GLUTAMINSAV-GABA CSEREFOLYAMAT A KÖZPONTI IDEGRENDSZERBEN

Átírás

1 GLUTAMINSAV-GABA CSEREFOLYAMAT A KÖZPONTI IDEGRENDSZERBEN (Doktori Értekezés Tézisei) Héja László ELTE TTK, Kémia Doktori Iskola (Dr. Inzelt György, D.Sc.) Szintetikus Kémia, Anyagtudomány, Biomolekuláris Kémia Doktori Program (Dr. Horváth István Tamás, D.Sc.) Témavezető: Dr. Kardos Julianna, D.Sc. tudományos tanácsadó MTA, Kémiai Kutatóközpont Biomolekuláris Kémiai Intézet Neurokémiai Osztály 2007

2 I. Tudományos előzmények és célkitűzés A központi idegrendszer működésének folyamatos biztosításához nélkülözhetetlen a serkentő és gátló folyamatok finoman szabályozott egyensúlyának fenntartása. Ezen belül is kiemelt szerepet játszanak az agy fő serkentő (glutaminsav, Glu) és gátló (γ-aminovajsav, GABA) neurotranszmitterei. Az utóbbi tíz év kutatásai egyértelműen bizonyították, hogy a GABA és Glu rendszerek kölcsönösen képesek egymás működésének befolyásolására. A két ellentététes fiziológiai hatású rendszer közötti kölcsönhatás egyik kevéssé kutatott területe a neurotranszmitter transzporterek szerepe. Egészen az 1990-es évekig uralkodott az a nézet, miszerint a transzporterek feladata a jelátvitel lezárására és a transzmittereket tároló vezikulák újrafeltöltésére korlátozódik. Az utóbbi évtizedben azonban az is világossá vált, hogy a transzporterek a korábban feltételezettnél sokkal jelentősebb mértékben képesek a neurotranszmisszió befolyásolására. A jelátvitelt követően a Glu eltávolítása az extracelluláris térből kulcsfontosságú az idegrendszer működésének biztosítása szempontjából. Ezt a feladatot látják el a Glu transzporterek (EAAT), melyeknek jelenleg 5 altípusát ismerjük. A gliasejteken lokalizálódó EAAT1 és EAAT2 altípusok felelősek a Glu felvétel jelentős részéért a központi idegrendszerben. A GABA eltávolítását a szinaptikus résből a GABA transzporterek (GAT) végzik. A 4 ismert GABA altípus közül a GABA felvétel mintegy 90 százalékáért felelős GAT1 altípus a domináns, mely a preszinaptikus terminálisokon helyezkedik el. A kibocsátott GABA visszavételét és a neuronális GABA tárolókapacitás feltöltését, vagyis a transzporterek klasszikus feladatait szinte kizárólag ez az altípus végzi. A GAT1 dominanciájának és az ebből fakadó kiterjedtebb vizsgálatoknak köszönhetően a GAT1 funkciója és farmakológiája alaposan tanulmányozott terület. Jóval kevesebb ismerettel rendelkezünk azonban a gliasejteken elhelyezkedő GAT-2 és GAT-3 altípusok szerepéről. Munkám során arra a kérdésre kerestem választ, hogy az eddig kevéssé vizsgált gliális GAT-2 és GAT-3 transzporterek milyen szerepet töltenek be a központi idegrendszer jelátviteli folyamataiban. Meg kívántam vizsgálni annak a lehetőségét, hogy összefüggés áll fenn ezen transzporterek és a szintén a glián lokalizálódó Glu transzporterek működése között. Amennyiben ez az összefüggés létezik, célul tűztem ki a mögötte meghúzódó mechanizmus felderítését. 2

3 II. Felhasznált anyagok és módszerek A kutatási cél elérése érdekében az alábbi kísérleti módszereket alkalmaztam. 1. A gliális Glu és GABA transzportok között in vitro fennálló kapcsolat létét radioaktív nyomjelzéses technikával vizsgáltam [ 3 H]GABA felvételi kísérletekben különböző modellekben: a) patkány agykéregből preparált natív plazmamembránvezikulákban b) különböző humán agyterületekből preparált natív plazmamembránvezikulákban c) frissen izolált hippokampális patkány agyszeletben d) GAT-2 transzportert stabilan expresszáló HEK293 sejtvonalban. 2. A gliális Glu és GABA transzportok között in vivo fennálló kapcsolat létét mikrodialízis technikával határoztam meg patkány hippokampuszban. 3. A Glu által kiváltott GABA felszabadulás mechanizmusát radioaktív nyomjelzéses technikával vizsgáltam [ 3 H]GABA kibocsátási kísérletekben frissen izolált hippokampális patkány agyszeletben. 4. A Glu és GABA transzport során bekövetkező intracelluláris Na + ion koncentráció változását mikrofluorimetriás módszerrel követtem akut hippokampális patkány agyszeletben. 3

