Купить

АДЕНИЛАТЦИКЛАЗА-5 – ОСНОВНОЙ ТАРГЕТНЫЙ БЕЛОК ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НОРМОТИМИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ АСКОРБАТА ЛИТИЯ

Проф. Громова О.А.

Механизм фармакологического действия аскорбата лития

 

 

АДЕНИЛАТЦИКЛАЗА-5 – ОСНОВНОЙ ТАРГЕТНЫЙ БЕЛОК 

ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НОРМОТИМИЧЕСКИХ 

ЭФФЕКТОВ АСКОРБАТА ЛИТИЯ

 

С целью формулировки более детальных механизмов осуществления биологических и фармакологических эффектов аскорбата лития в ходе настоящей работы был проведен анализ возможных взаимодействий иона лития с белками протеома человека. Проведенные нами поиски по базам данных протеома человека (NCBIPROTEIN, EMBL, UNIPROT, Human Proteome Map (HPM), BIOCYC-HUMAN  и др.) показали, что в протеоме человека существуют, по меньшей мере, 47 белков, активность которых, так или иначе, может контролироваться ионами лития. Системно-биологический анализ этих массивов белков позволяет провести комплексную системно-биологическую оценку всех возможных биологических и фармакологических эффектов лития и, соответственно, оценить молекулярные механизмы осуществления этих эффектов.

Список из 47 литий-зависимых белков (включая белки транспорта иона Li+) был составлен на основе имеющихся аннотаций генома человека в базах данных NCBIPROTEIN, EMBL, UNIPROTи HPM, анализировались посредством метода функционального связывания (Torshin, 2009). Анализ функциональных взаимосвязей – одна из информационных технологий современной биоинформатики. Метод анализа функциональных взаимосвязей, соединяя данные различных уровней информации (данные о моногенных заболеваниях, биохимические данные о кофакторах белков, данные о клеточных ролях белков, симптоматику и критерии диагностики заболеваний и т. д.) в различных базах данных (БД) позволяет систематически рассмотреть все возможные биологические роли лития. В целом, при использовании метода анализа функциональных взаимосвязей каждый белок протеома человека представлен строкой в списке, включающем такие описания белка/гена как: 

·      аминокислотная последовательность белка, 

·      список эссенциальных кофакторов белка (в т.ч. с указанием потребности в ионах лития, магния, производных витаминов и т.п.), 

·      список моногенных заболеваний, связанных с полной или частичной потерей активности этого белка и соответствующего гена, 

·      список клинических симптомов рассматриваемых моногенных заболеваний,

·      список клеточных функций белка (по БД GeneOntologyGOи др.), 

·      список отдельных симптомов заболеваний, список диагнозов по МКБ-10 и другая информация из баз данных. 

 

Далее, в полученном списке выделяются гены, соответствующие белкам из списка литий-зависимых белков и проводятся последующие анализы биологических ролей этих белков. 

 

Результаты

В результате проведенного анализа, среди известных 50057 белков протеома человека было выделено 20180 аннотированных белков протеома (т.е. белков, для которых известны хотя бы основные биологически роли). Среди 20180 белков, 47 белков так или иначе связанны с осуществлением биологических ролей лития. Из списка  47 белков протеома, активность которых, так или иначе, взаимосвязана с ионами лития были выделены белки активность которых, прямо или косвенно, зависит от ионов лития и которые, одновременно, модулируют метаболизм нейротрансмиттеров и активность рецепторов нейротрансмиттеров, обуславливая нормотимические эффекты аскорбата лития (Таблица 1).

 

Таблица 1. Литий-зависимые белки, взаимосвязанные с модуляцией метаболизма нейротрансмиттеров и с активности рецепторов нейротрансмиттеров.

