Введение
Молекулярная нейронаука – это раздел нейронауки, изучающий концепции молекулярной биологии в применении к нервным системам животных. Область этой дисциплины охватывает такие темы, как молекулярная нейроанатомия, механизмы молекулярной передачи сигналов в нервной системе, влияние генетики и эпигенетики на развитие нейронов, а также молекулярные основы нейропластичности и нейродегенеративных заболеваний. Как и молекулярная биология, молекулярная нейронаука – относительно новая и быстро развивающаяся область.
Molecular neuroscience is a branch of neuroscience that observes concepts in molecular biology applied to the nervous systems of animals. The scope of this subject covers topics such as molecular neuroanatomy, mechanisms of molecular signaling in the nervous system, the effects of genetics and epigenetics on neuronal development, and the molecular basis for neuroplasticity and neurodegenerative diseases. As with molecular biology, molecular neuroscience is a relatively new field that is considerably dynamic.
Локализация нейротрансмиттеров
В молекулярной биологии связь между нейронами обычно осуществляется посредством химической передачи сигналов через промежутки между клетками, называемые синапсами. Передаваемые химические вещества, известные как нейротрансмиттеры, регулируют значительную часть жизненно важных функций организма. Анатомически нейротрансмиттеры можно обнаружить с помощью методов мечения. Химически можно идентифицировать некоторые нейротрансмиттеры, такие как катехоламины, путем фиксации срезов нервной ткани формальдегидом. Это может вызывать флуоресценцию, индуцированную формальдегидом, при воздействии ультрафиолетового света. Допамин, являющийся катехоламином, был идентифицирован в нематоде C. elegans с использованием этой методики. Иммуноцитохимия, включающая получение антител к целевым химическим или биологическим структурам, охватывает несколько других интересных методов. Конкретный нейротрансмиттер может быть специфически помечен первичными и вторичными антителами с радиоактивной меткой для его идентификации посредством авторадиографии. Наличие нейротрансмиттеров (хотя и не обязательно их локализацию) можно определить в иммуноцитохимических анализах или иммуноферментном анализе (ELISA), в которых связывание субстрата в ферментативных реакциях может приводить к образованию осадка, флюорофоров или хемолюминесценции. Если нейротрансмиттеры не удается идентифицировать гистохимически, альтернативным методом является их локализация по механизмам нейронного захвата.
Натриевые ионные каналы
Натриевые каналы были первыми вольтаж-зависимыми ионными каналами, выделенными в 1984 году Шосаку Нума из электрического угрей *Electrophorus electricus*. Для выделения белка натриевого канала использовали тетродотоксин (ТТХ), токсин фугу, который является блокатором натриевых каналов, связывая его с помощью колоночной хроматографии для химического разделения. Аминокислотная последовательность белка была определена методом деградации Эдмана, а затем использована для создания кДНК-библиотеки, которую можно было использовать для клонирования белка канала. Клонирование самого канала позволило идентифицировать аналогичные каналы у других животных.
Выделение нейротрансмиттеров зависит от кальция
Выделение нейротрансмиттеров зависит от поступления ионов Ca2+ извне, которые проникают в аксонные терминалы через вольтаж-зависимые кальциевые каналы. Слияние везикул с терминальной мембраной и высвобождение нейротрансмиттера вызываются формированием градиентов Ca2+, индуцированных приходящими потенциалами действия. Ионы Ca2+ обеспечивают мобилизацию вновь синтезированных везикул из резервного пула для осуществления этого мембранного слияния. Этот механизм действия был впервые обнаружен в гигантских аксонах кальмаров. Снижение концентрации внутриклеточных ионов Ca2+ оказывает прямое ингибирующее действие на высвобождение нейротрансмиттеров. Наблюдение за генами, демонстрирующими зависимость от пола, может иметь клиническое значение для изучения физиологии мозга и потенциальных связанных (прямо или косвенно) неврологических расстройств. Примеры заболеваний, в развитии которых наблюдается влияние пола, включают болезнь Гентингтона, церебральную ишемию и болезнь Альцгеймера. Показано, что эпигенетический контроль играет важную роль в высокой пластичности на ранних этапах развития, определяя его значимость в критический период жизни организма. Примеры влияния эпигенетических изменений на мозг человека: повышенный уровень метилирования генов рРНК в гиппокампе приводит к снижению выработки белков, что, в свою очередь, может ограничить функции гиппокампа и вызвать нарушения обучения и памяти, а также суицидальные наклонности. В исследовании, сравнивающем генетические различия между здоровыми людьми и пациентами с психическими расстройствами, было выявлено 60 различных эпигенетических маркеров, связанных с передачей сигналов в клетках мозга.
diseases with sex biases in development include Huntington's disease, cerebral ischemia, and Alzheimer's disease. Epigenetic control has been shown to be involved in high levels of plasticity in early development, thereby defining its importance in the critical period of an organism. Examples of how epigenetic changes can affect the human brain are as follows:
Higher methylation levels in rRNA genes in the hippocampus of the brain results in a lower production of proteins and thus limited hippocampal function can result in learning and memory impairment and resultant suicidal tendencies. In a study comparing genetic differences between healthy people and psychiatric patients 60 different epigenetic markers associated with brain cell signaling were found.
Болезнь Альцгеймера
Болезнь Альцгеймера – наиболее распространенное нейродегенеративное заболевание и самая частая форма деменции у пожилых людей. Заболевание характеризуется прогрессирующей потерей памяти и различных когнитивных функций. Выдвигается гипотеза, что отложение пептида β-амилоида (состоящего из 40-42 аминокислотных остатков) в мозге играет ключевую роль в развитии болезни Альцгеймера. Считается, что накопление блокирует долговременную потенциацию в гиппокампе. Также не исключено, что рецептором для олигомеров β-амилоида может являться прионный белок.
Болезнь Паркинсона
Болезнь Паркинсона является вторым по распространенности нейродегенеративным заболеванием после болезни Альцгеймера. Это гипокинетическое заболевание базальных ганглий, вызванное потерей дофаминергических нейронов в черной субстанции головного мозга человека. В результате ингибиторный выход из базальных ганглий не снижается, и верхние мотонейроны, модулируемые таламусом, не активируются своевременно. Специфические симптомы включают ригидность, нарушения осанки, замедленность движений и тремор. Блокирование GABA-ергической передачи от средних шиповатых нейронов к клеткам reticulata вызывает ингибирование верхних мотонейронов, аналогичное тому, что наблюдается при болезни Паркинсона.
Болезнь Хантингтона
Болезнь Хантингтона – это гиперкинетическое заболевание базальных ганглий, вызванное недостатком нормальных тормозных сигналов от средних шиповатых нейронов базальных ганглий. Это проявляется эффектами, противоположными тем, что наблюдаются при болезни Паркинсона, включая неадекватную активацию верхних мотонейронов. Подобно GABA-ергическим механизмам, наблюдаемым при болезни Паркинсона, введение агониста GABA в ретикулярную часть черной субстанции снижает торможение верхних мотонейронов, что приводит к баллистическим непроизвольным движениям, сходным с симптомами болезни Хантингтона.