Γήρανση του νευρομυϊκού συστήματος στη drosophila: o ρόλος του ασβεστίου

Abstract

Aging is characterized by progressive accumulation of changes that are responsible for or involved in an increased susceptibility to diseases. Brain appears to be particularly sensitive to the aging process, since the incidence of neurodegenerative diseases, including Alzheimer's disease increases with aging.Studies concerning the mechanisms contributing to aging are numerous. The fact that homologous genes are being maintained evolutionarily between vertebrates and invertebrates has turned the interest of the scientific community into researches that use simpler model system organisms such as Drosophila Melanogaster and C. Elegans in order to study the genetic and molecular basis of aging.Drosophila Melanogaster was used as a model system to study the effect of aging on motor function and behavior. In the first round of experiments, the negative geotaxis, an escape behavior was studied, as a response to a mechanical stimulus where aging individuals without a stimulus were found spontaneously in the lower points of the vial and did not respond to the stimuli or they lost their interest very quickly. In contrast to the increased levels of indifference(reduced climbing tendency and duration) following a stimulus, their kinetic status remained at high operating levels for most of their lives. The premonitions "Normal" characteristics described by the study, subject to specific genetic and structural-functional changes that explain the rapid collapse of the organism. Understanding these changes, the pattern of hierarchical collapse of structures, systems and functions, is obviously an important research goal.As an indicator of age-dependent motor changes, the Giant Fiber System, the neural circuit responsible for the escape behavior was studied electrophysiologically. It was found that for the majority of aged individuals it was not feasible to record the GFS output in response to electrical stimulation. In contrast all young insects exhibited robust responses. Following these and taking into account that in the aged Drosophila melanogaster there is a functional decay in GFS, it is concluded that signal transmission failure in aged flies is not a progressive event but the neural circuit is subject to an abrupt signal propagation blockade.Subsequently, we studied the effect of the accumulation of normal human isoforms ON4R and ON3R as well as the mutant R406W isoform of tau protein in the adult Drosophila melanogaster CNS. The abnormal accumulation of tau protein is responsible for the formation of neurofibrillary lesions in Alzheimer's disease as well as forms the substrate for other neurodegenerative diseases known as tauopathies. Although some functional differences have begun to emerge, it is still largely unclear whether the normal and mutated tau protein isoforms induce differential effects on the synaptic physiology of CNS neurons. From the electrophysiological experiments it was revealed that the ON3R and ON4R isoforms affect distinct synaptic parameters. Whereas 0N3R increased failure rate upon high frequency stimulation, 0N4R compromised stimulus conduction and response speed at a specific cholinergic synapse in an age-dependent manner. In contrast, accumulation of the R406W mutant of 0N4R induced mild, age-dependent conduction velocity defects. Because 0N4R and its mutant isoform are expressed equally, it demonstrates that the observed disorders are not merely a consequence of the exogenous accumulation of human tau protein and suggest different functional properties of the ON3R and ON4R isoforms in cholinergic synapses.The above set the basis for further research investigating at the role of different isoforms of tau protein in the GFS and that will help to clarify the mechanisms of vulnerability of cholinergic synapses which generally regulate neurodegeneration and, in particular, tauopathies and lead to development of therapeutic interventions.

