Overproduction of reactive oxygen species (ROS) and oxidative cell damage are commonly associated with most brain pathologies [1, 2]. Dysregulation of redox homeostasis in the aging brain is thought to be responsible for impaired synaptic transmission and plasticity, leading to reduced neuronal computational capacity and learning and memory deficits. Studying the contribution of oxidative stress to the development of diseases, such as age-related dementia and Alzheimer’s disease, is complex due to the lack of methods for modeling isolated oxidative damage in individual cell types [3]. We introduce a chemogenetic approach utilizing D-amino acid oxidase (DAAO) from yeast to produce hydrogen peroxide intraneuronally, which is one of the most stable ROS [4]. H2O2 generation was evaluated in primary cultured neurons and acute mouse brain slices through the utilization of a genetically encoded fluorescent biosensor, HyPer7, to validate the methodology [5]. The changes in the fluorescence signal of HyPer7 after treating neurons that expressed DAAO with D-Norvaline (D-Nva), a substrate for DAAO, confirmed the targeted production of H2O2 through chemogenetics. Using electrophysiological recordings in acute brain slices, we demonstrated that intraneuronal oxidative stress induced by chemogenetics did not affect basal synaptic transmission and the probability of neurotransmitter release from presynaptic terminals. However, it diminished long-term potentiation (LTP) at the single-cell level.
Astrocytes have the ability to metabolize d-amino acids, rendering the proposed approach ineffective
Гиперпродукция активных форм кислорода и окислительное повреждение клеток сопровождают большинство патологий головного мозга [1, 2]. В настоящее время предполагается, что дисрегуляция окислительно-восстановительного гомеостаза в стареющем мозге лежит в основе нарушения синаптической передачи и пластичности, что приводит к снижению вычислительной способности нейронов и, как следствие, к дефициту обучения и памяти. Однако изучение вклада окислительного стресса в развитие заболеваний мозга, таких как возрастная деменция и болезнь Альцгеймера, затруднено из-за отсутствия подходов к моделированию изолированного окислительного повреждения отдельных типов клеток [3]. В нашей работе мы применили хемогенетический инструмент на основе оксидазы D-аминокислот из дрожжей (DAAO) для генерации внутринейрональной перекиси водорода [4]. Для валидации этого подхода мы вначале подтвердили генерацию H2O2 в нейронах, в которые доставили DAAO с помощью аденоассоциированных вирусных векторов, на первичной клеточной культуре эмбрионального мозга и на переживающих срезах головного мозга мышей с помощью генетически кодируемого флуоресцентного биосенсора HyPer7 [5]. Изменения его флуоресценции при добавлении D-норвалина, являющегося субстратом для DAAO, показали хемогенетически индуцированную продукцию H2O2 в целевых нейронах. Затем с помощью методов электрофизиологии мы показали на уровне отдельных клеток, что хемогенетически вызванный окислительный стресс не меняет базальную синаптическую передачу и вероятность высвобождения нейротрансмиттера из пресинаптических окончаний, однако снижает долговременную потенциацию (ДВП).
Так как астроциты могут метаболизировать д-аминокислоты, делая неэффективным предлагаемый подход в