Fizjologiczna rola cynku w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN)

Zaobserwował on jasno-czerwone kompleksy cynku z ditizonem w obrębie hipokampa szczura, które dokładnie pokrywały się z aksonami mszystymi, łączącymi zakręt zębaty z rogiem Amona (Frederickson i wsp., 1989; Maske, 1955). Średnie stężenie cynku w mózgu wynosi 150 μmol/kg. Najwyższe poziomy tego kationu występują w hipokampie, ciele migdałowatym i korze mózgu (Frederickson i wsp., 1989; Takeda, 2000). Haug po raz pierwszy odkrył pęcherzyki presynaptyczne zawierające cynk w zakończeniach synaptycznych włókien mszystych hipokampa, zakrętu zębatego i ciała migdałowatego (Haug, 1967; Frederickson i wsp., 2000).

22

Wykazano, że około 8% całkowitej puli Zn hipokampa znajduje się w pęcherzykach zakończeń synaptycznych (Frederickson i wsp. 1983). W pęcherzykach presynaptycznej części zakończeń glutaminianergicznych cynk występuje w kompleksie z glutaminianem osiągając tam stężenie 1.4 mmol/L. Wielkość puli uwalnianego Zn zależy więc od aktywności neuronów glutaminianergicznych, co może mieć istotne znaczenie w regulacji funkcji neuronów postsynaptycznych w warunkach fizjologicznych i patologicznych (Ronowska i wsp. 2007, 2010, Sensi i wsp., 2009).

W mózgu, w warunkach fizjologicznych, całkowite stężenie Zn wewnątrzkomórkowego wynosi około 210 μmol/L, natomiast całkowite stężenie w przestrzeni pozakomórkowej około 3 μmol/L. Wskazuje to na istnienie w neuronach i komórkach astrocytarnych zależnego od energii wychwytu Zn (Palmiter i Findley, 1995).

Homeostaza Zn²⁺ w neuronach i astrocytach kontrolowana jest dzięki równowadze pomiędzy napływem, wiązaniem i transportowaniem tego kationu do poszczególnych przedziałów komórkowych lub przestrzeni zewnątrzkomórkowej (Sensi i wsp., 1997; Weiss i wsp., 2000). Metalotioneiny (MT) oraz dwie rodziny transporterów cynkowych: SLC30 (ZnT) i SLC39 (ZRT/IRT-related protein, ZIP) regulują stężenie cynku na poziomie komórkowym. MT są białkami o niskiej masie cząsteczkowej (6-7 kDa), nie zawierającymi aminokwasów aromatycznych, posiadającymi wysokie powinowactwo do jonów Zn²⁺ (K_Zn=3.2×10¹³ M^-1, pH 7.4).

MT w organizmie człowieka zbudowane są z 61-68 aminokwasów, spośród których 20 to reszty cysteiny, tworzące strukturę drugorzędową dwóch domen wiążących łącznie siedem atomów Zn (Mocchegiani i wsp., 2005). MT obecne w ośrodkowym układzie nerwowym, występują w postaci trzech izoform (MT-1, MT-2 i MT-3).

Pełnią one funkcję ochronną przed toksycznym działaniem zewnątrzkomórkowego Zn oraz stanowią jego rezerwuar (Hidalgo i wsp., 2001). MT-1 oraz MT-2, syntetyzowane głównie w astrocytach, pełnią funkcję ochroną przed niekorzystnym działaniem interleukin oraz kwasu kainowego (Aschner, 1996). MT-3 syntetyzowana jest wyłącznie w mózgu. W neuronach zawierających cynk (ZEN) pełni ona funkcję detoksykacyjną. Zn uwalniany do szczeliny synaptycznej może poprzez wpływ na opisane receptory i transportery modulować aktywność najpowszechniejszych neuroprzekaźników w mózgu jakimi są L-glutaminian i GABA (Masters i wsp., 1994).

23

Transportery cynkowe ZnT regulują wypływ Zn z komórki lub jego transport do wnętrza pęcherzyków. Natomiast transportery ZIP pośredniczą w transporcie cynku z przestrzeni pozakomórkowej lub z pęcherzyków do cytoplazmy (Cousins i wsp., 2006; McMahon i Cousins, 1998).

W ludzkim genomie zostało zidentyfikowanych 10 genów kodujących białko ZnT oraz 14 genów kodujących białko ZIP (Huang i Tepaamorndech, 2013; Jeong i Eide, 2013). Zmiany w ekspresji transporterów cynkowych to mechanizmy, dzięki którym neurony i astrocyty mogą regulować wielkość wewnątrzkomórkowej puli Zn oraz utrzymywać stężenie wolnego Zn²⁺ w wąskich granicach, optymalnych dla ich wzrostu i przeżycia (Colvin i wsp., 2003). W mózgu wykryto obecność transporterów cynku takich jak: ZnT1, ZnT3, ZnT4, ZnT6, ZnT10 o zróżnicowanej lokalizacji i funkcji.

ZnT1 znajduje się w błonie komórkowej neuronów i astrocytów. Odpowiada on za wyrzut Zn z komórki, reguluje stężenie wewnątrzkomórkowego Zn²⁺

uniemożliwiając nadmierną jego akumulację (Qin i wsp., 2009). Regiony mózgu zawierające synapsy bogate w Zn, wykazują jednocześnie wysoką gęstość ZnT1.

