ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.04.2021
Просмотров: 938
Скачиваний: 2
41
лѐгких (MT1, MT2), печени (MT1, MT2), почках (MT1), тонком кишечнике
(MT2), коже (MT1, MT2), T и B лимфоцитах (MT1).
Наиболее изучена роль мелатонина в передаче информации о длине дня
(фотопериоде) всему организму: чем больше протяжѐнность ночи, тем
длительнее период секреции мелатонина. У людей, как и у животных, продукция
мелатонина сезонозависима (летом меньше, чем зимой). По этой причине
мелатонин участвует в формировании полового поведения, сезонных изменений
волосяного покрова, регуляции пищевого поведения, веса тела и сна.
Мелатонин вовлечѐн в защиту клеток от свободных радикалов, поскольку
он является мощным антиоксидантом и связывает свободные радикалы
(«scavenge» ‒ «ловушка» для радикалов). Кроме того, мелатонин стимулирует
множество антиоксидантных энзимов (например, глутатион пероксидазу,
глутатион редуктазу). Причѐм, являясь амфифильной молекулой, мелатонин
способен диффундировать во все клеточные компартменты (ядро, цитоплазму,
мембраны) и активировать антиоксидантную защиту. Интересно отметить, что
мелатонин – единственный антиоксидант, уровень которого уменьшается после
достижения среднего возраста, и данное снижение близко коррелирует с
понижением общей антиоксидантной ѐмкости человеческой сыворотки.
Мелатонин снижает электронное сопряжение в митохондриях, уменьшая
генерацию свободных радикалов и активных форм кислорода. Резекция
шишковидного тела усиливает нейродегенерацию, вызванную ишемией мозга.
Также мелатонин уменьшает свободно радикальное окисление при катаракте,
гипертиреозе, сепсисе и панкреатите.
Таким образом, усиленная продукция мелатонина в течение ночи
способствует восстановлению гомеостаза нейронов и периферических тканей.
Цикл сон-бодрствование синхронизирован с 24-часовым циклом секреции
мелатонина. Предполагается, что функция мелатонина состоит в ассоциации
периода покоя и сна человека с тѐмным временем суток. Вечернее увеличение
концентрации мелатонина по времени совпадает с открытием сонных ворот.
Первое наблюдение о способствующих сну свойствах мелатонина было получено
почти 50 лет назад, когда Ленер после применения дозы мелатонина в 100 мг
описал появление сонливости. Впоследствии было продемонстрировано
перемещение времени начала сна вперѐд при приѐме существенно более низких
доз мелатонина (0,3-10 мг) во второй половине дня. Причѐм величина смещения
зависит от дозы мелатонина. Это свойство весьма полезно для настройки цикла
сон-бодрствование после перелѐта через несколько часовых поясов. Применение
мелатонина в фармакологических дозах улучшает засыпание и качество сна у
детей с нарушениями сна.
С возрастом увеличивается вероятность возникновения нарушений сна,
часть из которых может быть связана со снижением концентрации мелатонина.
По мнению некоторых геронтологов, угнетение продукции мелатонина может
являться сигналом для всех остальных систем организма о наступлении времени
«старения». Эксперименты на лабораторных животных показали, что при
удлинении светового дня они начинали быстрее стареть: снижалась доля сна,
42
раньше
начиналась
менопауза,
накапливались
свободнорадикальные
повреждения клеток, снижалась чувствительность к инсулину, развивались
ожирение и рак. На 20% уменьшалась продолжительность жизни и у хомячков с
искусственно нарушенным ритмом выработки мелатонина. В современном мире
люди, вынужденные регулярно работать по ночам, а значит, испытывающие
хронический дефицит мелатонина, имеют на 40-60% больший риск развития
коронарной болезни сердца и метаболического синдрома – совокупности
ожирения, гипертонии, диабета и атеросклероза – словом, всего того, что
снижает качество жизни и укорачивает еѐ. Некоторые специалисты полагают, что
именно излишняя освещѐнность, наряду с другими экологическими факторами,
укорачивает жизнь жителям больших городов, и даже ввели специальный термин
«световое загрязнение».
