Fehérjemérnöki mutatvány segítheti az idegrendszer felépülését

Az idegrendszer működésében alapvető szerepet játszanak az idegsejtek közötti kapcsolatok, vagyis a szinapszisok. A szinapszisok elvesztése egy sor kóros állapotban jellemző, és feltehető, hogy ezek helyreállítása sokat segíthetne akár a felépülésben is. Egy japán kutatócsoport sikeresen tervezett meg és állított elő egy olyan fehérjét, amely képesnek tűnik a szinapszisok újraképzésének támogatására.

A szinapszisok szerepe az idegrendszer működésében

Az agykutatók legjobb tudása szerint az idegrendszer működése azon alapul, hogy az idegsejtek két állapot között tudnak váltani. Ezt a két állapotot a sejtek membránpotenciáljával írhatjuk le, a nyugalmi és az akciós potenciállal. Amikor például egy érzékelő idegsejt kapcsolatba kerül a megfelelő stimulussal, a nyugalmi potenciál néhány pillanatra átadja a helyét az akciós potenciálnak, ami aztán a membránon vándorolva további sejtekre adódhat, hogy mondjuk tudatos élmény alakulhasson ki, vagy egyszerűen elrántsuk egy végtagunkat.

Az akciós potenciál sejtről sejtre történő ugrálását speciális struktúrák, a szinapszisok teszik lehetővé. A szinapszisoknak alapvetően két fajtája van, azonban az emlős idegrendszerben a kémiai szinapszisok dominálnak, amiknél a sejtmembrán potenciálváltozását kémiai vegyületek, ingerületátvivők adják tovább. A kémiai szinapszis lényegében két idegsejt membránja közti kapcsolat: a preszinaptikus és a posztszinaptikus idegsejt membránjából, illetve a köztük lévő résből áll (~ 20 nm). A preszinaptikus membrán bocsájtja ki az ingerületátvivő anyagot, ami a szinaptikus résen áthaladva a posztszinaptikus sejt membránjában lévő receptorokhoz köt, így idézi elő a potenciálváltozást az idegsejt membránján.

Mivel az emlősök idegrendszerében szinte minden idegsejt szinapszisokon keresztül kommunikál a többivel, ezért a szinapszisok működési zavarai az idegrendszer bármilyen funkciójára hatással lehetnek: ha épp a hippokampusz szinapszisai mondják fel a szolgálatot, könnyen tapasztalhatunk emlékezeti problémákat, míg talán fokozott impulzivitást várhatnánk, ha a prefrontális kéregben történik ilyesmi. A szinapszisok akár fejlődési rendellenesség, neurodegeneratív betegség, esetleg sérülés következtében is károsodhatnak, és elképzelhető, hogy ezeken a kóros állapotokon segíteni lehetne a szinapszisok létrehozása, a szinaptogenezis serkentésével. Ezt a nehéz feladatot egy japán kutatócsoport egy mesterséges fehérje segítségével próbálta megoldani, bíztató eredménnyel.

Mesterséges fehérje fokozza a szinaptogenezist

A szinapszisok molekuláris összetétele meglehetősen bonyolult. A szinapszis két oldalán lévő membránokban több tucat különböző fehérje található, ráadásul a szinaptikus résben egy sor szabadon úszó molekula és az extracelluláris mátrix alkotói is jelen vannak. A neuronális pentraxin (NP1) például egy szabadon úszó fehérje, ami glutamát receptorokhoz képes kötődni és segíti a posztszinaptikus végződés kialakulásának folyamatát. A cerebellin (CBLN1) nevű fehérje a preszinaptikus membránokra jellemző neurexin nevű molekulához képes kötődni és serkenti a preszinaptikus terminál létrejöttét.

A japán kutatók ezekre az ismeretekre építve úgy gondolták, hogy ha sikerülne a két fehérje megfelelő régióit egy új, mesterséges fehérjében egyesíteni, akkor olyan molekulát kapnának, amely mind a preszinaptikus, mind a posztszinaptikus terminál kialakítását serkenti, így remélhetőleg funkcionális szinapszisokat képezve. A kutatók a két fehérje szerkezetének feltárásával megállapították a két régió összekapcsolásának ideális pontját és ennek alapján hozták létre a gént, ami ezt a mesterséges fehérjét kódolja. A gént ezután HEK (humán embrionális vese, angolul „kidney”) 293 sejtekbe juttatták, melyek sejtkultúrában tenyésztett emberi embrionális vesesejtek. Ezeket egyébként a 70-es évek óta használják a biotechnológiában, mivel könnyen tenyészthetők és könnyen beépül az örökítőanyagukba kívülről bevitt DNS-szakasz. A sejtek ezek után nagy mennyiségben állították elő a mesterséges fehérjét, ennek kinyerésével és tisztításával a kutatók letesztelhették alapfeltevéseiket. A cerebellin és pentraxin szavakból képzett CPTX névre keresztelt fehérje képes volt mind a posztszinaptikus glutamát receptorok, mind a preszinaptikus neurexinek kötésére.

