ДИНАМИКА ПРИЖИЗНЕННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАБОЛИТОВ АМИНОКИСЛОТ В ГОЛОВНОМ МОЗГЕ ЧЕЛОВЕКА В ПОСТТРАВМАТИЧЕСКОМ ПЕРИОДЕ
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2019, том 484, № 2, с. 238–242
БИОХИМИЯ, БИОФИЗИКА,
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ
УДК 57.07
ДИНАМИКА ПРИЖИЗНЕННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАБОЛИТОВ
АМИНОКИСЛОТ В ГОЛОВНОМ МОЗГЕ ЧЕЛОВЕКА
В ПОСТТРАВМАТИЧЕСКОМ ПЕРИОДЕ
Н. А. Семенова1,2,3, П. Е. Меньщиков1,2, 3, А. В. Манжурцев1,3,*,
М. В. Ублинский1,3, Т. А. Ахадов3, член-корреспондент РАН С. Д. Варфоломеев1,4
Поступило 10.07.2018 г.
Впервые одновременно определены внутриклеточные концентрации N‑ацетиласпартата (NAA), ас‑
партата (Asp) и глутамата (Glu) в головном мозге человека in vivo и исследовано влияние тяжёлой
черепно-мозговой травмы на процессы синтеза NAA в остром и отдалённом посттравматическом
периоде. В неповреждённых по данным диагностической магнитно-резонансной томографии лоб‑
ных долях через сутки после травмы выявлено падение содержания Asp и Glu соответственно на 45
и 35% при снижении NAA лишь на 16%. Обнаружена отрицательная корреляция между концентра‑
цией NAA и отношением концентраций Asp/Glu. В отдалённом периоде уровень Glu нормализовал‑
ся, уровень Asp оставался ниже нормы на 60%, содержание NAA было снижено на 65% относительно
нормы, показатель Asp/Glu достоверно снизился. Полученные результаты выявили ведущую роль
нейронального аспартат-малатного челнока в нарушении синтеза NAA.
Ключевые слова: магнитно-резонансная спектроскопия, черепно-мозговая травма, N‑ацетиласпар‑
тат, аспартат, глутамат, головной мозг человека.
DOI: https://doi.org/10.31857/S0869-56524842238-242
1
Производное аспарагиновой кислоты N‑аце- тем выше содержание нормально функциониру‑
тиласпартат (NAA) играет особую роль в прижиз‑ ющих нейронов в данном отделе головного мозга.
ненных исследованиях метаболизма головного И наоборот, чем меньше, согласно спектральным
мозга. При высоких концентрациях (~10 мМ/кг) данным, концентрация NAA, тем ниже уровень
это соединение присутствует исключительно функционально полноценных нейронов.
в нейронах [1]. В спектрах протонного магнит‑ Большинство известных в настоящее время забо‑
ного резонанса (1Н МРС) головного мозга in vivo леваний центральной нервной системы (ЦНС), та‑
хорошо детектируется интенсивный синглетный ких как черепно-мозговая травма (ЧМТ), разные
сигнал N‑ацетильной группы NAA. Показано [2], виды ишемии и гипоксии и нейродегенеративные
что интенсивность этого сигнала изменяется в со‑ заболевания сопровождаются уменьшением локаль‑
ответствии с изменением содержания нормаль‑ ных концентраций NAA, измеренных 1Н МРС [2].
но функционирующих нейронов в зоне интереса. Многочисленные исследования нарушений ме‑
Поэтому для прижизненной неинвазивной оцен‑ таболизма головного мозга вследствие такого со‑
ки уровня таких нейронов в разных отделах мозга циально значимого заболевания как ЧМТ, в том
числе и данные 1Н МРС, свидетельствуют о пони‑
в норме и патологии используется сигнал NAA как
жении уровня NAA в разных отделах мозга [3, 4].
