A kokain- és amfetamin-regulált transzkript

Kokain- és amfetamin-regulált transzkript (CART)
1. Ábra
Kokain- és amfetamin-regulált transzkript (CART)

Az elmúlt évtizedekben vált ismerté, és azóta egyre inkább a figyelem központjába került a CART peptid, amely neurotranszmitterként vagy hormonként számos élettani folyamat szabályozásában vesz részt. Többek között a táplálkozásban, az energia-háztartásban, a szorongásban, különböző stressz reakciók illetve függőségek kialakulásában. Befolyásolja a csontanyagcserét, valamint antioxidáns hatású. A legújabb tanulmányokban rengeteg információt találunk a szervezetbeli helyéről, szabályozásáról, feldolgozásáról és funkcióiról, de további vizsgálatok folynak, annak érdekében, hogy felhasználhassák terápiás célokra.

Contents

  1. A kokain- és amfetamin-regulált transzkript
    1. Felfedezése
    2. CART mRNS és peptidek
    3. CART szintézis, kialakulásának helyei a szervezetben
      1. A gén szabályozása és termelése
      2. Termelődesi helyek
    4. CART receptorok
    5. A CART szerepe
      1. Táplálkozás
        1. CART és a leptin kölcsönhatása
        2. Anorexigén és orexigén hatások
        3. Anorexigén hatások
        4. Orexigén hatások
        5. CART és az elhízás
      2. Antioxidáns hatások
      3. A CART hatása a szorongásra
        1. Idegrendszeri bizonyítékok
        2. Kutatások
      4. Függőség és a CART kapcsolata
    6. Irodalomjegyzék
    7. Ábrák forrása

Felfedezése

Douglass és mtsai kísérleteik során (1995) próbálták megfejteni, hogy a pszichostimuláns hatású kábítószerek használata alkalmával, a különböző agyi területeken mely gének lépnek működésbe. Ezen vizsgálataik során a kísérleti patkányokban egy új mRNS-t fedeztek fel, melynek koncentrációja akut kokain és amfetamin bevitel után a bázisérték 3-4-szeresére emelkedett. Ezen kísérletek alapján kapta az új mRNS a Kokain- és amfetamin-regulált transzkript (CART), az általa kódolt fehérjék pedig, a CART peptidek elnevezést. Mindazonáltal kétségtelenné vált, hogy a központi idegrendszeren kívül a perifériás idegrendszer számos területén, valamint a gastrointestinalis rendszer egyes részein is megtalálható, és számtalan élettani folyamat koordinálásában fontos, szabályzó funkciója van. Mindezek ellenére, nem Douglass volt az első, akinek sikerült kimutatni a CART peptidet. Korábban már találtak egy "szomatosztatin szerű fehérjét" egy juh hypotalamusában, mely akkor még nem keltett nagy érdeklődést (Spiess és mtsai, 1981). Csaknem 15 évvel később vált ismerté, mint Kokain- és amfetamin-regulált transzkript (1. ábra).

CART mRNS és peptidek

A CART mRNS szekvencia nem homológ egy másik mRNS-sel sem. Rágcsálóknál alternatív splicing eredményeként két egymástól 39 nukleotidban különböző mRNS-variáns képződik a CART génről. Az mRNS hosszabb és rövidebb variánsa közül, csak az utóbbi jelenik meg az ember esetében is (Kuhar és mtsai, 2000). Az eltérő mRNS-variánsoknak eredményeként egy 129 és egy 116 aminosavból álló fehérje termelődik. A 27 aminosavból álló szignál szekvencia lehasadásával jön létre a 102 valamint a 89 aminosavat tartalmazó proCART. A hosszabb változat az rlCART (rat long form CART), a rövidebb az rsCART (rat short form CART). Ezekkel homológ az egérben található mlCART (mouse long form CART) és msCART (mouse short form CART) (Stanek, 2006).

