Receptory v pohybu

Neurony ke své komunikaci využívají jak elektrické, tak chemické signály, které spolu úzce spolupracují. Informace putuje po dlouhém výběžku neuronu (axonu) v podobě elektrického signálu. Když však signál dorazí na konec axonu, nemůže být ve stejné formě předán dalšímu neuronu, protože neurony spolu nejsou v místě kontaktu (synapse) fyzicky spojeny. Elektrický signál se musí v synapsi přeměnit na chemický. K tomu slouží neurotransmitery – chemické látky, které jsou uvolněny do synaptické štěrbiny a následně zachyceny receptory, specializovanými bílkovinami v membráně neuronu přijímajícího nervový vzruch.

Mikroskopický snímek trajektorií jednotlivých receptorů NMDA (barevné křivky) a synaptického markeru (červeně) získaný metodou „single-particle tracking“.

Jedním typem takových receptorů jsou receptory N-methyl-D-aspartátu (NMDA), které fungují jako iontové kanály. Na ty se váže neurotransmiter glutamát, což způsobí otevření iontového kanálu a umožní vstup iontů vápníku, sodíku a draslíku. Receptory NMDA jsou důležité pro proces učení a tvorbu paměti, protože hrají zásadní roli v synaptické plasticitě, což je schopnost synapsí měnit svou sílu v reakci na aktivaci neuronu.

Existují dvě hlavní formy synaptické plasticity: dlouhodobá potenciace a dlouhodobá deprese. Při dlouhodobé potenciaci se zvyšuje síla synaptického spojení v důsledku opakované aktivace receptorů NMDA, což zlepšuje komunikaci mezi neurony. Naopak dlouhodobá deprese znamená oslabení synapsí, což může pomoci odstranit nepotřebná nebo neefektivní spojení. Díky synaptické plasticitě může mozek reagovat na měnící se podmínky a ukládat nové informace do paměti. Je to klíčový mechanismus, který nám umožňuje učit se, pamatovat si a adaptovat se na nové situace. Bez správné funkce receptorů NMDA by synaptická plasticita nefungovala efektivně, což by mělo negativní dopad na učení a paměť.

Receptory NMDA se mohou vyskytovat jak v synapsích, tak mimo ně, a také se mohou mezi těmito oblastmi přesouvat, což umožňuje mozku rychle se přizpůsobovat novým informacím a udržovat rovnováhu v přenosu signálů. K udržení rovnováhy přispívá mnoho mechanismů včetně regulace množství receptorů NMDA na povrchu neuronů, jejich lokalizace a povrchové mobility. Narušení této regulace může přispět k různým neurologickým poruchám, jako je epilepsie, schizofrenie či Alzheimerova choroba. Proto je studium lokální organizace a dynamiky receptorů velmi důležité.

V naší laboratoři dokážeme pomocí virových částic vložit do kultivovaných neuronů gen pro receptor NMDA, který chceme zkoumat, s navázanou fluorescenční značkou. Neurony pak pomocí vlastních mechanismů vyrobí příslušný protein a zabudují ho do svých membrán. Díky tomuto značení jsme schopni studovaný protein pozorovat pomocí mikroskopu. Spolu s receptorem NMDA vložíme také gen pro značený synaptický marker k detekci synapsí. Díky velmi specifické drobné sondě, která rozpozná značku na povrchu neuronů, jsme schopni zaznamenávat trajektorie pohybu jednotlivých receptorů pomocí superrezoluční mikroskopické techniky zvané „single-particle tracking“. Z těchto trajektorií získáme informaci o difuzních parametrech jednotlivých receptorů a v kombinaci se signálem synaptického markeru také informaci o jejich lokalizaci v synapsích. Tuto metodu využíváme pro studium mobility a lokalizace receptorů NMDA za přirozených i patologických podmínek. Dále pozorujeme, jak se tyto parametry mění po přidání různých chemických látek, nebo můžeme zkoumat receptory s genetickými změnami, které byly objeveny u pacientů s neurologickými poruchami. To nám umožňuje lépe porozumět procesům, které regulují mobilitu a lokalizaci receptorů NMDA, a tomu, jak narušení této regulace přispívá k patologickým změnám.