Ген(ы)

Белок (белки)

Функция белка/гена

Роли лития

ADCY5

Аденилат-циклаза 5

Синтез  сигнальной молекулы цАМФ в ходе внутриклеточной передачи сигнала через G-белки

Ингибирует каталитическую субъединицу аденилатциклазы 5

TPH2

Триптофан-5-гидроксилаза 2

Биосинтеза серотонина из L-триптофана 

Снижение экспрессии TPH2, увеличение секреции серотонина

PTK2B

Тирозин-киназа 2-бета

Регуляция NMDA рецепторов, активация PI3K, сигнальных каскадов AKT1, ERK2, ERK1 

Литий подавляет фосфорилирование остатка тирозин-402, что способствует инактивации NMDA рецептора 

GRIA1, GRIA3 и др.

Глутамат рецепторы GluR

Метаботропные рецепторы глутамата

Снижение уровней экспрессии глутаматного рецептора GluR1

SLC38A1

Na-связанный транспортер 1 нейтральных аминокислот

Обеспечение глутаматергических и ГАМКергических нейронов глутамином для синтеза глутамата и ГАМК 

Ингибируется ионами лития 

SLC8B1

Na/K/Ca обменник 6 митохондрий

Литий-кальциевый обмен , Са направляется в митохондрии, Li  - внутрь клетки 15060069

Активация транспорта ионов Са2+ внутрь митохондрий, торможение эксайтотоксичности

ASIC1

Кислота-чувствитель-ный ионный канал 1

постсинаптический рецептор протонов, модулирует активность нейронных сетей

Транспорт ионов Li+

 

         Из перечисленных в Таблице 1 белков, именно ингибирование активности специфических аденилатциклаз (прежде всего, аденилатциклазы-5) является принципиально важным механизмом осуществления нормотимических ролей иона лития в составе аскорбата лития. Ингибирование литием аденилатциклаз способствует торможению дофаминергической и адренергической нейротрансмиссии, усиливая, параллельно, серотонинергические сигналы.

 

Рис. Ион лития ингибирует аденилатциклазы, что способствует торможению дофаминергической трансмиссии и усилению серотонинергической. ДОФ, дофамин; СЕР, серотонин.

 

Аденилатциклазыактивируются или тормозятся G-белками которые, в сочетании с мембранными рецепторами, обеспечивают реакцию клетки на гормональные и другие стимулы (в частности, на катехоламины и серотонин). Ферменты аденилатциклаз катализируют превращение аденозинмонофосфата (АМФ) в циклический AMP (цАМФ). цАМФ является важной молекулой передачи сигнала от клеточных рецепторов к регуляторам транскрипции. Все аденилатциклазы имеют весьма схожую пространственную структуру и работают по каталитическому механизму, в котором используются два иона магния (Zimmermann, 1998). Ион магния принципиально необходим для каталитического действия аденилатциклаз (Londos, 1977; Rude, 1983; Katz, 1980) (Рис. 2). 

Показано, что ион Li+ непосредственно взаимодействует с каталитической субъединицей аденилатциклаз(MorkA, GeislerA, 1987). Литий ингибирует, в большей степени, аденилатциклазу-5 (на 50%) и аденилатциклазу-7 (на 40%), которые активируются при стимулировании D1 дофаминовых рецепторов. Ингибирование этих аденилатциклаз способствует реализации стабилизирующих настроение эффектов лития (MannL, HeldmanEetal, 2008). 

 

Рис. 2. Пространственная структура аденилатциклазы 5 человека (модель на основе PDB4cls). Показан ион магния в активном центре фермента (зелёная сфера), взаимодействующий с фосфат-анионом субстрата (обозначен проволочной моделью). Ион лития конкурентно вытесняет ион магния из активного центра фермента, что способствует ингибированию активность аденилатциклазы-5.

