 |
Abhd4 serine hydrolase, an enigmatic member of the endocannabinoid system: molecular, anatomical and functional characterization in the developing neocortex
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
116915 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Katona, István |
| Title in Hungarian |
Abhd4 szerin-hidroláz, az endokannabinoid rendszer ismeretlen elemének molekuláris, anatómiai és funkcionális jellemzése a fejlődő agykéregben |
| Title in English |
Abhd4 serine hydrolase, an enigmatic member of the endocannabinoid system: molecular, anatomical and functional characterization in the developing neocortex |
| Keywords in Hungarian |
kannabinoid, lipid, radiális glia, őssejt, apoptózis, kadherin |
| Keywords in English |
cannabinoid, lipid, radial glia, stem cell, apoptosis, cadherin |
| Discipline |
| Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences) | 100 % |
|
| Panel |
Neurosciences |
| Department or equivalent |
Laboratory of Molecular Neurobiology (Institute of Experimental Medicine) |
| Participants |
Balogi, Zsolt
Barti, Benjámin
Kovács, Emese
László, Zsófia
Lele, Zsolt
Tóth, Blanka
Varga, Balázs Viktor
|
| Starting date |
2016-02-01 |
| Closing date |
2020-01-31 |
| Funding (in million HUF) |
72.731 |
| FTE (full time equivalent) |
20.45 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az endokannabinoid jelpálya jelentősége a szinaptikus jelátvitel szabályozásában jól ismert a felnőtt idegrendszerben. Újabban azonban fény derült az endokannabinoidok meglepően sokszínű funkciójára a fejlődő agyban is, ahol szerepet játszanak számos fejlődési lépésben, mint például a proliferációban, a sejtsors meghatározásában, a sejtciklusból kilépésben, sejtvándorlásban, axonnövekedésben és a szinapszisok kialakulásában. Ezt a funkcionális sokszínűséget tükrözi az endokannabinoid rendszer molekuláris komplexitása, felvetve annak a lehetőségét, hogy az eltérő fiziológiai szerepek betöltéséhez különböző molekuláris szereplők szükségesek. Az endokannabinoid jelpálya prenatális szerveződése ugyanakkor kevéssé feltárt, ismereteink ellentmondásosak. Az anandamid szintje például már embrionális korban is magas, ugyanakkor az előállításához szükséges szintetizáló enzim, a NAPE-PLD csak a 10. posztnatális napon jelenik meg az idegrendszerben. Előkísérleteinkben feltártuk, hogy egy új szerin-hidroláz, az abhidroláz 4 (Abhd4), amely egy alternatív anandamid szintézisútvonal eleme lehet, megtalálható a radiális glia progenitor sejtekben már az embrionális fejlődés 16. napján is. Ezért kutatási programunk elsődleges célja az Abhd4 molekuláris, anatómiai és funkcionális jellemzése a fejlődő agykéregben. Kísérleteinkben funkciónyeréssel- és funkcióvesztéssel járó paradigmákban, valamint in vitro és in vivo modellrendszerekben lipidomikai, molekuláris és nagy felbontású képalkotó eljárásokkal tervezzük felderíteni az Abhd4 szabályozó mechanizmusait, celluláris és szubcelluláris eloszlását, valamint alapvető jelentőségét a sejtadhézió és a sejthalál folyamatának összekapcsolásában.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Egyre több eredmény utal az endokannabinoid rendszer kulcsszerepére az agyfejlődés számos stádiumában. Habár a 2-arachidonilglicerin endokannabinoid jelmolekula prenatális szerepe és metabolikus enzimei már viszonylag jól ismertek, az anandamid fejlődés-neurobiológiai jelentőségéről csak korlátozott információ áll rendelkezésre. Kutatási programunkban azt a hipotézist szeretnénk tesztelni, hogy az Abhd4 szerin-hidroláz az anandamid jelpálya fontos eleme lehet a fejlődő agykéregben. Kísérleti célunk az Abhd4-függő lipidprofil azonosítása neuronális progenitor sejtkultúrákban és embrionális neokortexben, különös tekintettel az Abhd4 anandamid-szintézisben játszott szerepére. Ezután szeretnénk feltárni az Abhd4 által elindított endokannabinoid jelátviteli útvonal lépéseit a potenciális anandamid receptorok (a CB1 és CB2 kannabinoid receptorok, valamint a TRPV1 vanilloid receptor) szerepének vizsgálatával. További fontos eleme a tervezett munkának az