Влияния старения и экспериментально вызванных модификаций сигнальных путей на инсулининдуцированные сдвиги обмена глюкозы в коре головного мозга крыс

Исследовали индуцированную инсулином интенсификацию поглощения глюкозы и образования гликогена в коре головного мозга молодых и старых крыс. У первых из них соответствующие сдвиги были хорошо выражены; у старых же животных инсулин не оказывал существенного стимулирующего действия на процессы обмена...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2015
Автори:	Бабенко, Н.А., Харченко, В.С.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України 2015
Назва видання:	Нейрофизиология
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/148143
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Влияния старения и экспериментально вызванных модификаций сигнальных путей на инсулининдуцированные сдвиги обмена глюкозы в коре головного мозга крыс / Н.А. Бабенко, В.С. Харченко // Нейрофизиология. — 2015. — Т. 47, № 1. — С. 19-25. — Бібліогр.: 38 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-148143
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1481432019-02-18T01:23:27Z Влияния старения и экспериментально вызванных модификаций сигнальных путей на инсулининдуцированные сдвиги обмена глюкозы в коре головного мозга крыс Бабенко, Н.А. Харченко, В.С. Исследовали индуцированную инсулином интенсификацию поглощения глюкозы и образования гликогена в коре головного мозга молодых и старых крыс. У первых из них соответствующие сдвиги были хорошо выражены; у старых же животных инсулин не оказывал существенного стимулирующего действия на процессы обмена глюкозы в ткани неокортекса. Предполагалось, что это связано с возрастным повышением уровня церамидов, обусловливающим изменения липидного спектра мембран клеток, и подавлением ключевых компонентов сигнальных путей инсулина в мозгу (таких, как Akt/протеинкиназа B, ARF, протеинкиназа C и фосфолипаза D). Данные события приводят к нарушению функционирования сигнального каскада гормона и процесса формирования физиологического ответа. Повышение содержания церамидов в ткани коры головного мозга молодых животных в результате воздействия экзогенного C2-церамида или пальмитиновой кислоты (предшественника сфинголипидов) сопровождалось подавлением интенсификации поглощения глюкозы и образования гликогена под влиянием инсулина. Учитывая существенное повышение содержания церамидов в неокортексе в старости (что согласуется с результатами проведенной работы), можно полагать, что накопление церамида с возрастом является важной причиной развития резистентности обмена глюкозы в ЦНС по отношению к инсулину. Досліджували інсулініндуковану інтенсифікацію поглинання глюкози та утворення глікогену в корі головного мозку молодих і старих щурів. У перших із них відповідні зрушення были добре вираженими; у старих же тварин інсулін не чинив істотної стимулюючої дії на процеси обміну глюкози в тканині неокортексу. Вважалося, що це пов’язано з віковим підвищенням рівня церамідів, зумовлюючим згадану зміну ліпідного спектра мембран клітин, і пригніченням ключових компонентів сигнальних шляхів інсуліну в мозку (таких, як Akt/протеїнкіназа В, ARF, протеїнкіназа С і фосфоліпаза D). Дані події призводять до порушення функціонування сигнального каскаду гормону та процесу формування фізіологічної відповіді. Підвищення вмісту церамідів у тканині кори головного мозку молодих щурiв у результаті дії екзогенного С2-цераміду або пальмітинової кислоти (попередника сфінголіпідів) супроводжується пригніченням інтенсифікації поглинання глюкози та утворення глікогену під впливом інсуліну. Враховуючи істотне підвищення вмісту церамідів у неокортексі в старості (що узгоджуеться з результатами даної роботи), можна вважати, що накопичення цераміду з віком є важливою причиною розвитку резистентності ЦНС щодо інсуліну. 2015 Article Влияния старения и экспериментально вызванных модификаций сигнальных путей на инсулининдуцированные сдвиги обмена глюкозы в коре головного мозга крыс / Н.А. Бабенко, В.С. Харченко // Нейрофизиология. — 2015. — Т. 47, № 1. — С. 19-25. — Бібліогр.: 38 назв. — рос. 0028-2561 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/148143 577.175.72:612.66 ru Нейрофизиология Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Исследовали индуцированную инсулином интенсификацию поглощения глюкозы и образования гликогена в коре головного мозга молодых и старых крыс. У первых из них соответствующие сдвиги были хорошо выражены; у старых же животных инсулин не оказывал существенного стимулирующего действия на процессы обмена глюкозы в ткани неокортекса. Предполагалось, что это связано с возрастным повышением уровня церамидов, обусловливающим изменения липидного спектра мембран клеток, и подавлением ключевых компонентов сигнальных путей инсулина в мозгу (таких, как Akt/протеинкиназа B, ARF, протеинкиназа C и фосфолипаза D). Данные события приводят к нарушению функционирования сигнального каскада гормона и процесса формирования физиологического ответа. Повышение содержания церамидов в ткани коры головного мозга молодых животных в результате воздействия экзогенного C2-церамида или пальмитиновой кислоты (предшественника сфинголипидов) сопровождалось подавлением интенсификации поглощения глюкозы и образования гликогена под влиянием инсулина. Учитывая существенное повышение содержания церамидов в неокортексе в старости (что согласуется с результатами проведенной работы), можно полагать, что накопление церамида с возрастом является важной причиной развития резистентности обмена глюкозы в ЦНС по отношению к инсулину.
format	Article
author	Бабенко, Н.А. Харченко, В.С.
