Мутация гена фосфодиэстеразы улучшила память мышей с болезнью Альцгеймера

Рис. 1. Мышь пытается пройти лабиринт Барнса (Barnes maze) — ключевой тест для оценки пространственной памяти у мышей, используемый в настоящей статье. Принцип его работы объяснен ниже в тексте. Фото с сайта en.wikipedia.org

Британские исследователи обнаружили, что мутация в гене фермента фосфодиэстеразы 4Β у мышей нивелирует эффект мутаций, приводящих к развитию болезни Альцгеймера. Такие двойные мутанты проходили тесты в лабиринте почти так же успешно, как их здоровые сородичи. Показатели метаболизма мозга и воспаления нервной ткани у них тоже мало отличались. При этом у двойных мутантов в мозге амилоид откладывался так же интенсивно, как и у обычных мышей с «альцгеймеровскими» мутациями. Эти результаты — еще одно свидетельство того, что амилоид, вероятно, не является первопричиной болезни Альцгеймера.

Болезнь Альцгеймера — самая распространенная причина старческого слабоумия — поражает каждого десятого человека в возрасте более 65 лет. Начинаясь с легких нарушений памяти, она постепенно прогрессирует до неспособности себя обслуживать и узнавать близких и, в конечном итоге, неминуемо приводит к смерти. Это нейродегенеративное заболевание до сих пор не имеет лечения, способного остановить процесс разрушения мозга или обратить его вспять. Лекарства, улучшающие когнитивные функции у таких пациентов, дают лишь временный эффект.

Надежды на поиск по-настоящему эффективного лекарства от этой болезни долгое время связывались с расшифровкой механизма ее развития. В научном сообществе господствовала гипотеза, что причиной болезни является накопление в ткани головного мозга аномального белка — бета-амилоида, и именно на его накопление фармакологи пытались повлиять, разрабатывая антитела к нему или ингибиторы образующих его ферментов (бета- и гамма-секретазы разрезают белок, который так и называется — предшественник бета-амилоида, APP, — на пептиды, часть из которых откладывается в виде бляшек). Однако, недавно десятки лет исследований в этом направлении практически пошли прахом — почти все, что мы знали о возможной роли амилоида как причины развития болезни Альцгеймера, базировалось на работах нейробиолога Сильвена Лесне (Sylvain Lesné). Масштабное расследование, опубликованное в журнале Science, показало, что Лесне просто систематически подрисовывал на вестерн-блотах полоски, соответствующие аномальному белку, тем самым фальсифицируя свои данные (подробнее см. В статьях о механизме развития болезни Альцгеймера обнаружены систематические фальсификации, «Элементы», 17.09.2022). Амилоидная гипотеза резко пошатнулась. Хотя опыты на животных по-прежнему показывают не последнюю роль бета-амилоида в развитии заболевания, надежды победить болезнь путем его устранения стало гораздо меньше.

Но похоже, что новое исследование на мышах может дать новую надежду — причем на молекулярном уровне она пришла откуда не ждали. Исследователи из двух британских университетов — университета Лидса и университета Ланкастера — использовали хорошо известную линию мышей, несущих человеческий ген белка APP — предшественника бета-амилоида — с целыми тремя мутациями. Каждая из этих мутаций у человека неминуемо приводит к развитию болезни Альцгеймера. Мыши с таким «комбо» тоже обречены заболеть.

Одним из симптомов болезни Альцгеймера является нарушение пространственной памяти. В фильме «Проект Альцгеймер: Записи потерянной памяти» хорошо отображена ее постепенная утрата: сначала пациент становится неспособным пройти экзамен на право управления автомобилем, а потом начинает теряться и при пешем передвижении. «Я теряюсь во дворе собственного дома. Я не знаю, куда шел, и забываю, как вернуться домой. <...> Пока мне удавалось вернуться обратно. <...> Меня пугает не незнание, а вопрос о том, когда я дойду до той черты, переступив которую, уже не смогу вернуться», — пишет герой фильма с развернутой клиникой болезни Альцгеймера в своем блоге.

