Новое исследование предполагает, что определенные типы клеток мозга могут быть "придирчивые едоки," кажется, что предпочитает один конкретный источник энергии другим. Открытие имеет значение для понимания снижения когнитивных функций, наблюдаемого при старении и дегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера и рассеянный склероз.
Изучая мышей, исследователи из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе. Луи показал, что особый источник энергии, называемый НАД, важен для клеток, отвечающих за поддержание общей структуры мозга и выполнение сложных когнитивных функций. НАД (никотинамидадениндинуклеотид) – это молекула, которая собирает энергию из питательных веществ, содержащихся в пище, и преобразует ее в форму, которую клетки могут использовать.
Работа опубликована в двух журнальных статьях – в выпуске от 8 мая EMBO Journal, публикации Европейской организации молекулярной биологии, и в недавнем выпуске журнала Neuroscience.
"Мы заинтересованы в понимании того, как клетки производят НАД и какие последствия это имеет для клеточной функции, особенно в контексте старения и долголетия," сказал Син-ичиро Имаи, доктор медицины, доктор философии, профессор биологии развития и медицины и старший автор обеих статей. "Мы знаем, например, что уровни НАД снижаются с возрастом в таких тканях, как мышцы и жир. Мы хотели узнать, верно ли то же самое в мозгу."
Исследователи рассмотрели два типа клеток головного мозга: взрослые нервные стволовые клетки, отвечающие за поддержание запасов нейронов и поддерживающих их клеток, и нейроны переднего мозга, жизненно важные для выполнения сложных когнитивных задач.
В журнале EMBO Journal они сообщили, что с возрастом уровни НАД снижались в гиппокампе мышей, важной области мозга для познания. Затем исследователи использовали генетические методы, чтобы выяснить, что произойдет, если производство НАД будет отключено во взрослых нервных стволовых клетках мозга мыши.
"Нервные стволовые клетки очень дороги с точки зрения метаболизма, поэтому можно ожидать, что они будут особенно уязвимы к потере источника энергии," сказал первый автор Лиана Робертс Штайн, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Имаи. "Есть и другие источники энергии для клеток мозга, такие как глюкоза, но никто никогда не смотрел, откуда в этих клетках поступает НАД."
По словам исследователей, существует четыре пути синтеза НАД, и ученые сосредоточились только на одном. Они хотели выяснить, важен ли этот конкретный путь – давний фокус лаборатории Имаи для этих клеток или другие пути могут компенсировать.
Путь начинается с никотинамида витамина B. Клетки принимают диетический никотинамид и с помощью вспомогательного белка под названием Nampt производят молекулу под названием NMN, которая затем обрабатывается для получения NAD. Когда Стейн исключил Nampt из нервных стволовых клеток, произошло несколько значительных изменений.
Уровень НАД упал, и нервные стволовые клетки перестали делиться; они перестали обновляться; и они перестали создавать важные клетки, изолирующие аксоны, "провода" которые передают электрические сигналы по всему мозгу. При меньшей изоляции эти сигналы замедляются, нарушая работу мозга.
Имаи и Стейн указали на возможные терапевтические последствия этого открытия, особенно в свете того, что известно о когнитивном снижении при старении и некоторых заболеваниях.
"Ученые показали, что с возрастом на самом деле не происходит значительного уменьшения общей популяции нейронов," Штейн сказал. "Но наблюдается довольно значительное уменьшение белого вещества, которое в основном состоит из клеток, которые функционируют в изоляции аксонов. Этот путь также может иметь значение в условиях, связанных с потерей клеток, которые образуют эту изоляцию, например, при рассеянном склерозе."
Имаи и Штейн также обнаружили, что они могут предотвратить потерю нервных стволовых клеток, лишенных Nampt, путем введения мышам NMN, следующей молекулы в цепи событий, ведущих к NAD.
"Мы давали мышам NMN с питьевой водой в течение 12 месяцев," Штейн сказал. "А при более высокой дозе мы увидели спасение пула нервных стволовых клеток у старых мышей."
Имаи назвал это открытие захватывающим, потому что оно поддерживает возможность будущего дополнения NMN.
"Мы думаем, что NMN может оказывать аналогичный эффект на людей," Имаи сказал. "Будущее клиническое испытание NMN покажет нам, имеет ли он какую-либо эффективность на людях."
Помимо поддержания популяции стволовых клеток и снабжения мозга всеми типами клеток, исследователи показали, что НАД также жизненно важен для самого процесса познания.
В отчете The Journal of Neuroscience они показали, что нейроны переднего мозга мышей сильно зависят от NAD в нормальной когнитивной функции. Вместо удаления Nampt в стволовых клетках, на этот раз Стейн удалил его только в нейронах переднего мозга. Все остальные клетки были нормальными, включая те, которые производят изоляцию аксонов.
По словам исследователей, без Nampt и его конечного продукта, NAD, в нейронах переднего мозга поведение мышей резко изменилось.
"Мыши были действительно гиперактивными, с двукратным увеличением уровня активности," Штейн сказал. "Они также показали потерю тревожного поведения. Эти мыши, похоже, не чувствовали и не боялись потенциально опасных ситуаций и демонстрировали довольно серьезные дефекты памяти."
Стейн указал, что эти нейроны находятся в области мозга, которая, как известно, особенно уязвима для нейродегенеративных состояний, от болезни Альцгеймера до инсульта.
"Возможно, что зависимость этих нейронов от Nampt является причиной их чрезвычайной восприимчивости к этим условиям," она сказала. "Было бы интересно смоделировать некоторые из этих заболеваний на мышах и посмотреть, приносит ли добавление NMN какую-либо пользу их поведению или памяти."
"Мы еще не сделали этого исследования," Имаи добавил. "Но это направление, в котором движется все поле."