Retrográd jelátvitel a fejlődő agy szinapszisaiban

A kifejlett agy megfelelő működésének alapvető feltétele a serkentés és gátlás egyensúlya (Eichler és Meier, 2008). Ugyanez különösen igaz a fejlődő agyra, ahol egyrészt a dinamikusan változó, átépülő hálózat eleve jobban ki van téve a kóros túlserkentettség káros hatásainak, másrészt pedig a GABAerg jelátvitel későbbi általános gátló működésével szembeni depolarizáló hatásával éppen fokozza a rendszer aktivitását (Turrigiano, 2011; Chapman és mtsai 2012). Ezek alapján az sem véletlen, hogy a kóros serkentettségi állapotok az újszülöttek leggyakoribb neurológiai eltérései közé tartoznak (Kirmse és mtsai 2011). Szükségszerű tehát, hogy a posztnatális fejlődés során – érett és robosztusan működő gátló-hálózat hiányában – jelen legyenek olyan mechanizmusok és szabályozórendszerek, melyek lehetővé teszik a kóros túlserkentettség állapotának elkerülését. Bár a GABAerg jelátvitel képes söntölésen keresztül valamekkora gátlásra (a GABAA-receptorok egyensúlyi potenciálja az akciós-potenciál küszöbének közelében van, ezért egy erősen depolarizált állapotban levő sejtet még a fejlődés alatt is hiperpolarizáció irányába fog hajtani a rá érkező GABAerg bemenet; Banke és McBain, 2006), ez önmagában nem elegendő.

A retrográd szinaptikus jelátviteli rendszerek általános tulajdonsága, hogy a posztszinaptikus oldal állapotának függvényében befolyásolják a preszinaptikus végkészülék működését, azaz kimondottan alkalmasak egy szinaptikus negatív-visszacsatolás megvalósítására (Zilberter és mtsai 2005). Mivel a fejlődő agy spontán

91

szinkron aktivitását elsősorban a szinaptikus jelátvitel hozza létre, felmerül ezen szinapszisok számos különböző módon történő szabályozásának lehetősége. Eddig több jelátviteli rendszer került már leírásra, melyek a posztnatális fejlődés során a preszinaptikus jelátvitelt befolyásolva szabályozzák a spontán aktivitást. Bár nem retrográd jelátvitel, meg kell említeni a GABAerg preszinaptikus végkészülékeken elhelyezkedő GABAB-receptorok aktivációját, mely képes befolyásolni a szinkron aktivitás előfordulását (McLean és mtsai 1996). Jól ismert retrográd útvonal az endokannabinoid rendszer, melyről kimutatták, hogy aktivációja csökkentette a szinkron események előfordulását in vivo a fejlődő agyban (Bernard és mtsai 2005), továbbá azt is igazolták, hogy a GABAerg depolarizáció képes beindítani ezt a retrográd jelátviteli útvonalat (Urbanski és mtsai 2009). Csoportunknak sikerült igazolni a retrográd nitrogén-monoxid jelátviteli útvonal jelenlétét a posztnatális fejlődés során, mely eredményeinket a 22. ábra foglalja össze.

Kimutattuk, hogy a retrográd NO-jelátviteli útvonal molekuláris elemei jelen vannak a fejlődő hippokampusz GABAerg és glutamáterg szinapszisaiban is.

Bizonyítottuk, hogy ez a molekuláris útvonal működőképes, mivel NO-donor hatására preszinaptikus cGMP termelődés volt megfigyelhető. Igazoltuk, hogy a retrográd NO-rendszer csökkenti mind a GABAerg, mind pedig a glutamáterg szinaptikus transzmissziót, illetve ezen jelátviteli rendszer stimulálása erőteljesen csökkenti, gátlása pedig nagy mértékben megnöveli a spontán szinkron aktivitás eseményeinek számát.

Eredményeink azt mutatják, hogy a szinaptikus retrográd nitrogén-monoxid jelátvitel már a posztnatális fejlődés során működő, általános szinaptikus visszacsatoló-rendszer, mely képes erőteljesen befolyásolni a szinaptikus jelátvitelt, ezen keresztül pedig a spontán szinkron aktivitás alapvető szabályozója.

Mivel az NO szabadon jut át az idegsejtek membránján, ezért az eredeti elgondolások szerint szabályozó hatását akár több száz mikrométerre eldiffundálva, úgynevezett térfogati-jelátvitel során fejti ki. Újabban azonban igazolást nyert, hogy in vivo az NO-koncentráció élettani tartománya4-5 nagyságrenddel kisebb a korábbi elképzelésekben szereplőnél (Hall és Garthwaite, 2009; Wood és mtsai 2011).

Az élettani tartomány – mely a pikomolostól alacsony nanomólos koncentrációkig terjed – feletti nitrogén-monoxid dózisok egyértelműen a kóros állapotokkal hozhatók összefüggésbe.Ezen folyamatok során képződhetnek

92

peroxinitritek, egyéb szabadgyökök, és megjelenik az S-nitroziláció, tirozin-nitráció, melyek különböző támadási pontokon keresztül neurotoxicitáshoz és neurodegenerációhoz vezetnek (Benarroch, 2011).

