Sejtszintű és molekuláris neurobiológia (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
100 %
Ortelius tudományág: Neurobiológia
zsűri
Idegtudományok
Kutatóhely
Molekuláris Neurobiológiai Kutatócsoport (HUN-REN Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet)
résztvevők
Kenesei Kata Kisfali Máté Zöldi Miklós
projekt kezdete
2017-12-01
projekt vége
2019-11-30
aktuális összeg (MFt)
19.980
FTE (kutatóév egyenérték)
4.00
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Az elmúlt években számos kutatócsoport erőfeszítéseinek köszönhetően kiderült, hogy a szinaptikus fehérjék térbeli mennyiségi eloszlása dinamikusan változik élettani és kórélettani folyamatok során. Kutatócsoportunk ezért kidolgozott egy új eljárást, amely STORM szuper-rezolúciós mikroszkópián alapul és először teszi lehetővé szinapszis-specifikus molekuláris változások mérését nanométeres pontossággal. Az eljárást bemutató Nature Neuroscience közleményünk „Highly Cited” lett. Ebben a munkában azt is feltártuk, hogy a preszinaptikus CB1 kanabinoid receptorok tartós aktiválása a marihuána pszichoaktív hatóanyagával jelentős receptorszám csökkenéshez vezet hippokampális GABAerg szinapszisokban. Ezért kulcsfontosságú megérteni, hogy vajon milyen szabályozási mechanizmusok vezetnek a molekuláris tolerancia kialakulásához. Arra is fény derült, hogy számos mechanisztikusan eltérő formája létezik az endokannabinoidok által-közvetített szinaptikus plaszticitásnak. Miközben a fázikus endokannabinoid jelátviteli folyamatok molekuláris hátteréről már sokat tudunk, az úgynevezett tónusos kannabinoid jelpálya molekuláris alapjai nagyrészt még ismeretlenek. Kutatócsoportunk egy másik magasan idézett tanulmányban mutatta be 2015-ben, hogy a tónusos kannabinoid jelátvitelnek legalább két egymástól független formája létezik. Ezért fiatal kutatók és egy doktorandusz részvételével tervezett kutatásaink fő célkitűzése, hogy felderítsük a szinaptikus kannabinoid tónus különböző formáinak szabályozási mechanizmusait és feltárjuk STORM képalkotás segítségével, hogy az endokannabinoid tónus megváltozására milyen molekuláris adaptációs folyamatokkal reagálnak a hippokampális GABAerg szinapszisok.
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. A CB1 kannabinoid receptorok az egyik legfontosabb preszinaptikus szabályozói a neurotranszmitter felszabadulásnak. Ennek ellenére nem ismert, hogy milyen szervezőelvek határozzák meg a receptorok pontos számát, szub- vagy extraszinaptikus eloszlását és hatékonyságát egy idegvégződésen. Nemrég STORM szuper-rezolúciós mikroszkópiával bizonyítottuk, hogy a kannabisz hatóanyagával kiváltott tartós receptoraktiváció hatására a CB1 receptorok eltűnnek az idegvégződésekről. Az endokannabinoid tónus növelése hasonló molekuláris adaptációs válaszhoz vezet. Ezért tesztelni fogjuk a hipotézist, hogy a kannabinoid tónus kulcsszerepet játszik a preszinaptikus receptorszám beállításában és ezen keresztül a neurotranszmitter felszabadulás valószínűségének szinapszis-specifikus optimalizálásában. Meglepő módon a tónusos kannabinoid jelátviteli folyamatokról jóval kevesebbet tudunk, mint a fázikus endokannabinoid-közvetítette szinaptikus plaszticitás molekuláris részleteiről. Egy másik friss tanulmányunkban feltártuk, hogy legalább két típusa létezik a tónusos kannabinoid jelpályának, amely ráadásul sejttípus-specifikus jelenség, mert csak a periszomatikus GABAerg szinapszisokban fordul elő. A szinaptikus élettani paraméterek mérése és a CB1 receptorok mennyiségi változásának párhuzamos nyomon követése multifoton és sejttípus-specifikus STORM képalkotás, illetve patch-clamp elektrofiziológiai kísérletek segítségével segít megválaszolni a kérdést, hogy az endokannabinoid-termelő diacilglicerin lipáz-alfa enzim milyen szerepet játszik a tónusos kannabinoid jelpálya különböző típusainak működésében és ezen keresztül a szinapszis-specifikus molekuláris adaptációs válaszok kialakításában.
