Киназные сигнальные пути в действии психотропных препаратов при шизофрении

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИНАЗНЫЕ СИГНАЛЬНЫЕ ПУТИ В ДЕЙСТВИИ ПСИХОТРОПНЫХ ПРЕПАРАТОВ ПРИ ШИЗОФРЕНИИ

О.Ю. Федоренко

НИИ психического здоровья СО РАМН

Психотропные препараты, действующие на моноаминовую нейротрансмиссию, являются главными при лечении шизофрении. В статье представлен обзор последних научных данных о роли различных киназных сигнальных путей в действии психотропных препаратов и этиологии шизофрении.

Ключевые слова: шизофрения, киназные сигнальные пути, психотропные препараты.

KINASE SIGNALING PATHWAYS IN ACTION OF PSYCHOTROPIC PREPARATIONS IN SCHIZOPHRENIA

O. Yu. Fedorenko. Mental Health Research Institute SB RAMSci, Tomsk

Psychotropic drugs acting on monoamine neurotransmission are major pharmacological treatments for schizophrenia. The contribution of multiple kinase signaling pathways to the action of psychotropic drugs and etiology of schizophrenia is presented in this overview.

Key words: schizophrenia, kinase signaling pathways, psychotropic drugs.

Несмотря на более чем полувековую историю клинического применения психотропных препаратов, молекулярные механизмы их терапевтического действия при шизофрении и других психических заболеваниях остаются окутанными тайной. Идентифицирование рецепторов и транспортёров моноаминовых нейротрансмиттеров дофамина, норэпинефрина и серотонина (5-HT) породило принципиальные фармакологические парадигмы для объяснения действия этих препаратов [4].

Первое (типичные) и второе (атипичные) поколения антипсихотических препаратов являются антагонистами D2-класса дофаминовых рецепторов, в то время как атипичные антипсихотические препараты также являются антагонистами 5-HT2-рецепторов [27]. Определение первичных фармакологических мишеней психоактивных препаратов открыло многообещающие перспективы использования специфических лигандов этих молекул для производства более эффективных препаратов с меньшими побочными эффектами. Тем не менее, природа процессов, посредством которых активация или блокада дофаминовых, норэпинефриновых или 5-HT-рецепторов действует на регуляцию таких функций мозга, как познание и настроение, остаётся малоизученной.

Изучение моноаминовых рецепторов выявило неоднозначную картину механизмов, посредством которых эти рецепторы оказывают своё действие в головном мозге. Все рецепторы к дофамину, норэпинефрину и 5-HT в основном принадлежат большому семейству рецепторов, связанных с G-белками. G-белки (гетеротримерные гуаниннуклеотид-связанные белки) представляют собой семейство белков, играющих роль молекулярного тумблера при передаче сигнала от рецепторов клеточной поверхности внутрь клетки. G-белок-связанные рецепторы (GPCRs - G protein-coupled receptors) представляют собой большое семейство, состоящее из 7 трансмембранных белков, которые связывают экстраклеточные сигнальные молекулы для активации внутриклеточных сигнальных путей. Множественные GPCRs связаны с более чем одним типом G-белков и также способны передавать сигналы независимым от G-белков образом [4]. Более того, многочисленные механизмы, такие как GPCR гетеродимеризация или интеграция сигнала от различных GPCRs общими нисходящими мишенями, делают возможным рецепторные перекрёсты, затрудняя, таким образом, предсказание терапевтического значения биохимических ответов на психоактивные препараты в исследованиях in vitro сигнальных ответов или лигандной специфичности [12].

В результате серии последних исследований, комбинирующих биохимические и поведенческие методы изучения нормальных и генетически модифицированных мышей, получены неопровержимые доказательства вовлечения сигнальных молекул Akt и гликоген синтаза киназы-3 (GSK3) через дофамин и 5-HT в регуляции поведения, а также в механизме действия определённых психоактивных препаратов. Более того, выяснение механизма, благодаря которому дофамин регулирует Akt и GSK3, подтвердило физиологическую значимость новой модальности передачи сигнала, которая, скорее всего, включает мультифункциональный скаффолдинговый белок в-аррестин 2 (вArr2), чем G белки.

