Эпигенетическая регуляция транскрипционной активности генов, связанных с нейропротекторным действием цефтриаксона, в головном мозге у крыс на модели спорадической болезни Альцгеймера: участие гистоновой деацетилазы 1
https://doi.org/10.18699/vjgb-26-91
Аннотация
Гистоновые деацетилазы (HDAC) – это ферменты, обеспечивающие подавление транскрипции генов, а ингибиторы HDAC рассматриваются как потенциальные лекарственные средства для лечения болезни Альцгеймера (БА). Ранее мы обнаружили, что цефтриаксон, антибиотик с нейропротекторной активностью, повышает уровни мРНК генов Ide и Mme, кодирующих ферменты, которые участвуют в катаболизме амилоидабета, в миндалине мозга у крыс линии OXYS, модели спорадической БА. С другой стороны, нарушения нейротрофических факторов (в частности, BDNF) играют важную роль в патогенезе БА. Более того, HDAC класса I (HDAC1) участвуют в регуляции транскрипционной активности Bdnf. Целью данного исследования было оценить влияние цефтриаксона на обогащение HDAC1 в промоторах генов Mme, Ide и Bdnf в миндалине у крыс OXYS и на уровни мРНК Bdnf в миндалине крыс OXYS и Вистар. Для эпигенетического анализа и определения уровней мРНК Bdnf использовали хроматин-иммунопреципитацию и количественную ПЦР, соответственно. Не выявлено значимого обогащения HDAC1 или его изменений под действием цефтриаксона в промоторах Mme и Ide. В то же время цефтриаксон ослаблял связывание HDAC1 с промотором IV Bdnf. Это новый механизм регуляции транскрипции в головном мозге цефтриаксоном, который может быть задействован в его нейропротекторной активности. У 5-месячных крыс OXYS он, по-видимому, играет минорную роль, поскольку цефтриаксон не изменял уровни транскрипта 5 Bdnf, содержащего экзоны IV и IX. Мы также впервые продемонстрировали транскриптспецифическую регуляцию транскрипции Bdnf с помощью цефтриаксона. Цефтриаксон значительно повысил уровни транскрипта 6 Bdnf, содержащего экзоны VII, VIII и IX. Результаты исследования могут быть учтены при терапии БА.
Ключевые слова
Об авторах
А. А. БаширзадеРоссия
Новосибирск
М. А. Тихонова
Россия
Новосибирск
В. М. Беличенко
Россия
Новосибирск
Л. А. Федосеева
Россия
Новосибирск
М. Д. Беляев
Россия
Новосибирск
Т.-И. Ренн
Тайвань
Тайбэй
Ч.-М. Чан
Тайвань
Тайбэй
Н. Г. Колосова
Россия
Новосибирск
Н. Д. Беляев
Россия
Новосибирск
Т. Г. Амстиславская
Россия
Новосибирск
Список литературы
1. Alhaddad H., Alasmari F., Alhamadani B., Wong W., Bell R.L., Sari Y. Effects of chronic ethanol consumption on the expression of GLT-1 and neuroplasticity-related proteins in the nucleus accumbens of alcohol-preferring rats. Brain Res Bull. 2020;165:272-280. doi 10.1016/j.brainresbull.2020.10.012
2. Alsallum M., Kaminskaya Y.P., Tsybko A., Kolosova N., Naumenko V. Patterns of expression of the key genes of the BDNF system and serotonin receptors in the brain of OXYS rats in the development of the signs of Alzheimer’s disease. Adv Gerontol. 2023;13(2):84-93. doi 10.1134/S207905702360026X
3. Baj G., Leone E., Chao M.V., Tongiorgi E. Spatial segregation of BDNF transcripts enables BDNF to differentially shape distinct dendritic compartments. Proc Natl Acad Sci USA. 2011;108(40):16813-16818. doi 10.1073/pnas.1014168108
