11. September 2006
Zwei neue Berichte in dieser Woche zeigen, was passieren kann, wenn Neurotransmitter aus dem Gleichgewicht geraten, mit Auswirkungen auf die Alzheimer- und Parkinson-Krankheit.
Erst wird in einem Artikel in der Zeitschrift Neuron vom 7. September ein neues Mausmodell für cholinerge Funktionsstörungen beschrieben, das einige faszinierende Gedächtnis- und Lernprobleme aufweist, die an die Alzheimer-Krankheit erinnern. Der Bericht von Marc Caron von der Duke University in Durham, North Carolina, Marco Prado von der Universidade Federal de Minas Gerais in Belo Horizonte, Brasilien, und Kollegen zeigt, dass Mäuse mit verminderter Expression des vesikulären Acetylcholin-Transporters (VAChT) einen mäßig verringerten cholinergen Tonus im ZNS aufweisen. Im Verhalten zeigen die Tiere bemerkenswerte Mängel beim Erkennen vertrauter Objekte und Tiere, ähnlich den kognitiven Problemen, die bei der Alzheimer-Krankheit auftreten. Der Mangel an sozialem Gedächtnis konnte durch die Behandlung der Mäuse mit Cholinesterase-Hemmern behoben werden, der gleichen Strategie, die zur Behandlung kognitiver Symptome bei Alzheimer eingesetzt wird. Die Mäuse zeigen nicht nur, dass VAChT eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung eines normalen Acetylcholin-Umsatzes spielt, sondern sind auch ein nützliches Modell für die Erforschung neuer Behandlungsmethoden für die cholinerge Dysfunktion bei Alzheimer und anderen Krankheiten.
Ein zweiter Bericht im Journal of Neuroscience vom 6. September zeigt, dass α-Synuclein, das, wenn es mutiert oder überexprimiert ist, die vererbte Parkinson-Krankheit verursachen kann, das zytosolische Dopamin in Neuronen erhöht, was die Idee unterstützt, dass es das Dopamin selbst ist, das die meisten Schäden bei der Parkinson-Krankheit verursacht (siehe ARF-News).
Im ersten Bericht wandten die Forscher eine Knockdown-Strategie an, um die Rolle von VAChT bei der Acetylcholin-Neurotransmission zu verstehen. VAChT wird benötigt, um Speicherbläschen mit ACh für die Freisetzung an Synapsen zu füllen, und die Erstautorin Vania Prado und ihre Kollegen kamen zu dem Schluss, dass es tödlich wäre, VAChT komplett auszuschalten. Stattdessen schufen sie ein Knockdown-Allel, indem sie die 5′-untranslatierte Region des Gens unterbrachen, was zu einer teilweisen Verringerung der VAChT-mRNA-Spiegel führte. Das Ergebnis bei den heterozygoten Mäusen war eine etwa 40-prozentige Verringerung des VAChT-Proteins; bei den homozygoten Mäusen betrug die Verringerung 65 Prozent.
Die Tiere waren lebensfähig, wiesen aber eine geringere ACh-Freisetzung an den neuromuskulären Knotenpunkten auf, was auf einen verringerten vesikulären ACh-Gehalt zurückgeführt wurde. Die Folgen für die Homozygoten waren gravierend: Sie zeigten deutliche Beeinträchtigungen der Muskelkraft, eine Unfähigkeit, den Rotorod zu steuern, und eine sehr geringe körperliche Ausdauer auf einem Laufband. Im Gegensatz dazu brauchten die Heterozygoten länger als normale Mäuse, um den Rotorod zu erlernen, erreichten aber schließlich die gleiche Leistung wie ihre Wildtyp-Wurfgeschwister. Offenbar tolerierten die Mäuse eine mäßige Abnahme von VAChT an den neuromuskulären Verbindungen ohne motorische Probleme, aber unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts war der Mangel behindernd.
Die muskulären Probleme der Homozygoten verhinderten, dass sie auf Verhaltensprobleme getestet wurden, aber die heterozygoten Mäuse boten die Möglichkeit, den Beitrag des Acetylcholins des zentralen Nervensystems zu komplexen Verhaltensweisen zu untersuchen. Zu diesem Zweck bestätigten die Forscher zunächst, dass der cholinerge Tonus bei den Heterozygoten reduziert war. Mikrodialysemessungen im frontalen Kortex und im Striatum lebender Tiere zeigten, dass der extrazelluläre ACh-Spiegel um ein Drittel reduziert und die stimulierte Freisetzung gedämpft war. Die Gesamtmenge an ACh im Gehirn war sogar erhöht, aber die Verringerung von VAChT führte zu einem geringeren freisetzbaren Pool.