22. ábra. Az NO-rendszer molekuláris elemeinek elhelyez-kedése, a szinaptikus jelátvitelre és a szinkron hálózati aktivitásra kifejtett hatása A, A posztnatális fejlődés

során a GABAerg

szinapszisokban sikerült kimutatnunk posztszinap-tikusan az nNOS, pre-szinaptikusan pedig az NO-receptor jelenlétét. Igazol-tuk, hogy NO-val aktiválva ez a receptor képes ezekben a végkészülékekben cGMP-t cGMP-termelni. Továbbá a glutamáterg szinapszi-sokban is kimutattuk az nNOS posztszinaptikus jelenlétét. B, Az NO-rendszer képes mind a GABAerg, mind pedig a glutamáterg posztszinap-tikus áramokat csökkenteni. C, Az NO-rendszer képes szabályozni a posztnatális fejlődés során kiemelt szerepet játszó spontán szinkron aktivitást (SSA). Az NO-rendszer aktiválása csökkenti, gátlása pedig növeli az időegység alatti szinkron események számát.

93

Fény derült arra is, hogy az NO-jel csak 1-2 mikrométeres távolságban érzékelhető az egyébként kimondottan érzékeny NOsGC által (Namiki és mtsai 2005;

Iino és mtsai 2006, Hall és Garthwaite, 2009), továbbá, hogy a receptor deaktivációja is váratlanul gyors (Bellamy és mtsai 2000; Bellamy és Garthwaite, 2001). Ezek a tulajdonságok nemcsak egy gyors és hatékony, hanem szinapszis-specifikus információ-továbbításra képes jelátviteli rendszert festenek le. Felmerül a kérdés, hogy mi lehet a szerepe az nNOS-t kifejező interneuronokban diffúzan, nagy mennyiségben jelen levő NO-szintáznak, illetve az endothélből felszabaduló, idegsejteket elérő NO-nak?

Nyilvánvaló, hogy ezekből a forrásokból felszabaduló NO alkalmatlan a szinapszis-specifikus szabályozás megvalósítására. A két elgondolás – szinapszis-szinapszis-specifikus vs.

térfogati-jelátvitel – egységes elméletbe foglalását John Gartwaite írja le (Garthwaite, 2008). Az elgondolás szerint – melyet kísérletes adatok is alátámasztanak – az endotheliális forrásból és az interneuronokból származó, alacsony koncentrációjú, tónusos nitrogén-monoxid-szintre mintegy ráépül a rövid ideig tartó pulzusokban felszabaduló NO, mely kis területen – a végkészülékek mérettartományában – magasabb koncentrációt elérve képes kifejteni szinapszis-specifikus hatását. Ezen felül az interneuronokból felszabaduló, tónusos NO a neuro-vaszkuláris jelátvitelben is szerepet játszva közvetítheti az agyterület aktuális aktivitási szintjét, ezáltal ahhoz igazítva a helyi vérátáramlás mértékét (Garthwaite, 2008). A pontszerű forrásból felszabaduló NO hatástalanítása elsősorban szétdiffundálása, szövetben való kihigulása során történik meg, míg a tónusos nitrogén-monoxid lebontását egyéb mechanizmusok végzik, melyek között szerepelhet a vörösvérsejtekben és a piramissejtekben is jelenlévő hemoglobin is (Garthwaite, 2008; Schelshorn és mtsai 2009).

Kísérleteink során igazoltuk tehát, hogy a szinapszisokban jelen levő nitrogén-monoxid jelpálya fontos szabályozója mind a szinaptikus működésnek, mind pedig a fejlődő hippokampusz spontán szinkron aktivitásának is. A retrográd NO-jelátvitel azonban más, a fejlődés szempontjából kiemelt fontosságú folyamatban is szerepet játszhat. Az NO-cGMP-jelpálya fontos szerepet játszik az axonok növekedésének szabályozásában, illetve az axonális növekedési kúpok irányításában is (Schmidt és mtsai 2002; Welshhans és Rehder, 2005; Murray és mtsai 2009). Az új szinapszisok kialakulásában ugyancsak alapvető fontossággal bír ez a jelátviteli útvonal (Nikonenko

94

és mtsai 2008; Yoshihara és mtsai 2009). Vizsgálataink során a piramissejtek sejttestein és dendritjein is találtunk a szinapszisokon kívüli sejtmembránhoz társult nNOS-jelölést. Könnyen elképzelhető, hogy ezek a membránterületek leendő szinapszisok lennének, melyek nitrogén-monoxid felszabadításával irányítanák maguk felé a növekvő axonokat, majd hozzájárulnának – a pre- és posztszinaptikus oldal közötti jelátvitellel – a szinapszisok kialakulásához. Ezután ezek az újonnan létrejött szinapszisok egyből rendelkeznének is a saját aktivitásuk retrográd módon történő szabályozásához szükséges molekuláris jelátviteli útvonal elemeivel, mely NO rendszer felnőttkorban is megmarad – ahogyan azt a dolgozatban nem részletezett más munkáinkban korábban leírtuk (Szabadits és Cserép és mtsai 2007).