Akt является серин/треониновой киназой, регулируемой через фосфатидилинозитол-опосредованный сигнальный путь. Активация Akt включает пополнение фракции фермента в плазматической мембране фосфорилированным фосфатидилинозитолом (Ptdlns-3,4,5-P), фосфорилирование треонинового остатка (треонин 308) фосфатидилинозитолзависимой киназой 1 (PDK1) и дальнейшее фосфорилирование другого остатка (серин 473) комплексом PDK2/rictor-mTOR [16]. GSK3б и GSK3в являются двумя близкородственными постоянно активными серин/треониновыми киназами, которые могут быть инактивированы путём фосфорилирования одиночных сериновых оснований, серина 21 (GSK3б) и серина 9 (GSK3в). Было показано, что Akt ингибирует GSK3б и GSK3в в ответ на действие многих гормонов и факторов роста, включая BDNF, IGF и инсулин [10].

Исследования изменений клеточных сигнальных путей в ответ на долговременное увеличение уровня внеклеточного дофамина выявили снижение Akt фосфорилирования/активности с одновременной активацией обеих киназ GSK3б и GSK3в в полосатом теле мышей, нокаутных по дофаминовому транспортёру (DAT-KO) [2]. Назначение амфетамина, метамфетамина или неселективного агониста дофаминового рецептора апоморфина нормальным мышам также приводило к ингибированию Akt активности, в то время как истощение дофамина в полосатом теле имело обратный эффект, доказывая, таким образом, роль дофамина в регуляции Akt/GSK3 сигнального пути [1, 6]. Дальнейшее тестирование этих сигнальных ответов с использованием антагонистов D1- и D2-дофаминовых рецепторов (SCH23390 и раклорпида) у DAT-KO мышей показало, что Akt, GSK3б и GSK3в регулируются D2-классом рецепторов. В исследованиях на нормальных животных также продемонстрировано, что антагонист D2-класса рецепторов и антипсихотический препарат галоперидол усиливает фосфорилирование Akt, таким образом ингибируя GSK3. В конечном итоге исследование дофамин-зависимой регуляции Akt фосфорилирования у мышей, нокаутных по различным подтипам D2-класса рецепторов, выявило необходимость D2-рецепторов для ингибирования Akt полосатого тела данными препаратами [8, 24]. У мышей, нокаутных по дофаминовым D3-рецепторам, снижена чувствительность Akt опосредованного сигнального пути к дофаминергическим препаратам, но сохранено действие высоких доз этих препаратов на Akt, что предполагает участие D3-рецепторов в регуляции Akt/GSK3 сигнального пути, потенциально путём усиления D2-рецепторных ответов [4].

Мультифункциональная скаффолдинговая молекула в-аррестин 2 (вArr2) играет важную роль в GPCR десенситизации и регуляции Akt/GSK3 пути D2-рецепторами [11]. GPCR активация включает быстрое фосфорилирование рецепторов семейством GPCR киназ (GRKs), которое приводит к их разъединению от G белков и пополнению скаффолдинговых белков, именуемых аррестинами [11]. Большинство тканей млекопитающих, включая мозг, экспрессируют два типа аррестинов - вArr1 и вArr2. Роль аррестинов в функциях GPCR не ограничена исключительно десенситизацией. GPCRs также могут индуцировать клеточные ответы, вызванные образованием комплексов сигнальных белков, связанных в-аррестинами [20]. психотропный препарат шизофрения

При введении мышам, нокаутным по вArr2, амфетамина и апоморфина ни один из препаратов не смог уменьшить фосфорилирование Akt, как в случае дикого типа (WT) мышей [1]. Аналогично мыши, нокаутные по вArr2 и DAT, не обнаружили ингибирующего действия избыточного дофамина на фосфорилирование Akt, подтверждая регуляцию Akt D2 рецепторами через вArr2 [1]. Дальнейшие исследования механизма, благодаря которому вArr2 регулирует Akt в ответ на дофамин, показали, что стимуляция D2-класса рецепторов вызывает образование белкового комплекса, состоящего, по крайней мере, из Akt, вArr2 и гетеротримерной протеиновой фосфатазы 2А (PP2A), которая способствует дефосфорилированию/деактивации Akt фосфатазой PP2A в ответ на дофамин [1].

