Эпигенетические механизмы повреждения и защиты клеток центральной и периферической нервной системы

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное 
учреждение высшего образования 
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

С. В. Демьяненко
В. А. Дзреян
А. Б. Узденский

ЭпигенетичеСкие мехАнизмы 
поВрежДения и зАщиты клеток 
центрАльной и периферичеСкой 
нерВной СиСтемы

Монография

Ростов-на-Дону – Таганрог
Издательство Южного федерального университета
2022

УДК 616.833-001ю31(035.3)
ББК 28.67я44
 
Д32

Печатается по решению Комитета при Ученом совете  
Южного федерального университета по естественнонаучному  
и математическому направлению науки и образования  
(протокол № 8 от 6 июля 2022 г.) при поддержке гранта  
Министерства науки и высшего образования РФ № 0852-2020-0028

рецензенты:
ведущий научный сотрудник лаборатории молекулярных механизмов 
биологической адаптации ФГБУН Институт молекулярной биологии 
им. В. А. Энгельгардта, доктор биологических наук Д. Г. Гарбуз;
доцент кафедры биохимии и микробиологии Южного федерального 
университета Е. М. Вечканов

Демьяненко, С. В.
Эпигенетические механизмы повреждения и защиты клеток 
центральной и периферической нервной системы : монография / 
С. В. Демьяненко, В. А. Дзреян, А. Б. Узденский ; 
Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : 
Издательство Южного федерального университета, 
2022. – 152 с.
ISBN 978-5-9275-4200-0
DOI 10.18522/801300001
Эпигенетические процессы – один из механизмов регуляции транскрипции и 
синтеза белков, оказывающий влияние на все важнейшие функции клеток. В последнее 
время растет понимание роли эпигенетической регуляции в патогенезе болезней 
центральной и периферической нервной системы.
Монография обобщает работы последних лет в изучении эпигенетических процессов, 
участвующих в повреждении и защите нервных клеток при инсульте и 
травматическом повреждении периферических нервов. Показано наличие нейро-
протекторных свойств у неспецифических и селективных ингибиторов деацетилаз 
гистонов в животных и клеточных моделях аксотомии периферических нервов и 
при фототромботическом повреждении мозга.
Может быть полезна невропатологам, нейробиологам, биохимикам, цитоло-
гам, физиологам. Результаты исследований могут быть использованы в курсах 
лекций по биохимии и патофизиологии инсульта, неврологии, клеточной биологии 
при подготовке специалистов биологического и медицинского профиля.

Д32

ISBN 978-5-9275-4200-0

УДК 616.833-001ю31(035.3)
ББК 28.67я44

© Южный федеральный университет, 2022
© Демьяненко С. В., Дзреян В. А., Узденский А. Б., 2022
©  Оформление. Макет. Издательство 
Южного федерального университета, 2022

Содержание

Введение ............................................................................ 5

глава 1. проблема повреждения центральной 
и периферической нервной системы ...................................... 7
1.1. Ишемический инсульт ................................................ 7
1.2. Травмы периферической нервной системы ...................12

Глава 2. Экспериментальные модели изучения процессов 
нейродегенерации и нейропротекции центральной 
и периферической нервной системы .....................................23

глава 3. роль эпигенетических процессов в повреждении 
и восстановлении нервных клеток после фототромботического 
повреждения мозга  ............................................................40
3.1. Материалы и методы исследования .............................41
3.2. Процессы метилирования ДНК и гистонов на разные 
сроки после фототромботического инсульта  .................43
3.3. Процессы ацетилирования и деацетилирования гистонов  
в пенумбре после фототромботического  
повреждения мозга ....................................................47
3.3.1. Изменение экспрессии и локализации 
гистонацетилтранфераз в пенумбре в разные  
сроки после инсульта ..........................................47
3.3.2. Деацетилирование гистонов после 
фототромботического повреждения мозга ............. 49
3.3.2.1. Общая характиристика гистондеацетилаз ...... 49
3.3.2.2.  Изменение экспрессии и локализации 
гистондеацетилаз в пенумбре в ранний  
период после ишемического инсульта .............54
3.3.2.3. Изменения экспрессии и локализации 
гистондеацетилаз в пенумбре 
в восстановительный период после инсульта ....62

3.3.3. Защита головного мозга от ишемического 
повреждения ..................................................... 67
3.4. Участие эпигенетических процессов в повреждении 
и восстановлении нервных клеток в животных 
и клеточных моделях аксотомии  
периферических нервов .............................................81
3.4.1. Материалы и методы исследования .......................81
3.4.2. Изменение экспрессии и локализации  
сигнальных и эпигенетических белков  
на разные сроки после аксотомии .........................87
3.4.3. Защита клеток периферической нервной  
системы после нейротравмы ...............................114

