НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ БІОХІМІЇ ІМЕНІ О.В. ПАЛЛАДІНА

ЛІНЕЦЬКА Марія Василівна

УДК 577.352.4

Механізми реалізації дії альфа-латротоксину як стимулятора
нейросекреції

03.00.004 ? Біохімія

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Київ?2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі нейрохімії

Інституту біохімії ім. О.В. Палладіна НAH України.

Науковий керівник — кандидат біологічних наук,

старший науковий співробітник

ГІММЕЛЬРЕЙХ Ніна Германівна,

завідувач відділу нейрохімії

Інституту біохімії ім. О.В.
Палладіна НAHУ.

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор

МАТИШЕВСЬКА Ольга Павлівна,

професор кафедри біохімії

Київського національного
університету

імені Тараса Шевченка;

кандидат біологічних наук,

старший науковий співробітник

БАБІЧ Лідія Григорівна,

старший науковий співробітник

відділу біохімії м’язів

Інституту біохімії ім. О.В.
Палладіна НАНУ

Провідна установа — Інститут фізіології імені О.О. Богомольця НАН
України,

відділ нейрохімії

Захист відбудеться 7 червня 2005 р. о 14 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 26.240.01 в Інституті біохімії ім. О.В.
Палладіна НАНУ (01601 Київ, вул. Леонтовича, 9).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту біохімії ім.
О.В. Палладіна НАНУ (Київ, вул. Леонтовича, 9).

Автореферат розіслано 6 травня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат біологічних наук
О.В. Кірсенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. З’ясування механізму здійснення синаптичної передачі
посідає провідне місце серед найважливіших проблем нейробіології та є
предметом особливої уваги в багатьох лабораторіях світу. Ключовим етапом
передачі нервового імпульсу є вивільнення нейромедіатора в синаптичну
щілину, тобто процес нейросекреції. Останнім часом було доведено, що
вивільнення із нервових терміналей таких нейромедіаторів, як
?-аміномасляна кислота (ГАМК), глутамат, ацетилхолін, відбувається за
участю двох механізмів: Са2+-активованого процесу екзоцитозу – злиття
синаптичних везикул із пресинаптичною мембраною, та Ca2+-незалежного
Na+-залежного процесу вивільнення медіаторів із цитозольного пулу за
участю специфічних транспортерів медіаторів, локалізованих у
плазматичній мембрані.

Унікальним інструментом вивчення процесу нейросекреції є ?-латротоксин
(?-LTX), основний токсичний компонент отрути павука каракурта
(Latrodectus mactans tredecimguttatus). Внаслідок специфічного
зв’язування з Ca2+-залежним (нейрексин І?) або з Ca2+-незалежним
(латрофілін/CIRL) рецепторами, локалізованими на пресинаптичній
мембрані, токсин стимулює потужне вивільнення нейромедіаторів із
нервових терміналей як за наявності, так і за відсутності позаклітинного
Са2+ в експериментах in vitro. Але, незважаючи на досить високий інтерес
науковців до дослідження ?-LTX, механізм його секретогенної дії ще не до
кінця з’ясований. Тому нові дані, одержані в результаті даного
дослідження, матимуть важливе значення для розвитку уявлень про механізм
нейротоксичної дії ?-LTX зокрема і механізму нейросекреторного процесу
взагалі.

Результати багатьох попередніх досліджень свідчать, що стимуляція
нейросекреції внаслідок зв’язування ?-LTX з двома різними рецепторними
білками на пресинаптичній мембрані відбувається із залученням тих самих
механізмів екзоцитозу, які задіяні й у потенціалзалежному вивільненні
медіаторів. Але у низці лабораторій було показано, що цей токсин здатен
викликати вивільнення нейромедіаторів за умов, коли екзоцитоз не може
бути стимульований ані потенціалом дії, ані кальцієвими іонофорами, ані
гіпертонічним розчином сахарози. Очевидно, ефект ?-LTX передбачає обхід
деяких етапів, наявних у звичайному механізмі нейросекреції, викликаному
потенціалом дії.

Досі нез’ясованим залишається питання, чи приєднання токсину до різних
рецепторів залежно від присутності чи відсутності Ca2+ в середовищі
стимулює реалізацію одного чи різних механізмів дії. Особливий інтерес
дослідників викликає секретогенна дія ?-LTX в безкальцієвому середовищі.
Гостро дискусійним є питання щодо джерела нейротрансміттерів,
вивільнення яких стимулює токсин: чи викликає він тільки екзоцитоз
синаптичних везикул, чи здатен також стимулювати вихід нейромедіатора з
цитозольного (невезикульованого) пулу? Якщо токсин вивільняє
нейромедіатор із цитозолю, то яким є механізм цього вивільнення – через
пори, які формує ?-LTX у мембрані, чи через специфічний транспортер
нейромедіатора на плазматичній мембрані?

Наші експерименти мали на меті з’ясувати чи може стимулювати ?-LTX
процес екзоцитозу, тобто вивільнення нейромедіатора з везикульованого
пулу, в безкальцієвому середовищі; чи є мішенню дії токсину цитозольний
пул нейромедіатора, і якщо так, то яким є механізм вивільнення медіатора
з нього під дією токсину.

