α2δ-2 mediates coupling of presynaptic calcium entry to vesicle release in hippocampal parvalbumin-expressing interneurons

Het brein vertrouwt op een delicate balans tussen signalen die neuronen prikkelen en signalen die ze kalmeren. Wanneer deze balans te ver doorslaat naar opwinding, is het resultaat een epileptische aanval, een plotselinge golf van elektrische activiteit die de normale functies verstoort. Om deze stabiliteit te handhaven, gebruikt het brein speciale cellen genaamd interneuronen, die fungeren als de remmen van het zenuwstelsel. Deze cellen laten een chemische boodschapper vrij die bekend staat als GABA, die naburige neuronen vertraagt en voorkomt dat ze te snel vuren. Voor het functioneren van dit remsysteem moeten de interneuronen in staat zijn om te detecteren wanneer een elektrisch signaal aankomt en onmiddellijk hun chemische lading vrij te geven. Dit proces is afhankelijk van piepkleine poriën in het celmembraan, genaamd calciumkanalen, die calcium binnenlaten om de afgifte te triggeren. Deze kanalen hebben echter vaak hulp nodig van kleinere partnerproteïnen om correct te functioneren, en wetenschappers leren nog steeds precies hoe deze partnerschappen in verschillende delen van het brein werken.

Een team van onderzoekers richtte zich onlangs op een specifiek partnerproteïne genaamd alfa-2-delta-2, dat behoort tot een familie van moleculen die calciumkanalen ondersteunen. Ze richtten zich op een groep remmende cellen in de hippocampus, een hersengebied dat essentieel is voor het geheugen, die gemarkeerd worden door een eiwit genaamd parvalbumine. Deze parvalbumine-positieve cellen staan erom bekend rijk te zijn aan de alfa-2-delta-2 partner, en eerdere studies hadden aangetoond dat muizen die dit eiwit missen, lijden aan spontane epileptische aanvallen. De onderzoekers wilden de mechanische link begrijpen tussen het ontbrekende eiwit en de aanvallen. Ze vroegen zich af of de afwezigheid van dit partnerproteïne simpelweg het aantal van deze remmende cellen verminderde, of dat het de machinerie binnen de cellen die hen in staat stelt hun kalmerende chemicaliën vrij te geven, kapot maakte.

Om het antwoord te vinden, bereidden de wetenschappers dunne plakjes hersenweefsel voor van muizen die het alfa-2-delta-2-eiwit misten en vergeleken deze met plakjes van normale muizen. Eerst keken ze naar de algehele activiteit in de gyrus dentatus, een specifiek gebied binnen de hippocampus. Ze ontdekten dat bij de muizen die het eiwit missen, de balans van signalen was verschoven; de prikkelende signalen waren sterker in verhouding tot de remmende signalen. Om te zien of dit kwam doordat de remmende cellen er niet in slaagden te vuren, gebruikten de onderzoekers een techniek genaamd optogenetica, waarmee wetenschappers specifieke cellen met licht aan en uit kunnen zetten. Wanneer ze licht gebruikten om de parvalbumine-positieve cellen te activeren, vertoonden de normale muizen een sterke afgifte van remmende signalen. In tegen tegenstelling hiertoe produceerden de muizen zonder het alfa-2-delta-2-eiwit dramatisch kleinere remmende stromen, wat erop wees dat de cellen moeite hadden met het uitvoeren van hun taak.

Het team onderzocht vervolgens of de cellen simpelweg ontbraken of dat ze wel aanwezig waren maar defect waren. Door het weefsel te kleuren om de cellen te visualiseren, ontdekten ze dat er in de mutant-muizen inderdaad minder verbindingen waren van deze remmende cellen naar hun doelneuronen. Echter, het probleem ging dieper dan alleen een verlies van verbindingen. Zelfs de verbindingen die overbleven, waren functioneel aangetast. De onderzoekers maten de waarschijnlijkheid waarmee de cellen hun chemische boodschapper vrijgaven en vonden dat dit in de mutant-muizen aanzienlijk lager was. Bovendien observeerden ze dat de voorraad klaar-om-vrij-gegeven chemische pakketjes, bekend als vesikels, kleiner was dan in de normale muizen.

Ten slotte onderzochten de wetenschappers hoe goed de calciumkanalen verbonden waren met de afgifte van deze vesikels. Door de calciumniveaus binnen en buiten de cellen te manipuleren, toonden ze aan dat de verbinding tussen de instroom van calcium en de daaropvolgende afgifte van het remmende chemische middel veel zwakker was in de cellen die het alfa-2-delta-2-eiwit missen. De studie concludeert dat dit specifieke partnerproteïne essentieel is voor het koppelen van de instroom van calcium aan de afgifte van remmende signalen in deze hersencellen. Zonder dit eiwit wordt het remsysteem inefficiënt, wat leidt tot een toestand waarin het brein gevoeliger is voor de ongecontroleerde elektrische stormen die bekend staan als epileptische aanvallen. De bevindingen suggereren dat de aanvallen bij deze muizen niet alleen het gevolg zijn van het hebben van minder remmende cellen, maar worden veroorzaakt door een fundamentele breuk in de manier waarop de resterende cellen communiceren en hun kalmerende signalen afgeven.