A katekolamin-metabolizmus és a mitokondriális DNS-deléciók a dopaminerg neuronokban

A Parkinson-betegség két legfontosabb patológiai jellegzetességének tekintik a Lewy-testeknek nevezett intracelluláris protein aggregátumok jelenlétét, valamint a dopaminerg neuronok számának specifikus csökkenését a substrantia nigra adott pars compactájában. Embereknél ezek a neuronok neuromelanin nevű fekete pigmentet tartalmaznak. Amennyiben ennek mennyisége csökken, úgy dopaminhiány áll be a striatumban, ami a betegség jól ismert motoros tüneteit eredményezi. Érdekes megfigyelés, hogy e neuronok sérülékenysége meglehetősen szelektív, mivel a dopaminerg neuronok más populációi esetében nem következik be sejthalál.

Bár a Parkinson-betegség kialakulásának pontos mechanizmusa továbbra sem tisztázott, többféle celluláris kockázati tényezőt is azonosítottak, amelyek közül a legjelentősebb hatású az öregedés. A Parkinson-betegséget valóban gyakran emlegetik az öregedéssel összefüggő betegségként, mivel jelentkezésekor a betegek átlagéletkora 55 év körül van, és 65 éves kor felett incidenciája exponenciálisan emelkedik. Az egyéb celluláris rizikófaktorok sorában említendő bizonyos környezeti toxinok expozíciója, illetve egyes gének mutációi, melyek a korai kezdetű vagy az örökletes Parkinson-betegség kialakulását eredményezik. A feltételezések szerint ezek a tényezők sokféle sejttípus működését befolyásolják, és a kutatások elsősorban azokra a sejtspecifikus faktorokra összpontosulnak, melyek magyarázatot adhatnak a substantia nigra pars compactájában található dopaminerg neuronok szelektív sérülékenységére. A dopamin metabolizmusában részt vevő molekulák (például a reaktívoxigéngyökök és a dopamin oxidált köztes termékei), valamint a neuromelanin feltehetőleg fontos szerepet játszik a betegség létrejöttében, azonban a beszámolók nem egybehangzóak e tekintetben. Ugyanakkor annak oka is tisztázásra vár, hogy az életkor előrehaladtával miért válik egyre gyakoribbá az idiopátiás Parkinson-betegség előfordulása. Egyre több bizonyítékunk van arra nézve, hogy a mitokondriális diszfunkció legjelentősebb faktora a dopaminerg neuronok számának megfogyatkozása, mivel a parkinsonos tüneteket okozó anyagok (pl. rotenon) károsítják a mitokondriumok légzési láncolatát, illetve az örökletes Parkinson-betegséggel összefüggésbe hozott mutációk jelentős része a mitokondriális turnoverben és minőségszabályozásban részt vevő géntermékeket érinti. Végül meg kell említeni azokat a vizsgálatokat is, melyek korrelációt igazoltak az idősödés folyamata és mitokondriális diszfunkció között Parkinson-betegség kapcsán. Ezeknek a vizsgálatoknak az eredményei alapján egyértelmű, hogy az életkor előrehaladtával megnövekszik a mitokondriális DNSdelécióinak a száma a substantia nigra pars compactájának egyes dopaminerg neuronjaiban és az emberi agyban általában is , de különösképpen Parkinson-betegség kapcsán. A mutáns mitokondriális DNS-kópiák mennyiségének folyamatos növekedése fontos tényező lehet, a dopaminerg neuronok pusztulásának időskorban. A vizsgálatok azt jelzik, hogy ha a deléciók mennyisége elér egy kritikus szintet, az már mitokondriális diszfunkcióhoz vezet. Ugyanakkor fontos megjegyezni, hogy a neuronok többsége csak egyfajta deléciót tartalmaz, hasonlóan ahhoz, amit korábban az idősekből származó kardiomiociták során is tapasztalták. Ez arra utal, hogy öregedés során a deléciót hordozó mutáns klonális expanziója következik be.

Tekintettel a mitokondriális DNS delécióinak a Parkinson-betegség kialakulásában betöltött potenciális szerepére, alapvetőnek látszik, hogy a mostaninál bővebb ismeretekre tegyünk szert arról, hogy ezek miért összpontosulnak előszeretettel a substantis nigra pars compactájára. Bár e jelenség már két évtizeddel ezelőtt meggyőző módon bizonyítást nyert és mások éppen a közelmúltban is megerősítették, a háttérben álló mechanizmus máig nem tisztázott pontosan.

A fenti korábbi eredmények  ismeretében a szerzők jelen vizsgálatukban, in vivo és in vitro bizonyítékokat kerestek arra nézve, hogy a katekolamin-metabolizmus felgyorsulása milyen szerepet játszik abban, hogy a mitokondriális DNS-deléciók képződése és/vagy expanziója éppen a dopaminerg neuronokban összpontosul.

Anyag és módszerek

A jelenség vizsgálatára újszerű polimeráz láncreakció stratégiát dolgoztak ki, melynek segítségével képesek voltak kimutatni egyes mitokondriális DNS-deléciókat, valamint nyomon követni ezek felszaporodásának mintázatát. E megközelítést in vitro és in vivo modellekben egyaránt alkalmazták.

Eredmények

A vizsgálat eredményei azt jelzik, hogy neuromelanin jelenléte nem feltétlenül szükséges ahhoz, hogy a mitokondriális DNS-deléciók kitüntetett lokalizációkban akkumulálódjanak. Az asztrocitákban zajló dopamin turnover felgyorsulása következtében megemelkedik a mitokondriális DNS-deléciók szintje a substantia nigra területén. A mitokondriális DNS-deléciók elsősorban a katekolaminerg mellékvesevelő régiójára összpontosulnak. A SH-SY5Y sejtekben a mitokondriális DNS-deléciók a dopaminerg metabolizmus szabályozása alatt állnak. A substantia nigrát alkotó neuronok sérülékenysége nem a mitokondriális DNS-deléciók kitüntetett akkumulációjára vezethető vissza.

Következtetések

A vizsgálat tehát kísérletes bizonyítékkal szolgált arra, hogy a dopamin közvetlen szerepet játszik a dopaminerg neuronokban létrejövő mitokondriális DNS-deléciók kialakulásában és expanziójában, ami új információval bővíti a Parkinson-betegség patogenezisével kapcsolatos ismereteinket. A mitokondriális DNS-deléciók felszaporodása valóban az az összekötő kapocs lehet az idősödés folyamata és a Parkinson-betegség kialakulása között, melyet már régóta kerestek a szakemberek.

Forrás: Neuhaus JFG, et al. Catecholamine metabolism drives generation

of mitochondrial DNA deletions in dopaminergic neurons. Brain. 2014;137:354−365.