Мета дослідження полягала у з’ясуванні механізму секретогенної дії
?-латротоксину, зокрема встановленні залежності ефекту токсину від
наявності або відсутності позаклітинного Са2+ (а отже, від типу
рецептору, з яким зв’язується токсин), а також участі двох пулів
нейромедіатора – везикульованого та цитозольного – в реалізації
секретогенної дії ?-LTX. Відповідно до цього були поставлені такі задачі
дослідження:

Дослідити вплив ?-LTX на вивільнення ГАМК із нервових терміналей
(синаптосом) головного мозку щурів за умов виснаження цитозольного пулу
ГАМК шляхом: а) пермеалізації синаптосом дигітоніном; б) гетерообміну
нейромедіатора з конкурентними інгібіторами ГАМК-транспортера
плазматичної мембрани – ніпекотиновою кислотою або 2,4-діамінобутиратом.

Дослідити вплив ?-LTX на вивільнення ГАМК за умов модулювання процесу
екзоцитозу інгібіторами протеїнфосфатаз – окадаєвою кислотою та
циклоспорином А.

Дослідити вплив ?-LTX на вивільнення ГАМК за умов пригнічення
екзоцитозу інгібітором ФІ 4-кінази феніларсен оксидом.

Дослідити вплив ?-LTX на вивільнення ГАМК за умов виснаження
везикульованого пулу нейромедіатора шляхом деполяризації синаптичних
везикул за допомогою: а) протонофора FCCP; б) специфічного інгібітора
Н+-АТФази синаптичних везикул – бафіломіцина А1 .

Дослідити вплив ?-LTX на вивільнення ГАМК за умов інгібування
ГАМК-транспортера плазматичної мембрани його несубстратним блокатором
NO-711.

Наукова новизна одержаних результатів. Застосовуючи різні підходи, які
полягали у використанні агентів, які впливають на цитозольний або
везикульований пули ГАМК, було показано, що:

?-латротоксин як в присутності Са2+, так і в безкальцієвому середовищі
здатен стимулювати екзоцитоз синаптичних везикул;

токсин викликає вихід ГАМК із цитозольного пулу, причому ця його
здатність не залежить від фактору наявності Са2+ в позаклітинному
середовищі;

механізм реалізації секретогенної дії ?-LTX певною мірою залежить від
використаної концентрації токсину: у високій концентрації він значно
ефективніше стимулює вихід нейромедіатора із невезикульованого пулу;

вперше показано, що вивільнення ГАМК із цитозолю під впливом ?-LTX
відбувається через ГАМК-переносник плазматичної мембрани;

розвиток секретогенної дії ?-LTX відбувається у два етапи – спочатку
(протягом перших 2 хв дії токсину) відбувається екзоцитоз, пізніше (на
5-10 хв дії ?-LTX) нейромедіатор починає виходити із цитозолю.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані дані щодо механізму
реалізації дії ?-LTX як стимулятора нейросекреції мають передусім
фундаментальне значення, оскільки дозволяють доповнити сучасні уявлення
про механізми функціонування нервової клітини. Результати цієї роботи
можуть бути використані для створення фармакологічних препаратів, які
специфічно впливають на процес передачі нервового імпульсу, тобто
становлять і прикладний інтерес.

Особистий внесок здобувача. Автор виконувала експериментальну частину
роботи, здійснювала підбір та обробку літературних даних. Аналіз,
обробка та обговорення результатів були проведені спільно з науковим
керівником. Друковані праці підготовані за безпосередньої участі автора.

Структура дисертації. Дисертаційну роботу викладено на 151 сторінках
друкованого тексту. Робота складається з вступу, огляду літератури,
результатів досліджень, обговорення результатів, висновків, списку
літератури з 302 джерел, 39 рисунків, 1 таблиці.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідалися
на:

Поглибленій школі для молодих фізіологів з проблем клітинних мембран та
сигнальних систем, Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця, Київ, 2000;

Літній школі «Фармакологія синаптичної передачі в нервовій системі»,
Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця, Київ, 2002;

Школі з нейронаук товариства IBRO, Вроцлав, Польща, 2002;

4-ій Парнасівській конференції »Молекулярні механізми активації
клітини: біологічні сигнали та їхні ферменти-мішені», Вроцлав, Польща,
2002;

4-ій Конференції із сигнальних систем клітини, Дубровнік, Хорватія,
2004;

Поглибленій школі з нейронаук товариства IBRO, Ялта, Крим, 2004;

конференціях-конкурсах молодих учених у 2001-2002 рр. та на семінарах в
Інституті біохімії ім. О.В. Палладіна НАНУ.

Публікації. Результати досліджень опубліковані в 5 статтях у наукових
фахових виданнях та 6 тезах доповідей у збірках наукових конференцій.

