ENZYMES OF GLUTAMATE METABOLISM IN LIMBIC CORTEX IN SCHIZOPHRENIA

Прохорова Т.А.¹, Терешкина Е.Б.², Савушкина О.К.³, Воробьева Е.А.⁴, Бокша И.С.⁵, Бурбаева Г.Ш.⁶

¹ORCID:0000-0002-3574-2165, Научный сотрудник,

²ORCID:0000-0002-4784-8995, Кандидат биологических наук,

³ORCID:0000-0002-8629-0445, Кандидат биологических наук,

⁴ORCID:0000-0002-5766-0910, Кандидат биологических наук,

⁵ORCID: 0000-0003-1369-8658, Доктор биологических наук, старший научный сотрудник,

⁶ORCID:0000-0001-7744-533X, Доктор биологических наук, профессор,

^1,2,3,4,5,6Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научный центр психического здоровья»

ФЕРМЕНТЫ МЕТАБОЛИЗМА ГЛУТАМАТА В ЛИМБИЧЕСКОЙ КОРЕ ПРИ ШИЗОФРЕНИИ

Аннотация

Проведено сравнение количества глутаминсинтетазы (ГС) и глутаматдегидрогеназы (ГДГ) в лимбической коре у больных шизофренией и в контрольной группе. Определено количество иммунореактивных ГС, белка, подобного ГС (ГСПБ), и растворимых изоформ ГДГ у больных шизофренией (n=8) и в контрольной группе (n=9) в аутопсийных образцах лимбической коры. Образцы были подобраны по возрасту, полу и постмортальному интервалу. Количество иммунореактивных ферментов глутаматного метаболизма определено методом ЕСL-иммуноблоттинга с использованием моноклональных и поликлональных антител. В передней лимбической коре (поле 24) было выявлено достоверное  повышение уровня ГС (р<0,001), ГСПБ (р<0,02) у больных шизофренией по сравнению с контрольной группой, а в задней (поле 23) – повышение уровня ГСПБ (р<0,04) и водорастворимых изоформ ГДГI и ГДГII (р<0,001 и р<0,004, соответствеено). Повышение количества ферментов глутаматного метаболизма свидетельствует о существенном нарушении глутаматной стстемы в лимбической коре и является одним из аспектов патологического процесса при шизофрении.

Ключевые слова: глутаминсинтетаза, глутаматдегидрогеназа, шизофрения, мозг человека, ECL-иммуноблоттинг.

Prokhorova Т.A.¹, Tereshkina Е.B.², Savushkina О.К.³, Vorobyeva Е.А.⁴, Boksha I.S.⁵, Burbaeva G.Sh.⁶

¹ORCID: 0000-0002-3574-2165, Researcher,

²ORCID: 0000-0002-4784-8995, PhD in Biology,

³ORCID: 0000-0002-8629-0445, PhD in Biology,

⁴ORCID: 0000-0002-5766-0910, PhD in Biology,

⁵ORCID: 0000-0003-1369-8658, PhD in Biology, Senior Researcher,

⁶ORCID: 0000-0001-7744-533X, PhD in Biology, Professor,

^1,2,3,4,5,6Federal State Budget Scientific Institution "Scientific Center for Mental Health"

ENZYMES OF GLUTAMATE METABOLISM IN LIMBIC CORTEX IN SCHIZOPHRENIA

Abstract

A comparison was made between the amount of glutamine synthetase (GS) and glutamate dehydrogenase (GDG) in the limbic cortex in patients with schizophrenia and in the control group. The amount of immunoreactive GS, protein similar to GS (GSPS), and soluble isoforms of GDG in patients with schizophrenia (n=8) and in the control group (n=9) in autopsy samples of the limbic cortex was determined. Samples were selected by age, sex and postmortality interval. The number of immunoreactive enzymes of glutamate metabolism was determined by the method of ECL-immunoblotting using monoclonal and polyclonal antibodies. In the anterior limbic cortex (field 24), there was a significant increase in the level of GS (p <0.001), GSPS (p <0.02) in patients with schizophrenia in comparison with the control group, and in the back (field 23) – increased GSPS <0.04) and water-soluble isoforms of GDGI and GSGII (p <0.001 and p <0.004, respectively). The increase in the number of enzymes of glutamate metabolism indicates a significant violation of the glutamate system in the limbic cortex and is one of the aspects of the pathological process in schizophrenia.

