Membránpotenciál-változástól a génkifejeződésig

Az idegrendszer működése a benne lévő idegsejtek által létrehozott elektromos jeleken, a membránpotenciál megváltozásain múlik. Ahhoz, hogy az idegsejtek ilyen jeleket legyenek képesek produkálni, egy sor speciális fehérjét kell kifejezniük, ahhoz pedig, hogy a jelek terjedésében bekövetkezzenek azok a változások, amiket elengedhetetlennek tartunk a tanuláshoz, az idegsejt fehérje összetételének, vagyis végső soron a génkifejeződésének kell megváltoznia, a sejten kialakult potenciálváltozások függvényében. Egy új kutatás ezen folyamat részleteit feszegette.

A sejtek működése

Az utóbbi 150 évben elképesztő mennyiségű új eredmény látott napvilágot a sejtek működésével kapcsolatban, így manapság már úgy vélhetjük, hogy átlátjuk működésük legfontosabb törvényszerűségeit. Tudjuk, hogy a sejt összes funkcióját fehérjék látják el, a fehérjék előállítására vonatkozó információ (gének) pedig a sejtmagban lévő DNS-ben raktározódik. Az emberi sejtek magjában például 6 és fél milliárd bázispár összhosszúságú DNS található, ami több mint 20 000 gént kódol. A DNS bázissorrendjében tárolt információ a génkifejeződés bámulatos folyamata révén alakul a fizikai világ befolyásolására alkalmas formába: a DNS bázissorrendje egy mRNS molekulába íródik át a sejtmagban, majd kikerül a sejttestbe, és itt egy riboszómához köt. A bázishármasoknak megfelelő tRNS a rajta lévő aminosavat beilleszti a riboszómán növekedő láncba, és így létrejön egy aminosavlánc. A lánc hamarosan feltekeredik, kialakul a tényleges fehérje, ami térszerkezetéből adódóan különféle feladatok ellátására képes.

genexp
A génkifejeződés legfontosabb lépései az átírás, vagy transzkripció, és a fordítás, vagy transzláció (Forrás: Alzforum, Jessica Shugart).

A sejtben zajló összes folyamatot fehérjék kivitelezik. Érdekes azonban, hogy szervezetünk sejtjei rendkívül különböző feladatok elvégzésére specializálódtak, mégis mindegyikben ugyanaz a genetikai információ van jelen. Ezt a látszólagos ellentmondást az a tény oldja fel, hogy a gének kifejeződése egy precízen szabályozott folyamat: különböző fehérjék fejeződnek ki például egy májsejtben és egy idegsejtben, ez teszi lehetővé, hogy az egyik elektromos jeleket közvetítsen az idegrendszerben, a másik pedig a megszerzett tápanyagokat raktározza. A génkifejeződés szabályozását is fehérjék végzik (transzkripciós faktorok), méghozzá úgy, hogy a DNS bizonyos szakaszaihoz kötve akadályozzák, vagy éppen fokozzák bizonyos gének átírását. Az emberi DNS kb. 8%-át teszik ki a szabályozásban szerepet játszó szakaszok, míg a géneket mindössze 2% DNS kódolja.

Az idegrendszer működése

signprop
Az idegrendszerben elektromos jelek terjednek egyik idegsejtről a másikra, ezek az izmokhoz jutva például azok összehúzódását váltják ki (Forrás: khanacademy.org).

Az idegrendszer működésének alapjai is tisztázottak: az idegsejtek belsejében és környezetükben eltérő az ionösszetétel, így a membránjukban lévő ioncsatornák kinyílásakor ionáramok keletkeznek, megváltozik az ionok eloszlása, és ez a változás tovaterjed a sejt membránján, illetve a szinapszisokban ingerületátvivők segítségével átterjed a soron következő idegsejtre is. Ezek az elektromos jelek az idegrendszer egyik pontjáról a másikra terjednek és így létrehozzák az idegrendszer működéséhez köthető jelenségeket, mint például a mozgást, vagy az érzékelést. Az elektromos jelek terjedése viszont végső soron azon múlik, hogy az adott idegsejt membránjában milyen fehérjék (ioncsatornák) találhatók, illetve például azon, hogy az általa felszabadított neurotranszmitter előállításában résztvevő fehérjékből (enzimekből) mennyi van a sejtben, tehát végső soron ezt is a génkifejeződés határozza meg.

A tanulás esetében feltehető, hogy a membránpotenciál megváltozásaitól függő módon kell befolyásolni a génexpressziót, hogy az tartósan befolyásolhassa a membránpotenciál felvehető értékeit, vagyis a sejt ingerelhetőbbé, vagy éppen nehezebben ingerelhetővé váljon. Képzeljük el, hogy az adott idegrendszer tulajdonosa éppen egy fontos eseményen megy keresztül, például megtanul egy hangingert egy veszélyforráshoz kötni. Ebben az esetben valószínűleg megerősödik a hanginger és a veszélyforrás neurális leképezéséért felelős idegsejtcsoportok közötti kapcsolat, vagyis bizonyos idegsejtkapcsolatokba például újabb receptorok kerülnek, hogy nagyobb eséllyel váltsa ki a veszélyforrást leképező sejtek tüzelését a hangingert leképező sejtek transzmitterének felszabadulása. Egy új kísérletsorozat egy olyan folyamat részleteit tárta fel, ami ennek a jelenségnek a hátterében állhat, vagyis az idegsejtek membránpotenciál-változásainak függvényében képes befolyásolni a génexpressziót.