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! A kémiai szinapszisok hibás működése számos neurológiai és pszichiátriai betegség kialakulásához hozzájárulhat. Ezért az idegtudományok egyik fontos kutatási iránya a szinapszisok működésének szabályozásában kiemelt szerepet játszó jelpályák vizsgálata. Mára általánosan elfogadott tény, hogy az endokannabinoid jelpálya a gerincvelőtől az agykéregig a legtöbb szinapszis típusban alapvető szerepet játszik a szinaptikus aktivitás finomhangolásában. Ezzel párhuzamosan közismert, hogy molekuláris alkotóelemeinek mennyisége és az endokannabinoid-közvetített szinaptikus plaszticitás működése kórosan megváltozik számos idegrendszeri betegségben. Korábban sikerült kimutatnunk epilepsziás betegekben és a Törékeny X szindróma modelljében, hogy a molekuláris változások nanoskálán és sejttípus-specifikus módon mennek végbe. Ugyanakkor ma még kevéssé ismert, hogy ezek a molekuláris patológiai folyamatok okként vagy következményként jelentkeznek-e az idegrendszeri betegségekben. Az sem tisztázott még részleteiben, hogy vajon az endokannabinoid jelátviteli folyamatok különböző formáinak eltérő molekuláris szerveződése segítheti-e az endokannabinoid rendszeren ható farmakológiai beavatkozások specifikus terápiás alkalmazását. Ezért a tervezett kísérletekben feltárjuk, hogy a diacilglicerin lipáz-alfa hasonló vagy eltérő szerepet játszik-e a tónusos endokannabinoid jelpálya két típusában, illetve megvizsgáljuk, hogy milyen módon befolyásolja az enzim tartós inaktivációja a preszinaptikus CB1 receptorok szinaptikus hatékonyságát. A tervezett kísérletek a kutatócsoport jelentős figyelmet kapott felfedezésein és módszertani fejlesztésein, illetve még nem publikált előeredményein alapulnak.
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 kannabisz több ezer éve ismert gyógynövény, de idegrendszeri mellékhatásai miatt sosem terjedt el széleskörűen orvosi használata. Hatóanyaga egy olyan kémiai jelpálya befolyásolásán keresztül fejti ki hatását, amely az idegsejtek egymás közötti kommunikációját szabályozza szinapszisainkban. Ezt a jelpályát ezért endokannabinoid jelpályának nevezik és egyik központi résztvevője a CB1 kannabinoid receptor. Kutatócsoportunk kiemelkedő számú hivatkozást kapott tanulmányában egy új módszertani eljárást mutatott be, amelynek segítségével nanométeres pontossággal lehet vizsgálni a CB1 receptorok mennyiségét az idegvégződéseken. A szuper-rezolúciós mikroszkópián alapuló eljárásunk segítségével elsőként sikerült megmutatnunk a hozzászokás jelensége mögött álló molekuláris változásokat. A kannabisz hatóanyaga tartós receptorszám csökkenést idézett elő az idegvégződéseken. Régóta ismert, hogy az endokannabinoidok szintjének tartós emelkedése, az úgynevezett endokannabinoid tónus szintén receptorszám csökkenéshez vezet. Végül érdemes kiemelni, hogy egyes neurológiai és pszichiátriai betegségekben a CB1 receptorok száma szintén megváltozik. Ezért fontos megérteni, hogy milyen mechanizmusok szabályozzák a receptorok dinamikusan változó számát az idegvégződéseken. Pályázatunk legfőbb célkitűzése, hogy megismerjük a szinapszisok működésének tartós csillapításáért felelős úgynevezett tónusos endokannabinoid jelpálya molekuláris felépítését és szuper-rezolúciós képalkotás segítségével megvizsgáljuk, hogy ez a jelpálya hogyan szabályozza a CB1 receptorok mennyiségét és hatékonyságát az idegsejtek közötti szinaptikus kommunikáció szabályozásában.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Recent efforts by numerous research groups have revealed that the spatial distribution of synaptic proteins changes dynamically during physiological and pathophysiological processes. Therefore, our research team has developed a new approach based on STORM super-resolution imaging, which enables synapse-specific monitoring of molecular changes at the nanoscale level for the first time. We presented this approach in Nature Neuroscience and our paper became „Highly Cited”. We have also shown in this study that the persistent activation of presynaptic CB1 cannabinoid receptors by the psychoactive component of marijuana elicits a dramatic recepor downregulation at hippocampal GABAergic synapses. Thus, it is pivotal to understand the precise regulatory mechanisms leading to the development of molecular tolerance. New data also shed light to the existence of several mechanistically different forms of endocannabinoid-mediated synaptic plasticity. While the molecular background of phasic forms of endocannabinoid signaling is well established, our knowledge on the molecular basis of tonic endocannabinoid signaling has remained rather limited. In another well cited publication in 2015, we have demonstrated that there are at least two independent forms of tonic cannabinoid signaling at GABAergic synapses. Therefore, with the help of young researchers and a PhD student, our major objective is to delineate the regulatory mechanisms of the distinct forms of tonic cannabinoid signaling, and we will also determine the molecular adaptation associated with changes in the endocannabinoid tone at hippocampal GABAergic synapses by using STORM imaging.
