Szukając igieł w stogu transkryptów – jak powstają objawy pozaruchowe choroby Parkinsona?


Mgr Anna Radlicka

Zakład Neurofarmakologii Molekularnej Instytutu Farmakologii PAN

Artykuł nagrodzony w Konkursie Popularyzatorskim dla Młodych Naukowców IF PAN


Minęło przeszło 200 lat od ukazania się pracy angielskiego lekarza Jamesa Parkinsona, w której opisał on objawy choroby zwanej wówczas drżączką poraźną. Mimo wielu lat badań, które przyniosły ważne odkrycia zarówno w aspekcie podłoża, jak i sposobów leczenia choroby Parkinsona, nadal nie wiemy wystarczająco dużo, żeby zapobiegać jej rozwojowi ani też skutecznie leczyć jej objawów.

Choroba Parkinsona jest drugą najpowszechniej występującą chorobą neurodegeneracyjną, (po chorobie Alzheimera). U podstaw jej objawów, czyli drżenia spoczynkowego, sztywności mięśni, zaburzeń postawy i poruszania się, leży postępujące obumieranie neuronów produkujących dopaminę, których ciała znajdują się w części śródmózgowia zwanej istotą czarną (Ryc. 1.). Skutkiem tego jest zaburzenie aktywności części mózgu zaangażowanych w inicjację i kontrolę ruchu. Pacjenci cierpią również na szereg pozaruchowych dolegliwości, między innymi dysfunkcje poznawcze, zaburzenia węchu, pracy jelit i serca (Ryc. 2.). Te dolegliwości mają swoje pochodzenie w zanikaniu również innych grup neuronów, przede wszystkim noradrenergicznych (Schapira i wsp. 2017).

Ryc. 1. Histopatologiczne zmiany w mózgowiu w obrazie choroby Parkinsona.

Co powoduje powstanie choroby Parkinsona? Uważa się, że jest to złożone oddziaływanie czynników środowiskowych oraz genetycznych. Badacze zidentyfikowali w budowie wielu genów zmiany (mutacje), które sprzyjają powstawaniu choroby Parkinsona. Mutacje znaleziono np. w genie kodującym białko alfa-synukleinę (główny składnik drobnych tworów występujących w mózgach pacjentów z chorobą Parkinsona – ciał Lewy’ego) i genie Parkin, którego produkt białkowy uczestniczy w „pozbywaniu się” zbędnych cząsteczek z komórek (Kalia i Lang, 2015).



Ryc. 2. Objawy pozaruchowe choroby Parkinsona obejmują zróżnicowane dolegliwości, których powstawanie i odczuwanie zlokalizowane jest w wielu obszarach.

Identyfikacja mutacji genetycznych to jednak kropla w morzu potrzeb badawczych, tym bardziej, że dziedziczne formy choroby Parkinsona stanowią niewielki odsetek wszystkich zachorowań, spośród których większość ma postać idiopatyczną (Borrageiro i wsp. 2018). Ważne jest, jak produkty różnych genów – wpierw mRNA a następnie powstałe na ich bazie białka – oddziałują ze sobą w zdrowiu i chorobie. Rozwikłaniem mechanizmów działających na tym poziomie zajmują się odpowiednie gałęzie biologii molekularnej: transkryptomika i proteomika.


Nasz zespół w Zakładzie Neurofarmakologii Molekularnej IF PAN oraz Katedrze Neurologii CMUJ zaciekawiło to, jakie są molekularne mechanizmy związane z powstawaniem pozaruchowych objawów choroby Parkinsona. Szukaliśmy odpowiedzi u źródła, czyli w transkryptomice. We współpracy z Zakładem Neuropsychofarmakologii IF PAN poszukiwaliśmy zmian w poziomie ekspresji wybranych genów w korze przedczołowej, pojawiających się po uszkodzeniu neuronów dopaminowych pod wpływem neurotoksyny 6-hydroksydopaminy (6-OHDA) oraz leku przeciwparkinsonowskiego – lewodopy. Geny te obejmowały grupę genów wczesnej odpowiedzi komórkowej (Arc, Atf3, Egr2, Fos), geny związane z aktywnością gleju (Gfap, Sgk1),  geny receptorów serotoninowych (Htr1b) i dopaminowych (Drd1 i Drd2) oraz gen kontrolny Hprt. Kora przedczołowa stanowi nasz obszar zainteresowania ze względu na jej zaangażowanie w procesy poznawcze, jak również ich zaburzenia u pacjentów (Narayanan i wsp. 2013).


