Μοριακοί και φυσιολογικοί μηχανισμοί πλαστικότητας νευρώνων του κεντρικού νευρικού συστήματος: ρόλος του ασβεστίου

Abstract

Το σύστημα γιγαντιαίων αξόνων (ΣΓΑ), το οποίο ρυθμίζει τη συμπεριφορά διαφυγής στη Drosophila, έχει χαρακτηριστεί ως ένα πρότυπο νευρωνικό κύκλωμα, αποτελούμενο από φωτοϋποδοχείς, ενδιάμεσους και κινητικούς νευρώνες, και μύες. Έχει μελετηθεί εκτενώς τόσο η ανατομία και φυσιολογία του, όσο η ανάπτυξή του κατά τη μεταμόρφωση. Σύμφωνα μάλιστα με την παρούσα διατριβή, το ΣΓΑ είναι σε θέση να λειτουργήσει αξιόπιστα, αμέσως μετά την εκκόλαψη του εντόμου, υποδεικνύοντας ότι η έναρξη και η ωρίμανση της λειτουργίας του συστήματος λαμβάνει χώρα νωρίτερα της εκκόλαψης. Εξαίρεση αποτελεί μία χαμηλή αλλά σταθερή αύξηση του χρόνου μετάδοσης του σήματος στα νεοεκκολαπτόμενα άτομα. Επομένως, η λεπτομερής γνώση του ΣΓΑ έχει καταστήσει το κύκλωμα αυτό ένα χρήσιμο εργαλείο για την εξιχνίαση του ρόλου σημαντικών πρωτεϊνών, που εμπλέκονται στην ανάπτυξη και λειτουργία νευρωνικών κυκλωμάτων. Η επιλογή των υποψήφιων νευρώνων για το σχηματισμό ή όχι μίας νέας σύναψης, κατά την ανάπτυξη, ρυθμίζεται από τη νευρική δραστηριότητα και από μηχανισμούς Ca2+. Η δράση της ασβεστοεξαρτώμενης πρωτεΐνης CaMKII κρίνεται απαραίτητη για την αναπτυξιακή ευπλαστότητα νευρομυϊκών ή κεντρικών συνάψεων διαφόρων συστημάτων. Παρ’ όλα αυτά, η μελέτη της CaMKII, κατά την ανάπτυξη του ΣΓΑ, ήταν εκείνη που προσέφερε τη δυνατότητα εκτίμησης του ρόλου της συγκεκριμένης πρωτεΐνης σε ένα κύκλωμα που περιλαμβάνει μία σειρά από διαφορετικές συνάψεις. Η μόνιμα ασβεστοανεξάρτητη μεταλλαγμένη μορφή της CaMKII-T287D επηρεάζει την ανάπτυξη των χολινεργικών συνάψεων του ΣΓΑ, τόσο στους δενδρίτες των γιγαντιαίων νευρώνων όσο στους θωρακικούς κινητικούς νευρώνες, αναστέλλοντας την επαγόμενη από το φως συμπεριφορά διαφυγής. Η στοχευόμενη έκφραση της μεταλλαγμένης πρωτεΐνης απέδειξε παράλληλα ότι η συναπτική δυσλειτουργία σχετίζεται αποκλειστικά με τη μετασυναπτική περιοχή. Η CaMKII-T287D, ωστόσο, τροποποιεί σε διαφορετικό βαθμό τη λειτουργικότητα των χολινεργικών συνάψεων, ενώ αφήνει ανεπηρέαστες τις γλουταματεργικές νευρομυϊκές συνάψεις, αποδεικνύοντας ένα ποικίλο τρόπο δράσης της CaMKII στις διαφορετικές συνάψεις του ίδιου κυκλώματος. Περιορίζοντας, επιπλέον, την έκφραση της μεταλλαγμένης πρωτεΐνης στο ενήλικο στάδιο, η λειτουργικότητα του ΣΓΑ δεν τροποποιείται, αποκλείοντας κατ’ αυτόν τον τρόπο ένα πιθανό ρόλο της CaMKII στη συναπτική ευπλαστότητα. Συνεπώς, η ρύθμιση της αυτοφωσφορυλίωσης της CaMKII φαίνεται να συμβάλει ουσιαστικά στην ανάπτυξη κεντρικών χολινεργικών συνάψεων, που παρά τη χρήση ενός κοινού νικοτινικού υποδοχέα, επηρεάζονται σε διαφορετικό βαθμό από τη δράση της συγκεκριμένης κινάσης. Πέρα από την πρωτεΐνη CaMKII, το ΣΓΑ χρησιμοποιήθηκε και για την εκτίμηση του πιθανού ρόλου της πρωτεΐνης 14-3-3ε (D14-3-3ε στη Drosophila) στη λειτουργία ενός νευρικού κυκλώματος. Η πρωτεΐνη D14-3-3ε συναντάται σε όλους τους ιστούς, κατά τη διάρκεια όλων των αναπτυξιακών σταδίων της μύγας, με μία μικρή αύξηση στον ενήλικο εγκέφαλο. Η έλλειψη της πρωτεΐνης D14-3-3ε φαίνεται να επηρεάζει τη λειτουργία των κυκλωμάτων των οπτικών λοβών, όχι όμως και τη λειτουργία του υποκυκλώματος που περιλαμβάνεται μεταξύ γιγαντιαίων νευρώνων και πτητικών μυών. Η πανταχού απουσία της πρωτεΐνης D14-3-3ε, ή αποκλειστικά από όλους τους νευρώνες, αυξάνει το χρόνο και μειώνει την πιστότητα μετάδοσης του σήματος, ενώ παράλληλα επιταχύνει την εκδήλωση εξοικείωσης στις συνάψεις των οπτικών κυκλωμάτων του ΣΓΑ. Τα ευρήματα αυτά αποτέλεσαν τα πρώτα βάσιμα στοιχεία για την εμπλοκή της πρωτεΐνης D14-3-3ε σε συγκεκριμένες λειτουργίες του νευρικού συστήματος