Многочисленные доказательства указывают на роль вArr2, Akt и GSK3 в регуляции поведения дофамином. вArr2 нокаутные мыши демонстрируют неполное преодоление ската и сниженную отвечаемость на дофаминзависимые действия повышенных доз амфетамина и морфина [1, 11, 5]. Более того, у мышей, нокаутных по вArr2 и DAT, снижена типичная локомоторная активность, вызванная новизной, что характерно для гипердофаминергических DAT-KO мышей [1].

Ингибиторы GSK3 могут снижать локомоторную гиперактивность как у DAT-KO мышей, так и диких животных, получавших амфетамин. Оценка поведенческих эффектов амфетамина выявила сниженную чувствительность GSK3в гетерозиготных мышей к этому психостимулятору, что свидетельствует об участии GSK3в в формировании дофаминассоциированного поведения [13]. С другой стороны, у трансгенных мышей, экспрессирующих GSK3в мутацию, лишённую ингибиторного сайта фосфорилирования, в связи с чем проявляющую постоянную активность, развивается локомоторный гиперактивный фенотип, напоминающий гипердофаминергических DAT-KO мышей [23].

В результате мыши, у которых отсутствует изоформа Akt1, также показывают в препульсовых ингибирующих тестах нарушение сенсомоторной синхронизации при воздействии амфетамином, но не блокатором глутаматных NMDA рецепторов MK801 [8]. Нарушение сенсомоторной синхронизации амфетамином используется классически как поведенческая парадигма для моделирования психоза у грызунов, и этот эффект может сильно блокироваться такими антипсихотическими препаратами, как галоперидол. Так как Akt1 ингибируется стимулированием D2-рецепторов, то усиленный поведенческий эффект амфетамина в Akt1-KO мышах ещё раз указывает на вовлечение ингибирования Akt в дофаминзависимых поведенческих ответах [22].

Считается, что типичные антипсихотические препараты, такие как галоперидол, оказывают большинство своих действий путём блокирования D2-класса дофаминовых рецепторов, подтверждая роль дофаминергической нейротрансмиссии в этиологии шизофрении. Поэтому, возможно, что регуляция Akt/GSK3 сигнального пути D2-рецепторов может быть критической для действия типичных антипсихотических препаратов [8, 4]. Помимо этого, атипичные антипсихотические препараты либо активируют Akt, либо мимикрируют Akt активность усилением фосфорилирования этих субстратов киназами GSK3б и в. Термин «атипичные антипсихотические препараты» означает класс структурно не связанных антипсихотических лекарственных препаратов, характеризующихся снижением экстрапирамидных побочных эффектов, положительной динамикой негативных симптомов шизофрении и избирательным действием на симптомы, относящиеся к когнитивности и настроению. Атипичные антипсихотические препараты могут быть также дифференцированы функционально от типичных путём снижения их аффинности и селективности для дофаминовых рецепторов D2-класса. Многие атипичные антипсихотические препараты одновременно проявляют сильную аффинность к 5-HT2A-рецепторам [19]. Тем не менее, точная природа их терапевтических мишеней до сих пор остаётся предметом обсуждения.