МАТЕРІАЛИ І МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Дослідження виконані на щурах (самці вагою 100-120 г). У декапітованих
тварин швидко вилучалися великі півкулі головного мозку. Синаптосоми
виділяли з гомогенату великих півкуль шляхом диференційного
центрифугування та центрифугування в градієнті фіколла за методом
Котмана (Cotman, 1974). Фракцію синаптосом суспендували в стандартному
сольовому розчині, що містив (мM): NaCl – 126, KCl – 5, MgCl2 – 1.4,
NaH2PO4 – 1.0, HEPES – 20 (pH 7.4), d-глюкозу – 10, амінооксиоцтову
кислоту (інгібітор ГАМК-трансамінази) – 0.1. Сольовий розчин насичували
O2 перед використанням. Усі операції проводили при 0-40С. Концентрацію
білка визначали за методом Лоурі (Lowry et al., 1951) у модифікації
Ларсона (Larson et al., 1986).

Синаптосоми (2 мг білка/мл) навантажували [3H]ГАМК у стандартному
сольовому розчині, що містив 1 мМ кальцію. Синаптосоми, відмиті шляхом
центрифугування від [3H]ГАМК, яка не захопилася, та від Са2+,
суспендували в номінально безкальцієвому стандартному сольовому розчині.
Препарат (1мг білка/мл) використовувався для досліджень одразу і не
довше 4 год після виділення.

Кількість вивільненої [3H]ГАМК визначали в супернатантах і в
SDS-розчинених осадах шляхом вимірювання радіоактивності у
сцинтиляційній рідині AСS на лічильнику Delta 300 (“Tracor Analytic”,
США). Вміст [3H]ГАМК у супернатантах вира-жався у відсотках від
загальної кількості мітки у синаптосомах. Вивільнення [3H]ГАМК із
синаптосом, преінкубованих без стимулювальних агентів в Ca2+-вмісному
або без-кальцієвому середовищі, приймалося за базальне вивільнення.
Стимульоване вивіль-нення [3H]ГАМК обчислювали як різницю між кількістю
[3H]ГАМК, що вивільняється під впливом стимулювальних агентів, і
базальним вивільненням.

Для перемеалізації брали навантажені [3H]ГАМК синаптосоми протягом 2 год
після навантаження. Синаптосоми, суспендовані у номінально
безкальцієвому стан-дартному сольовому розчині з 2 мM АТФ, обробляли 20
мкг/мл дигітоніном протягом 5хв при 250С. Потім на препараті
досліджували стимульоване вивільнення [3H]ГАМК.

Зміни трансмембранного потенціалу синаптосом реєстрували, вимірюючи
флуоресценцію катіонного потенціалчутливого зонду родаміну 6G на
спектрофлуориметрі Hitachi MPF-4 (Японія) у термостатованій кюветі при
постійному перемішуванні. Довжини хвиль збудження і флуоресценції були
528 нм і 551 нм, відповідно.

Статистична обробка даних проводилась за загальновизнаними методами
варіаційної статистики за допомогою ПК. Всі чисельні значення
результатів досліджень наводились у вигляді ± середньоквадратичне
відхилення (SEM). Після кожного результату наводиться значення кількості
експериментів (n). Достовірність статистичних відмінностей для груп
даних досліджень визначалася за допомогою Стьюдент тесту (t-тесту).
Критерієм достовірності відмінностей було значення р ? 0,05.

РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ

Для дослідження особливостей механізмів стимуляції ?-латротоксином
нейросекреції було обрано декілька експериментальних стратегій: в
синаптосомах змінювали кількість нейромедіатора у везикульованому пулі
або в цитозолі, або пригнічували екзоцитоз різними агентами, також
комбінували ці підходи, і потім досліджували особливості дії ?-LTХ за
цих умов.

Дія ?-LTX на синаптосоми з виснаженим цитозольним пулом [3H]ГАМК

В рамках першої серії дослідів нашим завданням було з’ясувати, чи
визначає кількість ГАМК у цитозолі відповідь синаптосом на дію ?-LTХ.
Загальний підхід полягав у тому, щоб виснажити цитозольний пул [3H]ГАМК
шляхом пермеалізації синаптосом або використовуючи конкурентні
інгібітори ГАМК-транспортера (НК і 2,4-ДАМК), і після цього виміряти
Ca2+-залежне і Ca2+-незалежне LTХ-стимульоване вивільнення [3H]ГАМК.
Якщо джерелом медіатору є цитозоль, то логічно припустити, що виснаження
цього пулу має спричинити відповідне послаблення виходу нейромедіатора.

В результаті проведених дослідів ми встановили, що для пермеалізованих
дигітоніном синаптосом необхідна наявність екзогенного АТФ для
підтримання протонного градієнту синаптичних везикул і здатності їх до
екзоцитозу у відповідь на зростання [Са2+]i. Додавання ?-LTХ до
синаптосом, пермеалізованих у базкальцієвому буфері, спричиняє швидке
вивільнення [3H]ГАМК, що є більшим за присутності АТФ, аніж за його
відсутності. Вивільнення відбувається і у середовищі з ЕГТА, отже ефект
токсину може розвиватися і за дуже низьких концентрацій Са2+.

