Синапсы относятся к точкам контакта между нейронами, где информация передается от одного нейрона к другому. Они обычно возникают между аксоном одного нейрона и дендритами других нейронов. До сих пор никогда не наблюдались синапсы между аксоном нейрона и первичной ресничкой.
Используя микроскопы с высоким разрешением и инновационные инструменты, ученые из исследовательского кампуса Джанелия HHMI заглянули глубоко в клетку и реснички, чтобы наблюдать за синапсом. Они обнаружили новый вид синапсов в крошечных волосках на поверхности нейроны. Этот конкретный синапс представляет собой способ изменить то, что транскрибируется или создается в ядре, что меняет целые программы.
Старший руководитель группы Janelia Дэвид Клэпэм, чья команда провела новое исследование, сказал: «Эффекты в клетке не только краткосрочные, некоторые могут быть долгосрочными. Это как новая док-станция на ячейке, которая дает экспресс доступ к хроматину меняется, что очень важно, потому что хроматин изменяет многие аспекты клетки».
Открытие этого нового типа синапсов может помочь ученым лучше понять, как передаются долгосрочные клеточные изменения. реснички, которые простираются изнутри клетки, близко к ядру, на поверхность, могут предложить клеткам более быстрый и целенаправленный метод для осуществления этих долгосрочных изменений.
Реснички — крошечные волосовидные органеллы, прикрепленные к клеточной поверхности, — играют существенную роль в клеточном делении во время развития. Тем не менее, остается неясным, почему другие клетки в нашем организме, включая нейроны, сохраняли это волосовидное выпячивание размером с бактерию в зрелом возрасте.
Из-за того, что эти реснички было сложно увидеть с помощью обычных методов визуализации, ученые обычно не замечали их. Однако недавние достижения в области технологий визуализации вызвали интерес к этим крошечным придаткам.
Используя сканирующую электронную микроскопию с фокусированным ионным пучком, или FIB-SEM, ученые изучают реснички. Они наблюдали связь, или синапс, между нейронами. аксон и ресничка, выступающая за пределы тела клетки. Команда называет эти соединения синапсами «аксон-ресничка» или «аксо-цилиарные» из-за их структурного сходства с известными синапсами.
Позже ученые разработали новые биосенсоры и химические инструменты для определения функции этого нового синапса. Они использовали визуализацию времени жизни флуоресценции (FLIM) для более точного измерения биохимических событий внутри ресничек.
Шу-Сянь Шеу, старший научный сотрудник Janelia и первый автор нового исследования, сказал: «Я изучил FLIM во время пандемии, чтобы решить некоторые технические проблемы. Это оказалось переломным моментом».
С помощью этих инструментов ученые поэтапно показали, как нейротрансмиттер серотонин высвобождается из аксона на рецепторы ресничек. Это запускает сигнальный каскад, открывающий структуру хроматина и позволяющий изменять геномный материал в ядре клетки.
Шеу сказал, «Функция — это то, что оживляет статические конструкции. Убедившись в структурном открытии, мы глубоко изучили его функциональные свойства».
Шеу говорит, «Философия исследования HHMI, основанная на любопытстве, позволила осуществить открытие, которое, возможно, было бы невозможно в традиционной исследовательской среде. Это хороший пример того, как мы можем превратить наблюдения в открытия».
Ученые отметил,, «Поскольку сигналы, проходящие через цилиарный синапс, позволяют изменять геномный материал в ядре, они, вероятно, ответственны за более долгосрочные изменения в нейронах, чем сигналы, передаваемые от аксонов к дендриты. Эти изменения могут длиться от часов до дней и лет, в зависимости от того, какой хроматин кодирует белки».
Ученые в основном наблюдали за рецепторами серотонина. На ресничках есть по крайней мере от семи до десяти других рецепторов для различных нейротрансмиттеров, которые теперь необходимо исследовать. Реснички на других клетках за пределами мозга, таких как печень и почки, также заслуживают более пристального внимания.
Лучшее понимание роли этих цилиарных синапсов и рецепторов может помочь ученым разработать более селективные лекарства. Лекарства, воздействующие на переносчики серотонина, используются для лечения депрессии, а серотонин также связан с нашим циклом сна и бодрствования.
Справочник журнала:
- Шу-Сянь Шеу, Шригокул Упадхьяюла, Винсент Дюпюи и др. Серотонинергический синапс аксона и реснички управляет передачей ядерных сигналов, чтобы изменить доступность хроматина. Ячейка, DOI: 10.1016 / j.cell.2022.07.026
