Caenorhabditis elegans to dla biologów prawdziwy powód do dumy, a jednocześnie model niczym wzorzec metra z Sevres. Z żadnym innym organizmem nie poradzili sobie w równym stopniu, co z tym wolno żyjącym, niepasożytniczym nicieniem osiągającym długość ledwie jednego milimetra. Znana jest dokładna liczba komórek, z których jest zbudowany (959), liczba neuronów (302), a i odtworzenie kompletnej mapy sieci połączeń neuronalnych nie stanowi w przypadku tego eukarionta większego problemu. U człowieka droga do tego daleka, ale też skala wyzwania jest nieporównanie większa: nasz mózg ma około 100 miliardów neuronów, a każdy z nich poprzez synapsy łączy się średnio z siedmioma tysiącami innych. Nic zatem dziwnego, że struktura ta wciąż stanowi nieodgadnioną zagadkę.

– Z jednej strony to skomplikowana maszyna, która potrafi naukowców nie raz zaskoczyć czy wręcz sfrustrować, ale z drugiej, z uwagi na ograniczoną wiedzę o mechanizmach nią rządzących, pole do coraz to nowych odkryć – przyznaje dr hab. Jakub Włodarczyk, prof. nadzw., nawiązując tym samym do opisania przez jego zespół nieznanej dotąd ścieżki sygnałowej.

Od postdoca do pioniera

Obliczono, że najmniejsza prędkość, z jaką informacja porusza się w naszym mózgu, to 416 km/h. Ta „podróż” nie byłaby możliwa bez odpowiednich szlaków sygnałowych uruchamianych w zależności od rodzaju przekazywanej informacji. Zasada działania mózgu polega na przekazywaniu sygnałów elektrycznych w obrębie neuronu oraz chemicznych w obrębie synapsy. Docierają one tam za pomocą receptorów, które pobudzane bodźcami zarówno zewnętrznymi, jak i wewnętrznymi, inicjują przekazywanie informacji do mózgu. W ostatnim czasie coraz więcej uwagi naukowego świata przykuwają receptory serotoninowe. To w nich uczeni dopatrują się klucza do rozwiązania wielu zagadek na temat funkcjonowania mózgu. W Pracowni Biofizyki Komórki Instytutu Biologii Doświadczalnej im. Marcelego Nenckiego PAN światła jupiterów skierowane są na 5-HT7R.

– Zetknąłem się z nim po raz pierwszy „na postdocu” u laureata Nagrody Nobla, prof. Erwina Nehera. Wcześniej zajmowałem się fizyką, a dopiero tam, w Instytucie Maxa Plancka w Getyndze, zobaczyłem, jak ciekawa może być również neurobiologia. Nie bez wpływu na zmianę przeze mnie tematyki badawczej było również spotkanie z prof. Evgienijem Ponimaskinem, który jest światowym ekspertem, jeśli chodzi o ten receptor – wspomina badacz zdarzenia sprzed ponad dekady.

Kusząca była zwłaszcza aura tajemniczości, jaka go otaczała. Ze wszystkich receptorów serotoninowych został najpóźniej odkryty i niewiele było o nim wiadomo. Dzisiaj jego niebagatelną rolę rozpoznano na tyle, że w tytułach poświęconych mu konferencji użycie określenia „wspaniała siódemka” nie jest żadną przesadą. Chociaż występuje w różnych częściach mózgu – m.in. korze przedczołowej, wzgórzu, podwzgórzu – zespół prof. Włodarczyka skoncentrował się na hipokampie, odpowiedzialnym nie tyko za orientację przestrzenną, lecz przede wszystkim za przenoszenie informacji z pamięci krótkotrwałej do długotrwałej. To dlatego uszkodzenie tej struktury upośledza zdolność uczenia się. W procesach pamięci kluczowa jest plastyczność synaptyczna, służąca przearanżowaniu sieci połączeń neuronalnych – żeby proces zapamiętywania przebiegał prawidłowo, w mózgu muszą się tworzyć ciągle nowe połączenia. Wywołują je bodźce zewnętrzne, które powtarzane co jakiś czas, utrwalają z kolei to, co raz zapamiętaliśmy. Od strony biologicznej duży w tym udział mają kolce dendrytyczne. Właśnie w miejscach styku tych niewielkich rozgałęzionych wypustek z sąsiednimi neuronami, a więc w synapsach, odbywa się nieustający festiwal modelarski. Z ogromu informacji, jakie do nas codziennie docierają, utrwalana jest tylko część z nich. Działający selektywnie mózg decyduje, które warto zachować, bo mogą się przydać w przyszłości, a które są niewiele warte.