4. Belichenko V.M., Bashirzade A.A., Tenditnik M.V., Dubrovina N.I., Akopyan A.A., Ovsyukova M.V., Fedoseeva L.A., Pupyshev A.B., Aftanas L.I., Amstislavskaya T.G., Tikhonova M.A. Comparative analysis of early neurodegeneration signs in a mouse model of Alzheimer’s disease-like pathology induced by two types of the central (Intracerebroventricular vs. Intrahippocampal) administration of Aβ25-35 oligomers. Behav Brain Res. 2023;454:114651. doi 10.1016/j.bbr.2023.114651
5. Belyaev N.D., Nalivaeva N.N., Makova N.Z., Turner A.J. Neprilysin gene expression requires binding of the amyloid precursor protein intracellular domain to its promoter: implications for Alzheimer disease. EMBO Rep. 2009;10(1):94-100. doi 10.1038/embor.2008.222
6. Bondarev A.D., Attwood M.M., Jonsson J., Chubarev V.N., Tarasov V.V., Schioth H.B. Recent developments of HDAC inhibitors: Emerging indications and novel molecules. Br J Clin Pharmacol. 2021;87(12):4577-4597. doi 10.1111/bcp.14889
7. Cini N., Atasoy O., Uyanikgil Y., Yaprak G., Erdogan M.A., Erbas O. Ceftriaxone has a neuroprotective effect in a whole-brain irradiation-induced neurotoxicity model by increasing GLT-1 and reducing oxidative stress. Strahlenther Onkol. 2025;201(9):903-919. doi 10.1007/s00066-025-02405-z
8. Cudkowicz M.E., Titus S., Kearney M., Yu H., Sherman A., Schoenfeld D., Hayden D., … Simpson E., Tolkoff-Rubin N., Zinman L., Shefner J.M.; Ceftriaxone Study Investigators. Safety and efficacy of ceftriaxone for amyotrophic lateral sclerosis: a multi-stage, randomised, double-blind, placebo-controlled trial. Lancet Neurol. 2014;13(11):1083-1091. doi 10.1016/S1474-4422(14)70222-4
9. Du Y., Wu H.T., Qin X.Y., Cao C., Liu Y., Cao Z.Z., Cheng Y. Postmortem brain, cerebrospinal fluid, and blood neurotrophic factor levels in Alzheimer’s disease: A systematic review and meta-analysis. J Mol Neurosci. 2018;65(3):289-300. doi 10.1007/s12031-018-1100-8
10. Gao R., Ali T., Liu Z., Li A., Hao L., He L., Yu X., Li S. Ceftriaxone averts neuroinflammation and relieves depressive-like behaviors via GLT-1/TrkB signaling. Biochem Biophys Res Commun. 2024;701: 149550. doi 10.1016/j.bbrc.2024.149550
11. Ginzinger D.G. Gene quantification using real-time quantitative PCR: an emerging technology hits the mainstream. Exp Hematol. 2002; 30(6):503-512. doi 10.1016/s0301-472x(02)00806-8
12. Hammad A.M., Swiss G.M.S., Hall F.S., Hikmat S., Sari Y., Al-Qirim T.M., Amawi H.A. Ceftriaxone reduces waterpipe tobacco smoke withdrawal-induced anxiety in rats via modulating the expression of TNF-α/NFkB, Nrf2, and GLT-1. Neuroscience. 2021;463:128-142. doi 10.1016/j.neuroscience.2021.03.030
13. Hefendehl J.K., LeDue J., Ko R.W., Mahler J., Murphy T.H., MacVicar B.A. Mapping synaptic glutamate transporter dysfunction in vivo to regions surrounding Aβ plaques by iGluSnFR two-photon imaging. Nat Commun. 2016;7:13441. doi 10.1038/ncomms13441
14. Idda M.L., Munk R., Abdelmohsen K., Gorospe M. Noncoding RNAs in Alzheimer’s disease. Wiley Interdiscip Rev RNA. 2018;9(2):10. doi 10.1002/wrna.1463
15. Kaur B., Prakash A. Ceftriaxone attenuates glutamate-mediated neuroinflammation and restores BDNF in MPTP model of Parkinson’s disease in rats. Pathophysiology. 2017;24(2):71-79. doi 10.1016/j.pathophys.2017.02.001
16. Kumari S., Deshmukh R. β-lactam antibiotics to tame down molecular pathways of Alzheimer’s disease. Eur J Pharmacol. 2021;895: 173877. doi 10.1016/j.ejphar.2021.173877
17. Kurochkin I.V., Guarnera E., Berezovsky I.N. Insulin-degrading enzyme in the fight against Alzheimer’s disease. Trends Pharmacol Sci. 2018;39(1):49-58. doi 10.1016/j.tips.2017.10.008
