Pomalý synaptický přenos

Arvid Carlsson byl oceněn za sérii pokusů z konce 50. let, které vedly k objevu, že velmi důležitým přenašečem signálu při vzájemné komunikaci neuronů je dopamin. Tehdy panoval názor, že dopamin je pouhým prekurzorem pro noradrenalin, tedy jakýmsi "polotovarem", z nějž noradrenalin vzniká. Noradrenalin byl (spolu s acetylcholinem) jedním z mála prokázaných klasických neuropřenašečů, uvolňovaných především z postgangliových nervových vláken periferního vegetativního nervového systému. Intenzivně se studovalo i jeho hormonální působení při stresu a uvolňování z kůry nadledvin. Carlsson zjistil, že se dopamin koncentruje v jiných oblastech mozku a vzniká v jiných neuronech než noradrenalin, což ho přivedlo k závěru, že dopamin musí být přenašečem sám o sobě.

Zpočátku se Carlsson zajímal o působení reserpinu, alkaloidu z indické léčivé rostliny Rauwolfia. Reserpin nejen snižuje krevní tlak, ale působí silně antipsychoticky (zmíněnou rostlinu využívalo indické lidové léčitelství). Přitom ale delší léčba reserpinem navozovala deprese. Carlsson přemýšlel, zda reserpin vyprazdňuje mozkové zásoby serotoninu (jednoho z řady potenciálních neuropřenašečů), nebo zda brání výlevu nějakých jiných přenašečů, například dopaminu.

Jak zabránit zpětnému vychytávání serotoninu

Po řadu dní Carlsson podával reserpin laboratorním potkanům. Zvířata postupně ztrácela čilost a schopnost spontánní pohybové aktivity. Vypadalo to podobně jako u Parkinsonovy choroby, při které jsou poruchy motoriky jedním z průvodních jevů. Když byl potkanům podán prekurzor serotoninu, nic se nezměnilo, když ale dostali prekurzor dopaminu, poruchy motoriky zmizely. Dnes už víme, že Parkinsonova choroba (viz tabulku) je způsobena nedostatkem dopaminu v určitých oblastech mozku (obr. 1). Samotný dopamin, který má silně polární molekulu, je léčebně neúčinný, protože neprojde hematoencefalickou bariérou mezi krví a mozkem. Tyto projevy lze však alespoň částečně upravit či potlačit podáváním prekurzoru dopaminu, který se nazývá L-DOPA (viz obr. 2).

A. Carlsson ovlivňoval synaptický přenos také tím, že zablokoval dopaminové receptory. Praktický význam to má pro léčbu schizofrenie a deprese (viz Vesmír 78, 607, 1999/11). Rozhodující úlohu při regulaci afektivity má zřejmě serotonin. Ten musí být po svém působení na receptory odstraněn, jinak se přenos na synapsích zahltí a zablokuje. Serotonin se nehydrolyzuje vně buněk (jako třeba acetylcholin), ale je zpětně vychytáván do nervových zakončení, a tím jeho hladina klesá. Někdy je vychytávání až příliš účinné nebo je serotoninu všeobecně málo, a pak se jeho nedostatek projeví jako deprese. Carlssonovy objevy vedly k vývoji antidepresiv, která brání zpětnému vychytávání serotoninu, a navíc mohou ještě působením na genovou expresi optimalizovat poměr různých serotoninových receptorů v buněčné membráně. Patří k nim fluoxetin ("Prozac", u nás dostupný jako "Deprex"), citalopram, paroxetin ad.

Pomalý synaptický přenos a fosforylace bílkovin

Koncem 60. let bylo již poměrně dobře známo několik chemických neuropřenašečů, tedy látek přenášejících signály mezi nervovými buňkami v centrálním nervovém systému. Patřily k nim biologické aminy (serotonin, histamin) a katecholaminy (noradrenalin, dopamin). Téměř nic se však nevědělo o tom, jakými mechanizmy tyto látky v mozku působí. Evidentně nešlo o rychlý synaptický přenos, při němž se během několika milisekund přenašeč stačí uvolnit ze synaptických váčků do štěrbiny a navázat se na receptor – iontový kanál (viz Vesmír 79, 312, 2000/6).

1 Neuropřenašeče (dopamin, noradrenalin, serotonin) a určité neuropeptidy přenášejí své signály pomalým synaptickým přenosem (změny ve funkci nervové buňky trvají od sekund po hodiny). Tento typ přenosu signálu je odpovědný za množství základních funkcí nervového systému a důležitou úlohu hraje i v poplachových reakcích, jimiž organizmus reaguje na stres. O vlivu na náladu jsme se již zmínili v souvislosti se serotoninem a totéž platí pro noradrenalin. Pomalý synaptický přenos není od jiných procesů přenosu informace izolován, ale může je ovlivnit. Naopak rychlé synaptické přenosy, které umožňují např. smysluplnou řeč, pohyby či senzorické vnímání, mohou ovlivňovat pomalý přenos, např. hladinu nitrobuněčného vápníku. P. Greengard ukázal, že podkladem pomalého synaptického přenosu jsou chemické reakce zvané proteinové fosforylace (viz rámeček).