нейрональный маркер: чем выше интенсивность
Причиной уменьшения стационарного уров‑
сигнала, соответствующая концентрации NAA,
ня NA A может быть инактивация его синте‑
1
за и активация гидролиза NAA. Гидролизует‑
Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля
Российской Академии наук, Москва
ся NA A под действием аспартатацилазы с об‑
2 разованием ацетата и аспартата (Asp). Этот
Институт химической физики им. Н.Н Семенова
Российской Академии наук, Москва фермент обнаружен в олигодендроцитах [2] и ак‑
3
Научно-исследовательский институт сонах некоторых проводящих путей [5]. Фер‑
неотложной детской хирургии и травматологии мент ингибируется физиологическими концен‑
Департамента здравоохранения города Москвы трациями субстрата ([NA A]~10 –3 мМ/мл) [6].
4
Московский государственный университет Основное количество NAA синтезируется в ми‑
им. М.В. Ломоносова тохондриях нейронов из Asp и ацетил-КоA под
*E-mail: andrey.man.93@gmail.com действием L‑аспартат-N‑ацетилтрансферазы [2].
238
ДИНАМИКА ПРИЖИЗНЕННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАБОЛИТОВ АМИНОКИСЛОТ... 239 Немногочисленные данные о влиянии ЧМТ на со‑ и Glu мы первыми создали специальную мето‑ держание участников синтеза NAA получены при дику A spMEGA-PRESS, подробно описанную исследовании головного мозга экспериментальных в [11]. Будучи основным возбуждающим нейро‑ животных. Например, показано [7], что под дей‑ медиатором Glu участвует в различных метабо‑ ствием повторной лёгкой ЧМТ в экстрактах моз‑ лических процессах, в том числе и в образова‑ га крыс снижается уровень ацетил-КоA. Тяжёлая нии Asp, являясь в головном мозге его главным ЧМТ (тЧМТ) вызывает снижение Asp в мозге крыс, источником. обнаруженное методом 1Н МРС высокого разре‑ Снижение уровня NAA в разных зонах голов‑ шения [8]. ного мозга, вызванное ЧМТ и зафиксированное В головном мозге человека прижизненные из‑ в клинике и эксперименте, может быть следстви‑ мерения Asp не проводились из-за отсутствия ме‑ ем недостатка его предшественников Glu и Asp. тодики. Высокопольные МР‑томографы для ис‑ Цель настоящего исследования — проверка это‑ следований человека не применяются, а в полях, го предположения путём измерения концентра‑ разрешённых в медицине (максимум 3Т), сигна‑ ции NAA, Asp и Glu в неповреждённой по данным лы Asp в спектрах перекрываются интенсивными МРТ лобной доле головного мозга человека после сигналами других метаболитов. Стандартные ме‑ тЧМТ в остром периоде и хронической стадии пост- тодики МРТ позволяют детектировать не более травматической болезни. пяти соединений. Обычно с хорошим разрешени‑ В исследовании принимали участие три груп‑ ем регистрируют сигналы N‑ацетильной группы пы пациентов в возрасте от 14 до 17 лет. Группа 1 N‑ацетиласпартата (NАА, δ = 2,0 ppm), протонов состояла из 8 больных с острой тЧМТ (оценка их группы –N+(CH3)3, N‑метильных протонов хо‑ состояния по шкале комы Глазго составила 4,3 ± линсодержащих соединений (tCho, δ = 3,18 ppm), ± 2,5 баллов, время после травмы 23 ± 4 ч). Груп‑ фосфокреатинина и креатинина (tCr, δ = 3,01 ppm), па 2 включала 7 пациентов в хронической стадии CH 2-групп Glu и Gln (Glx, δ = 2,2 и 3,74 ppm), травматической болезни после тЧМТ (время по‑ сигнал протонов кольца инозитола (mI, δ = сле травмы 82 ± 25 дня). Группа 3 (контроль) – = 3,56 ppm) [3]. Сигналы CH‑групп Asp (δ = 3,89 ppm, 12 здоровых лиц. 2,65 ppm и 2,80 ppm) перекрыты сигналами tCr, Исследование проводили в соответствии с ме‑ NAA (δ = 2,67 ppm) и N‑ацетил-аспартилглутама‑ тодикой, описанной в [11]. Объем интереса (VOI) та (δ = 2,72 ppm) [9]. располагали в неповреждённой по данным ди‑ Разделение перекрывающихся сигналов может агностической МРТ лобной доле мозга (рис. 1). быть достигнуто методами спектрального редакти‑ Значения [tNAA], [tCr], [tCho], [mI] и [Glx], [Asp] рования. Один из них реализуется с помощью им‑ и [Glu] получали, учитывая вклад серого веще‑ пульсной последовательности MEGA-PRESS [10]. ства, белого вещества и цереброспинальной жид‑ Для определения интенсивностей сигналов Asp кости в VOI [11]. Рис. 1. Типичный спектр 1H МР, полученный в неповреждённой по данным диагностической МРТ лобной доле моз- га – (а). Расположение VOI в области лобной доли мозга – (б). Типичный спектр AspMEGA-PRESS, полученный в об‑ ласти лобной доли мозга – (в). ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 484 № 2 2019
240 СЕМЕНОВА и др.
