Pląsawica Huntingtona to ciężkie, genetycznie uwarunkowane, nieuleczalne schorzenie neurodegeneracyjne. Spowodowana jest nadmierną ilością powtórzeń sekwencji CAG (kodującej aminokwas glutaminę) w genie htt na chromosomie 4. Produktem takiego wadliwego genu jest białko huntingtyna (HTT) z dużo dłuższym niż u zdrowego człowieka łańcuchem glutaminowym, przy czym ilość powtórzonych glutamin bezpośrednio koreluje z prędkością wystąpienia objawów i ich ciężkością. Wśród objawów pląsawicy, obok charakterystycznych zaburzeń ruchowych, którym choroba zawdzięcza swoją nazwę, warto wymienić także zaburzenia kognitywne z postępującą demencją i zmiany osobowościowe.

Jakkolwiek wiadomo, że wadliwa huntingtyna uderza głównie w neurony (w chorobie obserwuje się utratę komórek nerwowych, zwłaszcza w obszarze mózgowia zwanym prążkowiem), mechanizm jej działania nie jest jasny. Liczne hipotezy dotyczące przyczyn jej neurotoksyczności od jakiegoś czasu szczególnie chętnie uwzględniały wpływ uszkodzonego białka na mitochondria. Mitochondria w komórkach pełnią funkcję niejako mikroelektrowni, zapewniając ciągły dopływ energii użytkowej do systemu i tym samym umożliwiając sprawne funkcjonowanie, tymczasem neurony to jedne z  bardziej wymagających energetycznie komórek ludzkich - sprawna praca mitochondriów jest w nich szczególnie istotna. Wbrew temu, co mogłoby się wydawać komuś po krótkim kursie biologii w szkole (o ile w ogóle zapamiętał fakt istnienia takich struktur), mitochondria to organella niezwykle dynamiczne, potrafią wędrować po całej komórce, podlegają nieustającym cyklom fragmentacji i fuzji, tworząc coś w rodzaju komórkowej sieci energetycznej. Ich mobilność i plastyczność są szczególnie istotne w neuronach właśnie, gdzie, wytwarzane w samym centrum, w ciele komórki nerwowej, transportowane są później wzdłuż jej wypustek, by gromadzić się w pobliżu synaps, a ich gęstość, rozmiary i rozmieszczenie podlegają ciągłej, ścisłej kontroli. Zakłócenie tych procesów skutkuje zaburzeniami aktywności synaptyczej, utratą wypustek i w końcu śmiercią komórek. Poszczególne etapy rozregulowania dynamiki mitochondrialnej można obserwować nawet mikroskopowo.

Mikrofotografia elektronowa dwóch mitochondriów

Wyniki badań opisujących wpływ huntingtyny na procesy fuzji i fragmentacji mitochondriów ukazały się w marcowym "Nature Medicine". Białkami niezbędnymi do regulacji łączenia się i rozpadu mitochondriów są enzymy z grupy GTP-az należące do rodziny tzw. dynamin, spośród których DRP1 jest  czołowym związkiem odpowiedzialnym za proces fragmentacji. Właśnie z tym białkiem, jak odkrył zespół naukowców, defektywna huntingtyna potrafi się bezpośrednio wiązać, znacząco wzmagając jego aktywność, co zaburza delikatną wewnątrzkomórkową równowagę układu mitochondriów. Nadmierne pofragmentowanie mitochondriów przeszkadza w prawidłowym ich transporcie wenątneuronalnym i zmniejsza przeżywalność komórek.

Badacze pracowali na hodowlach komórek ludzkich (głównie fibroblastów uzyskanych od pacjentów z chorobą Huntingtona) i neuronów szczurzych (z sztucznie wywołaną ekspresją zmodyfikowanej huntingtyny) oraz na mysich mutantach produkujących różnej długości HTT. Już wstępne obserwacje morfologiczne "uszkodzonych" komórek nerwowych szczurów wykazały znaczące różnice w porównaniu z komórkami zdrowymi - mitochondria w próbie kontrolnej wykazywały budowę typową (podłużny kształt) i przeciętną długość około 3200nm, podczas gdy w populacji badanej były wyraźnie krótsze i zaokrąglone, o długości zależnej od ilości powtórzeń glutaminy w zmienionym białku, dochodzącej do 800nm przy 97 powtórzeniach (w grupie kontrolnej przyjęto 17 powtórzeń). W neuronach ze zmienionym HTT zaobserwowano też obniżenie ogólnej liczby tych organelli oraz zwiększony poziom autofagii, a wzmożenie fragmentacji mitochondriów korelowało bezpośrednio z poziomem obserwowanej śmierci komórek nerwowych. Podobne zmiany w dynamice mitochondriów obserwowano też w hodowanych komórkach ludzkich. Fragmentacja organelli powodowała także wyraźne obniżenie zarówno stopnia, jak i tempa ich transportu wewnątrzkomórkowego, doprowadzając w przypadkach o ekspresjii huntingtyny z dłuższymi łańcuchami glutaminy do nieomalże jego wstrzymania (znów stopień zahamowania korelował z długością łańcucha aminokwasów). Obserwacje potwierdzone zostały testami na żywych mysich mutantach, przy czym zmiany były obserwowalne nawet jeszcze przed wystąpieniem objawów klinicznych.

Badania immunologiczne i enzymatyczne tkanki nerwowej chorych gryzoni oraz obserwacje odpowiednio wybarwionych komórek potwierdziły fakt bezpośredniego wiązania się huntingtyny z wspomnianym białkiem DRP1 (przy czym huntingtyna zmutowana charakteryzowała się znacznie zwiększonym do DRP powinowactwem) powodujące zwiększenie jego aktywności, przy czym warto podkreślić, że jednocześnie HTT nie wykazywała żadnego powinowactwa do białka mitofuzyny o przeciwnym działaniu (promującym fuzję mitochondriów). Jednocześnie badania prowadzone na liniach komórkowych wykazały, że podwyższenie produkcji mitofuzyny lub obniżenie ekspresji DRP1 w znacznym stopniu niwelują wpływ uszkodzonej huntingtyny na komórki nerwowe. Zjawisko wiązania DRP1 przez huntingtynę potwierdzono także w komórkach krwi i bioptatach tkanki mózgowej chorych na pląsawicę.

Tydzień Mózgu

Powyższe badanie wskazuje nowy, tym razem bazujący na patofizjologii schorzenia, punkt uchwytu dla terapii pląsawicy Huntingtona. System mitochondrialnej fragmentacji i fuzji, a konkretniej układ białek DRP1/mitofuzyna mogą w przyszłości stać się celem kolejnej generacji leków tudzież terapii genowej, która na polu chorób neurodegeneracyjnych zaczyna właśnie wchodzić w etap praktycznego wykorzystywania.

Źródło: Mutant huntingtin binds the mitochondrial fission GTPase dynamin-related protein-1 and increases its enzymatic activity. Song W, Chen J, Petrilli A, Liot G, Klinglmayr E, Zhou Y, Poquiz P, Tjong J, Pouladi MA, Hayden MR, Masliah E, Ellisman M, Rouiller I, Schwarzenbacher R, Bossy B, Perkins G, Bossy-Wetzel E. Nat Med. 2011 Mar;17(3):377-82.
Omówienie
Przydatne opracowanie na temat choroby Huntingtona (ogólnodostępne i po polsku)

[Paulina Łopatniuk]

Fonetycy (specjaliści od fonetyki) umieją identyfikować najsubtelniejsze różnice pomiędzy dźwiękami. Nowe badania pokazują, że jest to zdolność jednocześnie wrodzona i wyuczona. Poza wskazaniem, że niektóre osoby mogą posiadać predyspozycje do zawodów wymagających dobrego słuchu, odkrycia te mają znaczenie w zakresie leczenia ludzi z takimi zaburzeniami jak dysleksja rozwojowa. Mogą się także okazać przydatne w dziedzinie nauki drugiego języka. Badanie było współfinansowane z funduszy UE ze środków grantu Międzynarodowe stypendia przyjazdowe programu Marie Curie. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Journal of Neuroscience.

Dobrze znany jest fakt, że londyńscy taksówkarze odznaczają się większymi rozmiarami hipokampa (część mózgu biorąca udział w procesie nawigacji) niż inne osoby. W podobny sposób zawodowi golfiści podczas planowania uderzenia przejawiają inny wzorzec aktywności mózgu niż nowicjusze.

Tydzień Mózgu

Narly Golestani ze szwajcarskiego Uniwersytetu w Genewie wyjaśnił: "Często trudno jest stwierdzić, czy różnice te zostały ukształtowane całkowicie przez doświadczenie danej osoby czy też to struktura mózgu wpływa na wybór zawodu".

W ramach wspomnianego badania prof. Golestani wraz ze współpracownikami z brytyjskiej uczelni University College London (UCL) oraz centrum neuroobrazowania instytutu Wellcome Trust zbadali działanie mózgów u fonetyków. Fonetycy odznaczają się umiejętnością identyfikacji dźwięków mowy i ich transkrypcji na międzynarodowy alfabet fonetyczny. Praca ta wymaga od nich szybkiego rozpoznawania nawet subtelnych akcentów regionalnych. Naukowcy wybrali do tego badania fonetyków, ponieważ są oni poddawani szkoleniom w wieku dorosłym, można więc dokładnie zmierzyć zakres szkolenia w transkrypcji fonetycznej i zakres doświadczenia.

Badacze porównali skany mózgów 17 fonetyków i 16 zdrowych ochotników uzyskane za pomocą rezonansu magnetycznego (MRI). Odkryli oni wyraźne różnice pomiędzy grupami w dwóch obszarach mózgu - cechy jednego z nich prawdopodobnie ukształtowały się dzięki szkoleniu, cechy drugiego zostały natomiast uwarunkowane przed urodzeniem.

U fonetyków lewa część wieczkowa była większa niż w grupie kontrolnej, natomiast w obrębie samej grupy fonetyków okazała się ona największa u osób z najbogatszym doświadczeniem w zakresie fonetyki. Innymi słowy, rozmiar tego obszaru zależał od doświadczenia. Lewa część wieczkowa znajduje się w części mózgu nazywanej ośrodkiem Broki, o którym wiadomo, że bierze udział w przetwarzaniu mowy i języka. Poprzednie badania wykazały, że lewa część wieczkowa uczestniczy w przetwarzaniu fonetycznym, a także w wyodrębnianiu segmentów fonetycznych i manipulowaniu nimi w werbalnej pamięci operacyjnej.

