Молекулярная нейронаука — это раздел нейронауки , который изучает концепции молекулярной биологии , применяемые к нервной системе животных. Областью изучения этого предмета являются такие темы, как молекулярная нейроанатомия , механизмы молекулярной сигнализации в нервной системе , влияние генетики и эпигенетики на развитие нейронов, а также молекулярная основа нейропластичности и нейродегенеративных заболеваний . [1] Как и молекулярная биология, молекулярная нейронаука — это относительно новая область, которая весьма динамична.
В молекулярной биологии коммуникация между нейронами обычно происходит посредством химической передачи через промежутки между клетками, называемые синапсами . Передаваемые химические вещества, известные как нейротрансмиттеры , регулируют значительную часть жизненно важных функций организма. [2] Возможно анатомическое определение местонахождения нейротрансмиттеров с помощью методов маркировки. Возможно химическое определение некоторых нейротрансмиттеров, таких как катехоламины, путем фиксации участков нервной ткани формальдегидом . Это может привести к формальдегид-индуцированной флуоресценции при воздействии ультрафиолетового света . Дофамин , катехоламин, был идентифицирован у нематоды C. elegans с помощью этого метода. [3] Иммуноцитохимия , которая включает в себя выработку антител против целевых химических или биологических объектов, включает в себя несколько других интересных методов. Целевой нейротрансмиттер может быть специально помечен первичными и вторичными антителами с радиоактивной маркировкой для того, чтобы идентифицировать нейротрансмиттер с помощью авторадиографии . Присутствие нейротрансмиттеров (хотя и не обязательно их местоположение) можно наблюдать в иммуноферментной цитохимии или иммуноферментном анализе (ELISA), в котором связывание субстрата в ферментативных анализах может вызывать преципитаты , флуорофоры или хемилюминесценцию . В случае, если нейротрансмиттеры не могут быть идентифицированы гистохимически, альтернативным методом является их обнаружение по механизмам нейронного захвата. [1]
Возбудимые клетки в живых организмах имеют потенциалзависимые ионные каналы . Их можно наблюдать по всей нервной системе в нейронах. Первыми ионными каналами, которые были охарактеризованы, были натриевые и калиевые ионные каналы, описанные AL Hodgkin и AF Huxley в 1950-х годах при изучении гигантского аксона кальмара рода Loligo . Их исследования продемонстрировали избирательную проницаемость клеточных мембран, зависящую от физиологических условий, и электрические эффекты, которые являются результатом этой проницаемости для создания потенциалов действия . [4]
Натриевые каналы были первыми потенциалзависимыми ионными каналами, которые были выделены в 1984 году из угря Electrophorus electricus Шосаку Нумой . Токсин рыбы-собаки тетродотоксин (TTX) , блокатор натриевых каналов, использовался для выделения белка натриевого канала путем связывания его с использованием метода колоночной хроматографии для химического разделения. Аминокислотная последовательность белка была проанализирована с помощью деградации Эдмана , а затем использована для создания библиотеки кДНК , которая могла быть использована для клонирования белка канала. Клонирование самого канала позволило использовать его для таких приложений, как идентификация тех же каналов у других животных. [1] Натриевые каналы известны тем, что работают совместно с калиевыми каналами во время развития градуированных потенциалов и потенциалов действия. Натриевые каналы обеспечивают приток ионов Na + в нейрон, что приводит к деполяризации от покоящегося мембранного потенциала нейрона, что приводит к градуированному потенциалу или потенциалу действия, в зависимости от степени деполяризации. [5]