Znajdują się one min. w warstwach II/III oraz V kory mózgu, oraz w dendrytach w regionie opuszki węchowej i hipokampa (Sekler i wsp., 2002). Wykazano również, że w astrocytach zwiększenie poziomu białka ZnT1 obniża poziom wewnątrzkomórkowego Zn (McMahon i Cousins, 1998; Nolte i wsp., 2004).

Jony Zn²⁺ są transportowane do pęcherzyków synaptycznych neuronów glutaminianergicznych przy pomocy specyficznego transportera ZnT3 zlokalizowanego w ich błonie. Wysoki poziom białka ZnT3 występuje w hipokampie, ciele migdałowatym i korze mózgowej (Palmiter i wsp., 1996;

Wenzel i wsp., 1997). Uważa się, że Zn jest neuronalnym ko-przekaźnikiem i modulatorem transmisji oraz plastyczności synaptycznej mózgu. Dlatego pełni on kluczową rolę w procesach uczenia się i konsolidacji pamięci. Transporter ten poprzez zależną od Zn interakcję z receptorami NMDA, p75, TrkA wpływa również na funkcje poznawcze (Paoletti i wsp., 2009; Smart i wsp., 2004). Wykazano, że myszy pozbawione genu kodującego ZnT3 nie posiadają cynku histochemicznie reaktywnego w pęcherzykach synaptycznych (Frederickson i wsp., 2000). Badania na ludziach wykazały również, że poziom ZnT3 ulega obniżeniu z wiekiem oraz znacząco spada w tkance mózgowej osób z chorobą Alzheimera (Adlard i wsp., 2010).

24

ZnT4 transportuje Zn do wnętrza endosomów/lizosomów. Z kolei ZnT6 bierze udział w przemieszczeniu Zn cytoplazmatycznego do aparatu Golgiego oraz do pęcherzyków, co może przyczyniać się do magazynowania i/lub zapobiegania toksyczności tego metalu (Huang i Tepaamorndech, 2013). ZnT10 zlokalizowany został w aparacie Golgiego ludzkich cholinergicznych komórek neuroblastoma linii SH-SY5Y. Po dodaniu 100 μmol/L Zn, transporter ten ulegał przemieszczeniu do błony komórkowej (Bosomworth i wsp., 2012).

W mózgu wykryto również wewnątrzkomórkowe zasoby Zn, które nie znajdują się w pęcherzykach synaptycznych. W napadzie padaczkowym wywołanym podaniem kwasu kainowego, zaobserwowano akumulację Zn²⁺ w neuronach regionu CA1 oraz CA3 hipokampa myszy z wyciszonym genem Znt3, które prowadziło do ich uszkodzenia. Nie ustalono jak dotąd źródła „niepęcherzykowej” puli Zn²⁺. Badania dowodzą, że białka wiążące cynk oraz zasoby Zn mitochondrialnego w neuronach postsynaptycznych mogą być źródłem cytotoksycznego działania tego kationu (Lee i wsp., 2000).

Neurony glutaminianergiczne tworzą około 50% zakończeń nerwowych mózgu, a stężenie L-glutaminianu w mózgu jest rzędu 10-20 mmol/L. W warunkach fizjologicznego pobudzenia glutaminianergicznych zakończeń nerwowych do szczeliny synaptycznej uwalnia się L-glutaminian i skompleksowany z nim Zn.

Stężenie tego kationu w szczelinie synaptycznej osiąga poziomy 10-30 µmol/L (Frederickson i wsp., 2005). Rola sygnalizacyjna cynku synaptycznego polega na hamowaniu lub pobudzaniu różnych klas postsynaptycznych glutaminianergicznych receptorów jonotropowych poprzez specyficzne oddziaływanie Zn²⁺ z ich allosterycznymi miejscami wiązania (Mayer i wsp., 1989). Zn²⁺ wywiera również antagonistyczne działanie na receptor GABA_A (Ruiz i wsp., 2004; Smart, 1992).

Hamuje on aktywację receptorów NMDA poprzez dwa mechanizmy: niezależny od napięcia, o wysokim powinowactwie (IC50 ≈ 5 nmol/L) oraz zależny od napięcia o niskim powinowactwie (IC50 ≈ 20 µmol/L, -40 mV). W pierwszym przypadku Zn²⁺ działa poprzez allosteryczną interakcję z miejscem wiążącym na podjednostce GluN2A. Natomiast w drugim przypadku Zn bezpośrednio blokuje kanał receptora (Mayer i wsp., 1989; Peters i wsp., 1987; Vogt i wsp., 2000). Cynk jest również modulatorem receptorów AMPA oraz KA. W niskich mikromolowych stężeniach Zn zwiększa ich aktywność, natomiast w wyższych – milimolowych hamuje je poprzez bezpośrednią blokadę kanału jonowego (Rassendren i wsp., 1990).

25

Uwolnienie synaptycznego cynku waha się w zakresie częstotliwości 10-200 Hz, które wymagane jest do wywołania długotrwałego wzmocnienia synaptycznego (LTP). Zatem przemieszczenie cynku może być ważnym sygnałem pośredniczącym w plastyczności synaps (Li i wsp., 2001).

Istnienie złożonych procesów wychwytu i transportu cynku jest niezbędne do utrzymania optymalnego stężenia wolnego cynku w neuronach i astrocytach, gdyż zarówno zbyt niskie jak i zbyt wysokie stężenia tego kationu w komórkach nerwowych mogą prowadzić do ich uszkodzenia (Mocchegiani i wsp., 2005).