Выводы и перспективы .....................................................122

Список использованной литературы  ..................................125

ВВедение

Травмы центральной и периферической нервной системы остаются 
одной из основных проблем здравоохранения не только в 
России, но и во всем мире. В связи с ростом частоты инсультов 
и черепно-мозговых травм, а также травм спинного мозга у людей 
моложе 50 лет и старением населения проблема поиска новых 
стратегий защиты нервных клеток стоит особо остро. Между 
начальными стадиями повреждения, развитием повреждения 
и процессами репарации лежит огромное поле биохимических событий 
внутриклеточной и межклеточной сигнализации, которые 
управляют и управляются факторами транскрипции и эпигенетическими 
механизмами регуляции экспрессии генов. Эти механизмы 
обеспечивают либо защиту нервных клеток, либо вызывают 
нейродегенерацию. К сожалению, в настоящее время отсутствуют 
эффективные нейропротекторы. Поиск лекарств, способных повысить 
выживаемость нервных клеток при ишемическом и/или 
травматическом повреждении связан с изучением сложной системы 
регуляции функционирования генов и белков. 
Эпигенетические процессы играют центральную роль в регуляции 
экспрессии генов, а также активности и локализации белков. 
К ним относятся метилирование/деметилирование ДНК и гисто-
нов и ацетилирование/деацетилирование гистонов и белков. Роль 
эпигенетических механизмов регуляции устойчивости нервных 
клеток к ишемическому повреждению, а также использование 
ингибиторов эпигенетических белков в качестве возможных ней-
ропротекторов привлекают в последние годы пристальное внимание 
исследователей. Однако практически отсутствуют комплексные 
исследования эпигенетических механизмов ишемического 

Введение

повреждения нервных клеток с использованием какой-либо одной 
модели, охватывающие разные периоды после повреждения. 
В представленной монографии обобщены многолетние данные 
по изучению процессов эпигенетической регуляции функций ги-
стонов и негистоновых белков на модели ишемического инсульта, 
вызванного фототромбированием сосудов коры головного мозга 
(фототромботический инсульт) и модели полного разрыва аксона 
(аксотомии) у крыс в острый период после повреждения и в период 
восстановления. Проведенные исследования действия ряда ингибиторов 
белков эпигенетической регуляции на апоптоз нейронов 
и астроцитов позволили не только установить роль этих белков в 
выживании и смерти нервных клеток, но и обозначить мишени 
для разработки ингибиторов направленного действия для терапии 
инсульта и нейротравмы. 

ГлаВа 1. Проблема ПоВреждения центральной 
и ПериферичеСкой нерВной СиСтемы

1.1. ишемический инсульт

Инсульт является одной из ведущих причин смерти в мире. Согласно 
данным 2019 г., от инсульта скончалось около 6 млн человек (
Roth et al., 2020). На прежнюю работу могут вернуться не 
более 20 % выживших после инсульта людей. 2/3 инсультов приходится 
на людей старше 65 лет. Однако инсульты становятся все 
моложе. В последние годы около 20 % инсультов приходится на 
лиц моложе 50 лет, и это число неуклонно растет. Россия занимает 
второе место в мире по количеству инсультов, и именно инсульт 
является основной причиной смерти в нашей стране (Клочихина 
и соавт., 2014). 
Благодаря усилиям врачей и ученых всего мира, число выживших 
после инсульта год от года увеличивается (Hankey, 2017), 
снижается инвалидность после инсульта (GBD 2019 Diseases and 
Injuries Collaborators, 2020). С одной стороны, проведение ряда 
мероприятий, направленных на быструю диагностику и госпитализацию 
больных с инсультом, способствует снижению смертности 
от инсульта и в России (Клочихина и соавт., 2014). С другой 
стороны, такие факторы, как рост населения планеты, увеличение 
средней продолжительности жизни и увеличение встречаемости 
инсульта у молодых людей, способствуют неутешительной 
статистике. 
Различают два основных типа инсульта: геморрагический и 
ишемический (инфаркт мозга). При ишемическом инсульте (око-