Молекулярные механизмы действия мелатонина в ЦНС плохо изучены.
Мелатонин в концентрации, соответствующей ночному пику, ингибирует вход
ионов кальция в нейроны (через Са-каналы L-типа) и формирование комплекса
кальций-кальмодулин. Также он специфично блокирует NDMA-рецепторы в
стриатуме крысы. Мелатонин увеличивает концентрацию ГАМК в мозге и
потенцирует ингибиторный эффект ГАМК, усиливая аффинность ГАМК-
рецепторов. В связи с этим активность ГАМК-А-рецепторов в головном мозге,
управляется шишковидной железой и изменяется в соответствии с циркадным
ритмом (концентрацией мелатонина): больше ночью и меньше днѐм. Также
мелатонин уменьшает дофаминергическую передачу в стриатуме, что ведѐт к
уменьшению освобождения глутамата его нейронами.
Циркадные гены
задают и модулируют циркадные ритмы. Эти гены
изменяют свою экспрессию с периодом в 24 часа, задавая ритм экспрессии
других генов. В итоге циркадные гены определяют динамику клеточных
процессов, в том числе метаболизм клетки и нейрональную активность.
Циклическая активность нейронов СХЯ во многом зависит от работы трѐх
генов Period1-3 (Per), двух генов cryptochrome (Cry1, 2) и генов Clock, Bmal 1
(«brain and muscle ARNT-like 1»). Продукты генов Clock и Bmal1 существуют в
виде гетеродимера, являющегося ключевым компонентом транскрипционного
фактора Clock:Bmal1, который, связываясь с регуляторной последовательностью
ДНК, усиливает транскрипцию генов Per и Cry. мРНК генов Per и Cry
перемещается в цитоплазму клетки, где транслируются в белки, которые
формируют комплекс, модулирующий работу транскрипционного фактора
Clock:Bmal1 в ядре клетки.
В начале дня транскрипция и трансляция генов Per и Cry в СХЯ усилена за
счѐт
действия
гетеродимера
Clock:Bmal1,
накопленного
в
течение
предшествующей ночи. Уровень комплексов Per и Cry повышается на
протяжении дня и достигает пика в начале ночи. Комплекс протеинов,
содержащий продукт гена Cry, в свою очередь угнетает вызванную Clock:Bmal1
экспрессию Per и Cry генов. Данная отрицательная обратная связь ведѐт к
снижению концентрации Per и Cry, которая достигает минимума в течение ночи.
Комплекс белков, включающий Per2, усиливает транскрипцию Bmal1
43
(положительная обратная связь). В итоге Bmal1 начинает накапливаться и
достигает максимума в течение ночи для формирования новых гетеродимеров
Clock:Bmal1. Как только ингибиторное влияние Cry снимается, повышенные
количества комплекса Clock:Bmal1 начинают оказывать эффект, заново усиливая
экспрессию генов Cry и Per. Комбинированное действие положительной и
отрицательной обратных связей создаѐт молекулярные сигналы, которые
надѐжно повторяются точно во времени, формируя 24-часовой цикл в СХЯ. Эти
сигналы запускают каскады внутриклеточных событий, включая изменение
мембранного потенциала, определяя возбудимость и пейсмекерную активность
нейронов.
Большинство из подобных генов проверено на предмет их влияния на сон.
Дважды нокаутные мыши по генам Cryptochrome 1 и Cryptochrome 2 спят больше
и имеют более протяжѐнный период дельта-активности ЭЭГ во время NREM-сна,
однако после депривации сна отдача сна у этих животных практически не
усилена. Другие мутации циркадных генов (clock, arntl, neuronal Per-ARNT-Sim
(PAS) domain protein 2, prokineticin 2) вызывают аномальный ответ на депри-
вацию сна.
Для функционирования циркадных часов требуются осцилляции уровней
белка PER (транскрипционный фактор) и его фосфорилирования, а также
периодические перемещения данного белка в ядро нейронов. Подобное
поведение Per белка обеспечивает изменение экспрессии генов в зависимости от
циркадных ритмов. У млекопитающих 3 гена Per, причѐм уровень экспрессии
Per2 в коре полушарий мышей (ведут ночной образ жизни) зависит от времени
суток (высокий ночью) и состояния активности (высокий при бодрствовании).
