Synapsen bezeichnen die Kontaktstellen zwischen Neuronen, an denen Informationen von einem Neuron zum nächsten weitergegeben werden. Sie treten normalerweise zwischen dem Axon eines Neurons und den Dendriten anderer Neuronen auf. Bisher wurden noch nie Synapsen zwischen dem Axon des Neurons und dem primären Cilium beobachtet.
Mit hochauflösenden Mikroskopen und innovativen Werkzeugen haben Wissenschaftler des Janelia Research Campus des HHMI tief in die Zelle und die Flimmerhärchen geblickt, um die Synapse zu beobachten. Sie entdeckten eine neue Art von Synapse in den winzigen Härchen auf der Oberfläche von Neuronen. Diese spezielle Synapse stellt eine Möglichkeit dar, das zu ändern, was im Kern transkribiert oder gemacht wird, was ganze Programme verändert.
Janelia Senior Group Leader David Clapham, dessen Team die neue Forschung leitete, sagte: „Die Auswirkungen in der Zelle sind nicht nur kurzfristig, einige können langfristig sein. Es ist wie ein neues Dock auf einer Zelle, die Express gibt Zugang zu Chromatin Veränderungen, was sehr wichtig ist, weil Chromatin so viele Aspekte der Zelle verändert.“
Die Entdeckung dieser neuen Art von Synapse könnte Wissenschaftlern helfen, besser zu verstehen, wie langfristige Zellveränderungen kommuniziert werden. Das cilia, die sich vom Inneren der Zelle in der Nähe des Zellkerns bis zur Oberfläche erstrecken, bieten möglicherweise eine schnellere und gezieltere Methode für Zellen, um diese langfristigen Veränderungen durchzuführen.
Flimmerhärchen – winzige, haarähnliche Organellen, die an der Zelloberfläche befestigt sind – spielen eine wesentliche Rolle bei der Zellteilung während der Entwicklung. Es bleibt jedoch unklar, warum andere Zellen in unserem Körper, einschließlich Neuronen, diesen haarähnlichen, bakteriengroßen Vorsprung bis zur Reife beibehalten haben.
Aufgrund der Tatsache, dass diese Zilien mit herkömmlichen bildgebenden Verfahren schwer zu erkennen waren, haben Wissenschaftler sie im Allgemeinen übersehen. Neuere Fortschritte in der Bildgebungstechnologie haben jedoch Interesse an diesen winzigen Anhängseln geweckt.
Mithilfe der fokussierten Ionenstrahl-Rasterelektronenmikroskopie oder FIB-SEM werfen Wissenschaftler einen Blick auf die Flimmerhärchen. Sie beobachteten eine Verbindung oder Synapse zwischen den Neuronen Axon und das Cilium, das außerhalb des Zellkörpers hervorsteht. Das Team bezeichnet diese Verbindungen aufgrund ihrer strukturellen Ähnlichkeiten mit denen bekannter Synapsen als „Axon-Cilium“- oder „Axo-Ciliar“-Synapsen.
Später entwickelten Wissenschaftler neue Biosensoren und chemische Werkzeuge, um die Funktion dieser neuen Synapse zu bestimmen. Sie verwendeten die Fluoreszenz-Lebensdauer-Bildgebung (FLIM), um biochemische Ereignisse innerhalb der Zilien besser zu messen.
Shu-Hsien Sheu, leitender Wissenschaftler bei Janelia und Erstautor der neuen Studie, sagte: „Ich habe FLIM während der Pandemie gelernt, um einige der technischen Herausforderungen anzugehen. Es stellte sich als Game Changer heraus.“
Mit diesen Werkzeugen zeigten die Wissenschaftler schrittweise, wie der Neurotransmitter funktioniert Serotonin wird vom Axon auf Rezeptoren auf den Zilien freigesetzt. Dadurch wird eine Signalkaskade ausgelöst, die die Chromatinstruktur öffnet und Veränderungen am Erbgut im Zellkern ermöglicht.
She sagte, „Funktion ist das, was statische Strukturen lebendig werden lässt. Nachdem wir uns von dem strukturellen Befund überzeugt hatten, haben wir uns eingehend mit seinen funktionellen Eigenschaften befasst.“
Sheu sagt, „Die von Neugier getriebene Forschungsphilosophie des HHMI ermöglichte die Entdeckung, was in einem traditionellen Forschungsumfeld möglicherweise nicht möglich gewesen wäre. Dies ist ein gutes Beispiel dafür, wie wir aus Beobachtungen Entdeckungen machen können.“
Wissenschaftler bekannt, „Da die Signale, die über die Ziliar-Synapse geleitet werden, Veränderungen des Genommaterials im Zellkern ermöglichen, sind sie wahrscheinlich für längerfristige Veränderungen in Neuronen verantwortlich als Signale, die von Axonen zu geleitet werden Dendriten. Diese Veränderungen können Stunden, Tage oder Jahre dauern, je nachdem, welche Chromatin-Proteine kodieren.“
Wissenschaftler beobachteten hauptsächlich Rezeptoren für Serotonin. Auf Zilien gibt es noch mindestens sieben bis zehn weitere Rezeptoren für verschiedene Neurotransmitter, die es nun zu untersuchen gilt. Zilien auf anderen Zellen außerhalb des Gehirns, wie Leber und Niere, verdienen ebenfalls einen genaueren Blick.
Ein besseres Verständnis der Rolle dieser Ziliarsynapsen und -rezeptoren könnte Wissenschaftlern helfen, selektivere Medikamente zu entwickeln. Medikamente, die auf Serotonintransporter abzielen, werden zur Behandlung von Depressionen eingesetzt, während Serotonin auch mit unserem Schlaf-Wach-Zyklus verbunden ist.
Journal Referenz:
- Shu-Hsien Sheu, Srigokul Upadhyayula, Vincent Dupuy, et al. Eine serotonerge Axon-Cilium-Synapse treibt die nukleare Signalübertragung an, um die Zugänglichkeit von Chromatin zu verändern. Zelle. DOI: 10.1016 / j.cell.2022.07.026