Keywords: glutamine synthetase, glutamate dehydrogenase, schizophrenia, human brain, ECL-immunoblotting.

Введение

Несмотря на интенсивные исследования, патогенез шизофрении — тяжелого психического заболевания, приводящего к инвалидности — все еще не ясен.

В фокусе этих исследований находятся прежде всего выявление нарушений в нейромедиаторных системах. Так, возникли дофаминергическая, серотонинергическая, холинергическая, ГАМК-ергическая и глутаматергическая гипотезы патогенеза шизофрении. Однако в последнее время многие исследователи, предполагают, что все эти системы находятся во взаимодействии друг с другом, причем глутаматергическая система является регулятором их активности [1].

Активность глутаматергической системы зависит от количества нейромедиатора глутамата (Глу, возбуждающая амигнокислота), которое, в свою очередь, определяется экспрессией глутаматных рецепторов, степенью связывания с этими рецепторами, экспрессией глутаматных переносчиков и степенью связывания с ними и, конечно, метаболизмом Глу [2].

Ключевыми ферментами глутаматного метаболизма являются два фермента - глутаминсинтетаза (ГС, КФ 6.3.1.2) и глутаматдегидрогеназа (ГДГ, КФ 1.4.1.3), которые участвуют в синтезе и деградации Глу, а также в метаболическом взаимодействии нейрона и глии.

Ранее нами был выявлен в мозге белок, который, как и ГС, обладает трансферазной активностью [3]; он получил название глутаминсинтетазоподобный белок (ГСПБ). Также было показано, что ГДГ в мозге представлена тремя формами [4]: растворимыми изоферментами/изоформами ГДГI, ГДГII и мембранно-связанной – ГДГIII.

Целью настоящей работы было сравнительное изучение активности этих ферментов и содержания их форм в передней (поле 24 по Бродману) и задней  (поле 23 по Бродману) лимбической коре мозга человека в норме и при шизофрении. Выбор этих полей был обусловлен их доказанным участием в когнитивных процессах (внимание, обучение, память), которые нарушены при шизофрении.

Материалы и методы

Исследование выполнено на пробах ткани аутопсийного мозга из коллекции лаборатории нейрохимии ФГБНУ НЦПЗ, собранной на базе Психиатрической клинической больницы №1 им. Н.А. Алексеева и отделений травматологии московских больниц. Образцы передней и задней лимбической коры (поля 24 и 23) аутопсийного мозга были получены от больных шизофренией (по критериям МКБ-10) с хроническим течением заболевания (n=8, возраст – медиана 61, минимум 38, максимум 81 год) и от лиц без психических, неврологических и наркологических расстройств (n=9, возраст – медиана 38, минимум 29, максимум 79 лет) – контрольная группа. При этом образцы обеих групп были подобраны с учетом возраста, пола, постмортального интервала (ПМИ) и причины смерти (острая сердечно-сосудистая недостаточность, тромбоэмболия легочной артерии).

Образцы передней и задней лимбической коры (поля 24 и 23) выделяли по картам полей по Бродману при температуре +4°С, переносили в криопробирки, замораживали в жидком азоте и хранили при -80°С.

Приготовление экстрактов

Образцы ткани мозга (200 мг) гомогенизировали в гомогенизаторе стекло/тефлон в 1мл буфера 50 мМ Трис–HCl, с 1,4 мМ 2-меркаптоэтанола, pH 7,5 при +4°С, гомогенат центрифугировали 15 мин (1000 g, при +4°С) для удаления осадка, содержавшего ядерные фрагменты и осколки неразрушенных клеток. Супернатант центрифугировали (60000 g, 1 ч) при +4°С. Полученный супернатант (водорастворимые белки) использовали для определения ферментативной активности и количества иммунореактивных форм исследуемых ферментов.

