A Petri-csészétől az agyi folyamatokig

2016.11.10.
A Petri-csészétől az agyi folyamatokig
Jelentős előrelépést tesz lehetővé az élő sejtekben zajló molekuláris folyamatok vizsgálatában az a mikroszkópos központ, melyet pályázati támogatásból alakíthat ki a Természettudományi Kar Biológiai Intézete. Schlett Katalin egyetemi docens állati viselkedésről, kedvenc molekulájáról, rangos publikációról és kutatócsoportjának eredményeiről is mesélt.

Mi a szakterülete? 
Idegi sejtbiológiával foglalkozom. 1993-ban szereztem diplomát az ELTE biológus szakán, majd a PhD és hosszabb-rövidebb tanulmányutak után tanársegédként kerültem az ELTE Természettudományi Karának Biológiai Intézetébe, az Élettani és Neurobiológiai Tanszékre. Az elmúlt évtizedekben végigjártam a ranglétrát. A diákoknak élettant és neurobiológiát oktatok, részt veszek a PhD-képzésben, sok TDK-s hallgatóval is foglalkozom, illetve 9 éve az ELTE Bolyai Kollégiumának egyik biológus szaktanára is vagyok. Ilyenformán a tehetséggondozásba is bekapcsolódtam, és örömmel tölt el, ha látom, mennyi mindent érhet el és tanulhat meg egy diák az egyetem 3-5 éve alatt. Sok hallgatóm tudhat magáénak kiváló eredményt a Tudományos Diákkörben, nagyon megtisztelő, hogy éppen tavaly kaptam meg ezért a tevékenységemért a kar TDK érdemérmét. Az oktatás nagyon hangsúlyos az életemben, bár most kicsit háttérbe szorult, mert második éve vezetem a Nemzeti Agykutatási Program B alprogramjában az Idegi Sejtbiológiai Kutatócsoportot  Emiatt most kevesebbet oktatok, és nagyon hálás vagyok a kollégáimnak, hogy az oktatási terhek nagy részét átvették tőlem, így jobban tudok a kutatásra koncentrálni.

Az MTA-ELTE NAP B Idegi Sejtbiológiai Kutatócsoport munkatársai (balról jobbra: Blaskó Gergely, Ignácz Attila, Hernáth Ferenc, Tárnok Krisztián, Szűcs Attila, Liliom Hanna, Gulyás Márton, Szíber Zsófia, Bencsik Norbert, Rátkai Anikó, Schkett Katalin, Krutilla Csilla, Veronika Ratz).

Milyen mechanizmusokat analizálnak? 
Nagyon fontosnak tartom, hogy az idegrendszeri működést szabályozó folyamatok közül próbáljunk meg minél többet megérteni. A kutatócsoportunkban elsősorban kísérleti egerekből származó, Petri-csészében tenyésztett idegsejtekből álló modellrendszereket használunk a különféle mechanizmusok vizsgálatára. Így szeretnénk olyan új útvonalakat, molekuláris magyarázatokat találni, amik segíthetnek bizonyos egészségügyi problémák, például a memóriazavar megértésében. Emellett elemezzük egészséges, illetve genetikailag módosított kísérleti egerek viselkedését, tanulási képességeit, félelmi reakcióit is. Az elmúlt 2-3 évben három olyan molekulát is találtunk, amelyek a tanulási kórképek kialakulásához vezető hatását már molekuláris szinten is bizonyítani tudjuk a kísérleti állatokban. Legújabb eredményeink közelebb visznek ahhoz, mi állhat a poszttraumás stressz szindróma kialakulásának hátterében. Ez azonban nem azt jelenti, hogy meg tudjuk gyógyítani a betegséget, hiszen mi alapkutatással foglalkozunk, és nem gyógyszereket gyártunk. Ám reményeink szerint a távlati jövőben ennek lehet gyakorlati hasznosulása is.

Milyen konkrét eredményről tud beszámolni?
Az egyik „kedvenc” molekulánk, a protein kináz D (PKD) enzim, amiből nagy mennyiség található az idegrendszerben, ám ebben a tekintetben mégsem foglalkoztak vele igazán, főleg csak tumor- és áttétképzés kapcsán merült fel a neve. Mi viszont

bizonyítani tudtuk, hogy ez az enzim szükséges ahhoz, hogy az állatok meg tudják jegyezni azt, amit tanulnak.

