субталамическое ядро — тоже богат производящими дофамин нейронами и играет важную роль в контроле движения96.
Пока Делонг изучал субталамическое ядро, на улицах появился новый наркотик, который дилеры прозвали синтетическим героином. Этот наркотик был загрязнен МФТП (1-метил-4-фенил-1,2,3,6-тетрагидропиридином) – веществом, которое вызывает замедленность движений, тремор и мышечную ригидность, характерные для болезни Паркинсона. При вскрытии нескольких молодых людей, умерших после принятия наркотика, было установлено, что МФТП разрушает субталамическое ядро, а с ним и клетки мозга, производящие дофамин. У выживших ущерб от МФТП был необратим, но они положительно реагировали на терапию леводопой.
Затем ученые использовали МФТП для моделирования болезни Паркинсона у обезьян. Они ожидали увидеть, что разрушение производящих дофамин клеток приводит к снижению активности субталамического ядра, вызывая симптомы болезни Паркинсона. Однако, начав записывать электрические сигналы отдельных нейронов в субталамическом ядре обезьян, Делонг обнаружил нечто иное: нейроны демонстрировали аномальную активность. К его удивлению, симптомы болезни Паркинсона вызывало не снижение, а аномальное повышение активности этих нейронов.
Чтобы проверить, виновна ли эта аномальная активность в паркинсонических треморе и ригидности, Делонг разрушил субталамическое ядро в одном полушарии мозга обезьяны и положил тем самым конец аномальной активности нейронов. В 1990 году он опубликовал поразительные результаты: повреждение субталамического ядра в каком-либо полушарии мозга обезьяны с болезнью Паркинсона приводило к исчезновению тремора и мышечной ригидности в противоположной половине ее тела97.
Открытие Делонга подтолкнуло нейрохирурга Алима-Луи Бенаби из Университета Жозефа Фурье во французском Гренобле задуматься о применении глубокой стимуляции мозга для лечения болезни Паркинсона. Как мы видели, глубокая стимуляция мозга предполагает вживление электродов в мозг и аккумуляторного устройства в другую часть тела. Устройство посылает высокочастотные электрические импульсы в нейронную сеть – в данном случае в субталамическое ядро. Импульсы заметно инактивируют сеть – подобно тому, как это делало повреждение субталамического ядра обезьяны, – не позволяя аномальной активности мешать контролируемым движениям (рис. 7.3). Такое лечение регулируемо, а его результат обратим.
К 1990-м годам глубокая стимуляция мозга практически вытеснила все остальные хирургические вмешательства при болезни Паркинсона. Она подходит не каждому и не исцеляет больного, а лишь воздействует на симптомы. Если генератор электрических импульсов выходит из строя или разрывается контакт проводов – что, конечно, случается нечасто, – польза от лечения почти мгновенно пропадает.
Глубокую стимуляцию мозга успешно применяют и для лечения таких психических расстройств, как депрессия. Вместо стимуляции моторной сети, применяемой для устранения симптомов двигательных нарушений, в этом случае электрические импульсы стимулируют систему вознаграждения для устранения симптомов депрессии. Таким образом, глубокая стимуляция мозга может оказаться методом лечения даже не отдельных болезней, а отдельных нейронных сетей.
Рис. 7.3. Глубокая стимуляция мозга. Бледный шар – парная подкорковая структура, участвующая в регуляции произвольных движений; основной компонент базальных ядер.
Болезнь Хантингтона
Болезнью Хантингтона в США страдает около 30 тысяч человек, и это расстройство в равной степени поражает мужчин и женщин. Возраст проявления первых симптомов сильно варьирует, но в среднем составляет 40 лет. Впервые эту болезнь в 1872 году описал окончивший Колумбийский университет американский врач Джордж Хантингтон. Он указал на характерные для заболевания непроизвольные движения, изменения в характере и когнитивной сфере больных, а также на наследственную природу этой патологии. Описание было таким ясным и точным, что по нему другие врачи сразу смогли диагностировать болезнь и назвали ее в честь Хантингтона.
В отличие от болезни Паркинсона, которая на ранних стадиях достаточно локализована, болезнь Хантингтона может распространяться довольно быстро и приводить к когнитивным и моторным нарушениям, включая расстройства сна и деменцию. Первым делом она поражает базальные ядра, но распространяется и на кору, гиппокамп, гипоталамус, таламус, а иногда и на мозжечок (рис. 7.4).
Рис. 7.4. Болезнь Хантингтона начинается с поражения базальных ядер, а затем распространяется по коре головного мозга.
Потребовалось много лет, чтобы продвинуться в изучении болезни Хантингтона, но в 1968 году знаменитый психоаналитик Милтон Уэкслер, у жены которого развилась эта болезнь, основал Фонд борьбы с наследственными заболеваниями. Он хотел достичь двух целей: привлечь средства для проведения базовых исследований и собрать ученых для исследования болезни Хантингтона. Этот фонд значительно повлиял на углубление наших представлений о болезни.