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. CB1 cannabinoid receptors are among the most important presynaptic regulators of neurotransmitter release. However, the principles determining the precise number, sub- or extrasynaptic distribution and efficacy of these receptors on a given nerve terminal have remained elusive. We have recently demonstrated by using STORM super-resolution microscopy that persistent receptor activation by the active substance in cannabis leads to the removal of CB1 receptors from axon terminals. Enhanced endocannabinoid tone results in a similar molecular adaptation response. Therefore, we will test the hypothesis that tonic endocannabinoid signaling plays a key role in the regulation of presynaptic receptor number and in the synapse-specific optimization of neurotransmitter release probability. Surprisingly, our understanding of tonic endocannabinoid signaling is rather limited compared to the well known molecular organization of the phasic forms of endocannabinoid-mediated synaptic plasticity. In another recent study, we have uncovered that at least two forms of tonic cannabinoid signaling exist. Moreover, these are cell-type-specific phenomena restricted to perisomatic GABAergic synapses. Parallel measurement of synaptic parameters and changes in CB1 receptor numbers by using multiphoton and cell-type-specific STORM imaging together with patch-clamp electrophysiology will help to answer the specific questions whether the endocannabinoid-producing diacylglycerol lipase-alpha in involved in certain forms of tonic endocannabinoid signaling and how this enzyme may contribute to the synapse-specific molecular adaptation responses controlling neurotransmitter release probability.
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. The impaired function of chemical synapses can contribute to several neurological and psychiatric disorders. Therefore, it is of central importance for neuroscience research to investigate those signaling pathways, which play essential roles in the regulation of synaptic activity. It is widely accepted that the endocannabinod signaling pathway has a crucial function in the fine tuning of synaptic transmission at most synapse types from the spinal cord to the neocortex. In addition, it is well established that the quantity of the molecular components and the operation of endocannabinoid-mediated synaptic plasticity is pathologically altered in several diseases. We have recently shown in epilepsy and Fragile X syndrome models that the molecular changes occur in a cell-type-specific manner and manifest at the nanoscale level. However, it is unknown whether these pathological molecular alterations causally underlie certain brain disorders, or instead, occur as a general consequence. Furthermore, it is relatively unclear whether the potentially different molecular basis of the distinct forms of endocannabinoid signaling could facilitate the therapeutic explotation of pharmacological tools acting on the endocannabinoid system. Therefore, we will determine the specific role of diacylglycerol lipase-alpha in two independent forms of tonic cannabinoid signaling and we will also show how permanent inactivation of this enzyme influence the synaptic efficacy of presynaptic CB1 receptors. The planned experiments are based on the recent highly cited discoveries and methodical innovations of our lab, and are also supported by several unpublished preliminary results.