Было показано, что атипичный антипсихотический препарат клозапин действует как усилитель Akt/GSK3 сигнального пути в клеточных культурах [18]. In vivo острое или подострое назначение нескольких атипичных антипсихотических препаратов, включая оланзапин, рисперидон, кветиапин, клозапин и ципразидон, приводит к ингибированию GSK3в, что дублирует действие Akt в разных отделах мозга [21]. Так как дофамин и 5-HT действуют на активность GSK3, то необходимо установить, является ли какой-нибудь или оба эти нейротрансмиттера ответственными за регуляцию GSK3 атипичными антипсихотическими препаратами [4].

Тот факт, что Akt/GSK3 сигнальный путь является нижележащей мишенью для двух классов антипсихотических препаратов, которые имеют перекрывающее терапевтическое действие, но разные профили побочных эффектов, является интригующим. Представляется заманчивым поспекулировать на тему, что этот путь может играть главную роль в терапевтическом действии антипсихотических препаратов и что другие биохимические ответы на разные типы антипсихотических препаратов могут обусловливать их дивергентный потенциал побочных эффектов [4]. Тем не менее, необходимы дальнейшие подробные исследования для получения точных ответов на эти вопросы.

Вовлечение Akt, GSK3 и вArr2 в действие психотропных препаратов и поведенческие ответы на дофамин и/или 5-HT свидетельствует о том, что эти молекулы могут также способствовать развитию некоторых психиатрических заболеваний, в их числе шизофрении.

Многочисленные независимые исследования выявили связь между нарушением регуляции Akt сигнального пути и развитием шизофрении. Akt1 и Akt3 являются основными изоформами, экспрессированными в мозге [7]. Эти белки демонстрируют строгую гомологию, но кодируются разными генами. Опубликованы данные о значительной ассоциации Akt1 гаплотипов с шизофренией в различных когортах пациентов, страдающих шизофренией [8, 30, 25]. Более того, в мозге больных шизофренией наблюдалось снижение уровней Akt белка [8]. Так как стимуляция D2-класса рецепторов дофамином приводит к ингибированию Akt [1], возможно, что частичное снижение функции Akt1 при шизофрении может вызывать усугубляющие ответы на D2-рецепторную стимуляцию, способствуя развитию патологии. Наряду с этим было показано, что продукты двух чувствительных к шизофрении генов DISC1 и NRG1 влияют на фосфорилирование Akt в различных клеточных культурах [17, 28]. Это предполагает, что Akt/GSK3 сигнальный путь также способствует комлексу патологических событий, индуцированных продуктами этих мутантных генов при шизофрении.

В результате последних независимых генетических исследований обнаружена ассоциация между мутацией N251S в гене, кодирующем фосфатидилинозитол-4 фосфат-5 киназу (PIP5K2A), и развитием шизофрении [26]. PIP5K2A контролирует функционирование нейронных KCNQ калиевых каналов через синтез фосфатидилинозитол-4,5-бифосфата. KCNQ каналы отвечают за стабильность потенциала покоя дофаминергических нейронов [15]. Мутация (N251S)-PIP5K2A, ассоциированная с шизофренией, угнетает функционирование KCNQ каналов [9]. Это может объяснять повышенную дофаминергическую нейротрансмиссию при шизофрении. Более того, часто наблюдаемое у больных шизофренией привыкание к дофаминергическим препаратам также может объясняться этим механизмом [29]. В этой связи было показано, что активация KCNQ каналов аттенуирует центральные стимулирующие эффекты некоторых веществ, таких как кокаин, метилфенидат и фенилциклидин, модулирующих дофамин и вызывающих симптомы шизофрении [14].

Таким образом, дизрегуляция киназных сигнальных путей вносит существенный вклад в патофизиологию шизофрении и понимание комплексности их селективных ответов в соответствующих отделах мозга будет способствовать созданию новых психотропных препаратов с меньшим спектром побочных эффектов.

Литература

1. Beaulieu J. M., Sotnikova T. D., Marion S., Lefkowitz R. J., Gainetdinov R. R., Carson M. G. An Akt/beta-arrestin 2/PP2A signaling complex mediates dopaminergic neurotransmission and behaviour // Cell. - 2005. - V. 122. - P. 261--273.

