Гены, ассоциированные с болезнью Альцгеймера. Наследственная болезнь Альцгеймера

Большинство случаев БА являются спорадическими и характеризуются поздним проявлением симптомов - в возрасте от 60-65 лет. Несмотря на то что близнецовый метод указывает на генетическую причину БА с поздним проявлением симптомов, ген, ассоциированный c этим заболеванием, так и не был обнаружен (Bekris et al., 2010).

Около 6% всех случаев заболевания БА характеризуются ранним проявлением симптомов - в возрасте от 40 до 60 лет - 13% таких случаев являются генетически наследуемыми по аутосомно-доминантному типу, т.е. наследственной формой болезни Альцгеймера (НБА). НБА связана с мутациями в трех генах: APP, PSEN1 и PSEN2 (Bekris et al., 2010; Scheuner et al., 1996).

Тот факт, что у людей с синдромом Дауна, достигших возраста около 40 лет, присутствуют амилоидные образования в мозге, позволило связать ген APP, локализованный на 21 хромосоме, с БА (Giaccone et al., 1989). Ген APP кодирует белок- предшественник амилоида (Thinakaran, Koo, 2008). Существует несколько изоформ белка APP, образующихся за счет альтернативного сплайсинга, которые отличаются друг от друга по длине аминокислотной последовательности и по распределению в тканях организма.

Мутации в гене APP составляют 15% случаев НБА с ранним проявлением симптомов в возрасте от 40 до 50 лет (Janssen et al., 2003; Raux et al., 2005). Было идентифицировано более 32 мутаций в гене белка предшественника амилоида, связанных с НБА и локализованных преимущественно в сайте ферментативного разрезания секретазами. Наиболее изученными являются мутации APP (обозначаемая в литературе также как «Swedish», APPSW, APPKM670/671NL) и APP_lon (обозначаемая «London», APPLON, APP717I), приводящие к усиленной продукции Ap42 (Bekris et al., 2010). Расщепление белка APP а-секретазой (изоформы ADAM-9, ADAM-10, ADAM-17) приводит к образованию C-терминального фрагмента C83, альтернативное разрезание Р-секретазой (изоформы BACE1, BACE2) приводит к образованию фрагмента C99. Процессинг C83- и С99-фрагментов завершает у-секретаза с образованием фрагментов р3 и Ap соответственно. В зависимости от точки разрезания у-секретазой фрагмента C99 образуется либо 40 аминокислотный (AP40), либо 42 аминокислотный (AP42) экстраклеточный фрагмент Ap (Thinakaran et al., 2008). В случае БА равновесие между данными формами смещено в сторону AP42, более склонного к олигомеризации и формированию бляшек. Многие мутации в гене APP или фармакологическое ингибирование а-секретазы приводят к преобладанию Р-секретазного пути процессинга над а-секретазным путем процессинга APP и повышенному образованию Ap (Nunan, Smal, 2000). Активность а-секретазы находится под контролем протеинкиназы С (PKC) и зависит от концентрации кальция в цитоплазме (Nelson et al., 2009). Наиболее токсичными считаются растворимые олигомеры Ap, состоящие из 2-12 пептидов (Demuro et al., 2010; Lacor et al., 2007).

Белки пресенилины известны как основные компоненты протеазного комплекса у-секретазы - аспартиловой протеазы, осуществляющей разрезание белка APP (Thinakaran et al., 2008). Мутации в гене белка пресенилин-1 (PSEN1) относятся к 40% случаев аутосомно-доминантного наследования БА с ранним началом проявления симптомов в возрасте от 40 лет, и только 1% случаев приходится на мутации в гене белка пресенилин-2 (PSEN2). Более 176 разных мутаций, связанных с НБА, известны в гене белка пресенилин-1 и 14 мутаций в гене белка пресенилин-2. Дефекты в гене белка пресенилин-1 приводят к быстрой прогрессии заболевания, сопровождающейся паркинсонизмом (Bekris et al., 2010; Wolfe, 2007).