Die heterozygoten Tiere zeigten die gleichen Leistungen wie ihre normalen Wurfgeschwister in einem Vermeidungstest, bei dem sie lernen und sich merken mussten, nicht auf eine elektrifizierte Plattform zu steigen. Die Ergebnisse zeigen, dass dieser vom Hippocampus abhängige Lern- und Gedächtnispfad bei den Tieren trotz ihres schlechten cholinergen Tonus erhalten bleibt. In einem anderen Test, der Objekterkennung, erinnerten sich die Heterozygoten jedoch 1,5 oder 24 Stunden nach dem Training schlechter an vertraute Objekte. Wenn es sich bei dem „Objekt“ um ein anderes Tier handelte, reagierten sie auch nicht auf dieses als vertraut. Da Mäuse einander anhand des Geruchs erkennen, schlossen die Forscher aus, dass die Heterozygoten Probleme mit dem Geruchssinn hatten, und kamen zu dem Schluss, dass das Versagen der sozialen Anerkennung ein echter kognitiver Defekt war. Diese Gedächtnisstörung ahmt einige Symptome der Alzheimer-Krankheit nach, und interessanterweise konnte sie durch eine Erhöhung des ACh-Spiegels mit Cholinesterase-Hemmern rückgängig gemacht werden. Dies zeigt, dass die Auswirkungen auf das Gedächtnis auf vermindertes ACh zurückzuführen sind und nicht auf entwicklungsbedingte Auswirkungen eines verminderten VAChT. Die Cholinesterase-Inhibitoren hatten keinen Einfluss auf das Verhalten der Wildtyp-Mäuse.
„Unsere Beobachtungen unterstützen die Vorstellung, dass ein reduzierter cholinerger Tonus in AD-Mausmodellen tatsächlich Defizite im sozialen Gedächtnis verursachen kann“, schreiben die Autoren. Zukünftige Studien mit diesen Mäusen könnten dazu beitragen, die Beiträge des cholinergen Rückgangs zu den Verhaltensänderungen, die mit ZNS-Pathologien einhergehen, zu verstehen, so die Autoren. Darüber hinaus weisen sie darauf hin, dass ihre Ergebnisse darauf hindeuten, dass eine Abnahme der Expression von vesikulären Transportern weniger toleriert wird als eine Abnahme des ACh-synthetischen Enzyms Cholin-Acetyltransferase, das häufig zur Messung cholinerger Defizite bei Alzheimer verwendet wird.
Auf der Seite der Grundlagenforschung zeigt die Arbeit einen weiteren Ort der Regulierung der Neurotransmission auf, und zwar auf der präsynaptischen Ebene der ACh-Beladung in Vesikeln. Dieser Punkt wird in einer begleitenden Vorschau von Thomas Hnasko und Robert Edwards von der University of California, San Francisco, untersucht.
In der zweiten Arbeit werden die pathologischen Auswirkungen von α-Synuclein mit einem Zuviel an Neurotransmittern in Verbindung gebracht und nicht mit einem Zuwenig. In diesem Fall handelt es sich bei dem Neurotransmitter um Dopamin, das oxidative Schäden verursachen kann, wenn es sich im Zytosol anreichert. Unter normalen Bedingungen macht das zytosolische Dopamin nur einen kleinen Teil des gesamten zellulären Dopamins aus, das zum größten Teil in Vesikeln gespeichert ist. Um nur den zytosolischen Pool zu messen, verwendete der Erstautor Eugene Mosharov die intrazelluläre Patch-Elektrochemie. Er stellte fest, dass das zytosolische Dopamin in PC12-Zellen unterhalb der Nachweisgrenze dieser Technik liegt, dass aber die Behandlung der Zellen mit L-DOPA nachweisbare Signale erzeugt. Die Behandlung von PC12-Zellen, die Wildtyp oder mutiertes α-Synuclein (A30P oder A53T) überexprimierten, führte zu einem stärkeren Anstieg des zytosolischen Dopamins als Zellen ohne diese Proteine, wobei die Mutanten den größten Effekt hatten. Um sicherzugehen, dass das Ergebnis nicht auf L-DOPA-behandelte Zellen beschränkt war, untersuchten die Forscher chromaffine Nebennierenzellen von Mäusen, die einen nachweisbaren Grundgehalt an zytosolischem Dopamin aufwiesen. Sie fanden heraus, dass Zellen von transgenen Mäusen, die die α-Synuclein A30P-Mutante (aber nicht Wildtyp-α-Synuclein) exprimieren, einen zweifachen Anstieg der zytosolischen Dopamin-Konzentration aufwiesen.
Was könnte der Grund für diesen Anstieg sein? Die Forscher überprüften die Konzentrationen von Schlüsselproteinen, die am Katecholamin-Stoffwechsel beteiligt sind, aber keine der Veränderungen erklärte die Auswirkungen. Ausgehend von früheren Beobachtungen, dass α-Synuclein die Vesikeldurchlässigkeit erhöhen kann, untersuchten sie die Wirkung des Proteins auf isolierte Chromaffin-Granula. Die Behandlung der Vesikel mit gereinigtem α-Synuclein, entweder als Mutante oder als Wildtyp, führte zu einem Protonenaustritt aus den Vesikeln. Es ist zu erwarten, dass der Zusammenbruch des Proteingradienten an der Vesikelmembran die Aufnahme von Dopamin in die Vesikel verringert. In Übereinstimmung mit den Auswirkungen auf das zytosolische Dopamin in den Zellen hatten die mutierten Proteine eine stärkere Wirkung auf die Vesikeldurchlässigkeit als der Wildtyp.
Wenn Synuclein ein Dopamin-Leck in den Zellen verursacht, könnte dies die selektive Toxizität des Proteins für dopaminerge Neuronen erklären. Ein Anstieg des Dopamins in den Zellen führt zu oxidativem Stress, eine Eigenschaft, die andere Neurotransmitter nicht haben, die durch Synuclein in anderen Arten von Neuronen freigesetzt werden könnten.-Pat McCaffrey