ающейся ЦНС

Ни один из исследованных генов Нох комплексов не экспрессируется в передних отделах головного мозга позвоночных в эмбриогенезе. Эти отделы не проявляют явных признаков сегментарного строения. Являясь относительно эволюционно новыми приобретениями, они, по-видимому, имеют специфичные механизмы генетической детерминации. Показано, в частности, что в детерминации отделов переднего и промежуточного мозга существенную роль играет ген Dlx, гомологичный го-мейотическому гену D11 дрозофилы (интересно, что последний не участвует в детерминации нейрогенеза у самой дрозофилы). Аналогично, в детерминации среднего мозга и, возможно, передних отделов мозжечка участвует протоонкоген Wnt-1 и го-меобокс-содержащие гены Еп-1 и -2.

Имеются данные, заставляющие по-новому взглянуть на вопрос о функциях гомеобокс-содержащих генов у высших животных. Клонирование генов, кодирующих транскрипционные факторы Oct-1, Oct-2 и Pit-1, показало, что они являются членами особого подсемейства гомеобокс-содержаших генов, в которое входит также ген Unc-86 нематод. Обшим признаком, объединяющим эти гены, является длинная консервативная последовательность, POU-домен (Pit, Oct, Unc), частью которой является гомеобокс. Ген Unc-86 участвует в детерминации нейронных линий у нематод. Несколько генов POU-подсемей-ства специфически экспрессируются в отделах мозга млекопитающих: Вгл-1, -2, -3 и Tst-I. Все четыре гена экспрессируются в эмбриональной нервной системе, включая клетки герминативных зон.

Динамика экспрессии индивидуальных генов в развивающемся мозге очень различна и по мере развития отделов мозга приобретает черты, отражающие их паттерн экспрессии в мозге взрослых животных. Экспрессия этих генов в клетках герминативных зон может означать, что судьба индивидуальных клеточных линий в нервной системе предопределена уже до начала их миграции из герминативной зоны.

По-видимому, кодируемые гомеобокс-содержащими генами транскрипционные факторы могут регулировать экспрессию генов не только в формирующихся клеточных линиях в раннем эмбриогенезе млекопитающих, но и в дифференцированных клетках взрослого организма, причем на очень разных уровнях клеточной специфичности.

Наконец, особого рассмотрения заслуживает тот факт, что в мозге млекопитающих есть ряд генов, особенно быстро реагирующих на разнообразные экстремальные воздействия. Их вклю-

34

чение в ряде ситуаций, в частности, сопровождающихся повышением уровня внутриклеточного Са2+, служит как бы первым относительно неспецифичным звеном реакции генома нейрона. Далее следует включение более специфичных участков генома. В число таких генов "первоочередного реагирования" (immediate-early genes) входят гены, открытые ранее в связи с исследованием протоонкогенов. В частности, гены c-fos и c-jun кодируют факторы — регуляторы транскрипции других генов,— белки Fos и Jun. Последние входят, в свою очередь, в состав белка АР-1, связывающегося с определенными локусами ДНК, — например возле 5'-конца гена, кодирующего фактор трофики нейронов — NGF. В экстремальных ситуациях — при эпилептических судорогах, требующих срочного усиления трофики нейронов,— этот механизм включает синтез NGF. Аналогичные механизмы с участием генов c-fos и c-jun срабатывают под влиянием болевых импульсов и других экстремальных воздействий на ЦНС, включая целые каскады транскрипции генов, кодирующих, например, такие противоболевые факторы, как опиодные пептиды и другие регуляторы. В последнее время c-fos и другие гены раннего реагирования нередко называют "третьим мессенджером". Наконец, появляется все больше данных об участии генов этого типа в механизмах запоминания (см. также соответствующий раздел гл. 9).

Выводы

1. Большинство нейронов ЦНС позвоночных являются диплоидными; небольшая доля нейронов в некоторых отделах ЦНС может содержать избыточное по сравнению с диплоидным количество ДНК.

2. Репликативный синтез ДНК в дифференцированных нейронах отсутствует; в мозге взрослых млекопитающих репликация ДНК связана главным образом с ограниченными процессами размножения глиальных клеток.

3. В клетках мозга млекопитающих имеются активно функционирующие системы репарации ДНК, поддерживающие целостность и эффективность генетического аппарата.

4. Хроматин нервных клеток имеет типичную для эукарио-тических клеток нуклеосомную организацию. Особенностями хроматина нейронов неокортекса млекопитающих являются необычно короткие нуклеосомные единицы, присутствие редких вариантов гистонов, высокое разнообразие негистоновьгх белков и высокая матричная активность.

35

5. В мозге млекопитающих экспрессируется несколько десятков тысяч уникальных генов, из которых не менее половины имеют мозгоспецифический характер экспрессии.

6. Огромное разнообразие экспрессируемых в мозге генов складывается из перекрывающихся, но не одинаковых популяций генов, экспрессируемых в отдельных нервных клетках.

7. Наряду с разнообразнейшими мозгоспецифическими мес-сенджер-РНК в центральной нервной системе синтезируется ограниченное число особых малых РНК с последовательностями нуклеотидов, общими для всех отделов мозга.

8. Разнообразие белков и регуляторных пептидов, синтезируемых в мозге, определяется не только большим набором экспрессируемых генов, но и системой альтернативного сплайсинга пре-мРНК.