Ферментативную активность ГС и ГСПБ определяли по методике Iqbal and Ottaway [5]. Ферментативную активность ГДГ измеряли по методике Fahien с соавт. [6].

Определение количества иммунореактивных ГС, ГСПБ, а также форм ГДГ проводили так, как описано в наших работах [7], [8].

Статистическая обработка данных проводилась с использованием модуля «непараметрический анализ» программы Statistica 7.0 (Statsoft).

Результаты и обсуждение

В данной работе использован способ экстракции белков из образцов лимбической коры буферным раствором без детергентов и тепловой денатурации (водорастворимые белки). Это позволило провести одновременно сравнение в образцах от больных шизофренией и контрольной группы как ферментативной активности ГС и ГСПБ, а также ГДГ, так и количества иммунореактивных ГС, ГСПБ и форм ГДГ.

При измерении «трансферазной» активности, которой обладают к ГС и ГСПБ, в экстрактах указанных полей достоверных различий между группами пациентов с шизофренией и лиц без психической патологии выявлено не было.

Однако, определение количества ГС показало, что при шизофрении по сравнению с контрольной группой наблюдалось повышение уровня ГС в поле 24 (р<0,001), а в поле 23 межгрупповые различия отсутствовали (см. таблицу 1).

Что касается количества ГСПБ, то при шизофрении  было обнаружено повышение уровней иммунореактивного ГСПБ и в поле 24 (р<0,02), и в поле 23 (р<0,04) лимбической коры. Результаты представлены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Количество ГС, ГСПБ и изоформ ГДГ в передней и задней лимбической коре (поля 24 и 23) лиц контрольной группы и пациентов с шизофренией (в относительных единицах)

Фермент	n	Задняя лимбическая кора (поле 23) медиана (минимум – максимум)		n	Передняя лимбическая кора (поле 24) медиана (минимум – максимум)
		контроль	шизофрения		контроль	шизофрения
ГС	9	322 (178 – 415)	238 (93 – 318)	8	76 (32 – 119)	147 (113 – 284)**
ГСПБ	9	96 (45 – 169)	220 (98 – 401)*	8	31 (9 – 55)	118 (54 – 377)*
ГДГI	9	99 (40 – 178)	211 (102 – 455)**	8	100 (108 – 240)	109 (62 – 158)
ГДГII	9	70 (20 – 365)	501 (280 – 1063)**	8	30 (0 – 92)	60 (15 – 225)

Примечание: * – достоверные различия между контрольной группой и группой пациентов с шизофренией, p<0,05,

** – достоверные различия между контрольной группой и группой пациентов с шизофренией, p<0,01.

 

Таким образом, методом ECL-иммуноблоттинга обнаружено, что при шизофрении  по сравнению с контрольной группой наблюдаются достоверные изменения количества ГС и ГСПБ в лимбической коре, а определение их суммарной ферментативной трансферазной активности не дает информации об изменениях уровня этих изоформ/изоферментов.

Что касается ГДГ, то определение суммарной ферментативной активности, проявляемой обеими формами ГДГ, выявило повышение активности в поле 23, но не в поле 24. Эти результаты согласуются с результатами определения количества ГДГI и ГДГII. Так, в поле 24 при шизофрении достоверных изменений по отношению к контрольной группе не было обнаружено. В то же время в поле 23 было выявлено повышение уровня обеих форм ГДГI и ГДГII (р<0,004 и р<0,001, соответственно) – см. таблицу 1.

Таким образом, для сравнительных нейрохимических исследований в норме и при патологии метод иммуноблоттинга со специфическими антителами имеет преимущество по сравнению с определением ферментативной активности, так как  позволяет оценить относительные количества ГС, ГСПБ и изоформ/изоферментов ГДГ.

Корреляционный анализ (поиск ранговых корреляций Спирмена) показал, что межгрупповые различия количества иммунореактивных ГС и ГСПБ, а также иммунореактивных форм ГДГ не связаны с возрастом, ПМИ и дозой лекарств (в хлорпромазиновом эквиваленте); по-видимому, они обусловлены патологическим процессом.