"Ten proces segmentacji fonetycznej odpowiada wymaganiom związanym z transkrypcją fonetyczną, w przypadku której bardzo ważna jest umiejętność skutecznego rozbioru i identyfikacji segmentów fonetycznych oraz wskazywania symboli będących dokładnymi odpowiednikami konkretnych dźwięków" - zauważyli badacze.

Inną częścią mózgu, której rozmiary u fonetyków okazały się większe niż w grupie kontrolnej, był lewy zakręt poprzeczny, stanowiący element lewej części kory słuchowej. Ilość przebytego szkolenia nie wykazuje jednak związku z rozmiarami tego obszaru mózgu u fonetyków. Budowa zakrętu poprzecznego jest w znacznym stopniu warunkowana w czasie ciąży.

"Uważa się, że zakręty poprzeczne są wykształcane w macicy. Nasze wyniki wskazują, że ta duża różnica morfologiczna mogła istnieć już przed rozpoczęciem szkolenia z zakresu fonetyki. Obecność tej cechy może w znacznym stopniu wpływać na wybór drogi zawodowej" - stwierdzili badacze.

Według naukowców odkrycia wskazują na możliwość interakcji wrodzonych predyspozycji i plastyczności mózgu "nie tylko w procesie wpływu doświadczenia na kształtowanie ludzkiego mózgu, ale także przy wyborze konkretnych dziedzin wiedzy przez określone osoby".

"To intrygujące badanie dostarcza informacji na temat sposobu przetwarzania języka w mózgu oraz przyczyn istnienia większych zdolności językowych u niektórych osób" - zauważył dr John Williams, kierownik Wydziału Zdrowia Psychicznego i Neurobiologii instytutu Wellcome Trust, który nie uczestniczył w badaniu. "Nie chodzi w nim tylko o zdobycie czysto teoretycznej wiedzy, ponieważ niedługo jego wyniki mogą nam pomóc w poznaniu przyczyn występowania u niektórych ludzi zaburzeń fonologicznych, takich jak dysleksja rozwojowa".

© Unia Europejska 2005-2011

Źródło: CORDIS

Referencje dokumentu: Golestani N. et al. (2011) Born with an ear for dialects? Structural plasticity in the expert phonetician brain. Journal of Neuroscience 31(11): 4213-4220. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.3891-10.2011.

Nie od dziś wiadomo, że styl życia matki w czasie ciąży ma duży wpływ na stan zdrowia dziecka i jego późniejsze losy życiowe. Przykładem destrukcyjnego wpływu stylu życia matki na stan płodu jest alkoholowy zespół płodowy, czyli FAS. Spożywanie znacznych ilości alkoholu przez ciężarną kobietę, czemu towarzyszą często inne braki diety i prowadzenie szkodliwego dla zdrowia stylu życia, może doprowadzić u płodu do nieodwracalnych uszkodzeń, skutkujących już w okresie postnatalnym różnymi zaburzeniami rozwoju dziecka.

Ponieważ prowadzenie badań nad bezpośrednimi skutkami stylu życia kobiety ciężarnej na stan płodu wzbudza, co zrozumiałe, wiele wątpliwości natury etycznej, większość danych na temat wpływu warunków rozwoju ludzkiego płodu w czasie ciąży na jego ogólną kondycję nauka czerpie z badań prowadzonych z wykorzystaniem procedury ex post facto, co oznacza - między innymi - ograniczone możliwości kontrolowania wielu interesujących i potencjalnie istotnych zmiennych.

Procedura ex post facto polega na tym, że kryterium doboru osób badanych jest jakieś wspólne przeszłe doświadczenie lub inny czynnik działający na osoby badane w przeszłości. Na przykład, szkodliwy wpływ alkoholu na rozwój płodu został poznany, gdyż ustalono, korzystając z wywiadów lekarskich i innej dokumentacji medycznej, że dzieci matek, które intensywnie alkoholizowały się w czasie ciąży, wykazywały potem podobne symptomy zaburzeń rozwoju psychoruchowego.

Jest oczywiste, że choć badania prowadzone z wykorzystaniem procedury ex post facto mogą przynieść wiele interesujących i doniosłych z punktu widzenia nauki wyników, to pod wieloma względami po prostu nie dorównują dobrze zaplanowanym badaniom eksperymentalnym prowadzonym w warunkach laboratoryjnych, które pozwalają na ścisłe kontrolowanie wielu zmiennych i - dzięki temu - wyciąganie z wyników badań znacznie bardziej trafnych i wiarygodnych wniosków.

Tydzień Mózgu

Niestety, badania laboratoryjne mają też swoje ograniczenia, a należy do nich na przykład to, że są częstokroć prowadzone na zwierzętach, co znowu może budzić skrupuły natury etycznej, jak również wątpliwości dotyczące prawomocności przenoszenia wyników badań prowadzonych na zwierzętach na człowieka. Mając w pamięci powyższe wątpliwości (zapewne nie jedyne), przejdźmy jednak do meritum.

Ograniczenia w dostępie płodu do odpowiedniej ilości składników odżywczych w czasie ciąży nie są, wbrew pozorom, jedynie problemem ubogich rejonów świata i zdarzają się również w krajach rozwiniętych, choć często z zupełnie innych powodów. Mogą być skutkiem zwykłej biedy i głodu, ale również stosowania przez matkę diety odchudzającej lub eliminacyjnej, zdarzają się u nastoletnich matek i w zaburzeniach krążenia krwi w macicy i łożysku.

Jaki jest wpływ ograniczonego dostępu do składników odżywczych na przebieg rozwoju układu nerwowego płodu? Okazuje się, że kolosalny, i to nawet wówczas, gdy ilość niezbędnych składników pokarmowych w diecie matki zmniejszono zaledwie o trzydzieści procent.

Wyniki badań, których autorami byli naukowcy ze Stanów Zjednoczonych i Niemiec opublikowano w jednym z lutowych wydań Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Badania przeprowadzono na pawianach. Pawiany nie są wprawdzie zbyt bliskimi krewnymi człowieka (nie są hominidami, jak goryle, szympansy czy orangutany), ale należą do rzędu naczelnych. Ponadto wyniki badań prowadzonych nad płodami pawianów jak dotychczas dość dobrze sprawdzały się przy przenoszeniu ich na człowieka, a badania na pawianach nie wzbudzają też tylu kontrowersji, co badania na naszych bliższych ewolucyjnie i genetycznie krewnych.

Ograniczenie ilości składników odżywczych w diecie o trzydzieści procent zazwyczaj jest nieszkodliwe dla nieczłowiekowatych naczelnych; przeciwnie - wyniki dotychczasowych badań wskazują, że niewielka głodówka ma w ich przypadku przeważnie dobroczynny wpływ (ogranicza efekty starzenia się i wydłuża życie), z jednym wyjątkiem - jest szkodliwa dla rozwoju mózgu.

Dzieje się tak z kilku względów. Po pierwsze - rozwój centralnego układu nerwowego przebiega stadialnie, a więc zaburzenia występujące na wcześniejszym stadium rozwoju z pewnością będą wpływać na przebieg kolejnych etapów rozwojowych; po drugie - mózg ma zawsze wysokie zapotrzebowanie na energię; po trzecie - jest narządem cechującym się dużą plastycznością i w związku z tym jego zapotrzebowanie na składniki budulcowe jest również dość wysokie; po czwarte - przynajmniej u człowieka - w rozwoju mózgu od drugiego trymestru ciąży do końca 2 roku życia ma miejsce silny skok rozwojowy, z którym wiąże się rozrost neuropilu i intensywna mielinizacja.

Ale również w pierwszej połowie ciąży w mózgu płodu zachodzi wiele doniosłych procesów: gliogeneza i neurogeneza, migracja komórek nerwowych i ich różnicowanie. Zaburzenia któregokolwiek z tych procesów mogą prowadzić do nieodwracalnych zmian w mózgu. Wyniki badań na pawianach pozwoliły ustalić, że wskutek nawet niewielkich ograniczeń w dostępie płodu do składników odżywczych tak dzieje się w istocie.

W mózgach płodów mających ograniczony dostęp do składników odżywczych (w porównaniu do płodów mających do nich pełny dostęp) występował szereg zaburzeń rozwoju: nieprawidłowo przebiegał proces namnażania się komórek, namnażające się komórki częściej obumierały, nieprawidłowo przebiegał proces dojrzewania neuronów, a później również proces mielinizacji. Tym zaburzeniom towarzyszył obniżony poziom kluczowych dla regeneracyjnych zdolności mózgu czynników wzrostowych i zaburzenia w ekspresji ważnych dla funkcjonowania mózgu genów.

"Można postawić hipotezę, że zaburzenia w rozwoju mózgu, związane nawet z umiarkowanymi ograniczeniami w diecie we wczesnym okresie ciąży mogą mieć długofalowy wpływ na funkcjonowanie mózgu u potomstwa, mogą również prowadzić do zaburzeń wyższych funkcji umysłowych w przypadku dzieci z niską wagą urodzeniową. W przeciwieństwie do dobroczynnego wpływu ograniczeń w diecie na przebieg procesu starzenia się i długość życia, takie same ograniczenia w dostępie do składników odżywczych w czasie rozwoju płodowego są jednym z tych istotnych czynników epigenetycznych, które stwarzają niekorzystne warunki dla rozwoju mózgu płodu z całymi tego konsekwencjami dla dziecka na resztę jego życia" - zauważają autorzy artykułu.

Wyniki badań nad nieczłowiekowatymi naczelnymi potwierdzają w ten sposób wyniki wcześniejszych badań prowadzonych nad destrukcyjnym wpływem głodówki matki na rozwój mózgu u płodów gryzoni, jednak - ze względu na bliższe pokrewieństwo ludzi i pawianów - z większą pewnością można przenosić je na człowieka, na którym prowadzenie takich badań jest niedopuszczalne z oczywistych (miejmy nadzieję, że dla wszystkich) względów.