spellingShingle	Бабенко, Н.А. Харченко, В.С. Влияния старения и экспериментально вызванных модификаций сигнальных путей на инсулининдуцированные сдвиги обмена глюкозы в коре головного мозга крыс Нейрофизиология
author_facet	Бабенко, Н.А. Харченко, В.С.
author_sort	Бабенко, Н.А.
title	Влияния старения и экспериментально вызванных модификаций сигнальных путей на инсулининдуцированные сдвиги обмена глюкозы в коре головного мозга крыс
title_short	Влияния старения и экспериментально вызванных модификаций сигнальных путей на инсулининдуцированные сдвиги обмена глюкозы в коре головного мозга крыс
title_full	Влияния старения и экспериментально вызванных модификаций сигнальных путей на инсулининдуцированные сдвиги обмена глюкозы в коре головного мозга крыс
title_fullStr	Влияния старения и экспериментально вызванных модификаций сигнальных путей на инсулининдуцированные сдвиги обмена глюкозы в коре головного мозга крыс
title_full_unstemmed	Влияния старения и экспериментально вызванных модификаций сигнальных путей на инсулининдуцированные сдвиги обмена глюкозы в коре головного мозга крыс
title_sort	влияния старения и экспериментально вызванных модификаций сигнальных путей на инсулининдуцированные сдвиги обмена глюкозы в коре головного мозга крыс
publisher	Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України
publishDate	2015
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/148143
citation_txt	Влияния старения и экспериментально вызванных модификаций сигнальных путей на инсулининдуцированные сдвиги обмена глюкозы в коре головного мозга крыс / Н.А. Бабенко, В.С. Харченко // Нейрофизиология. — 2015. — Т. 47, № 1. — С. 19-25. — Бібліогр.: 38 назв. — рос.
series	Нейрофизиология
work_keys_str_mv	AT babenkona vliâniâstareniâiéksperimentalʹnovyzvannyhmodifikacijsignalʹnyhputejnainsulininducirovannyesdvigiobmenaglûkozyvkoregolovnogomozgakrys AT harčenkovs vliâniâstareniâiéksperimentalʹnovyzvannyhmodifikacijsignalʹnyhputejnainsulininducirovannyesdvigiobmenaglûkozyvkoregolovnogomozgakrys
first_indexed	2025-07-12T18:26:42Z
last_indexed	2025-07-12T18:26:42Z
_version_	1837466713446154240
fulltext	NEUROPHYSIOLOGY / НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ.—2015.—T. 47, № 1 19 УДК 577.175.72:612.66 Н. А. БАБЕНКО1, В. С. ХАРЧЕНКО1 ВЛИЯНИЯ СТАРЕНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО ВЫЗВАННЫХ МОДИФИКАЦИЙ СИГНАЛЬНЫХ ПУТЕЙ НА ИНСУЛИНИНДУЦИРОВАННЫЕ СДВИГИ ОБМЕНА ГЛЮКОЗЫ В КОРЕ ГОЛОВНОГО МОЗГА КРЫС Поступила 03.12.13 Исследовали индуцированную инсулином интенсификацию поглощения глюкозы и об- разования гликогена в коре головного мозга молодых и старых крыс. У первых из них соответствующие сдвиги были хорошо выражены; у старых же животных инсулин не оказывал существенного стимулирующего действия на процессы обмена глюкозы в тка- ни неокортекса. Предполагалось, что это связано с возрастным повышением уровня церамидов, обусловливающим изменения липидного спектра мембран клеток, и пода- влением ключевых компонентов сигнальных путей инсулина в мозгу (таких, как Akt/ протеинкиназа В, ARF, протеинкиназа С и фосфолипаза D). Данные события приводят к нарушению функционирования сигнального каскада гормона и процесса формирования физиологического ответа. Повышение содержания церамидов в ткани коры головного мозга молодых животных в результате воздействия экзогенного С2-церамида или паль- митиновой кислоты (предшественника сфинголипидов) сопровождалось подавлением интенсификации поглощения глюкозы и образования гликогена под влиянием инсулина. Учитывая существенное повышение содержания церамидов в неокортексе в старости (что согласуется с результатами настоящей работы), можно полагать, что накопление церамида с возрастом является важной причиной развития резистентности обмена глю- козы в ЦНС по отношению к инсулину. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: неокортекс, старение, глюкоза, гликоген, инсулин, церамид, пальмитиновая кислота. 1 Научно-исследовательский институт биологии Харьковского национального университета им. В. Н. Каразина (Украина). Эл. почта: babenko@univer.kharkov.ua (Н. А. Бабенко); kharchenko_vitalina@meta.uа (В. С. Харченко). ВВЕДЕНИЕ Глюкоза является главным источником энергии для клеток мозга млекопитающих. Она свободно пере- секает гемато-энцефалический барьер и поступает либо непосредственно в нейроны, либо (в условиях физиологической активации) – в астроциты; там в процессе гликолиза глюкоза превращается в лактат. Последний выделяется из астроцитов и поглощается нейронами, являясь для них, как и глюкоза, адекват- ным энергетическим субстратом [1]. Глюкоза достав- ляется в клетки мозга (как и в клетки других тканей) с участием специфических мембранных глюкозных транспортеров (ГЛЮТ), облегчающих ее диффузию. За последние годы было идентифицировано более 10 