Калиевые каналы бывают разных форм, присутствуют в большинстве эукариотических клеток и, как правило, имеют тенденцию стабилизировать клеточную мембрану при равновесном потенциале калия . Как и в случае с ионами натрия, градуированные потенциалы и потенциалы действия также зависят от калиевых каналов. В то время как приток ионов Na + в нейрон вызывает клеточную деполяризацию, отток ионов K + из нейрона заставляет клетку реполяризоваться до мембранного потенциала покоя. Активация самих калиевых ионных каналов зависит от деполяризации, возникающей в результате притока Na + во время потенциала действия. [1] Как и в случае с натриевыми каналами, калиевые каналы имеют свои собственные токсины, которые блокируют действие белка канала. Примером такого токсина является большой катион, тетраэтиламмоний (TEA) , но примечательно, что токсин не имеет одинакового механизма действия на все калиевые каналы, учитывая разнообразие типов каналов у разных видов. Присутствие калиевых каналов было впервые обнаружено у мутантных мух Drosophila melanogaster , которые неконтролируемо тряслись при анестезии из-за проблем с клеточной реполяризацией, что приводило к аномальной электрофизиологии нейронов и мышц. Калиевые каналы были впервые обнаружены путем манипуляций с молекулярной генетикой (мух) вместо проведения очистки белка канала, поскольку на момент открытия не было известных высокоаффинных лигандов для калиевых каналов (таких как TEA). [1] [6]
Кальциевые каналы важны для определенных каскадов клеточной сигнализации, а также для высвобождения нейротрансмиттеров в окончаниях аксонов . В возбудимых клетках обнаружено множество различных типов кальциевых ионных каналов. Как и в случае с натриевыми ионными каналами, кальциевые ионные каналы были выделены и клонированы с помощью методов хроматографической очистки. Примечательно, что, как и в случае с высвобождением нейротрансмиттеров, кальциевые каналы могут взаимодействовать с внутриклеточными белками и играют важную роль в передаче сигналов, особенно в таких местах, как саркоплазматический ретикулум мышечных клеток. [1]
Различные типы рецепторов могут использоваться для клеточной сигнализации и коммуникации и могут включать ионотропные рецепторы и метаботропные рецепторы. Эти типы рецепторов клеточной поверхности различаются по механизму и продолжительности действия, причем ионотропные рецепторы связаны с быстрой передачей сигнала, а метаботропные рецепторы связаны с медленной передачей сигнала. Метаботропные рецепторы охватывают широкий спектр рецепторов клеточной поверхности с заметно отличающимися каскадами сигнализации . [1] [5]
Ионотропные рецепторы , также известные как лиганд-управляемые ионные каналы , являются быстродействующими рецепторами, которые опосредуют нейронные и физиологические функции посредством потока ионных каналов с лиганд-связыванием. Никотиновые, ГАМК и глутаматные рецепторы входят в число некоторых рецепторов клеточной поверхности, регулируемых потоком ионных каналов, управляемых лигандом. ГАМК является основным тормозным нейромедиатором мозга, а глутамат является основным возбуждающим нейромедиатором мозга. [1]
Рецепторы ГАМК A и ГАМК C известны как ионотропные, в то время как рецептор ГАМК B является метаботропным. Рецепторы ГАМК A опосредуют быстрые ингибирующие реакции в центральной нервной системе (ЦНС) и находятся на нейронах, глиальных клетках и клетках мозгового вещества надпочечников . Он отвечает за индукцию притока ионов Cl − в клетки, тем самым снижая вероятность того, что деполяризация мембраны произойдет при поступлении градуированного потенциала или потенциала действия. Рецепторы ГАМК также могут взаимодействовать с неэндогенными лигандами, чтобы влиять на активность. Например, соединение диазепам (продается как валиум) является аллостерическим агонистом, который увеличивает сродство рецептора к ГАМК. Увеличенные физиологические ингибирующие эффекты в результате увеличения связывания ГАМК делают диазепам полезным транквилизатором или противосудорожным средством (противоэпилептическими препаратами). С другой стороны, рецепторы ГАМК также могут быть нацелены на снижение притока Cl − к клеткам с помощью воздействия конвульсантов, таких как пикротоксин . Антагонистический механизм действия этого соединения не направлен непосредственно на рецептор ГАМК, но существуют другие соединения, которые способны к аллостерической инактивации, включая Т-бутилбициклофоротионат (TBPS) и пентилентетразол (PZT). По сравнению с ГАМК А рецепторы ГАМК С имеют более высокое сродство к ГАМК, они, вероятно, будут более продолжительными в активности, и их ответы, вероятно, будут генерироваться более низкими концентрациями ГАМК. [1]
