этих данных приведены ниже.
Рис. 1. Модель Ca2+ дисрегуляции при БХ (цит. по [30]). В СШН при БХ Хтте11р нарушает Ca2+-сигнализацию посредством 3 синергичных механизмов. Хтт"4' усиливает функцию NR2B-содержащего NMDA-рецептора (наиболее вероятно, путем увеличения его транспорта в плазматическую мембрану). Хтт"4р прочно связывается с С-концом и увеличивает его сродство к ^Р3. Низкие уровни глутамата, выделяемого из нейронов кортикостриатальной проекции, вызывают избыточный вход Са2+ через рецептор NMDA и высвобождение Са2+ из ЭР через Добавочный вход Са2+ в СШН опосредует-
ся VGCC. Допамин, выделяемый допаминергическими нейронами среднего мозга, стимулирует рецепторы допамина 1-го фШ) и 2-го (D2R) типа, которые обильно экспрессируются в СШН. D1R связан с аденилат циклазой, они увеличивают уровень цАМФ и активируют протеин киназу А (ПКА). ПКА усиливает глутамат-индуцированные Са2+-сигналы посредством увеличения активности NMDA-рецептора и D2R напрямую связан с продукцией и активацией
Чрезмерный вход Са2+ активирует кальпаин, который расщепляет Хтт"4р и другие субстраты. Избыток Са2+ в цитозоле приводит к захвату Са2+ митохондриями через МСи, что, в свою очередь, запускает открытие мПТП и апоптоз. Кальциевая регуляция митохондрий продолжает нарушаться вследствие прямой связи Хтт"4' с митохондрией. Для симптоматичного лечения БХ в США был одобрен антидопаминовый агент тетрабеназин (TBZ). Проходят клинические испытания антагонист NMDA-рецептора мемантин (ММТ), растворимый «митохондриальный агент» димебон фтеЬоп) и «стабилизаторы митохондрий» креатин и коэнзим Q10 (CoQ10). Антиглутаматный агент рилузол прошел клинические ис-
следования, но оказался неподходящим для терпаии БХ [19]
Таблица 2. Последние клинические испытания Ca2+-ингибиторов и стабилизаторов митохондрий при нейродегенеративных нарушениях
Нарушение Препарат Мишень Стадия клинических испытаний ID клинических испытаний Информация предоставлена Статус/ комментарии
БА Димебон (Dimebon) митохондрия (?) Фаза III NCT00675623 Medivation Закончен, неудачный http://www.alzforum.org/new/ detail.asp?id=2387
Кетасин (Ketasyn (AC-1202)) митохондрия Фаза II NCT00142805 NIA Закончен
MEM-1003 VGCC L-типа Фаза II NCT00257673 Memory Pharmaceuticals Закончен
EVT-101 NR2B NMDA-рецептор Фаза I NCT00526968 Evotec Neurosciences Закончен, фаза II планируется
HD Димебон (Dimebon) митохондрия (?) Фаза II NCT00497159 Medivation Закончен, слабый эффект на когнитивную функцию
Креатин (Creatine) митохондрия Фаза III NCT00712426 MGH Набор испытуемых
Коэнзим Q10 (CoQ10) митохондрия Фаза III NCT00608881 NINDS Набор испытуемых
Мемантин (Memantine) NMDA-рецептор Фаза IV NCT00652457 UCSD Набор испытуемых
Рилузол (Riluzole) антиглутаматный Фаза III NCT00277602 Sanofi-Aventis Закончен, неудачный [19]
При СМА1 дегенерация клеток Пуркинье мозжечка вызывается увеличением CAG повторов в цитозольном/ ядерном белке атаксине-1 [5]. Клетки Пуркинье мозжечка экспрессируют чрезвычайно высокие уровни белков Са2+-сигнализации и Са2+-связывающих белков. Снижение уровня Са2+-связывающих белков в клетках Пуркинье отмечалось у пациентов на ранних стадиях развития СМА1 и у мышей - моделей этого заболевания [31]. Скрещивание трансгенных СМА1 мышей с мышами, у которых был нокаутирован кальбандин, приводило к усилению фенотипа заболевания [31]. На модели трансгенных СМА1 мышей на ранних этапах развития заболевания было показано снижение экспрессии некоторых белков Са2+-сигнализации, таких как InsP3R1, Са2+-канала TRPC3 и помпы ЭР SERCA2 [32]. Хотя и косвенно, эти данные подтверждают тот факт, что нарушения кальциевой сигнализации в клетках Пурки-нье, вероятно, играют ключевую роль в развитии СМА1.
При СМА2 клетки Пуркинье мозжечка подвергаются дегенерации вследствие увеличения CAG повторов в цитозольном белке атаксине-2 [5]. Генетическая связь между полиморфизмом последовательности, кодирующей VGCC P/Q-типа и возрастом проявления первых симптомов у пациентов с СМА2 подтверждает, что Са2+-сигнализация играет немаловажную роль в патогенезе этого заболевания [33]. В нашей лаборатории установлено, что мутантная форма атаксина-2 специфично связывает и активирует InsP3R1, подобно тому как это имеет место с мутантной формой белка Хантингтина (в печати). Нами также показано, что ингибиторы Са2+-сигнализации при СМА2 защищают клетки Пуркинье от клеточной смерти в условиях in vitro и оказывают достоверный положительный эффект в исследованиях с использованием трансгенных СМА2 мышей (в печати).