изоформ ГЛЮТ, имеющих разную чувствитель- ность к инсулину; их распределение в тканях так- же различно. Среди них только ГЛЮТ1, ГЛЮТ3 и ГЛЮТ4 рассматриваются как основные переносчики глюкозы в нервной ткани [2]. ГЛЮТ1 и ГЛЮТ3 не- чувствительны к инсулину. ГЛЮТ1 обнаруживается во всех отделах как взрослого, так и развивающегося мозга [3]. ГЛЮТ3 присутствует в глиоцитах и эндо- телиальных клетках мозга [4]. ГЛЮТ4 чувствителен к инсулину и обладает высокой чувствительностью к уровню глюкозы. В условиях отсутствия стимуля- ции он локализован преимущественно внутриклеточ- но. В ответ на действие инсулина внутриклеточные везикулы, содержащие в себе ГЛЮТ4, подвергаются немедленному экзоцитозу. Этот транспортер обна- ружен в мозжечке, обонятельных луковицах, гиппо- кампе, латеральном гипоталамусе, аркуатных ядрах и коре больших полушарий [3]. Метаболизм глюкозы обеспечивает энергией фи- зиологическое функционирование мозга, а также образование и высвобождение нейротрансмитте- ров [6]. На культуре глутаматергических нейронов NEUROPHYSIOLOGY / НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ.—2015.—T. 47, № 120 Н. А. БАБЕНКО, В. С. ХАРЧЕНКО было показано, что глюкоза необходима для сохра- нения гомеостаза нейротрансмиттеров в ходе си- наптической активности клеток [7]. Наибольшая часть энергии в мозгу используется для обеспече- ния генерации потенциалов действия, постсинап- тических потенциалов, поддержания мембранных градиентов ионов и, соответственно, потенциала покоя [8]. Показано, что уровень гликогена в астроцитах имеет прямое отношение к эффективности про- цессов обучения; гидролиз гликогена обеспечива- ет необходимые количества углерода для синтеза глутамата во время этих процессов [10]. Блокиро- вание метаболизма гликогена in vivo с помощью ингибитора гликогенфосфорилазы 1,4-дидексил- 1,4-имино-D-арабинитола ухудшает формирование памяти, реализуемое с участием гиппокампа [11]. Представления о роли инсулина как основного регулятора метаболизма глюкозы долгое время не распространялись на действие указанного гормона на нервную ткань, несмотря на то, что мозг явля- ется основным потребителем глюкозы – он исполь- зует порядка 25 % общей продукции данного энер- гетического субстрата [12]. Ввиду этого эффекты, обусловленные действием инсулина в мозгу, оста- вались практически не исследованными. В насто- ящее время установлено, что инсулин попадает в мозг, присутствуя в цереброспинальной жидкости; он проходит через гемато-энцефалический барьер и поступает в клетки с помощью специальных пе- реносчиков [13]. Кроме того, есть данные, что этот гормон синтезируется и непосредственно в мозгу [14, 15]. Сигнальные процессы с участием инсулина в мозгу реализуются через специфические рецепто- ры, которые широко представлены в ЦНС [14, 16]. Инсулинрецепторный сигнальный каскад в ЦНС об- ладает принципиальным сходством с таковым в дру- гих тканях-мишенях. Ведущую роль в сопряжении активированных рецепторов инсулина с внутри- клеточными путями передачи сигнала выполняют адапторные белки – инсулинрецепторные субстраты IRS. Показано, что в ЦНС экспрессируются и при- сутствуют IRS1 и IRS2 [17]. Эти белки за счет сай- тов тирозинового фосфорилирования взаимодей- ствуют с src-гомологичными 2-доменсодержащими белками – такими, как р85-регуляторная субъедини- ца фосфатидилинозитол-3-киназы (ФИ-3-киназы), протеин-2-связывающий рецептор фактора роста (Grb2) и протеин-тирозинфосфатаза (Syp) [18]. Да- лее следует активация «нижележащих» сигнальных путей – Ras-Raf-MAPK-каскада и/или серин-трео- ниновых киназ, что в конечном счете и обеспечива- ет реализацию биологических эффектов инсулина в ЦНС [18]. ФИ-3-киназный сигнальный путь, кото- рый связывает IRS с протеинкиназой В (ПКВ/Akt), является одним из основных путей, обеспечиваю- щих реализацию метаболических эффектов инсу- лина в тканях. Как было показано на гиппокампе крыс, интрацеребровентрикулярное введение инсу- лина обусловливает повышение уровня этого гормо- на в гиппокампе, фосфорилирование Akt и усиление транслокации ГЛЮТ4 в плазматические мембраны нервных клеток, что в конечном счете приводит к увеличению поглощения глюкозы [19]. Инсулинсти- мулированное фосфорилирование Akt и транслока- ция ГЛЮТ4 блокируются ингибитором ФИ-3-киназы LY294002. Это свидетельствует об интенсификации инсулином поглощения глюкозы в гиппокампе по механизму, сходному с тем, который характерен для периферических тканей. Показано, что нарушение функций инсулино- вой системы в ЦНС, наблюдаемое при старении и диабете 2-го типа, коррелирует с развитием ней- родегенеративных патологий [20, 21]. Снижение интенсивности метаболизма глюкозы, повышение экспрессии инсулиновых рецепторов и снижение уровня инсулина в мозгу на фоне возрастающего уровня этого гормона в плазме крови являются од- ним из