36

Глава 2

Свободные аминокислоты нервной системы Л.М. Осадная

Свободные аминокислоты нервной ткани или так называемый аминокислотный пул на протяжении многих лет были объектом тщательного изучения. Это объясняется не только исключительной ролью аминокислот как источников синтеза большого числа биологически важных соединений, таких, как белки, пептиды, некоторые липиды, ряд гормонов, витаминов, биологически активных аминов и др. Аминокислоты или их дериваты участвуют и в синаптической передаче, в осуществлении межнейрональных сетей в качестве нейротрансмиттеров и нейромодуляторов. Существенной является также их энергетическая значимость, ибо аминокислоты глутаминовой группы непосредственно связаны с циклом трикарбоновых кислот.

2.1. СОДЕРЖАНИЕ, ЛОКАЛИЗАЦИЯ И ТРАНСПОРТ АМИНОКИСЛОТ

Транспорт аминокислот в мозг и из мозга, скорости их метаболических превращений, включения в белки и катаболизма определяют их концентрацию в этом органе. Состав пула свободных аминокислот при нормальных физиологических условиях довольно стабилен и характерен для мозга. Он лишь незначительно варьирует в мозге различных видов позвоночных. Нервная ткань обладает уникальной способностью поддерживать относительное постоянство уровней аминокислот при различных физиологических и даже некоторых патологических состояниях. Аминокислотный фонд мозга человека составляет в среднем 34 мкмоль на 1 г ткани (табл. 2.1), что значительно превышает их содержание как в плазме крови, так и в спинномозговой жидкости.

Характерны высокая концентрация глутаминовой кислоты, глу-тамина, аспарагеновой, N-ацетиласпарагиновой и у-аминомас-ляной (ГАМК) кислот, а также их интенсивный метаболизм. Эти пять аминокислот составляют 75% фонда всех свободных аминокислот головного мозга, причем ГАМК и N-ацетиласпараги-новая кислоты локализованы почти исключительно в нервной ткани. Высокие концентрации дикарбоновых аминокислот и

37

глутамина обнаружены в мозге всех изученных видов животных.

Таблица 2.1

Содержание свободных аминокислот в мозге, плазме крови и спинномозговой жидкости (СМЖ) человека (мкмоль/г ткани)

(G.Guroff, 1972)

Аминокислоты Мозг Плазма крови СМЖ Глугаминовая 10,6 75% 0,05 23% 0,225 60%

N-Ацетиласпарагиновая 57 - Глутамин 4,3 0,70 0,030 ГАМ К 2,3 - - Аспарагиновая 2,2 0,01 0,007 Цистатионин 1,9 25% - 77% - 40%

Таурин 1,9 0,10 - Глицин 1,3 0,40 0,013 Алании 0,9 0,40 0,017 Глутатион 0J ОДО 0,010 Серии 0,7 0,10 0,010 Треонин 0,2 0,15 0,025 Триптофан 0,05 0,05 0,010 В алии 0,2 0,25 0,013 Лизин 0,1 0,12 0,014 Лейцин 0,1 0,15 0,004 Пролин 0,1 ОДО - Аспарагин 0,1 0,07 - Метионин од 0,02 0,003 Изолейцин 0,1 ОДО 0,080 Аршнин 0,1 ОДО 0,060 Цистеин 0,1 ОДО 0,002 Фенил аланин ол 0,10 0,010 Тирозин 0,1 ОДО 0,006 Гистидин од ОДО 0,003 38

Постоянство суммарного аминокислотного пула головного мозга сопровождается региональной неоднородностью их содержания, что отражает морфологическую, физиологическую и функциональную гетерогенность этого органа (табл.2.2). Наиболее неравномерно распределены аминокислоты, выполняющие функцию нейротрансмиттеров, такие, как глутаминовая кислота, таурин, ГАМК, глицин и др.

Таблица 2.2

Содержание аминокислот в различных областях мозга кошки (мкмоль/г ткани) (L.Batisttin et al., 1969)

Аминокислоты Тал a wye Средний мозг Мозолистое тело Кора височной доли Мозжечок

Глутаминовая 12,36 VI 10,58 12,93 12,63

Аспарагиновая 2,71 4,06 1,41 3,09 2,85

Таурин 1,06 1,62 2,99 1,89 3,12

Глицин 1,72 2,77 0,614 1,25 1,49

Алании 0,591 1,09 0,704 0,863 0,895

ГАМК 3,65 5,81 0,961 1,39 1,49

Тирозин 0,05 0,059 0,049 0,039 0,06

Валин 0,145 0,152 0,096 0,117 0,097

Лизин 0,278 0,379 0,268 0,194 0,219

Различные органеллы клеток головного мозга контролируют уровень аминокислот, накапливая их часто против концентрационных градиентов.

Постоянство качественного и количественного состава аминокислот в метаболических фондах мозга обеспечивается такими взаимосвязанными процессами, как поступление аминокислот из циркулирующей крови, отток их из мозга в кровь и участие в реакциях внутриклеточного метаболизма. В организме все эти процессы сбалансированы слаженным функционированием гомеостатических механизмов, гематоэнцефалического барьера и мембранным транспортом.

Транспорт аминокислот в мозг — многоступенчатый процесс. Прежде всего происход