При СМА3 нейроны черного вещества и ядер моста подвергаются дегенерации в результате увеличения CAG повторов в цитозольном белке атаксине-3 [5]. Кальпаин-опосредованное расщепление атаксина-3 играет важную
роль в патогенезе СМА3 [34]. Недавно нами было показано, что мутантная форма атаксина-3 специфично связывается и активирует 1газР3И, подобно тому как это имеет место с му-тантной формой белка Хантингтина [35]. В дальнейшем было установлено, что долговременное скармливание трансгенным мышам с СМА3 ингибитора ИуапИ и Са2+-стабилизатора дантролена облегчает возраст-зависимый дефицит моторной координации у этих мышей и предотвращает потерю нейронов в черном веществе и ядрах моста [35].
При СМА6 клетки Пуркинье мозжечка подвергаются дегенерации вследствие увеличения CAG повторов в С-конце Сау2.1 пороформирующей субъединицы Са2+-канала Р^-типа [5]. Сообщалось, что эта мутация увеличивает активность Са2+-канала Р^-типа в экспрессионной системе [36]. Однако последние исследования, проведенные на мышах со СМА6, показали, что эта патология может быть связана и с агрегацией Сау2.1 субъединиц и со снижением плотности Са2+-токов через каналы Р^-типа в дендритах [37]. Таким образом, вопрос о точной роли нарушения Са2+-сигнализации при СМА6 остается открытым.
Аномальная нейрональная Са2+-сигнализация не ограничивается только атаксиями с увеличением полиглутамино-вых повторов, но также может играть немаловажную роль и в атаксиях другого типа. Так, последние генетические исследования показали, что причиной СМА15 является потеря фрагмента гена, кодирующего 1^Р3И1 [38].
нейрональная ca2+-сишализация и болезнь альцгеймера
Болезнь Альцгеймера (БА) - это нейродегенеративное нарушение, приводящее к потере памяти. В большинстве случаев БА является спорадической и характеризуется поздним проявлением симптомов (старше 60 лет). Небольшая часть от всех случаев этого заболевания (наследственная БА, НБА) характеризуется ранним проявлением симптомов и генетическим наследованием.
НЕЙРоНАЛЬНАЯ Са2+-СИГНАЛИЗАЦИЯ
и спорадическая БА
Спорадическая БА является «многоцелевым» нарушением, которое вызывается совместным действием нескольких патологических факторов. Одним из таких факторов является старение. Другие факторы определяются популяциями нейронов, которые поражаются при этом заболевании - в данном случае это кортикальные и гиппо-кампальные нейроны. Основным «болезнь-специфичным» фактором при БА, вероятно, является накопление амилоидных агрегатов. Из-за того, что данное заболевание является «многоцелевым», успех в его лечении может быть достигнут только с применением комплексной терапии.
Популяции нейронов, в которых экспрессируются высокие уровни Са2+-связывающих белков, остаются относительно незатронутыми БА, в то время как популяции нейронов с низким уровнем экспрессии этих белков поражаются при этом заболевании в значительной степени. Снижение уровня Са2+-связывающих белков в нейронах - одно из обычных последствий естественного процесса старения. Вероятно, одна из причин, приводящих к повышенной уязвимости нейронов стареющего организма к БА, - это снижение буферной емкости цитозоля нейронов к ионам Са2+.
В нейронах престарелых больных, страдающих спорадической формой БА, наблюдается активация Са2+-зависимых протеаз семейства кальпаина. Активация кальпаинов происходит в ответ на повышение уровня Са2+ в цитозоле. Активированные кальпаины расщепляют разнообразные белки, необходимые для нормального функционирования нейрона, что приводит к нейрональной дисфункции и клеточной гибели.
В нейронах пациентов с БА также серьезно поражаются митохондрии. Эти органеллы частично деполяризуются, в них снижается способность связывать Са2+, нарушается стехиометрия компонентов цепи передачи электронов, мутирует митохондриальная ДНК. Сходные, но менее выраженные изменения происходят и в митохондриях нейронов при естественном процессе старения. Повреждение митохондрий, вероятно, вызывается переполнением этой органеллы Са2+, что приводит к образованию больших количеств активных форм кислорода и к оксидативному повреждению митохондриальной ДНК. Таким образом, митохондрии, судя по всему, находятся на самых последних ступенях Са2+-сигнализации в патогенном каскаде. Тем не менее ожидается, что «стабилизаторы митохондрий» (такие как коэнзим Q10 и креатин) должны оказывать некоторое благоприятное действие при этих нарушениях. Препараты, направленные на митохондриальную проницаемую транзитную пору (мПТП), должны быть также чрезвычайно ценными как «последняя линия защиты» нейрона, откладывающая во времени развитие нейрональной дисфункции и клеточной смерти.
Процесс старения оказывает воздействие на нейро-нальную Са2+-сигнализацию и, по всей видимости, является одним из факторов, вовлекаемых в патогенез спорадической формы БА. Так, ожидается, что блокаторы Са2+-сигнализации могут оказывать благотворное действие при данном заболевании. Антагонист NMDA-рецептора мемантин показал некоторую клиническую эффектив-
ность при БА. Для лечения этого заболевания требуются разработка и клинические испытания новых дополнительных блокаторов Са2+-сигнализации как самих по себе, так и как части комплексной терапии наряду со «стабилизаторами митохондрий» и ингибиторами мПТП.
НЕЙРОНАЛЬНАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ И НАСЛЕДСТВЕННАЯ БОЛЕЗНЬ АЛЬЦГЕЙМЕРА. КАЛЬЦИЕВАЯ ГИПОТЕЗА ПАТОГЕНЕЗА БА
Основной идеей в объяснении развития БА является «амилоидная гипотеза», которая постулирует, что основной причиной гибели нейронов и снижения числа синапсов при этой болезни является увеличение продукции амилоидного пептида AP42 (или увеличение соотношения AP42/40) [39]. Экспериментальное обоснование «амилоидной гипотезы» исходит из того, что: (1) аккумуляция амилоидных бляшек наблюдается в головном мозге пациентов с БА; (2) наследственная форма БА (НБА) обусловлена точечными мутациями в белке-предшественнике Р-амилоида AP (АРР); (3) НБА также обусловлена точечными мутациями в пресенилинах, которые формируют каталитическую субъединицу у-секретазы, фермента, расщепляющего АРР. В настоящее время «амилоид-направленная» терапия является центральной в разработке лекарственных препаратов для лечения БА. Последние клинические испытания показали, что необходимо искать новые цели для лекарственного воздействия при терапии БА помимо амилоида [40]. Большое количество данных указывает на то, что важную роль в развитии БА играет нарушение гомеостаза Са2+ в нейронах. В последнее время активно обсуждались аргументы в пользу «кальциевой гипотезы» развития БА [41]. Эта гипотеза будет рассмотрена ниже.
Одна из ключевых взаимосвязей между патогенезом БА и Са2+ проистекает из данных о том, что олигомеры AP могут формировать Са2+-проницаемые каналы в мембранах [42]. Способность олигомеров AP ассоциироваться с мембранами усиливается при появлении на поверхности мембраны фосфатидилсерина (PtdS) [43], что обычно является показателем клетки, находящейся в условиях дефицита энергии. Возрастные изменения в митохондриях могут увеличивать уровень поверхностных PtdS в нейронах и таким образом провоцировать в них AP-опосредованное формирование пор, вход Са2+ и клеточную смерть (рис. 2). Действительно, нейроны со сниженным уровнем АТФ в цитозоле и увеличенным уровнем PtdS особенно уязвимы для AP-опосредованной токсичности [44]. Способность олигомеров AP формировать Са2+-проницаемые каналы в плазматической мембране нейронов согласуется с результатами последних экспериментов по определению внутриклеточной концентрации Са2+ в условиях in vivo, проведенных на трансгенных АРР мышах [45]. Авторами этого исследования было установлено, что уровни Са2+ примерно в 35 % нейритов, расположенных в непосредственной близости к амилоидным бляшкам, были достоверно выше, чем в контрольных клетках. Наиболее вероятное объяснение этого факта состоит в том, что высокая локальная концентрация олигомеров AP в области, прилегающей к амилоидной бляшке, вызывает формирование Са2+-проницаемых ионных каналов в плазматической мембране нейронов. Аксоны с увеличенным уровнем Са2+ утрачивают шипики и демон-
стрируют нарушение морфологии [45]. Морфологическое изменение в этих аксонах может быть уменьшено при действии ингибитора кальцинейрина ЕК-506 [45]. На основании этого можно предположить, что кальцинейрин играет важную роль в патологическом ответе нейронов на повышение уровня Са2+. Наряду с прямыми эффектами на проницаемость плазматической мембраны для Са2+ олигомеры АР также оказывают воздействие на нейрональный Са2+ гомеостаз посредством модулирования активности NMDA-рецептора [46, 47] (рис. 2), АМРА-рецептора [48] и Р^-типов VGCC [49].
Другая важная взаимосвязь между Са2+-сигнализацией и БА была выявлена из того факта, что многие мутации пресенилинов при НБА приводят к нарушениям Са2+-сигнализации. Первоначально связь между пресени-линами и Са2+-сигнализацией была установлена, когда появилось сообщение о том, что фибробласты пациентов с НБА выделяют сверхнормальные количества Са2+ в ответ на действие 1^Р3 [50]. Сходные данные были получены в экспериментах на клетках, экспрессирующих мутантные пресенилины, характерные для БА [51], и на кортикальных нейронах мышей, экспрессирующих мутантную форму пресенилинов, характерную для НБА [52, 53]. Для объяснения этих результатов было выдвинуто предположение о том, что мутантные формы пресенилинов воздействуют на депо-управляемый вход Са2+ [54, 55], увеличивают активность и/или экспрессию внутриклеточных Са2+ ионных каналов, таких как ИуапИ [53, 56, 57] и 1тР3И [58, 59], или модулируют функцию Са2+-помпы SERCA в ЭР [60]. В нашей лаборатории установлено, что пресенилины сами по себе работают как каналы утечки Са2+ из ЭР и что многие мутации пресенилинов при НБА ведут к утрате этой функции канала утечки Са2+, что вызывает переполнение ЭР Са2+ и чрезмерное высвобождение Са2+ из ЭР [61, 62]. Несмотря на отличия в деталях предложенных механизмов, большинство представленных исследований согласуются в том, что многие мутации пресенилинов при НБА приводят к избыточному высвобождению Са2+ из ЭР через 1тР3И и ИуапИ.
Существует несколько особенно токсичных эффектов входа Са2+ через АР каналы и чрезмерного высвобождения Са2+ из ЭР. Как указывалось выше, повышенный уровень ци-тозольного Са2+ может вызывать активацию кальцинейрина и атрофию [45] (рис. 2). Чрезмерно высокий уровень Са2+ также активирует кальпаины, которые разрушают сигнальные энзимы, вовлекаемые в процессы обучения и памяти [25, 63] (рис. 2). Старые нейроны становятся чувствительными к токсичности цитозольного Са2+, поскольку с возрастом буферная способность цитозоля снижается. Действительно, обнаружена четкая корреляция между снижением экспрессии Са2+-связывающих белков в районе зубчатой извилины гиппокампа и проявлением когнитивных нарушений при БА [64]. Сверхнормальные цитозольные Са2+-сигналы могут вызывать чрезмерный вход Са2+ в митохондрии и приводить к апоптозу клетки (рис. 2). Известные благоприятные воздействия нестероидных противовоспалительных препаратов могут быть связаны со способностью этих лекарств уменьшать митохондриальный захват Са2+ [65].