H γήρανση χαρακτηρίζεται από προοδευτική συσσώρευση αλλαγών που είναι υπεύθυνες ή εμπλέκονται κατά το μάλλον ή ήττον στην αυξημένη ευαισθησία έναντι ασθενειών. Ο εγκέφαλος φαίνεται να είναι ιδιαίτερα ευαίσθητος στη διαδικασία της γήρανσης αφού η εμφάνιση νευροεκφυλιστικών ασθενειών, συμπεριλαμβανομένης της νόσου Alzheimer, αυξάνεται με την πάροδο της ηλικίας.Οι μελέτες που αφορούν τους μηχανισμούς που συμβάλλουν στη γήρανση του ανθρώπου είναι πολυπληθείς. Το γεγονός ότι oμόλογα γονίδια συντηρούνται εξελικτικά μεταξύ σπονδυλωτών και ασπόνδυλων έστρεψε το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας σε έρευνες που χρησιμοποιούσαν ως μοντέλα συστήματα πιο απλούς οργανισμούς όπως είναι η Drosophila Melanogaster και το C. Elegans για τη μελέτη της γενετικής και μοριακής βάσης της γήρανσης.Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε ως μοντέλο σύστημα η Drosophila Melanogaster για τη μελέτη της επίδρασης της γήρανσης στην κινητική λειτουργία και συμπεριφορά του οργανισμού. Στον πρώτο κύκλο πειραμάτων, μελετήθηκε η συμπεριφορά διαφυγής, ο αρνητικός γεωτακτισμός ως αντίδραση σε μηχανικό ερέθισμα όπου διαπιστώθηκε ότι τα γηρασμένα άτομα χωρίς κάποιο ερέθισμα βρίσκονται αυθορμήτως στα κατώτερα σημεία του φιαλιδίου, δεν αντιδρούν στα ερεθίσματα ή χάνουν πολύ γρήγορα το ενδιαφέρον τους. Εν αντιθέσει με τα επαυξημένα επίπεδα αδιαφορίας (ελαττωμένη διάρκεια αναρρίχησης) μετά από ερέθισμα που παρουσίαζαν τα άτομα, η κινητική κατάσταση τους παρέμενε σε υψηλά λειτουργικά επίπεδα για το μεγαλύτερο μέρος της ζωής τους. Τα προθανάτια «φυσιολογικά» χαρακτηριστικά που περιέγραψε η μελέτη υπόκεινται σε συγκεκριμένες γονιδιακές και μορφολειτουργικές αλλαγές που εξηγούν τη ραγδαία κατάρρευση του οργανισμού. Η κατανόηση αυτών των αλλαγών, το μοτίβο ιεραρχικής κατάρρευσης δομών, συστημάτων και λειτουργιών είναι προφανές ότι αποτελεί ένα σημαντικό ερευνητικό στόχο.Ως δείκτης των ηλικιο-εξαρτώμενων κινητικών αλλαγών στο νευρομυϊκό σύστημα (κεντρικές και νευρομυϊκές συνάψεις, ταχύτητα αγωγής κλπ) μελετήθηκε ηλεκτροφυσιολογικά το Σύστημα Γιγαντιαίων Αξόνων, το οποίο είναι υπεύθυνο για τη συμπεριφορά διαφυγής. Αυτό το οποίο διαπιστώθηκε ήταν ότι στο μεγαλύτερο ποσοστό των γηρασμένων εντόμων δεν ήταν εφικτό να παρθεί καταγραφή έναντι του συνόλου των νεαρών εντόμων που δεν διαπιστώθηκαν αποτυχίες. Κατόπιν τούτων και συνεκτιμώντας το γεγονός ότι κατά τη γήρανση της Drosophila melanogaster υπάρχει έκπτωση της λειτουργίας του ΣΓΑ, διεξάγεται το συμπέρασμα ότι η έκπτωση της λειτουργίας δεν είναι συνεχώς επιδεινούμενη αλλά το σύστημα υπόκεινται σε μια παρακώλυση της διάδοσης του σήματος.Εν συνεχεία μελετήσαμε την επίδραση που έχει η συσσώρευση των φυσιολογικών ανθρώπινων ισομορφών ΟΝ4R και ΟΝ3R καθώς και της μεταλλαγμένης R406W ισομορφής της ταυ πρωτεΐνης στο ΣΓΑ ενήλικων ατόμων Drosophila melanogaster. Η ανώμαλη συσσώρευση της ταυ πρωτεΐνης είναι υπεύθυνη για το σχηματισμό των νευροϊνιδιακών βλαβών στη νόσο Alzheimer καθώς επίσης αποτελεί το υπόστρωμα και για άλλες νευροεκφυλιστικές νόσους που είναι γνωστές ως ταυ-πάθειες.Παρόλο που ορισμένες λειτουργικές διαφορές έχουν αρχίσει να διαφαίνονται, εξακολουθεί να είναι σε μεγάλο βαθμό ασαφές εάν οι φυσιολογικές και οι μεταλλαγμένες ισομορφές της ταυ πρωτεΐνης επάγουν διαφορικές επιδράσεις στη συναπτική φυσιολογία των νευρώνων του ΚΝΣ. Από τα ηλεκτροφυσιολογικά πειράματα αποκαλύφθηκε ότι οι ισομορφές ΟΝ3R και ΟΝ4R επηρεάζουν ξεχωριστές συναπτικές παραμέτρους. Ενώ η ισομορφή 0N3R αύξησε το ρυθμό αποτυχίας κατά την υψηλής συχνότητας διέγερση, η ισομορφή ΟΝ4R επηρέασε την αγωγή του σήματος και την ταχύτητα απόκρισης σε μια συγκεκριμένη χολινεργική σύναψη με ηλικίο- εξαρτώμενο τρόπο. Αντιθέτως, η συσσώρευση της μεταλλαγμένης R406W ισομορφής προκάλεσε ήπια ηλικιο- εξαρτώμενη διαταραχή στην ταχύτητα αγωγής του ερεθίσματος. Επειδή η 0Ν4R και η μεταλλαγμένη ισομορφή της εκφράζονται ισοδύναμα, αυτό καταδεικνύει ότι οι παρατηρούμενες διαταραχές δεν είναι απλώς επακόλουθα της εξωγενούς συσσώρευσης ανθρώπινης ταυ πρωτεΐνης και υποδηλώνουν διαφορετικές λειτουργικές ιδιότητες των ΟΝ3R και ΟΝ4R ισομορφών στις χολινεργικές συνάψεις. Τα προαναφερθέντα θέτουν τη βάση για περαιτέρω έρευνα στο ΣΓΑ και άλλων ισομορφών της ταυ πρωτεΐνης που θα συνδράμουν στην αποσαφήνιση των μηχανισμών της ευαισθησίας των χολινεργικών συνάψεων που διέπουν γενικότερα τον νευροεκφυλισμό και πιο συγκεκριμένα τις ταυ-πάθειες και ενδεχομένως βοηθήσουν περαιτέρω στη δημιουργία θεραπευτικών παρεμβάσεων