Для того, щоб з’ясувати, чи за цих умов зв’язується ?-LTХ специфічно з
Са2+-незалежним рецептором, були проведені експерименти з конканаваліном
А. Цей лектин практично не змінює здатність токсину приєднуватися до
рецепторів, але пригнічує нейросекрецію, стимульовану ?-LTХ.
Преінкубація з ConА майже повністю інгібує здатність токсину
вбудовуватися до плазматичної мембрани. Крім того, після зв’язування із
мембранним рецептором ?-LTХ піддається конформаційним змінам, яким і
перешкоджає ConА (Khvotchev &Sudhof, 2000). В наших дослідах, коли
синаптосоми перед пермеалізацією обробляли 5мкМ ConА, 1 нМ токсин за
таких умов не викликав вивільнення [3H]ГАМК. Отже, можна зробити
припущення, що нейросекреція, стимульована ?-LTХ з пермеалізованих
синаптосом у середовищі, вільному від Са2+, є результатом специфічного
впливу токсину на процес екзоцитозу. Це узгоджується і з даними інших
дослідників (Bittner&Holz, 2000).

Наступними були проведені досліди з конкурентними інгібіторами
зворотного захоплення ГАМК. Отримані результати свідчать, що НК і
2,4-ДАМК ефективно виснажують цитозольний пул [3H]ГАМК. Після додавання
до навантажених синаптосом цих агентів відбувається гетерообмін
нейромедіатора з ними, внаслідок чого спостерігається значне зростання
кількості позасинаптосомальної мітки.

Водночас, виснаження цитозольного пулу [3H]ГАМК має різні наслідки для
дії ?- LTХ. За таких умов у механізмі дії субнаномолярної та
наномолярної концентрацій токсину спостерігаються істотні відмінності.
Після зменшення цитозольного пулу [3H]ГАМК секретогенний ефект 3нМ ?-LTХ
(концентрація, що перевищує Кд токсин-рецепторного комплексу) був у 2 -3
рази слабшим за контроль. Причому результати таких дослідів були
подібними, незалежно від наявності в середовищі Ca2+, а отже і від типу
залученого рецептора токсину.

В той же час, із синаптосом з виснаженим цитозольним пулом [3H]ГАМК
вивільнення, викликане 0.5 нМ токсином, було навіть трохи вищим за
контроль. Це можна пояснити конкурентним блокуванням НК зворотного входу
[3H]ГАМК. Результати цих експериментів були подібними, незалежно від
наявності в середовищі Ca2+. Логічно було припустити, що у
субнаномолярній концентрації (нижчій за Кд комплексу токсин-рецептор)
?-LTХ не викликає помітного виходу цитозольної ГАМК.

Таким чином, механізм вивільнення ГАМК, скоріш за все, не визначається
наявністю чи відсутністю Са2+ в середовищі (а отже, і типом рецептора,
до якого приєднується токсин). Експерименти вказували на можливість
того, що під дією токсину ГАМК виходить із цитозолю. Варто було
продовжити дослідження із застосуванням підходу, який би міг підтвердити
та поглибити зроблені висновки.

2. Вплив ?-латротоксину на синаптосоми за умов модулювання процесу
екзоцитозу синаптичних везикул інгібіторами протеїнфосфатаз

Відомо, що багато білків, які беруть участь у здійсненні процесу
екзоцитозу, регулюються шляхом фосфорилювання-дефосфорилювання. Ми
обробляли синаптосоми інгібіторами основних серинових/треонінових
протеїнфосфатаз (ПФ) – 1, 2А і 2В, щоб порівняти, чи однаково потребують
активності певних ПФ для своєї секретогенної дії 4-амінопіридин
(стимулятор Са2+-залежного екзоцитозу) та ?-LTХ.

В наших експериментах 1мкM окадаєва кислота (інгібує ПФ 1 та 2А) помітно
пригнічувала секретогенний ефект 2мM 4-амінопіридина. 1мкM циклоспорин А
(інгібітор ПФ 2B), навпаки, посилював екзоцитоз, стимульований
4-амінопіридином. Отже, ПФ 1, 2А та 2В є важливими для цього процесу. Це
узгоджується і з висновками інших дослідників (Baldwin et al., 2003). Як
1мкM ОК, так і 10мкM CsА посилювали стимулювальну дію ?-LTХ. Це свідчить
про те, що механізми нейросекреції, викликаної токсином і
4-амінопіридином, мають певні відмінності.

Окремо варто зазначити, що по-перше, ефекти обох агентів на дію токсину
були однаковими середовищах з Са2+ та без Ca2+. По-друге, чим нижчою
була використана концентрація ?-LTХ, тим помітнішою була активація CsА
нейросекреції, стимульованої ?-LTХ. Можливо, що у випадку високих
концентрацій токсину зростав внесок процесу витікання ГАМК із цитозолю
(нечутливе до дії інгібітора ПФ).

3. Дія ?-LTX за умов інгібування процесу екзоцитозу інгібітором ФІ
4-кінази феніларсен оксидом

J

N

b

d

I

Z ae r

k$ktk6n>nnaenaeTHaeTHaenaeTHaeTHaeTHaeTHaeTHIaeTHITHIaeTHaeTHaeTHaeTHCTH
?TH?TH?TH?TH?TH?TH?TH?TH?TH?TH?TH?TH?TH?TH¬TH¬

Oою, і процесу екзоцитозу) феніларсен оксид (ФАО). Завданням був
детальний аналіз дії ФАО на вивільнення [3H]ГАМК, стимульоване
деполяризацією 4-АП або різними концентраціями ?-LTХ.

