ГАНГЛИОЗИДЫ МОЗГА И ИХ ФУНКЦИИ КАК ПРИРОДНЫХ АДАПТОГЕНОВ
PDF

Ключевые слова

ганглиозиды
адаптогены
поли- и моноеновые жирные кислоты
нейропротекторное действие
сигнальные пути
микрогетерогенность мембран (рафты)

Как цитировать

Аврова, Н. Ф. (2020). ГАНГЛИОЗИДЫ МОЗГА И ИХ ФУНКЦИИ КАК ПРИРОДНЫХ АДАПТОГЕНОВ. Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова, 106(5), 563–583. https://doi.org/10.31857/S0869813920050027

Аннотация

В обзоре охарактеризованы на примере ганглиозидов некоторые аспекты исследований липидов мозга позвоночных, проводившихся под руководством академика Е.М.Крепса и продолженных его сотрудниками. Показано, что для ганглиозидов (как и фосфолипидов) мозга холодноводных стенотермных видов костистых рыб характерно более высокое содержание моно- и полиеновых жирных кислот, чем для аналогичных липидов мозга тепловодных стенотермных видов костистых рыб. Изменения состава жирных кислот липидов мозга рыб при адаптации к жизни в холодной воде (или на больших глубинах) направлены на поддержание оптимальной степени жидкостности и микрогетереогенности мембран клеток мозга. Результаты кластерного анализа данных о составе и строении углеводного компонента ганглиозидов мозга представителей различных классов эктотермных позвоночных были использованы для построения дендрограммы. Эта дендрограмма, как оказалось, является сходной с эволюционным древом, соответствующим классической таксономии позвоночных. Выдвинуто предположение, что изменения молекулярной организации ганглиозидов в процессе эволюции позвоночных вносят вклад в процессы дифференцировки мозга и усложнения его функций в ходе их филогенетического развития. Основные ганглиозиды мозга млекопитающих (GM1, GD1a, GD1b и GT1b) защищают нейроны и клетки РС12 от действия возбуждающих аминокислот, перекиси водорода, амилоидного бета-пептида, причем их защитный эффект зависит от активации тирозинкиназы Trk-рецепторов и протеинкиназ, активирующихся после этой протеинкиназы (Akt, ERK1/2, протеинкиназы С). Другой механизм защиты используется ганглиозидами GM1 и GD1a против токсического действия бактериального липополисахарида (ЛПС). Он, очевидно, связан с изменением состава липидных рафтов плазматических мембран нервных клеток благодаря включению экзогенных ганглиозидов, что приводит к предотвращению транслокации рецепторов ЛПС TLR4 в их состав. Используя водный тест Морриса, показана способность ганглиозидов, введенных крысам с диабетом 2-го типа, предотвращать нарушения пространственной памяти. Интраназальное введение ганглиозидов применено впервые, показана его высокая эффективность.

https://doi.org/10.31857/S0869813920050027
PDF

Литература

Kreps E., Smirnov A., Chirkovskaya E., Patrikeeva M., Krasilnikova V. Phospholipids in the nervous system of molluscs. J. Neurochem. 15(4): 285-291. 1968.

Kreps E. M., Avrova N. F., Chebotareva M. A., Chirkovskaya E. V., Levitina M. V., Pomazanskaya L. F., Pravdina N. I. Some aspects of comparative biochemistry of brain lipids in teleost and elasmobranch fish. Comp. Biochem. Physiol B. 52(2): 293-299. 1975.

Крепс Е. М., Аврова Н. Ф., Забелинский С. А., Круглова Э. Э., Левитина М. В. О биохимической эволюции мозга позвоночных. Журн. эвол. биохим. и физиол. 13(5): 556-569. 1977. [Kreps E. M, Avrova N. F., Zabelinskiĭ S. A., Kruglova E. E., Levitina M. V. Biochemical evolution of the vertebrate brain. Zh. Evol. Biokhim. Fiziol. 13(5):556-569. 1977. (In Russ.)]

Крепс Е.М. Липиды клеточных мембран. Л. Наука. 1981. [Kreps E. M. Lipidy` kletochny`x membrane [Lipids of cell membranes]. L. Nauka. 1981. (In Russ)].

Avrova N. F. Brain ganglioside patterns of vertebrates J. Neurochem. 18(4): 667-674. 1971.

Avrova N. F. Evolutionary approach to the analysis of structure and function of gangliosides. Neurochem. Res. 10(11): 1547-1554. 1985.

Аврова Н. Ф. О роли ганглиозидов в дифференцировке нервных клеток и синаптической передаче нервного импульса. Нейрохимия. 1: 290-302. 1982. [Avrova N.F. On the role of gangliosides in nerve cell differentiation and synaptic impulse transduction. Neirokhim. 1: 290-302 (In Russ)].