CART szintézis, kialakulásának helyei a szervezetben

A CART 1995-ös, Doulgass és mtsai által történt felfedezése után 1999-ben Thim és mtsai patkány szövetből nyert mintákból azonosították a CART peptid szekvenciáját (Thim és mtsai, 1999). A kutatás két különböző CART peptidet mutatott ki, a CART 55-102-t és a CART 62-102-t. Mindkét peptidről megállapították, hogy aktívak. Érdekes módon patkányban mindkét peptid kimutatható, míg az emberi szövetekben csak a kisebb, CART 1-89-t tudták kimutatni.

A gén szabályozása és termelése

Az emberi CART gén nagyjából 2.5 kb.-ból áll, amely tartalmaz egy kb. 340 nukleotid hosszú promoter régiót, két intront és három exont. A gén transzkripciójának eredményeként két, különböző hosszúságú mRNS keletkezik, amelyek két, különböző méretű propeptidet, a proCART 1-89-t és a proCART 1-102-t szintetizálnak. A proCART peptideken több hasítási hely található, amelyek lehetővé teszik a transzláció utáni prohormon konvertázok általi feldolgozást és így a peptidek kialakulását (Rogge és mtsai, 2008). Szekvencia összehasonlító tanulmányok kimutatták, hogy a CART peptidek evolúciósan konzerváltak. Például az ember és a patkány génszekvenciája 91%-os azonosságot mutat, míg az egér és a patkány kódoló régiójának nukleotidjai 98%-ban megegyeznek (Dominguez, 2005).

Termelődesi helyek

A CART legfontosabb termelődési helye a központi idegrendszer, illetve néhány belső elválasztású mirigy, ezenkívül a keringési rendszerben is megtalálható. A központi idegrendszerben csak a neuronokban termelődik, az agyi területeken belül a nucleus accumbens a legjelentősebb termelődési helye (ez az agy jutalmazásért felelős régiója). Ezen kívül a hypothalamus, a hypophysis, a mellékvese velő és a pancreas Langerhans-szigetei szekretálják. A termelődés helyeivel összefüggésbe hozható, hogy a CART, mint neurontranszmitter is fontos szerepet játszik. A peptid neurontranszmitterek általános jellemzője, hogy szövetekben termelődnek, biológiailag aktívak, felszabadulásuk pedig Ca2+ függő. Ezeknek a feltételeknek a CART peptid mind megfelel.

CART receptorok

Röviddel a Douglass és mtsai által leírt, a CART mRNS és peptid kutatásban mérföldkőnek számító tanulmány után sok laboratórium próbálta bizonyítani egy CART receptornak a létezését. Kísérleteikhez a megszokott receptor-binding technikát használták, amely módszer nem vezetett a várt eredményekhez. És bár ezek a korai próbálkozások kudarccal végződtek, nem-specifikus receptor kötések kimutathatóak voltak agyhomogenátumból és agyszeletekből. Ezek az okok vezettek el a feltételezéshez, amely szerint egy alacsony affinitású receptor kötőhelynek kell léteznie, amely nem kimutatható az előbb említett eljárással, de magas koncentrációjú, nem specifikus kötőhely analízissel sem. Évekig nem volt fejlődés a CART-receptor kutatás eredményeiben, de az a tény, hogy a CART peptid különböző kísérleti körülmények között is aktívan működik, megfelelő bizonyíték a receptor létezésére. Több laboratórium egyesített eredményei, bizonyítékai utalnak arra, hogy a CART peptid képes aktiválni a G-protein szignál-utat, amely erősen valószínűvé teszi egy G-protein függő CART receptor létezését. Ezzel együtt nehéz magyarázatot találni arra, hogy hogyan képes a peptid kifejteni a hatását egy releváns receptor nélkül.

A CART szerepe

Táplálkozás

A CART által befolyásolt agyi területek
2. Ábra
A CART által befolyásolt agyi területek

Számottevő mennyiségben találtak CART-immunreaktív sejteket és rostokat a bélfalban és a gyomor falában (főként a plexus myentericusban) (Couceyro és mtsai, 1998; Ekblad és mtsai, 2003). Ennek ellenére a CART egyetlen ma ismert lokális hatása, hogy csökkenti a vastagbél NO által előidézett relaxációját.