 

Сравнение эффективности действия иона лития на различные типы аденилатциклаз invitroпроводилось для 9 мембранно-связанных форм аденилатциклаз человека (АС1-АС9), которые активировались D1-дофаминовыми рецепторами. Показано, что при активации D1 рецепторов молекулами-агонистами литий тормозил дофаминергическую нейротрансмиссию, происходящую при участии аденилатциклазы-5. При этом, резкое увеличение уровней ионов Mg2+в среде выращивания клеток (до 10 ммоль/л) приводило к устранению ингибирования фермента и восстанавливало активность фермента до 70% от исходной. Таким образом, ион лития конкурентно вытесняет ионы магния из активного центра аденилатциклазы-5, тем самым ингибируя дофаминергическую нейротрансмиссию (Mann L, Heldman E et al, 2009). Кроме того, ионы лития не только ингибируют аденилатциклазу-5, опосредующую эффекты дофаминового рецептора, но, также, модулируют уровни дофамина в различных регионах головного мозга (Maggi, 1980; Corrodi, 1967; Friedman, 1973). 

         Аденилатциклазы также опосредуют сигнальные каскады адренорецепторов(ChenY,  FriedmanJetal, 2014), поэтому непосредственное ингибирование аденилатциклаз ионом лития будет тормозит и адренергическую нейротрансмиссию. Показано, что ионы лития способствуют снижению активации аденилатциклаз при активации бета-адренергических рецепторов (Risby, 1991), что сопровождалось антидепрессантным эффектом воздействия ионов лития (Mann, 2009). Кроме того, ионы лития способствуют снижению экспрессии адренергических нейротрансмиттеров. В эксперименте, обогащение диеты литием в течение 30 сут. снижало уровни  альфа-1, альфа-2, бета-1, бета-2  адренорецепторов мозга крысы в коре головного мозга (DevakiR, ShankarRaoSetal, 2006). 

         Литий также увеличивает активность серотонинергической нейротрансмиссии [HaddjeriN, SzaboSTetal, 2000].Данный эффект также осуществляется посредством ингибирования ионом лития аденилатциклаз, опосредующих передачу сигнала от 5-HT1 рецепторов серотонина гиппокампа [JanuelD, MassotOetal, 2002; HottaI, YamawakiS, 1986]. Т.к. активация 5-HT1 серотониновых рецепторов (в частности, подтипов  5-HT1B[MassotO, RousselleJCetal, 1999], 5-HT1F[AdhamN, KaoHTetal, 1993]) связана с ингибированием аденилатциклаз, то ингибирование аденилатциклаз ионом лития соответствует повышению серотонинергической активности.

         Кроме того, краткосрочное (8 ч) и долгосрочное (14 суток) воздействие 1 мМ лития на серотонинергические нейроны в культуре приводит к увеличению секреции серотонина на 20% [ScheuchK, HoltjeMetal, 2010]. При этом, под воздействием лития происходит увеличение селективного всасывания триптофана в синаптосомах стриарного нерва на 40% и активация биосинтеза серотонина из триптофана. Увеличение  секреции серотонина под воздействием лития согласуется с регулировкой биосинтеза серотонина по механизму обратной связи от 5-HT1 рецепторов [KnappS, MandellAJ, 1975].

         Таким образом, ингибирование ионами лития в составе аскорбата лития аденилатциклазы-5 объясняет нормотимический эффект солей лития как обусловленный «тонкой» модуляцией дофаминэргической, адренергической и серотонинэргической систем. Поэтому, аденилатциклаза-5 является важнейшим таргетным белком осуществления нормотимических эффектов аскорбата лития.

 

Нормотимические роли аскорбат-аниона

         Аскорбат-анион в составе аскорбата лития повышает биоусвояемость ионов лития и способствует усиленному накоплению лития в нервной ткани. В частности, проведенные нами фармакокинетические исследования показали, что головной мозг является одной из составляющих «депо» лития в организме (Гоголева И.В, 2009; Пронин А.В. с соавт., 2016). Применение метода анализа функциональных взаимосвязей (Torshin, 2009) позволяет утверждать, что таргетное накопление аскорбат-аниона в клетках обусловлено активностью белков-транспортёров витамина С SLC23A1, SLC23A2, SLC23A3 (Рис. 3). Белки-транспортёры витамина С представляют собой трансмембранные белки, которые обеспечивают транспорт аскорбат-аниона внутрь клеток, в т.ч. внутрь нейронов (VelhoA, JarvisS, 2009).