Рис. 2. Концентрация NAA, Asp, Glu (M ± SD) и величина отношения Asp/Glu (M ± SD) в неповреждённых по данным
диагностической МРТ лобных долях головного мозга человека в норме (n = 12), при тЧМТ в остром периоде (n = 8) и
в отдалённом периодах (n = 7).
Данные межгруппового сравнительного ана‑ уменьшение [NA A] обусловлено нарушением
лиза [Asp], [Glu] и [NA A] представлены на его синтеза, которое в острой фазе тЧМТ вызва‑
рис. 2. Можно видеть, что при переходе от нор‑ но, по-видимому, недостатком [Glu], основного
мы к острому и затем к отдалённому периодам источника Asp.
ЧМТ монотонно снижается [NAA], [Asp] падает Одной из важнейших характеристик острой
в остром периоде и остаётся ниже нормы в даль‑ фазы посттравматического периода при тЧМТ яв‑
нейшем, [Glu] снижена лишь в острой фазе после ляется эксайтотоксичность — процесс неконтро‑
ЧМТ. Уменьшается и значение Asp/Glu: в остром лируемого высвобождения возбуждающих ней‑
периоде наблюдается тенденция к снижению это‑ ромедиаторов из везикул, приводящий к гибели
го параметра (р = 0,1), в отдалённом периоде вели‑ нейронов. Потеря везикулярного Glu означает
чина Asp/Glu достоверно ниже нормы (p ≤ 0,05). снижение его внутриклеточной концентрации.
По данным корреляционного анализа в острой Недостаток Glu создаёт, в свою очередь, недо‑
фазе посттравматического периода выявлена пря‑ статок предшественника NAA, Asp, что угнетает
мая корреляция между [Glu] и [Asp] со значени‑ синтез NAA.
ем коэффициента линейной корреляции R = 0,95 Обращают на себя внимание следующие фак‑
и обратная корреляция между Asp/Glu и NA A ты, характеризующие острую посттравматиче‑
(R = –0,73). скую фазу: [Asp] снижается значительно сильнее,
До настоящего времени не существовало дан‑ чем [Glu]; между концентрациями Asp и Glu суще‑
ных о влиянии травмы на концентрации NAA, ствует высокая прямая корреляция; [NAA] умень‑
Asp и Glu в головном мозге человека in vivo. Одна‑ шается всего на 16% на фоне 45%-го падения Asp
ко полученные нами результаты хорошо согласу‑ и Glu на 45 и 35%, соответственно. Из этих фак‑
ются с результатами модельного эксперимента на тов следует, что в острой фазе образующийся
крысах [8]. В обоих случаях через 1 сут после трав‑ из Glu Asp расходуется на поддержание уровня
мы в неповреждённом по данным МРТ веществе NAA. Действительно, мы обнаружили достовер‑
мозга максимальный эффект наблюдается для ную обратную корреляцию между Asp/Glu и NAA
[Asp], а минимальный — для [NAA]. По нашим в остром периоде после тЧМТ.
