11 Sep 2006
Dwa nowe raporty w tym tygodniu pokazują, co może się wydarzyć, gdy neuroprzekaźniki wymkną się spod kontroli, z konsekwencjami dla choroby Alzheimera i Parkinsona.
Pierwszy, artykuł w Neuronie z 7 września opisuje nowy model mysi dysfunkcji cholinergicznej, z intrygującymi problemami z pamięcią i uczeniem się, które przypominają chorobę Alzheimera. Raport, od Marca Carona z Duke University w Durham, Karolina Północna; Marco Prado z Universidade Federal de Minas Gerais, w Belo Horizonte, Brazylia; i kolegów, pokazuje, że myszy z obniżoną ekspresją pęcherzykowego transportera acetylocholiny (VAChT) mają umiarkowanie obniżony ton cholinergiczny w OUN. Behawioralnie, zwierzęta wykazują znaczące defekty w rozpoznawaniu znajomych przedmiotów i zwierząt, podobne do problemów poznawczych obserwowanych w chorobie Alzheimera. Deficyt pamięci społecznej został odwrócony przez leczenie myszy inhibitorami cholinesterazy, tą samą strategią stosowaną w leczeniu objawów poznawczych w AD. Oprócz wykazania ważnej roli VAChT w utrzymaniu normalnego obrotu acetylocholiny, myszy stanowią użyteczny model do badania nowych metod leczenia dysfunkcji cholinergicznych w AD i innych chorobach.
Drugie doniesienie w Journal of Neuroscience z 6 września pokazuje, że α-synukleina, która może powodować dziedziczną chorobę Parkinsona, gdy jest zmutowana lub nadmiernie eksprymowana, zwiększa poziom cytozolowej dopaminy w neuronach, co potwierdza tezę, że to właśnie dopamina powoduje największe uszkodzenia w chorobie Parkinsona (patrz powiązana wiadomość ARF).
W pierwszym doniesieniu badacze zastosowali strategię knockdown, aby zrozumieć rolę VAChT w neurotransmisji acetylocholiny. VAChT jest wymagana do wypełnienia pęcherzyków magazynujących ACh w celu uwolnienia w synapsach, a pierwszy autor Vania Prado i współpracownicy uznali, że całkowite znokautowanie jej byłoby śmiertelne. Zamiast tego stworzyli allel knockdown poprzez zaburzenie 5′ nieulegającego translacji regionu genu, co spowodowało częściową redukcję poziomu mRNA VAChT. Rezultatem u myszy heterozygotycznych była około 40-procentowa redukcja białka VAChT; homozygoty wykazały 65-procentowy spadek.
Zwierzęta były zdolne do życia, ale miały niższy poziom uwalniania ACh w złączach nerwowo-mięśniowych, co przypisano zmniejszonej zawartości ACh w pęcherzykach. Konsekwencje były poważne dla homozygot: wykazały one znaczne upośledzenie siły mięśni, niezdolność do poruszania się po rotorodzie i bardzo małą wytrzymałość fizyczną na bieżni. W przeciwieństwie do nich, heterozygoty potrzebowały więcej czasu niż normalne myszy, aby nauczyć się rotorodu, ale w końcu osiągnęły taką samą biegłość jak ich mioty typu dzikiego. Najwyraźniej myszy tolerowały umiarkowane obniżenie VAChT w połączeniach nerwowo-mięśniowych bez problemów motorycznych, ale poniżej pewnego progu niedobór był upośledzający.
Problemy mięśniowe homozygot uniemożliwiły ich testowanie pod kątem problemów behawioralnych, ale myszy heterozygoty zapewniły możliwość zbadania udziału acetylocholiny z centralnego układu nerwowego w złożonych zachowaniach. Aby to zrobić, badacze najpierw potwierdzili, że ton cholinergiczny był obniżony u heterozygot. Pomiary mikrodializy w korze czołowej i prążkowiu żywych zwierząt wykazały, że poziom zewnątrzkomórkowej ACh jest obniżony o jedną trzecią, a stymulowane uwalnianie stłumione. Całkowita ilość ACh w mózgu została faktycznie zwiększona, ale redukcja VAChT spowodowała mniejszą pulę uwalnianą.