Referencje dokumentu: Antonow-Schlorke et al. Vulnerability of the fetal primate brain to moderate reduction in maternal global nutrient availability. PNAS | February 15, 2011 | vol. 108 | no. 7 | 3011-3016

Jak ustalili naukowcy, poziom pewnego pojedynczego enzymu w mózgu szczurów pozostaje istotnie powiązany z trwałością śladów pamięciowych przechowywanych w magazynie pamięci długotrwałej. Wzrost poziomu enzymu w mózgu w znacznym stopniu polepsza pamięć długotrwałą i może prowadzić do odświeżenia nawet dawnych, zanikających już wspomnień. Spadek poziomu enzymu może prowadzić z kolei do ich wymazywania.

Odkrycie jest o tyle przełomowe, że pozwoliło na identyfikację pojedynczego czynnika enzymatycznego, który na zasadzie prostej, niemal wprost proporcjonalnej zależności wpływa na funkcjonowanie pamięci długotrwałej, w tym jej trwałość, a przy tym jego działanie nie jest ograniczone do okresów tzw. okienek (okresów szczególnej wrażliwości), lecz oddziałuje na funkcje pamięci i trwałość śladu pamięciowego w sposób bardziej uogólniony.

Model mysi i szczurzy często sprawdza się przy przenoszeniu wyników badań prowadzonych na zwierzętach na mózg człowieka, stąd nic dziwnego, że wyniki wspomnianych badań uznano w świecie naukowym za warte szczególnej uwagi.

Tydzień Mózgu

"Nasze badania są pierwszymi, w których udało się zademonstrować, w dodatku na funkcjonującym mózgu i zachowaniu żywego zwierzęcia, że jedna substancja chemiczna, enzym PKMζ, jest zarówno koniecznym, jak i wystarczającym czynnikiem dla zachowania pamięci długotrwałej" - wyjaśnia dr Todd Sacktor, profesor fizjologii, farmakologii i neurologii w SUNY Downstate Medical Center w Nowym Jorku, stypendysta amerykańskiego Narodowego Instytutu Zdrowia Psychicznego (NIMH).

Dr Sacktor i dr Yadin Dudai z Weizmann z Institute of Science w Rehovot (Izrael) wraz z zespołem współpracowników opublikowali raport ze swoich badań 4 marca bieżącego roku na łamach Science.

Jak zauważa dr Sacktor, w przeciwieństwie do wyników innych badań prowadzonych nad czynnikami sprzyjającymi poprawie pamięci, mechanizm oparty na działaniu PKMζ nie wykorzystuje koncepcji krytycznych okienek, kiedy ślad pamięciowy staje się szczególnie zmienny i podatny na zniekształcenia, czyli zaraz po uczeniu się i przy wydobywaniu śladu pamięciowego z magazynu pamięci długotrwałej.

Sacktor nawiązuje tu do wyników innych, całkiem świeżych badań, prowadzonych nad problematyką poprawy pamięci przez zespół badawczy pracujących pod kierunkiem dr Cristiny Alberini i opublikowanych w styczniu bieżącego roku w Nature. Badania te donosiły o poprawie pamięci występującej u szczurów w odpowiedzi na zastosowanie mało znanego, naturalnego czynnika wzrostowego, który jednak był skuteczny tylko w bardzo ograniczonym czasie, w którym pamięć okazywała się szczególnie podatna na jego działanie.

Nie są to też pierwsze badania nad enzymologią pamięci, w których brał udział Sacktor i jego zespół badawczy. We wcześniejszych badaniach udało im się wykazać, że nawet po paru tygodniach po utrwaleniu u szczurów skojarzeń doznań prowokujących wymioty z sacharyną (i nauczeniu ich w ten sposób awersji do słodkości), chętka na słodycze powracała laboratoryjnym gryzoniom w ciągu zaledwie kilku godzin, jeżeli podano w tym czasie chemiczny bloker enzymu PKMζ w płaszczu zewnętrznym mózgu, czyli korze nowej (neocortex), gdzie znajdują się ośrodki nerwowe odpowiedzialne za przechowywanie wspomnień w magazynie pamięci długotrwałej.

W najnowszych badaniach nad wpływem PKMζ na funkcje pamięci długotrwałej, które miały - co jest w zasadzie standardem obowiązujacym w neuronauce - charakter interdyscyplinarny, wykorzystano z jednej strony metody inżynierii genetycznej, z drugiej - podejście oparte na psychologicznych prawach uczenia się, dokładnie - utrwalaniu skojarzeń awersyjnych.

Celem badań było, między innymi, potwierdzenie wyników wcześniejszych badań oraz zademonstrowanie, poprzez doprowadzenie do zwiększenia ilości enzymu, odwrotnego (w stosunku do poprzednich badań) efektu jego działania.

Aby tego dokonać, naukowcy musieli najpierw wyhodować wirusa, który następnie zainfekował neurony kory mózgowej nadmiarowymi genami kodującymi PKMζ. Doprowadziło to do znacznego wzrostu poziomu enzymu w korze mózgowej i jednocześnie znacznej poprawy pamięci. Natomiast wprowadzenie zmutowanej i nieaktywnej formy enzymu, która zastąpiła enzym występujący naturalnie w mózgu, powodowało utratę pamięci, podobnie jak to miało miejsce w przypadku zastosowania chemicznego blokera enzymu.

Niestety, jak dotąd nie wiadomo, czy wspomniany mechanizm enzymatyczny będzie mógł znaleźć zastosowanie w utrwalaniu lub wymazywaniu konkretnej kategorii wspomnień, co dawałoby nadzieje na jego przyszłe lecznicze czy terapeutyczne wykorzystanie. Jak dotąd wiadomo jedynie tyle, że PKMζ działa prawdopodobnie nie selektywnie, ale bardziej globalnie, tj. oddziałuje na wszystkie rodzaje wspomnień, przechowywanych w korze mózgowej.

Jak działa PKMζ? Naukowcy zdają się dysponować pewnymi hipotezami. Jak mówi dr Sacktor: "Przypuszczalne wyjaśnienie występowania poprawy pamięci opiera się na tym, że PKMζ może działać w niektórych synapsach, czyli połączeniach między neuronami w mózgu, a w innych nie. Nadmiarowy enzym PKMζ może być wybiorczo przechwytywany przez znaczniki molekularne, które są charakterystyczne właśnie dla tych połączeń nerwowych w mózgu, które są aktualnie potrzebne, tak jak to jest w przypadku synaps, które są odpowiedzialne za przechowywanie pamięci nabytej w toku uczenia się".

[Tłum./oprac. C. O. Reless]

Źródło: NIH

Referencje dokumentu:

Shema R, Haramati S, Ron S, Hazvi S, Chen A, Sacktor TC, Dudai Y. Enhancement of consolidated long-term memory by overexpression of protein kinase Mzeta in the neocortex. 03/2/2011, Science.

How does PKMzeta maintain long-term memory? Sacktor TC. Nat Rev Neurosci. 2011 Jan;12(1):9-15. Epub 2010 Dec 1. Review. PMID:21119699

Dalsze informacje: SUNY Downstate Medical Center - Todd C. Sacktor

Putrescyna zaliczana jest do amin biogennych, powstających podczas przemian aminokwasów (zwłaszcza ornityny) w organizmie ludzkim, w którym uczestniczą w wielu przemianach biochemicznych. Do tej pory znana była jedynie ze swojej negatywnej strony: odpowiada za nieprzyjemny zapach wydzielany podczas gnicia białek, jest toksyczna w dużych dawkach oraz jej duże stężenia występują w ośrodkowym układzie nerwowym po przebytym ataku epilepsji, co nasuwało podejrzenie, iż nasila ona uszkodzenia tkanki nerwowej, bądź pełni nieokreśloną rolę ochronną (co wydawało się mniej prawdopodobne, ponieważ inne poliaminy zmniejszają odporność mózgu na popadaczkowe uszkodzenia).

Badania przeprowadzone na Uniwersytecie Browna (Rhode Island, USA) pozwoliły na potwierdzenie optymistycznej hipotezy. Naukowcy, wykorzystując kijanki obciążone genetycznie skłonnością do drgawek, stwierdzili, iż zablokowanie przemian metabolicznych putrescyny do innych amin powoduje redukcję wpływu napadów padaczkowych na destrukcję neuronów o 25%. Skłoniło to zespół badawczy do próby podania tej aminy bezpośrednio do organizmów badanych kijanek. Wyniki okazały się bardzo interesujące - podanie putrescyny wydłużyło o 65% czas potrzebny do wywołania ataku padaczki w stosunku do zwierząt, które nie otrzymały protekcyjnej dawki związku, co otwiera możliwości wykorzystania jej w przyszłych badaniach klinicznych, jako nowego leku przeciwdrgawkowego.

Tydzień Mózgu

Udało się także ustalić, iż prawdopodobny mechanizm protekcyjnego działania putrescyny opiera się na jej konwersji do kwasu gamma-aminomasłowego (GABA), który jest jednym z neurotransmiterów o działaniu silnie hamującym aktywność ośrodkowego układu nerwowego (w tym patologiczną aktywność elektryczną, czyli przyczynę napadów padaczkowych) poprzez interakcję z obecnym na neuronach receptorem GABA.

Profesor Carlos Aizenman, jeden z liderów przeprowadzonego projektu badawczego twierdzi, że dalsze studiowanie tematu umożliwi w przyszłości utworzenie skutecznej protekcji przeciwpadaczkowej, szczególnie u małych dzieci ze stwierdzoną chorobą. Naukowiec także podkreśla: "nasze odkrycia mogą także powiedzieć nam, jak zdrowe mózgi, szczególnie w okresie swojego rozwoju, regulują całkowity poziom swoich aktywności, co pozwoli nam ustalić poszczególne mechanizmy regulacyjne na nie wpływające".

Obecnie lekooporne typy padaczki (takie jak zespół napadów zgięciowych /Westa/, który występuje u niemowląt i małych dzieci) sprawiają ogromne trudności terapeutyczne o niepomyślnym rokowaniu. Płynące z Uniwersytetu Browna wieści o kolejnych możliwościach badań klinicznych w tej dziedzinie, wydają się być bardzo obiecującą perspektywą opracowania skutecznego leczenia.

