Динорфины ( Dyn ) представляют собой класс опиоидных пептидов , которые возникают из белка- предшественника продинорфина . Когда продинорфин расщепляется во время обработки пропротеиновой конвертазой 2 (PC2), высвобождается несколько активных пептидов: динорфин A , динорфин B и α / β-неоэндорфин . [1] Деполяризация нейрона , содержащего продинорфин, стимулирует обработку PC2, которая происходит внутри синаптических пузырьков в пресинаптическом окончании . [2] Иногда продинорфин не полностью перерабатывается, что приводит к высвобождению «большого динорфина». «Большой динорфин» представляет собой молекулу из 32 аминокислот, состоящую как из динорфина A, так и из динорфина B. [3]
Динорфин А, динорфин В и большой динорфин содержат высокую долю основных аминокислотных остатков, в частности лизина и аргинина (29,4%, 23,1% и 31,2% основных остатков соответственно), а также много гидрофобных остатков (41,2%, 30,8% и 34,4% гидрофобных остатков соответственно). [4] Хотя динорфины широко распространены в ЦНС, их самые высокие концентрации находятся в гипоталамусе , продолговатом мозге , мосту , среднем мозге и спинном мозге . [5] Динорфины хранятся в крупных (диаметром 80–120 нм) пузырьках с плотным ядром , которые значительно больше пузырьков, хранящих нейротрансмиттеры . Эти крупные везикулы с плотным ядром отличаются от мелких синаптических везикул тем, что для того, чтобы крупные везикулы высвободили свое содержимое в синаптическую щель , требуется более интенсивный и продолжительный стимул . Хранение везикул с плотным ядром характерно для хранения опиоидных пептидов. [6]
Первые подсказки о функциональности динорфинов были получены Голдштейном и др. [7] в их работе с опиоидными пептидами. Группа обнаружила эндогенный опиоидный пептид в свином гипофизе, который оказалось трудно выделить. Секвенировав первые 13 аминокислот пептида, они создали синтетическую версию пептида с эффективностью, аналогичной природному пептиду. Голдштейн и др. [7] применили синтетический пептид к продольной мышце подвздошной кишки гвинеи и обнаружили, что это необычайно мощный опиоидный пептид. Пептид был назван динорфином (от греческого dynamis , что означает сила), чтобы описать его эффективность. [7]
Динорфины оказывают свое действие в первую очередь через κ-опиоидный рецептор (KOR), рецептор, сопряженный с G-белком . Было идентифицировано два подтипа KOR: K1 и K2. [3] Хотя KOR является основным рецептором для всех динорфинов, пептиды имеют некоторое сродство к μ-опиоидному рецептору (MOR), δ-опиоидному рецептору (DOR) и глутаматному рецептору типа N-метил-D-аспарагиновой кислоты ( NMDA ). [6] [8] Различные динорфины демонстрируют различную селективность рецепторов и силу воздействия на рецепторы. Большой динорфин и динорфин А имеют одинаковую селективность для человеческого KOR, но динорфин А более селективен для KOR по сравнению с MOR и DOR, чем большой динорфин. Большой динорфин более эффективен в KOR, чем динорфин А. И большой динорфин, и динорфин А более эффективны и более селективны, чем динорфин В. [9]
Динорфин вырабатывается во многих различных частях нервной системы, включая гипоталамус , полосатое тело , гиппокамп и спинной мозг . Паттерны экспрессии генов из атласов мозга Аллена у мышей, макак и людей можно увидеть здесь.
Динорфин оказывает множество различных физиологических действий в зависимости от места его выработки. [ необходима цитата ]
Было показано, что динорфин является модулятором болевой реакции. Хан и Сье обнаружили, что инъекция динорфина в субарахноидальное пространство спинного мозга крысы вызывала дозозависимую анальгезию, которая измерялась латентностью отдергивания хвоста. [10] Анальгезию частично устранял опиоидный антагонист налоксон . [10]
Хан и Сье обнаружили, что динорфин в 6-10 раз более эффективен, чем морфин, на моль. [10] Кроме того, толерантность к морфину не снижала анальгезию, вызванную динорфином. [10] Рен и др. продемонстрировали некоторые сложности, связанные с анальгезией, вызванной динорфином. [11] Авторы обнаружили, что объединение субанальгетических уровней морфина и динорфина А 1-13 , версии динорфина А, содержащей только первые 13 аминокислот пептида, в спинном мозге крысы имело аддитивные эффекты. Однако, когда динорфин А 1-13 вводили в интрацеребровентрикулярную (ICV) область мозга, он оказывал антагонистическое действие на анальгезию, вызванную морфином.
