Opm. Neuro.tijdschrift#3 `00 (Page 201)

P R O E F S C H R I F T B E S P R E K I N G
Translocatie en vertaling van mRNA
in axonen van centrale zenuwcellen
moeilijk identificeerbare neuronen zeer complexe organen, hetgeen het bestuderen van fundamentele vragen
op cellulair niveau bemoeilijkt. Het zenuwstelsel van
de poelslak daarentegen bevat slechts 20.000 relatief
grote neuronen, in overzichtelijke clusters gelokaliseerd
in 11 zenuwknopen (ganglia). Een groot aantal neuronen is bovendien geïdentificeerd, wat onder meer
inhoudt dat er gegevens bekend zijn over functie en/of
transmitterinhoud. Een ander voordeel is dat de neuronen individueel uit het brein kunnen worden geïsoleerd en in een kweekschaaltje tot uitgroei kunnen worden gebracht. Dit in vitro kweken van neuronen biedt
de unieke mogelijkheid om de eigenschappen van één
enkele cel te bestuderen.
Promotie van J.J. Bergman
Samenvatting
Op donderdag 9 maart jl. promoveerde J.J.
Bergman op het onderwerp: “Translocatie en
vertaling van mRNA in axonen van centrale
zenuwcellen”, onder promotor Prof. Dr. W.P.M.
Geraerts en co-promotoren Dr. J. van Minnen en
Dr. A.B. Smit aan de Vrije Universiteit te
Amsterdam.
Hieronder zijn de voornaamste conclusies uit
zijn proefschriftonderzoek weergegeven.
(Ned Tijdschr Neurol 2000;3:201-202)
Wordt mRNA translocatie gereguleerd
door fysiologische omstandigheden?
Inleiding
Volgens de algemeen aanvaarde opvatting worden
eiwitten die betrokken zijn bij het functioneren van
zenuwcellen aangemaakt in het cellichaam en via axonaal transport vervoerd naar de extra-somale domeinen, i.e. de dendrieten en axonen. Echter, aanwijzingen bestaan dat naast de somale aanmaak van eiwitten
er een onafhankelijk synthese-mechanisme aanwezig
is in de dendrieten en axonen. Met name de aanwezigheid van messenger RNA moleculen (i.e. de sjabloon
voor eiwitten bij eiwitsynthese in het cellichaam) in
neurieten heeft geleid tot deze hypothese.
Het optreden van eiwitsynthese in de axonen, dendrieten en neurieten van een neuron is een nieuw concept. Over de bijdrage die deze lokale eiwitsynthese
kan hebben aan het neuronaal functioneren is derhalve nog weinig met zekerheid bekend. De gegevens in
het proefschrift ondersteunen de hypothese en daarmee een mogelijke rol voor lokale eiwitsynthese bij
uitgroei, synaptische plasticiteit en regeneratie van
neuronen.
Het zenuwpreparaat
Alle in het proefschrift beschreven experimenten zijn
uitgevoerd aan neuronen van de poelslak Lymnaea
stagnalis. Het gebruik van het centraal zenuwstelsel van
de slak voor fundamenteel neurobiologisch onderzoek
biedt een aantal voordelen ten opzichte van het gebruik
van de hersenen van zoogdieren. De hersenen van
zoogdieren zijn met zo’n 100 miljard relatief kleine en
N E D E R L A N D S
T I J D S C H R I F T
V O O R
Tijdens het leggen van eieren door Lymnaea zijn er verschillende gedragsveranderingen waarneembaar, die
gereguleerd worden door veranderingen in signaaloverdracht in het zenuwstelsel. De ovulatie en het leggen
van de eieren worden bewerkstelligd door afgifte van
grote hoeveelheden eileghormoon en verwante peptiden uit het verantwoordelijke celcluster door middel
van een synchrone elektrische activiteit. De effecten
van de elektrische activiteit op de axonale lokalisatie
van het mRNA dat codeert voor het eileghormoon zijn
bestudeerd op verschillende tijdstippen na het begin
van de elektrische activiteit. De resultaten tonen aan
dat de aanwezigheid van transcripten (mRNA moleculen) in de axonen optreedt als de neuronen ook elektrische activiteit vertonen. Het lijkt mogelijk dat door
vertaling van de axonale transcripten de hoeveelheid
afgegeven eileghormoon weer snel op peil gebracht
wordt. Lokalisatie van de mRNA moleculen in de axonen buiten de synaptische vesikels, aangetoond met
behulp van electronenmicroscopie, ondersteunt deze
gedachte: de transcripten zijn zo goed beschikbaar voor
de lokaal aanwezige vertalingsmachinerie, hoewel nog
nader onderzocht dient te worden of vertaling ook werkelijk gebeurt.