В заключение необходимо отметить, что большое количество экспериментальных данных указывает на избыточ-
ное содержание Са2+ в цитозоле нейронов вследствие накопления олигомеров АР или экспрессии мутантных форм пресенилинов, характерных для НБА. Дальнейшее подтверждение связи между Са2+-сигнализацией и БА было получено из недавнего сообщения о том, что мутация в новом канале входа Са2+ CALHM1 может увеличивать риск
АРР Р —* Ap олигомеры Ca2+ PtdS PtdS
ПМ y — 1 кл к
D 7 1 г
Глутамат Ca2+ / V
Митохондрия
Кетацин | [дймёбон] —
АТФ I
/ ( Ca2 MCU ж-'
II mG^/S Ц
Г* И • II
/ Г
t
Апоптоз
InsPRI ',Ca2+
PS Jj АТФ
АДФ
\ /
БА
Рис. 2. Модель Ca2+-дисрегуляции при БА (цит. по [41]). Последовательное расщепление белка-предшественника р-амилоида (APP) p-секретазой (в) и Y-секретазой (y) приводит к образованию Ap. Ар формирует олигомеры, которые могут встраиваться в плазматическую мембрану (ПМ) и формировать Ca2+-проницаемые поры. Ассоциация олигомеров Ар с плазматической мембраной усиливается посредством связывания с поверхностным фосфатидилсери-ном (PtdS); процесс старения и Ca^-опосредованное повреждение митохондрий приводят к уменьшению содержания АТФ и могут запускать перемещение PtdS со внутренней поверхности плазматической мембраны на ее внешнюю поверхность. Снижение уровня АТФ и потеря целостности мембраны ведут к деполяризации мембраны, что, в свою очередь, вызывает усиление входа Ca2+ через NMDA рецепторы и VGCC. Олигомеры Ар также могут напрямую воздействовать на аффинность NMDA-рецептора, AMPA-рецептора и VGCC. Глутамат вызывает активацию рецепторов mGluR1/5, продукцию InsP3 и InsPj-опосредованное высвобождение Ca2+ из ЭР. Пресенилины (PS) функционируют как каналы утечки Ca2+ из ЭР, и многие мутации при НБА нарушают функцию пресенилинов как каналов утечки Ca2+. Последнее приводит к чрезмерному накоплению Ca2+ в ЭР. Увеличение уровня Ca2+ в ЭР приводит к усилению его выброса через рецептор InsP3 первого типа (InsP3R1) и рианоди-новый рецептор второго типа (RyanR2). PS также могут напрямую модулировать активность InsP3R, RyanR и помпы SERCA. Увеличение концентрации цитозольного Ca2+ ведет к активации кальцинейрина и кальпаинов, что усиливает долгосрочную депрессию (ДСД), подавляет долгосрочную потенциацию (ДСП), приводит к модификации нейронального цитоскелета, потере синапсов и атрофии аксонов. Чрезмерно высокий уровень Ca2+ в митохондриях, возникший вследствие работы митохондриального Ca^-переносчика (MCU), в конечном итоге приводит к открытию митохондриальной проницаемой транзитной поры (мПТП) и апоптозу. Для лечения БА был одобрен ингибитор NMDA-рецептора мемантин (MMT), и недавно разработан NR2B-специфичный антагонист EVT-101. Сейчас проходят клинические испытания следующие препараты для терапии БА: «оптимизированный для ЦНС» ингибитор VGCC L-типа MEM-1003, возможный «митохондриальный агент» Димебон (Dimebon) и «митохондриальный витамин» Кетацин (Ketasyn)
VGCC
позднего развития БА [66] (но см. также [67]). Предложенная модель (рис. 2) предлагает целый ряд потенциальных мишеней для терапии БА. Образованные AP Са2+-каналы сами по себе являются чрезвычайно привлекательной мишенью для воздействия [68]. Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США для лечения БА уже одобрен мемантин - неконкурентный ингибитор NMDA-рецептора (табл. 1). Могут быть разработаны потенциально более специфичные ингибиторы NMDA-рецептора, такие как нитромемантины [69]. В последнее время компанией Evotec Inc для терапии БА разработан ПИ2В-специфичный антагонист EVT101 (табл. 2). Ингибитор VGCC L-типа MEM-1003 (Memory Pharmaceuticals) прошел вторую фазу клинических испытаний (табл. 2). Другие потенциальные и в основном неисследованные мишени для терапии БА включают в себя: внутриклеточные Са2+-каналы (RyanR и InsP3R), помпу SERCA, кальцинейрин и митохондриаль-ную систему регулирования ca2+.
Представленные данные позволяют по-новому взглянуть на терапию нейродегенеративных патологий. Предложенная нами Ca2+-гипотеза закладывает основу для разработки новых классов препаратов.
Са!+-СИШАЛИЗАЦИЯ: ТЕКУЩИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ ТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО ПРИЛОЖЕНИЯ
Митохондриальные стабилизаторы и антидепрессанты.
Кетасин (Ketasyn), креатин, коэнзим Q10 (CoQ10) и MitoQ прошли клинические испытания на БА и БХ. Поскольку митохондрии играют ключевую роль в патогенезе указанных заболеваний [70], от этих клинических испытаний ожидались некоторые благотворные эффекты. Однако митохондрии задействуются в патологическом процессе на довольно поздних стадиях, и эффекты этих препаратов, вероятно, будут ограниченными. Действительно, согласно имеющимся сообщениям в данном классе соединений обнаружены весьма скромные эффекты при терапии нейро-дегенеративных нарушений [70].