– Im większy kolec, tym więcej znajdziemy na nim receptorów wychwytujących ze swego otoczenia pewne związki chemiczne, które są wydzielane przez sąsiedni neuron do macierzy zewnątrzkomórkowej w szczelinie synaptycznej i uczestniczą w przekazywaniu sygnału. Nas interesowały procesy z udziałem 5-HT7R – wyjaśnia kierownik pracowni, dodając, że o ile na samym początku badali związek tego receptora z uczeniem się, o tyle później obrali kierunek związany z zachowaniami depresyjnymi. U ich podstaw leżą bowiem zaburzenia komunikacji między neuronami.

Hamowanie czy aktywowanie

Dochodzi do nich najczęściej w otaczającej neurony macierzy zewnątrzkomórkowej, która w badaniach nad przekazywaniem sygnału zaczyna odgrywać coraz ważniejszą rolę. Przemodelowanie jej struktur odbywa się na przykład w wyniku aktywacji przez neuroprzekaźnik, w tym przypadku serotoninę, receptora 5-HT7R. Wydzielana jest wówczas metaloproteaza MMP9, której aktywacja jest ważna w postawaniu nowych wspomnień. Ten enzym, kluczowy w procesach pamięci, tnie wiele białek, w tym CD44, które jest receptorem głównego składnika macierzy – hialuronianu – i współtworzy kompleksy z receptorem 5-HT7R. To z kolei powoduje aktywację GTP-azy wewnątrzkomórkowego białka Cdc42, która z kolei jest bardzo istotna w regulowaniu morfologii nie tylko neuronów, ale także innych typów komórek. Przez wpływ na cytoszkielet aktynowy białko to przyczynia się do wzrostu kolców dendrytycznych, co ma wpływ zarówno na procesy plastyczności, jak i na funkcje neuronów. Znaczenie poszczególnych ogniw tego łańcucha zdarzeń było najważniejszym odkryciem badaczy z Instytutu Nenckiego.

– Zdawaliśmy sobie sprawę, że aktywacja MMP9 i 5-HT7R działa podobnie, ale nie było do końca wiadomo, jaka jest kolejność ich zadań, który element jest „wykonawcą” i czy są zależne od siebie, czy to jedynie przypadek. Dzięki naszym obserwacjom pokazaliśmy pełną wewnątrzkomórkową ścieżkę sygnałową – tłumaczy dr Monika Bijata.

Kolce to miejsce, gdzie mieści się postsynaptyczna część synapsy, której zadaniem jest odbieranie neuroprzekaźnika wydzielanego z części presynaptycznej i uruchomienie kaskady sygnałów. Ich odbiór można wzmocnić bądź osłabić właśnie poprzez modulację danego receptora. Jego stymulacja powoduje, że kolce stają się długie i cienkie, tak jakby poszukiwały nowych połączeń w mózgu, z kolei w przypadku blokady jest dokładnie odwrotnie. Badacze zwracają też uwagę na inny aspekt opisanej ścieżki sygnałowej: receptor zachowuje się inaczej w miejscach, w których jego rolą jest regulowanie powstawania serotoniny, np. w neuronach serotoninergicznych, a inaczej tam, gdzie jedynie serotoninę odbiera, czyli np. w hipokampie czy korze przedczołowej.

– W depresji bierze udział bardzo wiele receptorów, nie tylko serotoninowych, ale to właśnie one postrzegane są jako te, których modulacja korzystnie wpływa na efektywność terapii. Tymczasem działają one niekiedy przeciwstawnie do siebie, dlatego niesłychanie istotna jest równowaga między nimi i to, w jakich kompleksach ze sobą oddziałują. W przypadku 5-HT7R pożądanym działaniem jest akurat jego hamowanie, a nie aktywacja – podkreśla dr Bijata.

W ramach swojego stażu podoktorskiego w Hannover Medical School realizowała część eksperymentalną na zwierzętach pozbawionych tego receptora. Wcześniej w warszawskim laboratorium używano niespecyficznego agonisty, który aktywował także inne receptory serotoninowe. Nie było więc pewności, czy otrzymywane wyniki są miarodajne. Dopiero współpraca z niemieckim ośrodkiem rozwiała wszelkie wątpliwości, a badaczom dodała skrzydeł. W pewnym momencie myśleli już bowiem o porzuceniu tej koncepcji, zwłaszcza gdy napotykali krytyczne uwagi co do wiarygodności otrzymywanych wyników. Sporo trudu kosztowała też optymalizacja hodowli neuronów, dla których laboratorium nie jest przecież naturalnym środowiskiem. Nie poddali się jednak i zamiast frycowego – do tej pory nie zajmowali się receptorami, lecz plastycznością strukturalną – osiągnęli wymierny sukces.

