Neuronit kommunikoivat keskenään synapseiksi kutsutuissa risteyksissä. Kun kalsiumionit siirtyvät "aktiivisille vyöhykkeille", jotka ovat täynnä kemiallisia viestejä sisältäviä rakkuloita, ne alkavat "kommunikoida". Rakkulat "fuusioituvat" presynaptisten hermosolujen ulkokalvoihin sähköisesti varautuneen kalsiumin ansiosta vapauttaen viestintäkemikaalilastinsa postsynaptiseen soluun.
Picower Institute for Learning and Memory -instituutin uusi tutkimus osoitteessa MIT paljastaa, kuinka neuronit perustavat ja ylläpitävät tätä elintärkeää infrastruktuuria.
Kalsiumkanavat ovat tärkeä osa moottoria presynaptisella puolella, joka muuttaa sähköiset signaalit kemialliseksi synaptiseksi välitykseksi, koska ne ovat ensisijainen kalsiumin sisäänvirtauksen määräävä tekijä, joka sitten aiheuttaa rakkuloiden fuusion. Kuitenkin, kuinka ne kerääntyvät aktiivisille vyöhykkeille, oli epäselvää.
Tämä uusi tutkimus tarjoaa vihjeitä siitä, kuinka aktiiviset vyöhykkeet kerääntyvät ja säätelevät kalsiumkanavien runsautta.
Troy Littleton, uuden tutkimuksen vanhempi kirjoittaja ja Meniconin neurotieteen professori MIT:n biologian ja aivo- ja kognitiivisten tieteiden osastoilla, sanoi: "Presynaptisten kalsiumkanavien toiminnan modulaatiolla tiedetään olevan merkittäviä kliinisiä vaikutuksia. On tärkeää ymmärtää, miten näitä kanavia säännellään."
Ovatko kalsiumkanavat välttämättömiä aktiivisten vyöhykkeiden kehittymiselle?
Tutkijat halusivat selvittää vastauksen tähän kysymykseen toukissa. On huomattava, että kärpäsen kalsiumkanavageeni (kutsutaan "kakofoniksi" tai Cac) on niin tärkeä, että he eivät voi elää ilman sitä.
Sen sijaan, että tutkijat olisivat tyrmänneet sertin koko perhosta, tutkijat käyttivät tekniikkaa eliminoidakseen Cac vain yhdestä neuronien. He osoittivat, että aktiiviset vyöhykkeet kehittyvät säännöllisesti myös ilman serttiä tekemällä näin.
He käyttivät myös toista tekniikkaa, joka keinotekoisesti pidentää kärpäsen toukkavaihetta. He havaitsivat, että ylimääräisenä aikana aktiivinen vyöhyke jatkaa rakenteensa rakentamista BRP-nimisen proteiinin avulla, mutta Cac:n kerääntyminen lakkaa normaalin kuuden päivän jälkeen.
Havaittiin myös, että maltillinen lisäys tai väheneminen saatavilla olevan Cac:n tarjonnassa hermosolussa ei vaikuttanut siihen, kuinka paljon Cac:tä päätyi kullekin aktiiviselle alueelle. Yllätyksekseen he havaitsivat, että vaikka Cac-luku skaalautui kunkin aktiivisen vyöhykkeen koon mukaan, se tuskin muuttui, jos he vähensivät merkittävästi BRP:tä aktiivisella alueella. Itse asiassa hermosolu näytti muodostavan jatkuvan rajan Cac:n määrälle jokaisessa aktiivisessa vyöhykkeessä.
MIT:n postdoc Karen Cunningham sanoi, "Se oli paljastavaa, että hermosolulla oli hyvin erilaiset säännöt rakenteellisille proteiineille aktiivisella alueella, kuten BRP, jotka jatkoivat kertymistä ajan myötä, verrattuna kalsiumkanavaan, joka oli tiukasti säädelty ja jonka runsaus oli rajoitettu."
Sertifikaatin tai BRP-muutosten lisäksi muiden tekijöiden täytyy säädellä Cac-tasoja niin tiukasti. He kääntyivät alfa2deltaan.