Źródło: Brown University (2011, March 6). New role for an old molecule: Protecting the brain from epileptic seizures. ScienceDaily

[Mateusz Spałek, student medycyny, aktywny członek Studenckiego Towarzystwa Naukowego ŚUM oraz Międzynarodowego Stowarzyszenia Studentów Medycyny IFMSA-Poland]

Stosunkowo mało znany, ale naturalnie występujący w mózgu czynnik wzrostowy znacznie poprawia pamięć i zapobiega szybkiemu zapominaniu u szczurów. Niestety, jego dobroczynny wpływ na funkcje pamięciowe ujawnia się tylko w bardzo wąskim tzw. okienku czasowym, w którym pamięć okazuje się szczególnie wrażliwa na jego działanie.

Wspomniany czynnik wzrostowy znacznie poprawia zdolność zapamiętywania, a także zapobiega zapominaniu doświadczeń lękotwórczych u szczurów, ale musi dostać się do ośrodków pamięciowych w mózgu w krótkim czasie, gdy wspomnienia są jeszcze ulotne i podatne na zniekształcenia.

W badaniach, sfinansowanych przez amerykańskie Narodowe Instytuty Zdrowia (NIH), zwierzęta, które potraktowano insulinopodobnym czynnikiem wzrostu IGF-II, odznaczały się wyjątkową pamięcią, która pozwalała im przez długi czas skutecznie unikać miejsca, w którym doznały wcześniej łagodnego szoku elektrycznego.

Tydzień Mózgu

"O ile wiemy, jest to pierwszy tego rodzaju przykład znacznej poprawy pamięci za pomocą substancji naturalnego pochodzenia, która bez trudu pokonuje barierę krew-mózg" - wyjaśnia stypendystka Narodowego Instytutu Zdrowia Psychicznego (NIMH), dr Cristina Alberini.

Dr Alberini wraz ze swoimi współpracownikami uważa, że IGF-II może stać się potencjalnym celem dla leku, dzięki któremu możliwe będzie znaczne poprawienie pamięci u ludzi cierpiących z powodu zaburzeń tej funkcji mózgu.

"W miarę, jak wiemy coraz więcej o tego typu mechanizmach nabywania i wygaszania pamięci doznań lękowych, mamy również większą nadzieję, że uda się wykorzystać tę wiedzę w zajmowaniu się zagadnieniami klinicznymi, takimi jak zespół stresu pourazowego" - mówi dyrektor NIMH, dr Thomas R. Insel, zwracając jednocześnie uwagę na końcowe, czysto praktyczne znaczenie prowadzenia tego rodzaju badań.

Skuteczne leczenie zespołu stresu pourazowego mogłoby się przyczynić do poprawy jakości życia wielu milionów ludzi cierpiących z powodu tego zaburzenia w samych Stanach Zjednoczonych i na całym świecie, w tym żołnierzy, strażaków czy policjantów, ofiar przestępstw, klęsk żywiołowych, katastrof i wypadków.

Trwałość śladu pamięciowego jest związana z syntezą nowych białek i zachodzeniem zmian strukturalnych w obrębie połączeń między komórkami mózgu. Jednak jak wskazują wcześniejsze badania, owe zmiany, odpowiadające za poprawę pamięci, zachodzą tylko w okresie trwania ograniczonych czasowo okienek, w których wspomnienia ulegają konsolidacji, lub też w chwilę po wydobyciu wspomnień z magazynu pamięciowego, gdy ulegają konsolidacji ponownie.

Wyniki wcześniejszych badań naukowych pozwoliły na wysunięcie przypuszczenia, że IGF-II odgrywa jakąś rolę w przebiegu wcześniej wspomnianych procesów, które zachodzą w mózgowym ośrodku pamięci (hipokampie), gdzie IGF-II występuje w stosunkowo wysokim stężeniu. IGF-II, ciągle jeszcze mało poznany czynnik wzrostowy, pozostaje ważnym elementem mózgowego systemu odpowiedzialnego za regenerację tkanki nerwowej; jego aktywność jest szczególnie istotna w wieku rozwojowym, ale - niestety - spada wraz z wiekiem.

Aby ustalić, jak IGF-II wpływa na pamięć, zespół dr Alberini zastosował standardową procedurę awersyjnego treningu unikania. Śledzono poruszanie się szczurów w warunkach, w których szczury uczyły się kojarzyć zaciemniony obszar z łagodnym wstrząsem elektrycznym. Przyjęto, że im skuteczniej szczurom udaje się unikać zaciemnionego obszaru, tym lepsza jest ich pamięć bodźca lękotwórczego.

Przebiegający w ten sposób proces uczenia się prowadzi do znacznego wzrostu ilości IGF-II, naturalnie występującego w hipokampie. Ponadto, badacze wstrzykiwali szczurom dodatkowo uzyskany syntetycznie czynnik wzrostowy IGF-II do hipokampa. Dokonywali tego w czasie trwania wspomnianych wcześniej okienek czasowych, w których wspomnienia są podatne na działanie IGF-II i ma miejsce konsolidacja i ponowna konsolidacja śladu pamięciowego. Co godne uwagi, w wyniku podania syntetycznego IGF-II pamięć szczurów znacząco się poprawiła, a efekty uczenia się utrzymywały się nawet przez kilka tygodni. Dokładniejsze badanie zwierzęcych mózgów ujawniło, że IGF-II doprowadził do znacznego rozbudowania sieci połączeń międzykomórkowych i wzmocnienia innych mechanizmów odpowiedzialnych za pamięć długotrwałą, co nazywamy procesem długotrwałego wzmocnienia synaptycznego.

W ten sposób IGF-II doprowadza do poprawy pamięci, ale również odracza jej normalnie następujący zanik, czy też - po prostu - zapominanie - zauważa Alberini.

Naukowcom udało się wcześniej ustalić, że szczególna ulotność wspomnień, która występuje w sytuacji wydobywania śladu pamięciowego z magazynu pamięci długotrwałej, wymaga syntezy nowych białek w obszarze mózgu odpowiedzialnym za koordynację reakcji lękowych, to jest w jądrze migdałowatym, ale pod warunkiem, że wspomnienie powstało nie wcześniej niż w ciągu poprzednich dwóch tygodni.

W wyniku nowszych badań udało się odkryć, że poprawa pamięci związana z działaniem IGF-II we wspomnianym okienku czasowym (w którym dochodzi do rekonstrukcji wspomnienia) pozostawała zależna od zachodzącej w tym samym czasie syntezy nowych białek w hipokampie. Występowanie obu tych ograniczonych czasowo efektów można tłumaczyć stopniowym przesuwaniem się wraz z wiekiem obszaru mózgu, który jest w największym stopniu odpowiedzialny za przechowywanie wspomnień, z hipokampa ku zewnętrznemu płaszczowi mózgu (korze mózgowej).

Ponadto badania zespołu kierowanego przez dr Alberini wykazały, że czynnik wzrostowy IGF-II działa za pośrednictwem swojego własnego (specyficznego), równie słabo poznanego receptora, i jest zależny od aktywacji enzymu GSK3β oraz receptorów AMPA dla glutaminy (jednego z neuroprzekaźników), które również pozostają zaangażowane w procesy pamięciowe.

Dostępne dane sugerują, że IGF-II nie włącza nowych neuronów, a działa raczej na bazie już istniejących połączeń międzyneuronalnych (synaps), których działanie jest regulowane zarówno przez wspomniany enzym GSK3β, jak receptor AMPA.

Jak twierdzi Alberini, jej zespół rozważa obecnie kilka kierunków, którymi chciałby podążyć w swoich dalszych pracach badawczych. Naukowcy chcieliby, między innymi, uzyskać odpowiedź na pytanie, czy IGF-II może poprawiać również inne rodzaje pamięci, takie jak pamięć nabywana w procesie uczenia się przez wygaszanie, w którym lękotwórcze wspomnienie zostaje zastąpione przez wspomnienie poczucia bezpieczeństwa. Jeśli okazałoby się to możliwe, wyniki badań mogłyby dostarczyć wskazówek na temat nowych sposobów leczenia zaburzeń lękowych, w tym zespołu stresu pourazowego.

[Tłum./oprac. C. O. Reless]

Źródło: NIH

Referencje dokumentu: Chen DY, Stern SA, Garcia-Osta A, Saunier-Rebori B, Pollonini G, Bambah-Mukku D, Blitzer RD, Alberini CM. A critical role for IGF-II in memory consolidation and enhancement. 01/27/2011, Nature.

Do niedawna witamina D była postrzegana jako związek przeciwkrzywiczy i przeciwosteoporotyczny. Obecnie coraz częściej łączy się niedobór witaminy D, głównie jej aktywnego metabolitu (25(OH)D) z ryzykiem wystąpienia chorób neurodegeneracyjnych takich jak stwardnienie rozsiane, choroba Parkinsona i choroba Alzheimera. Receptory dla witaminy D znajdują się w ośrodkowym układzie nerwowym (kora mózgu i hipokamp), sama witamina zwiększa ekspresje genu kodującego aktywność hydroksylazy tyrozynowej, enzymu kluczowego dla syntezy amin katecholowych takich jak adrenalina, noradrenalina i dopamina. Ponadto witamina D zwiększa uwalnianie czynników wzrostowych (glejowo pochodny czynnik wzrostu, neurotrofina 3), zwiększa syntezę glutationu (działanie antyoksydacyjnie) i zmniejsza uszkadzające działanie glutaminianów. Szacuje się, że u 50 do 80% osób w starszym wieku występuje niedobór witaminy D, co oczywiście ma dodatkowo związek z takimi czynnikami jak czas ekspozycji na promieniowanie UV czy preferencje określonej diety.

