ВЛИЯНИЕ ГОМОЦИСТЕИНА И ЕГО ПРОИЗВОДНЫХ НА СПОНТАННУЮ СЕТЕВУЮ АКТИВНОСТЬ В ГИППОКАМПЕ НОВОРОЖДЁННЫХ КРЫСЯТ
PDF

Ключевые слова

гиппокамп
гомоцистеин
гомоцистин
гомоцистеин-тиолактон
гигантские деполяризующие потенциалы
НМДА-рецепторы
АМПА-рецепторы

Как цитировать

Курмашова, Е. Д., Гатаулина, Э. Д., Зефиров , А. Л., Ситдикова, Г. Ф., & Яковлев, А. В. (2019). ВЛИЯНИЕ ГОМОЦИСТЕИНА И ЕГО ПРОИЗВОДНЫХ НА СПОНТАННУЮ СЕТЕВУЮ АКТИВНОСТЬ В ГИППОКАМПЕ НОВОРОЖДЁННЫХ КРЫСЯТ. Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова, 105(10), 1236–1246. https://doi.org/10.1134/S0869813919100054

Аннотация

Гомоцистеин – серосодержащая аминокислота, в высоких концентрациях обладающая нейротоксическими эффектами и вызывающая нарушения развития нервной системы. Гомоцистеин в плазме крови быстро окисляется, образуя дисульфидные связи с белками и другими низкомолекулярными тиолами, а также преобразуется в гомоцистеин-тиолактон. Поэтому при хроническом воздействии нейротоксичность гомоцистеина опосредуется преимущественно его производными. Целью нашей работы было исследование влияния гомоцистеина и его производных - гомоцистина и гомоцистеин-тиолактона на спонтанную сетевую активность нейронов гиппокампа крыс в первую неделю после рождения. Гигантские деполяризующие потенциалы (ГДП) и множественные потенциалы действия (МПД) регистрировали с использованием внеклеточного электрода в СА3 зоне гиппокампа. Оказалось, что все три исследованных соединения вызывали увеличение частоты ГДП и МПД в концентрациях 100 и 500 мкМ, при этом гомоцистин оказывал наиболее значительное повышение сетевой активности нейронов. В условиях блокирования НМДА- и АМПА-рецепторов эффекты гомоцистеина, гомоцистина и гомоцистеин-тиолактона на спонтанную сетевую активность нейронов полностью снимались. Таким образом, гомоцистеин и его производные приводят к усилению спонтанной сетевой активность нейронов гиппокампа неонатальных крыс, что может вызывать нарушения формирования нейрональных сетей гиппокампа в условиях хронической гипергомоцистеинемии, а также вызывать гипервозбудимость и риск развития эпилепсии в постнатальный период.

https://doi.org/10.1134/S0869813919100054
PDF

Литература

Troen A. M. The central nervous system in animal models of hyperhomocysteinemia. Prog. Neuropsychopharmacol. Biol. Psychiatry. 29:1140-1151. 2005.

Ansari R., Mahta A., Mallack E., Luo J.J. Hyperhomocysteinemia and neurologic disorders: a review J. Clin. Neurol. 10(4):281-288. 2014.

Škovierová H., Vidomanová E., Mahmood S., Sopková J., Drgová A., Červeňová T., Lehotský J. The molecular and cellular effect of homocysteine metabolism imbalance on human health. Int. J. Mol. Sci. 17(10):1733. 2016.

Moretti R., Caruso P. The controversial role of homocysteine in neurology: from labs to clinical practice. Int. J. Mol. Sci. 20(1):231. 2019.

Hankey G.J., Eikelboom J.W. Homocysteine and vascular disease. Lancet. 354(9176):407-13. 1999.

Jakubowski H. Homocysteine is a protein amino acid in humans: Implications for homocysteine-linked disease. J. Biol. Chem. 277:30425–30428. 2002.

Jakubowski H., Głowacki R. Chemical biology of homocysteine thiolactone and related metabolites . Adv. Clin. Chem. 55: 81 – 103. 2011.

McCully K.S. Homocysteine metabolism, atherosclerosis and diseases of aging. Comp. Physiol. 6(1):471-505. 2015.

Obeid, R., Herrmann W. Mechanisms of homocysteine neurotoxicity in neurodegenerative diseases with special reference to dementia. FEBS Lett. 580: 2994–3005. 2006

Mudd S.H., Skovby F., Levy H.L., Pettigrew K.D., Wilcken B., Pyeritz R.E. The natural history of homocystinuria due to cystathionine beta-synthase deficiency. Am. J. Human Genetics. 37:1–31. 1985.

