11 september 2006
Två nya rapporter i veckan visar vad som kan hända när neurotransmittorer hamnar ur balans, med konsekvenser för Alzheimers sjukdom och Parkinsons sjukdom.
För det första beskriver en artikel i Neuron av den 7 september en ny musmodell för kolinerga störningar, med några fascinerande minnes- och inlärningsproblem som påminner om Alzheimers sjukdom. Rapporten, från Marc Caron från Duke University i Durham, North Carolina, Marco Prado från Universidade Federal de Minas Gerais i Belo Horizonte, Brasilien, och kollegor, visar att möss med minskat uttryck av den vesikulära acetylkolintransportören (VAChT) har måttligt minskad kolinergtonus i CNS. Beteendemässigt uppvisar djuren anmärkningsvärda brister när det gäller att känna igen bekanta föremål och djur, vilket liknar de kognitiva problem som ses vid Alzheimers sjukdom. Bristen på socialt minne vändes genom att behandla mössen med kolinesterashämmare, samma strategi som används för att behandla kognitiva symtom vid Alzheimers sjukdom. Förutom att visa att VAChT spelar en viktig roll för att upprätthålla en normal omsättning av acetylkolin, utgör mössen en användbar modell för att undersöka nya behandlingar av den kolinerga dysfunktionen vid Alzheimers sjukdom och andra sjukdomar.
En andra rapport i Journal of Neuroscience av den 6 september visar att α-synuklein, som kan orsaka ärftlig Parkinsons sjukdom när det är muterat eller överuttryckt, ökar det cytosoliska dopaminet i neuronerna, vilket ger ytterligare stöd åt idén att det är dopaminet i sig självt som orsakar den största skadan vid Parkinsons sjukdom (se ARF:s relaterade nyhet).
I den första rapporten tillämpade forskarna en knockdown-strategi för att förstå VAChT:s roll i acetylkolin-neurotransmission. VAChT krävs för att fylla lagringsvesiklar med ACh för frisättning vid synapser, och första författaren Vania Prado och kollegor resonerade att det skulle vara dödligt att slå ut den helt och hållet. Istället skapade de en knockdown-allel genom att störa genens 5′ untranslated region, vilket ledde till en partiell minskning av nivåerna av VAChT mRNA. Resultatet hos heterozygota möss var en ungefär 40-procentig minskning av VAChT-protein; homozygoter uppvisade en 65-procentig minskning.
Djuren var livskraftiga, men de hade lägre ACh-frisättning vid neuromuskulära korsningar, vilket tillskrevs ett minskat vesikulärt innehåll av ACh. Konsekvenserna var allvarliga för homozygoter: de uppvisade betydande försämringar i muskelstyrka, en oförmåga att navigera rotorod och mycket liten fysisk uthållighet på ett löpband. Däremot tog det längre tid för heterozygoter än för normala möss att lära sig rotorod, men uppnådde så småningom samma färdigheter som sina vildtypskullsyskon. Uppenbarligen tolererade mössen en måttlig minskning av VAChT vid de neuromuskulära korsningarna utan motoriska problem, men under en viss tröskel var bristen handikappande.
Muskelproblemen hos homozygoterna hindrade dem från att testas med avseende på beteendeproblem, men de heterozygota mössen gav en möjlighet att studera hur acetylkolin i centrala nervsystemet bidrar till komplexa beteenden. För att göra detta bekräftade forskarna först att den kolinerga tonen var nedsatt hos heterozygoterna. Mikrodialysmätningar i frontalcortex och striatum hos levande djur visade att de extracellulära ACh-nivåerna minskade med en tredjedel och att den stimulerade frisättningen dämpades. Den totala mängden ACh i hjärnan ökade faktiskt, men minskningen av VAChT resulterade i en mindre frisättbar pool.