Tydzień Mózgu

W jednym z ubiegłorocznych wydań Neurology opublikowano wyniki 3 badań oceniających związek pomiędzy stężeniem aktywnej postaci witaminy D a ryzykiem wystąpienia zaburzeń poznawczych. W pierwszym badaniu oceniano stężenie witaminy D u kobiet w wieku powyżej 75 lat (program osteoporotyczny). Wykazano istotny związek pomiędzy niskimi wartościami wit. D (<10ng/ml), a gorszymi wynikami w testach oceniających pamięć, w porównaniu do pań z prawidłowymi wartościami tej witaminy. Kolejne badanie dotyczyło korelacji pomiędzy obniżonymi wartościami wit D u kobiet i mężczyzn a demencją i zmianami naczyniowymi w przypadku wartości witaminy D poniżej 10ng/ml. Ostatnie badanie przeprowadzone w grupie mężczyzn zajęło sie tą samą zależność z podobnym wynikiem pomimo ustalenia nieco wyższych wartości uznawanych za objaw hipowitaminozy tzn. 20ng/ml.
Wnioski: obniżone stężenie aktywnej postaci wit D może predysponować do wystąpienia zaburzeń poznawczych u grupie starszej wiekowo, co więcej, ponad 50% osób starszych ma  obniżone wartości  witaminy D. Czy zastosowanie witaminy D poprawi funkcje poznawcze u chorych z chorobą Alzheimera jest kwestią otwarta i wymaga dalszych badań. Warto jednak podczas badań rutynowych oceniać stężenie wapnia, parathormonu i witaminy D (obniżona wartość witaminy D zwiększa uwalnianie parathormonu, a wysokie jego wartości są czynnikiem od dawno uznanym za predysponujący do otępienia). Warto pomyśleć również o suplementacji w okresach zimowo-wiosennych tzn. osoby pomiędzy 51- a 70 rokiem życia powinny przyjmować 400UI  witaminy D na dobę, powyżej 70 roku życia 600UI  lub też wskazana jest ocena stężenia witaminy D i utrzymywanie go powyżej wartości 30ng/ml.

Źródło: Vitamin D and cognitive function in older adults: are we concerned about vitamin D-mentia?, Miller JW. Neurology. 2010; 5;74(1):13-5.

[Monika Białecka]

Mikrotubule to rodzaj białkowych rurek współtworzących szkielet komórkowy, które biorą udział w najważniejszych aktywnościach komórek. Jako że nie stanowią struktur statycznych, a pozostają w ciągłym ruchu, ulegając nieustannej przebudowie (ciągłej polimeryzacji i depolimeryzacji), są kluczowe nie tylko dla samego kształtu i budowy komórki, ale też warunkują jej poruszanie się, transport wewnątrzkomórkowy, tworzenie wrzeciona kariokinetycznego podczas podziału, etc. Istotne zdają się również podczas procesów bliznowacenia - wszak biorą udział i w proliferacji czy różnicowaniu tkanek, i w sekrecji rozmaitych czynników wzrostowych tudzież białek macierzy zewnątrzkomórkowej. Tymczasem tworzenie się blizny w miejscu uszkodzenia rdzenia kręgowego jest, obok wrodzonych niewielkich zdolności regeneracyjnych, głównym czynnikiem utrudniającym odtwarzanie tkanki nerwowej.

Przestrzenny model fragmentu mikrotubuli

Dotychczasowe doniesienia naukowe sugerowały, że w eksperymentach in vitro stabilizacja mikrotubul może wpływać na obkurczanie się aksonów (włókien osiowych neuronów) w miejscach uszkodzenia nerwów, na ich obrzęk, a także niwelować wpływ czynników hamujących ich wzrost. W najnowszym "Science" ukazał się raport testujący tę hipotezę w praktyce na szczurach z częściowym przerwaniem ciągłości rdzenia kręgowego. Jako czynnika hamującego przebudowę mikrotubul użyto paklitakselu (Taxolu), oficjalnie zarejestrowanego leku  stosowanego m.in. podczas terapii nowotworów (poprzez stabilizację mikrotubul uniemożliwia powstawanie wrzeciona podziałowego i podział komórek).

Taxol podawano podpajęczynówkowo, bezpośrednio w miejscu uszkodzenia, w ciągłym wlewie. Tydzień po przerwaniu ciągłości rdzenia w grupie kontrolnej w miejscu  uszkodzenia znaleziono znaczną ilość kolagenu IV, fibronektyny, lamininy - zaobserwowano tworzenie się blizny łącznotkankowej uniemożliwiającej odtworzenie ciągłości tkankowej i odbudowę szlaku nerwowego. Podobne zmiany zaszły w znacznie mniejszym stopniu u zwierząt poddawanych działaniu cytostatyku.

Podczas bliznowacenia zachodzącego w ośrodkowym układzie nerwowym kluczową substancją jest TGF-β, tzw. Transformujący czynnik wzrostu β  i kaskada sygnałowa przezeń zawiadywana, prowadząca - poprzez rozliczne białka efektorowe, m. in. Smad2 - do wzmożenia procesów włóknienia. Do działania tej kaskady niezbędny jest aktywny system mikrotubul. Okazuje się, że rozregulowanie go po podaniu paklitakselu zmniejsza o ponad 70% transport czynnika Smad2 do jądra komórkowego, co może w znacznym stopniu wyjaśniać mechanizm zahamowania tworzenia blizny. Blokada ścieżek sterowanych poprzez TGF-β powoduje również obniżenie się poziomu proteoglikanów (gł. siarczanu chondroityny) bezpośrednio hamujących wzrost aksonów, czego m. in. efektem w badaniu było wyraźne zwiększenie stopnia regeneracji pobudzonych uprzednio neuronów.

Terapia Taxolem przez przez 6-8 tygodni po uszkodzeniu spowodowała wyraźne wydłużenie i częściową naprawę uszkodzonych nerwów, przy czym wykazano także zauważalny postęp czynnościowy w porównaniu ze zwierzętami kontrolnymi - naprawa nie ograniczała się jedynie do efektów morfologicznych, zwierzęta leczone paklitakselem wypadały znacząco lepiej również w późniejszych testach motorycznych.

Opisywane badanie nie jest jedynym próbującym obejść nikłe zdolności regeneracyjne tkanki nerwowej, których efekt wzmaga dodatkowo tworzenie blizn w miejscach uszkodzeń, dość jednak nowatorskie jest miejsce, w którym naukowcy postanowili uderzyć. Zamiast próbować hamować rozliczne czynniki blokujące wzrost neuronów, czyli podchodzić do sprawy niejako detalicznie, skierowali swoją uwagę na cytoszkielet, punkt, gdzie zbiegają się różne ścieżki transportu i wydzielania komórkowego, a jednocześnie element mający dodatkowe, czysto mechaniczne funkcje podczas odtwarzania utraconych możliwości tkankowych. Wstępne wyniki ich podejścia są obiecujące.

Źródło:

Hellal F, Hurtado A, Ruschel J, Flynn KC, Laskowski CJ, Umlauf M, Kapitein LC, Strikis D, Lemmon V, Bixby J, Hoogenraad CC, Bradke F. Microtubule Stabilization Reduces Scarring and Causes Axon Regeneration After Spinal Cord Injury, Science. 2011 Feb 18;331(6019):928-31

Omówienia:
Cancer drug promotes axon regeneration
Spinal cord injury: A regenerative medicine

[Paulina Łopatniuk]

Poziom wolnego testosteronu (BT) (niezwiązany z białkami transportującymi hormony płciowe) w grupie starszych mężczyzn może mieć wpływ na rozwój choroby Alzheimera. O ile niskie wartości BT można uznać za czynnik towarzyszący początkom demencji, o tyle wysokie wartości niezwiązanego testosteronu mogą stanowić czynnik protekcyjny. Do badań zakwalifikowano 153 mężczyzn w wieku powyżej 55 lat (średnio 72,7). W grupie tej wykonano badanie neurologiczne oraz ocenę funkcji poznawczych w oparciu o testy (MMSE, ADAS-cog), jak również oceniono stężenia testosteronu całkowitego (TT), wolnego (BT), białka wiążące hormony (SHBG) i ApoE. W początkowej fazie badania u 47 mężczyzn (31%) stwierdzane były łagodne zaburzenia pamięci. Po roku obserwacji u 10 osób z tej grupy rozwinęła się demencja i choroba Alzheimera, a u 7 obserwowane były cechy zaniku mózgu.

Tydzień Mózgu

Niezależnym czynnikiem o istotnym znaczeniu, determinującym przejście łagodnych zaburzeń pamięci (MCI) do choroby Alzheimera (AD) było niskie stężenie testosteronu wolnego, wysokie wartości ciśnienia skurczowego oraz podwyższone wartości apolipoproteiny ApoE e4. Wysokie wartości testosteronu wolnego (BT)  były również niezależnym czynnikiem protekcyjnym, zmniejszającym ryzyko wystąpienia AD. Wykazano istotną różnicę pomiędzy stężeniem BT u mężczyzn z prawidłowymi funkcjami poznawczymi oraz tymi z MCI (p<0.05). Nie stwierdzono natomiast powyższej zależności pomiędzy stężeniem całkowitego testosteronu oraz SHBG. Na podstawie powyższych wyników autorzy sugerują, że wzrost stężenia wolnego testosteronu o 1nmol/L może redukować ryzyko wystąpienia AD w ciągu roku o 78%  (95% CI, 31% - 93%), a obniżone wartości BT w sposób istotny, żeby nie powiedzieć dramatyczny przyspieszają konwersję MCI do AD. Wyniki powinny być jednak traktowane z ostrożnością, w przypadku kobiet również estrogeny miały charakteryzować się działaniem protekcyjnym, podczas gdy jak później wykazano, w niektórych przypadkach hormonalna terapia zastępcza nawet pogarszała funkcje poznawcze. Jakkolwiek w przypadku mężczyzn z problemami zaburzeń pamięci, zwłaszcza w początkowym okresie celowa wydaje się  ocena stężenia wolnego testosteronu.

Źródło: Bioavailable Testosterone Predicts a Lower Risk of Alzheimer's Disease in Older Men. Chu LW, Tam S, Wong RL, Yik PY, Song Y, Cheung BM, Morley JE, Lam KS. J Alzheimers Dis. 2010 ; 6.