 

Рис. 3. Модель пространственной структуры белков-транспортёров витамина С (модель на основе PDBфайла 3qe7). Синие сферы обозначают сайт связывания аскорбат-аниона. 

Однако, помимо «транспортной роли», аскорбат-анион в составе аскорбата лития характеризуется и собственными нормотимическими эффектами. Заметим, что описываемые ниже эффекты соответствуют достаточно высоким дозами аскорбат-аниона (10…50 мг/кг).

         Помимо выраженных антиоксидантных свойств аскорбат-аниона и его таргетного накопления в мозге и в нейроэндокринных тканях (надпочечники), аскорбат-анион модулирует активность дофаминергической, серотонинергической, ГАМК-ергической, глутаматергической нейротрансмиссии. Показана перспективность использования витамина С для лечения шизофрении, основного депрессивного расстройства, биполярного расстройства [MorettiM, FragaDB, RodriguesA, 2017]. 

В эксперименте установлено, что действие аскорбат-аниона противоположно эффектам дофамина на поведение [Rebec, Pierce, 1994]. В эксперименте, аскорбиновая кислота проявляет антидепрессантное действие и достоверно снижает депрессивно-подобное поведение, вызванное острым стрессом [Moretti с соавт., 2013] и хроническим непредсказуемым стрессом [Moretti с соавт.,  2012] причём с эффективностью, сравнимой с традиционными антидепрессантами (флуоксетин и др.). 

Антидепрессивный эффект аскорбат-аниона связан с метаболизмом допамина и серотонина. Аскорбат имеет функциональную роль как в дофаминергической, так и глутаматергической нейротрансмиссии [Rice, 2000] и, также, модулирует выделение ацетилхолина в синаптических везикулах [Kuo, Yoshida, 1980]. В частности, аскорбат-анион служит специфическим кофактором для превращения дофамина в норадреналин с помощью дофаминовой b-гидроксилазы. Кроме того, аскорбат-анион необходим для рециркуляции тетрагидробиоптерина, который является кофактором ферментов тирозингидроксилазы (синтез катехоламинов) и триптофангидроксилазы (синтез серотонина) [Taylor с соавт., 2005].

В эксперименте, приём галоперидола до воздействия аскорбиновой кислоты предотвращал антидепрессантый эффект аскорбат-аниона, что указывает на участие дофаминергической системы в антидепрессантоподобном действии этого соединения посредством модуляции активности дофаминовых D2-рецепторов [Binfare с соавт., 2009]. Это же исследование показало, что антидепрессантный эффект аскорбиновой кислоты также включает активацию серотониновых рецепторов 5-HT1A, 5-HT2A/2Cи 5-HT3. Кроме того, аскорбиновая кислота вызывала синергический антидепрессивный эффект с обычными антидепрессантами (флуоксетин, имипрамин и бупропион) [Moretti с соавт.,  2015]. Таким образом, аскорбат-анион является очевидным синергистом литиевого иона в составе аскорбата лития (Рис. 4).

 

Рис. 4. Молекулярные механизмы нормотимического действия аскорбата лития

 

Литература

Пронин А.В., Громова О.А., Торшин И.Ю., Гоголева И.В., Жидоморов Н.Ю., Сардарян И.С., Волков А.Ю.Доклиническое изучение фармакокинетики аскорбата лития. Фармакокинетика и фармакодинамика. 2016. № 2. С. 18-25.

AdhamNKaoHTSchecterLEBardJOlsenMUrquhartDDurkinMHartigPRWeinshankRLBranchekTA.Cloning of another human serotonin receptor (5-HT1F): a fifth 5-HT1 receptor subtype coupled to the inhibition of  adenylate cyclase. Proc Natl Acad Sci U S A. 1993;90(2):408-412.

Binfare RW, Rosa AO, Lobato KR, Santos AR, Rodrigues AL.Ascorbic acid administration produces an antidepressant-like effect: evidence for the involvement of monoaminergic neurotransmission. Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry. 2009;33(3):530–40.