Geneettisesti manipuloimalla sen määrän ilmentymistä tutkijat havaitsivat, että alfa2delta-tasot määrittelivät suoraan kuinka paljon Cac:ia kertyi aktiivisille alueille. Lisäkokeet paljastivat myös, että neuronin yleinen Cac-tarjonta tarkkailee alfa2deltan kykyä ylläpitää Cac-tasoja.
Se ehdottaa, että sen sijaan, että alpha2delta olisi kontrolloinut Cac-määrää aktiivisilla vyöhykkeillä stabiloimalla sitä, se todennäköisesti toimi ylävirtaan Cac-liikenteen aikana toimittaakseen ja uudelleentoimittaen Cac:ia aktiivisille vyöhykkeille.
Kahta eri tekniikkaa käyttäen he havaitsivat tämän täydennyksen. He myös tuottivat mittauksia siitä ja sen ajoituksesta.
Cunningham valitsi hetken muutaman päivän kehitystyön jälkeen aktiivisten vyöhykkeiden kuvaamiseen ja mittasi Cac-määrän maiseman selvittämiseksi. Sitten hän valkaisi Cac-fluoresenssin poistaakseen sen. 24 tunnin kuluttua hän visualisoi Cac-fluoresenssin uudelleen korostaakseen vain uutta Cac:ta, joka toimitettiin aktiivisille vyöhykkeille tuon 24 tunnin aikana.
Hän havaitsi, että serti toimitettiin lähes kaikille aktiivisille vyöhykkeille sinä päivänä. Silti tuo yhden päivän työ oli itse asiassa merkityksetön verrattuna aikaisempien päivien kertymiseen. Hän näki myös, että suuremmat aktiiviset vyöhykkeet keräsivät enemmän serttiä kuin pienemmät. Lisäksi uudistetuissa alpha2delta-perhomalleissa ei juurikaan ollut uutta Cac-toimitusta.
Seuraavana tehtävänä oli selvittää, millä tahdilla Cac-kanavat poistetaan aktiivisista vyöhykkeistä. Tätä varten tutkijat käyttivät värjäystekniikkaa valossa muunnetulla proteiinilla nimeltä Maple, joka oli merkitty Cac-proteiiniin. Tämä antoi heille mahdollisuuden vaihtaa väriä valon välähdyksellä hänen valitsemaansa aikaan.
Tämä näyttää kuinka paljon serttiä on kertynyt tiettyyn aikaan (näkyy vihreällä) ja vilkuttaa sitten valoa muuttaakseen sen sertin punaiseksi. Viiden päivän kuluttua lähes 30 prosenttia punaisesta sertistä oli korvattu uudella vihreällä sertillä. Tämä Cac:n vaihtuvuus pysähtyi, kun Cac:n toimitustasot vähenivät mutatoimalla alfa2-delta tai vähentämällä Cac-biosynteesiä.
Cunningham sanoi, "Tämä tarkoittaa, että merkittävä määrä sertiä käännetään joka päivä aktiivisilla vyöhykkeillä ja että liikevaihdon saa aikaan uusi sertitoimitus."
Littleton sanoi, "Nyt kun kalsiumkanavien runsauden ja täydennyksen säännöt ovat selvät, haluan tietää, miten ne eroavat hermosolujen plastisuudesta – esimerkiksi kun uusi saapuva tieto vaatii hermosolujen säätämään kommunikaatiotaan lisäämään tai vähentämään synaptista viestintää."
"Olen myös innokas seuraamaan yksittäisiä kalsiumkanavia, kun ne syntyvät solurungossa ja siirtyvät sitten alas hermoston aksonia aktiivisille vyöhykkeille, ja hän haluaa määrittää, mitkä muut geenit voivat vaikuttaa Cac-määrään."
Lehden viite:
- Karen L Cunningham, Chad W Sauvola, Sara Tavana, J Troy Littleton. Presynaptisten Ca2+-kanavien runsauden säätely aktiivisilla vyöhykkeillä toimituksen ja liikevaihdon tasapainon kautta. Neuroscience. DOI: 10.7554 / eLife.78648