Ген PSEN1 локализован на 14-й хромосоме и кодирует трансмембранный белок пресенилин-1 (PS1), состоящий из 467 аминокислот. Его гомолог PSEN2 локализован на 1-й хромосоме и кодирует белок пресенилин-2 (PS2) , состоящий из 448 ами - нокислот. Белки PS1 и PS2 экспрессируются преимущественно в тканях головного мозга. Они имеют массу около 50 ^a, состоят из 9 трансмембранных доменов и локализованы в мембранах аппарата Гольджи и эндоплазматического ретикулума (ЭР) (Bekris et al., 2010). Было показано, что PS1 и PS2 способны формировать ионные каналы с низкой проводимостью. Эти каналы опосредуют выход кальция из просвета ЭР в цитоплазму за счет градиента концентрации кальция (Nelson et al., 2007; Tu et al., 2006). Кроме того, пресенилины подвергаются эндопротеолизу с образованием С-концевого (CTF) и N-концевого (NTF) фрагментов массой 18 ^a и 28 ^a для PS1 и 23 ^a и 35 ^a для PS2 соответственно. Разрезание происходит внутри гидрофильной петли между 6 и 7 трансмембранными доменами (HL), что, по всей видимости, изменяет конформацию фермента и переводит его в активное состояние. Ключевым моментом в активации эндопротеолиза является связывание белка PS1 с белком PSENEN ( pres eni l in enhance r 2 ).

Мыши с нокаутом гена белка PS1 нежизнеспособны (PSEN1^-/-). Мыши с условным двойным нокаутом гена в переднем мозге в постнатальном периоде жизнеспособны, но демонстрируют нарушения когнитивных способностей - запоминания и ориентации в пространстве (Shen et al., 1997; Yu et al., 2001). В нейронах таких мышей были обнаружены нарушения процесса выброса нейромедиаторов, долгосрочной по- тенциации, и сниженная экспрессия белков, находящихся под контролем транскрипционного фактора CREB (Saura et al., 2004; Watanabe et al., 2009; Zhang et al., 2009а, 2010). Было показано, что данные нарушения кальций-зависимы (Zhang et al., 2010). Мыши PSEN2^-- практически не отличаются от мышей дикого типа. По всей видимости, белок PS1 более важен для нормального развития и функционирования нервной системы, чем белок PS2, что может объяснять преобладающее количество мутаций в гене белка PS1, связанных с БА (Elder et al., 2010). Мутации в генах PSEN1 и PSEN2 приводят к увеличению продукции Ap42 и изменению соотношения Ap42:Ap40 в пользу Ap42 (Bentahir et al., 2006; Page et al., 2007; Kuperstein et al., 2010).

Каким образом реализуется данный процесс, точно неизвестно. Существовало предположение, что мутации приводят к усилению функции у-секретазы. Однако ряд исследований показал, что мутации приводят скорее к гипофункции у-секретазы (Wolfe, 2007).

Другим объяснением влияния мутаций в гене PSEN1 на образование Ap является преобладание пути разрезания белка APP Р-секретазой BACE1 за счет уменьшения роли а-секретазы и/или повышения роли секретазы BACE1. Увеличение экспрессии и активности секретазы BACE1 было обнаружено в мышиных фибробластах экспрессирующих белки с мутациями PS1 M146V, S170F и L392V (Giliberto et al., 2008). Данные изменения могут быть связаны с влиянием белков PS1 и PS2 на кальциевый гомеостаз, так как экспрессия секретазы BACE1 находится под контролем транскрипционного фактора NFkB или CREB (Nunan, Smal, 2000; Buggia- Prevot et al., 2008), а активность а-секретазы находится под контролем PKC (Hung et al., 1993; Sinha, Lieberburg, 1999), регулируемых, в свою очередь, концентрацией внутриклеточного кальция.

3.