Исследование Лая и соавторов показало, что динорфин на самом деле может стимулировать боль. [8] Группа обнаружила, что он действует на рецептор брадикинина, а также на KOR. N-концевой тирозин динорфина А необходим для активации опиоидных рецепторов, таких как KOR, но не нужен для связывания с рецепторами брадикинина. [8] Лай и соавторы изучали эффекты динорфина А 2-13 , который не содержал N-концевого тирозина. Основываясь на результатах динорфина А 2-13 , авторы предложили механизм, в котором динорфин А активирует рецепторы брадикинина и, таким образом, стимулирует болевую реакцию. [8]
Согласно этому механизму, динорфин активирует рецепторы брадикинина, что запускает высвобождение ионов кальция в клетку через потенциалозависимые каналы в клеточной мембране. [8] Блокирование рецепторов брадикинина в поясничной области спинного мозга устраняет постоянную боль. [8] Система множественных путей может помочь объяснить противоречивые эффекты динорфина в ЦНС.
Свенссон и др. представили еще один возможный механизм, посредством которого динорфин может вызывать боль в спинном мозге. [12] Авторы обнаружили, что введение укороченного динорфина A 2-17 , который не связывается с опиоидными рецепторами, вызывает увеличение фосфорилированной митоген-активируемой протеинкиназы p38 (МАРК) в микроглии в заднем роге спинного мозга. Активированный p38 ранее был связан с вызванным NMDA высвобождением простагландина , что вызывает боль. [13] Таким образом, динорфин также может вызывать боль в спинном мозге через неопиоидный путь p38.
Другие исследования выявили роль стимуляции динорфина и каппа-опиоидных рецепторов при нейропатической боли. [14] Эта же группа также показала, что система динорфин-KOR опосредует пролиферацию астроцитов посредством активации p38 MAPK, которая необходима для влияния нейропатической боли на анальгетические реакции. [15] В совокупности эти отчеты предполагают, что динорфин может вызывать множественные эффекты как на каппа-опиоидных, так и на неопиоидных путях для модуляции анальгетических реакций.
Кокаиновая зависимость возникает из-за сложных молекулярных изменений в мозге после многократного воздействия кокаина. [16] Было показано, что динорфины играют важную роль в этом процессе. Хотя однократное воздействие кокаина не влияет на уровень динорфина в мозге, повторное воздействие препарата увеличивает концентрацию динорфина в полосатом теле и черной субстанции у крыс. [17]
Один из предложенных молекулярных механизмов повышения уровня динорфина включает транскрипционную регуляцию CREB (белок, связывающий элемент ответа 3', 5'-монофосфата). Согласно модели, предложенной Карлезоном и др., употребление кокаина увеличивает экспрессию цАМФ и цАМФ-зависимой протеинкиназы ( PKA ). [18] PKA приводит к активации CREB, что увеличивает экспрессию динорфина в прилежащем ядре и дорсальном полосатом теле, областях мозга, важных для наркомании. [18] Динорфин снижает высвобождение дофамина , связываясь с KOR на дофаминовых нервных окончаниях. [19]
Карлезон и др. [18] провели несколько экспериментов для проверки этой модели. Они обнаружили, что когда мышам вводили кокаин, они предпочитали находиться в месте, куда им вводили (проявляли более сильное предпочтение места) значительно больше, чем контрольные мыши (которым вводили физиологический раствор). Однако у мышей с повышенной экспрессией CREB под действием конститутивного промотора наблюдалось отвращение к месту. [18] Это указывает на то, что увеличение CREB отменяет положительные эффекты кокаина. Анализ Нозерн-блоттинга через несколько дней после повышенной экспрессии CREB показал заметное увеличение мРНК динорфина в прилежащем ядре. [18]
Блокирование KOR антагонистом (norBNI) блокировало аверсивные эффекты, вызванные сверхэкспрессией CREB. [18] Таким образом, употребление кокаина в конечном итоге приводит к увеличению транскрипции мРНК продинорфина. Динорфин ингибирует высвобождение дофамина, что может объяснять усиливающие свойства кокаина. [20]
Также есть данные, указывающие на то, что повышенное количество динорфина может защитить людей от кокаиновой зависимости. Согласно исследованиям в Университете Рокфеллера, ген динорфина присутствует в двух версиях: функциональная вариация с «высоким выходом» и «низким выходом». [21] Функциональная вариация с высоким выходом гена содержит полиморфизмы в промоторных областях, которые, как предполагается, заставляют его производить больше копий мРНК динорфина, что дает людям, несущим эту вариацию, «встроенную систему защиты» от наркотической зависимости. [21]