ФАО майже повністю пригнічував нейросекрецію, стимульовану як
деполяризацією 4-АП (тобто екзоцитоз), так і субнаномолярною
концентрацією токсину. Це можна було розглядати, як ще одне
підтвердження того, що основна дія низьких концентрацій токсину –
стимуляція екзоцитозу. Чутливість до ФАО ?-LTХ-стимульованого екзоцитозу
не залежала від наявності Са2+ в позаклітинному середовищі.

Цікаво, що чим вищою була концентрація токсину, тим меншою ставала
чутливість його впливу до ФАО (так само, як і до циклоспорину А в
попередніх експериментах). Отже, із зростанням концентрації токсину в
реалізації його дії зростає внесок фактора, нечутливого до ФАО. Цим
фактором може бути пасивний вихід нейромедіатора через пори, сформовані
токсином у плазматичній мембрані, або вихід внаслідок оберненої роботи
ГАМК-транспортера плазматичної мембрани.

Припущення про цитозольне джерело вивільнюваної ?-латротоксином ГАМК
підтвердили результати подальших експериментів, в яких вплив ФАО
вивчався на синаптосомах з попередньо виснаженим цитозольним пулом
медіатора. В препараті, обробленому ніпекотиновою кислотою, [3H]ГАМК
представлена в основному везикульованим пулом, на який і діє інгібітор.
За цих умов чутливість до ФАО нейросекреції, стимульованої і високою, і
низькою концентраціями ?-LTХ, було подібною. Це свідчить про те, що
чутливість до ФАО виявляє лише процес екзоцитозу. І «внесок» екзоцитозу
до дії токсину в даному разі, швидше за все, є практично однаковим,
незалежно від концентрації ?-LTХ.

Важливо зазначити, що в усіх проведених експериментах інгібітор діяв на
вихід [3H]ГАМК, викликаний токсином, незалежно від присутності
позаклітинного Са2+. Отже, фактор наявності Са2+ в середовищі не
визначає здатності токсину вивільнювати нейромедіатор із цитозолю.
Найбільш імовірно, що інтенсивність витікання медіатору залежить лише
від кількості утворених у мембрані?латротоксинових каналів, що в свою
чергу залежить від використаної концентрації токсину.

Ці результати суперечать висновкам Ashton et al. (2001), які припустили,
що в лише безкальцієвому середовищі?відбувається вихід нейромедіаторів
із цитозольного пулу через латротоксинові пори. Але узгоджуються з
даними Hlubek et al. (2000), Volynski et al. (2000), які показали, що
проникні властивості згаданих пор визначає сама молекула токсину, а не
тип рецептора (до Са2+-залежного нейрексину 1? чи до Са2+-незалежного
латрофіліну), до якого вона приєдналась.

4. Відповідь на ?-LTX синаптосом з виснаженим везикульованим пулом ГАМК

Наступний етап досліджень передбачав проведення експериментів на
синаптосомах зі зміненим везикульованим пулом ГАМК. Ми використали
агенти, які, викликаючи активний вихід нейромедіатора з синаптичних
везикул, спричиняють його перерозподіл між везикульованим та цитозольним
пулами, збільшуючи вміст останнього. Це були протонофор FCCP та
інгібітор Н+-АТФази синаптичних везикул бафіломіцин А1. Якщо дія ?-LTХ
спрямована на різні пули, то можна припустити, що такий перерозподіл
[3H]ГАМК змінюватиме співвідношення між внесками кожного з механізмів
дії токсину.

У всіх попередніх дослідженнях ми вимірювали вивільнення [3H]ГАМК,
стимульоване 0.5 нМ ?-LTХ за час, що не перевищував 5 хв. В
експериментах із FCCP продовження інкубації з ?-LTХ до 10 хв дозволило
виявити певні особливості механізму дії токсину, пов’язані з виходом
[3H]ГАМК з невезикульованого пулу. Виснаження везикул і, відповідно,
збагачення цитозольного пулу нейромедіатора спричиняло зникнення (або
значне зниження) вивільнення [3H]ГАМК, що спостерігається протягом
перших 2 хв дії ?-LTХ, але вже на 5-тій та особливо на 10-тій хв
кількість вивільненої мітки різко зростала.

Кінетика процесу в експериментах з FCCP відрізнялася залежно від
використаної концентрації токсину. Максимум активності токсину,
пов’язаної зі стимулюванням екзоцитозу, спостерігався протягом перших 2
хв для всіх концентрацій ?-LTХ, але момент початку другої стадії
вивільнення нейромедіатора залежав від використаної концентрації
токсину. Для наномолярного ?-LTХ він майже збігався з моментом
закінчення першої стадії, а для субнаномолярного – наставав лише на 5-ту
хв.

Досліди з макролідним антибіотиком бафіломіцином А1 підтвердили, що на
різних етапах дії ?-LTХ реалізуються різні механізми вивільнення
[3H]ГАМК. Нейросекреція, що відбувається протягом перших 2 хв дії
токсину була дуже чутливою до бафіломіцина А1, що свідчило про те, що на
цьому етапі вихід [3H]ГАМК відбувається шляхом екзоцитозу. Другий етап
(через 5 хв дії ?-LTХ) характеризувався практичною нечутливістю до дії
використаного інгібітора, вказуючи на інше джерело вивільнюваної
[3H]ГАМК – цитозоль. Важливо зазначити, що були отримані практично
ідентичні результати в середовищі з Са2+ та без Са2+. Це підтверджує
наші попередні висновки про те, що ?-LTХ не потребує наявності
позаклітинного Са2+ для стимуляції вивільнення нейромедіатора.