Palmano K., Rowan A., Guillermo R., Guan J., Mc Jarrow P. The role of gangliosides in neurodevelopment. Nutrients. 7(5): 3891-3913. 2015.

Avrova N. F. The effect of natural adaptation of fishes to the environmental temperature on brain ganglioside fatty acid and long chain base composition. Comp. Biochem. Phsyiol. B. 78: 903-909. 1984.

Крепс Е. М. Тюрин В. А., Горбунов Н. В., Максимович А. А. Активация перекисного окисления липидов при миграционном стрессе у горбуши: возможный механизм адаптации. Докл. АН СССР. 286(4): 1009-1012. 1986. [Kreps E. M., Tiurin V. A., Gorbunov N. V., Maksimovich A. A. Activation of lipid peroxidation during migration stress in the hump-backed salmon: possible mechanism of adaptation. Dokl. Akad. Nauk SSSR. 286(4):1009-1012. 1986. (In Russ)].

Avrova N. F., Irwin L. New methods to analyze the variations of the brain gangliosides content, which are connected with idioadaptation and aromorphosis in vertebrates. J. Evol. Biochem. Physiol. 38(6): 689-699. 2002.

Avrova N. F. Systematic position of fish species and ganglioside composition and content. Comp. Biochem. Physiol. B. 83(3): 669-676. 1986.

Северцов А. С. Направленность эволюции. М. МГУ.1990. [Severtsov A. S. Napravlennost` e`volyucii. [The focus of evolution]. Moscow. MGU. 1990]. (In Russ)].

Patterson C. Interrelationships of holosteans. In: “Interrelationships of fishes”. Eds. P.H. Greenwood, R.S.Miles, C.Patterson. London. Acad. Press. 1973.

Попов Л. С., Антонов А. С., Медников Б. М., Белозерский А. Н. О естественной системе рыб: итоги применения метода гибридизации ДНК. Докл. АН СССР. 211(3): 737-739. 1973. [Popov L. S., Antonov A. S., Mednikov B. M., Belozerskiĭ A. N. Natural system of fishes: results of application of the method of DNA hybridization. Dokl. Akad. Nauk SSSR. 211(3):737-739. 1973. (In Russ)].

Попов Л. С., Антонов А. С. Нуклеотидный состав ДНК представителей некоторых отрядов рыб. Научн. докл. высш. школы. Биол. науки. 6: 33-39. 1974. [Popov L. S., Antonov A. S. Nucleotide makeup of the DNA in representatives of certain orders of fishes. Nauchnye Dokl. Vyss. Shkoly. Biol. Nauki. 6: 33-39. 1974. (In Russ)].

Zakharova I. O., Avrova N. F. The effect of cold stress on ganglioside fatty acid composition and ganglioside-bound sialic acid content of rat brain subcellular fractions. J. Thermal Biol. 26: 215-222. 2001.

Ferrari G., Anderson B. L., Stephens R. M., Kaplan D. R., Greene L. A. Prevention of apoptotic neuronal death by GM1 ganglioside. Involvement of Trk neurotrophin receptors. J. Biol. Chem. 270: 3074-3080. 1995.

Bachis A., Rabin S .J., Del Fiacco M., Mocchetti I. Gangliosides prevent excitotoxicity through activation of TrkB receptor. Neurotox. Res. 4(3): 225-234. 2002.

Sokolova T. V., Rychkova M. P., Avrova N. F. Protective effect of GM1 ganglioside against toxic effect of glutamate on cerebellar granule cells. J. Evol. Biochem. Physiol. 50(5): 456-459. 2014.

Sokolova T. V., Zakharova I. O., Furaev V. V., Rychkova M. P., Avrova N. F. Neuroprotective effect of ganglioside GM1 on the cytotoxic action of hydrogen peroxide and amyloid beta-peptide in PC12 cells. Neurochem. Res. 32(8): 1302-1313. 2007.

Kreutz F., Frozza R. L., Breier A. C., de Oliveira V. A., Horn A. P., Pettenuzzo L. F., Netto C. A., Salbego C. G., Trindade V. M. Amyloid-β induced toxicity involves ganglioside expression and is sensitive to GM1 neuroprotective action. Neurochem. Intern. 59(5): 648-655. 2011.

Kreutz F., Scherer E. B., Ferreira A. G., Pereira C. L., Santana F., de Souza W., Salbego C. G., Trindade V. M. Alterations on Na+, K+-ATPase and acetylcholinesterase activities induced by amyloid-β peptide in rat brain and GM1 ganglioside neuroprotective action. Neurochem. Res. 38(11): 342-2350. 2013.