Лэнд и др. впервые описали механизм дисфории, при котором кортиколиберин-рилизинг фактор (CRF) провоцирует высвобождение динорфина. [22] В то время как контрольные мыши демонстрировали аверсивное поведение в ответ на тесты принудительного плавания и удары током по ногам, мыши, лишенные динорфина, не демонстрировали никаких признаков отвращения. Они отметили, что инъекция CRF приводила к аверсивному поведению у мышей с функциональными генами динорфина даже при отсутствии стресса, но не у мышей с делециями гена динорфина. Отвращение к месту устранялось, когда рецептор CRF2 блокировался антагонистом. [22]
В совокупности эти результаты привели Лэнда и др. к выводу, что дисфорические элементы стресса возникают, когда CRF2 стимулирует высвобождение динорфина и активирует KOR. [22] Группа далее предположила, что этот путь может быть вовлечен в поведение поиска наркотиков. В поддержку этого ранее было показано, что стресс может восстановить поведение поиска кокаина у мышей через механизм CRF. [23]
Динорфин также, как было показано, влияет на поведение поиска наркотиков и требуется для вызванного стрессом, но не вызванного праймом возобновления поиска кокаина. [24] [25] Нижестоящий элемент этого пути был позже идентифицирован Бручасом и др. [26] Авторы обнаружили, что KOR активирует p38, член семейства митоген-активируемых протеинкиназ (MAPK), посредством фосфорилирования. Активация p38 необходима для создания зависимого от KOR поведения. [26]
Из-за своей роли в опосредовании дисфории динорфин также исследовался в связи с депрессией . Ньютон и др. [27] изучали влияние CREB и динорфина на выученную беспомощность (животную модель депрессии) у мышей. Повышенная экспрессия доминантного отрицательного CREB (mCREB) у трансгенных мышей имела антидепрессивный эффект (с точки зрения поведения), тогда как повышенная экспрессия CREB дикого типа вызывала усиление симптомов, подобных депрессии. [27] Как было описано ранее, CREB увеличивает транскрипцию продинорфина, что приводит к появлению различных подтипов динорфина. [18] Ньютон и др. [27] поддержали этот механизм, поскольку mCREB был колокализован с пониженной экспрессией продинорфина. Кроме того, прямой антагонизм динорфина вызывал антидепрессантоподобные эффекты, аналогичные тем, которые наблюдались при экспрессии mCREB. [27] Таким образом, путь CREB-динорфин регулирует как настроение, так и вознаграждение за употребление кокаина.
Шираяма и др. [28] использовали несколько моделей депрессии у животных на крысах, чтобы описать эффекты динорфинов A и B при депрессии. Авторы обнаружили, что выученная беспомощность увеличивает уровни динорфинов A и B в гиппокампе и прилежащем ядре, а инъекция антагониста KOR norBNI вызывает восстановление после выученной беспомощности. Стресс иммобилизации вызывает увеличение уровней как динорфинов A, так и B в гиппокампе и прилежащем ядре. [28] Стресс принудительного плавания увеличивает уровни динорфина A в гиппокампе. Шираяма и др. [28] пришли к выводу, что как динорфины A, так и B важны в реакции на стресс. Авторы предложили несколько механизмов для объяснения эффектов антагониста KOR norBNI на выученную беспомощность. Во-первых, повышенные уровни динорфина блокируют высвобождение глутамата , нейромедиатора, участвующего в пластичности в гиппокампе, что будет препятствовать новому обучению. [28]
Блокирование эффектов динорфина позволит высвободить глутамат и восстановить функциональную пластичность в гиппокампе, обращая вспять феномен выученной беспомощности. Кроме того, блокирование динорфина усилит сигнализацию дофамина и, таким образом, уменьшит депрессивные симптомы, связанные со стрессом. [28] Авторы предполагают, что антагонисты KOR могут иметь потенциал в лечении депрессии у людей.
Динорфины важны для поддержания гомеостаза посредством контроля аппетита и циркадных ритмов . Пржевлоки и др. [29] обнаружили, что в течение дня динорфины естественным образом повышаются в нейропромежуточной доле гипофиза (NI гипофиз) и снижаются в гипоталамусе. Эта закономерность меняется на противоположную ночью. [29] Кроме того, у мышей, лишенных пищи и воды или только воды, в течение дня наблюдался повышенный уровень динорфина в гипоталамусе. [29] Лишение только воды также снижало уровень динорфина в NI гипофизе. [29] Эти результаты привели Пржевлоки и др. [29] к выводу, что динорфины необходимы для поддержания гомеостаза.