Димебон (Dimebon). Димебон (Medivation Inc) показал обещающие результаты (основанные на результатах когнитивных исследований больных) на второй фазе клинических испытаний терапии БА [71]. Димебон также прошел вторую фазу клинических испытаний терапии БХ, в результате которой наблюдался слабый эффект на мозговую деятельность пациентов (Kieburtz K., McDermott M.P., Voss T.S., Corey-Bloom J., Deuel L.M., Dorsey E.R., Factor S., Geschwind M.D., Hodgeman K., Kay-son E., Noonberg S., Pourfar M., Rabinowitz K., Ravina B.,
Sanchez-Ramos J., Seely L., Walker F., Feigin A.; and the Dimebon in Subjects with Huntington Disease (DIMOND) Investigators of the Huntington Study Group. A randomized, placebo-controlled trial of latrepirdine in Huntington Disease. Arch Neurol. 2010 Feb;67(2):154-60). Димебон - давно известный в России антигистаминный препарат, который, как сообщалось, обладает нейропротективным действием в пикомолярных концентрациях посредством нового механизма действия на митохондрии [72]. Однако в наших исследованиях на культуре срединных шипи-ковых нейронов стриатума мы наблюдали достоверный нейропротективный эффект Димебона в концентрации 50 мкМ [73]. Мы заключили, что когнитивное действие Ди-мебона, отмеченное в клинических испытаниях при терапии БА [71], вероятно обусловлено способностью этого соединения ингибировать а-адренергические, гиста-миновые и серотониновые высокоаффинные рецепторы [73]. В марте 2010 г. третья фаза клинических испытаний Димебона для терапии БА закончилась полной неудачей (http://www.alzforum.org/new/detail.asp?id=2387). В настоящий момент неясно, будет ли продолжена разработка Димебона для лечения БА и БХ.
Антагонисты NMDA-рецептора. Мемантин (Meman-tine) - неконкурентный антагонист NMDA-рецептора, который одобрен FDA для терапии БА. Мемантин также проходит клинические испытания при БХ. Для лечения БА был разработан ПГ2В-специфичный антагонист EVT101 и EVT103 (Evotec Inc), и вскоре ожидается вторая фаза клинических испытаний этих препаратов. Эти же соединения представляют большой интерес с точки зрения терапии БХ.
Рилузол (Riluzole). Антиглутаматный агент рилузол одобрен FDA для лечения АЛС. Рилузол также прошел третью фазу клинических испытаний при БХ, но не показал сколько-нибудь достоверных улучшений при измерении моторики пациентов [19].
Антагонисты VGCC L-типа. «Оптимизированный для ЦНС» ингибитор VGCC L-типа MEM-1003 (Memory Pharmaceuticals) показал некоторый положительный эффект на второй фазе клинических испытаний при БА.
В заключение необходимо признать, что развитие новых направлений в исследовании мозга с помощью современных молекулярно-биологических и электрофизиологических подходов неизбежно приведет к раскрытию тайн высокоэффективной передачи информации и вместе с тем поможет продвинуться по пути излечения нейродегенерации. •
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Berridge M.J. Neuronal calcium signaling. Neuron 21:13-26. 1998.
2. Toescu E.C., Verkhratsky A. The importance of being subtle: small changes in calcium homeostasis control cognitive decline in normal aging. Aging Cell. 2007. 6:267-273
3. Gant J.C., Sama M.M., Landfield P.W., Thibault O. Early and simultaneous emergence of multiple hippocampal biomarkers of aging is mediated by Ca2+-induced Ca2+ release. J. Neurosci. 2006. 26:3482-3490.
4. Foster T.C. Calcium homeostasis and modulation of synaptic plasticity in the aged brain. Aging Cell. 2007. 6:319-325.
5. Gusella J.F., MacDonald M.E. Molecular genetics: unmasking polyglutamine triggers in neurodegenerative disease. Nat. Rev. Neurosci. 2000. 1:109-115.
6. Li S., Li X.J. Multiple pathways contribute to the pathogenesis of Huntington disease. Mol. Neurodegener. 2006. 1:19.
7. Kuhn A. et al. Mutant huntingtin's effects on striatal gene expression in mice recapitulate changes observed in human Huntington's disease brain and do not differ with mutant huntingtin length or wild-type huntingtin dosage. Hum. Mol. Genet. 2007. 16:1845-1861.
8. Bezprozvanny I., Hayden M.R. Deranged neuronal calcium signaling and Huntington disease. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2004. 322:1310-1317.
9. Tang T.-S., Tu H., Chan E.Y., Maximov A., Wang Z., Wellington C.L., Hayden M.R., Bezprozvanny I. Huntingtin and huntingtin-associated protein 1 influence neuronal calcium signaling mediated by inositol-(1,4,5) triphosphate receptor type 1. Neuron. 2003. 39:227-239.
10. Kaltenbach L.S. et al. Huntingtin interacting proteins are genetic modifiers of neurodegeneration. PLoS. Genet. 2007. 3:e82.
11. Tang T.-S., Slow E. J., Lupu V., Stavrovskaya I.G., Sugimori M., Llinas R., Kristal B.S., Hayden M.R., Bezprozvanny I. Disturbed Ca2+ signaling and apoptosis of medium spiny neurons in Huntington's disease. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 2005. 102:2602-2607.