признаков развития болезни Альцгеймера [22]. Однако до настоящего времени вопросы воз- растных изменений инсулинового сигналинга и ме- таболизма глюкозы остаются практически откры- тыми и нуждаются в тщательном изучении. Учитывая то, что глюкоза играет важнейшую роль в функционировании мозга, а также слабую изучен- ность процессов регуляции процессов обмена глюко- зы в нервной ткани при развитии возрастных патоло- гий, мы в настоящей работе исследовали особенности регуляции инсулином обмена глюкозы в неокортексе старых крыс и моделировали состояние резистентно- сти к действию инсулина в тканях ЦНС молодых жи- вотных. МЕТОДИКА Эксперименты были проведены на трех- и 24-месяч- ных крысах-самцах линии Вистар. Животных под- вергали эвтаназии в состоянии наркоза. Мозг быстро извлекали, неокортекс выделяли на льду. Свежевы- деленные фрагменты неокортекса трехмесячных крыс суспендировали в буфере Рингера–Кребса NEUROPHYSIOLOGY / НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ.—2015.—T. 47, № 1 21 ВЛИЯНИЯ СТАРЕНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО ВЫЗВАННЫХ МОДИФИКАЦИЙ СИГНАЛЬНЫХ ПУТЕЙ (pH 7.5) и инкубировали 90 мин при 37 °C в присут- ствии С2-церамида (D-эритро-N-ацетилсфингозида; «Amersham», Великобритания; 5 мкг/мл среды ин- кубации) или пальмитиновой кислоты («Sigma», США; 0.75 мМ) или же в контрольной смеси (эта- нол в эквивалентном объеме). Перед внесением в среду инкубации неокортекса пальмитиновая кисло- та была комплексирована с BSA («Sigma», США), как было описано Чавесом и соавт. [23]. Неокортекс старых (24-месячных) крыс инкубировали без доба- вок в течение 90 мин при 37 °C. Далее определяли индуцированные инсулином (инсулин свиной монокомпонентный, ЗАО «Ин- дар», Украина) изменения поглощения [3Н]-D- глюкозы (0.5 мкКи/мл) тканью неокортекса и вклю- чение [U14С]-D-глюкозы (0.1 мкКи/мл) в гликоген по методу, описанному Хени и соавт. [24]. Радиоак- тивность меченых [3Н]-D-глюкозы и [14С]-гликогена определяли с помощью счетчика радиоактивности. Общее количество белка в ткани неокортекса опре- деляли по методу Лоури [25]. Числовые данные представлены ниже в виде средних значений ± ошибка среднего. Для меж- групповых сравнений использовали t-критерий Стьюдента, а для сравнения данных, полученных в результате множественных воздействий, – много- факторный дисперсионный анализ. РЕЗУЛЬТАТЫ В неокортексе трехмесячных крыс инсулин суще- ственно интенсифицировал процессы обмена глю- козы. При инкубации изолированных блоков тка- ни коры головного мозга в присутствии инсулина наблюдались усиление поглощения меченой [3Н]- глюкозы в среднем на 41 % и повышение содержа- ния [14С]-гликогена на 50 %. У старых же (24-месяч- ных) животных в блоках ткани неокортекса после воздействия инсулина изменения уровня погло- щения [3Н]-глюкозы и содержания [14С]-гликогена не достигали уровня статистической значимости (рис. 1). Ранее было показано, что в старости содержа- ние церамидов и их предшественников свободных жирных кислот повышается, причем как в класси- ческих тканях-мишенях по отношению к действию инсулина – скелетной мускулатуре и клетках пече- ни [26–28], так и в неокортексе и гиппокампе [26, 29, 30]. Снижение уровня церамидов в клетках ста- рого организма с помощью ингибитора его синте- за de novo мириоцина приводило к усилению ин- дуцированного инсулином повышения поглощения глюкозы [26]. Авторы пришли к заключению, что спонтанная резистентность старых клеток печени к действию данного гормона связана с возрастным накоплением церамидов. С целью моделирования состояния резистент- ности ткани неокортекса к действию инсулина, по- добного тому, которое наблюдается при старении, на следующем этапе работы мы изучили влияние экзогенных агентов – пальмитиновой кислоты или С2-церамида – на инсулинзависимое усиление по- глощения глюкозы и образования гликогена в ткани неокортекса трехмесячных крыс. Инкубация ткани коры головного мозга молодых крыс в присутствии экзогенной пальмитиновой кислоты приводила к подавлению стимулированного инсулином погло- щения [3H]-глюкозы на 67 % по сравнению с со- ответствующим контролем (рис. 2, А). В условиях действия С2-церамида сдвиг поглощения меченой [3Н]-глюкозы был меньше на 71 % по сравнению с 2 2 БА 1 1* (имп/мин)/мг белка (имп/мин)/мг белка 0 0 500 1000 1000 2000 1500 3000 2000 4000 2500 5000 3000 6000 Р и с. 1. Индуцированные инсулином изменения поглощения меченой глюкозы (А) и образования гликогена (Б) в ткани коры головного мозга у крыс разного возраста. 1 – для трех-, 2 – для 24-месячных крыс. Р ≤ 0.05 (разница статистически значима по сравнению с контролем). Р и с. 1. Індуковані інсуліном зміни поглинання глюкози (А) та утворення глікогену (Б) у тканині кори головного мозку у щурів різного віку. NEUROPHYSIOLOGY / НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ.—2015.—T. 47, № 122 Н. А. БАБЕНКО, В. С. ХАРЧЕНКО таковым в условиях изолированного действия ин- сулина. При инкубации ткани неокортекса в при- сутствии пальмитиновой кислоты или С2-церамида стимулированное инсулином образование меченого [14C]-гликогена в нервных клетках также резко по- давлялось (Б). ОБСУЖДЕНИЕ Инсулинзависимое усиление поглощения глюкозы клетками-мишенями осуществляется с участием особых транспортеров, чувствительных к действию упомянутого гормона (ГЛЮТ4). Эти транспортеры глюкозы в неокортексе, мозжечке, церебральных ядерных структурах и спинном мозгу характери- зуются высокой аффинностью [2]. ГЛЮТ4 в усло- виях отсутствия стимуляции инсулином находит- ся в мембранах эндоплазматического ретикулума. При стимуляции клеток инсулином происходят ак- тивация соответствующего сигнального каскада и запуск цепи событий, которые приводят к экстер- нализации более 50 % транспортера ГЛЮТ4 в кле- точные мембраны и усилению поглощения глюко- зы. В работах нашей лаборатории, проведенных ра- нее на классических мишенях инсулина – мышеч- ной ткани и гепатоцитах [26, 28], было показано, что стимулирование поглощения глюкозы и образо- вание гликогена клетками коррелируют с активаци- ей фосфолипазы D (ФЛD) под действием инсулина. Кроме того, ранее было установлено, что инсулин существенно стимулирует активацию данного эн- зима в ткани неокортекса молодых крыс [29, 31]. Активированная ФЛD гидролизует фосфатидилхо- лин; в результате этой реакции образуются холин и фосфатидная кислота. ФЛD и фосфатидная кисло- та существенно задействованы в процессы транс- дукции внутриклеточных сигналов и мембранного транспорта. В работе Ксу и соавт. было показано, что ингибирование ФЛD специфическим и неспеци- фическим ингибиторами (FIPI и 1-бутанолом соот- ветственно) снижает частоту слияний везикул, со- держащих в себе ГЛЮТ4, с плазматической мембра- ной и препятствует поглощению глюкозы клетками [32]. В старости инсулинзависимая активация ФЛD и процессы обмена глюкозы в клетках диафрагмы и печени нарушаются, причем это связано с повы- шением содержания церамидов и их предшествен- ников – свободных жирных кислот [26, 28]. В на- стоящее время появились основания считать, что церамиды могут непосредственно влиять на ФЛD, ингибируя данный фермент. Церамиды могут кон- курировать с кофакторами ФЛD за связывание с ка- талитическим ядром фермента и ингибировать его активацию фосфатидной и лизофосфатидной кис- лотами [33]. Церамиды также частично блокируют транслокацию активаторов ФЛD белка ARF и про- теинкиназы C [34] и могут подавлять транскрип- цию ФЛD [35]. Кроме того, их действие может быть опосредованным. Накопление церамидов в липид- ных рафтах клеточных мембран может приводить к нарушению физических свойств этих структур и ингибированию активности связанных с ними сиг- 2 2 3 34 4 БА 1 1 * + + + + (имп/мин)/мг белка (имп/мин)/мг белка 0 0 1000 1000 2000 3000 2000 4000 3000 5000 4000 6000 7000 Р и с. 2. Влияние пальмитиновой кислоты (16:0) и экзогенного С2-церамида на индуцированные инсулином изменения поглощения глюкозы (А) и образования гликогена (Б) в ткани коры головного мозга молодых (трехмесячных) крыс. 1 – контроль; 2 – 4 – при воздействии инсулина (2), совместном воздействии инсулина и пальмитиновой кислоты (16:0) (3) и инсулина и С2-церамида (4). *P < 0.05 (статистически значимо по сравнению с контролем), +P < 0.05 (статистически значимо по сравнению с группой 2). Р и с. 2. Впливи пальмітинової кислоти (16:0) та екзогенного С2-цераміду на індуковані інсуліном зміни поглинання глюкози (А) та утворення глікогену (Б) у тканині кори головного мозку тримісячних щурів. NEUROPHYSIOLOGY / НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ.—2015.—T. 47, № 1 23 ВЛИЯНИЯ СТАРЕНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО ВЫЗВАННЫХ МОДИФИКАЦИЙ СИГНАЛЬНЫХ ПУТЕЙ нальных молекул, в том числе ФЛD [36]. Церамиды также подавляют активность Akt/ПКВ, которая яв- ляется важным участником регуляции метаболизма глюкозы инсулином. Ранее было установлено, что содержание свобод- ных жирных кислот и церамидов в ткани неокор- текса старых (24-месячных) крыс по сравнению с таковым у взрослых животных меньшего возрас- та заметно выше [29, 30]. Кроме того, при моде- лировании состояния резистентности клеток пе- чени, диафрагмы и коры головного мозга молодых (трехмесячных) крыс с помощью как экзогенного С2-церамида, так и предшественника синтеза эндо- генных церамидов пальмитиновой кислоты наблю- дались повышение содержания эндогенных цера- мидов и подавление инсулинзависимой активации ФЛD [26, 28, 29]. В классических тканях-мишенях для инсулина – мышечной ткани и печени – пода- вление активации инсулином ФЛD сопровождалось подавлением инсулинзависимого усиления погло- щения глюкозы и образования гликогена [26, 28]. Учитывая эти данные и результаты настоящей ра- боты, можно предположить, что нарушение регуля- ции инсулином активности ФЛD является одной из существенных причин подавления индукции изме- нений метаболизма глюкозы в неокортексе старых организмов при воздействии указанного гормона. Для выяснения роли церамидов в нарушении ак- тивации инсулином поглощения глюкозы и образо- вания гликогена у старых организмов в настоящей работе процессы обмена глюкозы изучали в нео- кортексе взрослых молодых животных в условиях повышенного содержания эндогенных церамидов, обусловленного действием пальмитиновой кисло- ты или С2-церамида. Пальмитиновая кислота явля- ется предшественником синтеза сфинголипидов в различных тканях, причем доступность необходи- мых субстратов представляет собой лимитирующий фактор этого процесса. Введение пальмитиновой кислоты в среду культивирования астроглиальных клеток усиливает процесс синтеза сфинголипидов и церамидов de novo [37]. В работе, проведенной ранее в нашей лаборатории, было установлено, что увеличение в клетках уровней пальмитиновой кис- лоты (т. е. предшественника сфинголипидов) или же непосредственно С2-церамида является важным фактором, обусловливающим существенное повы- шение содержания эндогенных церамидов в неокор- тексе [29]. С2-церамид часто используется в иссле- дованиях процессов, опосредуемых церамидами, поскольку он легко проникает в клетки; в резуль- тате фактически имитируется действие повышения уровня эндогенных церамидов. Короткоцепочеч- ные С2- и С6-церамиды могут утилизироваться в клетках, что приводит к образованию сфингозина и сфинганина и их использованию в синтезе длинно- цепочечных церамидов и более сложных сфинголи- пидов [38]. В нашей работе экзогенный С2-церамид мы использовали как инструмент, индуцирующий повышение содержания эндогенных церамидов в ткани коры головного мозга молодых крыс, подоб- ное тому, которое наблюдается у старых животных. Полученные данные согласуются с результатами ранее проведенных экспериментов на гепатоцитах и клетках диафрагмы молодых крыс при модулиро- вании в них содержания церамидов под действи- ем предшественников последних [26, 28]. Введение в среду инкубации ингибитора серинпальмитоил- трансферазы мириоцина предотвращало индук- цию накопления эндогенных церамидов, обуслов- ленного влиянием короткоцепочечных церамидов [26]. Мириоцин нормализовал также содержание эндогенных церамидов в гепатоцитах старых крыс и в молодых гепатоцитах, культивируемых в при- сутствии как С2-церамида, так и пальмитиновой кислоты. Данные факты свидетельствуют о том, что активация синтеза церамидов de novo является важной причиной их накопления в клетках печени. Эндогенные С2-церамид и пальмитиновая кислота полностью подавляли активирующее действие ин- сулина как на ФЛD, так и на обмен глюкозы в гепа- тоцитах молодых животных. Учитывая эти данные и результаты настоящей работы, можно предполо- жить, что накопление вновь синтезированных цера- мидов в неокортексе как под действием введения их предшественников у молодых крыс, так и в интакт- ной коре старых животных является важной причи- ной развития состояния резистентности кортикаль- ных тканей к действию инсулина. Таким образом, выяснилось, что в ткани неокор- текса молодых животных инсулин существенно ин- тенсифицирует поглощение глюкозы и образование гликогена. В старости же чувствительность ткани коры головного мозга к действию этого гормона резко снижается. Большое значение для развития возрастной резистентности обмена глюкозы в нео- кортексе к действию инсулина имеет изменение ли- пидного спектра мембран кортикальных клеток, в частности повышение содержания церамидов. Це- рамиды, являясь ингибиторами ключевых компо- нентов сигнальных путей инсулина в мозгу (таких, как Akt/протеинкиназа В, ARF, ПКС и ФЛD), могут NEUROPHYSIOLOGY / НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ.—2015.—T. 47, № 124 Н. А. БАБЕНКО, В. С. ХАРЧЕНКО нарушать работу сигнального каскада и формирова- ние адекватного физиологического ответа. Учиты- вая то, что глюкоза играет важную роль в функцио- нировании клеток мозга, а процессы ее поглощения и запасания – это мишень для действия церамидов в неокортексе, можно предположить, что подавле- ние инсулинзависимой модуляции обмена глюко- зы является важной причиной нарушения функци- онирования мозга в старости и одним из факторов, предшествующих развитию нейродегенеративных патологий. Все исследования на животных проводили с соблюде- нием Международных принципов Европейской конвенции о защите позвоночных животных, которые используются для экспериментов и других научных целей (Страсбург, 1985), и национальных Общих этических принципов экспериментов на животных (Украина, 2001). Авторы настоящей работы, Н. А. Бабенко, и В. С. Хар- ченко, заявляют, что