Орексигенные пептиды как факторы синхронизации циркадианного осциллятора

Одним из важных аспектов экологии человека является всестороннее изучение функции околосуточных биологических часов. Их физиологическая роль заключается в обеспечении адаптационно-приспособительных реакций на ежесуточно повторяющиеся события в окружающей среде. К последним, кроме моментов смены дня и ночи, относится большое количество разнообразных геофизических, экологических и социальных факторов, оказывающих синхронизирующее влияние на физиологические, гормональные и поведенческие циркадианные ритмы организма млекопитающих и человека [1].

К настоящему времени установлено, что главный осциллятор, задающий циркадианные ритмы многочисленным органам и функциональным системам организма, включая структуры центральной нервной системы, располагается в супрахиазматическом ядре (СХЯ) гипоталамуса [20]. Установлено, что нейроны данного ядра, генерирующие околосуточный ритм биоэлектрической активности, находятся под модулирующим влиянием широкого спектра биологически активных веществ, среди которых особая роль принадлежит гормону эпифиза мелатонину [45]. В частности, в нашем предыдущем исследовании было продемонстрировано, что данный регулятор оказывает влияние на параметры спайковой активности нейронов СХЯ in vitro [25].

Среди факторов синхронизации циркадианного осциллятора в последнее время особое внимание уделяется орексигенным и анорексигенным пептидам, играющим ведущую роль в регуляции аппетита, пищепоискового поведения и метаболизма [8]. Так, регуляторные пептиды, продуцирующиеся в группе нейронов латерального гипоталамуса – орексины – при воздействии на клетки СХЯ in vitro способны оказывать влияние на уровень и параметры спайкового кодирования информации, а также вызывать фазовые сдвиги циркадианного ритма биоэлектрической активности [26]. В рамках настоящей работы рассматривается физиологическая роль слабо изученных орексигенных пептидов – нейропептида Y и грелина в качестве эндогенных факторов настройки циркадианного осциллятора СХЯ.

Нейропептид Y. Нейропептид Y (NPY) – это линейный полипептид, состоящий из 36 аминокислот. Впервые он был выделен из экстрактов головного мозга свиньи и описан в 1982 году [44]. Нейропептид Y относится к семейству панкреатического полипептида, которое включает в себя еще два гомологичных пептида: панкреатический полипептид (PP) и пептид YY (PYY). Нейропептид Y является одним из наиболее консервативных пептидов, образовавшихся в процессе эволюции [33], но в то же время это один из наиболее широко распространенных нейропептидов в центральной и периферической нервной системе [46]. Согласно существующим представлениям, нейропептид Y принимает участие в регуляции многих физиологических функций организма человека и животных, в частности, выявлена вовлеченность данного нейропептида в центральный контроль сердечно-сосудистой и дыхательной систем в виде NPY-индуцированной гипотензии и брадипноэ у крыс [16]. Выявлена его роль в регуляции пищевого поведения в качестве нейрохимического стимулятора приема пищи – ряд исследований показал, что нейропептид Y является наиболее мощным орекси-генным пептидом, идентифицированным на сегодняшний день [19, 40]. Синтез NPY возрастает при голодании и снижается по мере насыщения. Негативными регуляторами продукции NPY являются анорексигенные гормоны лептин и инсулин [8]. Существует представление о том, что NPY – это главный пептид симпатической нервной системы [35].

В рамках циркадианной системы NPY играет важную роль в синхронизации циркадианного осциллятора, участвуя в механизмах опосредованной передачи информации от фоторецепторов сетчатки через ретиногеникулогипоталамический тракт. По данному тракту информация от фоторецепторов сетчатки поступает к нейронам межколенчатой пластинки, продуцирующим NPY и, в свою очередь, проецирующимся в супрахиазматическое ядро (СХЯ) гипоталамуса [12]. Волокна геникулогипоталамического пути обеспечивают дополнительный NPYергический фотический вход, который заканчивается в вентральной части СХЯ [14]. В дополнение к этому межколенчатая пластинка принимает участие в механизмах нефотиче-ской настройки циркадианных часов, поэтому существует мнение о том, что на уровне межколенчатой пластинки осуществляются процессы интеграции световой и несветовой информации, используемой для синхронизации осциллятора СХЯ [42].