Ионотропные глутаматные рецепторы могут включать NMDA , AMPA и каинатные рецепторы . Эти рецепторы названы в честь агонистов, которые облегчают активность глутамата. NMDA-рецепторы известны своими возбуждающими механизмами, влияющими на пластичность нейронов при обучении и памяти, а также на такие нейропатологии, как инсульт и эпилепсия. NDMA-рецепторы имеют несколько участков связывания, как и ионотропные ГАМК-рецепторы, и могут находиться под влиянием коагонистов, таких как нейротрансмиттер глицин или фенциклидин (PCP). NMDA-рецепторы переносят ток ионами Ca2 + и могут блокироваться внеклеточными ионами Mg2 + в зависимости от напряжения и мембранного потенциала. Этот приток Ca2 + увеличивается возбуждающими постсинаптическими потенциалами (EPSP), создаваемыми NMDA-рецепторами, активирующими каскады сигнализации на основе Ca2 + (такие как высвобождение нейротрансмиттера). AMPA генерируют более короткие и большие возбуждающие постсинаптические токи, чем другие ионотропные рецепторы глутамата. [5]
Никотиновые рецепторы связывают нейротрансмиттер ацетилхолин (ACh) для создания неселективного потока катионных каналов, который генерирует возбуждающие постсинаптические реакции. Активность рецепторов, на которую может влиять потребление никотина, вызывает чувства эйфории, расслабления и неизбежной зависимости в высоких дозах. [5]
Метаботропные рецепторы — это медленно реагирующие рецепторы в постсинаптических клетках. Обычно эти медленные реакции характеризуются более сложными внутриклеточными изменениями в биохимии. Реакции захвата нейротрансмиттера метаботропными рецепторами могут приводить к активации внутриклеточных ферментов и каскадов, включающих вторичные мессенджеры, как в случае с рецепторами, связанными с G-белком . Различные метаботропные рецепторы могут включать определенные глутаматные рецепторы, мускариновые рецепторы ACh, рецепторы GABA B и рецепторные тирозинкиназы .
Каскад сигнализации, связанный с G-белком, может значительно усиливать сигнал определенного нейротрансмиттера, чтобы производить сотни или тысячи вторичных мессенджеров в клетке. Механизм действия, посредством которого рецепторы, связанные с G-белком, вызывают каскад сигнализации, следующий:
Нейротрансмиттеры высвобождаются в дискретных пакетах, известных как кванты, из терминала аксона одного нейрона в дендриты другого через синапс . Эти кванты были идентифицированы с помощью электронной микроскопии как синаптические пузырьки . Два типа пузырьков — это маленькие синаптические пузырьки (SSV), которые имеют диаметр около 40-60 нм , и большие пузырьки с плотным ядром (LDCV), электронно-плотные пузырьки диаметром около 120-200 нм . [1] Первые происходят из эндосом и содержат нейротрансмиттеры, такие как ацетилхолин , глутамат , ГАМК и глицин . Последние происходят из аппарата Гольджи и содержат более крупные нейротрансмиттеры, такие как катехоламины и другие пептидные нейротрансмиттеры . [7] Нейротрансмиттеры высвобождаются из терминалей аксона и связываются с постсинаптическими дендритами в следующей последовательности: [5]
Высвобождение нейротрансмиттера зависит от внешнего источника ионов Ca 2+ , которые поступают в терминали аксона через потенциалзависимые кальциевые каналы . Везикулярное слияние с терминальной мембраной и высвобождение нейротрансмиттера вызвано генерацией градиентов Ca 2+ , вызванных входящими потенциалами действия . Ионы Ca 2+ вызывают мобилизацию вновь синтезированных везикул из резервного пула для прохождения этого мембранного слияния. Этот механизм действия был обнаружен в гигантских аксонах кальмара. [8] Снижение внутриклеточных ионов Ca 2+ обеспечивает прямой ингибирующий эффект на высвобождение нейротрансмиттера. [1] После того, как происходит высвобождение нейротрансмиттера, везикулярные мембраны возвращаются к источникам своего производства. Каналы ионов кальция могут различаться в зависимости от места падения. Например, каналы в терминале аксона отличаются от типичных кальциевых каналов тела клетки (будь то нервные или нет). Даже на окончаниях аксонов типы кальциевых ионных каналов могут различаться, как в случае с кальциевыми каналами P-типа, расположенными в нервно-мышечном соединении . [1]
Различия в определении пола контролируются половыми хромосомами . Выбросы половых гормонов оказывают значительное влияние на половой диморфизм (фенотипическую дифференциацию половых признаков) мозга. Недавние исследования, по-видимому, предполагают, что регулирование этих диморфизмов имеет значение для понимания нормальной и ненормальной функции мозга. Половой диморфизм может значительно зависеть от половой экспрессии генов мозга, которая варьируется от вида к виду.
