Польза и вред кислорода. Разбираемся. Часть 5. Нейроны, эмбрион и клетки крови.

Процессы развития.

Ход развития эмбриона влечет за собой значительные изменения окислительно-восстановительного состояния.

Timme- Laragy, A. R., Hahn, M. E., Hansen, J. M., Rastogi, A. & Roy, M. A. Redox stress and signaling during vertebrate embryonic development: regulation and responses. Semin. Cell Dev. Biol. 80, 17–28 (2018).

H2O2 критически участвует в этих окислительно-восстановительных сигнальных событиях и имеет далеко идущие последствия для морфогенеза и дифференцировки клеток.

Одним из ярких примеров является нервная система, где АФК влияют на полярность нейронов, регуляцию связности, синаптическую передачу и настройку нейронных сетей.

Rampon, C., Volovitch, M., Joliot, A., Vriz, S. Hydrogen peroxide and redox regulation of developments. Antioxidants (Basel) 7, 159 (2018).

Oswald, M. C. W., Garnham, N., Sweeney, S. T. & Landgraf, M. Regulation of neuronal development and func

Например, там существует достаточно доказательств существенного вклада H2 O2, продуцируемого NOXs, в поиск пути конуса роста аксонов, посредством чего рост и наведение нейронов зависят от физиологических количеств H2 O2. Недостаточная генерация АФК была связана с дефицитом пространственной памяти у мышей, тогда как патологическое повышение уровня АФК вызывает коллапс конуса роста и дегенерацию аксонов

Oswald, M. C. W., Garnham, N., Sweeney, S. T. & Landgraf, M. Regulation of neuronal development and function by ROS. FEBS Lett. 592, 679–691 (2018).

Wilson, C., Munoz- Palma, E. & Gonzalez- Billault, C. From birth to death: a role for reactive oxygen species in neuronal development. Semin. Cell Dev. Biol. 80, 43–49 (2018).

Слева: в нейронах уровни H2 O2 в пределах физиологического диапазона (1–10 нМ) способствуют как росту аксонов, так и росту дендритов (окислительный эустресс), что связано с нормальным, сбалансированным базальным уровнем оксидантов (в основном H2 O2). ) в покое и во время самообновления, которое увеличивается по мере дифференцировки. Следовательно, физиологические уровни H2 O2 определяют баланс между пролиферацией, самообновлением и развитием нейронов. Умеренное увеличение концентрации H2 O2 (приблизительно до 100 нМ) было связано с дальнейшим стимулированием роста дендритов, что важно в контексте регенерации аксонов после повреждения. Аномально высокая концентрация H2 O2 (более 100 нМ) способствует окислительному дистрессу, приводящему к коллапсу конуса роста аксонов и последующей дегенерации. Аномально низкая концентрация H2 O2 (менее 0,1 нМ) нарушает развитие нейронов. Правая часть: связь между уровнем оксидантов и потенциалом стволовых клеток. Обычно стволовые клетки сохраняют низкую дифференцировку. Более низкие уровни H2 O2 приводят к нарушению выхода из состояния покоя и снижению пролиферации, что может отрицательно повлиять на регенерацию. Более высокие уровни H2 O2 способствуют усилению выхода из состояния покоя и усилению пролиферации с последующей дифференцировкой. Это может быть полезно с точки зрения регенерации, но при отсутствии контроля может привести к истощению пула стволовых клеток. Повышение концентрации H2 O2 также связано с репликативным старением стволовых клеток. Наконец, дальнейшее увеличение концентрации H2 O2 приведет к окислительному дистрессу и гибели клеток. Левая панель изменена с разрешения reF.188, Elsevier.

(рис. 4, левая сторона). Физиологический диапазон концентраций H2O2 оценивается в пределах 1–10 нМ. Однако эти значения будут зависеть от нескольких параметров, включая тип клеток и стадию развития.

Биология стволовых клеток также тесно связана с окислительно-восстановительным гомеостазом (рис. 4, правая часть).

Tan, D. Q. & Suda, T. Reactive oxygen species and mitochondrial homeostasis as regulators of stem cell fate and function. Antioxid. Redox Signal. 29, 149–168 (2018).

Rhee, S. G. & Kil, I. S. Mitochondrial H2 O2 signaling is controlled by the concerted action of peroxiredoxin III and sulfiredoxin: linking mitochondrial function to circadian rhythm. Free Radic. Biol. Med. 100, 73–80 (2016).

Стволовые клетки поддерживают низкий базальный уровень оксидантов (в основном H2O2) в состоянии покоя, который увеличивается по мере дифференцировки.

1. Считается, что эти физиологические уровни сохраняют функцию стволовых клеток, позволяя достичь надлежащего баланса между покоем, пролиферацией и дифференцировкой, а также регулировать активность стволовых клеток в ответ на стресс.
2. Более низкие уровни оксидантов приводят к нарушению входа в клеточный цикл, тем самым препятствуя пролиферации и дифференцировке, тогда как повышенные уровни вызывают гиперпролиферацию и индуцируют клеточное старение, что, как следствие, приводит к истощению стволовых клеток. Даже более сильное воздействие окислителей неизбежно приведет к повреждению макромолекул, вызывая гибель клеток.
3. Долгосрочное выживание стволовых клеток особенно важно в контексте взрослые стволовые клетки и, следовательно, изменения в окислительно-восстановительном балансе в конечном итоге повлияют на потенциал регенерации тканей.