Synapser refererer til kontaktpunktene mellom nevroner der informasjon overføres fra en nevron til den neste. De forekommer vanligvis mellom aksonet til en nevron og dendrittene til andre nevroner. Inntil nå ble synapser aldri observert mellom nevronets akson og det primære cilium.
Ved å bruke høyoppløselige mikroskoper og innovative verktøy, har forskere ved HHMIs Janelia Research Campus kikke dypt inn i cellen og flimmerhårene for å observere synapsen. De oppdaget en ny type synapse i de små hårene på overflaten av nevroner. Denne spesielle synapsen representerer en måte å endre det som blir transkribert eller laget i kjernen, som endrer hele programmer.
Janelia Seniorgruppeleder David Clapham, hvis team ledet den nye forskningen, sa: "Effektene i cellen er ikke bare kortsiktige, noen kan være langsiktige. Det er som en ny dokk på en celle som gir ekspress tilgang til kromatin endringer, noe som er veldig viktig fordi kromatin endrer så mange aspekter av cellen."
Oppdagelsen av denne nye typen synapse kan hjelpe forskere bedre å forstå hvordan langsiktige celleforandringer kommuniseres. De flimmerhår, som strekker seg fra innsiden av cellen, nær kjernen, til overflaten, kan tilby en raskere og mer fokusert metode for cellene å utføre disse langsiktige endringene.
Cilia - små hårlignende organeller festet til celleoverflaten - spiller en viktig rolle i celledeling under utvikling. Imidlertid er det fortsatt unnvikende hvorfor andre celler i kroppen vår, inkludert nevroner, beholdt dette hårlignende, bakteriestore fremspringet inn i modenhet.
På grunn av det faktum at disse flimmerhårene var utfordrende å se ved bruk av konvensjonelle avbildningsmetoder, har forskere generelt oversett dem. Nyere fremskritt innen bildeteknologi har imidlertid skapt interesse for disse små vedleggene.
Ved å bruke fokusert ionestråleskannende elektronmikroskopi, eller FIB-SEM, tar forskere en titt på flimmerhårene. De observerte en forbindelse, eller synapse, mellom nevronene axon og cilium som stikker utenfor cellekroppen. Teamet refererer til disse forbindelsene som "akson-cilium" eller "akso-ciliære" synapser på grunn av deres strukturelle likheter med kjente synapser.
Senere utviklet forskere nye biosensorer og kjemiske verktøy for å bestemme funksjonen til denne nye synapsen. De brukte fluorescence lifetime imaging (FLIM) for å bedre målinger av biokjemiske hendelser inne i flimmerhårene.
Shu-Hsien Sheu, seniorforsker ved Janelia og den første forfatteren av den nye studien, sa: «Jeg lærte FLIM under pandemien for å takle noen av de tekniske utfordringene. Det viste seg å være en game changer.»
Ved hjelp av disse verktøyene viste forskere trinnvis hvordan nevrotransmitteren serotonin frigjøres fra aksonet til reseptorer på flimmerhårene. Dette utløser en signalkaskade som åpner kromatinstrukturen og tillater endringer i genomisk materiale i cellens kjerne.
Sheu sa, "Funksjon er det som gjør statiske strukturer levende. Når vi var sikre på det strukturelle funnet, så vi dypt inn i dets funksjonelle egenskaper."
Sheu sier, "HHMIs nysgjerrighetsdrevne forskningsfilosofi muliggjorde Discovery, noe som kanskje ikke har vært mulig i en tradisjonell forskningssetting. Dette er et godt eksempel på hvordan vi kan gjøre observasjoner til funn.»
Forskere bemerket, "Fordi signalene som sendes over ciliærsynapsen muliggjør endringer i genomisk materiale i kjernen, er de sannsynligvis ansvarlige for langsiktige endringer i nevroner enn signaler som sendes fra aksoner til dendritter. Disse endringene kan vare fra timer til dager til år, avhengig av kromatinet som koder for proteiner."
Forskere observerte hovedsakelig reseptorer for serotonin. Det er minst syv til ti andre reseptorer på flimmerhår for forskjellige nevrotransmittere som nå må undersøkes. Cilia på andre celler utenfor hjernen, som lever og nyre, fortjener også en nærmere titt.
En bedre forståelse av rollen til disse ciliære synapser og reseptorer kan hjelpe forskere med å utvikle mer selektive medisiner. Legemidler som retter seg mot serotonintransportører brukes til å behandle depresjon, mens serotonin også er knyttet til vår søvn-våkne-syklus.
Tidsreferanse:
- Shu-Hsien Sheu, Srigokul Upadhyayula, Vincent Dupuy, et al. En serotonerg akson-cilium synapse driver kjernefysisk signalering for å endre kromatintilgjengelighet. Cell. GJØR JEG: 10.1016 / j.cell.2022.07.026
