TIMP2 регулирует нейропластичность гиппокампа, влияя на внеклеточный матрикс

Полученные на мышиных моделях данные указывают на то, что мозг можно омолаживать путем системного воздействия, например, при помощи переливания молодой плазмы или гетерохронного парабиоза — хирургического соединения кровообращения молодой и старой мыши, которое обеспечит доступ молодой крови к мозгу старой мыши. В молодой крови выявлены факторы, которые обеспечивают фенотипическое омоложение мозга у старых мышей. Среди них — тканевый ингибитор металлопротеиназ 2 (tissue inhibitor of metalloproteinases-2, TIMP2). Уровень этого секретируемого белка повышен в раннем возрасте; также известно, что он способен восстанавливать функцию гиппокампа у пожилых мышей. TIMP2 известен своей способностью к ремоделированию периферического внеклеточного матрикса. С одной стороны, он регулирует переход матриксных металлопротеиназ (matrix metalloproteinase, MMP), включая MMP2, в протеолитически активные формы, а с другой стороны, ингибирует их активность. Поскольку уровни TIMP2 в гиппокампе снижаются с возрастом, понимание его функции важно для использования в терапии возрастных заболеваний головного мозга. Однако о клеточных и молекулярных деталях, связывающих TIMP2 с функцией гиппокампа, известно мало.

Команда ученых из Школы медицины Икана Медицинского центра Маунт-Синай определила механизм, с помощью которого TIMP2 регулирует компоненты внеклеточного матрикса в гиппокампе, воздействуя на процессы, связанные с пластичностью и памятью. Результаты исследования они опубликовали в журнале Molecular Psychiatry.

При помощи иммуногистохимии и конфокальной микроскопии исследователи обнаружили, что TIMP2 преимущественно экспрессируется в воротах зубчатой извилины (dentate gyrus, DG), а также в областях гиппокампа CA3 и CA1. Большинство клеток, экспрессирующих TIMP2, также окрашивались на общенейрональный маркер (ядерный белок NeuN). Таким образом, основным клеточным источником экспрессии TIMP2 в этих областях были нейроны. Также ученые обнаружили высокие уровни TIMP2 во внеклеточном пространстве мозга.

Далее ученые выделили гиппокамп от мышей дикого типа (WT) и нокаутных по гену TIMP2 (TIMP2 KO) и провели секвенирование РНК. Они обнаружили у TIMP2 KO в общей сложности 905 дифференциально экспрессируемых генов по сравнению с WT. Экспрессия 449 из них в гиппокампе нокаутных мышей была подавлена. По этим данным ученые провели анализ обогащения набора генов ( GSEA). Оказалось, что гены со сниженной экспрессией у TIMP2 KO были связаны с такими биологическими процессами, как клеточный морфогенез, нейрогенез и организация синапсов, в то время как повышение экспрессии затрагивало гены, связанные с гибелью клеток.

Чтобы проверить, влияет ли TIMP2 на нейрогенез, исследователи оценили уровень пролиферации клеток в гиппокампе. Они ввели мышам бромдезоксиуридин (BrdU) — маркер пролиферирующих клеток — чтобы пометить такие клетки в зубчатой извилине. Выяснилось, что у мышей TIMP2 KO значительно меньше пролиферирующих клеток, чем у мышей дикого типа — это количественно определялось по общему количеству BrdU-положительных клеток. Авторы также продемонстрировали, что потеря TIMP2 снижает количество дендритных шипиков в гранулярных клетках зубчатой извилины. Дальнейшие опыты показали, что это приводит к нарушению памяти в различных задачах, зависящих от гиппокампа. Так, мыши, нокаутные по TIMP2, хуже справлялись с задачами на пространственную память. Кроме того, у них нарушалось распознавание контекста, связанное с функциями гиппокампа — на это указали результаты опытов с условно-рефлекторным замиранием.

Также ученые оценили уровни про-MMP2 в лизатах гиппокампа мышей и в отсутствие TIMP2 обнаружили значительное повышение MMP2 как на уровне гена, так и белка. Это указывает на потенциальное нарушение метаболизма внеклеточного матрикса в гиппокампе. Кроме того, в молекулярном слое зубчатой извилины у мышей TIMP2 KO была значительно увеличена плотность точек аггрекана — основного хондроитинсульфатпротеогликана внеклеточного матрикса, связанного с синаптической пластичностью и памятью. Скопления аггрекана при этом обнаруживались в точках синаптической плотности, чего не наблюдалось у мышей дикого типа. Отсутствие TIMP2 также приводило к более плотной структуре внеклеточного матрикса, которая ограничивала миграцию незрелых нейробластов внутри зубчатой извилины.

Таким образом, TIMP2 через ремоделирование внеклеточного матрикса влияет на пластичность гиппокампа, регулируя нейрогенез во взрослом мозге и синаптическую пластичность. По словам доктора Джозефа Кастеллано, профессора кафедры нейробиологии и неврологии и старшего автора работы, «изучение путей, регулирующих внеклеточный матрикс, может иметь важное значение для разработки новых методов лечения заболеваний, при которых нарушается пластичность».

Цитата по пресс-релизу

Белок из крови тренированных мышей «омолодил» мозг неактивных животных