Порушення Са2+ -залежної сигналізації гіпокальцину як механізм первинної аутосомно-рецесивної ізольованої дистонії
No Thumbnail Available
Date
2024
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Кальцієва сигналізація в нейронах є необхідною для регуляції багатьох клітинних функцій. Механізми, за допомогою яких зміни внутрішньоклітинної концентрації іонів кальцію у нейронах можуть регулювати ці функції, в більшості випадків забезпечуються за допомогою невеликих проміжних універсальних або спеціалізованих нейронних кальцієвих сенсорних білків (Neuronal Ca2+ Sensor (NCS) proteins). Саме ці білки в подальшому регулюють активність ефекторних білків, таких як канали, насоси та ензими. Останні дослідження доводять, що ці білки є вкрай важливими в різних аспектах нейронних дисфункцій і що генетичні мутації білків NCS прямо впливають на розвиток неврологічних захворювань. Таким чином, детальне розуміння фундаментальних аспектів молекулярних і клітинних механізмів регуляції ефекторів за допомогою нейронних кальцієвих сенсорних білків і їх патологічних
змін є вкрай важливим для розробки новітніх підходів до лікування різноманітних нервових захворювань. Первинна автосомно-рецесивна ізольована дистонія (DYT2) є неврологічним захворюванням, яке проявляється у вигляді неконтрольованих постійних або повторюваних скороченнях м’язів. Такі скорочення можуть призводити до аномальних рухів кінцівок та болісних поз у пацієнта, що негативним чином впливає на якість їх життя. Нещодавні дослідження вказують на зв’язок даного захворювання з мутаціями гена нейронного кальцієвого сенсорного білка гіпокальцина (HPCA), а саме точковими міссенс-мутаціями N75K та T71N. Цей ген майже виключно експресується у мозку, особливо з високим рівнем експресії у корі, смугастому тілі, мозочку та гіпокампі – саме в тих його ділянках, що змінюються при розвитку дистонії. HPCA має три EF домени, що здатні приєднувати Ca2+ . Приєднання Ca2+ до цих доменів призводить до кальцій-залежної конформаційної зміни білка, що супроводжується виходом його N-термінального кінця, котрий містить залишок жирної кислоти мірістоілу, з гідрофобної кишені молекули. Це дозволяє HPCA переміщуватись (транслокуватись) з цитозолю і вбудовуватися за допомогою мірістоілу до внутрішнього шару плазматичної мембрани. Раніше було показано, що саме ця -залежна транслокація HPCA призводить до гальмування коркових та гіпокампальних нейронів завдяки активації струму повільної постгіперполяризації (sAHP). Метою роботи було встановити біофізичні механізми сигналізації гіпокальцина, що
контролюють струм повільної гіперполяризації, виявити відмінності в біофізичних властивостях мутантних варіантів T71N та N75K білка гіпокальцина від властивостей білка дикого типу, а також обумовлені цими відмінностями порушення молекулярних сигнальних механізмів, в роботі яких цей білок бере участь. Дослідження проводилось з використанням генетичних, електрофізіологічних та флуоресцентних методів. А для оцінки концентрації експресованих в нейронах різних екзогенних варіантів гіпокальцина було розроблено новітню методику виміру концентрації досліджуваних флуорофорів, що заснована на використанні оптичних спектральних характеристик обладнання та використаних флуоресцентних міток і опорних барвників з відомою концентрацією. В роботі показано, що мутація N75K, виявлена при дистонії типу DYT2, призводить до втрати гіпокальцином його функцій, як сенсора іонів кальцію при фізіологічній нейронній активності. Такий мутований гіпокальцин не може контролювати розвиток повільної постгіперполяризації в нейронах, адже ця мутація змінює можливості гіпокальцина до Ca2+ -залежної транслокації із цитозолю до плазматичної мембрани. Транслокація гіпокальцина N75K до плазматичної мембрани апікального дендрита нейрона, який бере участь в генерації струму повільної постгіперполяризації, була помітно та достовірно зменшена порівняно з гіпокальцином дикого типу. Це зменшення супроводжувалось неспроможністю мутантного варіанту гіпокальцина N75K викликати струм повільної постгіперполяризації в додаток до того струму, що був викликаний транслокацією ендогенного гіпокальцина. В той час як експресія гіпокальцина дикого типу призводила до збільшення цього струму. Проте, дана мутація N75K не впливає ні на мірістоіловий пере-
микач, ні на просторовий розподіл вбудовування білка до плазматичної мембрани. Водночас мутація T71N не призводить до змін у транслокації гіпокальцина. Загалом мутація N75K зумовлює підвищену збудливість нейронів у відповідь на серію пачок потенціалів дії та θ-стимуляцію, оскільки даний мутант не викликає гальмівні струми повільної постгіперполяризації. Таким чином, наступні за пачковою активністю нейронів постсинаптичні струми будуть викликати потенціали дії у таких нейронах з більшою імовірністю, що може бути механізмом рухових розладів, які спостерігаються при первинній дистонії типу DYT2. Моделювання нейронної активності підтверджує порушену і надмірну збудливість нейронів з мутантним варіантом гіпокальцина N75K подібно до клітин з відсутнім гіпокальцином. Модель нейрона з урахуванням Ca2+ -залежної передачі сигналу за допомогою гіпокальцина та викли-
каного його транслокацією струму повільної постгіперполяризації чітко повторює як експериментально виміряні транслокації гіпокальцина, так і струми повільної постгіперполяризації, що спостерігались в наших експериментах. Дослідження з моделюванням на основі такої моделі показали підвищену збудливість нейронів які експресують мутантний варіант N75K, в порівнянні з диким типом гіпокальцина. Це підвищення було показано в різних умовах, при яких генерація потенціалів дії може виникати у нейронах центральній нервовій системі. Зокрема було показано, що мутація N75K призводить до скорішого початку та збільшеної частоти тонічної нейронної активності, підвищеної генерації потенціалів дії та порушеної адаптації їх частоти в межах серії імпульсів які індуковані синаптичною стимуляцією, а також значного зменшення інтервалу часу затримки до наступного потенціалу дії, що
викликається постсинаптичним потенціалом. Отримані результати вказують на те, що генетичні втручання націлені на збільшення експресії гіпокальцина дикого типу у нейронах аномально збуджених низхідних шляхів, котрі регулюють роботи скелетної мускулатури, може відновити повільну постгіперполяризацію в цих нейронах і нормалізувати тонус мускулатури. Таке втручання могло б бути ефективним інструментом для лікування пацієнтів з даним типом дистонії.
Description
Keywords
електрофізіологія, петч-клемп, іонні канали, внутрішньоклітинний кальцій, нейрони, постгіперполяризація, збудження, гальмування, комп’ютерне мо- делювання, синаптична передача
Citation
Дромарецький А.В. Порушення Са2+ -залежної сигналізації гіпокальцина як механізм первинної аутосомно-рецесивної ізольованої дистонії. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кан- дидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.02 – біофізика. – Інститут фізіології ім. О. О. Богомольця НАН України, Київ, 2024.