Projekti / Programi
Nanofiziologija eksocitoze v zdravih in bolezenskih razmerah
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 3.03.00 |
Medicina |
Nevrobiologija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| B000 |
Biomedicinske vede |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 3.01 |
Medicinske in zdravstvene vede |
Temeljna medicina |
astrociti, eksocitoza, nevrotrofični dejavnik (BDNF), holesterol, ketamin, depresija, umska manjzmožnost, superločljivostne mikroskopije
Raziskovalci (14)
Organizacije (2)
Povzetek
Medcelično sporazumevanje je pomemben proces, ki omogoča učinkovito delovanje večceličnih organizmov. Najbolj učinkovit način medceličnega sporazumevanja predstavlja uravnavana eksocitoza, ki je prisotna v praktično vseh celičnih tipih evkariontov. V procesu uravnavane esocitoze se signalne molekule tesno zapakirajo v z membrano obdane mešičke, ti mešički pa se nato transportirajo do tarčnih mest ob plazemski membrani. Ob ustreznem signalu, ki ga pogosto predstavlja lokalni dvig znotrajcelične koncentracije kalcija, se membrana mešičkov zlije s plazemsko membrano signalne molekule pa se sprostijo v zunajcelični prostor. V eni od prvih stopenj privede zlivanje membrane mešička s plazemsko membrano do ozke cevaste strukture - fuzijske pore, ki se nato razširi do take mere, da se mešiček popolnoma zlije s plazemsko membrano. Fuzijska pora je lahko tudi dalj časa stabilna in predstavlja oviro za sproščanje signalnih molekul iz mešička. Zaradi visoke specifičnosti in hitrosti procesa, je bilo dolgo časa uveljavljeno prepričanje, da je uravnavanje nastanka in hitrosti razširitve fuzijske pore izključna domena proteinov. Raziskave so potrdile, da imajo pri zlivanju mešičkov s plazemsko membrano pomembno vlogo številni proteini, kot so proteini SNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor) in proteini SM (Sec1/Munc18). Najnovejša odkritja pa so proteinom odvzela vlogo ekskluzivnih uravnalcev fuzije membran, saj je bilo pokazano, da lahko pri tem procesu aktivno sodelujejo tudi lipidi in njihovi metaboliti. Njihov vpliv na proces zlivanja membran je lahko neposreden (vpliv na biofizikalne lastnosti membrane - na primer z obliko molekule, ki je ugodna za močno ukrivljene regije membran) in posreden (med drugim lahko vplivajo na ionske kanalčke, ki vplivajo na lokalno koncentracijo različnih ionov, tudi kalcija). Pomemben predstavnik tovrstnih lipidov je holesterol, ki v plazemski membrani različnih celičnih tipov predstavlja okoli četrtino vseh lipidov. Vpliv celičnega holesterola na uravnavano eksocitozo še ni dobro raziskan; nekatere raziskave ocenjujejo, da holesterol pospeši uravnavano eksocitozo, druge pa, da jo zavre, kar ustvarja dihotomno sliko. Razlog je verjetno v nejasnem vplivu holesterola na različne ravni uravnavanja eksocitoze, še posebej pa je pomanjkljivo pojasnjen vpliv holesterola na začetne stopnje zlivanja membran, ki vključujejo nastanek in razširitev fuzijske pore. Na prisotnost holesterola pomembno vplivajo tudi različna zdravila. Pokazano je bilo, da visoke doze ketamina med anestezijo znižajo plazemske vrednosti holesterola. Ni pa znano, če imajo podoben efekt tudi nižje koncentracije ketamina, ki so pomembne za zdravljene depresij, bipolarne motnje in samomorilskih nagnjenj, niti ni znano če ketamin lahko povzroči tudi izčrpavanje holesterola iz plazemske membrane. Mehanizem delovanja ketamina, ki je povezan s protistresnim delovanjem še ni pojasnjen, znano pa je, da ketamin zviša raven nevrotrofičnega dejavnika možganskega izvora (BDNF) v možganih, medtem ko je raven BDNF v možganih ljudi, ki trpijo za depresijo znižana. BDNF sintetizirajo in izločajo z uravnavano eksocitozo nevroni. Izločeni BDNF lahko privzamejo in nato ponovno izločijo tudi astrociti. Najnovejše raziskave pa kažejo, da lahko astrociti BDNF tudi sintetizirajo in izločijo z uravnavano eksocitozo. Namen predlaganega projekta je raziskati vpliv dolgotrajnega zdravljenja z nižjimi koncentracijami ketamina na uravnavano eksocitozo BDNF iz astrocitov. Pri tem se bomo osredotočili tudi na vpliv holesterola na uravnavano eksocitozo, še posebej v začetnih fazah zlivanja mešičkov s plazemsko membrano, ki vključujejo nastanek in razširitev fuzijske pore. Predlagana raziskava bo omogočila nove vpoglede v temeljne mehanizme celičnih procesov, hkrati pa je pomembna tudi za namen translacije, in sicer za razvoja novih terapevtikov in razumevanje delovanja že obstoječih.
