Понедельник, 4 марта, 2024
ДомойБиологияУченые расшифровали механизм формирования синапсов

Ученые расшифровали механизм формирования синапсов

- Advertisement -

Исследователи добились значительных успехов в понимании формирования синапсов. Они использовали технологию CRISPR для наблюдения за развитием синаптических пузырьков и обнаружили, что синаптические компоненты имеют общий путь транспорта. Это открытие, в сочетании с открытием уникальных органелл нейронального транспорта, предлагает новое понимание функций нейронов и потенциальных терапевтических подходов к неврологическим повреждениям.

Будь то в мозге или в мышцах, синапсы присутствуют везде, где существуют нервные клетки. Синапсы, связи между нейронами, имеют основополагающее значение для процесса передачи возбуждения, который, по сути, представляет собой связь между нейронами. Как и в любом процессе коммуникации, есть отправитель и получатель: процессы нервных клеток, называемые аксонами, генерируют и передают электрические сигналы, действуя таким образом как отправители сигналов.

Синапсы — это точки контакта между окончаниями аксональных нервов (предварительныесинапс) и постсинаптические нейроны. В этих синапсах электрический импульс преобразуется в химические посланники, которые принимаются и воспринимаются постсинапсами соседнего нейрона. Посланники выделяются из специальных мембранных мешочков, называемых синаптическими пузырьками.

Помимо передачи информации, синапсы также могут хранить информацию. Хотя структура и функции синапсов сравнительно хорошо изучены, мало что известно о том, как они формируются.

Команда из Института молекулярной фармакологии Лейбница (FMP) в Берлине теперь пролил значительный свет на эту тайну. Ученые из Charité-Universitätsmedizin, Центра молекулярной медицины Макса Дельбрюка (MDC) и университетов Лейпцига, Чикаго и Шеффилда также внесли свой вклад в эту замечательную работу.

Флуоресцентный белок обнаруживает развитие синаптических везикул

Чтобы проследить формирование пресинапсов с самого начала, исследователи использовали генные ножницы CRISPR для вставки флуоресцентного белка в стволовые клетки человека и генерировали нейроны из модифицированных стволовых клеток. Благодаря флуоресцентному маркеру исследователи теперь смогли наблюдать развитие зарождающихся синаптических везикул в живых развивающихся нервных клетках человека непосредственно под микроскопом.

Схематическое изображение аксональных транспортных везикул (синие), несущих пресинаптические белки (белки SV и AZ). Кинезиновые моторные белки (KIF1A) прикрепляют эти пузырьки и переносят их по аксонам к месту образования синапсов. Фото: Барт ван Россум.

Синаптические везикулы — это мембранные везикулы, которые содержат посланники и хранятся в каждом синапсе для преобразования электрических сигналов в химические сигналы. Вместе с каркасными белками, которые сообщают синаптическим пузырькам, где находится синапс, и кальциевыми каналами, химически транслирующими электрический сигнал, эти пузырьки образуют центральные элементы пресинапса.

Все три компонента имеют свои собственные гены и, следовательно, состоят из разных белковых молекул. По этой причине ранее считалось, что они также идут разными путями, чтобы в конечном итоге собраться в одном месте и сформировать функциональный синапс.

Все компоненты собираются вместе

Однако наблюдения исследователей говорят против этой гипотезы. «Белки синаптических пузырьков и белки так называемой «активной зоны», а также, вероятно, белки адгезии, удерживающие синапсы вместе, используют одну и ту же шину», — заявляет руководитель исследовательской группы профессор доктор Фолькер Хауке, описывая удивительное открытие. «Это было очень спорно. И все же наши данные о человеческих нейронах в культуре кажутся вполне ясными».

Но как именно белки попадают к месту образования синапсов? В своем исследовании ученые смогли показать, во-первых, что механизм моторных белков обеспечивает аксональный транспорт. Согласно их выводам, основным драйвером является кинезин, известный как «KIF1A». Этот моторный белок наиболее известен своей связью с неврологическими расстройствами в периферической нервной системе и головном мозге. «Мы подозреваем, что мутации в KIF1A мешают аксональному транспорту пресинаптических белков, что приводит к неврологическим симптомам, таким как двигательные расстройства, атаксия или умственная отсталость», — объясняет Фолькер Хауке. Ученый также является профессором молекулярной фармакологии в Свободном университете Берлина.

Более того, исследователям также удалось определить клеточно-биологическую идентичность аксональных носителей. Это привело к еще одному сюрпризу: хотя подавляющее большинство секреторных везикул происходят из так называемого аппарата Гольджи, аксональные транспортные везикулы не содержат маркеров Гольджи, но имеют общие маркеры с эндолизосомальной системой, которая обычно участвует в деградации дефектных белков. в ненейронных клетках. Это была новая комбинация света и электронной микроскопии высокого разрешения, которая позволила исследователям увидеть ультраструктурные пузырьки, транспортирующие аксоны, и описать их размер и форму.

Открытие транспортных органелл, существующих только в нейронах

«Наша работа предполагает, что нейроны изобрели новый вид органеллы, транспортную органеллу, которая может быть уникальной для нейронов», — объяснил доктор Сила Ризалар, научный сотрудник FMP и ведущий автор исследования, опубликованного в журнале. Наука. «Это было так же мало известно, как и общий транспортный путь».

Новые результаты фундаментальных исследований однажды могут быть полезны для клинического применения. В конце концов, когда точки контакта между нейронами разрушаются, будь то из-за болезни, несчастного случая или процесса старения, важно понять механизм аксонального транспорта и ключевые белки, участвующие в терапевтическом вмешательстве. «В идеале можно будет восстановить или усилить аксональный транспорт, чтобы способствовать регенерации нейронов или противодействовать старению», — отмечает Фолькер Хауке.

Хотя исследователи теперь разгадали ключевой механизм образования синапсов, многие вопросы остаются без ответа, например, как формируются недавно открытые транспортные органеллы, из чего они состоят и как они доставляют свой груз — синаптические молекулы — к месту назначения. Это также поднимает вопрос о том, возможно ли, что воспоминания на всю жизнь хранятся с использованием того же механизма аксонального транспорта, который используется для формирования синапсов. Это вопросы, на которые теперь хотят ответить Фолькер Хауке и его команда. Перспективы впечатляющие.

Ссылка: «Фосфатидилинозит-3,5-бисфосфат облегчает транспорт аксональных везикул и сборку пресинапсов» Филиз Сила Ризалар, Макс Т. Лухт, Астрид Петцольдт, Шухан Конг, Цзячен Сан, Джеймс Х. Вайнс, Нарасимха Свами Телугу, Себастьян Дике, Томас Каас , Торстен Буллманн, Кристофер Шмид, Делия Лёве, Джейсон С. Кинг, Вонхва Чо, Стефан Халлерманн, Дмитрий Пучков, Стефан Дж. Сигрист и Фолькер Хауке, 12 октября 2023 г., Наука.
DOI: 10.1126/science.adg1075.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме