Az endokannabinoid jelátviteli útvonal molekuláris sokfélesége és plaszticitása agykérgi szinapszisokban (EGT/Norvég Alap HU0069/NA/2006-2/PA-8)
Title in English
Molecular diversity and plasticity of endocannabinoid signaling at cortical synapses
Keywords in Hungarian
endokannabinoid, 2-AG, szinapszis, GABA, glutamát
Keywords in English
endocannabinoid, 2-AG, synapse, GABA, glutamate
Discipline
Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences)
100 %
Ortelius classification: Neurobiology
Panel
Neurosciences
Department or equivalent
Laboratory of Molecular Neurobiology (Institute of Experimental Medicine)
Participants
Katona-Urbán, Gabriella Ludányi, Anikó
Starting date
2009-04-01
Closing date
2011-03-31
Funding (in million HUF)
28.000
FTE (full time equivalent)
5.00
state
closed project
Summary in Hungarian
A szervezetünkben található endokannabinoid molekulák kémiai szerkezetüket tekintve meglepően heterogének. Korábbi kutatásainkban feltártuk, hogy eltérő szerkezetű endokannabinoidok a szinapszisok ellentétes oldalán keletkeznek, ami arra utal, hogy más jelátviteli útvonalakban játszhatnak szerepet. Ezért kutatási programunk fő célkitűzése, hogy a szinaptikus endokannabinoid jelátviteli útvonalak molekuláris és anatómiai szerveződését, valamint élettani jelentőségét felderítsük. Kísérleteinkben tesztelni fogjuk a hipotézist, hogy vajon az endokannabinoidok szintézisében résztvevő enzimek a szinapszis típusától és aktivitásától függő módon szabályozzák-e a szinaptikus kommunikációt. Első célunk a 2-arachidonilglicerol (2-AG) endokannabinoid molekulát szintetizáló diacilglicerol lipáz-alfa (DGL-alfa) lokalizációjának felderítése az agykéreg glutamáterg szinapszisaiban. Második célunk új molekuláris mechanizmusok azonosítása, amelyek a DGL-alfa aktivitását és ezen keresztül a 2-AG felszabadulását szabályozzák. Harmadik célunk egy eddig nem karakterizált 2-AG szintetizáló enzim, a DGL-béta anatómiai lokalizációjának és élettani szerepének feltárása agykérgi GABAerg és kolinerg szinapszisokban. A kísérletek várható eredményei megvilágítják az endokannabinoid jelátviteli útvonalak molekuláris sokféleségét és plaszticitását, új utakat nyitnak a szinapszis-specifikus farmakológiai beavatkozás lehetőségei előtt, ezzel segítve az endokannabinoid rendszer terápiás célból történő felhasználását.
Summary
Endocannabinoid molecules produced in our body show surprising variety in their chemical structures, and we have found that two chemically distinct groups of endocannabinoids are synthesized at opposite sides of brain synapses; hence they may be involved in different signaling processes. Thus, the overall aim of the proposal is to determine the precise molecular architecture and physiological significance of synaptic endocannabinoid signaling. In the present proposal, we will test the hypothesis that distinct enzymes of endocannabinoid biosynthesis differentially regulate synaptic communication in a synapse-specific and activity-dependent manner. Our first specific aim is to fully characterize the localization of diacylglycerol lipase-alpha (DGL-alpha), a biosynthetic enzyme of the endocannabinoid, 2-arachidonoylglycerol (2-AG) at various types of glutamatergic synapses in the neocortex. The second specific aim is to identify novel molecular mechanisms regulating synaptic DGL-alpha activity and to show how this regulation controls 2-AG release. Our third specific aim is to reveal the anatomical localization and physiological role of DGL-beta, a yet uncharacterized 2-AG-synthesizing enzyme at cortical GABAergic and cholinergic synapses. These experiments will delineate molecular diversity and plasticity of endocannabinoid signaling at distinct cortical synapses and will facilitate its future therapeutic exploitation by opening new avenues for its synapse-specific pharmacological regulation.
Final report
Results in Hungarian
Az OTKA-NNF 78918 pályázat támogatásával számos kérgi területen tártuk fel a diacil-glicerol lipáz (DGL)-alfa, a legfontosabb endokannabinoid-szintetizáló enzim, valamint a monoacil-glicerol lipáz (MGL), a fő endokannabinoid-lebontó enzim, illetve a CB1 kannabinoid-receptor pontos sejtszintű és sejten belüli elhelyezkedését (Dudok és mtsai, 2011, közlésre benyújtva). Vizsgálataink azt is bebizonyították, hogy a humán és egér hippokampuszban azonos sejten belüli elrendeződésben találhatók a 2-arachidonil-glicerin (2-AG) metabolizmus fő enzimei (Ludányi és mtsai, 2011). Eredményeink arra utalnak, hogy ez az evolúciósan konzervált retrográd endokannabinoid jelátvitel kulcsszerepet játszik az agykérgi szinaptikus transzmisszió szabályozásában, és elemei a jövőben a gyógyszerfejlesztés célpontjai lehetnek. Az FMR fehérjéről, mely az egyik leggyakoribb öröklött értelmi fogyatékosság, a Fragilis X szindróma hátterében áll, vizsgálataink kimutatták, hogy a DGL-alfa aktivitásának egyik fő szabályozója (Sepers és mtsai, 2011, készülő kézirat). Végül a DGL-béta enzimről bizonyítottuk, hogy kérgi neuronokban is kifejeződik, és felállítottunk egy modellrendszert, melynek segítségével a jövőben a funkcióját tervezzük tanulmányozni.
Results in English
With the support of the OTKA-NNF 78918 grant we have uncovered the precise cellular and subcellular localization of diacylglycerol lipase (DGL)-alpha, the predominant enzyme in endocannabinoid biosynthesis as well as monoacylglycerol lipase (MGL), the major endocannabinoid degrading enzyme and type 1 cannabinoid receptors (CB1), the most important cannabinoid receptor in several cortical areas (Dudok et al., 2011, manuscript submitted). Our results also prove that the main enzymes of 2-arachidonoylglycerol (2-AG) metabolism have the same subcellular localization in the mouse and human hippocampus (Ludányi et al., 2011). These data suggest that the evolutionary conserved retrograde endocannabinoid signaling has a key regulatory role in synaptic transmission throughout the cerebral cortex and the molecular components of this system may represent future therapeutic targets. We also identified the FMR protein, which is the underlying cause of one of the most common form of inherited mental retardation, the Fragile X syndrome, as a major regulator of DGL-alpha activity (Sepers et al., 2011, manuscript in preparation). Finally, we revealed that DGL-beta is also expressed by cortical neurons and have establi shed a model system in which we plan to study its function in the future.
Katona I: Compartmentalized distribution and functional segregation of distinct endocannabinoid signaling pathways at glutamatergic synapses of the central nervous system., FENS Forum, 030.4., 2010
Ludányi A, Hu SS, Yamazaki M, Tanimura A, Piomelli D, Watanabe M, Kano M, Sakimura K, Maglóczky Z, Mackie K, Freund TF és Katona I: Complementary synaptic distribution of enzymes responsible for synthesis and inactivation of the endocannabinoid 2-arachidonoylglycerol in the human hippocampus, Neuroscience 174: 50-63., 2011
Dudok B, Bokor H, Urbán GM, Yamazaki M, Tanimura A, Kano M, Sakimura K, Zimmer A, Watanabe M, Mackie K, Freund TF, Acsády L and Katona I: Synapse-specific heterogeneity of endocannabinoid signaling in the somatosensory cortex., Cerebral Cortex (közlésre elküldve), 2011
Events of the project
2009-12-07 09:03:32
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Agykéreg Kutatócsoport (MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet), Új kutatóhely: Molekuláris Neurobiológiai Kutatócsoport (MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet).
2009-12-07 09:03:32
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Agykéreg Kutatócsoport (MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet), Új kutatóhely: Molekuláris Neurobiológiai Kutatócsoport (MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet).