Abhd4 pontos celluláris és szubcelluláris eloszlásának átfogó anatómiai elemzése a fejlődő agykéregben. Előkísérleteink eredményei alapján tervezzük az Abhd4 szerepének célzott vizsgálatát az anoikisz jelenségében, amely az extracelluláris kapcsolatait elveszítő, de még osztodó progenitor sejtekre jellemző programozott sejthalál folyamata. Végül azonosítani fogjuk azokat a transzkripciós és poszt-transzkripciós szabályozó mechanizmusokat, amelyek az Abhd4 specifikus expressziójáért felelősek a radiális glia progenitor sejtekben, és amelyek felelősek az osztódás után a neuronális fejlődésű utódsejtekben az Abhd4 szint gyors csökkentéséért, hogy a migráló posztmitotikus neuronok meg tudjanak szökni a programozott sejthalál elől.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Jól ismert, hogy az endokannabinoid rendszer molekuláris elemeinek mutációi hozzájárulhatnak egyes pszichiátriai betegségek kialakulásához és egyre több tanulmány igazolta azt is, hogy a krónikus kannabiszfogyasztás károsítja az agy fejlődését. Ezért fontos kutatási prioritás, hogy az endokannabinoid rendszer szerepét pontosan megértsük a fejlődő idegrendszerben. Tekintettel a legújabb trendekre, amelyek a kannabiszszármazékok korlátlan használatát támogatják, rendkívül fontos azonosítani azokat a biológiai mechanizmusokat, amelyek az anyai kannabiszfogyasztásnak köszönhetően károsodhatnak a magzati idegrendszerben, és ennek kapcsán a közvélemény felvilágosítása szükséges a rendszeres kannabiszfogyasztás káros mellékhatásairól. Az általunk kitűzött kutatási program fő célja ezért az endokannabinoid rendszer molekuláris szerveződésének és élettani jelentőségének feltárása a fejlődő agykéregben. Ennek keretében egy új enzim, az abhidroláz 4 (Abhd4) részletes vizsgálatára fogunk fókuszálni, amely az endokannabinoid rendszer tagja, de jelenléte és jelentősége az idegrendszerben még nem ismert. Előkísérleteinkben felfedeztük, hogy az Abhd4 specifikusan a radiális glia progenitor sejtekben található, ahol fontos szerepet játszik az anoikisz-típusú apoptózisban. Ezért a tervezett kutatási programunk nemcsak az Abhd4 molekuláris, anatómiai és funkcionális tulajdonságait fogja feltárni, hanem új ismereteket fog nyújtani az anoikisz molekuláris mechanizmusáról is, valamint megválaszolhatja azt az alapvető koncepcionális kérdést, hogy hogyan szöknek meg a vándorló posztmitotikus idegsejtek az apoptózis elől fiziológás körülmények között, miután leépítették extracelluláris kapcsolatrendszerüket. Az anoikisz-rezisztencia ugyanakkor egy fontos patofiziológiai jelenség is, például a daganotok áttétképződésében van kóros szerepe. Ezért várható eredményeink túlmutatnak az idegtudományi kutatások keretein és komoly jelentőségük lehet az őssejt- és a tumorbiológiában is. Mivel a daganat-okozta halálozások jelentős részében nem a primer tumor, hanem a másodlagos, metasztatikus tumorok állnak a háttérben, ezért gyógyászati szempontból is kiemelten fontos megértenünk az Abhd4 által szabályozott lipid jelátviteli útvonal működését.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A pszichiátriai betegségek, mint például a skizofrénia, depresszió vagy az autizmus növekvő gyakorisága hatalmas terheket jelent az érintett családoknak és a társadalomnak egyaránt. Egyre több bizonyíték igazolja, hogy számos neuropszichiátriai betegségben a rendellenes agyi funkciók hátterében a neuronális fejlődési folyamatok károsodása áll. Ezért rendkívül fontos a fejlődő agy molekuláris és sejtes szerveződésének feltérképezése, hogy megérthessük az idegrendszer egészséges fejlődését szabályozó folyamatokat. Az endokannabinoidok fontos jelmolekulák a fejlődő agyban, ráadásul ugyanazokat a receptorokat aktiválják, mint a kannabisznövény pszichoaktív molekulái. Az anyai kannabiszfogyasztás negatív hatásai a magzati fejlődésre közismertek. Ezért fontos azonosítani azokat a biológiai mechanizmusokat, amelyekhez az endokannabinoid jelátvitel elengedhetetlen. A kutatási programunk célja az Abhd4, az endokannabinoid rendszer kevéssé ismert enzimének a részletes