Глава 1. Проблема повреждения центральной и периферической нервной системы

8

ло 80 % всех инсультов) окклюзия мозговых артерий тромбом, 
атеросклеротической бляшкой, спазм или резкие перепады артериального 
давления резко снижают или прекращают кровоснабжение 
тканей головного мозга (Hankey, 2017; Powers, 2020). Геморрагический 
инсульт (около 20–25 % всех инсультов) возникает 
в результате кровоизлияния в мозг при этом в до 5 % случаев это 
нетравматические субарахноидальные кровоизлияния вследствие 
разрыва аневризмы (Hankey, 2017). Ишемия клеток мозга может 
быть проявлением гематологических заболеваний, а гематологические 
нарушения составляют около 1,3 % всех причин острого 
инсульта (Arboix et al., 2016).
Инсульт представляет собой развивающийся во времени многостадийный 
процесс повреждения нервных клеток. Он начинается 
с первичных незначительных изменений и приводит к образованию 
переходной области или пенумбры (полутени), гибели или 
восстановлению клеток пенумбры или к необратимому структурному 
повреждению ткани мозга и последующей нейродегенера-
ции. Между этими фазами происходит огромное количество патофизиологических 
и биохимических процессов внутриклеточной и 
межклеточной сигнализации, протеолиза и регуляции транскрипционной 
активности генома (Узденский, Демьяненко, 2016). Каждый 
из этих этапов является моментом возможного применения 
противоинсультных препаратов.
Основной причиной ишемического инсульта является атеросклероз (
Elkind, 2010). Атеросклеротические бляшки способны 
изъязвляться и кальцифицироваться, вызывая закупорку сосудов 
мозга. Атеросклеротическое повреждение сосудов мозга инициирует 
сложный процесс активации вазоактивных ферментов, что 
приводит к адгезии тромбоцитов и их агрегации к стенке сосудов, 
образуя небольшие очаги тромбоцитов и фибрина и, в конечном 
итоге, к тромбированию сосуда (Elkind, 2010).

Периоды восстановления после инсульта
В первые минуты и часы (острый период после инсульта) снижение 
кровотока запускает так называемый «ишемиче ский каскад» (
рис. 1а).

1.1. Ишемический инсульт

9

рис. 1. Периоды восстановления после инсульта: а) патологические процессы и 
типы гибели клеток в разные периоды после инсульта; б) возможные пути 
терапии в разные периоды после инсульта

Снижение уровня кислорода и глюкозы в клетках мозга приводит 
к повреждению митохондрий и недостатку аденозинтри-
фосфатов (АТФ), образованию активных форм кислорода (АФК), 

Глава 1. Проблема повреждения центральной и периферической нервной системы

10

окислительному стрессу, повреждению клеточных мембран, нарушению 
ионного гомеостаза, деполяризации, закислению цито-
золя клеток (ацидозу), отеку и, как следствие, к смерти клеток 
мозга. Гибель в ядре повреждения происходит очень быстро от некроза, 
и клетки в этой области не могут быть сохранены (Iadecola, 
Anrather, 2011). В переходной области между ядром повреждения 
и здоровой тканью мозга – пенумбре, где нарушение кровотока намного 
слабее, чем в ядре инфаркта, клетки не сразу подвергаются 
ишемии. На них косвенно влияют вторичные патогенные факторы, 
распространяющиеся из ядра ишемии. Так, глутамат, высвобождающийся 
из поврежденных нейронов, и калий-зависимая 
деполяризация нейронов активируют рецепторы NMDA в соседних 
клетках, что вызывает массивный приток ионов Ca2+ и эксай-
тотоксичность. Ионы кальция активируют протеиназы, которые 
разрушают цитоскелет, мембраны и белки клетки. Запускаются 
различные сигнальные каскады, которые регулируют выживание 
и апоптотическую гибель клеток. Из поврежденных митохондрий 
высвобождаются ряд белков, таких как цитохром c, AIF, 
Smac/Diablo, эндонуклеаза G и др., стимулирующих экспрессию 
эффекторных каспаз и апоптоз (Guo et al., 2011). Клетки, находящиеся 
в области пенумбры, остаются жизнеспособными в течение 
3–6 часов, а, по некоторым данным, и дольше. Согласно данным 
магнитно-резонансной и компьютерной томографии, жизнеспособность 
клеток пенумбры сохраняется до 12 и даже 24 часов после 
ишемии у 40 % пациентов (Padma et al., 2005; Fisher, Albers, 
2013). Этот промежуток времени получил название «терапевтического 
окна», когда клетки пенумбры можно спасти, а область поражения 
мозга может быть ограничена, если нейропротекторная 
терапия будет эффективна. 
Можно выделить три фазы после инсульта с точки зрения восстановительных 
мероприятий (рис. 1б). Первая, острая фаза длится 
первые 24 часа после инсульта. В этой фазе преобладают нейро-
дегенеративные процессы и увеличивается зона поражения за счет 
некротической или апоптотической гибели клеток. Однако в этот 
период ткань пенумбры предположительно может быть сохранена 
за счет тромболизиса (в первые 4,5 часа) и нейропротекции (до 6, а 
возможно, и до 24 часов).