Но мыши не водят автомобилей и не ведут блогов, где могли бы пожаловаться на потерю способности ориентироваться, — поэтому для них приходится придумывать свои тесты. Одним из них является лабиринт Барнса (Barnes maze, рис. 1) — установка в виде открытого белого диска без препятствий, по краям которого располагаются отверстия. Большинство отверстий закрыты заглушками или ведут в ячейки небольшого размера, куда мышь (или крыса) поместиться не может, однако под одной из них находится маленькое убежище, где можно спрятаться.

Подопытное животное высаживают в центр ярко освещенного диска, а поскольку мыши не любят яркий свет, то задача ясна им инстинктивно: нужно побыстрее найти свою «норку» по ориентирам, размещенным на краю диска. Испытание повторяют в течение нескольких дней, и нормальная здоровая мышь после нескольких попыток должна находить убежище быстро и уверенно. Мыши, страдающие болезнью Альцгеймера, теряются (как человек, который не может найти свой дом) и вместо того, чтобы бежать прямо к «норке», беспорядочно бегают по диску, засовывая мордочку в ложные отверстия (рис. 2). Система видеофиксации позволяет объективизировать оценку выполнения задания мышью, записывая длину пройденного пути и время, проведенное у ложных отверстий.

Рис. 2. Траектории здоровой (слева) и «альцгеймеровской» (справа) мыши в лабиринте Барнса. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Для исследования были взяты обычные мыши дикого типа без мутаций, мыши с упомянутым выше набором «альцгеймеровских» мутаций и третья линия, полученная скрещиванием «альцгеймеровских» мышей с мышами, несущими мутантную копию гена Pde4b. Этот ген кодирует один из многочисленных изоферментов фосфодиэстеразы — фермента, расщепляющего циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) и циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ) внутри клетки.

ЦАМФ и цГМФ известны как ключевые молекулы, передающие сигналы внутри (практически любой) клетки. «Смысл» такого сигнала и реакция на него зависит от конкретного типа клетки. Очевидно, что фосфодиэстеразы, расщепляя эти молекулы, влияют на важнейшие сигнальные пути клетки. Но еще интереснее, что ген PDE4B — человеческий гомолог мышиного Pde4b — ранее был идентифицирован как связанный с риском болезни Альцгеймера (а также гастроэзофагеальной рефлюксной болезни; см. E. Adewuyi et al., 2022. A large-scale genome-wide cross-trait analysis reveals shared genetic architecture between Alzheimer’s disease and gastrointestinal tract disorders).

В итоге третья линия мышей оказалась двойными мутантами: они несли в себе мутантный ген App, продукт которого с возрастом неминуемо должен был отложиться в виде амилоида, и инактивированную фосфодиэстеразу 4B, неспособную выполнять свои биохимические функции. Плохая новость состоит в том, что амилоид у них откладывался как у обычных «альцгеймеровских» мышей из второй группы. А хорошая новость — что лабиринт Барнса они проходили почти так же хорошо, как свои обычные сородичи дикого типа (рис. 3). Будь мышь из «двойной мутантной» группы человеком, она, возможно, разучилась бы водить машину... но дорогу к дому бы не потеряла.

Рис. 3. «Двойные мутанты» (App^NL-G-F/Pde4b^Y358C, фиолетовый цвет) лишь незначительно отличаются от здоровых мышей дикого типа (WT, бирюзовый цвет) по показателям длины пути, числа ошибок и попаданий мордочкой в ложные лунки в лабиринте Барнса, в отличие от обычных «альцгеймеровских» мышей (App^NL-G-F, красный цвет). A — первичная задержка (время от начала испытания до первого достижения мышью убежища), B — длина пройденного пути, C — количество ошибок, D, E, F — время, проведенное мышью в области, обозначенной голубым цветом, G — тепловые карты, показывающие, сколько раз мышь сунула мордочку в ту или иную лунку. Рисунок из обсуждаемой статьи

Позитронно-эмиссионная томография выявила дополнительные обнадеживающие признаки у «двойных мутантов»: у них не снижалась скорость метаболизма глюкозы в мозге. Это снижение — один из первых и грозных признаков болезни Альцгеймера, появляющийся раньше ощутимых структурных изменений мозга и даже до развития симптомов. Обычные «альцгеймеровские» мыши его демонстрировали, а вот мыши, которым дополнительно выключили фосфодиэстеразу — нет. На снимках ПЭТ их мозг «светился» лишь чуть менее ярко, чем у контрольной группы дикого типа (рис. 4).

