11 september 2006
Twee nieuwe rapporten deze week laten zien wat er kan gebeuren als neurotransmitters uit balans raken, met vertakkingen voor de ziekte van Alzheimer en de ziekte van Parkinson.
Eerst beschrijft een artikel in Neuron van 7 september een nieuw muismodel van cholinerge disfunctie, met een aantal intrigerende geheugen- en leerproblemen die doen denken aan de ziekte van Alzheimer. Het rapport, van Marc Caron van Duke University in Durham, North Carolina; Marco Prado van de Universidade Federal de Minas Gerais, in Belo Horizonte, Brazilië; en collega’s, toont aan dat muizen met een verminderde expressie van de vesiculaire acetylcholine transporter (VAChT) een matig verminderde cholinerge tonus in het CZS hebben. Gedragsmatig vertonen de dieren opmerkelijke gebreken in het herkennen van bekende objecten en dieren, vergelijkbaar met de cognitieve problemen die gezien worden bij de ziekte van Alzheimer. Het gebrek aan sociaal geheugen werd ongedaan gemaakt door de muizen te behandelen met cholinesteraseremmers, dezelfde strategie die gebruikt wordt voor de behandeling van cognitieve symptomen bij AD. Naast het aantonen van een belangrijke rol voor VAChT bij het in stand houden van een normale acetylcholine-omzet, vormen de muizen een nuttig model voor het onderzoeken van nieuwe behandelingen voor de cholinerge disfunctie van AD en andere ziekten.
Een tweede rapport in het Journal of Neuroscience van 6 september toont aan dat α-synucleïne, dat bij mutatie of overexpressie de erfelijke ziekte van Parkinson kan veroorzaken, het cytosolische dopamine in neuronen verhoogt, waarmee steun wordt gegeven aan het idee dat dopamine zelf de meeste schade veroorzaakt bij de ziekte van Parkinson (zie ARF gerelateerd nieuwsbericht).
In het eerste rapport pasten de onderzoekers een knockdown-strategie toe om de rol van VAChT in de acetylcholine neurotransmissie te begrijpen. VAChT is nodig om opslagblaasjes te vullen met ACh voor vrijlating bij synapsen, en eerste auteur Vania Prado en collega’s redeneerden dat het volledig uitschakelen ervan dodelijk zou zijn. In plaats daarvan creëerden ze een knockdown allel door de 5′-onvertaalde regio van het gen te verstoren, wat een gedeeltelijke vermindering van het niveau van VAChT mRNA veroorzaakte. Het resultaat bij heterozygote muizen was een afname van ongeveer 40% in VAChT-eiwit; homozygoten vertoonden een afname van 65%.
De dieren waren levensvatbaar, maar ze hadden een lagere ACh-afgifte bij neuromusculaire verbindingen, wat werd toegeschreven aan een verminderde vesiculaire inhoud van ACh. De gevolgen waren ernstig voor de homozygoten: ze vertoonden aanzienlijke beperkingen in spierkracht, een onvermogen om de rotorod te navigeren, en een zeer gering lichamelijk uithoudingsvermogen op een loopband. De heterozygoten daarentegen deden er langer over dan normale muizen om de rotorod te leren, maar behaalden uiteindelijk dezelfde vaardigheid als hun wild-type nestgenoten. Blijkbaar tolereerden de muizen een matige afname van VAChT bij de neuromusculaire verbindingen zonder motorische problemen, maar onder een bepaalde drempel was de deficiëntie invaliderend.
De spierproblemen van de homozygoten verhinderden dat ze werden getest op gedragsproblemen, maar de heterozygote muizen boden een kans om de bijdrage van acetylcholine in het centrale zenuwstelsel aan complexe gedragingen te bestuderen. Om dit te doen, bevestigden de onderzoekers eerst dat de cholinerge tonus verlaagd was bij de heterozygoten. Microdialyse metingen in de frontale cortex en het striatum van levende dieren toonden aan dat de extracellulaire ACh niveaus met een derde verlaagd waren en dat de gestimuleerde afgifte gedempt was. De totale hoeveelheid ACh in de hersenen was in feite toegenomen, maar de vermindering van VAChT resulteerde in een kleinere hoeveelheid vrij te geven ACh.