P. Greengard také objevil klíčovou úlohu regulačního proteinu DARPP-32 (dopamine and cAMP-regulated phosphoprotein), který je pozoruhodný tím, že se sám aktivuje fosforylací a zároveň fosforyluje řadu jiných proteinů. Důležité jsou ty proteiny, které v buněčné membráně vytvářejí iontové kanály. Právě u vzrušivých nervových a svalových buněk jsou totiž kanály přímo odpovědné za vznik a šíření elektrických impulzů i za výlev přenašečů. Každá nervová buňka má na membráně trochu jinou plejádu iontových kanálů. Na četnosti a výkonnosti jednotlivých typů iontových kanálů závisí odpověď buňky. Pokud je některý typ iontových kanálů pozměněn fosforylací nebo defosforylací (viz obr. 3), projeví se to na funkci celé nervové buňky jak změnami v její vzrušivosti, tak změnami na nervových zakončeních tvořících synapse.

Jak to DARPP-32 dělá? Aktivovaný (fosforylovaný) DARPP-32 úplně zablokuje fosfatázu PP1 a zabrání defosforylaci několika veledůležitých membránových kanálů – sodíkového pro vzruch a vápníkových pro výlev neuropřenašečů. Pak již nepracuje naplno sodíkodraselná pumpa, která dobíjí buněčný akumulátor draslíkem, takže membránový potenciál klesá. Dokonce je "zmražen" ve fosforylovaném stavu i jeden typ rychlého iontového kanálu otevíraného glutamátem. Samotný DARPP-32 se však může defosforylovat fosfatázou kalcineurinem a ztratit účinnost.

Díky Greengardovým nálezům dnes lépe chápeme obecný mechanizmus účinku některých chemických látek a drog působících prostřednictvím defosforyalce či fosforylace proteinů v nervových buňkách.

Zatahovací reflex zeje kalifornského a hledání paměti

Fosforylace bílkovin hraje velkou roli i v objevech Erica Kandela, které se týkají molekulárních mechanizmů důležitých pro paměť. V mládí tento učenec snil o odhalení "kamene paměti" u člověka. S pokusy začal na laboratorních potkanech. Záhy si uvědomil, že si často stěžujeme na slabou paměť, nikdo však na slabou inteligenci. A přece důležitější než paměť je způsob, jak se s informacemi uvízlými v paměti zachází. Začal hledat živočicha, který by mu posloužil jako model jednoduchého ukládání a využívání informací o okolním světě. Vybral si nepříliš bystrého mořského plže – zeje kalifornského (Aplysia californica). ¹⁾ Jeho český název dosud téměř nikdo neslyšel, proto mu budu říkat aplysie. Turistům je patrně známější aplysiin větší příbuzný zvaný "mořský zajíc" (má delší zatočená tykadla).

Aplysie patří mezi několik zadožábrých druhů měkkýšů majících za srdcem jen jeden žaberní lupen, který mohou spolu s přívodní nálevkou zatáhnout. Tento obranný reflex, kvantitativně měřitelný fotobuňkou, využil Erich Kandel pro studium paměti.

Nervový systém aplysie, uspořádaný do několika ganglií, netvoří sto miliard neuronů jako u člověka, ale pouhých dvacet tisíc. Některé neurony jsou dostatečně velké a při měření mikroelektrodami dobře viditelné pod lupou. Lze je najít vždy na stejném místě ganglia a jejich výběžky propojují stále tytéž neurony a svaly.

Nejdřív E. Kandel zjistil, že slabé elektrické či mechanické podněty (např. proud vody) v minutových intervalech vyvolávají stále slabší zatahovací reflex. Jako by si živočich uvědomoval, že nejde o nebezpečí a ochrana žaber není nutná. Zeslabení reflexu říkáme habituace. Salva rychlých a silných podnětů naopak zatahovací reflex usnadňuje, protože evidentně signalizuje vážné nebezpečí. Oba jevy trvají desítky minut a jsou příkladem krátkodobé paměti. Jestliže ale aplysii dráždíme silnými podněty po několik hodin či dnů, zesílení zatahovacího reflexu již nevymizí. Tento jev je projevem dlouhodobé paměti.

Když Kandel z aplysie izoloval celý systém (tj. kožní receptor – gangliové nervové buňky – zatahovací sval) a umístil ho do průtokové komůrky, mohl studovat buněčné i molekulární mechanizmy obou forem paměti. Jeho skupina, již vyzbrojená poznatky o roli pomalých neuropřenašečů a fosforylace bílkovin, zjistila, že dráždění lze nahradit aplikací serotoninu, který po navázání na svůj membránový receptor zvýší v neuronu koncentraci cAPM. Způsob, jak molekulární změny v synapsi mohou u aplysie vyvolat krátkodobou a dlouhodobou paměť, ukazuje obr. 4. Důkaz o těchto razantních změnách podal Kandel se spolupracovníky mj. tím, že dokázali dlouhodobou podporu reflexu zabrzdit látkami bránícími tvorbě nových proteinů.

Nabízí se otázka, zda lze takto vysvětlit krátkodobou a dlouhodobou paměť u člověka. Odpověď zatím neznáme, nicméně již byl tento princip zjištěn u více živočichů. V devadesátých letech 20. století se k pokusům s učením vrátil i sám Kandel a prokázal, že také u savců (konkrétně u myší) je fosforylace iontových kanálů pomocí pomalých přenašečů a exprese nových proteinů spojena s vytvářením krátkodobých a dlouhodobých paměťových stop. Toto zjištění dává naději na prevenci či léčbu poruch paměti u pacientů s různými typy demence, jichž stále přibývá a v jejichž řadách se může ocitnout kdokoli z nás. o