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. Cannabis has been well known as a medical plant for several thousand years, but its therapeutic use has been limited due to its side effects related to the nervous system. Its active compound acts on an endogenous signaling pathway, which controls neuronal communication at our synapses. This pathway is therefore called the endocannabinoid system and one of its major components is the CB1 cannabinoid receptor. Our research group published recently in a highly cited study a new methodical approach, which helps to visualize and quantify CB1 receptors on the nerve terminals with nanosale precision. By using this approach based on super-resolution microscopy, we could demonstrate the molecular changes behind the so called tolerance phenomenon for the first time. The active substance in cannabis caused a persistent reduction in receptor number on the nerve terminals. It is known for a long time that chronic elevation of endocannabinoid levels evokes a similar receptor downregulation. In addition, it is important to emphasize that CB1 receptor numbers are also altered during several neurological and psychiatric disorders. Therefore, it is of central importance to understand the mechanisms, which regulate the dynamically changing number of these receptors on nerve terminals. The major objective of our research proposal is to delineate the molecular architecture of the tonic endocannabinoid signaling pathway, which is responsible for the persistent control of synaptic activity. Moreover, we will also determine how tonic endocannabinoid signaling affects the number and activity of CB1 receptors and regulates synaptic communication between nerve cells.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
A retrográd endokannabinoid (eCB) transzmisszió kulcsfontosságú szerepet játszik a szinaptikus kommunikáció finomhangolásában nem csupán fázisos, de tónusos formában is. Ennek ellenére azonban, kevés tudás áll rendelkezésünkre arról, hogy a legjelentősebb eCB, a 2-arachidonilglicerin (2-AG) és a szintetizáló enzime, a diacilglicerin lipáz-alfa (DGLα) milyen szerepet játszanak a tónusos kannabinoid szignalizációban. Ezért a pályázatban célul tűztük ki ezen molekuláris útvonal alapos vizsgálatát, sejttípus-specifikus módon, ötvözve a tudományterület legmodernebb módszereit. Legfőbb eredményeink feltárták, hogy a tónusos eCB jelátvitel kizárólagosan preszinaptikusan, azon CB1 receptorokon keresztül történik, amik a periszomatikus interneuronok axon végződésein helyezkednek el. Emellett kimutattuk egy folyamatosan aktív DGLα függő 2-AG képzés jelenlétét szeletpreparátumokban, amelyet a 2-AG fő lebontó enzime, a monoacilglicerin lipáz (MGL) szabályoz. Ezzel szemben azonban meglepő módon a DGLα génkiütött egerekben a 2-AG szintézis krónikus hiányában semmilyen változás nem tapasztalható a szinaptikus transzmisszió mértékében. Az is meglepő, hogy bár a DGLα jelentős szerepet tölt be az axonvezetés és szinapszisképzés során, morfológiailag sem találtunk jelentős különbségeket a génkiütött és vad típusú állatok neuronjaiban. Kísérleteink során azonban feltártunk egy eddig azonosítatlan DGLα – 2-AG független tónusos eCB jelpályát, amely az általunk leírt jelenségek hátterében áll.
kutatási eredmények (angolul)
Retrograde endocannabinoid (eCB) signaling via presynaptic cannabinoid (CB1) receptors play an essential role in the calibration of neurotransmitter release probability in both phasic and tonic manner. However, the role of the most common endocannabinoid messenger 2-arachidonoylglycerol (2-AG) and its predominant synthesizing enzyme diacylglycerol lipase-α (DGLα) in persistent endocannabinoid signaling has remained elusive. Therefore, we aimed to study specific features of this molecular pathway in cell-type specific manner using multiple state-of-the-art techniques. Our main results demonstrate that presynaptic CB1 receptors on hippocampal perisomatic interneuron axon terminals specifically mediate tonic eCB signaling. Furthermore, we have shown the presence of a persistently ongoing 2-AG production in the slice preparations mediated by DGLα. The continuously generated 2-AG is kept under the tight control of the main 2-AG hydrolyzing enzyme monoacylglycerol lipase (MGL), although surprisingly, the lack of tonic 2-AG production does not alter basic synaptic transmission. Moreover, despite the significant role of DGLα in neural pathfinding and synaptogenesis, no morphological alterations were observed at perisomatic interneurons in mice lacking DGLα. Our findings successfully identified the underlying explanation to this contradiction as we uncovered a previously undescribed, DGLα – 2-AG independent non-canonical form of tonic eCB signaling at these synapses.
Barti B., Kenesei K., Ledri M., Kisfali M., Tóth B., Miczán V., Glavinics RJ., Horvai G., Vizi ES. and Katona I.: Differential Contribution of Diacylglycerol Lipase-alpha to Phasic and Tonic Endocannabinoid Signaling at Hippocampal GABAergic Synapses., közlésre előkészítve, várható megjelenés 2020, 2020