при выполнении исследования и публи- кации его результатов отсутствовали какие-либо конфлик- ты, касающиеся коммерческих или финансовых отношений, отношений с организациями и/или лицами, которые могли быть связаны с исследованием, и взаимоотношений соавто- ров статьи. Н. А. Бабенко1, В. С. Харченко1 ВПЛИВИ СТАРІННЯ ТА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНО ВИКЛИ- КАНИХ МОДИФІКАЦІЙ СИГНАЛЬНИХ ШЛЯХІВ НА ІН- СУЛІНІНДУКОВАНІ ЗРУШЕННЯ ОБМІНУ ГЛЮКОЗИ В КОРІ ГОЛОВНОГО МОЗКУ ЩУРІВ 1 Науково-дослідний інститут біології Харківського національного університету ім. В. Н. Каразіна (Україна). Р е з ю м е Досліджували інсулініндуковану інтенсифікацію поглинан- ня глюкози та утворення глікогену в корі головного мозку молодих і старих щурів. У перших із них відповідні зру- шення были добре вираженими; у старих же тварин інсулін не чинив істотної стимулюючої дії на процеси обміну глю- кози в тканині неокортексу. Вважалося, що це пов’язано з віковим підвищенням рівня церамідів, зумовлюючим згада- ну зміну ліпідного спектра мембран клітин, і пригніченням ключових компонентів сигнальних шляхів інсуліну в мозку (таких, як Akt/протеїнкіназа В, ARF, протеїнкіназа С і фос- фоліпаза D). Дані події призводять до порушення функці- онування сигнального каскаду гормону та процесу форму- вання фізіологічної відповіді. Підвищення вмісту церамідів у тканині кори головного мозку молодих щурiв у результаті дії екзогенного С2-цераміду або пальмітинової кислоти (по- передника сфінголіпідів) супроводжується пригніченням ін- тенсифікації поглинання глюкози та утворення глікогену під впливом інсуліну. Враховуючи істотне підвищення вмісту церамідів у неокортексі в старості (що узгоджуеться з ре- зультатами даної роботи), можна вважати, що накопичення цераміду з віком є важливою причиною розвитку резистент- ності ЦНС щодо інсуліну. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. L. Pellerin and P. J. Magistretti, “Glutamate uptake into astrocytes stimulates aerobic glycolysis: a mechanism coupling neuronal activity to glucose utilization,” Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 91, No. 22, 10625-10629 (1994). 2. C. Choeiri, W. Staines, and C. Messier, “Immunohistochemical localization and quantification of glucose transporters in the mouse brain,” Neuroscience, 111, No. 1, 19-34 (2002). 3. A. M. Brant, T. J. Jess, G. Milligan, et al., “Immunological analysis of glucose transporters expressed in different regions of the rat brain and central nervous system,” Biochem. Biophys. Res. Commun., 192, No. 3, 1297-1302 (1993). 4. T. Kayano, H. Fukumoto, R. L. Eddy, et al., “Evidence for a family of human glucose transporter-like proteins. Sequence and gene localization of a protein expressed in fetal skeletal muscle and other tissues,” J. Biol. Chem., 263, No. 30, 15245- 15248 (1988). 5. G. W. Gould, A. M. Brant, B. B. Kahn, et al., “Expression of the brain-type glucose transporter is restricted to brain and neuronal cells in mice,” Diabetologia, 35, No. 4, 304-309 (1992). 6. G. A. Dienel, “Fueling and imaging brain activation,” Am. Soc. Neurochem. Neuro., 4, e00093 (2012). 7. L. K. Bak, A. Schousboe, U. Sonnewald, and H. S. Wa- agepetersen, “Glucose is necessary to maintain neuro- t ransmitter homeostasis during synaptic act ivi ty in cultured glutamatergic neurons,” J. Cerebr. Blood Flow Metab., 26, No. 10, 1285-1297 (2006). 8. C. Howarth, P. Gleeson, and D. Attwell, “Updated energy budgets for neural computation in the neocortex and cerebellum,” J. Cerebr. Blood Flow Metab., 32, 1222-1232 (2012). 9. M. V. Ivannikov, M. Sugimori, and R. R. Llinás, “Calcium clearance and its energy requirements in cerebellar neurons,” Cell Calcium, 47, 507-513 (2010). 10. M. Dinuzzo, S. Mangia, B. Maraviglia, and F. Giove, “The role of astrocytic glycogen in supporting the energetics of neuronal activity,” Neurochem. Res., 37, 2432-2438 (2012). 11. A. Suzuki, S. A. Stern, O. Bozdagi, et al., “Astrocyte-neuron lactate transport is required for long-term memory formation,” Cell, 144, 810-823 (2011). 12. G. S. Watson and S. Craft, “Modulation of memory by insulin and glucose: neuropsychological observations in Alzheimer’s disease,” Eur. J. Pharmacol., 490, Nos. 1/3, 97-113 (2004). 13. Z. Laron, “Insulin and the brain,” Arch. Physiol. Biochem., 115, No. 2, 112-116 (2009). 14. W. Zhao, H. Chen, H. Xu, et al., “Brain insulin receptors and spatial memory. Correlated changes in gene ex- pression, tyrosine phosphorylation, and signaling molecules in the hippocampus of water maze trained rats,” J. Biol. Chem., 274, No. 49, 34893-34902 (1999). 15. R. Schechter, T. Yanovitch, M. Abboud, et al., “Effects of brain NEUROPHYSIOLOGY / НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ.—2015.