Шторм в вашем мозге: как загрязнение воздуха гробит нашу психику

Учёные обнаружили тревожный «шторм в вашем мозге», вызванный загрязнением воздуха. Дыхание загрязнённым воздухом, будь то смог городов или дым от лесных пожаров, известно тем, что наносит вред лёгким и сердцу. Теперь новые исследования проливают свет на то, как эти воздушные токсины отрицательно влияют на мозг, потенциально способствуя таким заболеваниям, как болезнь Альцгеймера и аутизм. Учёные нашли процесс, с помощью которого вредные вещества могут нарушать нормальную функцию клеток мозга, мешая их способности соединяться и общаться, что в конечном итоге приводит к повреждению клеток. Их результаты были опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ранее проведённые исследования уже установили связь между загрязнением воздуха и такими заболеваниями, как астма и болезни сердца. Эпидемиологические исследования, в которых анализируются паттерны заболеваний в популяциях, также предположили, что воздействие загрязнения воздуха может увеличить риск развития заболеваний мозга, таких как болезнь Альцгеймера и аутизм. Однако точные биологические механизмы этой связи оставались неясными. Учёные хотели понять, как именно дыхание загрязнённым воздухом может оказывать вредное влияние на мозг. Они стремились выявить конкретные химические реакции, которые могут быть вовлечены в этот процесс, надеясь определить потенциальные мишени для будущих методов лечения и профилактических мер.

Исследовательская группа сосредоточилась на химическом процессе, известном как S-нитрозилирование. Этот процесс происходит, когда молекула, связанная с оксидом азота, прикрепляется к атомам серы в белках, изменяя их свойства. Учёные предположили, что этот процесс, который может быть вызван воспалением, старением и воздействием токсинов, может быть ключевым фактором, нарушающим функцию клеток мозга.

Нейробиолог Стюарт Липтон впервые открыл S-нитрозилирование более двадцати лет назад и ранее связывал эту реакцию с различными нейродегенеративными болезнями. Он выдвинул гипотезу, что S-нитрозилирование, вызванное загрязнением, может мешать белкам, необходимым для поддержания нормальной работы мозга. Чтобы проверить эту идею, его команда сосредоточилась на белке CRTC1, который помогает регулировать гены, критически важные для памяти и обучения.

«Эпидемиологи показали, что загрязнение воздуха от лесных пожаров, выхлопных газов автомобилей и табачного дыма выбрасывает мелкие частицы и молекулы, связанные с оксидом азота (PM2.5/NOx), которые могут способствовать развитию заболеваний мозга, таких как болезнь Альцгеймера и аутизм», — объяснил Липтон, заведующий кафедрой Фонда семьи Степ в Научном центре Скрипса и клинический невролог в Ла-Хойе, штат Калифорния.

«Наши исследования обнаружили редокс-химическую реакцию, которая лежит в основе этих событий, названную S-нитрозилированием белков, в результате чего азот и кислород прикрепляются к молекуле серы в аминокислоте цистеине, строительном блоке белков. Сокращение реакции — SNO — и в вашем мозге происходит «SNO-шторма» из-за загрязнения воздуха. S-нитрозилирование CRTC1 — одно из таких событий, и оно становится причиной потери памяти».

Первоначально команда изучала клетки мозга, выращенные в лаборатории, чтобы выяснить, происходит ли S-нитрозилирование с белком CRTC1. Известно, что этот белок важен для формирования новых связей между клетками мозга, что необходимо для обучения и памяти. Они подвергли эти клетки воздействию молекулы, вызывающей S-нитрозилирование, и обнаружили, что CRTC1 действительно был затронут. Они также наблюдали этот же эффект в мозговой ткани мышей с болезнью Альцгеймера, что указывает на то, что этот процесс имеет отношение к заболеванию.

Чтобы точно понять, как S-нитрозилирование влияет на CRTC1, учёные создали специальную версию белка, которая не могла подвергаться этой химической модификации. Затем они сравнили поведение обычного CRTC1 с этой модифицированной версией как в лабораторных клетках, так и в живых моделях мышей с болезнью Альцгеймера. Они использовали человеческие нейронные клетки, полученные из стволовых клеток лиц, страдающих от болезни Альцгеймера, чтобы дополнительно подтвердить свои выводы в контексте человека.

Исследователи обнаружили, что S-нитрозилирование CRTC1 мешает ему правильно взаимодействовать с другим важным белком в мозге, называемым CREB. CREB является ключевым регулятором генов, жизненно необходимых для связей между клетками мозга, формирования памяти и выживания клеток. В здоровом мозге CRTC1 и CREB работают вместе, чтобы активировать эти важные гены. Однако, когда CRTC1 изменяется из-за S-нитрозилирования, это сотрудничество нарушается.

Команда обнаружила, что S-нитрозилирование не препятствует перемещению CRTC1 в клеточное ядро, которое необходимо для взаимодействия с CREB. Вместо этого химическая модификация непосредственно мешает способности CRTC1 связываться с CREB, когда он находится в ядре. Это блокировка предотвращает активацию генов, необходимых для поддержания здоровых связей между клетками мозга и поддержки памяти.

Важно отметить, что когда учёные использовали модифицированную версию CRTC1, которая не могла подвергаться S-нитрозилированию, они наблюдали частичное восстановление проблем с памятью у мышей с болезнью Альцгеймера. Аналогично, в человеческих нейронных клетках, полученных из стволовых клеток пациентов с болезнью Альцгеймера, предотвращение S-нитрозилирования CRTC1 улучшило функциональность и выживание нейронов. Это указывает на то, что блокировка S-нитрозилирования CRTC1 может быть потенциальным способом лечения или предотвращения некоторых изменений мозга, связанных с болезнью Альцгеймера и, возможно, другими связанными заболеваниями.

Взгляд в будущее: это исследование открывает новые перспективы для разработки методов лечения заболеваний мозга, связанных с экологическими факторами. Открытие о том, что блокировка S-нитрозилирования CRTC1 может улучшить функцию мозга, свидетельствует о том, что нацеливание на этот химический процесс может стать многообещающей терапевтической стратегией. Учёные могут исследовать разработку лекарств, которые специально предотвращают S-нитрозилирование или обращают его эффекты, потенциально предлагая новые способы защиты мозга от вредных воздействий загрязнения воздуха, пестицидов, обработанных мясных продуктов и других экологических токсинов.

«Мы разрабатываем лекарства для борьбы с этим», — заявил Липтон.

Исследование под названием «S-нитрозилирование CRTC1 при болезни Альцгеймера нарушает CREB-зависимую экспрессию генов, индуцированную нейронной активностью», было написано Ху Сяном Чжаном, Романом Влколинским, Чонгъянем Ву, Нима Долатабади, Генри Скоттом, Ольгой Приходько, Эндрю Чжаном, Майрой Бланко, Нхи Лангом, Хуаном Пина-Креспо, Томохиро Накамурой, Марисой Роберто и Стюартом А. Липтоном.