Надо отметить, что лимбическая кора становится важным объектом в исследованиях по поиску нейробиологического субстрата шизофрении, так как доказано ее участие в разнообразных когнитивных и эмоциональных процессах, которые нарушены при шизофрении [9]. При этом внимание уделяется как передней [10], так и задней лимбической коре [11-12].

В нашей работе были выявлены значительно большие изменения  ферментативной активности и количества иммунореактивных форм исследуемых ферментов при шизофрении в задней лимбической коре (поле 23), чем в передней (поле 24). Так, в поле 23 наблюдалось повышение количества иммунореактивного ГСПБ, ферментативной активности ГДГ, а также уровня иммунореактивных ГДГI и ГДГII, тогда как в  поле 24 отмечено повышение только уровней ГС и ГСПБ.

Заключение

Полученные данные показывают вовлеченность в патологические процессы при шизофрении не только глутаматных рецепторов и переносчиков, но и ферментов глутаматного метаболизма.

Изменение уровней ГС, ГСПБ и ГДГ в лимбической коре при шизофрении может приводить к нарушениям глутаматного метаболизма в этой структуре мозга. Кроме того, учитывая обширные реципрокные связи лимбической коры с корковыми и подкорковыми структурами, можно ожидать нарушения глутаматного метаболизма также в других областях мозга. Если же принять во внимание связь глутаматергической системы с другими нейромедиаторными системами, то можно предположить нарушения также и в их работе.

Список литературы / References

1. Funk A.J. Decreased expression of NMDA receptor-associated proteins in frontal cortex of elderly patients with schizophrenia / Funk A.J., Rumbaugh G., Harotunian V., et al. // – 2009. – V. 20. – N. 11. – P. 1019-1022.
2. Hu W. The glutamate hypothesis of schizophrenia: evidence from human brain tissue studies / Hu W., MacDonald M.L., Elswick D.E., Sweet R.A. // Ann NY Acad Sci. – 2015. V. 1338. – P. 38-57.
3. Терешкина Е.Б. Глутаминсинтетаза и белок, подобный глутаминсинтетазе, в лобной коре при шизофрении / Терешкина Е.Б., Бокша И.С., Савушкина О.К. и др. // Журнал неврологии и психиатрии им. C. Корсакова. – 2000. – T. 100. – № 7. С. 51-53.
4. Burbaeva G.Sh. Diversity of glutamate dehydrogenase in human brain / Burbaeva G.Sh, Turishcheva M.S., Vorobyeva E.B., et al. // Progress in Neuro-Psyhopharmacology and Biological Psychiatry. 2002. - V. 26. - N 3. - P. 427-435.
5. Iqbal K. Glutamine synthetase in muscle and kidney / Iqbal K., Ottaway J.H. // Biochem. - 1970. - V. 119. - P. 145–156.
6. Fahien L.A. Crystallization and kinetic properties of glutamate dehydrogenase from frog liver / Fahien L.A., Wiggert B.O., Cohen P.P. // J Biol Chem. – 1965. – V. 240. – P. 1083–1090.
7. Burbaeva G.S. Systemic neurochemical alterations in schizophrenic brain, glutamate metabolism in focus / Burbaeva G.S., Boksha I.S., Tereshkina E.B., et al. // Neurochem Res. – 2007. – V. 32. – N 9. – P. 1434–1444.
8. Boksha I.S. Enzymes of Glutamate System / Boksha I.S., Savushkina O.K., Tereshkina E.B., et al. // In: Parrot S., Denoroy L. (eds) Biochemical Approaches for Glutamatergic Neurotransmission. Neuromethods, New York: Humana Press.: 2018. – V. 130. – P. 469-506.
9. Mazgaj R. Hypo-metabolism of the rostral anterior cingulate cortex associated with working memory impairment in 18 cases of schizophrenia / Mazgaj R., Tal A., Goetz R., et al. // Brain Imaging Behav. – 2016. – V. 10. – N. 1. – P. 115–123.
10. Mouchlianitis E. Treatment-Resistant Schizophrenia Patients Show Elevated Anterior Cingulate Cortex Glutamate Compared to Treatment-Responsive // Mouchlianitis E., Bloomfeld M.A., Law V., et al. // Schizophrenia Bulletin. – V. 42. – N. 3. – P. 744-752.
11. Leech R. The role of the posterior cingulate cortex in cognition and disease // Leech R. and Sharp D.J. // Вrain. – 2014. – V. 137. – P. 12-32.
12. Ma J. Involvement of posterior cingulate cortex in ketamine-induced psychosis relevant behaviors in rats // Ma J., Leung L.S. Behav Brain Res. – 2017. – 7. – N. 338. - P. 17-27.