4 III. Az új tudományos eredmények összefoglalása 1. A Glu felvétele az extracelluláris GABA koncentráció növekedéséhez vezet patkány és humán agykéregben és hippokampuszban in vitro és in vivo. 2. Az extracelluláris GABA szint növekedés bármely transzportábilis EAAT szubsztráttal kiváltható. 3. Az extracelluláris Glu-GABA cserefolyamat független a Glu és GABA receptoroktól, a fehérjeszintézistől, illetve a Glu-GABA metabolikus átalakulástól. 4. A Glu felvételt követő GABA felszabadulás a gliális GAT-2 és/vagy GAT-3 transzportereken keresztül történik. 5. A Glu felvétel és a GABA kibocsátás között az intracelluláris Na + ion koncentráció változása teremti meg az összefüggést. 4

5 IV. Az eredmények értékelése Az eredmények alapkutatás jellegűek, de reményeink szerint a megszerzett információk potenciálisan az alkalmazott kutatások területén is hasznosíthatóak. Az alapkutatás szempontjából az eredmény jelentősége, hogy közvetlen kapcsolatot teremt a központi idegrendszer fő gátló és serkentő ingerületátviteli folyamatai között egy korábban feltáratlan megatív visszacsatolási mechanizmus segítségével. Az alkalmazott kutatások, jelesül a gyógyszerfejlesztés szempontjából a leírt mechanizmus lehetőséget nyújthat új neuroprotektív stratégiák kialakítására a fokozott serkentéssel járó agyi rendellenességek (pl. epilepszia, ischémia) kezelésében, új célfehérjét vonva be az ezzel kapcsolatos kutatásokba. V. A tézisek alapjául szolgáló közlemények Héja L, Kovács I, Szárics É, Incze M, Temesváriné Major E, Dörnyei G, Peredy-Kajtár M, Gács-Baitz E, Szántay Cs, Kardos J. Novel secoergoline derivatives inhibit both GABA and glutamate uptake in rat brain homogenates: synthesis, in vitro pharmacology and modeling. J. Med. Chem. 47, , 2004 Héja L, Karacs K, Kardos J. Role for GABA and Glu plasma membrane transporters in the interplay of inhibitory and excitatory neurotransmission. Curr. Top. Med. Chem. 6, , 2006 Héja L, Barabás P, Nyitrai G, Kékesi AK, Lasztóczi B, Tőke O, Tárkányi G, Madsen K, Schousboe A, Palkovits M, Kardos J. Sodium symport trades glial GABA in for extracellular glutamate. Pros. Natl. Acad. Sci. USA közlésre benyújtva

6 Palló A, Bencsura Á, Héja L, Beke T, Perczel A, Kardos J, Simon Á. Human γ-aminobutyrate transporter: in silico prediction of substrate efficacy. Biochem. Biophys. Res. Comm. közlésre elfogadva, 2007 Simon Á, Bencsura Á, Palló A, Héja L, Kardos J. Emerging the role of the structure of brain membrane targets recognizing glutamate. Curr. Drug Disc. Tech. 5, VI. A dolgozat témájában megjelent további publikációk Kovács I, Lasztóczi B, Szárics É, Héja L, Sági G, Kardos J. Characterisation of an uridinespecific binding site in rat cerebrocortical homogenates. Neurohem. Int. 43, , 2003 Kovács I, Simon Á, Szárics É, Barabás P, Héja L, Nyikos L, Kardos J. Cyclothiazide binding to functional AMPA receptors reveals genuine allosteric interaction with agonist binding sites. Neurohem. Int. 44, , 2004 Lasztóczi B, Emri Zs, Szárics É, Héja L, Simon Á, Nyikos L, Kardos J. Suppression of neuronal network excitability and seizure-like events by 2-methyl-4-oxo-3H-quinazoline-3-acetyl piperidine in juvenile rat hippocampus: Involvement of a metabotropic glutamate receptor. Neurochem. Int. 49, 41-54, 2006 Molnár T, Barabás P, Héja L, Fekete KE, Lasztóczi B, Szabó P, Nyitrai G, Simon-Trompler E, Hajós F, Palkovits M, Kardos J. Gamma-hydroxybutyrate binds to the synaptic site recognizing succinate monocarboxylate: a new hypothesis on astrocyte-neuron interaction via the protonation of succinate. J. Neurosci. Res. közlésre elfogadva,