„Boltívek” szabályozzák az idegsejtnyúlványok növekedésének ütemét

Manapság kevesen szállnának vitába azzal az állítással, hogy az agy a legösszetettebb fizikai rendszer, amiről az emberiségnek tudomása van. Ez a bámulatos komplexitás lényegében az egyedfejlődés korai szakaszában jön létre, amikor az újonnan keletkezett idegsejtek apró gömböcökből dúsan elágazó, amorf alakot öltenek. A nyúlványoknak persze a megfelelő helyre kell érniük, különben az idegi működések zavart szenvedhetnek. A nyúlványok növekedésének egyedfejlődés alatti szabályozása izgalmas kutatási téma, aminek komoly gyakorlati jelentősége is van: az idegrendszer sérülését követő regeneráció feltehetőleg hasonló molekuláris mechanizmusok révén megy végbe, ezek feltárása tehát hozzásegítheti az orvostudományt a hírhedten rosszul gyógyuló idegsérülések kimenetelének javításához is.

Hogyan jönnek létre az idegsejtek nyúlványai?

Az idegsejteket először a XIX. században tudták alaposan szemügyre venni az erre vállalkozó szakemberek, ekkorra ugyanis a mikroszkópia közel 200 éves fejlődése lehetővé tette a az átlagosan kb. 1 µm vastagságú idegsejtnyúlványok elkülönítését is. Ebben nagyon fontos szerepe volt a szövettani festési eljárások megjelenésének: Otto von Deiters a lengyel bíborpajzstetűből (Porphyrophora polonica) nyert kármin festékkel kezelt metszeteken különböztette meg elsőként az idegsejtek hosszú, egyenes nyúlványát (axon) és rövid, elágazó nyúlványait (dendritek). A dendritek általában más idegsejtek axonjait fogadják, az axonok pedig más idegsejtek felé közvetítik az adott idegsejttől származó jelet. Az axonok tehát többnyire a sejttestből az idegrendszer egy másik pontjára nyúlnak át, hogy ott egy másik sejt dendritfájával képezzenek kapcsolatot.

Az axonok fejlődésének lépéseit sejtkultúrákban lehet a legalaposabban végigkövetni. A 90-es évek óta erre a hippokampuszból nyert sejteket használnak. A fiatal idegsejtek a petricsészébe kerülés idején még gömb alakúak, azonban hamarosan kezdetleges nyúlványok alakulnak ki rajtuk. Ezek a nyúlványok eleinte növekednek és visszahúzódnak, majd kb. 2 nap elteltével az egyik nyúlvány intenzív növekedésbe kezd. Ez a nyúlvány lesz az idegsejt axonja, így ezt a folyamatot, amelynek során kiválasztódik a kezdetleges nyúlványok közül, axon specifikációnak nevezzük. A többi nyúlvány dendritté fejlődik, az axon hegyén pedig kialakul a növekedési kúp, ami irányítja az axon megnyúlását. Egy normális szervezetben ezek a folyamatok kuszábbak, az agy különböző pontjai különböző időben zajlanak, de például az axon specifikációt könnyen meg lehet figyelni 14-15 napos egérembriók agykérgében és hippokampuszában is.

Talán nem meglepő, hogy az idegsejtek sajátos formáját komoly belső struktúra adja és tulajdonképpen ezen szerkezet szabályozott átrendeződése, kibővülése áll a nyúlványok növekedésének hátterében is. A nyúlványok szerkezetét mikrotubulusok és neurofilamentumok adják, melyek kb. 25 nm, illetve 10 nm átmérőjűek. Az axonok növekedését vezénylő növekedési kúpban mikrotubulusokat és aktin szálakat (d ~ 7 nm) találunk (egyébként a sejttest szerkezetét is ezek adják). Ismert volt, hogy egy bizonyos fehérje, a RhoA fokozott kifejeződése jelentősen visszaveti az axonok növekedését, egy német kutatócsoport pedig azt igyekezett feltárni, hogy pontosan milyen mechanizmus révén veszi ki a szerepét a RhoA az axonok növekedésének szabályozásában.

ncytosk
(a) Az idegsejtek sejtvázát mikrotubulusok (zöld), neurofilamentumok (kék) és aktinszálak (piros) alkotják. (b) egy növekedési kúp mikroszkópos képe (méretarány: 20 µm). (c) az axon egy szakasza mikrotubulusokkal és neurofilamentumokkal. (e) mikrotbulus. (f) neurofilamentum. (g) aktin (Forrás: nature.com).