Chen YZ, Friedman JR, Chen DH, Chan GC, Bloss CS, Hisama  FM, Topol SE, Carson AR, Pham PH, Bonkowski ES, Scott ER,  Lee JK, Zhang G, Oliveira G, Xu J, Scott-Van  Zeeland AA, Chen Q, Levy S, Topol EJ, Storm  D, Swanson PD, Bird TD, Schork NJ, Raskind WH, Torkamani A.Gain-of-function ADCY5 mutations in familial dyskinesia with facial myokymia. Ann Neurol. 2014;75(4):542-9 doi.

Corrodi, H. et al.The effect of lithium on cerebral monoamine neurons. Psychopharmacologia, 1967;11, 345–353.

Devaki R, Shankar Rao S, Nadgir SM.The effect of lithium on the adrenoceptor-mediated second messenger system in the rat brain. J Psychiatry Neurosci. 2006;31(4):246-252.

Friedman, E. and Gershon, S.Effect of lithium on brain dopamine. Nature,1973;243, 520–521.

Haddjeri N, Szabo ST, de Montigny C, Blier P.Increased tonic activation of rat forebrain 5-HT(1A) receptors by lithium addition to antidepressant treatments. Neuropsychopharmacol 2000;22(4):346-356.

Hotta I, Yamawaki S.Lithium decreases 5-HT1 receptors but increases 5-HT-sensitive adenylate cyclase activity in rat hippocampus. Biol Psychiatry. 1986;21(14):1382-1390.

Januel D, Massot O, Poirier  MF, Olie JP, Fillion G.Interaction of lithium  with 5-HT(1B) receptors in depressed  unipolar patients treated with clomipramine  and lithium versus clomipramine and  placebo: preliminary results. Psychiatry Res. 2002;111(2-3):117-124.

Katz MS, Partilla JS, Pineyro MA, Gregerman RI.Determinants of the stimulation of fat cell adenylate cyclase by high concentrations of sodium and magnesium salts. Implications for the role of magnesium in regulation of enzyme activity. Biochim Biophys Acta. 1980;613(1):229-237.

Knapp S, Mandell AJ.Effects of lithium chloride on parameters biosynthetic capacity for 5-hydroxytryptamin in rat brain. J Pharmacol Exp Ther. 1975;193(3):812-823.

Kuo CH, Yoshida H.Ascorbic acid, an endogenous factor required for acetylcholine release from the synaptic vesicles. Jpn J Pharmacol. 1980;30(4):481–92.

Londos C, Preston MS.Activation of the hepatic adenylate cyclase system by divalent cations. J Biol Chem. 1977;252(17):5957-5961.

Maggi, A. and Enna, S.J.  Regional alterations in rat brain neurotransmitter systems following chronic lithium treatment. J. Neurochem.1980;34, 888–892.

Mann L, Heldman E, Bersudsky Y, Vatner SF,  Ishikawa Y, Almog O, Belmaker  RH, Agam G. Inhibition of specific adenylyl cyclase isoforms  by lithium and carbamazepine, but  not valproate, may be  related to their antidepressant effect.  Bipolar Disord. 2009;11(8):885-96 doi.

Mann L, Heldman E, Shaltiel G, Belmaker RH, Agam G.Lithium preferentially inhibits adenylyl cyclase V and VII isoforms. Int J Neuropsychopharmacol 2008;11(4):533-9 doi.

Mann, L. et al. Inhibition of specific adenylyl cyclase isoforms by lithium and carbamazepine, but not valproate, may be related to their antidepressant effect. Bipolar Disord. 2009;11, 885–896.

Massot O, Rousselle JC, Fillion MP, Januel D, Plantefol M, Fillion G.5-HT1B receptors: a novel target for lithium. Possible involvement in mood disorders. Neuropsychopharmacol 1999;21(4):530-541.

Moretti M, Budni J, Dos Santos DB, Antunes A, Daufenbach JF, Manosso LM, etal.Protective effects of ascorbic acid on behavior and oxidative status of restraint-stressed mice. J Mol Neurosci. 2013;49(1):68–79.]