Список литературы на английском языке/Refrences in English

1. Funk A.J. Decreased expression of NMDA receptor-associated proteins in frontal cortex of elderly patients with schizophrenia / Funk A.J., Rumbaugh G., Harotunian V., et al. // – 2009. – V. 20. – N. 11. – P. 1019-1022.
2. Hu W. The glutamate hypothesis of schizophrenia: evidence from human brain tissue studies / Hu W., MacDonald M.L., Elswick D.E., Sweet R.A. // Ann NY Acad Sci. – 2015. V. 1338. – P. 38-57.
3. Tereshkina E.B. Glutaminsintetaza i belok, podobnyj glutaminsintetaze, v lobnoj kore pri shizofrenii [Glutamine synthetase and related protein in the frontal cortex in schizophrenia] / Tereshkina E.B., Boksha I.S., Savushkina O.K. and others // Zhurnal nevrologii i psihiatrii im. C.C. Korsakova [Journal of Neurology and Psychiatry named S.S. Korsakov] – 2000. – V. 100. – № 7. P. 51-53. [in Russian]
4. Burbaeva G.Sh. Diversity of glutamate dehydrogenase in human brain / Burbaeva G.Sh, Turishcheva M.S., Vorobyeva E.B. et al. // Progress in Neuro-Psyhopharmacology and Biological Psychiatry. 2002. - V. 26. - N 3. - P. 427-435.
5. Iqbal K. Glutamine synthetase in muscle and kidney / Iqbal K., Ottaway J.H. // Biochem. - 1970. - V. 119. - P. 145–156.
6. Fahien L.A. Crystallization and kinetic properties of glutamate dehydrogenase from frog liver / Fahien L.A., Wiggert B.O., Cohen P.P. // J Biol Chem. – 1965. – V. 240. – P. 1083–1090.
7. Burbaeva G.S. Systemic neurochemical alterations in schizophrenic brain, glutamate metabolism in focus / Burbaeva G.S., Boksha I.S., Tereshkina E.B., et al. // Neurochem Res. – 2007. – V. 32. – N 9. – P. 1434–1444.
8. Boksha I.S. Enzymes of Glutamate System / Boksha I.S., Savushkina O.K., Tereshkina E.B., et al. // In: Parrot S., Denoroy L. (eds) Biochemical Approaches for Glutamatergic Neurotransmission. Neuromethods, New York: Humana Press.: 2018. – V. 130. – P. 469-506.
9. Mazgaj R. Hypo-metabolism of the rostral anterior cingulate cortex associated with working memory impairment in 18 cases of schizophrenia / Mazgaj R., Tal A., Goetz R., et al. // Brain Imaging Behav. – 2016. – V. 10. – N. 1. – P. 115–123.
10. Mouchlianitis E. Treatment-Resistant Schizophrenia Patients Show Elevated Anterior Cingulate Cortex Glutamate Compared to Treatment-Responsive // Mouchlianitis E., Bloomfeld M.A., Law V., et al. // Schizophrenia Bulletin. – V. 42. – N. 3. – P. 744-752.
11. Leech R. The role of the posterior cingulate cortex in cognition and disease // Leech R. and Sharp D.J. // Вrain. – 2014. – V. 137. – P. 12-32.
12. Ma J. Involvement of posterior cingulate cortex in ketamine-induced psychosis relevant behaviors in rats // Ma J.and Leung L.S. Behav Brain Res. – 2017. – 7. – N. 338. - P. 17-27.