—T. 47, № 1 25 ВЛИЯНИЯ СТАРЕНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО ВЫЗВАННЫХ МОДИФИКАЦИЙ СИГНАЛЬНЫХ ПУТЕЙ endogenous insulin on neurofilament and MAPK in fetal rat neuron cell cultures,” Brain Res., 808, No. 2, 270-278 (1998). 16. J. Havrankova, J. Roth, and M. Brownstein, “Insulin receptors are widely distributed in the central nervous system of the rat,” Nature, 272, No. 56, 827-829 (1978). 17. E. Araki, M. A. Lipes, M. E. Patti, et al., “Alternative pathway of insulin signalling in mice with targeted disruption of the IRS-1 gene,” Nature, 372, No. 6502, 186-190 (1994). 18. L. Plum, M. Schubert, and J. C. Brüning, “The role of insulin receptor signaling in the brain,” Trends Endocrinol. Metab., 16, No. 2, 59-65 (2005). 19. C. A. Grillo, G. G. Piroli, R. M. Hendry, and L. P. Reagan, “Insulin-stimulated translocation of GLUT4 to the plasma membrane in rat hippocampus is PI3-kinase dependent,” Brain Res., 1296, 35-45 (2009). 20. S. M. de la Monte, “Insulin resistance and Alzheimer’s disease,” BMB Reports, 42, No. 8, 475-481 (2009). 21. S. M. de la Monte, E. Re, L. Longato, and M. Tong, “Dysfunctional pro-ceramide, ER stress, and insulin/IGF signaling networks with progression of Alzheimer’s disease,” J. Alzheimer’s Dis., 30, Suppl. 2, S217-S229 (2012). 22. D. Kapogiannis and M. P. Mattson, “Disrupted energy metabolism and neuronal circuit dysfunction in cognitive impairment and Alzheimer’s disease,” Lancet Neurol., 10, 187- 198 (2011). 23. J. A. Chavez, W. L. Holland, J. Bar, et al., “Acid ceramidase overexpression prevents the inhibitory effects of saturated fatty acids on insulin signaling,” J. Biol. Chem., 280, No. 20, 20148-20153 (2005). 24. M. Heni, A. M. Hennige, A. Peter, et al., “Insulin promotes glycogen storage and cell proliferation in primary human astrocytes,” PLoS ONE, 6, No. 6, e21594 (2011). 25. O. N. Lowry, N. J. Rosebrough, A. L. Farr, and R. J. Randal, “Protein measurement with the folin phenol reagent,” J. Biol. Chem., 193, 365-375 (1951). 26. N. A. Babenko and V. S. Kharchenko, “Ceramides inhibit phospholipase D-dependent insulin signaling in liver cells of old rats,” Biochemistry, 77, No. 2, 180-186 (2012). 27. N. A. Babenko, L. K. Hassouneh, V. S. Kharchenko, and V. V. Garkavenko, “Vitamin E prevents the age-dependent and palmitate-induced disturbances of sphingolipid turnover in liver cells,” Age (Dordr.), 34, 905-915 (2012). 28. Н. А. Бабенко, В. С. Харченко, “Роль церамидов в нарушении инсулинового сигналинга в диафрагме крыс в условиях in vivo и in vitro”, Пробл. ендокрин. патології, № 1, 37-43 (2009). 29. N. A. Babenko and V. S. Kharchenko, “Age-related changes in the phospholipase D-dependent signal pathway of insulin in the rat neocortex,” Neurophysiology, 45, No. 2, 120-127 (2013). 30. N. A. Babenko and Y. A. Semenova, “Effects of long-term fish oil-enriched diet on the sphingolipid metabolism in brain of old rats,” Exp. Gerontol., 45, No. 5, 375-380 (2010). 31. G. A. Salvador, S. J. Pasquare, M. G. Ilincheta de Boschero, and N. M. Giusto, “Differential modulation of phospho- l ipase D and phosphatidate phosphohydrolase during aging in rat cerebral cortex synaptosomes,” Exp. Gerontol., 37, No. 4, 543-552 (2002). 32. Y. Xu, B. R. Rubin, C. M. Orme, et al., “Dual-mode of insulin action controls GLUT4 vesicle exocytosis,” J. Cell Biol., 193, No. 4, 643-653 (2011). 33. I. N. Singh, L. M. Stromberg, S. G. Bourgoin, et al., “Ceramide inhibition of mammalian phospholipase D1 and D2 acti- v i t i e s i s a n t a gon i z ed by pho spha t i d y l i n o s i t o l 4,5-bisphosphate,” Biochemistry, 40, 11227-11233 (2001). 34. A. Abousalham, C. Liossis, L. O’Brien, and D. N. Brindley, “Cell-permeable ceramides prevent the activation of phospholipase D by ADP-ribosylation factor and RhoA,” J. Biol. Chem., 272, 1069-1075 (1997). 35. А. S. Mebarek, H. Komati, F. Naro, et al., “Inhibition of de novo ceramide synthesis upregulates phospholipase D and enhances myogenic differentiation,” J. Cell. Sci., 120, Part 3, 407-416 (2007). 36. А. Gidwani, H. A. Brown, D. Holowka, and B. Baird, “Disruption of lipid order by short-chain ceramides cor- relates with inhibition of phospholipase D and down- stream signaling by FcepsilonRI,” J. Cell Sci., 116, 3177-3187 (2003). 37. S. Patil, D. Balu, J. Melrose, and C. Chan, “Brain region- specificity of palmitic acid-induced abnormalities asso- ciated with Alzheimer’s disease,” BMC Res. Notes, 4, 1-20 (2008). 38. N. D. Ridgway and D. L. Merriam, “Metabolism of short- chain ceramide and dihydroceramide analogues in Chinese hamster ovary (CHO) cells,” Biochim. Biophys. Acta, 1256, No. 1, 57-70 (1995).

Влияния старения и экспериментально вызванных модификаций сигнальных путей на инсулининдуцированные сдвиги обмена глюкозы в коре головного мозга крыс

Репозитарії

Схожі ресурси