Влияние NPY на физиологические, гормональные и поведенческие циркадианные ритмы активно изучается в экспериментах на грызунах in vivo и in vitro. В частности установлено, что микроинъекции NPY в область СХЯ хомяков в середине субъективного дня может вызвать фазовые сдвиги циркадианного ритма произвольной локомоторной активности (бег в колесе), но в то же время микроинъекции в течение субъективной ночи такого эффекта не оказывают [22]. В аналогичных экспериментах с введением микроинъекций нейропептида Y в область СХЯ, но в условиях постоянного освещения, наблюдается фазовый сдвиг циркадианного ритма активности. NPY вызывает опережение фазы активности, если его вводят в течение 12 часов, которые предшествуют ежедневному началу активности и, как правило, вызывают задержку цикла активности, если его вводят в течение 12 часов после начала активности. В отличие от этого инъекции физиологического раствора в область СХЯ или нейропептида Y в желудочковую систему мозга не оказывают никакого влияния на циркадианные ритмы. Эти данные показывают, что NPY выполняет функцию химического посредника в процессах синхронизации циркадианных биологических часов [4].

Фазовые сдвиги, вызванные аппликацией NPY, могут быть заблокированы введением би-кукулина – антагониста ГАМКА-рецепторов [22]. Блокада вызванных воздействием NPY потенциалов действия тетродотоксином, но не мусцимолуом – агонистом ГАМКА-рецепторов, вызывает фазовые опережения [23]. Эти результаты показали, что NPY использует ГАМКер-гический механизм в смещении фазовой активности циркадианного ритма у млекопитающих во время субъективного дня [29]. В другом исследовании на хомяках [9] была показана возможность NPY выступать в качестве посредника фазовых сдвигов, вызванных нефотическим стимулом – бегом в новом колесе. Экспериментальным животным через канюлю, вживленную в область СХЯ в 5 ч циркадианного времени, вводили антисыворотку NPY, второй группе вводили нормальную сыворотку. Затем хомяков перемещали из клеток в новое колесо, где они находились в течение 3 часов. Было установлено, что хомяки, которым вводили нормальную сыворотку, совершали более 5000 оборотов в новом колесе, и их ритмы были смещены в сторону опережения (средний сдвиг 2,55 ± 0,22 ч). Введение антисыворотки NPY ослабляет нормальный сдвиг, вызванный бегом в новом колесе (средний сдвиг 0,21 ± 0,14 ч) по сравнению с группой неоперированных животных. Антисыворотка к NPY может блокировать фазовые сдвиги активности, индуцированные новизной; это указывает, что NPY, синтезируемый в латеральной коленчатой пластинке и поступающий в СХЯ, участвует в фазовых сдвигах поведенческих циркадианных ритмов в ответ на новый стимул, вызванный бегом в колесе [28].

Способность NPY уменьшать выраженность фазовых сдвигов, вызванных действием света были исследованы не только in vivo, но и in vitro. Причем в исследованиях in vivo способность NPY оказывать влияние на фазовые сдвиги в ответ на световые стимулы выражена только в конце субъективной ночи [47]. Данные исследований in vitro, выполненные на срезах, содержащих изолированные нейроны СХЯ, демонстрируют иные результаты. Данный метод регистрации нейронной активности позволяет избежать влияния на нейроны СХЯ посторонних раздражителей, присутствующих в экспериментах in vivo. В исследованиях in vitro показано, что коаппликация NPY совместно с глутаматом [10] или NMDA [49] в область СХЯ хомяков может блокировать фазовые сдвиги, индуцированные светом, в течение всей субъективной ночи. В другой серии экспериментов [49] световым импульсом воздействовали перед подготовкой срезов в условиях in vivo. Аппликация NPY блокировала фазовые сдвиги, вызванные световым стимулом, как во время ранней, так и во время поздней субъективной ночи. Таким образом, существуют различия в отношении влияния NPY на фазовые сдвиги, индуцированные светом: in vivo NPY, по всей видимости, блокирует фазовые сдвиги только поздней ночью, в то время как в условиях in vitro – в течение всей субъективной ночи. Одним из возможных объяснений этого является тот факт, что во время ранней субъективной ночи свет индуцирует высвобождение эндогенного нейропептида Y, насыщая систему и уменьшая фазовые сдвиги.

Физиологические эффекты NPY реализуются через посредство NPY-рецепторов, представляющих собой семейство рецепторов, сопряженных с G i -белками. На данный момент у млекопитающих выявлено по меньшей мере пять видов NPY-рецепторов. Они обозначены как Y1, Y2, Y4, Y5 и Y6 рецепторы. NPY связывается преимущественно с Y1, Y2, и Y5 рецепторами, а также с Y4 рецептором, характеризующимся ограниченной аффинностью к данному пептиду [41]. В СХЯ обнаружено, по меньшей мере, два подтипа рецепторов к нейропептиду Y: Y1- и Y2-рецепторы [36]. NPY, связываясь с рецепторами и действуя через сопряженные с ними G-белки, может активировать в клетке несколько сигнальных путей, что приводит, в частности, к изменению транскрипции генов. На уровне нейронов ЦНС NPY обладает как возбуждающим, так и тормозным действием. Угнетение активности нейронов связывают с гиперполяризацией, возникающей вследствие постсинаптической активации калиевых каналов входящего выпрямления (GIRK), сопряженных с соответствующим G-протеином, и инактивации потенциал-зависимых кальциевых каналов. Оба эти эффекта опосредуются рецепторами Y1 и Y2 подтипов. [3]. Другим следствием активации NPY-рецепторов является ингибирование аденилатциклазы и продукции в клетках цикличе- 120