Zwierzęta heterozygotyczne wykonywały tak samo jak ich normalni koledzy w teście unikania, gdzie musiały nauczyć się i zapamiętać, aby nie schodzić na naelektryzowaną platformę. Wyniki pokazują, że ta zależna od hipokampa ścieżka uczenia się i pamięci jest zachowana u zwierząt pomimo ich słabego tonu cholinergicznego. Jednak w innym teście, rozpoznawania obiektów, heterozygoty gorzej radziły sobie z zapamiętywaniem znajomych obiektów 1,5 lub 24 godziny po treningu. Gdy „obiektem” było inne zwierzę, również nie reagowały na nie jako znajome. Ponieważ myszy rozpoznają się na podstawie zapachu, badacze wykluczyli, że heterozygoty mają problemy węchowe i doszli do wniosku, że niepowodzenie w rozpoznawaniu społecznym było prawdziwym defektem poznawczym. Ten defekt pamięci naśladuje niektóre objawy choroby Alzheimera i co ciekawe, został odwrócony przez zwiększenie ACh za pomocą inhibitorów cholinesterazy. To pokazuje, że efekty pamięciowe wynikały z obniżonego ACh, a nie z jakichś rozwojowych efektów obniżonego VAChT. Inhibitory cholinesterazy nie miały wpływu na zachowanie myszy typu dzikiego.
„Nasze obserwacje potwierdzają tezę, że obniżony ton cholinergiczny w mysich modelach AD może rzeczywiście powodować deficyty w pamięci społecznej” – piszą autorzy. Przyszłe badania z wykorzystaniem tych myszy, jak twierdzą, mogą pomóc zrozumieć wkład spadku cholinergicznego do zmian behawioralnych, które towarzyszą patologiom OUN. Ponadto zauważają, że ich wyniki sugerują, iż spadek ekspresji transporterów pęcherzykowych jest mniej tolerowany niż spadek enzymu syntetycznego ACh – acetylotransferazy choliny, który jest powszechnie stosowany do pomiaru deficytów cholinergicznych w AD.
Po stronie badań podstawowych, praca ta pokazuje inne miejsce regulacji neurotransmisji, to na presynaptycznym poziomie ładowania ACh do pęcherzyków. Ten punkt jest badany w towarzyszącym podglądzie przez Thomasa Hnasko i Roberta Edwardsa z University of California, San Francisco.
W drugim artykule, patologiczne efekty α-synukleiny są związane z przypadkiem zbyt dużej ilości neuroprzekaźnika, a nie zbyt małej. W tym przypadku, neuroprzekaźnikiem jest dopamina, która może powodować uszkodzenia oksydacyjne, gdy gromadzi się w cytozolu. W normalnych warunkach cytozolowa dopamina stanowi jedynie niewielki ułamek całkowitej dopaminy komórkowej, której większość jest sekwestrowana w pęcherzykach. Aby zmierzyć tylko pulę cytozolową, pierwszy autor Eugene Mosharov wykorzystał wewnątrzkomórkową elektrochemię płatkową. Odkrył on, że w komórkach PC12 cytozolowa dopamina jest poniżej granicy wykrywalności tą techniką, ale traktowanie komórek L-DOPA wytwarza wykrywalne sygnały. Poddanie komórek PC12 nadekspresji dzikiej lub zmutowanej α-synukleiny (A30P lub A53T) spowodowało większy wzrost dopaminy w cytozolu niż w komórkach bez tych białek, przy czym mutacje miały największy efekt. Aby upewnić się, że wynik nie był ograniczony do komórek poddanych działaniu L-DOPA, badacze przyjrzeli się komórkom chromafinowym nadnerczy myszy, które miały wykrywalny podstawowy poziom dopaminy cytozolowej. Odkryli, że komórki pochodzące od transgenicznych myszy wyrażających mutanta α-synukleiny A30P (ale nie α-synukleiny typu dzikiego) wykazały dwukrotny wzrost stężenia dopaminy w cytosolu.
Co może odpowiadać za ten wzrost? Badacze sprawdzili poziom kluczowych białek zaangażowanych w metabolizm katecholamin, ale żadna z tych zmian nie wyjaśniała efektów. Opierając się na wcześniejszych obserwacjach, że α-synukleina może zwiększać przepuszczalność pęcherzyków, sprawdzili wpływ tego białka na izolowane ziarnistości chromafinowe. Traktowanie pęcherzyków oczyszczoną α-synukleiną, zmutowaną lub typu dzikiego, wywołało wyciek protonów z pęcherzyków. Załamanie gradientu białkowego przez błonę pęcherzyków powinno zmniejszyć wychwyt dopaminy do pęcherzyków. Zgodnie z wpływem na cytozolową dopaminę w komórkach, zmutowane białka miały większy wpływ na przepuszczalność pęcherzyków niż białka typu dzikiego.
Jeśli synukleina powoduje wyciek dopaminy w komórkach, może to tłumaczyć selektywną toksyczność białka dla neuronów dopaminergicznych. Zwiększenie dopaminy w komórkach powoduje stres oksydacyjny, właściwość nie dzielona przez inne neuroprzekaźniki, które mogą być uwalniane przez synukleinę w innych rodzajach neuronów.
Pat McCaffrey