Tulajdonképpen a belső sejtváz átrendeződésben van ennek az enzimnek szerepe. Az erről szóló publikációnk, amire nagyon büszkék vagyunk, egy rangos lapban, a Journal of Cell Biologyban jelent meg tavaly szeptemberben. Éppen most fogadták el egy másik cikkünket is a Molecular Biology of the Cell folyóiratban, amiben a poszttraumás stressz-szindróma kialakulásában szerepet játszó, úgynevezett RIN1 fehérje molekuláris hatásait vizsgáljuk.

Mit sikerült leírniuk ebben a tanulmányban? 
Más kutatók már korábban közzétették azt, hogy azok az állatok, amelyekből a RIN1 fehérje hiányzik, sokkal hamarabb „megtanulnak megijedni”. Ezt az úgynevezett kondicionálási félelmi teszttel bizonyították, aminek részeként a ketrecbe helyezett állatok egy hangjelzéssel együtt kaptak egy kisebb áramütést. Egy-két nappal később már csak a hangjelzést hallották, miközben mérték, hogy az állatok ennek hatására mennyire ijednek meg. Azt is gyorsan megtanulták az úgynevezett kondicionált íz averzió tesztben, hogy ha egy finom, édes ízű, de rosszullétet okozó táplálékot kapnak, akkor azt legközelebb ne fogyasszák. Ebből azt vezették le a tudósok, hogy a RIN1 fehérje hiánya javítja a memóriát. Csakhogy az is kiderült, hogy ugyanennek a fehérjének a hiánya azt is megakadályozza, hogy a kellemetlen élmények törlődjenek, vagyis nehezebben felejtették el az állatok a traumát, sokkal jobban emlékeztek a kellemetlen ingerre. Innen jött a külföldi kutatók által már leírt felvetés, hogy ennek a fehérjének a hiánya akár a poszttraumás stressz-szindrómás rendellenesség modelljeként is használható lehet.

Mi pedig azt tudtuk igazolni elsősorban idegsejttenyészeteken végzett kísérletekkel, hogy ez a fehérje két úton is kifejtheti ezt a hatást: az egyik hatás a már említett belső sejtváz átrendeződés szabályozásán keresztül, a másik pedig a sejtfelszíni neurotranszmitter receptorok körforgásának irányításával valósul meg. Ezt úgy kell elképzelni, hogy egy szinapszisban a küldő sejt neurotranszmittert, azaz idegi jelátvivő anyagot bocsát ki, ami valamilyen hatást vált ki a fogadó sejtben. Ahhoz, hogy a sejt fogadhassa a jelmolekulát és hogy a két sejt közötti kapcsolat megerősödjön, a belső sejtváz struktúrájának kellően stabilnak kell lennie. Szükséges az is, hogy legyen elég receptor a sejtfelszínen, ami a kibocsátott jelet érzékelni tudja. (Egy egyszerű példa: nem elég, ha illatanyagok szállnak a levegőben, a szaglóhámban található receptorokra is szükség van ahhoz, hogy ezeket érzékelni tudjuk.)

A RIN1 fehérje molekuláris hatásai az idegsejtek dendrittüskéiben. A még mozgékony, szinapszist még nem képző filopódiumokban (A) a RIN1 aktivitás a belső aktin vázrendszer átalakulását fokozza, így a filopódiumok még gyorsabbak lesznek. B: a már szinapszitikus kapcsolatot kialakító dendrittüskékben a RIN1 fehérje a Rab5 kis GTP-ázok aktivitását fokozva a sejtfelszíni neurotranszmitter receptorok endocitótizást serkenti.

Kiderült, hogy ha jól működik a RIN1 fehérje, akkor pontosan a szinapszisok destabilizációját fogja okozni, mobilisabbá téve ezzel a belső sejtváz rendszert, így nem tudnak a belső kapcsolatok megerősödni, és ráadásul nagyon gyorssá válik a receptorok visszavétele a sejtmembránból. Ezáltal dinamikusabb lesz az idegrendszer, ami minden tanulási folyamat alapja.

Hogyan is függ ez össze a félelmet gyorsan tanuló, de nem felejtő állatokkal? Ezeknél az állatoknál nincs ez az úgynevezett destabilizáló hatást kifejtő RIN1 fehérje, ezért sokkal stabilabbak lesznek a kialakult kapcsolatok, ennek következtében, ha valamit egyszer megtanultak, azt nem fogják elfelejteni. Ez molekuláris szinten nagyon attraktív magyarázatot jelent a poszttraumás stressz szindróma kialakulására.