Индукция (запуск синтеза мРНК и белка) Per2 чувствительна к отношению
НАД/НАДН, которое отражает мозговую активность (при истощении
энергетических запасов отношение увеличивается). При нарушении функции
гена Per2 у мышей нарушается цикл сон-бодрствование, укорачивается сон и
страдает локомоторная ритмическая активность. Люди-носители PER3 5/5 (через
дробь указаны аллели гена на материнской и отцовской хромосоме), по
сравнению с PER3 4/4, имеют более длительный медленноволновой сон и более
высокую дельта активность. У них также выше альфа- и тета-ритмы на ЭЭГ в
течение бодрствования, что указывает на возрастающее давление сна. Острая
депривация сна сильнее нарушает когнитивные функции у PER3 5/5 индивидов,
чем у PER3 4/4.
FASP («familial advanced sleep phase» – семейное перемещение вперѐд фазы
сна) синдром характеризуется тем, что люди проводят во сне нормальное
количество времени, но ложатся спать раньше обычного на 4 часа (экстремально
ранние жаворонки). Этот синдром связан с наследованием доминантных
мутаций. У части индивидов обнаружена мутация в гене Per2, ведущая к одной
замене серина на глицин.
In vitro
подобное изменение влияет на способность
казеинкиназы Iɛ фосфорилировать PER2. Подобная мутация мыши вызывает
фенотип FASP. Мутация в человеческом гене казеин киназы I дельта (CSNK1D)
также вызывает FASP и снижает киназную активность in vitro. Это связано с тем,
44
что фосфорилирование Per белков сильно влияет на их накопление в ядре и
эндогенный циркадный период. Генетические исследования также предполагают
связь Per3 гена и DSP («delayed sleep phase» ‒ отсрочка фазы сна) синдрома, при
котором люди крайне поздно ложатся спать (экстремальные совы).
ЗНАЧЕНИЕ ИОННЫХ КАНАЛОВ В РЕГУЛЯЦИИ СНА
Исследования, проведѐнные на плодовых мушках, мышах и человеке,
помогли идентифицировать множество генов, которые влияют на сон.
Исследования последних десяти лет показали присутствие у мух
фундаментальных черт сна млекопитающих. При этом мухи выступают
идеальным объектом для генетических манипуляций, поскольку их геном несѐт
меньше информации, чем у млекопитающих, и мутации ведут к более чѐтким
фенотипическим изменениям. Также генетические исследования соноподобных
состояний проводятся на рыбах и нематодах.
Недавно в геноме мух идентифицированы два гена Shaker и Sleepless
(CG33472), мутации которых сильно сказываются на процессе сна. Ген shaker
кодирует альфа-субъединицу тетрамерного калиевого канала, который
опосредует быстро-инактивирующийся IA-ток. IA-ток играет ведущую роль в
контроле реполяризации мембраны и освобождении медиатора. Мухи, несущие
мутации, сопровождающиеся потерей функции Shaker, спят только 2-4 часа
каждый день (обычная длительность сна 8-10 часов), но их циркадные ритмы и
гомеостатическая регуляция не повреждены. Обучение и память у этих мух
нарушены, и продолжительность жизни снижена. Hyperkinetic – это ген,
кодирующий регуляторную бета-субъединицу канала, взаимодействующую с
пороформирующими альфа-субъединицами. Его мутация вызывает укорочение
сна, ухудшение памяти и обучения, снижение продолжительности жизни. У
данных мутантов сон не так сильно уменьшен, как у Shaker мутантов, чего и
следовало ожидать исходя из того, что у hyperkinetic мутантов IA ток только
уменьшен, а не полностью отсутствует.