1.1. Ишемический инсульт

11

Во время второй, восстановительной фазы, которая длится несколько 
дней и недель, в пенумбре протекают восстановительные 
процессы такие как, ангиогенез, образование коллатералей и восстановление 
кровотока, фагоцитоз мертвых клеток микроглией и 
макрофагами, образование глио-мезодермального рубца, ограничивающего 
ядро инфаркта. На этом этапе начинается ремоделирова-
ние нейронных сетей и частичное восстановление функций мозга. 
Пролиферация клеток–предшественниц нейронов в субвентрику-
лярной зоне и зубчатой извилине гиппокампа может обеспечивать 
замену мертвых нейронов пенумбры. Однако в этот период также 
происходит активация воспаления и реактивный астроглиоз, что 
в дальнейшем может приводить к нейродегенерации (Patience et 
al., 2015). Основными типами клеточной смерти в восстановительный 
период являются аутофагия, пироптоз и некроптоз (Sekerdag 
et al., 2018). Как в острый период (после 4 часов), так и в период 
восстановления основным типом терапии является нейропро-
текция. В третьей фазе, которая длится несколько месяцев и лет 
после инсульта, продолжаются структурные и функциональные 
изменения, направленные на восстановление и компенсацию нарушенных 
или утраченных когнитивных и двигательных функций. 
Через 6-24 месяцев после инсульта поврежденные нейроны и нейронные 
ансамбли дегенерируют не только в области ишемии, но и 
в отдаленных областях мозга, таких как гиппокамп и полосатое 
тело. Это приводит к общему ухудшению функций мозга (Kiran, 
Thompson, 2019). В этот период необходимо проведение мероприятий 
по стимулированию репарации ткани и восстановлению функций 
мозга. Все события, происходящие в разные периоды после 
инсульта, связаны с изменением паттерна экспрессии и посттран-
сляционными модификациями ряда внутриклеточных сигнальных 
белков и факторов транскрипции, многие из которых могут 
быть точками приложения для нейропротекторной терапии.

Проблемы терапии инсульта
Существует история о том, что выдающийся нейрохирург сказал 
в начале 1980-х годов, что если кто-то хочет создать препарат, 
который потерпит неудачу в клинических испытаниях, то ему 
следует разработать соединение для лечения инсульта (McBurney, 

Глава 1. Проблема повреждения центральной и периферической нервной системы

12

1996). Было ли это на самом деле когда-либо сказано, не важно, 
важно то, что этого мнения по-прежнему придерживаются многие 
клиницисты и все большее число людей в фармацевтической 
промышленности. И этому есть причины. Несмотря на увеличивающиеся 
знания биохимических процессов, которые происходят 
в мозге после ишемического повреждения, а также наличие нескольких 
различных моделей инсульта, полученных на животных, 
до сих пор нет лекарств, которые могут быть даны пациентам, 
перенесшим инсульт, вскоре после появления симптомов и 
которые способны свести к минимуму последующие неврологические 
проблемы. 
В настоящее время разрабатываются два основных направления 
для ограничения ишемической пенумбры – тромболизис и 
нейропротекция, направленная на сохранение нервных клеток. 
Многие соединения, протестированные на животных и клеточных 
моделях, включая блокаторы кальциевых каналов и глутаматных 
рецепторов, антиоксиданты, ингибиторы апоптоза и т. д. Однако, 
за исключением тканевого активатора плазминогена (tPA) или эн-
доваскулярной тромбэктомии, ни один из препаратов, показавших 
нейропротекторный эффект на экспериментальных моделях 
инсульта, не прошел клинических испытаний (Leng, Xiong, 2019; 
Uzdensky, Demyanenko, 2019; Dhir et al., 2020). Cложная патофизиология 
ишемии мозга, сложность сигнальных каскадов и различия 
механизмов острой и восстановительной фаз инсульта, а также 
недостатки моделей инсульта являются основными причинами 
неудач при воплощении экспериментальных исследований в клиническую 
практику. 

1.2. травмы периферической нервной системы

Около 10 % нейротравм приходится на травмы периферических 
нервов. Поражения периферических нервов, по предоставленным 
данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), 
составляют от 8 до 10 % от общей заболеваемости и до 50 % всех 
заболеваний нервной системы. В большинстве случаев страдают