jellemzése. Tanulmányozni fogjuk az Abhd4 elterjedését és szabályozó mechanizmusait a fejlődő agykéregben. Célunk, hogy kutatásainkkal új megvilágításba helyezzük az Abhd4 enzim biológiai jelentőségét, bizonyítva nélkülözhetetlen fontosságát egy lényeges védekező mechanizmusban, az anoikisz során. Ez a mechanizmus azokat a sejteket pusztítja el, amelyek ugyan még aktívan osztódnak, de már elvesztették kapcsolataikat a környező szöveti elemekkel. Ez a sejtállapot egy patológiai folyamat jele és a daganatok áttétképződésében fontos lehet. Ezért kutatásaink széleskörű gyógyászati jelentőséggel is rendelkeznek.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The essential importance of endocannabinoid signaling in synaptic regulation is well-established in the postnatal brain. More recently, an unexpectedly diverse role of endocannabinoids have been also recognized in the prenatal brain in the regulation of most developmental processes such as proliferation, cell fate determination, cell cycle exit, migration, axon pathfinding and synapse formation. This functional diversity is mirrored by the molecular complexity of the endocannabinoid system raising the possibility that different molecular players are needed to fulfill specific requirements of distinct physiological tasks. However, our knowledge on endocannabinoid signaling pathways in the developing brain is rather incomplete. For example, despite the substantial anandamide messenger levels of the embryonic brain, the activity of its postulated synthesizing enzyme, NAPE-PLD only appears at postnatal day 10. Notably, our preliminary findings revealed high expression of a largely uncharacterized serine hydrolase, abhydrolase domain-containing 4 (Abhd4), a candidate enzyme of an alternative anandamide synthesis route, in radial glial progenitors at embryonic day 16. Thus, in the present proposal, we will focus on the molecular, anatomical and functional characterization of Abhd4 by using combined lipidomic, molecular and high-resolution imaging approaches in gain-of-function and loss-of-function in vitro and in vivo models. Our proposed experiments will identify the regulatory principles of Abhd4 expression, its cellular and subcellular distribution, and its fundamental importance in linking cellular adhesion to cell death in the developing neocortex.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Emerging evidence indicates that endocannabinoid signaling controls several aspects of brain development. However, while the prenatal role of the endocannabinoid 2-arachidonoylglycerol and its metabolic enzymes are fairly well understood, only limited information is available about the developmental significance of the other endocannabinoid anandamide. In terms of the proposed research program, we aim to test the hypothesis that the serine hydrolase Abhd4 is an important endocannabinoid enzyme in the developing neocortex. As specific aims, we will characterize the lipid products of ABHD4 in neuronal progenitor cell cultures and in the embryonic neocortex with special focus on its developmental role in anandamide generation. We plan to delineate downstream steps in Abhd4-induced endocannabinoid signaling by investigating the role of its candidate anandamide receptors, CB1 and CB2 cannabinoid receptors and the TRPV1 vanilloid receptor using their loss-of-function mutants. We will also carry out a systematic anatomical analysis to characterize the developmental, cellular and subcellular expression profile of Abhd4. Based on our preliminary findings, we will address the question whether Abhd4 is involved in anoikis, the apoptosis program, which eliminates abnormally detached proliferating progenitor cells in the mouse embryonic cortex. Finally, we aim to identify the transcriptional and posttranscriptional regulatory mechanisms, which ensure that Abhd4 expression is switched on exclusively in radial glial progenitors, but then rapidly switched off in daughter cell with neuronal fate to answer the question of how migrating postmitotic neurons can escape from cell death.