Sleepless мутанты мух спят только 2 часа, то есть на 85% меньше, чем в
норме (также у самых «тяжѐлых» Shaker-null мутантов, когда полностью
нарушена экспрессия Shanker на обеих хромосомах). Этот ген кодирует
заякоренный в мембране с помощью гликозилфосфатидилинозитола, белок с
неизвестной функцией и не имеющий гомологов у позвоночных. У мух sleepless
снижается уровень экспрессии гена Shaker. Таким образом, по крайнее мере,
часть фенотипа sleepless связана с IA-током. Однако уникальной чертой sleepless
является отсутствие изменений длительности сна после депривации сна.
Нейроны коры полушарий и таламуса млекопитающих в среднем более
гиперполяризованы во сне, чем при бодрствовании. Мутации, подавляющие
IA-токи, покушаются на ключевой клеточный механизм сна, увеличивая
нейрональную возбудимость. Самый близкий гомолог Shaker у млекопи-
тающих ‒ ген альфа-субъединицы калиевого канала Kv1-семейства. Kv1 каналы
активируются подпороговыми изменениями потенциала во многих нейронах и
45
могут действовать как чрезвычайно разнообразные регуляторы возбудимости
нейронов. Мыши с нарушенным геном Kv1.2 (Kcna2) спят меньше, но
укорочение сна не такое сильное, как у мух в случае мутации Shaker. Вероятно,
это связано с наличием изобилия генов (по крайней мере, 16), кодирующих
альфа-субъединицы калиевых каналов млекопитающих. Поразительный фенотип
наблюдается при двойном нокауте у мышей генов Kv3.1 (KCNC1) и Kv3.3
(KCNC3): эти грызуны спят примерно на 40% меньше, чем дикий тип мышей, и
имеют короткие эпизоды сна, причѐм сильнее подавляется NREM-сон. Кроме
того, у подобных животных не проявляется адекватный ответ на депривацию сна,
они гиперактивны и имеют двигательную дисфункцию. Kv-3 тип ионных
каналов преимущественно экспрессируется в кортикальных и таламических
ГАМК-интернейронах и включается в работу при повторной высокочастотной
активности. В случае синдрома Морвана (Morvan) ‒ редкого аутоиммунного
заболевания с неврологическими симптомами ‒ выраженность бессонницы кор-
релирует с присутствием аутоантител против потенциалзависимых калиевых
каналов.
Другой кандидат в гены сна, идентифицированный у мыши, ‒ Cav3.1
(Cacna1g) ‒ кодирует ɑ1G субъединицу T-типа кальциевых каналов. Эти каналы
имеют критическую роль в регуляции большинства нейрональных осцилляций,
обнаруживающихся в таламических и кортикальных нейронах в течение NREM.
При нарушении гена Cav3.1 наблюдается снижение NREM-сна на 20% и более
частые короткие пробуждения, дробящие сон.
ИЗМЕНЕНИЕ СНА С ВОЗРАСТОМ И ПОСЛЕДСТВИЯ ДЕПРИВАЦИИ СНА
Большинство возрастных изменений сна проявляется уже в 30-35 лет и,
вероятно, не связано с патологиями, а
является внутренним процессом,
входящим в структуру старения. Связанные с возрастом альтерации сна
включают: перемещение времени сна на более раннее время, затруднение
засыпания, уменьшение общего количества сна, снижение интенсивности
медленноволнового сна, фрагментация сна, дневные приступы сонливости,
относительное увеличение фазы дремоты, снижение отдачи сна в ответ на
депривацию сна. Подобные подвижки в структуре сна в первую очередь
отражают адаптацию мозга к изменению биологических потребностей
организма. С возрастом снижается амплитуда (выраженность) циркадных
ритмов, что проявляется, например, в виде уменьшения колебаний центральной
температуры тела и секреции мелатонина. У пожилых людей снижается
активность в супрахиазматических ядрах. В итоге циркадные влияния на сон-
регулирующие структуры ослаблены и у человека увеличивается сонливость в
течение дня. Кроме того, с возрастом в течение сна усиливается активация
холинергических нейронов ствола мозга и нарушается работа нейронов
вентролатеральной преоптической области, способствующих засыпанию.
Лишение (депривация) сна является весьма сильным стрессовым
воздействием. В течение нескольких дней сознание человека теряет ясность, он