Vindt er eiwitsynthese plaats in uitgroeiende neurieten?
In het proefschrift is aangetoond dat neurieten van in
vitro uitgroeiende Lymnaea neuronen daadwerkelijk
in staat zijn om lokaal eiwitten te synthetiseren, onaf-
N E U R O L O G I E
NR.
3 - 2000
201
A
B
C
D
Figuur 1.1A: Vertaling van celvreemd mRNA door een geïsoleerd neuron na injectie van het mRNA in het cellichaam. 1B - D:
Teneinde vertaling van mRNA door de uitlopers aan te tonen is van een geïsoleerd neuron de uitloper losgesneden (1B) en vervolgens geïnjecteerd met het mRNA wat gebruikt is in figuur 1A (1C). Twee tot vier uur na injectie van het mRNA kon vertaling
door de uitloper worden aangetoond, hetgeen onafhankelijk van het cellichaam heeft plaatsgevonden.
hankelijk van het cellichaam. Hiertoe is gebruik
gemaakt van een goed geïdentificeerde groep neuronen
die tevens individueel geïsoleerd konden worden uit het
zenuwstelsel van Lymnaea en tot in vitro uitgroei konden worden gebracht. Het is dus bekend welke eiwitten
wel en welke eiwitten niet in deze neuronen tot expressie
komen, en dus welke mRNA moleculen wel en welke
niet in deze neuronen voorkomen. Door het injecteren
van mRNA moleculen, die niet in de geïsoleerde neuronen voorkomen, is het mogelijk om tijdelijk een
‘vreemd’ eiwit door deze cellen te laten produceren.
Door de neurieten van het cellichaam los te snijden en
celvreemd mRNA in de losgesneden neurieten in te
spuiten, kon worden aangetoond dat deze ‘losse neurieten’ eiwitten kunnen synthetiseren, onafhankelijk van
het cellichaam (zie Figuur 1).
Verschilt lokale eiwitsynthese van de
‘reguliere’ synthese in het cellichaam?
Hiertoe is in principe gebruik gemaakt van dezelfde
proefopzet als hierboven, alleen is nu geen exogeen
mRNA in de neurieten geïnjecteerd om eiwitsynthese
aan te tonen, maar zijn er radioactief gelabelde aminozuren aangeboden aan de neurieten, teneinde nieuwe,
lokaal gesynthetiseerde eiwitten zichtbaar te kunnen
maken. Via gelelektroforese (scheiden op grootte) en
autoradiografie (zichtbaar maken d.m.v. een fotoemulsie) kon de diversiteit van lokaal aangemaakte
eiwitten bepaald worden. Met behulp van deze techniek is aangetoond dat er een grote diversiteit van
eiwitten door de neurieten aangemaakt wordt, hoewel
deze hoeveelheid veel minder is dan de eiwitten die
202
NR.
3 - 2000
vanuit het cellichaam naar de neurieten getransporteerd worden. Eiwitsynthese in de neurieten vindt
voornamelijk plaats in microdomeinen, zoals in vertakkingsplaatsen van neurieten, in de groeitip, en in
verdikkingen van de neuriet, hetgeen kon worden
aangetoond door de radioactieve eiwitten zichtbaar te
maken met behulp van autoradiografie. Door deze
laatste methode te combineren met een methode die
ribosomen aantoont, is aannemelijk gemaakt dat
lokale eiwitsynthese op ribosomen plaatsvindt, net
zoals in het cellichaam, en dat er bovendien een verschil in activiteit van eiwitsynthese kan zijn tussen de
afzonderlijke microdomeinen.
Conclusie
Voor neuronale processen als synaptische plasticiteit,
uitgroei en regeneratie is nieuwe eiwitsynthese essentieel. Omdat cellulaire veranderingen veelal in de subcellulaire domeinen in de periferie van de cel plaatsvinden, zou lokale eiwitsynthese een belangrijke rol
kunnen vervullen in deze processen, met name omdat
het lokaal aanmaken van eiwitten een sneller en daardoor meer plastisch mechanisme is dan aanmaak en
transport vanuit het cellichaam.
Correspondentie-adres promovendus:
Dr.J.J. Bergman
Kamgrasstraat 8
1313 BB Almere
N E D E R L A N D S
T I J D S C H R I F T
V O O R
N E U R O L O G I E