18. Lee S.G., Su Z.Z., Emdad L., Gupta P., Sarkar D., Borjabad A., Volsky D.J., Fisher P.B. Mechanism of ceftriaxone induction of excitatory amino acid transporter-2 expression and glutamate uptake in primary human astrocytes. J Biol Chem. 2008;283(19):13116-13123. doi 10.1074/jbc.M707697200
19. Nalivaeva N.N., Belyaev N.D., Turner A.J. New insights into epigenetic and pharmacological regulation of amyloid-degrading enzymes. Neurochem Res. 2016;41(3):620-630. doi 10.1007/s11064-015-1703-1
20. Nalivaeva N.N., Zhuravin I.A., Turner A.J. Neprilysin expression and functions in development, ageing and disease. Mech Ageing Dev. 2020;192:111363. doi 10.1016/j.mad.2020.111363
21. Narita M., Nunez S., Heard E., Narita M., Lin A.W., Hearn S.A., Spector D.L., Hannon G.J., Lowe S.W. Rb-mediated heterochromatin formation and silencing of E2F target genes during cellular senescence. Cell. 2003;113(6):703-716. doi 10.1016/s0092-8674(03)00401-x
22. Ng T.K.S., Ho C.S.H., Tam W.W.S., Kua E.H., Ho R.C. Decreased serum brain-derived neurotrophic factor (BDNF) levels in patients with Alzheimer’s disease (AD): A systematic review and meta-analysis. Int J Mol Sci. 2019;20(2):257. doi 10.3390/ijms20020257
23. Niedzielska-Andres E., Mizera J., Sadakierska-Chudy A., Pomierny-Chamiolo L., Filip M. Changes in the glutamate biomarker expression in rats vulnerable or resistant to the rewarding effects of cocaine and their reversal by ceftriaxone. Behav Brain Res. 2019;370: 111945. doi 10.1016/j.bbr.2019.111945
24. Nikolac Perkovic M., Videtic Paska A., Konjevod M., Kouter K., Svob Strac D., Nedic Erjavec G., Pivac N. Epigenetics of Alzheimer’s disease. Biomolecules. 2021;11(2):195. doi 10.3390/biom11020195
25. Palomer E., Martin-Segura A., Baliyan S., Ahmed T., Balschun D., Venero C., Martin M.G., Dotti C.G. Aging triggers a repressive chromatin state at Bdnf promoters in hippocampal neurons. Cell Rep. 2016;16(11):2889-2900. doi 10.1016/j.celrep.2016.08.028
26. Poon C.H., Tse L.S.R., Lim L.W. DNA methylation in the pathology of Alzheimer’s disease: from gene to cognition. Ann N Y Acad Sci. 2020;1475(1):15-33. doi 10.1111/nyas.14373
27. Ramazi S., Allahverdi A., Zahiri J. Evaluation of post-translational modifications in histone proteins: A review on histone modification defects in developmental and neurological disorders. J Biosci. 2020; 45(1):135
28. Rasero J., Alonso-Montes C., Diez I., Olabarrieta-Landa L., Remaki L., Escudero I., Mateos B., Bonifazi P., Fernandez M., Arango-Lasprilla J.C., Stramaglia S., Cortes J.M. Group-level progressive alterations in brain connectivity patterns revealed by diffusion-tensor brain networks across severity stages in Alzheimer’s disease. Front Aging Neurosci. 2017;9:215. doi 10.3389/fnagi.2017.00215
29. Ratti E., Berry J.D., Greenblatt D.J., Loci L., Ellrodt A.S., Shefner J.M., Cudkowicz M.E. Preclinical rodent toxicity studies for long term use of ceftriaxone. Toxicol Rep. 2015;2:1396-1403. doi 10.1016/j.toxrep.2015.09.010
30. Rudnitskaya E.A., Kolosova N.G., Stefanova N.A. Impact of changes in neurotrophic supplementation on development of Alzheimer’s disease-like pathology in Oxys rats. Biochemistry (Mosc). 2017; 82(3):318-329. doi 10.1134/S0006297917030105
31. Sada N., Fujita Y., Mizuta N., Ueno M., Furukawa T., Yamashita T. Inhibition of HDAC increases BDNF expression and promotes neuronal rewiring and functional recovery after brain injury. Cell Death Dis. 2020;11(8):655. doi 10.1038/s41419-020-02897-w