Nie tylko depresja

Ich odkrycie tworzy zupełnie nowe perspektywy w terapii osób chorych na depresję. Zrozumienie działania konkretnego receptora pozwoli bowiem w niedalekiej przyszłości opracować leki, które będą celować w konkretny element opisanej ścieżki, specyficznie na nią wpływając: blokować aktywność enzymu MMP9 bądź redukować cięcie białka CD44. Moi rozmówcy wskazują ponadto, że poznanie szlaku zaangażowanego w depresję może również posłużyć do użycia jego poszczególnych elementów jako markerów skuteczności leków. Obecnie po ich podaniu trzeba czekać 3–5 tygodni, by wiedzieć, czy w ogóle zaczęły działać. Dla pacjentów to trudny okres, bo efektu jeszcze nie widać albo wręcz może on być odwrotny do zamierzonego. Za sprawą tego odkrycia lekarze już po kilku dniach wiedzieliby, czy terapia danym lekiem ma szanse powodzenia i należy ją kontynuować, czy też jest mało efektywna i zawczasu zmienić podawany środek. Pierwsze eksperymenty na zwierzętach pokazały, że zablokowanie receptora 5-HT7R daje niemal natychmiastowy efekt antydepresyjny.

– Od połowy ubiegłego wieku nie podlega dyskusji to, że receptory mają kluczowe znaczenie w powstawaniu depresji, ale mimo to prowadzone od tego czasu eksperymenty z modulowaniem poziomu serotoniny wciąż nie dają oczekiwanych rezultatów. Opisana przez nas ścieżka zmienia dotychczasowe podejście w ten sposób, że pomaga zrozumieć, co tam tak naprawdę się dzieje – przyznaje prof. Włodarczyk.

Zresztą dotyczy to nie tylko depresji. Wiadomo, że zaburzenie w funkcjonowaniu wspomnianych białek znajduje odzwierciedlenie w różnego rodzaju chorobach, m.in. Parkinsona, Alzheimera, uzależnieniach, schizofrenii, epilepsji oraz autyzmie. Co więcej, wprawdzie wiedzę o zmianach chemicznych w macierzy zewnątrzkomórkowej, zachodzących przy aktywacji receptora 5-HT7R, naukowcy zdobyli badając neurony, to jednak nie wykluczają, że może się ona przydać także w innych typach komórek.

– Całkiem prawdopodobne, że „naszą” ścieżkę, jeśli nie całą, to choćby we fragmentach, odnajdziemy np. w komórkach nowotworowych, ale na razie to tylko dywagacje, w tej chwili skupiamy się na depresji – dodaje dr Monika Bijata, która badania przyczyn tej choroby i neurologicznych procesów leżących u jej podstaw będzie przez najbliższe dwa lata kontynuowała w ramach programu HOMING Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. W tym roku została jedną z laureatek. Zajmie się nie tylko receptorem 5-HT7R, ale i innym – 5HT4; oba prowadzą do aktywacji MMP9, ale ich wpływ na zachowanie zwierząt i na morfologię kolców jest zupełnie odwrotny. Chciałaby zrozumieć, dlaczego tak jest i jakie mechanizmy aktywacji enzymu są przez te dwa receptory uruchamiane.

Naukowców z Instytutu Nenckiego czekają też badania in vivo potwierdzające działania opisanej ścieżki sygnałowej na żywych organizmach. To właśnie na tym etapie się okaże, czy pobudzenie receptora 5-HT7R i uruchomienie całej kaskady procesów spowoduje zachowania depresyjne u zwierząt i czy będzie możliwe ich odwrócenie poprzez odpowiednie modulowanie ścieżki. Nie oni jedni w centrum swojego zainteresowania umieścili właśnie receptory serotoninowe. Ich badania wpisują się w główny nurt obserwacji mechanizmów funkcjonowania mózgu. Zajmują się nimi już tysiące naukowców na całym świecie. Jedni od strony biologicznej, kolejni – od chemicznej, a jeszcze inni – od fizycznej. Ale choć każdy dokłada swoje cegiełki do tej nad wyraz skomplikowanej budowli, jaką jest mózg, próżne są złudzenia, że jego strukturę uda się kiedykolwiek w całości poznać. Cóż, Homo sapiens to jednak nie Caenorhabditis elegans . ?