A CPTX egyszerűsített vázlata (Forrás: Salinas, 2020 – Science).

A kutatók ezután élő állatokban is letesztelték a fehérje hatásait. Először egészséges állatok hippokampuszába injektálták a mesterséges fehérjét, majd megfigyelték, hogyan változik a szinapszisok száma. Azt találták, hogy három nappal a beadást követően a kezelt állatok hippokampuszában jelentősen megnőtt a szinapszisok száma a kezeletlen állatokéhoz képest. Ezt úgy állapították meg a kutatók, hogy a szinapszisok különféle jellegzetes alkotóit festették meg szövettani metszeteken. Ezek után egy mutáns egértörzs került fókuszba, mely éppen a cerebellin és egy másik gén működésképtelen változatát hordozza, ami miatt az állatok kisagyában jelentősen lecsökken a működőképes szinapszisok száma, az állat pedig mozgáskoordinációs zavart, ataxiát mutat. A CPTX kisagyba fecskendezése ezeknél az állatoknál mindhárom ponton javulást hozott. A szövettani elemzések szerint megnőtt a szinapszisok száma a kisagyban, az elektrofiziológiai mérések szerint a szinapszisok működése javult, a forgó rúd teszt szerint pedig az állatok mozgáskoordinációja is jobb lett.

A forgó-rúd teszt és a labirintus teszt

A forgó rúd teszt lényege, hogy a kísérleti állatokat egy rúdra helyezik, amit változó irányba és változó sebességgel is forgathatnak. Minél jobb az állat mozgáskoordinációja, annál tovább képes a rúdon maradni.

A rágcsálók emlékezeti képességeinek egyik klasszikus vizsgálati módszere a labirintus. Az útvesztő egyik pontján táplálékot helyeznek el, és mérik az időt, amíg az éhes állat megtalálja azt. Az ismételt próbák során az egészséges állatok egyre gyorsabban jutnak el a táplálékhoz.

Forrás: Suzuki et al., 2020 – Science

A kutatók ezek után egy olyan egértörzsön is megfigyelték a CPTX hatását, amelyik az Alzheimer-kór korán kezdődő válfajának modellje. Ezek az állatok több olyan gént is kifejeznek, melyek az Alzheimer-kórhoz köthető mutációkat hordoznak és már 15-18 hónapos korukban kórosan lecsökken a hippokampális szinapszisok mennyisége, megváltoznak a hippokampusz elektrofiziológiai sajátosságai és leromlik az emlékezetük is. A mutáns állatok egy csoportjának hippokampuszába a kutatók CPTX-et fecskendeztek, és ezek közel normális értéket értek el minden vizsgálati ponton, vagyis normális mennyiségű szinapszist találtak a hippokampusz szövettani metszeteiben, normális elektrofiziológiai méréseket készítettek az élő állatokban és az állatok a labirintus teszten is jól teljesítettek. A kutatók végül a gerincvelő sérülés egérmodelljénél is megvizsgálták a CPTX hatékonyságát. Az egerek gerincvelejét a törzsi szakaszon félig átmetszették, majd CPTX-et fecskendeztek a sértés helyére. A CPTX-szel kezelt állatoknál a beavatkozás utáni regeneráció mértéke jóval nagyobb volt az idegrendszerben, mint a nem kezelt állatok esetében, ahogy azt a szövettani, elektrofiziológiai és viselkedéses tesztek mutatták.

A CPTX az ataxia, az Alzheimer-kór és a gerincvelő sérülés modelljeinél is jelentős állapotjavulást okozott (Forrás: Suzuki et al., Science – 2020).

Ezek alapján azt mondhatjuk, hogy a CPTX hatékonynak bizonyult a szinapszisok számának növelésében élő állatokban, ami több ártalmas állapotban is jelentős javulást okozott az idegrendszer működésében. Érdekes módon azonban a kisagy esetében ez a javulás csak néhány napon át tartott, míg a gerincvelőnél a megfigyelés teljes időtartama alatt fennállt (több hét). Ahhoz tehát, hogy a CPTX használható legyen a klinikumban is, még sok vele kapcsolatos kérdést kell megválaszolni a kutatóknak. Egy fontos korlát az is, hogy a kísérletek során használt beadási módszer nagyon kártékony lehet, hiszen fel kell nyitni a testet és be kell hatolni a központi idegrendszerbe a fecskendővel. Sajnos a molekula mérete miatt nem lehet a vérbe adva abban bízni, hogy átjut a vér-agy gáton, viszont vannak már törekvések arra, hogy az ilyen méretű molekulákat a véren keresztül juttassák az agyba. A CPTX talán a nem túl távoli jövőben tehát akár a vérbe adva is bejuthat a központi idegrendszerbe, hogy helyreállítsa az elveszett kapcsolatokat.

Ez a cikkem az Élet és Tudomány 2020/38. számában jelent meg.

Források:

https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1052

https://science.sciencemag.org/content/369/6507/eabb4853