Поскольку болезнь Хантингтона передается по наследству, сначала фонд сосредоточился на поиске критичного для ее развития гена. В 1983 году Дэвид Хаусман и Джеймс Гузелла применили новую стратегию, называемую амплификацией экзонов[78], и связали болезнь Хантингтона с геном на кончике 4-й хромосомы. Этот ген назвали huntingtin[79]98.
Через 10 лет исследователи из международной группы “Охотники за генами”, собранной Фондом наследственных болезней, наконец сумели выделить и секвенировать мутантный ген белка хантингтина99. А если ген выделен, его можно вживить в геном червя, мухи или мыши, чтобы наблюдать за развитием болезни. “Охотники за генами” заметили, что одна часть этого гена была длиннее нормы. Эта часть называется ЦАГ-экспансией, и именно она вызывает болезнь.
Наши гены по сути представляют собой инструкции, написанные четырехбуквенным алфавитом: Ц (цитозин), А (аденин), Т (тимин) и Г (гуанин). Каждое слово состоит из трех букв. Слово ЦАГ кодирует аминокислоту глутамин и обязывает внедрить ее в белок на этапе синтеза. При болезни Хантингтона в одной из частей мутантного гена это слово повторяется снова и снова, в результате чего в хантингтин внедряется слишком много глутамина. Удлинение глутаминовой цепочки приводит к тому, что белок комкуется внутри нейрона, убивая его. В упомянутом фрагменте гена хантингтина триплеты ЦАГ многократно повторяются у всех, но болезнь Хантингтона развивается лишь у тех, кто наследует мутантную версию этого гена с числом ЦАГ-повторов более 39 (рис. 7.5).
Вскоре выяснилось, что такая ЦАГ-экспансия характерна и для 10 других болезней, включая синдром ломкой X-хромосомы, миотоническую дистрофию и несколько форм спиномозжечковой атаксии. Все эти болезни поражают нервную систему, все связаны с агрегацией неправильно структурированных белков, все приводят к гибели клеток.
Рис. 7.5. Из-за длинной вереницы ЦАГ-триплетов в гене хантингтина этот белок скапливается внутри клетки, становясь токсичным. Риск болезни Хантингтона растет с увеличением числа повторов ЦАГ.
Общие черты болезней, связанных с нарушением фолдинга белка
Теперь мы знаем, что основная молекулярная причина болезней Паркинсона и Хантингтона аналогична причине ряда других нейродегенеративных расстройств: болезни Крейтцфельдта – Якоба, болезни Альцгеймера, лобно-височной деменции, хронической травматической энцефалопатии (прогрессирующей дегенерации мозга у людей, многократно переносивших сотрясение мозга) и генетической формы бокового амиотрофического склероза (БАС, или болезни Лу Герига). Все эти патологии развиваются из-за аномально свернутых белков, которые образуют в мозге скопления, становясь токсичными и в итоге убивая нейроны (рис. 7.6).
В 1982 году Стенли Прузинер из Калифорнийского университета в Сан-Франциско объявил о замечательном открытии: инфекционный, аномально структурированный белок задействован в развитии редкой дегенеративной болезни мозга – болезни Крейтцфельдта – Якоба100. Прузинер назвал этот белок прионом.
Рис. 7.6. Из-за аномального фолдинга белки формируют в мозге агрегаты, что приводит к развитию нейродегенеративных заболеваний.
Прионы формируются при неправильном фолдинге нормальных белков-предшественников. В своей нормальной конформации эти предшественники опосредуют здоровую работу клеток повсюду в мозге. Нейроны, как и другие клетки, обладают внутренними механизмами, следящими за формой белков. Обычно эти механизмы нивелируют последствия мутаций или повреждений клетки, но по мере старения человека ослабевают и уже не столь эффективно предотвращают изменения молекулярных конформаций. В таком случае мутантный ген или повреждение клетки может стать причиной дефектного фолдинга нормальных белков-предшественников, и те приобретут смертельную прионную конформацию. Прионы образуют внутри нейрона нерастворимые комки, нарушая его функционирование и со временем убивая его (рис. 7.7).
Рис. 7.7. Возрастзависимое формирование прионов: мутантные белки-предшественники могут вызывать изменение формы нормальных белков.
Столь необычными – и опасными – прионы делает их способность к самовоспроизводству. Иными словами, для размножения прионам не нужны гены. Можно сказать, что некорректно свернутые белки заразны. Пораженные нейроны могут выпускать их и передавать соседним клеткам, где они заставляют нормальных предшественников тоже сворачиваться неправильно, становиться прионами и в итоге убивать клетки (рис. 7.8).
Изучение механизма образования прионов открыло новые возможности для исследований, направленных на предотвращение или обращение дефектного фолдинга белка. В настоящее время нет препаратов, которые замедляют дегенерацию мозга, но механизм образования прионов предоставляет нам три возможных точки для вмешательства: (1) момент приобретения нормальным белком-предшественником прионной конформации; (2) момент агрегации прионов в волокна; (3) момент формирования бляшек, клубков и телец (рис. 7.9).