2. Beaulieu J. M, Sotnikova T. D, Gainetdinov R. R, Caron M. G. Paradoxical striatal cellular signalling responses to psychostimulants in hyperactive mice // J. Biol. Chem. - 2006. - V. 281. - P. 32072--32080.

3. Beaulieu J. M., Tirotta E., Sotnikova T. D., Masri B., Salahpour A. et al. Regulation of Akt signalling by D2 and D3 dopamine receptors in vivo // J. Neurosci. - 2007. - V. 27. - P. 881--885.

4. Beaulieu J. -M., Gainetdinov R. R., Caron M. G. Akt/GSK3 Signaling in the Action of Psychotropic Drugs // Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. - 2009. - V. 49. - P. 327--347.

5. Bohn L. M., Gainetdinov R. R., Sotnikova T. D., Medvedev I. O., Lefkowitz R. J. et al. Enhanced rewarding properties of morphine, but not cocaine, in beta(arrestin)-2 knock-out mice // J. Neurosci. - 2003. - V. 23. - P. 10265--10273.

6. Chen P. C., Lao C. L., Chen J. C. Dual alteration of limbic dopamine D1 receptor-mediated signalling and the Akt/GSK3 pathway in dopamine D3 receptor mutants during the development of methamphetamine sensitization // J. Neurochem. - 2007. - V. 100. - P. 225--241.

7. Dummler B., Tschopp O., Hynx D., Yang Z. Z., Dirnhofer S., Hemmings B. A. Life with a single isoform of Akt: Mice lacking Akt2 and Akt3 are viable but display affected glucose homeostasis and growth deficiencies // Mol. Cell. Biol. - 2006. - V. 6. - P. 8042--8051.

8. Emamian E. S., Hall D., Birnbaum M. J., Karayiorgou M., Gogos J. A. Convergent evidence for impaired AKT1-GSK3beta signaling in schizophrenia // Nat. Genet. - 2004. - V. 36. - P. 131--137.

9. Fedorenko O., Strutz-Seebohm N., Henrion U., Ureche O. N., Lang F., Seebohm G., E. Lang U. E. A schizophrenia-linked mutation in PIP5K2A fails to activate neuronal M channels // Psychopharmacology. - 2008. - V. 199. - P. 47--54.

10. Frame S., Cohen P. GSK3 takes centre stage more than 20 years after its discovery // Biochem. J. - 2001. - V. 359. - P. 1--16.

11. Gainetdinov R. R., Premont R. T., Bohn L. M., Lefkowitz R. J., Caron M. G. Desensitization of Gprotein-coupled receptors and neuronal functions // Annu. Rev. Neurosci. - 2004. - V. 27. - P. 107--144.

12. Gonzґalez-Maeso J., Ang R. L., Yuen T., Chan P., Weisstaub N. V. et al. Identification of a serotonin/ glutamate receptor complex implicated in psychosis // Nature. - 2008. - V. 452. - P. 93--97.

13. Gould T. D., Einat H., Bhat R., Manji H. K. AR-A014418, a selective GSK-3 inhibitor, produces antidepressant-like effects in the forced swim test // Int. J. Neuropsychopharmacol. - 2004. - V. 7. - P. 387--390.

14. Hansen H. H., Andreasen J. T., Weikop P., Mirza N., Scheel-Krьger J., Mikkelsen J. D. The neuronal KCNQ channel opener retigabine inhibits locomotor activity and reduces forebrain excitatory responses to the psychostimulants cocaine, methylphenidate and phencyclidine // Eur. J. Pharmacol. - 2007. - V. 570. - P. 77--88.

15. Hu H., Vervaeke K., Storm J. F. M-channels - Kv7/KCNQ channels. - that regulate synaptic integration, excitability, and spike pattern of CA1 pyramidal cells are located in the perisomatic region // J Neurosci. - 2007. - V. 27. - P. 1853--1867.

