Neuronen communiceren met elkaar op kruispunten die synapsen worden genoemd. Wanneer calciumionen zich in ‘actieve zones’ verplaatsen, die zijn bevolkt met blaasjes die chemische boodschappen bevatten, beginnen ze te ‘communiceren’. Blaasjes “fuseren” met de buitenste membranen van de presynaptische neuronen als gevolg van het elektrisch geladen calcium, waardoor hun chemische communicatielading wordt vrijgegeven aan de postsynaptische cel.
Dat blijkt uit een nieuwe studie van het Picower Institute for Learning and Memory MIT onthult hoe neuronen deze vitale infrastructuur opzetten en onderhouden.
Calciumkanalen zijn een cruciaal onderdeel van de motor aan de presynaptische kant die elektrische signalen omzet in chemische synaptische transmissie, aangezien ze de belangrijkste bepalende factor zijn voor de calciuminstroom, die vervolgens blaasjesfusie veroorzaakt. Hoe ze zich ophopen in actieve zones was echter onduidelijk.
Deze nieuwe studie biedt aanwijzingen over hoe actieve zones zich ophopen en de overvloed aan calciumkanalen reguleren.
Troy Littleton, een senior auteur van de nieuwe studie en Menicon Professor of Neuroscience bij de afdelingen Biologie en Hersen- en Cognitieve Wetenschappen van het MIT, zei: “Het is bekend dat modulatie van de functie van presynaptische calciumkanalen significante klinische effecten heeft. Het is belangrijk om te begrijpen hoe deze kanalen worden gereguleerd.”
Zijn calciumkanalen essentieel voor de ontwikkeling van actieve zones?
Wetenschappers wilden het antwoord op deze vraag in larven bepalen. Opgemerkt moet worden dat het calciumkanaalgen van de vlieg (‘kakofonie’ of Cac genoemd) zo belangrijk is dat ze niet zonder kunnen.
In plaats van Cac over de hele vlieg uit te schakelen, gebruikten wetenschappers een techniek om Cac in slechts één populatie te elimineren neuronen. Ze toonden aan dat actieve zones zich regelmatig ontwikkelen, zelfs zonder Cac, door dit te doen.
Ze gebruikten ook een andere techniek die het larvale stadium van de vlieg kunstmatig verlengt. Ze ontdekten dat de actieve zone, gegeven extra tijd, zijn structuur zal blijven opbouwen met een eiwit genaamd BRP, maar de accumulatie van Cac stopt na de normale zes dagen.
Er werd ook ontdekt dat gematigde stijgingen of dalingen in de toevoer van beschikbare Cac in het neuron geen invloed hadden op de hoeveelheid Cac die in elke actieve zone terechtkwam. Tot hun verbazing ontdekten ze dat, hoewel het aantal Cac schaalde met de grootte van elke actieve zone, dit nauwelijks veranderde als ze de BRP in de actieve zone aanzienlijk verlaagden. In feite leek het neuron een constante limiet in te stellen voor de hoeveelheid Cac die aanwezig was voor elke actieve zone.
MIT-postdoc Karen Cunningham zei: “Het was onthullend dat het neuron heel andere regels had voor de structurele eiwitten in de actieve zone, zoals BRP, die zich in de loop van de tijd bleven ophopen, versus het calciumkanaal dat strak gereguleerd was en waarvan de hoeveelheid beperkt was.”
Naast Cac-aanbod of veranderingen in BRP, moeten ook andere factoren de Cac-niveaus zo strak reguleren. Ze wendden zich tot alpha2delta.
Door de uitdrukking van de hoeveelheid genetisch te manipuleren, ontdekten wetenschappers dat de alfa2delta-niveaus direct bepaalden hoeveel Cac zich ophoopte in actieve zones. Verdere experimenten onthulden ook dat de algehele Cac-toevoer van het neuron het vermogen van de alpha2delta om Cac-niveaus op peil te houden bewaakt.
Het suggereert dat in plaats van de Cac-hoeveelheid in actieve zones te beheersen door deze te stabiliseren, alpha2delta waarschijnlijk stroomopwaarts functioneerde, tijdens de Cac-handel, om Cac aan actieve zones te leveren en te herbevoorraden.
Met behulp van twee verschillende technieken observeerden ze deze heraanvoer. Ze genereerden ook metingen ervan en de timing ervan.
Cunningham koos een moment na een paar dagen ontwikkeling om actieve zones in beeld te brengen en de hoeveelheid Cac te meten om het landschap vast te stellen. Vervolgens bleekte ze de Cac-fluorescentie uit om het te wissen. Na 24 uur visualiseerde ze de Cac-fluorescentie opnieuw om alleen de nieuwe Cac te benadrukken die gedurende die 24 uur aan actieve zones was afgeleverd.
Ze merkte op dat Cac die dag in bijna alle actieve zones werd afgeleverd. Toch was die ene dag werk in feite onbeduidend vergeleken met de accumulatie van vroeger. Ze zag ook dat grotere actieve zones meer Cac verzamelden dan kleinere. Bovendien was er nauwelijks sprake van nieuwe Cac-levering in de gewijzigde alpha2delta-vliegmodellen.
De volgende taak was om te bepalen in welk tempo Cac-kanalen uit actieve zones worden verwijderd. Om dit te doen, gebruikten wetenschappers een kleurtechniek met een fotoconverteerbaar eiwit genaamd Maple, getagd met het Cac-eiwit. Hierdoor konden ze de kleur veranderen met een lichtflits op het door haar gekozen tijdstip.
Als je dit doet, kun je zien hoeveel Cac er in een bepaalde tijd is verzameld (groen weergegeven) en vervolgens knippert het lampje om die Cac rood te maken. Na vijf dagen was bijna 30 procent van de rode Cac vervangen door nieuwe groene Cac. Deze Cac-omzet stopte toen de Cac-afgifteniveaus werden verlaagd door de alfa2-delta te muteren of de Cac-biosynthese te verminderen.
Cunningham zei: “Dat betekent dat er op actieve zones elke dag een flinke hoeveelheid Cac wordt omgezet en dat de omzet wordt bepaald door nieuwe Cac-leveringen.”
Littleton zei, "Nu de regels voor de overvloed en aanvulling van calciumkanalen duidelijk zijn, wil ik weten hoe ze verschillen wanneer neuronen plasticiteit ondergaan - bijvoorbeeld wanneer nieuwe binnenkomende informatie vereist dat neuronen hun communicatie aanpassen om de synaptische communicatie op of af te schalen."
"Ik wil ook graag individuele calciumkanalen volgen zoals ze in het cellichaam worden gemaakt en vervolgens door het neurale axon naar de actieve zones gaan, en hij wil bepalen welke andere genen de overvloed aan Cac kunnen beïnvloeden."
Journal Reference:
- Karen L Cunningham, Tsjaad W Sauvola, Sara Tavana, J Troy Littleton. Regulatie van de overvloed aan presynaptische Ca2+-kanalen in actieve zones door een evenwicht tussen levering en omzet. Neurowetenschap leerprogramma DOI: 10.7554 / eLife.78648