Új eredmények

hpcpyr
Egy emberi hippokampális piramissejt: 1 – sejttest; 2 – bazális dendrit; 3 – apikális dendrit; 4 – axon; 5 – axon kollaterális (Forrás: wikipedia.org).

Egy amerikai kutatócsoport a NPAS4 nevű fehérje kifejeződését vizsgálta idegsejtekben, mivel ismert volt, hogy ez egy transzkripciós faktor, aminek a kifejeződése az adott idegsejt aktivitásától függ. A kutatók a hippokampusz piramidális sejtjeit ingerelték, majd immunfestés segítségével mérték fel a NPAS4 mennyiségét a sejtekben. Az ingerlés paramétereit úgy állították be, hogy egyes esetekben aktiválja az idegsejteket, vagyis akciós potenciál kialakulásához vezessen, míg más esetekben csak a membránpotenciál lecsökkenését okozza. Az immunfestést is különböző időtartamok elteltével végezték el a metszeteken, így megfigyelhették hogyan alakul az NPAS4 kifejeződése a piramissejtek ingerlésének hatására. A kutatók azt tapasztalták, hogy az akciós potenciálhoz vezető ingerlés hatására 15 perccel az ingerlést követően volt kimutatható mennyiségű NPAS4 a piramissejtek dendritjeiben, és 90 perccel az ingerlést követően tetőzött a fehérje mennyisége, ami ekkorra már a sejtmagba is bekerült. A membránpotenciált csak kisebb mértékben lecsökkentő ingerlés hatására már 3 perccel az ingerlés után kimutatható volt a NPAS4 a dendritekben és 5 perc elteltével tetőzött a mennyisége, később pedig szintén a sejtmagba került. Érdekes módon csak az akciós potenciálokat okozó ingerlés esetében lehetett megakadályozni a NPAS4 megjelenését a transzkripciót gátló aktinomicin segítségével, ami azt jelenti, hogy ebben az esetben a fehérje génjének átíródása is szükséges, míg a másik esetben feltehetőleg a dendritekben lévő mRNS-ekről szintetizálódik az NPAS4, ami összhangban van a megjelenésének gyorsaságával is.

A NPAS4 transzkripció faktor lévén a génexpressziót szabályozza, ám ehhez az Arnt fehérjecsalád egyik tagjával kell összeállnia, dimerizálódnia. A kutatók egy molekuláris biológiai eljárás (Western-blot) révén mutatták ki, hogy a NPAS4 más-más Arnt fehérjével dimerizálódik amennyiben akciós potenciál vagy membránpotenciál csökkenés váltja ki kifejeződését. Ennek a ténynek ismeretében vált érdekessé a kérdés, hogy vajon ezek a különbző dimerek, különböző gének kifejeződésére hatnak-e. A kutatók egy olyan eljárást alkalmaztak ennek kiderítésére, melynek első lépésében a DNS-hez kötődő fehérjéket rögzítik a nukleinsavhoz, majd a nukleinsavat darabokra törik és különböző fehérjékkel borított részeket elválasztják egymástól. Végül az adott fehérjéhez kötődő DNS szakaszt felszabadítják és megszekvenálják, így kiderül, hogy az adott fehérje a genom melyik részéhez köt. Azt találták, hogy az akciós potenciálok hatására kialakuló dimerek olyan gének kifejeződését szabályozó régiókhoz kötődnek, amelyek a sejt önfenntartó működéseiben fontosak. A membránpotenciált ksiebb mértékben megváltoztató ingerlés hatására kialakuló dimerek azonban olyan gének kifejeződését szabályozó szakaszokhoz kötnek, amelyek a szinaptikus jelátvitelt befolyásoló fehérjéket kódolnak, vagyis a szinaptikus plaszticitás szolgálatában állnak.

A kutatók azt találták, hogy amennyiben a kísérleti állataikat új környezetbe helyezik, azok hippokampális piramissejtjeiben megjelenik mindkét típusú NPAS4 dimer, vagyis intenzív tanulást igénylő helyzetben mindkét most feltárt folyamat végbemegy a hippokampuszban: a membránpotenciál változásai kihatnak a génexpresszióra, ez pedig feltehetőleg meghatározza a membránpotenciál későbbi változásainak mértékét. Az eredmény jól példázza, hogy az idegrendszer összetettsége nem csak a benne lévő idegsejthálózatok kusza kapcsolatrendszerének eredménye, a hálózatokat alkotó sejtek maguk is bonyolult rendszerek.

Ez a cikkem az Élet és Tudomány 2020/1. számában jelent meg.

Források:

https://www.nature.com/articles/s41583-019-0241-2

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867419310104