Якщо ?-LTХ вивільняє ГАМК із цитозолю, то постає логічне питання: яким є
механізм такого виходу. Одним з можливих шляхів є витікання ГАМК через
пори, які формує токсин у плазмалемі. Іншим імовірним механізмом є
обернена робота ГАМК-транспортера плазматичної мембрани. Участь цього
транспортера у відповіді синаптосом на ?-LTХ на сьогодні є зовсім
недослідженою.

Щоб з’ясувати це питання ми використали NO-711, несубстратний блокатор
ГАМК-переносника плазматичної мембрани, який пригнічує як вхід, так і
вивільнення нейромедіатора, зупиняючи транспорт ГАМК на проміжному
етапі.

Проведені експерименти з інгібітором NO-711 підтвердили, що
ГАМК-транспортери залучені ?-LTХ-стимульованого вивільнення [3H]ГАМК, а
точніше до другого етапу цього процесу (після 2 хв дії токсину). NO-711
пригнічував вивільнення [3H]ГАМК, стимульоване як низькими, так і
високими концентраціями ?-LTХ. Хоча кінетика цього процесу відрізнялася
для різних концентрацій токсину.

Для того, щоб секретогенна дія ?-LTХ ставала чутливою до блокатора
ГАМК-транспортера, у всіх експериментах необхідний був деякий час, який
залежав від концентрації токсину. Протягом цього лаг-періоду, ймовірніше
за все, відбувається формування токсинових пор у клітинній мембрані, а
тривалість цього процесу залежить від концентрації ?-LTХ (Гиммельрейх и
др., 1990). З одного боку, вхід через ці пори дивалентних катіонів
викликає швидку деполяризацію пресинаптичної мембрани, що може бути
достатнім для помітного виходу ГАМК завдяки оберненій роботі
ГАМК-переносників. З іншого – через дані пори, які проникні також і для
невеликих молекул, може частково витікати і вільна цитозольна ГАМК. Цим
можна пояснити неповне пригнічення NO-711 виходу [3H]ГАМК,
стимульованого 0.5нМ LTХ. Таким чином, токсинові пори можуть відігравати
подвійну роль в цьому процесі – пряму і непряму. Хоча не можна відкидати
і можливість безпосередньої взаємодії молекули ?-LTХ та мембранного
переносника нейромедіатора.

ВИСНОВКИ

?-Латротоксин завдяки своїй здатності стимулювати потужне вивільнення
нейромедіаторів з пресинаптичних нервових закінчень є широко вживаним
інструментом для фундаментальних досліджень нейросекреції. Особливий
інтерес викликає секретогенна дія ?-LTX в середовищі без Са2+. Гостро
дискусійним є питання щодо здатності токсину залучати до секреторного
процесу цитозольний (невезикульований) пул нейротрансмітерів, а також
щодо того, як реалізується така дія токсину. Розв’язання цієї проблеми
вимагає застосування нових методичних підходів.

Показано, що ?-LTХ здатен специфічно стимулювати процес екзоцитозу у
вільному від Са2+ середовищі за умов виснаження цитозольного пулу ГАМК
внаслідок пермеалізації синаптосом дигітоніном.

З використанням конкурентних інгібіторів транспортера ГАМК
(ніпекотинової кислоти та 2,4-діамінобутирату), які модулюють вміст ГАМК
у цитозольному пулі шляхом гетерообміну, продемонстрована здатність
?-LTХ стимулювати вивільнення ГАМК за рахунок не лише активації
екзоцитозу, але і залучення вільного цитозольного нейромедіатора

Досліджено секретогенну дію ?-LTX за умов модулювання процесу екзоцитозу
інгібіторами протеїнфосфатаз. Показано, що окадаєва кислота (інгібує ПФ
1 та 2А) та циклоспорин А (інгібує ПФ 2В) посилюють стимулювальну дію
?-LTХ. Чутливість до циклоспорину А знижується із зростанням
використаної концентрації ?-LTХ (тобто із залученням цитозольної ГАМК до
процесу секреції). Водночас, окадаєва кислота помітно пригнічує
секретогенний ефект 4-амінопіридину, а циклоспорин А, навпаки, його
підвищує. Отже, механізми нейросекреції, викликаної токсином і 4-АП,
певним чином відрізняються.

Вивчено дію ?-LTX за умов інгібування ФІ-4-кінази (важливої для
здійснення екзоцитозу) феніларсен оксидом. Показано, що ФАО відчутно
пригнічує секрецію, стимульовану субнаномолярним ?-LTX, або у разі дії
токсину на синаптосоми з виснаженим цитозольним пулом ГАМК (у цих
випадках дія ?-LTX реалізується шляхом екзоцитозу). Дія високих
концентрацій ?-LTX, які спричиняють не лише стимуляцію екзоцитозу, мало
чутлива до ФАО. Залежність ступеню інгібування секреторного процесу від
концентрації ?-LTX ? ще одне свідчення здатності токсину індукувати
різні шляхи вивільнення нейромедіатора.