Zakharova I. O., Sokolova T. V., Vlasova Yu. A., Furaev V. V., Rychkova M. P., Avrova N. F. GM1 ganglioside activates ERK1/2 and Akt downstream of Trk tyrosine kinase and protects PC12 cells against hydrogen peroxide toxicity. Neurochem. Res. 39(11): 2262-2275. 2014.

Blennow K., Davidsson P., Wallin A., Fredman P., Gattfries C. G., Mansson J. E., Svennerholm L. Differences in cerebrospinal fluid gangliosides between “probable” Alzheimer disease and normal aging. Aging. 4: 301-306. 1992.

Avrova N .F., Victorov I. V., Tyurin V. A., Zakharova I. O., Sokolova T. V., Andreeva N. A., Stelmaschuk E V., Tyurina Y. Y., Gonchar V. S. Inhibition of glutamate-induced intensification of free radical reactions by gangliosides: possible role in their protective effect in rat cerebellar granule cells and brain synaptosomes. Neurochem. Res. 23(7): 945-952. 1998.

Duchemin A. M., Ren Q., Neff N. H., Hadjiconstantinou M. GM1-induced activation of phosphatidylinositol 3-kinase: involvement of Trk receptors. J. Neurochem. 104: 1466-1477. 2008.

Choi J. S., Kim J. A., Joo C. K. Activation of MAPK and CREB by GM1 induces survival of RGCs in the retina with axotomized nerve. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 44(4): 1747-1752. 2003.

Pugazhenti S., Nesterova A., Sable C., Heidenreich K. A., Boxer L. M., Heasley L. E., Reusch J. E. Akt/protein kinase B up-regulates Bcl-2 expression through cAMP-response element-binding protein. J. Biol. Chem. 275(15): 10761–10766. 2000.

Cheng Y., Loh Y. P., Birch N. P. Neuroserpin attenuates H2O2-induced oxidative stress in hippocampal neurons via AKT and BCL-2 signaling pathways. J. Mol. Neurosci. 61: 123–131, 2017.

Vauzour D., Vafeiadou K., Rice-Evans C., Williams R. J., Spencer J .P. Activation of pro-survival Akt and ERK 1/2 signalling pathways underlie the anti-apoptotic effects of flavanones in cortical neurons. J. Neurochem. 103(4): 1355-1367. 2007.

Brailovskaya I. V., Sokolova T. V., Kobylyanskii A.G., Avrova N. F. Effect of ganglioside GM1 on mitochondrial respiration and viability of PC12 cells under oxidative stress. J. Evol. Biochem. Physiol. 50(2): 174-176. 2014.

Korotkov S M., Sokolova T. V., Avrova N. F. Gangliosides GM1 and GD1a normalize respiratory rates of rat brain mitochondria reduced by tert-butyl hydroperoxide. J. Evol. Biochem. Physiol. 53(3): 200-207. 2017.

Wiedemann F. R., Siemen D., Mawrin C., Horn T. F., Dietzmann K. The neurotrophin receptor TrkB is colocalized to mitochondrial membranes. Intern. J. Biochem. & Cell Biol. 38: 610-620. 2006.

Carito V., Pingitore A., Cione E., Perrotta I., Mancuso D., Russo A, Genchi G., Caroleo M. C. Localization of nerve growth factor (NGF) receptors in the mitochondrial compartment: characterization and putative role. Biochim. Biophys. Acta. 1820(2): 96-103. 2012.

Власова Ю. А., Баюнова Л. В., Микурова Е. И., Ляховненко Ю. Б., Николаева С. Д., Парнова Р. Г., Аврова Н. Ф. Защитный эффект ганглиозидов против токсического действия на клетки PC12 бактериального липополисахарида различных серотипов. Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 99(7): 876-887. 2013. [Vlasova Iu. A., Baiunova L. V., Mikurova E. I., Liakhovnenko Iu. D., Nikolaeva S. D., Parnova R. G., Avrova N. F. Protective effect of gangliosides against the toxic action of bacterial lipopolysaccharide of various serotypes on PC12 cells. Russ. J. Physiol. 99(7): 876-887. 2013. (In Russ)].

Nikolaeva S., Bayunova L., Sokolova T., Vlasova Y., Bachteeva V., Avrova N., Parnova R. GM1 and GD1a gangliosides modulate toxic and inflammatory effects of E. coli lipopolysaccharide by preventing TLR4 translocation into lipid rafts. Biochim. Biophys. Acta. Mol. Cell Biol. Lipids.

(3): 239-47. 2015.

Palsson-McDermott E. M., O'Neill L. A. Signal transduction by the lipopolysaccharide receptor, Toll-like receptor-4. Immunology. 113(2): 153-162. 2004.

Triantafilou M., Triantafilou K. The dynamics of LPS recognition: complex orchestration of multiple receptors. J. Endotoxin. Res 11(1): 5-11. 2005.