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Considering the ample evidence that genetic variance in the molecular components of the endocannabinoid system may predispose to certain psychiatric disorders as well as the increasing number of studies demonstrating that chronic cannabis use dramatically impairs brain development, intense research should be focused on understanding the neurodevelopmental significance of endocannabinoid signaling. In light of the recent trends of cannabis legalizations, it is especially important to identify the biological mechanisms, which may be perturbed in the fetal brain by maternal cannabis consumption to alert the public about the adverse effects of uncontrolled cannabis use. Therefore, in our proposed research program, we aim to gain novel insights into the molecular architecture of the endocannabinoid system in the developing neocortex and into the mechanisms underlying the developmental functions of endocannabinoid signaling. We will study a novel enzyme called abhydrolase domain-containing 4 (Abhd4), which was described as a member of the endocannabinoid system, and which we identified in preliminary experiments as a protein highly expressed in stem cell-like progenitors of the embryonic brain. This serine hydrolase has remained largely outside of focus in current research investigations, our preliminary findings however predict that Abhd4 plays a critical role in the important, but not well-characterized biological phenomenon of anoikis-like apoptosis. Our proposed research program will not only reveal the molecular, anatomical and functional properties of Abhd4, but will also shed light into the molecular mechanism of anoikis as well as into the fundamental question of how migrating postmitotic neurons escape from anoikis under physiological conditions. Because anoikis resistance is a core pathophysiological feature of cancer metastasis, our results are also expected to make an impact beyond neuroscience research and facilitate new research directions in stem cell research and in tumor biology. Since cancer-related death is often not due to the primary carcinoma, but rather to secondary tumors as a result from metastasis, understanding the mechanistic role of Abhd4 in anoikis has also essential medical importance.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The increasing prevalence of severe psychiatric disorders such as schizophrenia, depression or autism represents a huge burden for the society as well as for the affected individuals and families. A growing number of evidence indicate that impaired neurodevelopmental processes are behind the abnormal brain function in several neuropsychiatric diseases. Therefore, it is of pivotal importance to delineate the molecular and cellular details of how brain structures, such as the neocortex develop normally in the embryo. Endocannabinoids are important messengers in the developing brain and activate the same receptors as the psychoactive molecule of the cannabis plant. Given the well-known negative effects of maternal cannabis consumption causing defects in the brain of the embryo, it is essentially important to understand the biological processes for which endocannabinoid signaling is needed. In the present proposal, we aim to carry out a detailed characterization of the Abhd4 enzyme, a largely unknown member of the endocannabinoid system. We will address where and when Abhd4 is present in the developing cortex and how Abhd4 activity is turned on or off. Moreover, we will offer new insights into the biological role of this enzyme by demonstrating its indispensable duty in anoikis, an important safeguard mechanism in our body. Anoikis eliminates those cells, which are actively dividing, but which have lost their connections with nearby cells, a sign of pathological impairment and representing a potential danger for cancer metastasis. Therefore, our research has widespread basic and medical relevance as well.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