Egyéb gastrointestinalis hatásait a központi idegrendszeren keresztül fejti ki, a hypotalamicus serkentő hormonok (főleg a CRH) szekréciójának serkentésével. Például: gátolja a gyomor sósavszekrécióját és motilitását, a colon perisztaltikus aktivitását pedig serkenti. CRH antagonisták használata során ezek a hatásai nem jelentkeztek. Ez is alátámasztja azt az állítást, hogy a CART a CRH termelő neuronokon keresztül fejti ki hatását. (Okumura és mtsai, 2000; Tebbe és mtsai, 2004)

A CART jelen van a pancreasban található szenzoros és autonom idegrostok és ganglionok neuronjaiban és a Langerhans-szigetek endokrin sejtjeiben (főként a szomatosztatint termelő A-sejtekben). A CART-gén egyes mutációit követően károsodott az inzulin szekréció, csökkent glükóz tolerancia és II. típusú diabetes mellitus alakult ki, ami elhízáshoz vezethet (del Giudice és mtsai, 2001; Wierup és mtsai, 2006). Ezen kívül a pancreas exocrin részében növeli a szénhidrát bontó amiláz elválasztását (Cowles és mtsai, 2001). A CART peptid tehát nagy mennyiségben van jelen a központi idegrendszer táplálékfelvételt és anyagcserét szabályzó részében. Anatómiai bizonyítékot a CART táplálékfelvételben betöltött szerepéről először Douglass és mtsai (1995) írták le. Koylu és mtsai (1997), később Elmquist és mtsai (1999) vizsgálatokkal alátámasztották ezt az állítást, amikor CART immunreaktivitást találtak a következő (a képen is látható) agyi területeken (2. ábra):

A CART a fent említett területeken termelődő peptideken keresztül hat az anyagcserére:

Táblázat

Ezek közül a legjelentősebb hatást a CRF és a TRH hormonokon keresztül éri el. A hypotalamus nucleus paraventricularisában (PVN) serkenti a Corticotropin Releasing Faktor (CRF) és a Thyreotrop Releasing Hormon (TRH) felszabadulását. Az előbbi hatására fokozódik a mellékvese kéreg glükokortikoid illetve mineralókortikoid termelését befolyásoló, hypophysealis Adrenocorticotrop Hormon (ACTH) szintézise. (Ilyen módon a stresszreakciók kialakításában is szerepet játszik (Koylu és mtsai, 1997; 2006).) Az utóbbi fokozza a Thyreoidea Stimuláló Hormon (TSH) termelését, amely a pajzsmirigy által termelt tiroxin=tetrajód-tirozin (T4) és trijód-tirozin (T3) szintézisét és szekrécióját nagy mértékben növeli (Fekete és mtsai, 2000; Lechan és Fekete 2006; Vrang és mtsai, 2000).

CART és a leptin kölcsönhatása

A CART étvágycsökkentő hatásai szorosan összefüggenek a táplálékfelvétel szabályozásában rendkívül fontos szerepet játszó leptinnel. Rágcsálókban a leptin rendszer megszakítása alacsony CART mRNS szintet eredményezett több hypotalamicus magban is (Murphy, 2005). A leptin cseréje és a krónikus leptin injekciók növelték a CART expressziót, később teljesen helyreállították az egerekben a CART szintet valamint a csökkentették a testsúlyt és az elhízás mértékét (Ahima és Hileman, 2000). Egy anorexiás kísérleti egérben, megszakított leptin jellel és csökkentett táplálékbevitellel, a CART szint jelentősen csökken (Johansen és mtsai, 2000). Továbbá egy magas zsírtartalmú étrendet fogyasztó, elhízott állat esetében hyperleptinémiát és cukorbetegséget, valamint alacsony CART szintet tapasztaltak (Tian és mtsai, 2004).