De heterozygota djuren presterade precis som sina normala kullsyskon i ett undvikelsetest, där de var tvungna att lära sig och komma ihåg att inte kliva ner på en elektrifierad plattform. Resultaten visar att denna hippocampusberoende inlärnings- och minnesväg bevaras hos djuren trots deras dåliga kolinerga tonus. Men i ett annat test, av föremålsigenkänning, gjorde heterozygoterna sämre ifrån sig när det gällde att komma ihåg bekanta föremål 1,5 eller 24 timmar efter träningen. När ”objektet” var ett annat djur misslyckades de också med att reagera på det som bekant. Eftersom möss känner igen varandra baserat på lukt, utesluter forskarna att heterozygoterna hade luktproblem och drar slutsatsen att misslyckandet med det sociala erkännandet var en verklig kognitiv defekt. Denna minnesdefekt efterliknar vissa symtom på Alzheimers sjukdom, och intressant nog vändes den genom att öka ACh med kolinesterashämmare. Detta visar att minneseffekterna berodde på minskad ACh och inte på några utvecklingseffekter av sänkt VAChT. Kolinesterashämmarna hade ingen effekt på beteendet hos vildtypmöss.
”Våra observationer stödjer uppfattningen att minskad kolinergtonus i AD-musmodeller faktiskt kan orsaka brister i det sociala minnet”, skriver författarna. Framtida studier med hjälp av dessa möss, säger de, kan hjälpa till att förstå bidragen av kolinerga nedgång till de beteendeförändringar som åtföljer CNS-patologier. Dessutom noterar de att deras resultat tyder på att en minskning av uttrycket för vesikulära transportörer tolereras sämre än minskningar av det ACh-syntetiska enzymet kolinacetyltransferas, som ofta används för att mäta kolinerga brister vid Alzheimers sjukdom.
På grundforskningssidan visar arbetet på en annan plats för reglering av neurotransmission, den här på den presynaptiska nivån av ACh-laddning i vesiklar. Denna punkt utforskas i en åtföljande förhandsgranskning av Thomas Hnasko och Robert Edwards från University of California, San Francisco.
I den andra artikeln knyts de patologiska effekterna av α-synuklein till ett fall av för mycket neurotransmittor snarare än för lite. I det här fallet är neurotransmittorn dopamin, som kan orsaka oxidativa skador när det byggs upp i cytosolen. Under normala förhållanden bidrar cytosoliskt dopamin endast till en liten del av det totala cellulära dopaminet, som till största delen är instängt i vesiklar. För att mäta endast den cytosoliska poolen använde den förste författaren Eugene Mosharov intracellulär patchelektrokemi. Han fann att cytosoliskt dopamin i PC12-celler ligger under detektionsgränsen med denna teknik, men att behandling av cellen med L-DOPA gav detekterbara signaler. Behandling av PC12-celler som överuttryckte α-synuklein av vildtyp eller muterat α-synuklein (A30P eller A53T) orsakade en större ökning av cytosoliskt dopamin än celler utan proteinerna, där mutanterna hade den största effekten. För att försäkra sig om att resultatet inte var begränsat till L-DOPA-behandlade celler tittade forskarna på binjurekromaffinceller i mus som hade påvisbara basala nivåer av cytosoliskt dopamin. De fann att celler som härrörde från transgena möss som uttryckte α-synuklein A30P-mutanten (men inte α-synuklein av vildtyp) uppvisade en tvåfaldig ökning av den cytosoliska dopaminkoncentrationen.
Vad kan förklara ökningen? Forskarna kontrollerade nivåerna av viktiga proteiner som är involverade i katekolaminmetabolismen, men ingen av förändringarna förklarade effekterna. Baserat på tidigare observationer att α-synuklein kan öka vesikelpermeabiliteten tittade de på proteinets effekt på isolerade kromaffingranuler. Behandling av vesiklar med renat α-synuklein, antingen mutant eller vildtyp, inducerade protonläckage från vesiklarna. Kollapsen av proteingradienten över vesikelns membran skulle förväntas minska dopaminupptaget i vesiklarna. I överensstämmelse med effekterna på cytosoliskt dopamin i cellerna hade de muterade proteinerna en större effekt än vildtypen på vesikelpermeabiliteten.
Om synuklein orsakar ett dopaminläckage i cellerna skulle detta kunna förklara proteinets selektiva toxicitet för dopaminerga neuroner. En ökning av dopamin i cellerna skapar oxidativ stress, en egenskap som inte delas av andra neurotransmittorer som kan frigöras av synuklein i andra typer av neuroner.-Pat McCaffrey