Вивчено, як впливає перерозподіл ГАМК між везикульованим і цитозольним
пулами на розвиток секретогенної дії ?-LTX. Показано, що внаслідок
виснаження везикул протонофором FCCP (в середовищі без Са2+) або
бафіломіцином А1 (в присутності та відсутності Са2+) відбувається
зникнення або пригнічення першого швидкого (перші 2 хв) та значне
посилення пізнішого етапу (на 5-10 хв) секреторної дії ?-LTX (як у
низькій, так і у високій концентрації). Це свідчить про залучення різних
механізмів вивільнення ГАМК на різних етапах розвитку процесу:
екзоцитозу на першому етапі та витікання ГАМК із цитозолю — на другому.

Вперше одержані прямі докази участі ГАМК-транспортера плазмалеми у
вивільненні ГАМК під дією ?-LTX. Продемонстровано, що блокування
транспорту ГАМК несубстратним інгібітором NO-711 пригнічує другий етап
розвитку секретогенної дії токсину. Отже, саме на пізнішому етапі
відповіді синаптосом відбувається залучення ?-латротоксином цитозольного
пулу ГАМК, а її вихід із цитозолю відбувається (принаймні частково)
шляхом оберненої роботи переносника ГАМК.

СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Storchak L.G., Kravchuk (Linetska) M.V., Himmelreich N.H. Ocadaic acid
and cyclosporin A modulate [3H]GABA release from rat brain synaptosomes
// Neurochemistry Int. — 2001. — Vol. 38. — P. 445-451.

Linetska М.V., Storchak L.G., Himmelreich N.H. Does extracellular
calcium determine what pool of GABA is the target for ?-latrotoxin? //
Neurochemistry Int. — 2002. — Vol. 40. — P. 387-395.

Лінецька М.В., Сторчак Л.Г., Гіммельрейх Н.Г. Вплив виснаження
цитозольного пулу [3H]ГАМК у синаптосомах на секретогенну дію
?-латротоксину // Укр. біохім. журн. — 2002. — Т. 74. — №3. — С. 65-73.

Linetska М.V., Storchak L. G., Himmelreich N. H. Phenylarsine oxide
inhibits alpha-latrotoxin-stimulated [3H]GABA release from rat brain
synaptosomes. — Neurochemistry Int. — 2003. — Vol. 42. — №7. — P.
583-590.

Linetska М.V., Storchak L.G., Tarasenko A.S., Himmelreich N. H.
Involvement of membrane GABA transporter in ?-latrotoxin-stimulated
[3H]GABA release // Neurochemistry Int. — 2004. — Vol. 44. — P.
303-312.

Kravchuk (Linetska) M.V. and Storchak. L.G. A phosphatase 2B inhibitor,
cyclosporin A, potentiates ?-latrotoxin-induced [3H]GABA release from
the rat brain synaptosomes // Neurophysiology. — 2000. — Vol. 32. — N
2/3. — P. 199.

Linetska M.V., Storchak L.G., Himmelreich N.H. Depolarization- and
?-latrotoxin-induced [3H]GABA release from the rat brain synaptosomes:
effect of phenylarsine oxide // Neurophysiology. — 2002. — Vol. 34. — N
2/3. — P. 187.

Linetska M.V., Storchak L.G., Himmelreich N.H. Phenylarsine oxide
inhibits exocytotic [3H]GABA release from the rat brain synaptosomes /
Thesis of the 4th Parnas Conference, September 15-18, 2002, Wroclaw. —
P. 50.

Лінецька М.В., Сторчак Л.Г., Гіммельрейх Н.Г. Вивільнення [3H]ГАМК з
синаптосом мозку щурів під впливом деполяризації та ?-латротоксину:
ефект феніларсин оксиду // Укр. біохім. журн. / Спец. випуск «Матеріали
VIIІ Укр. біохім. з’їзду 1-3 жовтня 2002 р., м. Чернівці» — 2002. — Т.
74. — N 4a (додаток 1). — С. 56.

Linetska М.V., Storchak L.G., Himmelreich N. H. Inhibitor of
phosphatidylinosytol 4-kinase modulates depolarization- and
?-latrotoxin-induced [3H]GABA release from rat brain synaptosomes //
Abstracts of FEBS Lecture Course on Cellular Signaling & 4th Dubrovnik
Signaling Conference, Dubrovnik-Cavtat, May 21-27, 2004. — P. 98.

Linetska М.V., Storchak L.G., Himmelreich N. H. Plasma membrane GABA
transporter is involved in alpha-latrotoxin-evoked [3H]GABA release //
Abstract book of IBRO Advanced School of Neuroscience, Yalta, Crimea,
Sept. 16-28, 2004. — P. 24.

Лінецька М.В. «Механізми реалізації дії альфа-латротоксину як
стимулятора нейросекреції». — Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за
спеціальністю 03.00.04 — біохімія. — Інститут біохімії ім. О.В.
Палладіна НАН України, Київ, 2005.

