Neurony komunikują się ze sobą w połączeniach zwanych synapsami. Kiedy jony wapnia przemieszczają się do „stref aktywnych”, które są wypełnione pęcherzykami zawierającymi informacje chemiczne, zaczynają „komunikować się”. Pęcherzyki „łączą się” z zewnętrznymi błonami neuronów presynaptycznych pod wpływem naładowanego elektrycznie wapnia, uwalniając swój komunikacyjny ładunek chemiczny do komórki postsynaptycznej.
Nowe badanie przeprowadzone przez Picower Institute for Learning and Memory przy ul MIT ujawnia, w jaki sposób neurony tworzą i utrzymują tę niezbędną infrastrukturę.
Kanały wapniowe są kluczową częścią silnika po stronie presynaptycznej, która przekształca sygnały elektryczne w chemiczną transmisję synaptyczną, ponieważ są głównym czynnikiem determinującym napływ wapnia, który następnie powoduje fuzję pęcherzyków. Nie było jednak jasne, w jaki sposób gromadzą się w strefach aktywnych.
To nowe badanie dostarcza wskazówek na temat gromadzenia się stref aktywnych i regulowania obfitości kanałów wapniowych.
Troy Littleton, starszy autor nowego badania i profesor neurologii w Menicon na wydziałach biologii oraz nauk o mózgu i kognitywistyce MIT, powiedział: „Wiadomo, że modulacja funkcji presynaptycznych kanałów wapniowych ma znaczące skutki kliniczne. Ważne jest zrozumienie podstawowych zasad regulacji tych kanałów”.
Czy kanały wapniowe są niezbędne do rozwoju stref aktywnych?
Naukowcy chcieli znaleźć odpowiedź na to pytanie u larw. Należy zauważyć, że gen kanału wapniowego much (zwany „kakofonią” lub Cac) jest tak ważny, że nie mogą bez niego żyć.
Zamiast eliminować Cac w całej rozkwicie, naukowcy zastosowali technikę eliminującą Cac tylko w jednej populacji neurony. W ten sposób wykazali, że aktywne strefy regularnie rozwijają się nawet bez Cac.
Zastosowali także inną technikę, która sztucznie przedłuża stadium larwalne muchy. Odkryli, że po dodatkowym czasie strefa aktywna będzie nadal budować swoją strukturę za pomocą białka zwanego BRP, ale akumulacja Cac ustaje po normalnych sześciu dniach.
Stwierdzono również, że umiarkowane wzrosty lub spadki podaży dostępnego Cac w neuronie nie wpływają na to, ile Cac trafiło do każdej aktywnej strefy. Ku ich zaskoczeniu odkryli, że chociaż liczba Cac zwiększała się wraz z rozmiarem każdej aktywnej strefy, prawie się nie zmieniała, jeśli znacznie zmniejszono BRP w aktywnej strefie. W rzeczywistości wydawało się, że neuron ustala stały limit ilości Cac obecnego w każdej strefie aktywnej.
Doktor postdoc z MIT Karen Cunningham powiedziała: „Odkryło, że neuron ma bardzo odmienne zasady dotyczące białek strukturalnych w strefie aktywnej, takich jak BRP, które z biegiem czasu akumulują się, w porównaniu z kanałem wapniowym, który jest ściśle regulowany i którego liczebność jest ograniczona”.
Oprócz podaży Cac lub zmian w BRP, inne czynniki muszą również tak ściśle regulować poziom Cac. Zwrócili się w stronę alfa2delta.
Genetycznie manipulując wyrażaniem jego ilości, naukowcy odkryli, że poziomy alfa2delta bezpośrednio determinują ilość Cac zgromadzoną w strefach aktywnych. Dalsze eksperymenty ujawniły również, że całkowite zaopatrzenie neuronu w Cac monitoruje zdolność alfa2delta do utrzymywania poziomów Cac.
Sugeruje to, że zamiast kontrolować ilość Cac w aktywnych strefach poprzez jej stabilizację, alfa2delta prawdopodobnie działała w górę rzeki, podczas handlu Cac, dostarczając i ponownie zaopatrując Cac w aktywnych strefach.
Korzystając z dwóch różnych technik, zaobserwowali to uzupełnienie. Wygenerowali także pomiary tego zjawiska i jego synchronizacji.
Cunningham wybrał moment po kilku dniach prac rozwojowych na zobrazowanie aktywnych stref i zmierzenie liczebności Cac w celu ustalenia krajobrazu. Następnie wybieliła fluorescencję Caca, aby ją usunąć. Po 24 godzinach ponownie zwizualizowała fluorescencję Cac, aby podkreślić tylko nowy Cac, który został dostarczony do stref aktywnych w ciągu tych 24 godzin.
Zaobserwowała, że tego dnia Cac został dostarczony w prawie wszystkich aktywnych strefach. Jednak ten jeden dzień pracy był w istocie niczym w porównaniu z nagromadzeniem z dni wcześniejszych. Zauważyła także, że większe strefy aktywne zgromadziły więcej Cac niż mniejsze. Dodatkowo, w zmienionych modelach much alpha2delta nie było prawie żadnej nowej dostawy Cac.
Kolejnym zadaniem było określenie, w jakim tempie kanały Cac są usuwane z aktywnych stref. W tym celu naukowcy zastosowali technikę barwienia, w której fotokonwertowalne białko o nazwie Maple zostało przyłączone do białka Cac. Dzięki temu mogły zmieniać kolor za pomocą błysku światła w wybranym przez nią momencie.
Spowoduje to wyświetlenie ilości Cac zgromadzonej w określonym czasie (pokazanej na zielono), a następnie miganie światła powoduje zmianę koloru Cac na czerwony. Po pięciu dniach prawie 30 procent czerwonego Cac zostało zastąpione nowym, zielonym Cac. Ten obrót Cac zatrzymał się, gdy poziomy dostarczania Cac zostały zmniejszone przez mutację alfa2 delta lub zmniejszenie biosyntezy Cac.
Cunningham powiedział, „Oznacza to, że każdego dnia w aktywnych strefach obracana jest znaczna ilość Cac i że obrót wynika z nowych dostaw Cac”.
Littleton powiedziany, „Teraz, gdy zasady dotyczące obfitości i uzupełniania kanałów wapniowych są jasne, chcę wiedzieć, czym się różnią, gdy neurony ulegają plastyczności — na przykład gdy nowe przychodzące informacje wymagają od neuronów dostosowania komunikacji w celu skalowania komunikacji synaptycznej w górę lub w dół”.
„Chcę także śledzić poszczególne kanały wapniowe powstające w ciele komórki, a następnie przemieszczać się w dół aksonu nerwowego do stref aktywnych, a on chce określić, jakie inne geny mogą wpływać na liczebność Cac”.
Referencje czasopisma:
- Karen L. Cunningham, Chad W. Sauvola, Sara Tavana, J. Troy Littleton. Regulacja obfitości presynaptycznego kanału Ca2+ w strefach aktywnych poprzez równowagę dostaw i obrotu. Neuroscience, DOI: 10.7554 / eLife.78648
