Synapsen verwijzen naar de contactpunten tussen neuronen waar informatie van het ene neuron naar het andere wordt doorgegeven. Ze komen meestal voor tussen het axon van een neuron en de dendrieten van andere neuronen. Tot nu toe zijn er nooit synapsen waargenomen tussen het axon van het neuron en het primaire cilium.
Met behulp van microscopen met hoge resolutie en innovatieve hulpmiddelen hebben wetenschappers van de Janelia Research Campus van HHMI diep in de cel en trilhaartjes gekeken om de synaps te observeren. Ze ontdekten een nieuw soort synaps in de kleine haartjes op het oppervlak van neuronen. Deze specifieke synaps vertegenwoordigt een manier om te veranderen wat wordt getranscribeerd of gemaakt in de kern, wat hele programma's verandert.
Janelia Senior Group Leader David Clapham, wiens team het nieuwe onderzoek leidde, zei: “De effecten in de cel zijn niet alleen van korte duur, sommige kunnen van lange duur zijn. Het is als een nieuwe dock op een cel die express . geeft toegang tot chromatine veranderingen, wat erg belangrijk is omdat chromatine zoveel aspecten van de cel verandert.”
De ontdekking van dit nieuwe soort synaps zou wetenschappers kunnen helpen beter te begrijpen hoe celveranderingen op de lange termijn worden gecommuniceerd. De wimpers, die zich uitstrekken van de binnenkant van de cel, dicht bij de kern, naar het oppervlak, kan een snellere en meer gerichte methode bieden voor cellen om deze langetermijnveranderingen uit te voeren.
Cilia - kleine haarachtige organellen die aan het celoppervlak zijn bevestigd - spelen een essentiële rol bij de celdeling tijdens de ontwikkeling. Het blijft echter ongrijpbaar waarom andere cellen in ons lichaam, inclusief neuronen, dit haarachtige uitsteeksel ter grootte van een bacterie tot volwassenheid vasthielden.
Vanwege het feit dat deze trilharen een uitdaging waren om te zien met behulp van conventionele beeldvormingsmethoden, hebben wetenschappers ze over het algemeen over het hoofd gezien. Recentere ontwikkelingen in de beeldtechnologie hebben echter belangstelling gewekt voor deze kleine aanhangsels.
Met behulp van gerichte ionenbundel-scanning elektronenmicroscopie, of FIB-SEM, bekijken wetenschappers de trilhaartjes. Ze observeerden een verbinding, of synaps, tussen de neuronen axon en het cilium steekt uit buiten het cellichaam. Het team verwijst naar deze verbindingen als "axon-cilium" of "axo-ciliaire" synapsen vanwege hun structurele overeenkomsten met die van bekende synapsen.
Later ontwikkelden wetenschappers nieuwe biosensoren en chemische hulpmiddelen om de functie van deze nieuwe synaps te bepalen. Ze gebruikten fluorescentie-levensduurbeeldvorming (FLIM) om biochemische gebeurtenissen in de trilhaartjes beter te meten.
Shu-Hsien Sheu, een senior wetenschapper bij Janelia en de eerste auteur van de nieuwe studie, zei: “Ik heb FLIM tijdens de pandemie geleerd om een aantal technische uitdagingen aan te pakken. Het bleek een gamechanger te zijn.”
Met behulp van deze hulpmiddelen lieten wetenschappers stapsgewijs zien hoe de neurotransmitter serotonine wordt vrijgelaten uit het axon op receptoren op de cilia. Dit veroorzaakt een signaalcascade die de chromatinestructuur opent en veranderingen in genomisch materiaal in de celkern mogelijk maakt.
Sheu zei, “Functie is wat statische structuren tot leven brengt. Toen we eenmaal zeker waren van de structurele bevinding, hebben we diep ingegaan op de functionele eigenschappen ervan.”
Sheu zegt, “HHMI's door nieuwsgierigheid gedreven onderzoeksfilosofie maakte de Discovery mogelijk, wat misschien niet mogelijk was in een traditionele onderzoeksomgeving. Dit is een mooi voorbeeld van hoe we van waarnemingen ontdekkingen kunnen maken.”
Wetenschappers bekend, “Omdat de signalen die over de ciliaire synaps gaan, veranderingen in genomisch materiaal in de kern mogelijk maken, zijn ze waarschijnlijk verantwoordelijk voor veranderingen op langere termijn in neuronen dan signalen die van axonen naar dendrieten. Deze veranderingen kunnen van uren tot dagen tot jaren duren, afhankelijk van het chromatine dat voor eiwitten codeert."
Wetenschappers observeerden vooral receptoren voor serotonine. Er zijn ten minste zeven tot tien andere receptoren op de trilharen voor verschillende neurotransmitters die nu moeten worden onderzocht. Cilia op andere cellen buiten de hersenen, zoals de lever en de nieren, verdienen ook een nadere beschouwing.
Een beter begrip van de rol van deze ciliaire synapsen en receptoren zou wetenschappers kunnen helpen selectievere medicijnen te ontwikkelen. Geneesmiddelen die zich richten op serotoninetransporters worden gebruikt om depressie te behandelen, terwijl serotonine ook verband houdt met onze slaap-waakcyclus.
Journal Reference:
- Shu-Hsien Sheu, Srigokul Upadhyayula, Vincent Dupuy, et al. Een serotonerge axon-cilium synaps stuurt nucleaire signalering aan om de toegankelijkheid van chromatine te veranderen. Cel DOI: 10.1016 / j.cell.2022.07.026