данным, острый период ЧМТ характеризовался В отдалённом периоде после тЧМТ [NAA] па‑
падением [Asp] на 45%, [NAA] — на 16%. У крыс дает уже на 65%, а [Asp] — на 61% относительно
[Asp] снижался на 30%, [NAA] — на 12% [9]. нормы, достоверно снижен параметр Asp/Glu при
Причиной снижения [NAA] не может быть ак‑ нормальных значениях [Glu].
тивация его гидролиза, которая должна была Одинаковое падение [NAA] и его предшествен‑
привести к накоп лению A sp. Мы наблюда‑ ника Asp позволяет предполагать, что в отдалён‑
ли его падение. Поэтому можно полагать, что ном посттравматическом периоде нарушение
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 484 № 2 2019ДИНАМИКА ПРИЖИЗНЕННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАБОЛИТОВ АМИНОКИСЛОТ... 241
синтеза NAA вызвано недостатком его непосред‑ дисфункцию одной из важнейших систем регуля‑
ственного исходного — Asp. ции метаболизма — МАЧС.
Параметр Asp/Glu, сниженный в обоих перио‑ Сопоставление результатов, полученных при
дах, характеризует эффективность митохондри‑ анализе [Asp], [Glu] и [NAA] в остром и отдалён‑
ального транспортёра Aralar1, через который Glu ном периодах после тЧМТ дают основания пред‑
поступает из цитозоля в митохондрию. Перено‑ полагать, что уже в течение первых суток после
счик Aralar1 является частью малат-аспартат‑ травмы возникают нарушения транспорта Glu
ной челночной системы (МАЧС) [12]. Эта систе‑ в митохондрию через Aralar1, а в отдалённом пе‑
ма переносит восстановительные эквиваленты от риоде развивается дисфункция МАЧС.
НАДH цитозоля к НАД+ в митохондрии. Самой Работа поддержана грантами РНФ 18–13–00030
медленной и необратимой стадией работы МАЧС и РФФИ 17–04–01149 А.
является транспорт Glu в митохондрию [13].
Транспортёр Aralar1 присутствует в основном СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
в митохондриях нейронов [14]. Этот транспортёр
1. Tallan H.H. // J. Boil. Chem. 1957. V. 224. P. 41–45.
[14] играет важнейшую роль в синтезе NAA. В го‑
ловном мозге и нейронах мышей с гомозиготной 2. Moffett J., Ross B., Arun P., Madhavarao C., Nam-
делецией гена Aralar1 (Aralar1–/–) падал уровень boodiri M. // Prog. Neurobiol. 2007. V. 81. № 2.
P. 89–131.
NAA и Asp. В митохондриях этих мышей было
резко снижено потребление Glu и малата и пре‑ 3. Moffett J., Arun P., Ariyannur P., Namboodiri A. //
кращался синтез Asp [14]. Front Neuroenergetics. 2013. V. 5. P. 1–19.
Уменьшение значения отношения [Asp]/[Glu] 4. Семенова Н.А., Луковенков А.В., Ахадов Т.А., Сидо-
позволяет предположить, что тЧМТ приводит рин С.С., Варфоломеев С.Д. // Биохимия. 2012. Т. 77.
к нарушению транспорта Glu. Из работы [14] сле‑ № 4. С. 495–502.
дует, что обмен Glu на Asp является обязательной 5. Moffet J., Arun P., Ariyannur P. Garbern J., Jacobo-
стадией в синтезе NAA, поэтому обнаруженное witz D., Namboodiri A. // Glia. 2011. V. 59. № 10.
нами уменьшение значения [Asp]/[Glu] вызыва‑ P. 1414–1419.
ет снижение уровня NAA при тЧМТ. Полученные 6. Kots E.D., Lushchekina S.V., Varfolomeev S.D.,
в настоящей работе результаты указывают на уча‑ Nemukhin A.V. // J. Chem. Inf. Model. 2017. V. 57. № 8.
стие Aralar1 в регуляции синтеза NAA. P. 1999–2008.
Следует ожидать, что при сниженных значени‑ 7. Vagnozzi R., Tavazzi B., Signoretti S., Amorini A.M.,
ях [Asp]/[Glu] снижается концентрация цитозоль‑ Belli A., Cimatti M., Delfini R., Di Pietro V., Finoc-
ного оксалоацетата и возникает избыток НАДH chiaro A., Lazzarino G. // Neurosurgery. 2007. V. 61.