A RhoA az axon megnyúlásának sebességét szabályozza

A kutatók úgy döntöttek, hogy megfigyelik a RhoA kiütésének hatását egérembriókban. Először a fogantatást követően 13 és fél nappal elaltatták az anyaállatokat és felnyitották a méhüket. Az embriók agyának oldalkamráiba olyan DNS szakaszokat juttattak elektroporáció révén, melyek a génmanipulált állatokban a RhoA enzimet kódoló DNS szakasz kitörlődését okozták (az elektroporáció során lényegében a sejtek membránjának átjárhatóságát növelik elektromágneses tér segítségével, így akár a DNS vagy más makromolekulák is bejuthatnak a sejtekbe). A kísérleti állatokban (RhoA KO egérembriók) tehát a 13. embrionális naptól fogva nem fejeződött ki a RhoA. Az állatokat két nappal később feláldozták, és megfigyelték az agykéreg és a hippokampusz idegsejtjeinek fejlődési állapotát. Azt találták, hogy ez a normális egerekétől nem tér el lényegesen: az idegsejtekben normálisan lezajlott az axon specifikáció és megindult a kitüntetett nyúlvány növekedése. Ezek szerint tehát a RhoA nem játszik fontos szerepet az axon specifikációban, így a kutatók figyelme az axon növekedésére terelődött. A kutatók több fejlődési stádiumban is megvizsgálták a RhoA KO egérembriókban található axonok hosszát, és arra jutottak, hogy ezek jelentősen hosszabbak, mint a normális, vagyis vad típusú egérembriók esetében. Ez arra utal, hogy a RhoA szerepe az axonok megnyúlásában lehet, pontosabban a megnyúlás mértékét szabályozza.

Az világos, hogy az axonok megnyúlásához a növekedési kúp előrehaladása, a citoszkeleton kiépülése szükséges, de vajon hogyan lép interakcióba a RhoA a citoszkeletonnal? A kutatók sejtkultúrákat hoztak létre, melyekben szintén nem működött a RhoA génje, vagyis nem fejeződött ki az enzim, és így gyorsabban növekedtek az axonok. A RhoA ismert interakciói alapján már volt néhány gyanúsított közreműködő, a kutatók pedig megvizsgálták, hogy mekkora mennyiség található a sejtekben ezeknek a fehérjéknek az aktív (foszforilált) formájából. Az eredmények szerint a miozin II foszforilált formájának mennyisége jelentősen lecsökkent a sejtkultúrában. A miozin II-ről tudták, hogy részt vesz az aktinszálakból álló hálózat átrendezésében, ezért a kutatók megvizsgálták a fehérje közvetlen manipulálásának hatásait is. A miozin II blebbistatinnal való gátlása, illetve egy állandóan aktív forma kifejeztetése a RhoA kiütéséhez hasonlóan fokozta az axonok növekedését, illetve ellensúlyozta a RhoA kiütésének hatását.

A kutatók végül szuperfelbontású mikroszkópiával vizsgálták a RhoA KO vagy blebbistatinnal kezelt idegsejtek növekedési kúpjait, és arra figyeltek fel, hogy ezekben nem jelennek meg az ún. aktinívek. Ezek jelen vannak a normális növekedési kúpokban és feltehetőleg a mikrotubulusok előrenyúlását szabályozzák, hiszen úgy tűnik, hogy hiányukban jóval gyorsabban növekednek az axonok. Összességében tehát a RhoA a miozin II foszforilálása (aktiválása) révén hat az aktinből álló hálózat szerkezetére, konkrétan megakadályozza a növekedési kúpban az aktinív kialakulását, ami fokozza a nyúlvány növekedésének sebességét.

sum
Az új eredmények szerint a RhoA (néhány köztes elemen keresztül) befolyásolja a miozin II aktivitását, aminek alapvető szerepe van a növekedési kúpban lévő aktinív kialakulásában és így az axon növekedésének szabályozásában. A RhoA hiányában az aktinív sem alakul ki és az axon zabolátlanul növekedik (Forrás: Dupraz és mtsai., 2019 – Current Biology).

Ebből a kutatásból nem derült ki, hogy a RhoA kiütése milyen hatással lehet a kísérleti állatok egészségére, viselkedésére. Feltehetőleg az aktinív kialakulása és az axon növekedésének korlátozása fontos az idegrendszer normális fejlődése szempontjából és ezen folyamatok befolyásolása az egyedfejlődés során csak káros következményekkel járna. Fontos azonban megemlíteni, hogy az axonok növekedése az idegrendszert ért sérülések utáni regenerációnak is központi jelentőségű folyamata, ami sajnos a központi idegrendszerben alig megy végbe, és a környéki idegrendszerben sem megfelelően hatékony ahhoz, hogy a komolyabb sérülések után lehetséges legyen a felépülés. Amennyiben a RhoA befolyásolásával felgyorsítható lenne az axonok regenerációja, az jelentősen megnövelné a felépülés valószínűségét a legtöbb olyan sérülés esetén, amely a sejtnyúlványok átmetsződésével jár. Talán már erre a problémára sincs olyan messze a megoldás.

Ez a cikkem az Élet és Tudomány 2020/7. számában jelent meg.

Források:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S096098221931231X

https://www.nature.com/articles/s41583-019-0249-7

https://dev.biologists.org/content/142/12/2088