Lu Y. C., Yeh W. C., Ohashi P. S. LPS/TLR4 signal transduction pathway. Cytokine. 42(2): 145-151. 2008.

Triantafilou M., Miyake K., Golenbock D. T., Triantafilou K. Mediators of innate immune recognition of bacteria concentrate in lipid rafts and facilitate lipopolysaccharide-induced cell activation. J. Cell Sci. 115 (Part 12): 2603-2611. 2002.

Anderson R.G., Jacobson K. A role for lipid shells in targeting proteins to caveolae, rafts, and other lipid domains. Science. 296(5574): 1821-1825. 2002.

Pike L.J. Lipid rafts: bringing order to chaos. J. Lipid Res. 44(4): 655-667. 2003.

Sonnino S., Mauri L., Chigorno V., Prinetti A. Gangliosides as components of lipid membrane domains. Glycobiology. 17(1): 1R-13R. 2007.

Ohmi Y., Ohkawa Y., Yamauchi Y., Tajima O., Furukawa K., Furukawa K. Essential roles of gangliosides in the formation and maintenance of membrane microdomains in brain tissues. Neurochem. Res. 37(6): 1185-1191. 2012.

Sukhov I. B., Lebedeva M.F., Zakharova I. O., Derkach K. V., Bayunova L. V., Zorina I. I., Avrova N. F. Shpakov A.O. Improvement of spatial memory of rats with neonatal type 2 diabetes mellitus by intranasal administration of insulin and ganglioside. Bull. Exp. Biol. Med. 168(9): 282-287. 2019.

Chistyakova O. V., Bondareva V. M., Shipilov V. N., Sukhov I. B., Shpakov A. O. Intranasal administration of insulin eliminates the deficit of long-term spatial memory in rats with neonatal

Diabetes mellitus. Dokl. Biochem. Biophys. 440(2): 276-278. 2011.

Шпаков.О., Деркач К.В. Гормональные системы мозга и сахарный диабет 2-го типа. Санкт-Петербург. Изд-во Политехн. Универ. 2015. [Shpakov A.O., Derkach K.V. Gormonal`ny`e sistemy` mozga i saxarny`j diabet 2-go tipa. Sankt-Peterburg. Izd-vo Politexn. Univer. [Brain hormornal systems and type 2 diabetes mellitus]. Saint-Petersburg. Publ. by Polytechnic University. 2015. (In Russ)].

Fan L. W., Carter K., Bhatt A., Pang Y. Rapid transport of insulin to the brain following intranasal administration in rats. Neural Regen. Res. 14(6): 1046-1051. 2019.

Derkach K., Zakharova I., Zorina I., Bakhtyukov A., Romanova I., Bayunova L., Shpakov A. The evidence of metabolic-improving effect of metformin in Ay/a mice with genetically-induced melanocortin obesity and the contribution of hypothalamic mechanisms to this effect. PLoS One. 14(3): e0213779. 2019.

Vancetto M. D., Curi L. C., Pereira C. A. Neutralization of the effect of Crotalus durissus terrificus venom by gangliosides. Braz. J. Med. Biol. Res. 28(5): 553-556. 1995.

Pope-Coleman A., Schneider J. S. Effects of chronic GM1 ganglioside treatment on cognitive and motor deficits in a slowly progressing model of Parkinsonism in non-human primates. Restor Neurol. Neurosci. 12(4): 255-266. 1998.

Yamamoto H. A., Mohanan P. V. Ganglioside GT1b and melatonin inhibit brain mitochondrial DNA damage and seizures induced by kainic acid in mice. Brain Res. 964(1): 100-106. 2003.

Li L., Tian J., Long M. K., Chen Y., Lu J., Zhou C., Wang T. Protection against experimental stroke by ganglioside GM1 is associated with the inhibition of autophagy. PLoS One. 11(1): e0144219. 2016.

Svennerholm L., Bråne G., Karlsson I., Lekman A., Ramström I., Wikkelsö C. Alzheimer disease - effect of continuous intracerebroventricular treatment with GM1 ganglioside and a systematic activation programme. Dement. Geriatr. Cogn. Disord. 14(3): 128-136. 2002.

Gurnida D. A., Rowan A. M., Idjradinata P., Muchtadi D., Sekarwana N. Association of complex lipids containing gangliosides with cognitive development of 6-month-old infants. Early Hum. Dev. 88(8): 595-601. 2012.

Liu H., Radlowski E. C., Conrad M. S., Li Y., Dilger R .N., Johnson R. W. Early supplementation of phospholipids and gangliosides affects brain and cognitive development in neonatal piglets. J. Nutr. 144(12): 1903-1909. 2014.