[Monika Białecka]

Wyniki najnowszych badań wskazują na występowanie związku między używaniem przez farmerów dwóch pestycydów o nazwach rotenone i paraquat a podwyższonym ryzykiem wystąpienia choroby Parkinsona. U farmerów, którzy byli wystawieni na kontakt z którymkolwiek z tych pestycydów, zapadalność na chorobę Parkinsona jest około 2,5 raza wyższa niż wśród farmerów, którzy nie używają tych substancji w swoich gospodarstwach.

Badania zostały zrealizowane jako wspólne przedsięwzięcie naukowców afiliowanych w amerykańskim National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS), który jest częścią Narodowych Instytutów Zdrowia (NIH), i naukowców z Parkinson's Institute and Clinical Center w Sunnyvale w Kalifornii (USA). Oprócz naukowców związanych z amerykańskimi instytucjami w projekcie wzięli również udział naukowcy z Argentyny, Kanady i Niemiec.

Tydzień Mózgu

"Rotenone bezpośrednio hamuje działanie mitochondriów, struktur komórkowych dostarczających energię na potrzeby komórki" - mówi dr Freya Kamel, związana z wewnętrznym programem badawczym realizowanym w NIEHS, a jednocześnie współautorka artykułu, który ukazał się online w Environmental Health Perspectives. "Paraquat doprowadza do zwiększonego wytwarzania pewnych pochodnych tlenu, które uszkadzają struktury komórkowe. U ludzi, którzy mieli regularny kontakt z tymi pestycydami, lub innymi o podobnym mechanizmie działania, ryzyko zapadnięcia na chorobę Parkinsona jest istotnie wyższe".

Autorzy raportu przebadali w sumie 110 osób z chorobą Parkinsona i 358 osób z grupy kontrolnej. Osoby badane pochodziły z kohorty objętej Farming and Movement Evaluationa Study (FAME) - projektem badawczym, którego celem jest ocena związków między występowaniem choroby Parkinsona a narażeniem w rolnictwie na kontakt z pestycydami i innymi czynnikami o potencjalnie toksycznym oddziaływaniu na tkankę nerwową.

FAME to badanie porównawcze przypadków, które jest realizowane w ramach większego przedsięwzięcia - Agricultural Health Study, obejmującego badania nad stanem zdrowia osób trudniących się zawodowo rolnictwem u blisko 90 tysięcy licencjonowanych użytkowników pestycydów i ich współmałżonków.

Rozpoznanie choroby Parkinsona zostało postawione przez lekarzy specjalistów od zaburzeń ruchowych. Do oceny stopnia ekspozycji na działanie obu wspomnianych wcześniej pestycydów w ciągu życia osób badanych wykorzystano szczegółowe wywiady.

Na szczęście, używanie obu pestycydów w Stanach Zjednoczonych jest dopuszczalne tylko przez licencjonowanych i zarejestrowanych użytkowników. Używanie środka paraquat jest już od dawna zastrzeżone wyłącznie dla certyfikowanych użytkowników, a wprowadzenie owych obostrzeń było w dużym stopniu związane z niepokojącymi wynikami badań naukowych, które wcześniej prowadzono nad chorobą Parkinsona na zwierzętach. Na przykład, wyniki badań prowadzonych na myszach już wcześniej wskazywały, że paraquat, obok wysokich dawek żelaza, jest przyczyną wyższej zapadalności na chorobę Parkinsona.

Z kolei rotenone może być ostatnio wykorzystywany w Stanach Zjednoczonych jedynie w celu eliminowania inwazyjnych gatunków ryb, i był to jedyny dozwolony prawem sposób wykorzystania tej substancji chemicznej.

"Wyniki przedstawionych badań mogą okazać się pomocne w lepszym zrozumieniu podłoża choroby Parkinsona, co może mieć istotne znaczenie dla profilaktyki, a w końcu - leczenia choroby Parkinsona" - podsumowuje dr Caroline Tanner, dyrektor do spraw badań klinicznych Parkinson's Institute and Clinical Center.

W samych Stanach Zjednoczonych diagnozuje się około 160 tysięcy nowych przypadków choroby Parkinsona rocznie.

[Tłum./oprac. C. O. Reless]

Źródło: NIH study finds two pesticides associated with Parkinson's disease

Referencje dokumentu:Tanner CM, Kamel F, Ross GW, Hoppin JA, Goldman SM, Korell M, Marras C, Bhudhikanok GS, Kasten M, Chade AR, Comyns K, Richards MB, Meng C, Priestly B, Fernandez HH, Cambi F, Umbach DM, Blair A, Sandler DP, Langston JW. 2011. Rotenone, paraquat and Parkinson's disease. Environ Health Perspect; doi:10.1289/ehp.1002839

Dalsze informacje: Iron and Paraquat are Synergistic Risk Factors for Parkinson's Disease

Czy myśleliście kiedyś o posiadaniu trzeciej ręki? Szwedzcy badacze odkryli sposób przekonania ludzi, że posiadają dodatkową kończynę. W kontrolowanych warunkach laboratoryjnych naukowcom udało się zmylić uczestników, tak aby uwierzyli, że proteza ręki stanowi część ich ciała. Wyniki badania zostały opublikowane w czasopiśmie PLoS ONE. Badanie było współfinansowane ze środków grantu Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (European Research Council, ERC) w ramach unijnego Siódmego Programu Ramowego (7PR).

Naukowcy prowadzący badania nad mózgiem od dawna uważają, że nasze postrzeganie ciała jest ograniczone wrodzonym planem jego budowy, możliwe jest więc odczuwanie jednej głowy, dwóch rąk oraz dwóch nóg. Zespół szwedzkiego uniwersytetu medycznego Karolinska Institutet dowiódł na przykładzie zdrowych ochotników, że możliwe jest jednoczesne odczuwanie posiadania trzech rąk.
Tydzień Mózgu

Badacze poprosili uczestników z realistyczną protezą ręki zamocowaną obok ich własnej prawej ręki o zajęcie miejsca przy stole. Badane osoby widziały dwie własne ręce oraz wykonaną z gumy dodatkową, sztuczną rękę. Aby uczestnicy uwierzyli w posiadanie ręki wykonanej z gumy, naukowcy dotykali tych samych miejsc na prawej ręce i na sztucznej ręce badanego za pomocą dwóch niewielkich pędzli, zapewniając najlepszą możliwą synchronizację dotknięć.

"W mózgu powstaje konflikt co do ręki faktycznie należącej do ciała pacjenta" - wyjaśnił Arvid Guterstam z Wydziału Neurologii Karolinska Institutet. "Można by się spodziewać, że tylko jedna ręka zostanie odebrana przez uczestnika badań jako własna, najprawdopodobniej jego ręka. Jednak niespodziewanie odkryliśmy, że mózg rozwiązuje ten konflikt, biorąc obie prawe ręce za części ciała, w związku z czym badane osoby odczuwają fakt posiadania dodatkowej, trzeciej ręki".

W celu przetestowania uzyskanych wyników naukowcy przeprowadzili na 154 zdrowych ochotnikach serię eksperymentów. Aby udowodnić, że proteza ręki rzeczywiście była postrzegana jako trzecia ręka, przyłożyli nóż kuchenny do sztucznej lub do prawdziwej ręki. Następnie zmierzyli stopień pocenia się dłoni, które jest psychologiczną reakcją na to działanie.

Wyniki wykazały, że badane osoby odznaczały się takim samym poziomem stresu, niezależnie od tego, której ręki dotyczył eksperyment, jednak wyłącznie w czasie, gdy doświadczali iluzji trzeciej ręki. Reakcja stresowa nie występowała bowiem w przypadku zastąpienia prawej ręki lewą ręką lub sztuczną nogą.

"Podczas czterech odpowiednio kontrolowanych eksperymentów wyznaczyliśmy niezbędne warunki minimalne do wywołania iluzji posiadania dodatkowych rąk" - napisali autorzy w publikacji. "W ramach piątego i ostatniego eksperymentu pokazaliśmy, że omawiana tutaj iluzja jakościowo różni się od tradycyjnej iluzji z udziałem gumowej ręki, ponieważ chodzi tu nie tyle o nieodczuwanie prawdziwej ręki, co o silne poczucie posiadania dwóch prawych rąk" - dodali naukowcy. "Wyniki te sugerują, że sztuczna ręka "pożycza" część procesów odpowiadających za odczuwanie prawdziwej ręki, co prowadzi do powielenia zmysłu dotyku i do wrażenia posiadania dwóch prawych rąk".

Naukowcy stwierdzili, że badanie stanowi znaczny postęp, ponieważ stawia wyzwanie tradycyjnemu spojrzeniu na morfologię makroskopową jako wyznacznik odczuwania własnego ciała. Dowiedziono bowiem, że wyobrażenie dotyczące ciała można z łatwością zmienić, dodając kończynę". Naukowcy mają nadzieję, że odkrycia te przyniosą korzyści dla pacjentów dzięki opracowaniu nowych zastosowań dotyczących protez.

"Prawdopodobnie w przyszłości będzie możliwe wykorzystanie u pacjenta po udarze, ze sparaliżowaną jedną stroną ciała, protezy ręki, którą będzie mógł wykorzystywać i odczuwać jak własną, zachowując postrzeganie ręki sparaliżowanej jako części własnego ciała" - powiedział Henrik Ehrsson, kierownik badania. "Można sobie także wyobrazić, że w trudnych sytuacjach zawodowych niektóre osoby, na przykład strażacy podczas akcji ratunkowych lub sanitariusze, mogliby odnieść znaczne korzyści z wykorzystania dodatkowej ręki".

© Unia Europejska 2005-2011

Źródło: CORDIS

Referencje dokumentu: Guterstam A. et al. (2011) The illusion of owning a third arm. PLoS ONE, publikacja internetowa z dnia 23 lutego. DOI: 10.1371/journal.pone0017208

Tydzień Mózgu (Brain Awareness Week, BAW) jest kampanią o zasięgu globalnym, organizowaną w celu podniesienia świadomości społecznej dotyczącej mózgu, a także postępów w badaniach nad mózgiem i płynących z nich wielorakich korzyści.