Okazuje się, że 6-OHDA, wywołująca podobne do parkinsonowskiego zanikanie neuronów dopaminowych, obniża poziom mRNA wszystkich badanych genów – zarówno neuronalnych, jak i glejowych, poza genem kontrolnym. Poziom transkryptów genu Hprt nie uległ znaczącej zmianie. Co ciekawe, 6-OHDA była podawana tylko do lewej półkuli mózgu, do wiązki włókien nerwowych zwanej pęczkiem przyśrodkowym przodomózgowia, zaś efekt widoczny w zmianie ilości transkryptów obserwowaliśmy w tkance kory przedczołowej z obu półkul. Pęczek przyśrodkowy przodomózgowia łączy tylne obszary mózgowia z przednimi i obejmuje wiele włókien neuronów nie tylko dopaminowych, lecz także wydzielających noradrenalinę, serotoninę i inne substancje (Nieuwenhuys i wsp. 1982). Jednostronne podanie do pęczka neurotoksyny 6-OHDA jest często stosowanym sposobem modelowania choroby Parkinsona u zwierząt. Nasze obserwacje, że podanie 6-OHDA jednostronnie do pęczka przyśrodkowego przodomózgowia wywołuje również zmiany w drugiej półkuli mózgu, rzucają nowe światło na skutki działania tej toksyny w mózgu i skłaniają do dalszych badań w tym kierunku.


Skoro neurotoksyna naśladująca zmiany obecne w chorobie zmniejszała poziom ekspresji wybranych genów, to można by przypuszczać, że podanie leku będzie miało odwrotny wpływ. Dokładnie to pokazują wyniki naszych badań. Lewodopa podwyższyła względną ilość transkryptów większości badanych genów obniżoną przez 6-OHDA do poziomu nawet powyżej kontrolnego (bez toksyny). Działanie to było silniejsze przy wyższej dawce leku. Jednak komórki kory przedczołowej nie reagowały na podane substancje ekspresją wszystkich genów jednakowo. W obserwowanych zmianach ekspresji genów Atf3, Fos i Arc po podaniu lewodopy były zauważalne różnice między półkulami – efekt był silniejszy po uszkodzonej lewej stronie. Ponadto, lewodopa nie powodowała tak silnego wzmocnienia ekspresji genów receptorów dopaminowych D1 i D2 (Drd1 i Drd2). Wyjaśnienie molekularnych podstaw zaobserwowanych zmian stanowi dalszy cel badawczy.


Wyniki naszych badań sugerują, że objawy pozaruchowe choroby Parkinsona mogą wiązać się ze zmianami w poziomie ekspresji genów w neuronach, jak i komórkach glejowych w korze przedczołowej. Uszkodzenie neuronów dopaminowych pociąga za sobą modyfikacje w funkcjonowaniu oddziałujących z nimi tkanek, co pokazuje, jak bardzo skomplikowane procesy zachodzą w naszym mózgu. W naszym eksperymencie przyjrzeliśmy się jedynie kilku spośród tysięcy genów. Lepsze zrozumienie molekularnych podstaw dysfunkcji poznawczych w chorobie Parkinsona może przynieść zastosowanie analizy całego transkryptomu.


Mgr Anna Radlicka
Zakład Neurofarmakologii Molekularnej Instytutu Farmakologii PAN

Strona www: http://if-pan.krakow.pl/pl/zaklady/Zaklad-Neurofarmakologii-Molekularnej/
E-mail: radlicka@if-pan.krakow.pl

Bibliografia:

  1. Borrageiro, G., Haylett, W., Seedat, S., Kuivaniemi, H., & Bardien, S. (2018). A review of genome-wide transcriptomics studies in Parkinson’s disease. European Journal of Neuroscience, 47(1), 1–16. https://doi.org/10.1111/ejn.13760
  2. Kalia, L. V., & Lang, A. E. (2015). Parkinson’s disease. The Lancet, 386(9996), 896–912. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(14)61393-3
    Narayanan, N. S., Rodnitzky, R. L., & Uc, E. Y. (2013). Prefrontal dopamine signaling and cognitive symptoms of Parkinson’s disease. Reviews in the Neurosciences, 24(3), 267–278. https://doi.org/10.1515/revneuro-2013-0004
  3. Nieuwenhuys, R., Geeraedts, L. M., & Veening, J. G. (1982). The medial forebrain bundle of the rat. I. General introduction. The Journal of comparative neurology (Vol. 206). https://doi.org/10.1002/cne.902060106
  4. Schapira, A. H. V., Chaudhuri, K. R., & Jenner, P. (2017). Non-motor features of Parkinson disease. Nature Reviews Neuroscience, 18(7), 435–450. https://doi.org/10.1038/nrn.2017.6