Польза кетогенной диеты при эпилепсии может быть связана с изменением транскриптома гиппокампа

Кетогенная диета — диета с высоким содержанием жиров и чрезвычайно низким содержанием углеводов — изначально была разработана для терапии лекарственно-устойчивой эпилепсии у детей. Она снижает частоту припадков, однако механизмы этого оставались неизвестными. Ученые из США проанализировали влияние кетогенной диеты на гиппокамп мышей и установили, что она приводит к масштабному перепрограммированию транскриптома и изменяет экспрессию многих синаптических генов. 

Кетогенная диета индуцирует повышение уровеня циркулирующих кетонов в кровотоке. Это состояние известно как кетоз, и оно сопровождается уменьшением частоты приступов эпилепсии у пациентов. При этом клиническая эффективность ограничена низкой приверженностью пациентов диете, а для разработки альтернативных методов, нацеленных на те же механизмы, пока недостает информации о них. 

Исследователи провели опыты на мышах линии C57BL/6NJ, которая склонна к эпилепсии. В течение четырех недель они держали взрослых самцов на кетодиете и отслеживали уровень β-гидроксибутирата в их крови. Он возрос с 0,4 до 1,0 мМ в течение первой недели и затем стабилизировался, что указывает на развитие кетоза. 

Метаболическая адаптация к питанию часто сопровождается перестройками транскриптома, поэтому ученые провели секвенирование РНК гиппокампа мышей после четырехнедельной кетодиеты. Анализ выявил 503 дифференциально экспрессируемых гена, из которых уровни 308 (61,2%) были понижены после кетодиеты, а 195 (38,8%) — повышены. 

Учитывая, что кетодиета применяется именно для лечения детской эпилепсии, авторы проверили, как она влияет на экспрессию генов гиппокампа у молодых (4 недели) мышей. Дифференциально экспрессируемых генов у них было меньше (всего 179), чем у взрослых животных, однако доля генов, уровень которых снизился, была сопоставимой — 58,7%. В частности, снижались уровни экспрессии генов, связанных с нейрогенезом, метаболизмом жирных кислот и синаптической передачей.

Уже было показано, что кетоновые тела могут служить субстратами или кофакторами для посттрансляционных модификаций (ПТМ) гистонов — это один из механизмов связи между состоянием метаболизма и экспрессией генов. Ученые проанализировали ПТМ гистонов в гиппокампе с помощью жидкостной хроматографии и тандемной масс-спектрометрии (LC-MS/MS). Они выявили значимые изменения в уровнях 22 пептидов у мышей на кетодиете по сравнению с контролем. В частности, менялись метки на гистоне H3, влияющие на экспрессию генов (содержание метки активных промоторов H3K4ac было снижено, а репрессорных меток H3K79me1 и H3K9me3, наоборот, повышено). 

Выявленные изменения в экспрессии синаптических генов указывают на то, что кетогенная диета влияет на синаптическую передачу в гиппокампе. Исследователи измерили электрофизиологическую активность на срезах мозгах методом пэтч-кламп. Записи активности проводили на фоне высокочастотных (40 Гц) импульсов и в присутствии габазина, который блокирует синаптическое торможение. Оказалось, что эффективность передачи синаптического сигнала снижалась при этой частоте.  

С помощью электронной микроскопии авторы проанализировали изменения синаптических везикул в срезах гиппокампа. Они выявили значительное снижение количества закрепленных на пресинаптической мембране, то есть готовых к высвобождению, везикул в возбуждающих, но не тормозных синапсах. Как показали дальнейшие эксперименты, это ослабляет временную суммацию сигнала. 

Таким образом, транскриптомная перестройка гиппокампа, вызванная кетодиетой, приводит к снижению эффективности передачи синаптического сигнала в определенном диапазоне частот. Этот эффект затрагивает именно передачу возбуждения, и авторы работы предполагают, что именно он может опосредовать терапевтическую пользу кетогенной диеты при эпилепсии. 

За 20 лет жизни с эпилепсией практически прекращается нейрогенез в гиппокампе