12. Zhang H., Li Q., Graham R.K., Slow E., Hayden M.R., Bezprozvanny I. Full length mutant huntingtin is required for altered Ca2+ signaling and apoptosis of striatal neurons in the YAC mouse model of Huntington's disease. Neurobiol. Dis. 2008. 31:80-88.
13. Tang T.S., Guo C., Wang H., Chen X., Bezprozvanny I. Neuroprotective effects of inositol 1,4,5-trisphosphate receptor C-terminal fragment in a Huntington's disease mouse model. J. Neurosci. 2009. 29:1257-1266.
14. Zeron M.M., Hansson O., Chen N., Wellington C.L., Leavitt B.R., Brundin P., Hayden M.R., Raymond L.A. Increased sensitivity to N-methyl-D-aspartate receptor-mediated excitotoxicity in a mouse model of Huntington's disease. Neuron. 2002. 33:849-860.
15. Fan M.M., Fernandes H.B., Zhang L.Y., Hayden M.R., Raymond L.A. Altered NMDA receptor trafficking in a yeast artificial chromosome transgenic mouse model of Huntington's disease. J. Neurosci. 2007. 27:3768-3779.
16. Shehadeh J., Fernandes H.B., Zeron Mullins M.M., Graham R.K., Leavitt B.R., Hayden M.R., Raymond L.A. Striatal neuronal apoptosis is preferentially enhanced by NMDA receptor activation in YAC transgenic mouse model of Huntington disease. Neurobiol. Dis. 2006. 21:392-403.
17. Wu J., Tang T.-S., Bezprozvanny I. Evaluation of clinically-relevant glutamate pathway inhibitors in in vitro model of Huntington's disease. Neurosci. Lett. 2006. 407:219-223.
18. Ondo W.G., Mejia N.I., Hunter C.B. A pilot study of the clinical efficacy and safety of memantine for Huntington's disease. Parkinsonism Relat. Disord. 2007. 13:453-454.
19. Landwehrmeyer G.B., Dubois B., de Yebenes J.G., Kremer B., Gaus W., Kraus P.H., Przuntek H., Dib M., Doble A., Fischer W., Ludolph A.C. Riluzole in Huntington's disease: a 3-year, randomized controlled study. Ann. Neurol. 2007. 62:262-272.
20. Swayne L.A., Chen L., Hameed S., Barr W., Charlesworth E., Colicos M.A., Zamponi G.W., Braun J.E. Crosstalk between huntingtin and syntaxin 1A regulates N-type calcium channels. Mol. Cell. Neurosci. 2005. 30:339-351.
21. Romero E., Cha G.H., Verstreken P., Ly C.V., Hughes R.E., Bellen H.J., Botas J. Suppression of neurodegeneration and increased neurotransmission caused by expanded full-length huntingtin accumulating in the cytoplasm. Neuron. 2008. 57:27-40.
22. Cepeda C., Wu N., Andre V.M., Cummings D.M., Levine M.S. The corticostriatal pathway in Huntington's disease. Prog. Neurobiol. 2007. 81:253-271.
23. Gafni J., Hermel E., Young J.E., Wellington C.L., Hayden M.R., Ellerby L.M. Inhibition of calpain cleavage of huntingtin reduces toxicity: accumulation of calpain/caspase fragments in the nucleus. J. Biol. Chem. 2004. 279:20211-20220.
24. Cowan C.M., Fan M.M., Fan J., Shehadeh J., Zhang L.Y., Graham R.K., Hayden M.R., Raymond L.A. Polyglutamine-modulated striatal calpain activity in YAC transgenic huntington disease mouse model: impact on NMDA receptor function and toxicity. J. Neurosci. 2008. 28:12725-12735.
25. Vosler P.S., Brennan C.S., Chen J. Calpain-mediated signaling mechanisms in neuronal injury and neurodegeneration. Mol. Neurobiol. 2008. 38:78-100.
26. Bossy-Wetzel E., Petrilli A., Knott A.B. Mutant huntingtin and mitochondrial dysfunction. Trends Neurosci. 2008. 31:609-616.
27. Panov A.V., Gutekunst C.A., Leavitt B.R., Hayden M.R., Burke J.R., Strittmatter W.J., Greenamyre J.T. Early mitochondrial calcium defects in Huntington's disease are a direct effect of polyglutamines. Nat. Neurosci. 2002. 5:731-736.
28. Wang X., Zhu S., Pei Z., Drozda M., Stavrovskaya I.G., Del Signore S. J., Cormier K., Shimony E.M., Wang H., Ferrante R.J., Kristal B.S., Friedlander R.M. Inhibitors of cytochrome c release with therapeutic potential for Huntington's disease. J. Neurosci. 2008. 28:9473-9485.
29. Savani A.A., Login I.S. Tetrabenazine as antichorea therapy in Huntington disease: a randomized controlled trial. Neurology. 2007. 68:797; author reply 797.
30. Tang T.S., Chen X., Liu J., Bezprozvanny I. Dopaminergic signaling and striatal neurodegeneration in Huntington's disease. J. Neurosci. 2007. 27:7899-7910.
31. Vig P.J., Subramony S.H., McDaniel D.O. Calcium homeostasis and spinocerebellar ataxia-1 (SCA-1). Brain Res. Bull. 2001. 56:221-225.
32. Lin X., Antalffy B., Kang D., Orr H.T., Zoghbi H.Y. Polyglutamine expansion down-regulates specific neuronal genes before pathologic changes in SCA1. Nat. Neurosci. 2000. 3:157-163.
33. Pulst S.M., Santos N., Wang D., Yang H., Huynh D., Velazquez L., Figueroa K.P. Spinocerebellar ataxia type 2: polyQ repeat variation in the CACNA1A calcium channel modifies age of onset. Brain. 2005. 128:2297-2303.