Динорфин считается стимулятором аппетита. Ряд исследований [30] на крысах показали, что повышение уровня динорфина стимулирует прием пищи. Антагонисты опиоидов, такие как налоксон , могут обратить вспять эффекты повышенного уровня динорфина. [31] Это торможение особенно сильно проявляется у тучных животных или животных, имеющих доступ к особенно привлекательной пище. [32] Инуи и др. [33] обнаружили, что введение динорфина собакам увеличило потребление как пищи, так и воды. Динорфин играет роль в пищевом поведении животных, впадающих в спячку. Низеилски и др. [34] исследовали уровень динорфина у суслика, который испытывает периоды чрезмерного питания и периоды голодания перед зимой. Они обнаружили, что уровень динорфина увеличивался в периоды голодания. Берман и др. [35] изучали уровень динорфина в периоды ограничения пищи. Группа обнаружила, что, хотя пища не влияет на экспрессию динорфина B, она повышает уровень динорфина A в нескольких областях мозга крыс ( гипоталамус , прилежащее ядро и ядро ложа терминальной полоски).
Недавние исследования на мышах с нокаутом динорфина не обнаружили различий в потреблении пищи между нокаутированными и контрольными животными, но обнаружили, что у самцов нокаутированных мышей было снижено накопление жира. [36] Жирные кислоты окислялись быстрее у нокаутированных животных. [36]
Исследования также показали, что употребление в пищу продуктов с высоким содержанием жиров увеличивает экспрессию гена динорфина в гипоталамусе. [37] Таким образом, динорфин может вызывать переедание при наличии продуктов с высоким содержанием жиров. [37] [38] Морли и Левин были первыми, кто описал роль опиоидных пептидов в еде, связанной со стрессом. В их исследовании мышам зажимали хвосты (вызывает стресс), что вызывало прием пищи. Стрессовое потребление пищи было снижено путем инъекции налоксона, антагониста опиоидных пептидов. [38]
Манденофф и др. [32] предположили, что, хотя эндогенные опиоиды не являются необходимыми для поддержания веса тела и расхода энергии в предсказуемых обстоятельствах, они активируются в стрессовых условиях. Они обнаружили, что эндогенные опиоиды, такие как динорфин, стимулируют аппетит и снижают расход энергии. В совокупности вышеприведенные исследования указывают на важный эволюционный механизм, при котором во время стресса организм потребляет больше пищи, запасает больше питательных веществ и расходует меньше энергии.
В дополнение к своей роли в контроле веса, динорфины, как было обнаружено, регулируют температуру тела. Опиоидные пептиды были впервые исследованы при гипертермии , где было обнаружено, что агонисты MOR стимулируют эту реакцию при инъекции в область серого вещества околоводопроводного вещества (PAG) мозга. [3] Xin et al. [39] показали, что доставка динорфина A 1-17 (агониста KOR) посредством микродиализа в область PAG вызывала гипотермию у крыс. Авторы обнаружили, что тяжесть гипотермии была пропорциональна введенной дозе динорфина A 1-17 . Гипотермию можно было предотвратить, введя крысе антагониста KOR norBNI. [39] Xin et al. [39] выдвинули гипотезу, что в то время как агонисты MOR опосредуют гипертермию, агонисты KOR, такие как динорфин, опосредуют гипотермию.
Шарма и Альм [40] обнаружили, что воздействие на крыс тепла (38˚C) вызывало повышение уровня динорфинов в коре головного мозга, гиппокампе, мозжечке и стволе мозга. Кроме того, авторы обнаружили, что введение ингибиторов синтазы оксида азота (NOS) снижало уровень динорфина A1-17 в мозге и ослабляло симптомы, связанные с тепловым стрессом. Шарма и Альм [40] пришли к выводу, что гипертермия повышает уровень динорфина, что может вызывать повреждения и способствовать реакции на тепловой стресс. Они также выдвинули гипотезу, что оксид азота является частью этого механизма. Ансонофф и др. [41] обнаружили, что гипотермические эффекты опосредуются через K1 (κ-опиоидный рецептор 1), но не через K2. Авторы применили агонист KOR к мышам с нокаутом K1, что устранило гипотермическую реакцию. Таким образом, K2, по-видимому, не играет роли в механизме гипотермии.
Производные динорфина, как правило, считаются малопригодными для клинического применения из-за их очень короткой продолжительности действия. [42]