Рис. 4. Позитронно-эмиссионные томограммы (ПЭТ) различных отделов мозга мышей из трех участвовавших в экспериментах групп, показывающие уровень метаболизма глюкозы. Чем «теплее» цвет, тем интенсивнее мозг метаболизирует глюкозу. WT — дикий тип, App^NL-G-F — «альцгеймеровские» мыши, App^NL-G-F/Pde4b^Y358C — «двойные мутанты». Заметно, что у «двойных мутантов» снижение метаболизма глюкозы незначительно по сравнению с обычным и «альцгеймеровскими» мышами. Рисунок из обсуждаемой статьи

К сожалению, все мыши были убиты в ходе эксперимента. Это было необходимо, чтобы оценить интенсивность воспаления в их мозге — для этого мозг гомогенизируют до состояния жидкой кашицы и измеряют в этой кашице уровень определенных белков, маркеров воспаления. У двойных мутантов он также оказался ниже, чем у обычных «альцгеймеровских» мышей. Получается, что «отключение» гена фосфодиэстеразы резко смягчает симптомы болезни Альцгеймера и улучшает метаболизм клеток мозга, несмотря на продолжающееся отложение амилоида. Так может, и новые лекарства должны быть направлены вовсе не на него?

Это исследование стало еще одним доказательством, что блокирование фосфодиэстеразы 4B может помочь пациентам с болезнью Альцгеймера. Исследователи активно накапливают свидетельства в пользу этого в последние годы. В частности, было показано, что имеющиеся ингибиторы фосфодиэстеразы могут замедлять прогрессирование болезни Альцгеймера у мышей и человека (J. Sheng et al., 2022. Inhibition of phosphodiesterase: A novel therapeutic target for the treatment of mild cognitive impairment and Alzheimer’s disease), а у пациентов с этой болезнью нарушена внутриклеточная сигнализация через цАМФ и цГМФ (O. Sanders, L. Rajagopal, 2020. Phosphodiesterase Inhibitors for Alzheimer’s Disease: A Systematic Review of Clinical Trials and Epidemiology with a Mechanistic Rationale). Пока до конца не ясно, как именно фосфодиэстераза 4B связана с гибелью нейронов при болезни Альцгеймера, но все предложенные механизмы связаны с ее биохимической функцией по расщеплению цАМФ и цГМФ. А значит, если заблокировать этот фермент каким-нибудь специфичным ингибитором, эффект будет такой же, как и от его генетического выключения. Такие ингибиторы ученые уже ищут — благо фосфодиэстеразы можно блокировать флавоноидами, кофеином, капсаицином (жгучим веществом перца), ресвератролом (антиоксидантом из красного вина) и антидепрессантом ролипрамом. Однако, прежде чем такой метод будет исследован на людях, на основе этих веществ нужно создать именно специфичный ингибитор — имеющиеся соединения блокируют сразу несколько подтипов фосфодиэстераз, приводя к побочным эффектам.

Как только такой ингибитор будет создан, новая надежда появится не только у пациентов с болезнью Альцгеймера — исследователи надеются применить его у пациентов с болезнью Хантингтона, другим нейродегенеративным заболеванием. Но даже если и эта попытка окажется неудачной, серия исследований по фосфодиэстеразе 4Β имеет все шансы оказаться переворотом в исследовании болезни Альцгеймера. Ведь обсуждаемая работа наглядно показала, что болезнь можно затормозить, никак не влияя на отложения амилоида. Амилоидную теорию по-прежнему рано списывать со счетов — но, возможно, стоит окончательно перестать гоняться за амилоидом при разработке лекарств от болезни Альцгеймера, сосредоточившись на других мишенях.

Источник: Paul Armstrong, Hüseyin Güngör, Pariya Anongjanya, Clare Tweedy, Edward Parkin, Jamie Johnston, Ian M. Carr, Neil Dawson & Steven J. Clapcote. Protective effect of PDE4B subtype-specific inhibition in an App knock-in mouse model for Alzheimer’s disease // Neuropsychopharmacology. 2024. DOI: 10.1038/s41386-024-01852-z.

Георгий Куракин