Каиновая кислота: нейротоксин и инструмент для изучения мозга.

Введение

Каиновая кислота, или каинат, – это кислота, которая естественным образом содержится в некоторых морских водорослях. Каиновая кислота является мощным агонистом нейровозбуждающих аминокислот, действующим путем активации рецепторов глутамата – основного возбуждающего нейромедиатора в центральной нервной системе. Глютамат образуется в результате метаболических процессов клетки, и существует четыре основных класса глутаматных рецепторов: NMDA-рецепторы, AMPA-рецепторы, каинатовые рецепторы и метаботропные глутаматные рецепторы. Каиновая кислота является агонистом каинатных рецепторов, относящихся к типу ионотропных глутаматных рецепторов. Каинатовые рецепторы, вероятно, контролируют натриевый канал, который генерирует возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП) при связывании глутамата. Каиновую кислоту обычно вводят в лабораторных моделях животных для изучения эффектов экспериментальной абляции. Каиновая кислота является прямым агонистом глутаматных каинатных рецепторов, и большие дозы концентрированных растворов вызывают быструю гибель нейронов в результате чрезмерной стимуляции, приводящей к их смерти. Такое повреждение и гибель нейронов называется экзитотоксическим поражением. Таким образом, в больших, концентрированных дозах каиновая кислота может рассматриваться как нейротоксин, а в малых дозах разбавленных растворов – как химический стимулятор нейронов. Фактически, каинат, по-видимому, регулирует серотонинергическую активность в сетчатке позвоночных. Электрическая стимуляция определенных областей мозга обычно осуществляется путем пропускания электрического тока через проводник, вводимый в мозг для поражения конкретной области. Электрическая стимуляция неспецифически разрушает все вблизи кончика электрода, включая тела нейронов и аксоны, проходящие через эту область; поэтому сложно однозначно связать эффекты поражения с конкретной областью. Химическая стимуляция обычно проводится через канюлю, вводимую в мозг посредством стереотаксической хирургии. Химическая стимуляция, хотя и более сложна, чем электрическая, имеет явное преимущество в активации тел клеток, но не близлежащих аксонов, поскольку только тела клеток и дендриты содержат глутаматные рецепторы. Следовательно, химическая стимуляция каиновой кислотой более локализована, чем электрическая стимуляция. Как химические, так и электрические поражения потенциально могут вызвать дополнительное повреждение мозга из-за самой природы вводимого электрода или канюли. Поэтому наиболее эффективные исследования абляции проводятся в сравнении с ложным поражением, которое воспроизводит все этапы создания поражения мозга, за исключением того, который фактически вызывает повреждение мозга, то есть инъекции каиновой кислоты или воздействия электрического тока.

Kainic acid, or kainate, is an acid that naturally occurs in some seaweed. Kainic acid is a potent neuroexcitatory amino acid agonist that acts by activating receptors for glutamate, the principal excitatory neurotransmitter in the central nervous system. Glutamate is produced by the cell's metabolic processes and there are four major classifications of glutamate receptors: NMDA receptors, AMPA receptors, kainate receptors, and the metabotropic glutamate receptors. Kainic acid is an agonist for kainate receptors, a type of ionotropic glutamate receptor. Kainate receptors likely control a sodium channel that produces excitatory postsynaptic potentials (EPSPs) when glutamate binds. Kainic acid is commonly injected into laboratory animal models to study the effects of experimental ablation. Kainic acid is a direct agonist of the glutamic kainate receptors and large doses of concentrated solutions produce immediate neuronal death by overstimulating neurons to death. Such damage and death of neurons is referred to as an excitotoxic lesion. Thus, in large, concentrated doses kainic acid can be considered a neurotoxin, and in small doses of dilute solution kainic acid will chemically stimulate neurons. In fact, kainate seems to regulate serotonergic activity in the vertebrate retina. Electrical stimulation of designated areas of the brain are generally administered by passing an electric current through a wire that is inserted into the brain to lesion a particular area of the brain. Electrical stimulation indiscriminately destroys anything in the vicinity of the electrode tip, including neural bodies and axons of neurons passing through; therefore it is difficult to attribute the effects of the lesion to a single area. Chemical stimulation is typically administered through a cannula that is inserted into the brain via stereotactic surgery. Chemical stimulation, while more complicated than electrical stimulation, has the distinct advantage of activating cell bodies, but not nearby axons, because only cell bodies and subsequent dendrites contain glutamate receptors. Therefore, chemical stimulation by kainic acid is more localized than electrical stimulation. Both chemical and electrical lesions potentially cause additional damage to the brain due to the very nature of the inserted electrode or cannula. Therefore, the most effective ablation studies are performed in comparison to a sham lesion that duplicates all the steps of producing a brain lesion except the one that actually causes the brain damage, that is, injection of kainic acid or administration of an electrical shock.

Биосинтез

В 2019 году Чекан и др. использовали биоинформатические инструменты для поиска гомологов генов, связанных с образованием домоевой кислоты, в водоросли Digenea simplex. Исследователи идентифицировали кластер, содержащий гены, идентифицированные как гены биосинтеза кайниновой кислоты (kab). Этот кластер содержит аннотированную N-пренилтрансферазу, α-кетоглутаратзависимую диоксигеназу (αKG) и несколько ретротранспозируемых элементов. Чтобы подтвердить производство кайниновой кислоты посредством идентифицированного кластера, Чекан и др. экспрессировали гены в Escherichia coli и подтвердили ферментативные функции каждого предполагаемого гена. Первый этап пути включает N-пренилтрансферазу KabA, которая катализирует пренилирование L-глутаминовой кислоты диметилаллилпирофосфатом (DMAPP) с образованием промежуточного продукта N-диметилаллил-L-глутаминовой кислоты (прекаиновой кислоты). Затем KabC катализирует стереоконтролируемое образование тризамещенного пирролидинового кольца, превращая прекаиновую кислоту в конечную кайниновую кислоту. KabC также смог произвести другой изомер кайниновой кислоты – лактон кайниновой кислоты.

Возникновение

Каиновая кислота была впервые выделена из морских водорослей Digenea simplex и Chondria armata в 1953 году. В Японии их называют "Kainin sou" или "Makuri" и используют как противоглистное средство.

Фармакологическая активность

Каиновая кислота используется в первичных культурах нейронных клеток и при подготовке острых срезов мозга для изучения физиологического эффекта экситотоксичности и оценки нейропротекторных свойств потенциальных терапевтических средств. Каиновая кислота является мощным возбудителем центральной нервной системы, применяемым в исследованиях эпилепсии для индуцирования судорог у экспериментальных животных, обычно в дозе 10–30 мг/кг у мышей. Помимо индуцирования судорог, каиновая кислота обладает экситотоксическим и эпилептогенным действием. Каиновая кислота вызывает судороги посредством активации каинат-рецепторов, содержащих субъединицу GluK2, а также через активацию AMPA-рецепторов, для которых она выступает в качестве частичного агониста. Кроме того, инфузия каиновой кислоты в гиппокамп животных приводит к значительному повреждению пирамидальных нейронов и последующей судорожной активности. Возникшая в 2000 году нехватка поставок привела к существенному увеличению стоимости каиновой кислоты.