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 нейропротекторных 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, цитологам, 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 гистонов 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 нейропротекторов 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 гистонов 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 нейродегенерации. 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 аденозинтрифосфатов (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 цитозоля 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 эксайтотоксичность. 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 нейродегенеративные 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).