Эти результаты представляют собой потенциально новую терапевтическую мишень для лечения судорожных расстройств, и они показывают необходимость лучшего понимания физиологии, лежащей в основе этих изменений нервной и мозговой цепей.
Белки — это рабочие лошадки живых клеток, и их деятельность жестко и быстро регулируется в ответ на меняющиеся условия. Добавление или удаление фосфорильной группы к белкам является хорошо известным регулятором для многих белков, и, по оценкам, белки человека могут иметь до 230000 сайтов фосфорилирования.
Менее известная регуляция происходит за счет добавления или удаления N-ацетилглюкозамина в белки, что обычно контролируется глюкозой, основным топливом для нейронов.
Несколько лет назад нейробиолог Лори МакМахон, доктор философии.D., профессор клеточной биологии, биологии развития и интегративной биологии в UAB, как выяснил ее коллега Джон Чатем, доктор философии.Фил., профессор патологии UAB и кардиолог-физиолог, выяснили, что клетки мозга имеют второе по величине количество белков с N-ацетилглюкозамином, или O-GlcNAcylation, в организме.
В то время было очень мало известно о том, как O-GlcNAcylation может влиять на функцию мозга, поэтому МакМахон и Чатем начали работать вместе. В 2014 году МакМэхон и Чатем в исследовании, проведенном аспирантом Эрикой Тейлор и его коллегами, сообщили, что резкое повышение уровня O-GlcNAцилирования белка вызывает долговременную синаптическую депрессию, снижение синаптической силы нейронов в гиппокампе мозга.
Это был первый случай, когда было показано, что острые изменения в O-GlcNA-цилировании нейрональных белков напрямую изменяют синаптическую функцию.
Поскольку нервная возбудимость в гиппокампе является ключевой особенностью судорог и эпилепсии, они предположили, что резкое увеличение O-GlcNA-цилирования белка может ослабить патологическую гипервозбудимость, связанную с этими заболеваниями головного мозга.
Оказалось, что это действительно так, как сообщается в исследовании Journal of Neuroscience: «Резкое повышение уровня O-GlcNAцилирования снижает эпилептиформную активность в гиппокампе."Исследование было проведено автором-корреспондентом МакМахоном и первым автором Люком Стюартом, докторантом по теме нейробиологии программы Graduate Biomedical Sciences.
Со-наставниками Стюарта являются МакМахон и Чатем.
«Наши результаты подтверждают вывод о том, что белок O-GlcNAcylation является регулятором возбудимости нейронов и представляет собой многообещающую цель для дальнейших исследований терапевтических средств для лечения судорожных расстройств», — написали они в своем заявлении о значимости исследования. Исследователи предупреждают, что механизм, лежащий в основе демпфирования, вероятно, будет сложным.
Детали исследования
Глюкоза, основное топливо для нейронов, также контролирует уровни O-GlcNA-цилирования белков. Однако высокий уровень глюкозамина в пищевой добавке или ингибитора фермента, удаляющего O-GlcNAclation, приводит к быстрому увеличению уровней O-GlcNAc.
В экспериментах с срезами головного мозга гиппокампа, обработанными так, чтобы вызвать стабильную и продолжающуюся гипервозбудимость, исследователи UAB обнаружили, что резкое повышение уровня O-GlcNAцилирования белка значительно снижает внезапные всплески электрической активности, известные как эпилептиформная активность в области CA1 гиппокампа. Повышенное O-GlcNA-цилирование белка в нормальных клетках также защищает от более поздней индукции лекарственно-индуцированной гипервозбудимости.
Эффект был замечен на срезах, обработанных как глюкозамином, так и ингибитором фермента, который удаляет группы O-GlcNAc. Они также обнаружили, что лечение одним глюкозамином в течение всего лишь 10 минут способно ослабить продолжающуюся гипервозбудимость, вызванную лекарствами.
Как и в случае долговременной синаптической депрессии, вызванной повышенным O-GlcNA-цилированием, для ослабления гипервозбудимости требовалась субъединица GluA2 рецептора AMPA, который является глутаматным ионным каналом, ответственным за быструю синаптическую передачу в головном мозге.
Это открытие указывает на законсервированный механизм двух изменений, вызванных повышенным O-GlcNAcylation — синаптической депрессии и ослабления гипервозбудимости.
Исследователи также обнаружили, что спонтанная активация пирамидных нейронов в другой области гиппокампа, области CA3, была снижена за счет увеличения O-GlcNAcylation в нормальных срезах мозга и срезах с гипервозбудимостью, вызванной лекарствами. Это уменьшение спонтанной активации пирамидных нейронов CA3, вероятно, способствует снижению гипервозбудимости в области CA1, поскольку нейроны CA3 напрямую возбуждают нейроны в CA1.
Подобно результатам для срезов головного мозга, у мышей, которых лечили для увеличения O-GlcNA-цилирования до появления лекарственной гипервозбудимости, было меньше всплесков активности мозга, связанных с эпилепсией, которые называются межприступными спайками.
У нескольких мышей с гипервозбудимостью, вызванной лекарственными препаратами, во время экспериментов наблюдались судорожные припадки — это произошло как у мышей с повышенным O-GlcNAcylation, так и у контрольных мышей. Активность мозга во время приступов различалась между этими двумя группами: пиковая мощность мозговой активности у мышей с повышенным O-GlcNAcylation происходила с более низкой частотой по сравнению с контрольными мышами.