Anorexigén és orexigén hatások

Különböző hatásokat tapasztaltak a CART intracerebroventricularis és az intranucleáris adagolásakor, ami arra utal, hogy a CART a hypotalamuson belül két, egymástól független módon (anorexigén=étvágycsökkentő illetve orexigén=étvágyfokozó irányba) befolyásolja az étvágyat.

Anorexigén hatások

A hypotalamusba intracerebroventriculárisan injekciózott CART csökkentette a táplálékfelvételt (Kristensen és mtsai, 1998; Lambert és mtsai, 1998). Az ugyanide irányuló hosszantartó és nagy mennyiségű adagolás hatására pedig nagymértékű testtömeg csökkenést is tapasztaltak (Rohner-Jeanrenaud és mtsai, 2002). A hypotalamuson kívül a hátsó agy egyes részein (pl: NTS) és a vaguson keresztül is fejt ki étvágycsökkentő hatást. A vagusban található CART terminálok, különböző központi magokból (pl: NTS) erednek. A NTS-ban CART-jelölt neuronok cholecystokinint (receptor mRNS-t) expresszálnak (Broberger és mtsai, 1999), ami jóllakottságot indukál. Koexpresszál a cannabinoid CB1 receptorokkal, amik a táplálkozás és az energia homeosztázis szabályozásában játszanak fontos szerepet (Cota és mtsai, 2003). Azok az egerek, akiknek a CB1 receptorait eltávolították, lesoványodtak és alacsonyabb CART mRNS szintet mutattak.

Orexigén hatások

Az agy egyes területein a megemelkedett CART szint ellentétes reakciókat vált ki. A nucleus arcuate-ban lévő emelkedett CART peptid hatására a kísérleti állatok táplálékfogyasztása és testtömege is megnőtt (Kong és mtsai, 2003). Ezen felül ez a tanulmány erős korrelációt mutatott ki a CART és a hőháztartás között. Azokban a patkányokban, melyek tartósan hidegnek voltak kitéve, a fokozott CART szint (az agy ugyanezen területén) testsúly csökkenést indukált, ezzel növelve a hőtermelésre fordított energiát.

Az eredmények, melyek azt mutatják, h a CART együttműködik mind az orexigén, mind az anorexigén peptidekkel, bizonyítják, h a CART szerepe az étvágy ellenőrzésében és az energia homeostasisban minden bizonnyal modulációs.

CART és az elhízás

Az emberi CART génhez szorosan köthető az elhízásra való hajlam, hiszen az 5. kromoszómán az 5q13-14 régiót képezi, amely a legfőbb érzékenységi hely az elhízáshoz. (Hager és mtsai, 1998; Echwald és mtsai, 1999). A CART gén polimorfizmusait valamint az egyénenkénti CART peptid szintek közötti különbségeket összefüggésbe hozták az örökletes elhízással, az energia felhasználással, a csípő-derék méretaránnyal, valamint az anorexiával (Challis és mtsai, 2000; del Giudice és mtsai, 2001; Yamada és mtsai, 2002; Guerardel és mtsai, 2005). A legmeggyőzőbb bizonyítékokat, melyek a CART emberi elhízásban való szerepét támasztják alá, egy elhízott olasz család tagjain végzett tanulmány során írták le (del Giudice és mtsai, 2001). Egy missence mutáció a CART génben egy Leucin-Fenilalanin szubsztitúciót eredményezett, mely súlyos korai elhízáshoz kapcsolódott, három generáción keresztül. Érdekes módon, ugyan ez a mutáció a CART cDNS konstrukciójában megváltoztatta a hypophysis AtT20 sejtjeinek CART peptid szintjét, feldolgozását illetve válogatását (Dominguez és mtsai, 2004). A mutáció és a fenotípus leírása jelzi, hogy a CART rendszer fontos szerepet játszik az emberi testtömeg, valamint az esetleges további egészségügyi problémák kialakulásában. Valóban, a fent említett olasz család tagjainál, akik az L34F mutációt hordozzák, a depresszióra és a szorongásra való hajlam nagyobb, ami arra utal, hogy a CART az érzelmekre is hat (Yanik és mtsai, 2006). Jövőbeli tanulmányok, melyek a CART gén polimorfizmusát vizsgálják, hozzájárulhatnak az elhízás megértéséhez és talán a CART peptid terápiás felhasználásához az elhízás, az egyéb betegségek és a kapcsolódó szövődmények kezelése során.