34. Haacke A., Hartl F.U., Breuer P. Calpain inhibition is sufficient to suppress aggregation of polyglutamine-expanded ataxin-3. J. Biol. Chem. 2007. 282:18851-18856.
35. Chen X., Tang T.-S., Tu H., Nelson O., Pook M.A., Hammer R.E., Nukina N., Bezprozvanny I. Deranged calcium signaling and neurodegeneration in spinocerebellar ataxia type 3. J. Neuroscience. 2008. 28:12713-12724.
36. Piedras-Renteria E.S., Watase K., Harata N., Zhuchenko O., Zoghbi H.Y., Lee C.C., Tsien R.W. Increased expression of alpha 1A Ca2+ channel currents arising from expanded trinucleotide repeats in spinocerebellar ataxia type 6. J. Neurosci. 2001. 21:9185-9193.
37. Watase K., Barrett C.F., Miyazaki T., Ishiguro T., Ishikawa K., Hu Y., Unno T., Sun Y., Kasai S., Watanabe M., Gomez C.M., Mizusawa H., Tsien R.W., Zoghbi H.Y. Spinocerebellar ataxia type 6 knockin mice develop a progressive neuronal dysfunction with age-dependent accumulation of mutant CaV2.1 channels. Proc. Natl. Acad. Sci. u S A. 2008. 105:11987-11992.
38. van de Leemput J. et al. Deletion at ITPR1 underlies ataxia in mice and spinocerebellar ataxia 15 in humans. PLoS Genet. 2007. 3:e108.
39. Hardy J., Selkoe D.J. The amyloid hypothesis of Alzheimer's disease: progress and problems on the road to therapeutics. Science. 2002. 297:353-356.
40. Seabrook G.R., Ray W.J., Shearman M., Hutton M. Beyond amyloid: the next generation of Alzheimer's disease therapeutics. Mol. Interv. 2007. 7:261-270.
41. Bezprozvanny I., Mattson M.P. Neuronal calcium mishandling and the pathogenesis of Alzheimer's disease. Trends Neurosci. 2008. 31:454-463.
42. Arispe N., Rojas E., Pollard H.B. Alzheimer disease amyloid beta protein forms calcium channels in bilayer membranes: blockade by tromethamine and aluminum. Proc. Natl. Acad. Sci. u S A. 1993. 90:567-571.
43. Lee G., Pollard H.B., Arispe N. Annexin 5 and apolipoprotein E2 protect against Alzheimer's amyloid-beta-peptide cytotoxicity by competitive inhibition at a common phosphatidylserine interaction site. Peptides. 2002. 23:1249-1263.
44. Simakova O., Arispe N.J. The cell-selective neurotoxicity of the Alzheimer's Abeta peptide is determined by surface phosphatidylserine and cytosolic ATP levels. Membrane binding is required for Abeta toxicity. J. Neurosci. 2007. 27:13719-13729.
45. Kuchibhotla K.V., Goldman S.T., Lattarulo C.R., Wu H.Y., Hyman B.T., Bacskai B.J. Abeta plaques lead to aberrant regulation of calcium homeostasis in vivo resulting in structural and functional disruption of neuronal networks. Neuron. 2008. 59:214-225.
46. De Felice F.G., Velasco P.T., Lambert M.P., Viola K., Fernandez S.J., Ferreira S.T., Klein W.L. Abeta oligomers induce neuronal oxidative stress through an N-methyl-D-aspartate receptor-dependent mechanism that is blocked by the Alzheimer drug memantine. J. Biol. Chem. 2007. 282:11590-11601.
47. Shankar G.M., Bloodgood B.L., Townsend M., Walsh D.M., Selkoe D.J., Sabatini B.L. Natural oligomers of the Alzheimer amyloid-beta protein induce reversible synapse loss by modulating an NMDA-type glutamate receptor-dependent signaling pathway. J. Neurosci. 2007. 27:2866-2875.
48. Hsieh H., Boehm J., Sato C., Iwatsubo T., Tomita T., Sisodia S., Malinow R. AMPAR removal underlies Abeta-induced synaptic depression and dendritic spine loss. Neuron. 2006. 52:831-843.
49. Nimmrich V., Grimm C., Draguhn A., Barghorn S., Lehmann A., Schoemaker H., Hillen H., Gross G., Ebert U., Bruehl C. Amyloid beta oligomers (A beta(1-42) globulomer) suppress spontaneous synaptic activity by inhibition of P/Q-type calcium currents. J. Neurosci. 2008. 28:788-797.
50. Ito E., Oka K., Etcheberrigaray R., Nelson T.J., McPhie D.L., Tofel-Grehl B., Gibson G.E., Alkon D.L. Internal Ca2+ mobilization is altered in fibroblasts from patients with Alzheimer disease. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 1994. 91:534-538.
51. Leissring M.A., Paul B.A., Parker I., Cotman C.W., LaFerla F.M. Alzheimer's presenilin-1 mutation potentiates inositol 1,4,5-trisphosphate-mediated calcium signaling in Xenopus oocytes. J. Neurochem. 1999. 72:1061-1068.
52. Stutzmann G.E., Caccamo A., LaFerla F.M., Parker I. Dysregulated IP3 signaling in cortical neurons of knock-in mice expressing an Alzheimer's-linked mutation in presenilin1 results in exaggerated Ca2+ signals and altered membrane excitability. J. Neurosci. 2004. 24:508-513.
53. Stutzmann G.E., Smith I., Caccamo A., Oddo S., Laferla F.M., Parker I. Enhanced ryanodine receptor recruitment contributes to Ca2+ disruptions in young, adult, and aged Alzheimer's disease mice. J. Neurosci. 2006. 26:5180-5189.
