Neuraalne raku adhesioonimolekul

Neuraalne raku adhesioonimolekul (inglise keeles neural cell adhesion molecule; NCAM; N-CAM; CD56; D2) on immunoglobuliini-sarnane valguline raku adhesioonimolekul, mida ekspresseeritakse peaaegu kõigis kudedes. Kõige enam leidub NCAM-i kesk- ja piirdenärvisüsteemi neuronitel ning gliiarakkudel. Sarnaselt teiste adhesioonimolekulidega asub NCAM raku pinnal, olles vajalik rakkude ning raku ja rakuvälise maatriksi vahelises raku adhesioonis, mis on aluseks kudede moodustumisele ja talitlusele. Adhesioon tähistab molekulide üksteise külge kinnijäämist. NCAM-i molekulil üksinda pole katalüütilist aktiivsust, mis käivitaks rakusisese signalisatsiooni. Tema toimemehhanismi avaldumiseks on vajalik seondumine teiste rakusiseste ja -väliste molekulidega, mis omakorda käivitavad erinevaid signaaliradu. NCAM on immunoglobuliini superperekonda kuuluv glükoproteiin, mida transkribeeritakse geenilt NCAM1. Esmase mRNA transkripti moodustavad 20 suuremat eksonit, mis inimesel asuvad 11. kromosoomil . Esmasest transkriptist moodustub alternatiivse splaissimise teel vähemalt 27 erinevat valgu isovormi. . Kolm põhilist NCAM-i isovormi on nimetatud nende ligikaudse molekulmassi järgi ning isovormide erinevused seisnevad vaid nende rakumembraani läbivas ja tsütoplasmaatilises domeenis: NCAM-180kDa (NCAM-A) NCAM-140kDa (NCAM-B) NCAM-120kDa (NCAM-C) NCAM-180 on transmembraanne ehk membraani läbiv valk, mille moodustavad eksonid 1–19. Seda ekspresseeritakse eelkõige neuronite postsünaptilisel poolel. NCAM-140 on samuti transmembraanne ning erineb NCAM-180-st vaid 18. eksoni juures, olles lühema tsütoplasmaatilise domeeniga. Teda leidub nii neuronitel kui gliiarakkudel. NCAM-120 on glükosüülfosfatidüülinositooli ankruga (GPI) membraanile kinnituv molekul, mis moodustub eksonitest 0–15 ning mida ekspresseeritakse peamiselt gliiarakkudel. Kõigi isovormide rakuväline regioon koosneb viiest immunoglobuliini-sarnasest moodulist, mis osalevad seondumises teiste NCAM-i molekulidega, ja kahest fibronektiini tüüp III moodulist, mis on seotud neuriidi väljakasvu juhtiva signalisatsiooniga. Isovormide varieeruvust suurendab lisaeksonite kasutamine mRNA transkripti tasemel. Üheks levinuimaks lisaeksoniks on VASE (inglise keeles variable alternative splice exon), mille lisamine originaaltranskriptis 7. ja 8. eksoni vahele modifitseerib NCAM-i rakuvälist regiooni ja mis vähendab NCAM-i neuriidi väljakasvu ärgitavat aktiivsust. Võrreldes piirdenärvisüsteemiga, on täiskasvanu kesknärvisüsteemis VASE ekspressioon tunduvalt kõrgem, olles üheks kesknärvisüsteemi vähese regeneratsioonivõime põhjustajaks täiskasvanud organismis. Selle mehhanismiks on VASE võime takistada NCAM-i fibronektiini domeeni seondumist fibroblasti kasvufaktori retseptorile (FGFR). Teiseks tuntuimaks lisaeksoniks on MSD (inglise keeles muscle specific domain), mille olemasolu NCAM-is soodustab lihaskiudude moodustumiseks kriitilise tähtsusega sündmust, milleks on müoblastide ühinemine. Skeletilihastes on levinud isovormid NCAM-125, NCAM-145 ja NCAM-185. NCAM esineb ka sekreteeritud lahustuvas vormis, mis tekib siis, kui stop-koodoniga väike ekson lisatakse 12. ja 13. eksoni vahele, andes lühema membraanile mitte kinnituva NCAM-i molekuli. Lahustuva vormi saab ka NCAM-120 ensümaatilise lõikamisega GPI ankru küljest või NCAM-i molekuli rakuvälise osa proteolüütilise eemaldamisega. Funktsionaalse