Животные модели, такие как грызуны, Drosophila melanogaster и Caenorhabditis elegans , использовались для наблюдения за происхождением и/или степенью половой предвзятости в мозге по сравнению с гормон-продуцирующими гонадами животного. В случае с грызунами исследования генетической манипуляции половыми хромосомами привели к эффекту на один пол, который был полностью противоположен эффекту на другой пол. Например, нокаутирование определенного гена привело только к тревожно-подобным эффектам у самцов. В ходе исследований на D. menlanogaster было обнаружено, что большая мозговая половая предвзятость выражения имела место даже после удаления гонад, что предполагает, что половая предвзятость может быть независимой от гормонального контроля в определенных аспектах. [9]
Наблюдение за генами, связанными с полом, имеет потенциальную клиническую значимость в наблюдении за физиологией мозга и потенциальную возможность связанных (прямо или косвенно) неврологических расстройств. Примерами заболеваний, связанных с полом в развитии, являются болезнь Хантингтона , церебральная ишемия и болезнь Альцгеймера . [9]
На многие функции мозга можно влиять на клеточном и молекулярном уровне с помощью вариаций и изменений в экспрессии генов, не изменяя последовательность ДНК в организме. Это также известно как эпигенетическая регуляция. Примерами эпигенетических механизмов являются модификации гистонов и метилирование ДНК . Было обнаружено, что такие изменения оказывают сильное влияние на частоту заболеваний мозга, психических заболеваний и наркомании. [10] Было показано, что эпигенетический контроль участвует в высоких уровнях пластичности на раннем этапе развития, тем самым определяя его важность в критический период организма. [11] Примеры того, как эпигенетические изменения могут влиять на мозг человека, следующие:
Эксайтотоксичность — это явление, при котором рецепторы глутамата активируются ненадлежащим образом. Это может быть вызвано длительной возбуждающей синаптической передачей, при которой высокие уровни нейротрансмиттера глутамата вызывают чрезмерную активацию в постсинаптическом нейроне, что может привести к гибели постсинаптического нейрона. После травмы мозга (например, от ишемии ) было обнаружено, что эксайтотоксичность является существенной причиной повреждения нейронов. Это можно понять в случае, когда внезапная перфузия крови после снижения притока крови к мозгу может привести к чрезмерной синаптической активности, вызванной наличием повышенного уровня глутамата и аспартата в период ишемии. [5] [13]
Болезнь Альцгеймера является наиболее распространенным нейродегенеративным заболеванием и наиболее распространенной формой слабоумия у пожилых людей. Расстройство характеризуется прогрессирующей потерей памяти и различных когнитивных функций. Предполагается , что отложение пептида амилоида-β (40-42 аминокислотных остатка) в мозге является неотъемлемой частью заболеваемости болезнью Альцгеймера. Предполагается, что накопление блокирует долгосрочную потенциацию гиппокампа . Также возможно, что рецептором для олигомеров амилоида-β может быть прионный белок. [14]
Болезнь Паркинсона является вторым по распространенности нейродегенеративным заболеванием после болезни Альцгеймера. Это гипокинетическое заболевание базальных ганглиев , вызванное потерей дофаминергических нейронов в черной субстанции человеческого мозга. Таким образом, тормозной отток базальных ганглиев не уменьшается, и поэтому верхние двигательные нейроны , опосредованные таламусом , не активируются своевременно. Конкретные симптомы включают ригидность, проблемы с осанкой, медленные движения и тремор. Блокирование входа ГАМК-рецепторов от средних шипиковых нейронов к ретикулярным клеткам вызывает торможение верхних двигательных нейронов, подобное торможению, которое происходит при болезни Паркинсона. [5]
Болезнь Хантингтона — это гиперкинетическое заболевание базальных ганглиев , вызванное отсутствием нормальных ингибирующих сигналов от средних шипиковых нейронов базальных ганглиев. Это вызывает эффекты, противоположные тем, которые связаны с болезнью Паркинсона, включая неадекватную активацию верхних двигательных нейронов . Как и в случае с ГАМКергическими механизмами, наблюдаемыми в связи с болезнью Паркинсона, агонист ГАМК, введенный в черную субстанцию, уменьшает ингибирование верхних двигательных нейронов, что приводит к баллистическим непроизвольным двигательным движениям, похожим на симптомы болезни Хантингтона. [5]