Нарушения кальциевой сигнализации, как основа селективной уязвимости нейронов при различных нейродегенеративных патологиях

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-14-00218

НазваниеНарушения кальциевой сигнализации, как основа селективной уязвимости нейронов при различных нейродегенеративных патологиях

Руководитель Вигонт Владимир Александрович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт цитологии Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-205 - Клеточная биология, цитология, гистология

Ключевые слова Нейродегенерация, болезнь Хантингтона, болезнь Паркинсона, латеральный амиотрофический склероз, кальций, депо-управляемый вход кальция, каналопатии, индуцированные плюрипотентные стволовые клетки

Код ГРНТИ34.15.43

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Нейродегенеративные заболевания являются одной из наиболее острых проблем, стоящих перед лицом современной медицины. Обычно, при нейродегенеративных патологиях наблюдается селективная гибель определенных типов нейронов. Так при болезни Альцгеймера (AD) дегенеративные процессы затрагивают, прежде всего, нейроны гиппокампа и коры больших полушарий, при болезни Паркинсона (PD) - дофаминэргических нейронов черной субстанции (DNs), для болезни Хантингтона (HD) характерна избирательная гибель ГАМК-эргических срединных шипиковых нейронов стриатума (MSNs), а для бокового амиотрофического склероза (ALS) - мотонейронов (MNs). При этом, в большинстве случаев, мутантные белки, вызывающие то или иное заболевание, экспрессируются повсеместно, а не только в поражаемых регионах. Все эти данные позволяют сформулировать одну из наиболее интригующих и важных задач современной нейробиологии: каковы причины селективной гибели нейронов при различных нейродегенеративных заболеваниях? Решение этой проблемы поможет глубже понять основы нейродегенеративных процессов, будет способствовать разработке новых подходов к таргетной терапии нейродегенеративных заболеваний, созданию высокоспецифичных нейропротективных препаратов, в том числе, профилактических, то есть способных замедлить естественные возрастные дегенеративные изменения мозга. К механизмам, которые могут лежать в основе феномена селективной уязвимости нейронов, на данный момент относят: разницу в накоплении нерастворимых агрегатов мутантных белков и особенности протеостаза, дифференциальную экспрессию генов, отличия в субъединичном составе рецепторов нейротрансмиттеров, особенности дисфункции митохондрий и, наконец, отличия в нарушениях кальциевого гомеостаза. Причем, дисрегуляция кальциевой сигнализации, согласно имеющимся на сегодня данным, присуща большинству из перечисленных выше механизмов. Нарушения кальциевой сигнализации были отмечены для AD, PD, HD, ALS спиноцеребеллярных атаксий и множества других нейродегенеративных патологий. В частности, для ряда заболеваний были выявлены нарушения в работе кальциевых каналов, в том числе, потенциал-управляемых, лиганд-управляемых и каналов, обеспечивающих депо-управляемый вход кальция (SOCE). В то же время вопрос о конкретных механизмах изменений кальциевой сигнализации в различных типах нейронов при нейродегенеративных заболеваниях остается открытым. Предлагаемый Проект будет направлен на изучение отличий в функционировании кальциевых каналов в различных типах нейронов и призван дополнить сформулированную ранее «кальциевую гипотезу нейродегенерации» (Khachaturian 1984; Bezprozvanny & Hayden, 2004) "кальциевой гипотезой селективной уязвимости нейронов". В качестве объектов исследования будут использованы три типа терминально дифференцированных нейронов, DNs, MSNs и MNs, полученных путем направленной дифференцировки индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSCs), специфичных для трех нейродегенеративных заболеваний, PD, HD и ALS. Таким образом, для каждого из заболеваний будут исследованы основные элементы кальциевого сигналинга как в наиболее уязвимых нейронах, так и в двух типах нейронов, слабо подверженных дегенерации при данной конкретной патологии. Помимо выявления паттернов электрофизиологических ответов, в рамках предлагаемого Проекта планируется уделить особое внимание исследованию нарушений в экспрессии регуляторных белков, определяющих вход кальция в клетку, в частности, каналоформерных белков семейств TRPC и Orai, а также белков активаторов SOCE STIM1 и STIM2, которые ранее были охарактеризованными нами, как вероятные молекулярные детерминанты, определяющие патологический кальциевый сигналинг в модели HD. В ходе Проекта также планируется изучить действие модуляторов кальциевого сигналинга, способных корректировать патологические состояния, и осуществить поиск новых соединений, обладающих подобной активностью. В первую очередь, будет изучена избирательность действия известного ингибитора SOCE и перспективного нейропротектора, EVP4593, на различные типы нейронов. С целью обнаружения новых модуляторов кальциевой сигнализации будет протестирован ряд растительных метаболитов и синтетических веществ, относящихся к классу дитиодиазолов, в ходе предварительного скрининга продемонстрировавших способность уменьшать SOCE. Фундаментальная значимость предлагаемого Проекта может быть обусловлена получением новых знаний о молекулярных механизмах, лежащих в основе феномена селективной гибели нейронов при различных нейродегенеративных патологиях, в то время как практическая значимость Проекта может определяться обнаружением новых мишеней для фармакологической коррекции состояний, связанных с этими заболеваниями, и разработкой прототипов лекарственных средств нейропротекторного характера. Список используемых источников: Bezprozvanny I., Hayden M.R. (2004) Deranged neuronal calcium signaling and Huntington disease. Biochem Biophys Res Commun. 322(4):1310–1317. doi: 10.1016/j.bbrc.2004.08.035 Khachaturian Z.S. (1984) Towards theories of brain aging. In Handbook of Studies on Psychiatry and Old Age. D. S. Kay & G. W. Burrows, Eds.: 7-30. Elsevier. Amsterdam.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Вигонт В.А., Грехнёв Д.А., Лебедева О.С., Беликова Л.Д., Клюшников С.А., Казначеева Е.В. Нарушения кальциевой сигнализации в клеточных моделях болезни Гентингтона Бюллетень Национального общества по изучению болезни Паркинсона и расстройств движений, № 2, С.33-37. (год публикации - 2022)
10.24412/2226-079X-2022-12431