Antioxidáns hatások

2012 januárjában a Mao és mtsai által publikált eredmények új fordulatot hoztak a CART peptid kutatásban. Munkájuk során először lokalizáltak CART-ot mitokondriumban, illetve a peptid egy új tulajdonságát, antioxidáns funkcióját is felfedezték (Mao és mtsai, 2012).

Kísérleteik során először azonosítottak egy mitokondrium protein szukcinát-dehidrogenáz B-t (SDHB), mint CART-kötő egységet. Ennek jelentősége, hogy az SDHB a Crebs-ciklus és a mitokondrium elektrontraszport lánc (komplex II néven is ismert) meghatározó enzime is, a CART pedig mindkét folyamatot képes stimulálni. Újabb kutatások kimutatták, hogy csupán egyetlen SDHB gén módosulás is súlyos fenotípusos változásokat okoz, úgy mint a paraganglioma, II-típusú diabetes, ischemiás stroke, veseelégtelenség (Kim és mtsai, 2009). Továbbá ezeknek a betegségeknek közös patológiai jellemzője az oxidatív károsodás. Ennek fényében különösen fontossá válik az SDHB és a CART szerepe az öröklődő genetikai betegségekben, illetve a CART-nak, mint antioxidánsnak a működése. A CART antioxidáns hatásának megértésére Mao és mtsai először emberi lymhocytákban megmérték a malondialdehid (MDA) és a 4-HNF koncentrációt. Ez a két molekula markere a lipid peroxidációnak. A kísérlet következő lépésében H2O2-t adtak a rendszerhez, amely jelentősen indukálta az MDA és 4-HNF produkciót (a H2O2 a szervezet egyik legjelentősebb oxidálószere). A kísérlet utolsó lépéseként TAT-EGFP-CART-tal kezelték a rendszert, amely ekkor jelentős MDA és 4-HNF koncentráció csökkenést mutatott. A CART azonban nem csak az előbb leírt közvetett úton képes antioxidánsként hatni, hanem közvetlenül is. Ekkor a mitochondriumban közvetlenül az SDH-val lép reakcióba a CART (Mao és mtsai, 2007).

Bár a CART peptid sok hasonló vonást mutat a hormonokkal, mégis valószínűleg egy új fajta peptid hormonról van szó, mivel elsődleges antioxidáns tulajdonsággal bír. Ezt korábban más peptid hormonoknál nem írták le. Ezért célszerűbb antioxidáns peptidnek vagy antioxidáns hormonnak (AOH) nevezni, de nem csak funkciójában, hanem szerkezetében is újdonságokat mutat, mivel a fehérje három diszulfid-hidat tartalmaz a C-terminális részen, illetve citozin tartalma is egyedülálló.

A CART-peptidnek, mint antioxidáns szernek meghatározó szerepe lehet az olyan betegségekben, amelyek a neuronok degenerációjával és oxidációs stresszel járnak, mint pl. a Parkinson-kór vagy az Alzheimer-kór (Jenner, 2007).

A CART hatása a szorongásra

Stresszre és szorongásra adott agyi válasz útvonala
3. Ábra
Stresszre és szorongásra adott agyi válasz útvonala

Idegrendszeri bizonyítékok

A CART mRNS és peptidek nemcsak az evéssel és jutalmazással kapcsolatos területeken jelentősek, hanem a limbikus rendszeren belül is megjelennek, amely agyi terület az érzelmek modulációjával áll kapcsolatban. CART immunreaktivitás lelhető fel többek között az amygdala bazomediális és centrális magjában (BM, CeA), a BNST-ben (bed nucleus of the stria terminals) és a hippokampuszban (3. ábra). Jelenléte a limbikus rendszerben utal arra, hogy a CART-nak szerepe lehet bizonyos érzelmek kialakulásában. Több kutatás is arról számol be, hogy a szorongás-szerű viselkedés mediátora rágcsálóknál (Stanek, 2006).