Co roku w marcu w ramach BAW organizacje z całego świata, w tym uczelnie wyższe, szpitale, szkoły, agencje rządowe i profesjonalne stowarzyszenia, jednoczą się w całotygodniowych obchodach, w których centrum znajduje się ludzki mózg i układ nerwowy. W czasie trwania BAW partnerzy kampanii organizują liczne wydarzenia w celach edukacyjnych, jak również z zamiarem zainteresowania ludzi z wszystkich grup wiekowych problematyką badań nad mózgiem. Kształt i charakter wydarzeń ograniczony jest tylko i wyłącznie wyobraźnią organizatorów. Są to, między innymi, dni otwarte w laboratoriach badawczych, wystawy i wykłady na tematy związane z mózgiem, ekspozycje w centrach handlowych, bibliotekach publicznych i domach kultury, w końcu - lekcje i imprezy szkolne, i wiele innych.

Wydarzenie zostało powołane do życia w 1994 roku i jest po dzień dzisiejszy koordynowane przez Dana Alliance for Brain Initiatives, organizację non profit, której przyświeca misja popularyzacji wiedzy na temat mózgu i wyników badań nad mózgiem w przystępny i zrozumiały sposób. Obecnie Dana Alliance for Brain Initiatives zrzesza ponad trzystu członków, wybitnych neuronaukowców, w tym dziesięciu laureatów Nagrody Nobla.

W roku bieżącym, podobnie jak w latach ubiegłych, w światowe obchody BAW włączyło się szereg instytucji z Polski, w tym Polskie Towarzystwo Badań Układu Nerwowego, Polska Akademia Nauk, Polskie Towarzystwo Przyrodników im. Kopernika, Uniwersytet Jagielloński, Uniwersytet Śląski, a także portale internetowe i inne media.

Imprezy w ramach Światowego Tygodnia Mózgu w Warszawie odbywają się w dniach 7-12 marca. W Krakowie Tydzień Mózgu 2011 będzie trwał w dniach 14-20 marca, a w dniach 14-18 marca odbędzie się w Poznaniu 3. Tydzień Mózgu. Podobne wydarzenie planowane jest w dniach 14-20 marca w Katowicach i w dniu 18 marca w Trójmieście.

W programach imprez znajdują się liczne wykłady neuronaukowców i specjalistów dziedzin pokrewnych z wiodących polskich ośrodków naukowych. Wstęp na większość wydarzeń jest bezpłatny i dostępny dla szerokiej publiczności.

W tym roku również Racjonalista, w roli partnera BAW, włącza się do obchodów Brain Awareness Week w Polsce i na świecie. "Tydzień Mózgu 2011 na Racjonaliście" będzie trwał w dniach 14-20 marca bieżącego roku. W programie wydarzenia publikacja szeregu nowinek naukowych z dziedziny neuronauk, nowa sonda i "Test wiedzy o mózgu" dla uważnych i wytrwałych czytelników naszego serwisu. Zobacz szczegóły.

Oprac. C. O. Reless

Wiele leków stosowanych w celu zapobiegania grypie lub leczenia jej jest nadal aktywnych, kiedy dostają się do kanalizacji, a w przypadku pandemii znaczne ilości takich substancji mogą być odprowadzane do oczyszczalni ścieków. Czy oczyszczalnie będą w stanie sobie z tym poradzić? Międzynarodowy zespół naukowców dofinansowywany częściowo ze środków unijnych przyjrzał się tej kwestii.

Badania, które poświęcone były analizie ekotoksykologicznych zagrożeń związanych z reakcją medyczną na hipotetyczną pandemię grypy, otrzymały dofinansowanie unijne za pośrednictwem trzech projektów: DYNANETS (Obliczanie cech rzeczywistych zjawisk w dynamicznie zmieniających się, złożonych sieciach), EPIFOR (Złożoność i przewidywalność epidemii - w kierunku infrastruktury obliczeniowej na potrzeby prognozowania epidemii) i EPIWORK (Opracowywanie ram infrastruktury do prognozowania epidemii).

Wraz z rozwojem pandemii grypy H1N1 w 2009 r. sektor zdrowia publicznego śledził uważnie jej rozwój i dążył do złagodzenia jej wpływu na obywateli. Niemniej niewiele uwagi poświęcono sposobowi, w jaki reakcja medyczna na pandemię wpłynie na środowisko. W ramach ostatnich badań naukowcy przeanalizowali wiele leków przeciwwirusowych i antybiotyków, które mogą znaleźć się w ściekach.

Leki przeciwwirusowe są stosowane w profilaktyce lub leczeniu grypy, a antybiotyki mogą być przepisywane również do walki z wtórnymi infekcjami bakteryjnymi, takimi jak zapalenie płuc. Niemniej nasze organizmy nie przyswajają w całości tego bogactwa. Spora część leków zostanie ostatecznie przepuszczona przez nasz układ i uwolni silnie działającą mieszaninę biologicznie aktywnych substancji bezpośrednio w ściekach. W przypadku pandemii, to co zwykle jest tylko stróżką takich substancji może przekształcić się w potok.

Aby ocenić zagrożenie dla zasobów wody, zespół połączył model komputerowy symulujący ilości leków, które mogłyby prawdopodobnie zostać wykorzystane w czasie pandemii grypy o zmiennym stopniu ciężkości z modelem jakości wody dla zlewni Tamizy w Wlk. Brytanii. To umożliwiło naukowcom przewidzieć ilość tego rodzaju substancji, jakiej należy się spodziewać w ściekach. Kolejny model został wykorzystany do oceny możliwych skutków planów oczyszczania rzek i ścieków na danym obszarze.

Wysokie stężenie leków przeciwwirusowych i antybiotyków może wpłynąć na mikroorganizmy wykorzystywane w oczyszczalniach do usuwania niepożądanych substancji odżywczych ze ścieków, hamując ich rozwój i ograniczając skuteczność oczyszczania. Hipotetycznie w konsekwencji tego niewystarczająco oczyszczone ścieki mogą zostać odprowadzone do rzek. W zależności od zasięgu problemu może to wywołać znaczące skutki dla jakości wody pitnej i dla środowiska, takie jak eutrofizacja i utrata życia wodnego.

Odkrycia zespołu, opublikowane w czasopiśmie Environmental Health Perspectives, wskazują że ekotoksykologiczne konsekwencje łagodnej pandemii byłyby prawdopodobnie bez znaczenia. Umiarkowana lub poważna pandemia może jednak spowodować problemy środowiskowe. Prognozy zespołu wskazują, że próg hamowania rozwoju mikroorganizmów może zostać przekroczony w przypadku większości oczyszczalni ścieków w zlewni Tamizy, potencjalnie wpływając na jakość wody w 5 do 40% rzeki.

Naczelny autor, Andrew Singer z Centrum Ekologii i Hydrologii w Wlk. Brytanii, wskazuje na inne względy: "Możliwe rozpowszechnione uwalnianie leków przeciwwirusowych i antybiotyków do środowiska może przyspieszyć rozwój odpornych patogenów, co może także mieć wpływ na zdrowie ludzi w trakcie pandemii i potencjalnie długo po jej formalnym zwalczeniu."

Stwierdziwszy to dr Singer położył nacisk na potrzebę przeprowadzenia dalszych badań. "Musimy pogłębić naszą wiedzę na temat ekotoksyczności oczyszczalni zanim zagrożenia stwarzane przez reakcję medyczną na pandemię grypy będzie można ocenić w sposób wiarygodny" - dodaje.

W przypadku pandemii, szczepienia przeciw grypie mogłyby znacznie zredukować zagrożenia dla zdrowia poszczególnych osób i potencjalne obciążenie dla społeczeństwa, jak również pomogłyby ograniczyć związane z tym szkody powstające w środowisku. "[...] produkcja i skuteczna dystrybucja prepandemicznych i pandemicznych szczepionek mogłaby w dużej mierze złagodzić zidentyfikowane problemy środowiskowe i zdrowotne ludzi, jakie zostały uwypuklone w naszym artykule, ze znaczącą korzyścią dodaną w postaci obniżonej zachorowalności i umieralności wśród ludności brytyjskiej. Problem szczepień stanowi prawdopodobnie największe wyzwanie dla społeczeństwa - mówi dr Singer - ale wiąże się również z największymi korzyściami."

Projekty DYNANETS, EPIFOR i EPIWORK otrzymały dofinansowanie na kwoty odpowiednio 2,8 mln EUR, 684.000 EUR i 4,9 mln EUR z budżetu Siódmego Programu Ramowego (7PR) UE. Unijny wkład w projekty DYNANETS i EPIWORK został wniesiony w ramach wsparcia przez 7PR badań naukowych powiązanych z technologiami informacyjnymi i komunikacyjnymi (TIK). Projekt EPIFOR został dofinansowany w formie grantu dla rozpoczynających niezależnych naukowców przyznanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERBN) z tematu "Pomysły" 7PR.

W badaniach wzięli również udział naukowcy z Uniwersytetu Indiany (USA), Instytutu Wymiany Naukowej (Włochy), Uniwersytetu w Sheffield (Wlk. Brytania) i Uniwersytetu w Utrechcie (Holandia).

© Unia Europejska 2005-2011

Źródło: CORDIS

Referencje dokumentu: Singer, A. C. et al. (2011) Assessing the ecotoxicological risks of a pandemic influenza medical response. Environmental Health Perspectives, publikacja z 2 marca. DOI: 10.1289/ehp.1002757.

Jeśli ktoś rozważał wakacje w pobliżu wulkanu, powinien może ponownie przemyśleć swoje plany. Wbrew powszechnemu przekonaniu wulkany nie pozostają w uśpieniu przez wiele stuleci. W ramach współfinansowanych ze środków UE badań francuscy i amerykańscy naukowcy wykazali, że erupcja wulkanów może nastąpić w ciągu kilku tygodni, a nie lat. Ich odkrycie może zachęcić innych naukowców do dokonania ponownej oceny zagrożeń ze strony uśpionych wulkanów, co z kolei powinno doprowadzić do opracowania nowych procedur awaryjnego planowania i ewakuacji.

Przedstawione w czasopiśmie Nature badanie było współfinansowane ze środków projektu DEMONS ("Poznanie erupcji poprzez modelowanie danych dostarczanych przez systemy naturalne"). Projekt ten otrzymał wsparcie w wysokości 1,36 mln euro w ramach grantu startowego Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (European Research Council, ERC), stanowiącego część unijnego Siódmego Programu Ramowego (7PR).