16. Jacinto E., Facchinetti V., Liu D., Soto N., Wei S. et al. SIN1/MIP1 maintains rictor-mTORcomplex integrity and regulates Akt phosphorylation and substrate specificity // Cell. - 2006. - V. 127. - P. 125--137.

17. Kanakry C. G., Li Z., Nakai Y., Sei Y., Weinberger D. R. Neuregulin-1 regulates cell adhesion via an ErbB2/phosphoinositide-3 kinase/Akt-dependent pathway: potential implications for schizophrenia and cancer // PLoS ONE. - 2007. - V. 2. - P. 1369.

18. Kang U. G., Seo M. S., Roh M. S., Kim Y., Yoon S. C., Kim Y. S. The effects of clozapine on the GSK-3 - mediated signaling pathway // FEBS Lett. - 2004. - V. 560. - P. 115--119.

19. Kapur S., Remington G. Atypical antipsychotics: new directions and new challenges in the treatment of schizophrenia // Annu. Rev. Med. - 2001. - V. 52. - P. 503--517.

20. Lefkowitz R. J., Shenoy S. K. Transduction of receptor signals by beta-arrestins // Science. - 2005. - V. 308. - P. 512--517.

21. Li X., Rosborough K. M., Friedman A. B., Zhu W., Roth K. A. Regulation of mouse brain glycogen synthase kinase-3 by atypical antipsychotics // Int. J. Neuropsychopharmacol. - 2007. - V. 10. - P. 7--19.

22. Powell S. B., Geyer M. A. Overview of animal models of schizophrenia // Curr. Protoc. Neurosci. - 2007. - Chapter 9. - Unit 9. - P. 24.

23. Prickaerts J., Moechars D., Cryns K., Lenaerts I., van Craenendonck H. et al. Transgenic mice overexpressing glycogen synthase kinase 3в: a putative model of hyperactivity and mania // J. Neurosci. - 2006. - V. 26. - P. 9022--9029.

24. Roh M. S., Seo M. S., Kim Y., Kim S. H., Jeon W. J. et al. Haloperidol and clozapine differentially regulate signals upstream of glycogen synthase kinase 3 in the rat frontal cortex // Exp. Mol. Med. - 2007. - V. 39. - P. 353--360.

25. Schwab S. G., Hoefgen B., Hanses C., Hassenbach M. B., Albus M. et al. Further evidence for association of variants in the AKT1 gene with schizophrenia in a sample of European sib-pair families // Biol. Psychiatry. - 2005. - V. 58. - P. 446--450.

26. Schwab S. G., Knapp M., Sklar P., Eckstein G. N., Sewekow C., Borrmann-Hassenbach M., Albus M., Becker T., Hallmayer J. F., Lerer B., Maier W., Wildenauer D. B. Evidence for association of DNA sequence variants in the phosphatidylinositol-4-phosphate 5-kinase IIalpha gene (PIP5K2A) with schizophrenia // Mol. Psychiatry. - 2006. - V. 11. - P. 837--846.

27. Seeman P., Weinshenker D., Quirion R., Srivastava L. K., Bhardwaj S. K. et al. Dopamine supersensitivity correlates with D2High states, implying many paths to psychosis // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. - 2005. - V. 102. - P. 3513--3518.

28. Sei Y., Ren-Patterson R., Li Z., Tunbridge E. M., Egan M. F. et al. Neuregulin1-induced cell migration is impaired in schizophrenia: association with neuregulin1 and catechol-O-methyltransferase gene polymorphisms // Mol. Psychiatry. - 2007. - V. 12. - P. 946--957.

29. Thirthalli J., Benegal V. Psychosis among substance users // Curr Opin Psychiatry. - 2006. - V. 19. - P. 239--245.

30. Thiselton D. L., Vladimirov V. I., Kuo P. H., McClay J., Wormley B. et al. AKT1 is associated with schizophrenia across multiple symptom dimensions in the Irish study of high density schizophrenia families // Biol. Psychiatry. - 2008. - V. 63. - P. 449--57.

Размещено на Allbest.ru