54. Leissring M.A., Akbari Y., Fanger C.M., Cahalan M.D., Mattson M.P., LaFerla F.M. Capacitative calcium entry deficits and elevated luminal calcium content in mutant presenilin-1 knockin mice. J. Cell. Biol. 2000. 149:793-798.
55. Yoo A.S., Cheng I., Chung S., Grenfell T.Z., Lee H., Pack-Chung E., Handler M., Shen J., Xia W., Tesco G., Saunders A.J., Ding K., Frosch M.P., Tanzi R.E., Kim T.W. Presenilin-mediated modulation of capacitative calcium entry. Neuron. 2000. 27:561-572.
56. Chan S.L., Mayne M., Holden C.P., Geiger J.D., Mattson M.P. Presenilin-1 mutations increase levels of ryanodine receptors and calcium release in PC12 cells and cortical neurons. J. Biol. Chem. 2000. 275:18195-18200.
57. Rybalchenko V., Hwang S.Y., Rybalchenko N., Koulen P. The cytosolic N-terminus of presenilin-1 potentiates mouse ryanodine receptor single channel activity. Int. J. Biochem. Cell. Biol. 2008. 40:84-97.
58. Cai C., Lin P., Cheung K.H., Li N., Levchook C., Pan Z., Ferrante C., Boulianne G.L., Foskett J.K., Danielpour D., Ma J. The presenilin-2 loop peptide perturbs intracellular Ca2+ homeostasis and accelerates apoptosis. J. Biol. Chem. 2006. 281:16649-16655.
59. Cheung K.H., Shineman D., Muller M., Cardenas C., Mei L., Yang J., Tomita T., Iwatsubo T., Lee V.M., Foskett J.K. Mechanism of Ca2+ disruption in Alzheimer's disease by presenilin regulation of InsP(3) receptor channel gating. Neuron. 2008. 58:871-883.
60. Green K.N., Demuro A., Akbari Y., Hitt B.D., Smith I.F., Parker I., LaFerla F.M. SERCA pump activity is physiologically regulated by presenilin and regulates amyloid beta production. J. Cell. Biol. 2008. 181:1107-1116.
61. Tu H., Nelson O., Bezprozvanny A., Wang Z., Lee S.-F., Hao Y.H., Serneels L., De Strooper B., Yu G., Bezprozvanny I. Presenilins form ER calcium leak channels, a function disrupted by mutations linked to familial Alzheimer's disease. Cell. 2006. 126:981-993.
62. Nelson O., Tu H., Lei T., Bentahir M., de Strooper B., Bezprozvanny I. Familial Alzheimer disease-linked mutations specifically disrupt Ca2+ leak function of presenilin 1. J. Clin. Invest. 2007. 117:1230-1239.
63. Trinchese F., Fa M., Liu S., Zhang H., Hidalgo A., Schmidt S.D., Yamaguchi H., Yoshii N., Mathews P.M., Nixon R.A., Arancio O. Inhibition of calpains improves memory and synaptic transmission in a mouse model of Alzheimer disease. J. Clin. Invest. 2008. 118:2796-2807.
64. Palop J.J., Jones B., Kekonius L., Chin J., Yu G.Q., Raber J., Masliah E., Mucke L. Neuronal depletion of calcium-dependent proteins in the dentate gyrus is tightly linked to Alzheimer's disease-related cognitive deficits. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 2003. 100:9572-9577.
65. Sanz-Blasco S., Valero R.A., Rodriguez-Crespo I., Villalobos C., Nunez L. Mitochondrial Ca2+ overload underlies Abeta oligomers neurotoxicity providing an unexpected mechanism of neuroprotection by NSAIDs. PLoS ONE. 2008. 3:e2718.
66. Dreses-Werringloer U. et al. A polymorphism in CALHM1 influences Ca2+ homeostasis, A beta levels, and Alzheimer's disease risk. Cell. 2008. 133:1149-1161.
67. Bertram L., Schjeide B.M., Hooli B., Mullin K., Hiltunen M., Soininen H., Ingelsson M., Lannfelt L., Blacker D., Tanzi R.E. No association between CALHM1 and Alzheimer's disease risk. Cell. 2008. 135:993-994; author reply 994-996.
68. Arispe N., Diaz J.C., Simakova O. Abeta ion channels. Prospects for treating Alzheimer's disease with Abeta channel blockers. Biochim. Biophys. Acta. 2007. 1768:1952-1965.
69. Lipton S.A. Paradigm shift in neuroprotection by NMDA receptor blockade: memantine and beyond. Nat. Rev. Drug. Discov. 2006. 5:160-170.
70. Chaturvedi R.K., Beal M.F. Mitochondrial approaches for neuroprotection. Ann. N. Y. Acad. Sci. 2008. 1147:395-412.
71. Doody R.S., Gavrilova S.I., Sano M., Thomas R.G., Aisen P.S., Bachurin S.O., Seely L., Hung D. Effect of dimebon on cognition, activities of daily living, behaviour, and global function in patients with mild-to-moderate Alzheimer's disease: a randomised, doubleblind, placebo-controlled study. Lancet. 2008. 372:207-215.
72. Bernales S., Wagner S., Protter A.A., Hung D.T. Dimebon induces neurite outgrowth and mitochondrial stabilization. Society for Neuroscience Abstracts. 2008. 543.29.
73. Wu J., Li Q., Bezprozvanny I. Evaluation of Dimebon in cellular model of Huntington's disease. Mol. Neurodegener. 2008. 3:15.