A kutatások mellett a saját vizsgálataik elvégzéséhez szükséges eszközöket is fejlesztenek. Mire alkalmasak ezek?
Most foglalkozunk egy olyan berendezés kialakításával, amellyel fény segítségével tudjuk majd az idegsejtek működését szabályozni. Ez az úgynevezett optogenetikai módszer, ami nem a mi ötletünk, hanem a neurobiológia különösen népszerű területe: fény segítségével lehet az idegsejtek működését – akár serkentését, akár gátlását – szabályozni, ha ezek az idegsejtek algákból izolált fehérjéket termelnek. Ehhez genetikai módszerekkel kell rábírnunk az emlős sejteket, hogy termeljenek olyan fehérjét, ami normál körülmények között nincs bennük, és azért „opto”, mert fénnyel szabályozzuk a genetikailag módosított idegsejtek működését. Ez most egy nagyon új és intenzíven kutatott terület.

Mi ezt tenyésztett idegsejteken szeretnénk vizsgálni, és arra vagyunk kíváncsiak, hogy fénnyel tudjuk-e tanítani a tenyészeteinket.

Szeretnénk szimulálni, ami az agyunkban normális körülmények között megtörténik. Ez nem kis feladat!

Fő kérdésünk az, hogy ha az ingerlési mintázatot tetszőlegesen változtatjuk, akkor mást tudunk-e megtanítani az idegsejtnek, vagyis más típusú strukturális változásokat tudunk-e előidőzni, mint egy egyszerűbb mintázatnál. Hogy ezeket a vizsgálatokat elvégezhessük, ehhez kellett kifejlesztenünk egy kis készüléket, mert ilyen nincs a piacon.

Emellett olyan programokat, kiértékelő szoftvereket is készítünk, amelyek ingyenesen elérhetőek a tudományos közösség számára a képelemzések egyszerűbbé, gyorsabbá tételére. Úgy gondoljuk, hogy a tudományos életben előbb-utóbb ez lesz az általános megoldás: nem kell nagyon drága, csak egy-egy meghatározott gépen használható, aztán folyamatosan frissítendő programokat megvásárolni, hanem a szoftveríró közösség bárki számára elérhetővé teszi ezt az interneten. Az utolsó 2 évben két ilyen cikkünk is megjelent: az egyik a kísérleti állatok, de akár emberek viselkedését és mozgását is ki tudja értékelni, illetve hasonló programunk  van a szinapszisok mozgékonyságának elemzésére is.

Egy idei pályázati kiíráson speciális mikroszkópos központ vásárlására nyertek 230 millió forintot. Mikor valósulhat meg a beruházás és milyen előrelépést jelent ez az intézet számára? 
Jelen pillanatban is hihetetlenül hiányoznak a kiváló minőségű, élő sejteken elvégezhető felvételek készítésére alkalmas fluoreszcens kutatómikroszkópok a karról. Az elmúlt években komoly problémát jelentett, hogy elavult az infrastruktúránk, egy csaknem 15 éves konfokális mikroszkópot tudunk csak használni, ezért sokszor a stuttgarti kutatási partnerünknél tudtunk csak ilyen méréseket végezni. A pályázatban két modern, sokoldalúan használható mikroszkópos rendszert szeretnénk kialakítani, amit a biológusok mellett például a biológiai alkalmazásokkal foglalkozó fizikus vagy vegyész kutatók is tudnak használni. Az úgynevezett spinning disc-es rendszer az élősejtes vizsgálatok elvégzésére lesz alkalmas. Ez azt jelenti, hogy a képalkotó egységben gyorsan, másodpercenként tízezres fordulatszámmal pörög egy korong, amin több mint húszezer apró lyuk van, ezeken keresztül tudjuk lézerrel megvilágítani a mintát. Mivel a gerjesztett fluoreszcens jelet csak a fókuszsíkból detektáljuk, optikailag is „szeletelhetjük” a biológiai mintákat, igen gyorsan 3D-s rekonstrukciókat is készíthetünk, miközben az élő sejteket sem kell nagy fényterhelésnek kitenni. Másodpercenként akár 50 kép rögzítésére is alkalmas lesz az eszköz, így a sejtek belsejében zajló folyamatokat is követni tudjuk: elemezhetjük például, hogy a sejten belül hogyan és milyen hatásra változik meg a Kalcium-ion koncentrációja, de a műszeregyüttes más dinamikus folyamatok mérését, így a sejtátrendeződés vizsgálatát is lehetővé teszi majd.

Ami pedig igazán nagyszerű, hogy az ELTE 14 kutatócsoportjának mintegy száz oktatója, PhD hallgatója is elvégezheti rajta a szükséges vizsgálatait, várhatóan 2017 tavaszától.