Moretti M, Budni J, Freitas AE, Neis VB, Ribeiro CM, de Oliveira Balen G, et al. TNF-alpha-induced depressive-like phenotype and p38(MAPK) activation are abolished by ascorbic acid treatment. Eur Neuropsychopharmacol. 2015;25(6):902–12.

Moretti M, Colla A, de Oliveira Balen G, dos Santos DB, Budni J, de Freitas AE, et al.Ascorbic  acid treatment, similarly to fluoxetine, reverses depressive-like behavior and brain oxidative damage induced by chronic unpredictable stress. J Psychiatr Res. 2012;46(3):331–40.]

Moretti M, Fraga DB, Rodrigues ALS.Ascorbic Acid to Manage Psychiatric Disorders. CNS Drugs. 2017 Jul;31(7):571-583. doi: 10.1007/s40263-017-0446-8.

Mork A, Geisler A.Mode of action of lithium on the catalytic unit of adenylate cyclase from rat brain. Pharmacol Toxicol. 1987;60(4):241-248.

Park HY, Kang YM, Kang Y, Park TS, Ryu YK,  Hwang JH, Kim YH, Chung  BH, Nam KH, Kim MR,  Lee CH, Han PL, Kim  KS. Inhibition of adenylyl cyclase  type 5 prevents L-DOPA-induced dyskinesia  in an animal model of Parkinson's disease. J Neurosci. 2014;34(35):11744-53 doi.

Rebec GV, Pierce RC. A vitamin as neuromodulator—ascorbate release into the extracellular fluid of the brain regulates dopaminergic and glutamatergic transmission. Prog Neurobiol. 1994;43(6):537–65..

Rice ME.Ascorbate regulation and its neuroprotective role in the brain. Trends Neurosci. 2000;23(5):209–16.

Risby, E.D.et al. The mechanisms of action of lithium. II. Effects on adenylate cyclase activity and beta-adrenergic receptor binding in normal subjects. Arch. Gen. Psychiatry 1991;48, 513–524.

Rude RK.Renal cortical adenylate cyclase: characterization of magnesium activation. Endocrinology. 1983;113(4):1348-1355.

Scheuch K, Holtje M, Budde H, Lautenschlager M, Heinz A, Ahnert-Hilger  G, Priller J.Lithium modulates tryptophan hydroxylase 2 gene expression and serotonin release in primary cultures of serotonergic raphe neurons. Brain Res. 2010;1307:14-21 doi.

Taylor C, Fricker AD, Devi LA, Gomes I.Mechanisms of action of antidepressants: from neurotransmitter systems to signaling pathways. Cell Signal. 2005;17(5):549–57.

Torshin I.Yu.Sensing the change from molecular genetics to personalized medicine. Nova Biomedical Books, NY, USA, 2009, In “Bioinformatics in the Post-Genomic Era” series, ISBN 1-60692-217-0.

Velho A.M., Jarvis S.M.Topological studies of hSVCT1, the human sodium-dependent vitamin C transporter and the influence of N-glycosylation on its intracellular targeting. Exp. Cell Res. 315:2312-2321(2009).

Zimmermann G, Zhou D, Taussig R.Mutations uncover a role for two magnesium ions in the catalytic mechanism of adenylyl cyclase. J Biol Chem. 1998;273(31):19650-19655.

Настроение
без колебаний!

Стабилизирует настроение, существенно снижая амплитуду аффективных колебаний; подавляет тревогу, беспокойство, снижает эмоциональное напряжение и повышает приспособительные реакции и устойчивость
к эмоциональному стрессу. Обладает мягким антидепрессивным действием,
в тревожно-депрессивных случаях.

НОРМОТИМ® – является источником лития с высокой биодоступностью (новая соль лития, обладающая уникальными свойствами), витамина С и витаминов группы В (В1, В6).

Препарат прошел добровольную
сертификацию по итогам клинических испытаний.

Полезная информация
-->