ского аденозинмонофостфата (цАМФ), а также мобилизация ионов кальция вследствие активации фосфолипазы-C / фосфатидилинозитол-3-киназы (PLC/PI3K) [13]. Воздействие NPY на специфические нейрональные Y-рецепторы может также привести к изменениям экспрессии генов через внеклеточные сигнал-регулируемые киназы (ERK) или через транскрипционный фактор CREB (элемент-связывающий белок, действующий в ответ на изменения цАМФ).

Несмотря на сезонные колебания и зависимость от доступности пищи, суточный ритм питания среди животных имеет четкие закономерности. В эксперименте у грызунов, находящихся в условиях неограниченного доступа к источникам пищи, наблюдаются многочисленные, длительные эпизоды кормления в ночное время и единичные, непродолжительные приемы пищи в светлое время суток. У человека и приматов, наоборот, питание осуществляется в дневное время и начало темного периода суток [2]. Нарушения режима питания под влиянием каких-либо факторов окружающей среды либо при чрезмерно калорийной пище неизменно приводят к прибавке массы тела и перераспределению жира. Изменения передачи сигналов в гипоталамусе при разрушении соответствующих нейронов либо при воздействии нейротоксинов также сопровождается развитием гиперфагии и ожирения как у животных, так и у человека. Во время голодания уровень грелина повышается. Максимальные концентрации грелина регистрируются непосредственно перед ожидаемым приемом пищи и находятся в прямой зависимости от выраженности чувства голода.

Грелин - гормон, который оказывает свое орексигенное действие как при центральном, так и при периферическом введении [17, 21]. Орексигенное действие грелина не зависит от гормона роста и опосредуется специфичной центральной сетью нейронов аркуатного ядра, чувствительной также к действию лептина. Грелин и лептин являются дополняющими друг друга пептидами в рамках единой системы регуляции, которая «сообщает» центральной нервной системе о состоянии энергетического баланса. Таким образом, грелин является гуморальным сигналом в гипоталамической сети нейронов, контролирующих аппетит и энергетический гомеостаз [17].

Помимо регуляции пищевого поведения, грелин может участвовать в реализации стрес-сорных реакций. Как центральное, так и периферическое введение грелина приводит к тревожным состояниям у мышей, что сопровождается повышением мРНК кортиколиберина в гипоталамусе [48]. Получены данные о том, что грелин обладает протекторным действием в отношении симптомов депрессии и беспокойства, вызванных стрессом. Исследователи подвергли мышей ежедневным стрессам, используя стандартную лабораторную методику, которая вызывает напряжение при переселении нормальных мышей к очень агрессивным мышам. Исследователи подвергли напряжению контрольных мышей и трансгенных мышей с нокаутом рецепторов к грелину. Они обнаружили, что после окончания стресса значительно увеличился уровень грелина у обоих групп животных, причем повышенный уровень грелина сохранился даже спустя четыре недели после стресса.

Грелин оказывает воздействие на сердечно-сосудистую систему. Введение грелина здоровым лицам и пациентам с хронической сердечной недостаточностью значительно уменьшает периферическое сосудистое сопротивление и увеличивает ударный объем [38].

или его синтетического аналога – GHRP-6, не привело к изменению циркадной фазы ритма локомоторной активности. При введении через 30 ч лишения пищи, GHRP-6 индуцировал фазовое опережение ритма активности по сравнению с контрольной группой, которой вводили физиологический раствор [48].

Новые интересные данные были получены на мышах с нокаутом грелиновых рецепторов. При переводе этих животных на ограниченный рацион питания, у них наблюдалось исчезновение нормальной локомоторной активности в периоды, непосредственно предшествующие появлению пищи [11, 34]. Одновременно при ограниченном питании у данных мышей отмечалось снижение экспрессии cFOS во многих областях мозга [11, 30, 31, 32]. Исследования in vitro показали, что аппликация грелина в период субъективного дня вызывает опережающие сдвиги циркадианного ритма биоэлектрической активности и биолюминисценции нейронов СХЯ в срезах гипоталамуса мышей и хомяков [48]. В целом, несмотря на наличие грелиновых рецепторов в СХЯ и указаний на возможность прямого влияния грелина на функцию циркадианного осциллятора, роль грелина в физиологических механизмах генерации и модуляции циркадианных ритмов требует детального изучения.