Pomen za razvoj znanosti
Predmet raziskav v predlaganem projektu je uravnavana eksocitoza, ki je eden od najbolj pomembnih načinov komunikacije med celicami. Pomembnost raziskav uravnavane eksocitoze v zadnjih petih desetletjih se med drugim odraža v Nobelovih nagradah za fiziologijo in medicino podeljenih leta 1970 (B. Katz, U. Euler in J. Axelrod) in leta 2013 (J.E. Rothman, R.W. Schekman, T. Sudhof) in v številnih boleznih povezanih z motnjami v procesu uravnavane eksocitoze. Kljub intenzivnim raziskavam pa so številna vprašanja povezana z mehanizmi uravnavane eksocitoze še neodgovorjena. Eno takih vprašanj predstavlja vloga različnih lipidov pri fuziji membran, ki je ena od zadnjih stopenj uravnavane eksocitoze. V predlaganem projektu bomo raziskali vlogo holesterola pri fuziji mešičkov s plazemsko membrano. Razumevanje teh procesov je fragmentarno tudi zaradi eksperimentalne nedostopnosti. Zato bomo uporabili metode, ki smo jih postavili in jih dodatno razvijamo v našem laboratoriju in omogočajo spremljanje fizioloških parametrov na ravni posamezne celice, celičnih organelov in posameznih molekul. Med omenjenimi metodami izstopata mikroskopija STED (razvita v sodelovanju s prof. dr. Stefan W. Hellom, prejemnikom Nobelove nagrade za kemijo 2014) in elektrofiziološke meritve membranske kapacitivnosti, za katero smo razvili ključne dele opreme (ojačevalnik, filter in programska oprema za zajemanje in analizo signalov) v našem laboratoriju.
Predlagani projekt bo:
a) poglobil razumevanje temeljnih celičnih procesov,
b) pomemben za prepoznavo novih tarč za razvoj novih terapevtikov,
c) pripomogel k nadaljnjemu razvoju naprednih eksperimentalnih metod.
Pomen za razvoj Slovenije
Cilj predlaganega projekta je raziskati nekatere mehanizme v procesu uravnavane eksocitoze, ki lahko vodijo v patološke nepravilnosti. Ti mehanizmi so pomembni za razumevanje nevroloških stranskih učinkov pri jemanju zdravil za znižanje holesterola (na primer statinov). Po podatkih Svetovne zdravstvene organizacije iz leta 2008, ima 39 % svetovne populacije povišan holesterol (http://www.who.int/gho/ncd/risk_factors/cholesterol_text/en/), ki je poleg visoke smrtnosti zaradi kardiovaskularnih zapletov povezan tudi s številnimi nevrološkimi boleznimi, na primer Alzheimerjevo boleznijo. Nadalje bomo raziskali tudi mehanizme delovanja ketamina, ki je sicer sredstvo za splošno anestezijo in analgezijo, nižje koncentracije ketamina pa predstavljajo eno od perspektivnih zdravil proti najpogostejši psihični bolezni – depresiji.
Izsledki raziskave torej ne bodo izključno omejeni na temeljne (pato)fiziološke raziskave celičnih mehanizmov, temveč bodo imeli širši pomen, saj bodo prispevali k identifikaciji novih potencialnih farmakoloških tarč za zdravljenje različnih nevroloških motenj.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