в цитозоле. Это приводит к недостатку восста‑ № 2. P. 379–388.
новительных эквивалентов в дыхательной цепи 8. Harris J., Ye H., Choi I., Lee P., Berman N., Swerd-
и нарушению синтеза АТФ. При анализе экстрак‑ low R., Craciunas S., Brooks W. // J. Cereb. Blood
тов головного мозга крыс обнаружено [15] совпа‑ Flow Metab. 2012. V. 32. P. 2122–2134.
дение динамики [АТР] и [NAA] после фокальной 9. Kinoshita Y., A. Yokota A. // NMR Biomed. 1997. V. 10.
и диффузной ЧМТ, которое может быть обуслов‑ № 1. P. 2–12.
лено тем, что синтез обоих соединений регулиру‑ 10. Mescher M., Merkle H., Kirsch J., Garwood M.,
ется активностью МАЧС: образование NAA тормо‑ Gruetter R. // NMR Biomed. 1998. V. 11. P. 266–272.
зится недостатком Asp, синтез АТФ — нарушени‑ 11. Меньщиков П.Е., Семенова Н.А., Манжурцев А.В.,
ем транспорта восстановительных эквивалентов Ахадов Т.А., Варфоломеев С.Д. // Изв. РАН. Сер.
в электрон-транспортной цепи. Это объясняет, хим. 2018. № 4. С. 1–8.
почему интенсивность сигнала NAA в спектрах 12. McKenna M., Waagepetersen H., Schousboe A.,
in vivo служит индикатором уровня нормально Sonnewald U. // Biochem. Pharmacol. 2006. V. 71.
функционирующих нейронов: уровень NAA зави‑ P. 399–407.
сит от активности Aralar1 и связан с энергетикой 13. La Noue K., Tischler M. // J. Biol. Chem. 1974. V. 249.
нейрональных митохондрий через МАЧС. P. 7522–7528.
Таким образом, полученные нами данные по‑ 14. Jalil М., Begum L., Contreras L. // J. Biol. Chem. 2007.
зволяют заключить, что падение [NAA] в отда‑ V. 280. P. 31333–31339.
лённом периоде тЧМТ вызвано недостатком [Asp], 15. Di Pietro V., Amorini A., Tavazzi B., Vagnozzi R.,
предшественника синтеза [NAA]. Падение [Asp] Logan A., Lazzarino G., Signorett S., Lazzarino G.,
при нормальном уровне Glu отражает, вероятно, Belli A. // Mol. Med. 2014. V. 20. P. 147–157.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 484 № 2 2019242 СЕМЕНОВА и др.
DYNAMICS OF INTRAVITAL CONCENTRATION OF AMINO ACID
METABOLITES IN HUMAN BRAIN IN POST-TRAUMATIC PERIOD
N. A. Semenova, P. E. Menshchikov, A. V. Manzhurtsev, M. V. Ublinskiy,
T. A. Akhadov, Сorresponding Member of the RAS S. D. Varfolomeev
Received July 10, 2018
Intracellular concentrations of N acetyaspartate (NAA), aspartate (Asp) and glutamate (Glu) were determined
for the first time in human brain in vivo, and the effect of severe traumatic brain injury on NAA synthesis in
acute and late post-traumatic period was investigated. In MRI‑negative frontal lobes one day after injury Asp
and Glu levels were found to decrease by 45 and 35%, respectively, while NAA level decreased by only 16%. A
negative correlation between NAA concentration and the ratio of Asp/Glu concentrations was found. In the
long-term period, Glu level returned to normal, Asp level remained below normal by 60%, NAA level was
reduced by 65% relative to normal, and Asp/Glu ratio significantly decreased. The obtained results revealed
leading role of the neuronal aspartate-malate shuttle in violation of NAA synthesis.
Keywords: magnetic resonance spectroscopy (MRS), traumatic brain injury (TBI), N-acetylaspasrtate, aspar‑
tate, glutamate, human brain.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 484 № 2 2019Вы также можете почитать