Gorgone G., Caccamo D., Pisani L. R., Curro M., Parisi G., Oteri G. Hyperhomocysteinemia in patients with epilepsy: Does it play a role in the pathogenesis of brain atrophy? A preliminary report. Epilepsia. 50 (Suppl. 1): 33–36. 2009.

Арутюнян А.В., Козина Л.С., Арутюнов В.А. Токсическое влияние пренатальной гипергомоцистеинемии на потомство. Журн. акушерства и женск. болезн. 4: 16-20. 2010. [Arutyunyan A.V., Kozina L.S., Arutyunov V.A. Toxic effect of prenatal hyperhomocysteinemia on the offspring. Zhurnal akusherstva i zhenskikh bolezney. 4: 16-20. 2010. (In Russ.)].

Yakovleva O.V., Ziganshina A.R., Dmitrieva S.A., Arslanova A.N., Yakovlev A.V., Minibayeva F.V., Sitdikova G.F. Hydrogen sulfide ameliorates developmental impairments of rat offspring with prenatal hyperhomocysteinemia. Oxid. Med. Cel. Long. 2018:2746873. 2018.

Lipton S. A., Kim W.-K., Choi Y.-B., Kumar S., D’Emilia D. M., Rayudu P. V., Stamler J. S. Neurotoxicity associated with dual actions of homocysteine at the N-methyl-D-aspartate receptor. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 94(11): 5923–5928. 1997.

Boldyrev A.A., Vladychenskaya E.A., Tyulina O.V. Effect of homocysteine and homocysteic acid on glutamate receptors on rat lymphocytes. Bull. Exp. Biol. and Med. 142(7): 55-58. 2006.

Bolton A.D., Phillips M.A., Constantine-Paton M. Homocysteine reduces NMDAR desensitization and differentially modulates peak amplitude of NMDAR currents, depending on GluN2-subunit composition. J. Neurophysiol. 110:1567–1582. 2013.

Sibarov D.A, Abushik P.A., Giniatullin R., Antonov S.A. GluN2A Subunit-containing NMDA receptors are the referential neuronal targets of homocysteine. Front. Cell. Neurosci. 10:246. 2016.

Sibarov D.A., Giniatullin R, Antonov S.M. High sensitivity of cerebellar neurons to homocysteine is determined by expression of GluN2C and GluN2D subunits of NMDA receptors. Biochemical and biophysical research communications. 506(3): 648-652. 2018.

Ben-Ari Y., Cherubini E., Corradetti R., Gaiarsa J.-l. Giant synaptic potentials in immature rat CA3 hippocampal neurons. J. Physiology. 416: 303-325. 1989.

Ben-Ari Y. Excitatory actions of GABA during development: the nature of the nurture. Nat. Rev. Neurosci. 3(9): 728-739. 2002.

Ben-Ari Y., Gaiarsa J.-L., Tyzio R., Khazipov R. GABA: A pioneer transmitter that excites immature neurons and generates primitive oscillations. Physiol. Rev. 87(4): 1215–1284. 2007.

Zakharov A., Lotfullina N., Khazipov R. Impairments to the giant depolarizing potentials after the third trimester equivalent ethanol exposure in the neonatal rat. BioNanoScience. 6:523-527. 2016.

Khalilov I., Minlibaev M., Mukhtarov M., Khazipov R. Dynamic changes from depolarizing to hyperpolarizing GABAergic actions during giant depolarizing potentials in the neonatal rat hippocampus. J. Neurosci. 35(37): 12635-12642. 2015.

Kang S.S., Wong P.W., Malinow M.R. Hyperhomocyst(e)inemia as a risk factor for occlusive vascular disease. Annu. Rev. Nutr. 12: 279–298. 1992.

Bolea S., Avignone E., Berretta N., Sanchez-Andres J. V., Cherubini E. Glutamate controls the induction of GABA-mediated giant depolarizing potentials through AMPA receptors in neonatal rat hippocampal slices. J. Neurophys. 81(5): 2095–2102. 1999.

Ueland P.M., Mansoor M.A., Guttormsen A.B., Muller D.;Aukrust P., Refsum H., Svardal A.M. Reduced, oxidized andprotein-bound forms of homocysteine and other aminothiols in plasma comprise the redox thiol status: a possible element of the extracellular antioxidant defense system. J. Nutr. 126:1281–1284. 1996.

Heydrick S.J., Weiss N., Thomas S.R., Cap A.P., Pimentel D.R., Loscalzo J., Keaney J.F. L-Homocysteine and L-homocystine stereospecifically induce endothelial nitric oxide synthase-dependent lipid peroxidation in endothelial cells. Free Radic. Biol. Med. 36(5):632-640. 2004.