Kutatások

Elsőként Kask és mtsai (2000) számoltak be a CART szorongásban játszott szerepéről. CART-ot fecskendeztek patkányok agyába, majd ezután a szorongás-szerű viselkedésüket vizsgálták. Hím patkányoknál gátolta a spontán táplálékfelvételt, az ivás mennyiségének és a locomotoros aktivitás változása nélkül. EPM (emelt keresztpalló teszt) segítségével kimutatták, hogy dózistól függően erősödött a szorongás-szerű viselkedés. 2001-ben Asakawa és mtsai egér esetében is alátámasztották a Kask és mtsai (2000) kutatásának eredményeit. Vizsgálták a CART hatásait szorongás, táplálékfelvétel, oxigénfogyasztás és ürítés szempontjából is, hiszen a táplálkozási viselkedés és a testsúly szabályozása szoros kapcsolatban áll az érzelmekkel, az ürítéssel és az energiafelhasználással. Szorongásoldók (pl.: diazepham, buspiron) hatására enyhült a CART által kiváltott szorongás-szerű viselkedés az EPM teszt során, ami azt mutatja, hogy CART-indukált viselkedésváltozást a vizsgált állatoknál a fokozott szorongás okozta (Chaki és mtsai, 2003). Az embereken végzett kutatások is alátámasztják ezen tanulmányok eredményeit. Kimutatták, hogy a CART gén egy mutációja embereknél súlyos elhízást és szorongást okozhat (Stanek, 2006).

Függőség és a CART kapcsolata

Kokain szerkezeti képlete
4. Ábra
Kokain szerkezeti képlete

A CART pszichostimulánsok jutalmazó-megerősítő hatását szabályozó szerepével több tanulmány is foglalkozik. A CART és a drogfüggőség kapcsolatát bizonyítja, hogy a nucleus accumbensben a CART mRNS szint a kokain (4. ábra) túladagolásban elhunyt emberek esetében megnövekedett, továbbá vizsgálatok szerint az alkoholbetegek egy részénél a CART gén mutációi mutathatók ki. A kokain mellett, metamfetamin, ecstasy vagy etanol hatására is megemelkedik a nucleus accumbens-ben a CART mRNS szint. A pszichostimulánsok aktiválják a CART fehérjét tartalmazó neuronokat a nucleus accumbensben. (Rogge és mtsai, 2008)

A CART mRNS és fehérjék a jutalom-asszociált régiók nagy részében jelen vannak. Talán a két legfontosabb olyan terület, ami a CART drog-mediált jutalmazó, megerősítő és viselkedési szerepéhez kapcsolódik a mesolimbikus dopamin pálya része, a ventrális-tegmentális area (VTA), valamint a nucleus accumbens (NAc). A VTA-ban a CART mRNS-t és peptideket tartalmazó idegvégződések kapcsolatban állnak dopamin (DA) és gamma-amino-vajsav (GABA) szintetizáló neuronokkal is. A nucleus accumbens-ben főleg az accumbens kábítószer használat hatásaira fokozottan érzékeny, héji részen található CART mRNS és peptid. Továbbá megemlítendő még két másik agyi régió, az amygdala és a cortex, amelyek szintén fontos szerepet játszanak a kábítószer használat akut megerősítő hatásában és a hosszútávú következményeiben. Rendszeres kokain használat megemeli az amygdala CART mRNS szintjét, ami arra utal, hogy a kokain jutalmazó hatásának mediátora lehet a CART rendszer. Az amygdala környezeti stresszor mediáló szerepének következtében, a CART egyébként semleges környezeti ingereket társíthat a drogok jelenlétével (Vicentic és Jones, 2006).

Irodalomjegyzék

Ábrák forrása

CART (last edited 2012-12-08 19:47:08 by ZCQW99)