De heterozygote dieren presteerden net als hun normale nestgenoten in een vermijdingstest, waarbij ze moesten leren en onthouden niet op een geëlektrificeerd platform te stappen. De resultaten tonen aan dat deze hippocampus-afhankelijke leer- en geheugentraject behouden blijft bij de dieren ondanks hun slechte cholinerge tonus. Maar bij een andere test, objectherkenning, deden de heterozygoten het 1,5 of 24 uur na de training slechter bij het onthouden van bekende objecten. Wanneer het “voorwerp” een ander dier was, reageerden ze er ook niet op als vertrouwd. Aangezien muizen elkaar op basis van geur herkennen, sloten de onderzoekers uit dat de heterozygoten olfactorische problemen hadden, en concludeerden dat het falen van de sociale herkenning een echt cognitief defect was. Dit gebrek aan geheugen bootst sommige symptomen van AD na, en interessant genoeg werd het ongedaan gemaakt door ACh te verhogen met cholinesteraseremmers. Dit toont aan dat de geheugeneffecten te wijten waren aan verminderde ACh en niet aan een of ander ontwikkelingseffect van verlaagde VAChT. De cholinesterase remmers hadden geen effect op het gedrag van wild-type muizen.
“Onze observaties ondersteunen het idee dat verminderde cholinerge tonus in AD muismodellen inderdaad tekorten in het sociale geheugen kan veroorzaken,” schrijven de auteurs. Toekomstige studies met deze muizen, zeggen ze, kunnen helpen om de bijdragen van cholinerge achteruitgang aan de gedragsveranderingen die gepaard gaan met CNS-pathologieën te begrijpen. Bovendien merken zij op dat hun resultaten suggereren dat een afname van de expressie van de vesiculaire transporter minder goed wordt verdragen dan een afname van het ACh synthetisch enzym choline acetyltransferase, dat veel wordt gebruikt om cholinerge tekorten in AD te meten.
Op het gebied van fundamenteel onderzoek toont het werk een andere plaats van regulatie van neurotransmissie aan, deze op het presynaptische niveau van ACh lading in vesikels. Dit punt wordt uitgediept in een begeleidend voorproefje van Thomas Hnasko en Robert Edwards van de Universiteit van Californië, San Francisco.
In het tweede artikel worden de pathologische effecten van α-synucleïne gekoppeld aan een geval van te veel neurotransmitter in plaats van te weinig. In dit geval is de neurotransmitter dopamine, dat oxidatieve schade kan veroorzaken wanneer het zich ophoopt in het cytosol. Onder normale omstandigheden maakt het cytosolische dopamine slechts een klein deel uit van het totale cellulaire dopamine, waarvan het grootste deel in de blaasjes is opgesloten. Om alleen de cytosolpool te meten, maakte eerste auteur Eugene Mosharov gebruik van intracellulaire patch elektrochemie. Hij ontdekte dat in PC12-cellen het cytosolische dopamine onder de detectiegrens van deze techniek ligt, maar dat behandeling van de cel met L-DOPA detecteerbare signalen oplevert. Behandeling van PC12-cellen met overexpressie van wild-type of gemuteerd α-synucleïne (A30P of A53T) veroorzaakte een grotere toename van het cytosolische dopamine dan cellen zonder de eiwitten, waarbij de mutanten het grootste effect hadden. Om er zeker van te zijn dat het resultaat niet beperkt bleef tot met L-DOPA behandelde cellen, keken de onderzoekers naar bijnierchromaffinecellen van muizen met een detecteerbaar basaal dopamineniveau. Zij ontdekten dat cellen afkomstig van transgene muizen die de α-synucleïne A30P-mutant tot expressie brengen (maar niet de wild-type α-synucleïne) een tweevoudige toename van de cytosolische dopamineconcentratie vertoonden.
Wat zou deze toename kunnen verklaren? De onderzoekers controleerden de niveaus van belangrijke eiwitten die betrokken zijn bij het catecholaminemetabolisme, maar geen van de veranderingen verklaarde de effecten. Op basis van eerdere waarnemingen dat α-synucleïne de doorlaatbaarheid van blaasjes kan vergroten, keken zij naar het effect van het eiwit op geïsoleerde chromaffinekorrels. Behandeling van de blaasjes met gezuiverd α-synucleïne, mutant of wild-type, induceerde protonlekkage uit de blaasjes. De ineenstorting van de eiwitgradiënt over de membraan van de blaasjes zou naar verwachting de dopamine-opname in de blaasjes verminderen. In overeenstemming met de effecten op het cytosolische dopamine in de cellen, hadden de mutante eiwitten een groter effect op de doorlaatbaarheid van de blaasjes dan het wild-type.
Als synucleïne een dopamine lek in de cellen veroorzaakt, zou dit de selectieve toxiciteit van het eiwit voor dopaminerge neuronen kunnen verklaren. Toename van dopamine in cellen veroorzaakt oxidatieve stress, een eigenschap die niet wordt gedeeld door andere neurotransmitters die wellicht door synucleïne in andere soorten neuronen worden vrijgemaakt.-pat McCaffrey