Kennzeichnung winziger Proteine zur Untersuchung von Depressionswurzeln
Die Fähigkeit, deren Erreichung fast ein Jahrzehnt gedauert hat, ermöglicht es, die Serotoninregulation auf einem neuen Niveau zu untersuchen, was laut den Forschern aufgrund der Schlüsselrolle, die Serotonin bei der Regulierung von Stimmung, Appetit und Schlaf spielt, wichtig ist.
Das regulatorische Protein, das die Wissenschaftler erfolgreich markiert haben, ist als Serotonintransporter bekannt. Es erstreckt sich durch die Membran, die die äußere Oberfläche des Nervs bildet, und wirkt wie ein Staubsauger, der Serotoninmoleküle in den Zellkörper und von Serotonin-Zielrezeptoren anderer Zellen wegsaugt und die Serotoninkonzentration im Bereich um die Zelle reguliert.
Serotonintransporter sind ein wichtiges Forschungsthema, da sie das Ziel für die häufigsten Medikamente zur Behandlung von Depressionen sind, darunter Prozac, Paxil und Lexapro, so die Forscher.
"Wenn Sie an psychischer Gesundheit interessiert sind, sind Serotonintransporter ein ideales Thema", sagte Sandra Rosenthal, Ph.D., die Jack und Pamela Egan Lehrstuhl für Chemie, die die Studie mit Randy Blakely, Ph.D., leitete Allan D. Bass Professor für Pharmakologie und Psychiatrie.
Die Forscher stellten fest, dass Probleme mit der Serotonintransporterregulation auch mit Autismus zusammenhängen. Vor zwei Jahren berichteten Blakely und der Genetiker James Sutcliffe über die Entdeckung mehrerer Veränderungen im Serotonin-Transporter-Protein, die dazu führen, dass der Transporter bei Menschen mit Autismus „überaktiv“ wird.
Kürzlich berichteten Blakely und Jeremy Veenstra-VanderWeele, M. D., dass Mäuse, die einen dieser hochfunktionellen Transporter exprimieren, mehrere Verhaltensänderungen aufweisen, die Veränderungen ähneln, die bei Kindern mit Autismus beobachtet wurden.
Versuche zu verstehen, wie diese Transporter funktionieren, waren nach Ansicht der Wissenschaftler durch die Schwierigkeit, ihr Verhalten zu untersuchen, begrenzt.
"In der Vergangenheit waren wir auf Schnappschüsse beschränkt, die die Position von Transportermolekülen zu einem bestimmten Zeitpunkt zeigen", sagte der Chemiestudent Jerry Chang, der die Markierungstechnik entwickelte. "Jetzt können wir ihre Bewegung auf der Oberfläche von Zellen in Echtzeit verfolgen und sehen, wie sich ihre Bewegungen auf die Serotoninaufnahmeaktivität auswirken."
Die von den Forschern verwendeten fluoreszierenden Markierungen sind nanoskalige Perlen, sogenannte Quantenpunkte, die aus einer Mischung von Cadmium und Selen hergestellt werden. Die Perlen sind nur geringfügig größer als die Proteine, die sie markieren: Man müsste 10.000 aneinander reihen, um die Breite eines menschlichen Haares zu überspannen, erklären die Forscher.
Quantenpunkte senden bei Beleuchtung farbiges Licht aus und kleine Größenänderungen lassen sie in verschiedenen Farben leuchten. Einer der Forscher, Ian D. Tomlinson, Ph.D., entwickelte eine spezielle molekulare Kette, die an einem Ende an den Quantenpunkt und am anderen Ende an ein Arzneimittelderivat bindet, das an den Serotonintransporter bindet.
Wenn eine Mischung, die diese Quantenpunkte enthält, mit kultivierten Nervenzellen inkubiert wird, bindet sich das Arzneimittel an den Transporter. Während sich das Protein bewegt, zieht es den Quantenpunkt dahinter wie ein Kind, das einen Ballon an einer Schnur hält, erklärte er. Wenn der Bereich beleuchtet wird, erscheinen die Quantenpunkte in einem Mikroskop als farbige Lichtpunkte.
Die Forscher setzten ihr neues Verfahren ein und untersuchten Erweiterungen der Nervenzellen, die an der Sekretion von Serotonin beteiligt sind. Aufgrund früherer Untersuchungen vermuteten die Forscher, dass sich die Transporter auf cholesterinreiche Teile dieser Erweiterungen konzentrieren würden, die als Flöße bezeichnet werden, obwohl der Auflösungsgrad bei Standardansätzen nicht ausreichte, um Hinweise darauf zu geben, was sie dort taten.
Die Quantenpunktstudien zeigten, dass es zwei unterschiedliche Transporter gab: diejenigen, die sich frei um die Membran bewegen können, und diejenigen, die so tun, als ob sie sich nicht bewegen könnten. Sie fanden heraus, dass sich die unbeweglichen Transporter in den Flößen befanden.
Als sie die Zelle dazu anregten, die Transporteraktivität zu erhöhen, waren sie überrascht, was passiert war. "Wir haben festgestellt, dass sich die Transporter in den Flößen viel schneller bewegten, während sich die Bewegung der anderen Bevölkerung überhaupt nicht änderte", berichtete Rosenthal.
Da die mobilisierten Transporter die Flöße nicht verlassen, scheinen sie in einem engen Abteil herumzusausen, als würden sie von Ketten befreit, die sie normalerweise unter Kontrolle halten. Diese Beobachtungen legen nahe, dass es wahrscheinlich ist, dass die beiden Populationen durch unterschiedliche Regulationswege kontrolliert werden.
"Jetzt, da wir beobachten können, wie die Transporterregulation tatsächlich stattfindet, sollten wir in der Lage sein, die Identität der Verankerungsproteine und die Signale herauszufinden, auf die diese Proteine reagieren, damit Transporter zwischen niedrigen und hohen Aktivitätsniveaus hin und her wechseln können", sagte Blakely.
"Derzeit müssen Antidepressiva die Serotonintransporter des Gehirns vollständig abschalten, um einen klinischen Nutzen zu erzielen", fügte er hinzu und stellte fest, dass dies eine Reihe unangenehmer Nebenwirkungen wie Übelkeit, Gewichtszunahme, sexuelle Probleme, Müdigkeit und Schläfrigkeit hervorrufen kann.
"Wenn wir die grundlegenden Mechanismen verstehen, die die Aktivität des Serotonintransporters auf natürliche Weise erhöhen und verringern, können wir möglicherweise Medikamente entwickeln, die mildere Nebenwirkungen hervorrufen und eine noch größere Wirksamkeit aufweisen", sagte er. "Unser Ziel ist es auch, das, was wir mit normalen Serotonintransportern gelernt haben, auf ein Verständnis der hyperaktiven Transporter zu übertragen, die wir bei Kindern mit Autismus gefunden haben."
Quelle: Vanderbilt University