2. Грехнёв Д.А., Кручинина А.А., Вигонт В.А., Казначеева Е.В. The Mystery of EVP4593: Perspectives of the Quinazoline-Derived Compound in the Treatment of Huntington’s Disease and Other Human Pathologies International Journal of Molecular Sciences, 23, 15724 (год публикации - 2022)
10.3390/ijms232415724

3. Лебедева ОС, Шарова ЕИ, Грехнёв ДА, Скородумова ЛО, Копылова ИВ, Васина ЕМ, Ошколова А, Новикова Ю, Крисанова АВ, Олехнович ЕИ, Вигонт ВА, Казначеева ЕВ, Богомазова АН, Лагарькова МА An Efficient 2D Protocol for Differentiation of iPSCs into Mature Postmitotic Dopaminergic Neurons: Application for Modeling Parkinson's Disease International journal of molecular sciences, 24(8):7297 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms24087297

4. Юлия Новикова, Дмитрий Грехнёв, Арина Ошколова, Мария Номеровская, Дмитрий Колесников, Алёна Крисанова, Валерий Юсковец, Никита Чернов, Игорь Яковлев, Елена Казначеева, Владимир Вигонт 1,2,3,4-dithiadiazole derivatives as a novel class of calcium signaling modulators BIOCHEMICAL AND BIOPHYSICAL RESEARCH COMMUNICATIONS, 691:149333 (год публикации - 2023)
10.1016/j.bbrc.2023.149333

5. Грехнёв Д.А., Новикова Ю.В., Крисанова А.В., Юсковец В.Н., Чернов Н.М., Яковлев И.П., Казначеева Е.В., Вигонт В.А. Dithiadiazole derivative 3-(4-nitrophenyl)-5-phenyl-3H-1,2,3,4-dithiadiazole-2-oxide - Novel modulator of store-operated calcium entry BIOCHEMICAL AND BIOPHYSICAL RESEARCH COMMUNICATIONS, V. 626. P. 38-43. (год публикации - 2022)
10.1016/j.bbrc.2022.08.001

6. Вигонт В.А., Казначеева Е.В. Нарушения депо-управляемого входа кальция при нейродегенеративных патологиях: история, факты, перспективы Биологические мембраны, том 41, № 5-6, с. 368–382 (год публикации - 2024)
10.31857/S0233475524050021

7. Грехнёв Д.А., Новикова Ю.В., Юсковец В.Н., Чернов Н.М., Яковлев И.П., Скопин А. Ю., Казначеева Е.В. ,Вигонт В.А. ПРОИЗВОДНОЕ ДИТИАДИАЗОЛА 3-(4-НИТРОФЕНИЛ)-5-ФЕНИЛ-3H-1,2,3,4-ДИТИАДИАЗОЛ-2-ОКСИД ИНГИБИРУЕТ ДЕПО-УПРАВЛЯЕМЫЕ КАЛЬЦИЕВЫЕ КАНАЛЫ, АКТИВИРУЕМЫЕ КАК STIM1, ТАК И STIM2 Бюллетень экспериментальной биологии и медицины (год публикации - 2024)

8. Скопин А.Ю., Казначеева Е.В. Депо-управляемый вход кальция – как важный механизм адаптации опухоли к агрессивному микроокружению Acta Naturae (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках отчетного периода показано, что в мотонейронах, специфичных для спиноцеребеллярной атаксии 17 типа, не наблюдается нарушений депо-управляемого и потенциал-управляемого входа кальция. Также мы продемонстрировали, что различные мутации, ассоциированные с болезнью Паркинсона, приводят к разным паттернам нарушений кальциевой сигнализации. При этом, нарушения депо-управляемого входа кальция наблюдается в высокоуязвимых дофаминергических нейронах, специфичных только для болезни Паркинсона, вызванной мутацией в гене, кодирующем LRRK2. Еще одним ключевым результатом стало обнаружение нейрональной специфичности экспрессии генов, кодирующих белки, поддерживающие депо-управляемый вход кальция. Эти данные позволили объяснить патологическое увеличение депо-управляемого входа кальция в дофаминергических нейронах, специфичных для болезни Паркинсона и в ГАМК-эргических срединных шипиковых нейронах стриатума, специфичных для спиноцеребеллярной атаксии 17 типа, по сравнению с аналогичными нейронами, специфичными для здоровых доноров. Примечательно, что молекулярные механизмы этого повышения оказались разные: оверэкспрессия активаторного белка STIM1 для болезни Паркинсона и оверэкспрессия каналоформерного белка TRPC1 для спиноцеребеллярной атаксии 17 типа. Полученные результаты свидетельствуют о важности дифференцированного подхода к терапии различных нейродегенеративных патологий и необходимости поиска высокоспецифичных модуляторов кальциевой сигнализации.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Открыт новый класс кальциевых модуляторов, которые в дальнейшем могут быть применены как в целях фундаментальной науки, так и для разработки лекарственных препаратов с нейропротекторным действием.