Gerasimova E., Yakovleva O., Burkhanova G., Ziyatdinova G., Khaertdinov N., Sitdikova G. Effects of maternal hyperhomocysteinemia on the early physical development and neurobehavioral maturation of rat offspring. BioNanoScience. 7:155–158. 2017.

Djuric D., Jakovljevic V., Zivkovic V., Srejovic I. Homocysteine and homocysteine-related compounds: an overview of the roles in the pathology of the cardiovascular and nervous systems. Can. J. Physiol. Pharmacol. 96(10):991-1003. 2018.

Grieve A., Butcher S. P., Griffiths R. Synaptosomal plasma membrane transport of excitatory sulphur amino acid transmitter candidates: Kinetic characterisation and analysis of carrier specificity. J. Neurosci. Res. 32:60–68. 1992.

Folbergrová J. Anticonvulsant action of both NMDA and non-NMDA receptor antagonists against seizures induced by homocysteine in immature rats. Exp. Neurology. 145(2):442–450. 1997.

Sergeeva I. A., Makhro A. V., Pegova A. N., Bulygina E. R. The effects of homocysteine and homocysteic acid on the metabotropic glutamate receptors of cerebellar neurons. Neurochem. J. 4(2): 116-121. 2010.

Christie L.A., Riedel G., Platt B. Bi-directional alterations of LTP after acute homocysteine exposure. Behav. Brain Res. 205:559–563. 2009.

Ataie A., Sabetkasaei M., Haghparast A., Moghaddam A.H., Ataee R., Moghaddam S.N. Curcumin exerts neuroprotective effects against homocysteine intracerebroventricular injection-induced cognitive impairment and oxidative stress in rat brain. J. Med. Food. 13(4):821-826. 2010.

Schaub C., Uebachs M., Beck H., Linnebank M. Chronic homocysteine exposure causes changes in the intrinsic electrophysiological properties of cultured hippocampal neurons. Exp. Brain Res. 225:527-534. 2013.

Gaifullina A.S., Yakovlev A.V., Mustafina A.N., Weiger T.M., Hermann A., Sitdikova G.F. Homocysteine augments BK channel activity and decreases exocytosis of secretory granules in rat GH3 cells. FEBS Letters. 590(19):3375–3384. 2016.

Yakovlev A.V., Kurmashova E., Zakharov A., Sitdikova G.F. Network-driven activity and neuronal excitability in hippocampus of neonatal rats with prenatal hyperhomocysteinemia. BioNanoScience. 8(1):304–309. 2017.

Jakubowski H. Protein homocysteinylation: possible mechanism underlying pathological consequences of elevated homocysteinelevels. FASEB J. 13(15):2277-2283. 1999.

Kuczewski N., Porcher C., Ferrand N., Fiorentino H., Pellegrino C., Kolarow R., Gaiarsa J.-L. Backpropagating action potentials trigger dendritic release of BDNF during spontaneous network activity. J. Neurosci. 28(27):7013–7023. 2008.

Сафиулина В.Ф., Касьянов A.M., Соколова Е.М., B.И. Мельник, Эзрохи В.Л., Гиниатуллин Р.А. Модулирующее влияние аденозинтрифосфата на осцилляторные свойства гиппокампальных нейронов в раннем онтогенезе. Ж. Высш. Нервн. Деят., 53(4):. 446-450. 2003. [Safiulina V.F., Kasyanov A.M., Sokolova E.M., Melnik V.I., Ezrokhi V.L., Giniatullin R.A. The modulating effect of adenosine triphosphate on the oscillatory properties of hippocampal neurons in early ontogenesis. Zh. Vyssh. Nerv. Deiat. Im. I. P. Pavlova. 53(4): 446-450. 2003. (In Russ.)].

Boldyrev A.A.; Bryushkova E.; Mashkina A.; Vladychenskaya E. Why is homocysteine toxic for the nervous and immune systems? Curr. Aging Sci. 6:29–36. 2013.

Payne J.A., Rivera C., Voipio J., Kaila K. Cation–chloride co-transporters in neuronal communication, development and trauma. Trends in Neurosci. 26(4):199–206. 2003.

Khalilov I., Le Van Quyen M., Gozlan H., Ben-Ari Y. Epileptogenic actions of GABA and fast oscillations in the developing hippocampus. Neuron. 48(5):787–796. 2005.

Kubová H., Folbergrová J., Mareš P. Seizures induced by homocysteine in rats during ontogenesis. Epilepsia. 36(8):750-6. 1995.

Stanojlovic O., Hrncic D., Rasic-Markovic A., Djuric D. Homocysteine: neurotoxicity and mechanisms of induced hyperexcitability. Serb. J. Exp. Clin. Res. 12. 3-9. 2011.