Dr Alain Burgisser z francuskiego instytutu Institut des Sciences de la Terre d'Orléans (CNRS/INSU - Centre national de la recherche scientifique/Institut national des sciences de l'univers, Université d'Orléans, Université François Rabelais-Tours) wraz z prof. Georgem W. Bergantzem z Wydziału Nauk o Ziemi i Astronautyki Uniwersytetu w Waszyngtonie opracowali i przetestowali teoretyczny model dwóch dużych erupcji, co pozwoliło uzyskać świeże spojrzenie na temat wiekowej teorii dotyczącej uśpionych wulkanów.

Według naukowców ponowna aktywacja komory magmowej może nastąpić w ciągu zaledwie kilku miesięcy. Komory magmowe to duże podziemne zbiorniki płynnej skały znajdujące się wiele kilometrów pod powierzchnią Ziemi. Płynna skała jest odporna na wysokie ciśnienie. W miarę upływu czasu ciśnienie to może spowodować pęknięcia skały otaczającej magmę, otwierając drogę jej przepływu. Magma wydobywa się na powierzchnię, co powoduje erupcję wulkanu. Wykrywanie komór magmowych jest przeważne bardzo trudne, ale naukowcy stwierdzili, że leżą one blisko powierzchni - na głębokości od 1 do 10 km.

Najważniejsze pytanie jest następujące: Co dzieje się z komorą magmową, gdy wulkan jest w stanie uśpienia? Naukowcy twierdzą, że komora ulega ochłodzeniu w celu zagęszczenia masy, aż do przerwania stanu uśpienia przez nową magmę. Następnie w wyniku działania wysokiej temperatury następuje upłynnienie komory magmowej.

W ten sposób rozmiary komór magmowych wahają się od kilku dziesiątych do kilkuset kilometrów sześciennych i mają bezpośredni wpływ na szybkość przerwania stanu uśpienia wulkanu. Wulkanolodzy o tradycyjnym podejściu twierdzą, że oddziaływanie ciepła na cały zbiornik i rozpoczęcie przepływu lawy w wulkanie to kwestia kilkuset lub tysiąca lat.

W tym miejscu odkrycia francusko-amerykańskiego zespołu stają się naprawdę interesujące. Nowy model matematyczny wskazuje, że ponowne ogrzanie następuje w trzech etapach. Świeża, gorąca magma powoduje topienie się gęstej magmy na dnie zbiornika po przedostaniu się do komory od spodu. Płynna magma staje się rzadsza i wydostaje się na powierzchnię, przepływając przez zbiornik. Ułatwia to mieszanie się pozostałej płynnej masy. W ten sposób ciepło rozchodzi się w komorze znacznie szybciej, niż poprzednio sądzono. Wielkość komory oraz lepkość magmy odgrywają krytyczną rolę w szybszym przerywaniu stanu uśpienia wulkanu.

Badacze przetestowali prawidłowość modelu, analizując go w porównaniu z erupcją wulkanu Mount Pinatubo (Filipiny) z 1991 roku oraz z trwającą erupcją wulkanu Soufriere Hills na karaibskiej wyspie Montserrat.

Odkryli, że wstrząsy sejsmiczne poprzedzające erupcję wskazują na wydostawanie się świeżej magmy spod stygnącego zbiornika. Naukowcy odtworzyli odstępy czasowe pomiędzy oznakami ocieplania się i erupcjami, biorąc pod uwagę fizyczne parametry obu wulkanów: rozmiar komory, temperaturę magmy oraz koncentrację kryształów, ocenione na podstawie badania magmy. W przypadku wulkanu Pinatubo wykazano - wbrew dotychczasowym opiniom - że do ponownego uaktywnienia komory potrzeba od 20 do 80 dni, a nie 500 lat.

Opracowany przez zespół zaawansowany model może w przyszłości pomóc naukowcom w oszacowaniu upływu czasu pomiędzy pierwszymi wstrząsami wulkanu i jego erupcją.

© Unia Europejska 2005-2011

Źródło: CORDIS

Referencje dokumentu: Burgisser A., Bergantz G.W. (2011) A rapid mechanism to remobilize and homogenize highly crystalline magma bodies. Nature, publikacja internetowa z dnia 3 marca. DOI: 10.1038/nature09799.

Europejscy i amerykańscy naukowcy podważają tradycyjne pojęcie ewolucji gatunku ludzkiego. Przez ostatnie 35 lat genetycy za główny motor ewolucji gatunku ludzkiego uznawali klasyczne zjawisko selekcyjnego wymiatania (ang. selective sweep), kiedy to dochodzi do szybkiego rozprzestrzenienia się korzystnej mutacji genetycznej w całej populacji ludzkiej. Jednak wyniki badania opublikowanego w czasopiśmie Science sugerują, że takie wydarzenia mogły mieć miejsce sporadycznie i nie wpłynęły w znaczący sposób na historię naszego gatunku. W badaniu zawarto tezę, że zamiast tego podstawowym napędem zmian w ludzkim fenotypie mogły być niewielkie modyfikacje w wielu genach, wobec czego zwrócono uwagę na konieczność opracowania nowych modeli w celu prześledzenia genetycznych etapów ewolucji.

Po przebadaniu sekwencji niemal 200 genomów ludzkich badacze stwierdzili, że znaleźli nowy dowód przeciwko tezie, iż to zjawisko selekcyjnego wymiatania było dominującym sposobem ludzkiej adaptacji.

"Wyniki naszych badań sugerują, że niedawny proces adaptacji wcale nie miał postaci pojawiających i rozpowszechniających się jednostkowych zmian o znacznym wpływie, ale chodziło raczej o częste przesunięcia w wielu miejscach w genomie" - mówi współautorka, dr Molly Przeworski, profesor na Uniwersytecie Chicago w Stanach Zjednoczonych, specjalizująca się w genetyce, ekologii i ewolucji ludzkiej. "Z wyników można wnioskować, że adaptacja gatunku ludzkiego, podobnie jak wiele powszechnych chorób trapiących nasz gatunek, ma złożoną architekturę genetyczną".

Zgodnie z klasycznym modelem selekcyjnego wymiatania, kiedy pojawia się nowy i korzystny gen, szybko rozpowszechnia się on w populacji. Ze względu na swój szybki wzrost gen utrwala się w genomie w mniej zróżnicowanej postaci niż w przypadku genu rozpowszechniającego się w wolniejszym tempie. Genetycy korzystali z tego modelu, poszukując segmentów genetycznych otoczonych obszarami o niskim zróżnicowaniu, zgodnie z teorią - stanowiącymi znamię zjawiska selekcyjnego wymiatania.

Zastosowanie tego modelu pozwoliło wyodrębnić ponad 2000 genów (jest to odpowiednik ok. 10% ludzkiego genomu), co sugerowałoby, że selekcyjne wymiatanie było zjawiskiem o wysokiej częstotliwości, które napędzało ewolucję gatunku ludzkiego, pozwalając mu znacznie wyprzedzić w rozwoju jego przodków z rzędu naczelnych.

"Model selekcyjnego wymiatania został wprowadzony w 1974 r. i od tego czasu stanowił raczej model centralny" - mówi dr Przeworski. "Można zdecydowanie stwierdzić, że to właśnie na tym modelu opierały się wszystkie wykonane do tej pory badania selekcji, u ludzi i u innych organizmów".

Jednak obszary niskiej różnorodności wokół segmentów genetycznych mogły powstać także w wyniku innych mechanizmów ewolucyjnych. W badaniu mającym na celu określenie, czy zjawisko selekcyjnego wymiatania było główną przyczyną powstawania tych obszarów, zespół wykorzystał dane 179 osób przebadanych w ramach projektu 1000 Genomes, międzynarodowej próby skatalogowania zróżnicowania w obrębie gatunku ludzkiego.

"To jest naprawdę przełomowy zbiór danych, który umożliwił przeprowadzenie po raz pierwszy tego typu analizy" - mówi profesor Ryan Hernandez z wydziału nauk bioinżynieryjnych i terapeutycznych z Uniwersytetu Kalifornia w San Francisco (UCSF).

Zespół badawczy analizował geny z podstawieniami genetycznymi charakterystycznymi dla gatunku ludzkiego, w których sekwencja nukleotydów różni się od sekwencji występującej u blisko spokrewnionych z ludźmi gatunków naczelnych. "Zróżnicowanie fenotypiczne u ludzi nie jest tak prostym zjawiskiem, jak nam się wydawało" - wyjaśnia dr Hernandez. "Koncepcja, zgodnie z którą adaptacja gatunku ludzkiego może przebiegać za pomocą pojedynczych zmian w poziomie aminokwasu, to całkiem interesujący pomysł. Wspaniałe jest, że dysponujemy kilkoma konkretnymi przykładami, gdzie takie zmiany zachodziły, ale jest to zbyt uproszczony pogląd".

Dalsze dowody przeczące powszechności występowania zjawiska selektywnego wymiatania dostarczyło porównanie zróżnicowania genomu u rozmaitych populacji. Jako że populacje nigeryjska, europejska i chińska/ japońska rozdzieliły się mniej więcej przed stu tysiącami lat, a następnie przystosowały się do odmiennych środowisk, częste występowanie zjawiska selekcyjnego wymiatania powinno było - zgodnie z oczekiwaniami - utrwalić wyraźne różnice genetyczne pomiędzy populacjami.

Dr Przeworski podsumowuje badanie następująco: "Wyniki owych badań poddają w wątpliwość, jak wiele jeszcze można odkryć przy zastosowaniu podejścia selekcyjnego wymiatania, a także napełniają nas sceptycyzmem, jeżeli chodzi o potwierdzenie osiągnięć w ramach dotychczasowych badań".

W badaniach uczestniczyli eksperci z Izraela i Zjednoczonego Królestwa.

© Unia Europejska 2005-2011

Źródło: CORDIS

Hernandez, R.D., et al. (2011) Classic selective sweeps were rare in recent human evolution. Science 331: 920-924. DOI: 10.1126/science.1200109.