32. Schueller E., Paiva I., Blanc F., Wang X.L., Cassel J.C., Boutillier A.L., Bousiges O. Dysregulation of histone acetylation pathways in hippocampus and frontal cortex of Alzheimer’s disease patients. Eur Neuropsychopharmacol. 2020;33:101-116. doi 10.1016/j.euroneuro.2020.01.015
33. Shvedunova M., Akhtar A. Modulation of cellular processes by histone and non-histone protein acetylation. Nat Rev Mol Cell Biol. 2022; 23(5):329-349. doi 10.1038/s41580-021-00441-y
34. Stefanova N.A., Kozhevnikova O.S., Vitovtov A.O., Maksimova K.Y., Logvinov S.V., Rudnitskaya E.A., Korbolina E.E., Muraleva N.A., Kolosova N.G. Senescence-accelerated OXYS rats: a model of age-related cognitive decline with relevance to abnormalities in Alzheimer disease. Cell Cycle. 2014;13(6):898-909. doi 10.4161/cc.28255
35. Stefanova N.A., Maksimova K.Y., Kiseleva E., Rudnitskaya E.A., Muraleva N.A., Kolosova N.G. Melatonin attenuates impairments of structural hippocampal neuroplasticity in OXYS rats during active progression of Alzheimer’s disease-like pathology. J Pineal Res. 2015;59(2):163-177. doi 10.1111/jpi.12248
36. Tikhonova M.A., Ho S.C., Akopyan A.A., Kolosova N.G., Weng J.C., Meng W.Y., Lin C.L., Amstislavskaya T.G., Ho Y.J. Neuroprotective effects of ceftriaxone treatment on cognitive and neuronal deficits in a rat model of accelerated senescence. Behav Brain Res. 2017;330: 8-16. doi 10.1016/j.bbr.2017.05.002
37. Tikhonova M.A., Amstislavskaya T.G., Belichenko V.M., Fedoseeva L.A., Kovalenko S.P., Pisareva E.E., Avdeeva A.S., Kolosova N.G., Belyaev N.D., Aftanas L.I. Modulation of the expression of genes related to the system of amyloid-beta metabolism in the brain as a novel mechanism of ceftriaxone neuroprotective properties. BMC Neurosci. 2018;19(Suppl. 1):13. doi 10.1186/s12868-018-0412-5
38. Tikhonova M.A., Amstislavskaya T.G., Ho Y.J., Akopyan A.A., Tenditnik M.V., Ovsyukova M.V., Bashirzade A.A., Dubrovina N.I., Aftanas L.I. Neuroprotective effects of ceftriaxone involve the reduction of Aβ burden and neuroinflammatory response in a mouse model of Alzheimer’s disease. Front Neurosci. 2021;15:736786. doi 10.3389/fnins.2021.736786
39. Tran P.V., Kennedy B.C., Lien Y.C., Simmons R.A., Georgieff M.K. Fetal iron deficiency induces chromatin remodeling at the Bdnf locus in adult rat hippocampus. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2015;308(4):R276-R282. doi 10.1152/ajpregu.00429.2014
40. Zhang Y., Chen H., Li R., Sterling K., Song W. Amyloid β-based therapy for Alzheimer’s disease: challenges, successes and future. Signal Transduct Target Ther. 2023;8(1):248. doi 10.1038/s41392-023-01484-7
41. Zuccato C., Belyaev N., Conforti P., Ooi L., Tartari M., Papadimou E., MacDonald M., Fossale E., Zeitlin S., Buckley N., Cattaneo E. Widespread disruption of repressor element-1 silencing transcription factor/neuron-restrictive silencer factor occupancy at its target genes in Huntington’s disease. J Neurosci. 2007;27(26):6972-6983. doi 10.1523/JNEUROSCI.4278-06.2007
42. Zumkehr J., Rodriguez-Ortiz C.J., Cheng D., Kieu Z., Wai T., Hawkins C., Kilian J., Lim S.L., Medeiros R., Kitazawa M. Ceftriaxone ameliorates tau pathology and cognitive decline via restoration of glial glutamate transporter in a mouse model of Alzheimer’s disease. Neurobiol Aging. 2015;36(7):2260-2271. doi 10.1016/j.neurobiolaging.2015.04.005
Рецензия
JATS XML





