Neuroner kommunikerer med hinanden ved kryds kaldet synapser. Når calciumioner bevæger sig ind i "aktive zoner", som er befolket med vesikler, der indeholder kemiske beskeder, begynder de at "kommunikere". Vesikler "fusionerer" til de præsynaptiske neuroners ydre membraner på grund af det elektrisk ladede calcium, og frigiver deres kommunikationskemiske last til den postsynaptiske celle.
En ny undersøgelse fra Picower Institute for Learning and Memory kl MIT afslører, hvordan neuroner opretter og opretholder denne vitale infrastruktur.
Calciumkanaler er en afgørende del af motoren på den præsynaptiske side, der omdanner elektriske signaler til kemisk synaptisk transmission, da de er den primære determinant for calciumtilstrømning, som derefter forårsager vesikelfusion. Det var dog uklart, hvordan de akkumuleres i aktive zoner.
Denne nye undersøgelse giver fingerpeg om, hvordan aktive zoner akkumulerer og regulerer overfloden af calciumkanaler.
Troy Littleton, en seniorforfatter af den nye undersøgelse og Menicon-professor i neurovidenskab i MIT's afdelinger for biologi og hjerne- og kognitiv videnskab, sagde: "Modulation af funktionen af præsynaptiske calciumkanaler er kendt for at have betydelige kliniske effekter. Det er vigtigt at forstå grundlinjen for, hvordan disse kanaler reguleres."
Er calciumkanaler afgørende for, at aktive zoner kan udvikle sig?
Forskere ønskede at bestemme svaret på dette spørgsmål i larver. Det skal bemærkes, at flue-calciumkanalgenet (kaldet "kakofoni" eller Cac) er så vigtigt, at de ikke kan leve uden det.
I stedet for at slå Cac ud på tværs af hele fluen, brugte forskerne en teknik til at eliminere Cac i kun én population af neuroner. De demonstrerede, at aktive zoner regelmæssigt udvikler sig selv uden Cac ved at gøre dette.
De brugte også en anden teknik, der kunstigt forlænger fluens larvestadium. De fandt ud af, at givet ekstra tid vil den aktive zone fortsætte med at opbygge sin struktur med et protein kaldet BRP, men Cac-akkumulering ophører efter de normale seks dage.
Det blev også fundet, at moderate stigninger eller fald i forsyningen af tilgængelig Cac i neuronet ikke påvirkede, hvor meget Cac endte i hver aktiv zone. Til deres overraskelse fandt de ud af, at selvom antallet af Cac skaleres med størrelsen af hver aktiv zone, ændrede det sig næsten ikke, hvis de reducerede BRP'en i den aktive zone betydeligt. Faktisk så neuronen ud til at etablere et konstant loft over mængden af Cac til stede for hver aktiv zone.
MIT postdoc Karen Cunningham sagde, "Det var afslørende, at neuronen havde meget forskellige regler for de strukturelle proteiner i den aktive zone som BRP, der fortsatte med at akkumulere over tid, i forhold til calciumkanalen, der var stramt reguleret og havde sin overflod begrænset."
Udover Cac-forsyning eller ændringer i BRP, skal andre faktorer også regulere Cac-niveauerne så stramt. De vendte sig til alpha2delta.
Ved genetisk at manipulere ekspressionen af dens mængde fandt forskerne ud af, at alpha2delta-niveauer direkte bestemte, hvor meget Cac akkumulerede i aktive zoner. Yderligere eksperimenter afslørede også, at neurons samlede Cac-forsyning overvåger alpha2delta's evne til at opretholde Cac-niveauer.
Det antyder, at i stedet for at kontrollere Cac-mængden i aktive zoner ved at stabilisere den, fungerede alpha2delta sandsynligvis opstrøms, under Cac-handel, for at levere og genforsyne Cac til aktive zoner.
Ved at bruge to forskellige teknikker observerede de denne genforsyning. De genererede også målinger af det og dets timing.
Cunningham valgte et øjeblik efter et par dages udvikling at afbilde aktive zoner og målte Cac-overflod for at fastslå landskabet. Så blegede hun den Cac-fluorescens ud for at slette den. Efter 24 timer visualiserede hun Cac-fluorescens på ny for kun at fremhæve den nye Cac, der blev leveret til aktive zoner i løbet af de 24 timer.
Hun observerede, at Cac blev leveret gennem næsten alle aktive zoner den dag. Alligevel var den ene dags arbejde i virkeligheden ubetydelig i forhold til ophobningen fra tidligere dage. Hun så også, at større aktive zoner akkumulerede mere Cac end mindre. Derudover var der næppe nogen ny Cac-levering i de ændrede alpha2delta-fluemodeller.
Den næste opgave var at bestemme, i hvilket tempo Cac-kanaler fjernes fra aktive zoner. For at gøre det brugte videnskabsmænd en farvningsteknik med et fotokonverterbart protein kaldet Maple mærket til Cac-proteinet. Dette gjorde det muligt for dem at ændre farven med et lysglimt på hendes valgte tidspunkt.
Hvis du gør det, vises det, hvor meget Cac der er akkumuleret på et bestemt tidspunkt (vist med grønt), og derefter blinker lyset for at gøre Cac'en rød. Efter fem dage var næsten 30 procent af de røde Cac blevet erstattet med nye grønne Cac. Denne Cac-omsætning stoppede, da Cac-leveringsniveauerne blev reduceret ved at mutere alpha2 delta eller reducere Cac-biosyntesen.
Cunningham sagde, "Det betyder, at en betydelig mængde Cac omsættes hver dag i aktive zoner, og at omsætningen er foranlediget af ny Cac-levering."
Littleton sagde, "Nu hvor reglerne for calciumkanaloverflod og genopfyldning er klare, vil jeg gerne vide, hvordan de adskiller sig, når neuroner gennemgår plasticitet - for eksempel når ny indkommende information kræver, at neuroner justerer deres kommunikation for at skalere op eller ned synaptisk kommunikation."
"Jeg er også ivrig efter at spore individuelle calciumkanaler, som de laves i cellekroppen og derefter bevæge mig ned i neurale axon til de aktive zoner, og han ønsker at bestemme, hvilke andre gener der kan påvirke Cac-overflod."
Journal Reference:
- Karen L Cunningham, Chad W Sauvola, Sara Tavana, J Troy Littleton. Regulering af præsynaptisk Ca2+-kanaloverflod i aktive zoner gennem en balance mellem levering og omsætning. Neuroscience. DOI: 10.7554 / eLife.78648