NCAM-i molekuli tekkel on olulised erinevad translatsioonile järgnevad modifikatsioonid, millest tähtsaimaks on glükosüleerimine. Üheks levinud kasutatavaks süsivesikuks on polüsiaalhape (PSA), mis on α2,8-sidemega seotud lineaarne siaalhappe homopolümeer. Kuni 100 polüsiaalhappe jäägi pikkust PSA homopolümeeri on leitud kõigi põhiliste NCAM-i isovormide immunoglobuliini viienda (IgV) domeeni küljest. PSA jäägi lisamine võib toimuda nii raku endoplasmaatilises retiikulumis kui Golgi kompleksis. Tugeva vees lahustumise võime tõttu moodustub PSA ümber tihe vee molekulide kiht, mis steeriliselt takistab NCAM-i molekulide homofiilset seondumist, vähendades rakkudevahelist adhesiooni. See viib omakorda nende suuremale liikuvusele oma keskkonnas. Närvisüsteemi arengus on PSA üheks rolliks võimaldada närvirakkude eellaste postmitootilist migratsiooni oma õigetele kohtadele. PSA olemasolu aitab ka signaale edasi andvatel neuriitidel ehk aksonitel kasvada ja õigesse suunda liikuda. Selleks, et arengu käigus saaks toimuda närvirakkude müeliniseerimine, on vajalik PSA avaldumise vähenemine. PSA võib toimida kui lüliti, mis reguleerib, kas NCAM vahendab adhesiooni või signalisatsiooni, ehkki selle mõju ei ole unimodaalne. PSA jäägi eemaldab NCAM-ilt endosialidaas-N. PSA ekspressioon on kõrge organismi varajases arengus, kus PSA-NCAM-i nimetatakse embrüonaalseks NCAM-i vormiks. PSA-NCAM-i välja vahetamine mitte-polüsialüleeritud NCAM-i ehk NCAM-i täiskasvanud vormi vastu toimub vahetult pärast sündi. PSA-NCAM-i leidub edaspidi vaid üksikutes plastilistes aju piirkondades nagu näiteks hipokampuses, mandeltuumas ja neokorteksis, mis on seotud mälestuste tekkimise ja õppimisega. Loomkatsetega on näidatud, et erinevad PSA-NCAM-i tasemed mõjutavad loomade võimet õppida, kuid õppimise protsess ise mõjutab samuti PSA ekspressiooni. Kõik NCAM-i isovormid saavad vahendada homofiilset seondumist, mis tähendab samade molekulide interaktsiooni ehk NCAM-i seondumist NCAM-iga. Homofiilne seondumine jaguneb cis-interaktsiooniks, kus omavahel seonduvad sama raku molekulid, ning trans-interaktsiooniks, mis toimub eri rakkude vahel. Trans-interaktsiooni eelduseks on seonduvate NCAM-i molekulide eelnev cis-interaktsioon oma raku teiste NCAM-i molekulidega. Levinuima mudeli kohaselt moodustuvad cis-dimeerid ühe molekuli esimese immunoglobuliini domeeni (IgI) ja teise molekuli teise immunoglobuliini domeeni (IgII) vahel. Trans-interaktsiooni võimalusi on kahte tüüpi. Esimese variandi kohaselt seonduvad mõlema molekuli IgII ja IgIII domeenid antiparalleelselt. Teise variandi järgi toimuvad interaktsioonid ühe molekuli IgI-IgIII ja teise molekuli IgII-IgII vahel. Kahe tüübi kombineerimine annab kahemõõtmelise tõmbluku sarnase mustri. NCAM seondub heterofiilselt paljude erinevate molekulidega, milleks võivad olla teised raku adhesioonimolekulid, ATP, priooni valk, kasvufaktorite retseptorid, glutamaadi retseptorid ja mitmed ekstratsellulaarse maatriksi ehk rakuvälise keskkonna molekulid. Näiteks NCAM-i seondumine fibroblasti kasvufaktori retseptorile indutseerib neuriitide väljakasvu. NCAM seondub ka gliia neurotroofse faktori ligandide retseptoritega, mille mõjul väheneb raku adhesioon ning ärgitatakse Schwanni rakkude migratsiooni ja neuriitide kasvu hipokampuses ja kortikaalsetes neuronites. Transgeensetel hiirtel, kellel puuduvad kõik peamised NCAM-i isovormid, on vaid väikesed defektid aju arengus ning käitumises, mis viitab alternatiivsele NCAM-i rolli kompenseerivale mehhanismile embrüonaaleas. Loomadel, kellel eemaldati PSA jääki NCAM-ile lisav mehhanism, olid aga tunduvalt raskemad defektid, mida suutis kompenseerida NCAM-i geeni deletsioon. See katse demonstreeris, et raskeid defekte põhjustas NCAM-i üleliigne adhesioon ilma PSA jäägita. Aju plastilisusel on oluline roll käitumises ja mälestuste tekkel, mille häireid on seostatud paljude psühhiaatriliste ja neuroloogiliste patoloogiatega. Aju plastilisuse põhimehhanismiks on sünaptiline plastilisus, milles omab olulist rolli ka NCAM. NCAM-i signalisatsiooni kahjustused on seotud mitmete psühhiaatriliste häiretega nagu skisofreenia, Alzheimeri tõbi ja depressioon. Alzheimeriga patsientidel on täheldatud PSA-NCAM-i ekspressiooni kasvu, mis võib tuleneda aju püüdest oma struktuuri ja funktsiooni päästa, kuid tegemist võib olla ka haiguse enda efektiga. Skisofreenia patsientide hipokampustes on PSA-NCAM-i tase aga vähenenud. Jämesoole kartsinoomi, kõhunäärmevähi ja astrotsütoomi korral on NCAM-i ekspressioon vähenenud ning selle langus korreleerub üha väiksema ellujäämistõenäosusega. Neuroblastoomi ja teatud neuroendokriinsete kasvajate progressioon ühtib aga NCAM-i ekspressiooni tõusuga. PSA-NCAM re-ekspresseerub pärast embrüonaaliga organismis mitmete pahaloomuliste kasvajate korral nagu Wilmsi tuumor, neuroblastoom, kopsuvähk ja rabdomüosarkoom. Neis kasvajates võimendab PSA jääk tuumori metastaatilist levikut. NCAM-i on immunohistokeemias võimalik kasutada teatud kasvajate tuvastamisel. Eestis uuritakse neuraalset raku adhesioonimolekuli Tartu Ülikooli arstiteaduskonna farmakoloogia instituudis. Lenne-Triin Heidmets. "The effects of neurotoxins on brain plasticity: focus on Neural Cell Adhesion Molecule", Tartu: Tartu Ülikooli Kirjastus, 2008, ISBN 978-9949-11-927-1 inglise keeles]. Reyes AA, Small SJ, Akeson R. (1991). "At least 27 alternatively spliced forms of the neural cell adhesion molecule mRNA are expressed during rat heart development". Mol Cell Biol. 11 (3): 1654–61. PMC 369464. PMID 1996115.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Doherty P., Moolenaar Ashton C. E. C. K., Michalides R. J. A. M., Walsh F. S. (1992). "The VASE exon downregulates the neurite growth-promoting activity of NCAM 140". Nature. 356: 791–793. DOI:10.1038/356791a0.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Saffell J. L., Walsh F. S., Doherty P. (1994). "Expression of NCAM containing VASE in neurons can account for a developmental loss in their neurite outgrowth response to NCAM in a cellular substratum". The Journal of Cell Biology. 125 (2): 427–436. DOI:10.1083/jcb.125.2.427.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Suzuki M, Angata K, Nakayama J, Fukuda M. (2003). "Polysialic acid and mucin type o-glycans on the neural cell adhesion molecule differentially regulate myoblast fusion". J Biol Chem. 278 (49): 49459–68. DOI:10.1074/jbc.M308316200. PMID 13679364.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Monika Jürgenson. "A complex phenotype in mice with partial or complete deficiency of the NCAM protein", Tartu: Tartu Ülikooli Kirjastus, 2012, ISBN 978-9949-31-108-7 inglise keeles] Jensen M, Berthold F. (2007). "Targeting the neural cell adhesion molecule in cancer". Cancer Lett. 258 (1): 9–21. DOI:10.1016/j.canlet.2007.09.004. PMID 17949897.