Дисертацію присвячено з’ясуванню механізму вивільнення нейромедіатора з
нервових закінчень головного мозку щурів, індукованого ?-латротоксином
(?-LTX) — основним компонентом отрути павука каракурта. Досліджено
механізм дії токсину за наявності або відсутності позаклітинного Са2+.
Показано участь двох пулів ГАМК – везикульованого та цитозольного – в
реалізації секретогенної дії ?-LTX. З’ясовано, що механізм дії ?-LTX
певною мірою залежить від концентрації токсину: у високій концентрації
він значно ефективніше стимулює вихід нейромедіатора із
невезикульованого пулу. Вперше одержані дані щодо участі
ГАМК-переносника плазматичної мембрани у вивільненні ГАМК під дією
?-LTX.

Ключові слова: ?-латротоксин, синаптосоми, екзоцитоз, ГАМК, цитозольний
пул, ГАМК-переносник.

Линецкая М.В. «Механизмы реализации действия альфа-латротоксина как
стимулятора нейросекреции». — Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата биологических наук по
специальности 03.00.04 — биохимия. — Институт биохимии им. О.В.
Палладина НАН Украины, Киев, 2005.

Диссертация посвящена выяснению механизма освобождения нейромедиатора из
нервных окончаний головного мозга крыс, индуцированного ?-латротоксином
(?-LTX) — основным компонентом яда паука каракурта. Изучен механизм
действия токсина в присутствии или отсутствии внеклеточного Са2+.
Показано вовлечение двух пулов ГАМК – везикулированного и цитозольного –
в реализацию секретогенного действия ?-LTX. Доказано, что механизм
действия ?-LTX определённым образом зависит от концентрации токсина: в
высокой концентрації он значительно эфективнее стимулирует выход
нейромедиатора из невезикулированного пула. Впервые получены данные об
участии ГАМК-переносчика плазматической мембраны в высвобождении ГАМК
под действием ?-LTX.

Ключевые слова: ?-латротоксин, синаптосомы, экзоцитоз, ГАМК, цитозольный
пул, ГАМК-переносчик.

Linetska M.V. «?-Latrotoxin as stimulator of neurosecretion: mechanisms
of action». — Manuscript.

Thesis for a candidate degree in biological sciences, 03.00.04 —
Biochemistry. — Palladin Institute of Biochemistry of National
Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2005.

The study was concentrated on mechanism of neurotransmitter release from
nerve terminals induced by ?-latrotoxin (?-LTX) — the major component of
black widow spider venom. Rat brain synaptosomes were employed to
investigate the mechanism of ?-LTX action in the presence and absence of
extracellular Ca2+. Different experimental approaches were used to
examine the participation of the two pools of [3H]GABA (vesicular and
cytosolic) in the realisation of secretogenic action of ?-LTX.

The effect of LTX was studied under conditions when cytosolic [3H]GABA
pool was depleted either by applying competitive inhibitors of the GABA
transporter, nipecotic acid (NA) and 2,4-diaminobutyric acid (2,4-DABA),
or by permeation with digitonin. It was shown that LTX is able to
stimulate Ca2+-independent exocytosis from digitonin-permeated
synaptosomes. Experiments with NA and 2,4-DABA revealed that depletion
of cytosolic GABA impairs LTX-stimulated [3H]GABA release. So LTX can
induce not only exocytotic release of [3H]GABA, but also outflow of the
neurotransmitter from the cytosolic pool.

The other strategy was to test LTX action under conditions when
exocytosis was modulated by inhibitors of enzymes, important for this
process. Ocadaic acide (inhibits of protein phosphatases 1, 2A),
cyclosporine A (inhibits protein phosphatase 2B) and phenylarsine oxide
(inhibitor of phosphatidylinositol 4-kinase) were exploited. It was
shown that [3H]GABA release evoked by the nanomolar toxin concentrations
was less sensitive to this modulators, in comparison with release,
evoked by subnanomolar LTX. Thus, the effect of the high LTX
concentrations is likely to be due not only to stimulation of
exocytosis, but also to additional factor, insensitive to modulators of
exocytosis. It is reasonably to suggest that the leakage from cytosolic
[3H]GABA pool could be this factor.

At the next step of research the LTX effect was studied when synaptic
vesicle [3H]GABA was depleted and non-vesicular pool was enlarged. To
create this conditions protonophore FCCP and bafilomycin A1 (inhibitor
of vesicle H+-ATPase) were used. GABA redistribution between two
synaptosomal pools caused abolishment of early response to LTX (during
first 2 min) and increase of tardy step (5-10 min). It could be
concluded that first rapid step of toxin action reflects stimulation of
vesicle exocytosis and the second tardy step is due to release of
cytosolic GABA.

To determine the participation of GABA carrier in the toxin-stimulated
GABA release, non-substrate high-affinity GABA transport blocker NO-711
was used. Preliminary incubation of synaptosomes with NO-711 caused no
effect on the first step (2 min) of LTX action but significantly
decreased second step. This means that during the tardy step of LTX
action [3H]GABA releases from cytosole via GABA-transporter (at least in
part). The involvement of plasma membrane GABA transporter in
?-LTX-stimulated GABA release was demonstrated for the first time.

Key words: ?-latrotoxin, synaptosomes, exocytosis, GABA, cytosolic pool,
GABA-transporter.

PAGE \* Arabic 2

Похожие записи