Нейроны общаются друг с другом через соединения, называемые синапсами. Когда ионы кальция перемещаются в «активные зоны», заполненные пузырьками, содержащими химические сообщения, они начинают «общаться». Везикулы «сливаются» с наружными мембранами пресинаптических нейронов благодаря электрически заряженному кальцию, высвобождая свой коммуникационный химический груз в постсинаптическую клетку.
Новое исследование Института обучения и памяти Пикауэра в MIT показывает, как нейроны создают и поддерживают эту жизненно важную инфраструктуру.
Кальциевые каналы являются важной частью механизма на пресинаптической стороне, который преобразует электрические сигналы в химическую синаптическую передачу, поскольку они являются основной детерминантой притока кальция, который затем вызывает слияние пузырьков. Однако как они накапливаются в активных зонах, было неясно.
Это новое исследование дает представление о том, как активные зоны накапливаются и регулируют количество кальциевых каналов.
Трой Литтлтон, старший автор нового исследования и профессор неврологии факультетов биологии, мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института, сказал: «Известно, что модуляция функции пресинаптических кальциевых каналов имеет значительные клинические эффекты. Понимание того, как регулируются эти каналы, очень важно».
Необходимы ли кальциевые каналы для развития активных зон?
Ученые хотели определить ответ на этот вопрос у личинок. Следует отметить, что ген кальциевого канала мух (называемый «какофонией» или Cac) настолько важен, что они не могут жить без него.
Вместо того, чтобы уничтожить Cac у всей мухи, ученые применили технику, позволяющую уничтожить Cac всего в одной популяции. нейроны. Тем самым они продемонстрировали, что активные зоны регулярно развиваются даже без Cac.
Они также использовали другой метод, который искусственно продлевает личиночную стадию мухи. Они обнаружили, что в течение дополнительного времени активная зона будет продолжать наращивать свою структуру с помощью белка, называемого BRP, но накопление Cac прекращается по истечении обычных шести дней.
Также было обнаружено, что умеренное увеличение или уменьшение запаса доступного Cac в нейроне не влияет на то, сколько Cac оказывается в каждой активной зоне. К своему удивлению, они обнаружили, что, хотя количество Cac увеличивалось с размером каждой активной зоны, оно почти не менялось, если они значительно уменьшали BRP в активной зоне. Фактически, нейрон, по-видимому, установил постоянный предел количества Cac, присутствующего в каждой активной зоне.
Постдоктор Массачусетского технологического института Карен Каннингем сказала: «Выяснилось, что у нейрона были очень разные правила для структурных белков в активной зоне, таких как BRP, которые продолжали накапливаться с течением времени, по сравнению с кальциевыми каналами, которые жестко регулировались и количество которых ограничивалось».
Помимо предложения Cac или изменений в BRP, другие факторы также должны столь жестко регулировать уровни Cac. Они обратились к alpha2delta.
Генетически манипулируя выражением его количества, ученые обнаружили, что уровни альфа2дельта напрямую определяют, сколько Cac накапливается в активных зонах. Дальнейшие эксперименты также показали, что общее снабжение Cac нейрона отслеживает способность alpha2delta поддерживать уровни Cac.
Это предполагает, что вместо того, чтобы контролировать количество Cac в активных зонах путем его стабилизации, alpha2delta, вероятно, функционировала выше по течению во время переноса Cac, чтобы поставлять и пополнять запасы Cac в активные зоны.
Используя два разных метода, они наблюдали за этим пополнением запасов. Они также произвели измерения этого и его времени.
Каннингем выбрал момент после нескольких дней разработки, чтобы сфотографировать активные зоны и измерить количество Cac, чтобы определить ландшафт. Затем она выбелила эту флуоресценцию Cac, чтобы стереть ее. Через 24 часа она заново визуализировала флуоресценцию Cac, чтобы выделить только новые Cac, которые были доставлены в активные зоны за эти 24 часа.
Она заметила, что Cac был доставлен почти во все активные зоны в тот день. Тем не менее, этот однодневный труд был на самом деле незначительным по сравнению с накоплением за предыдущие дни. Она также увидела, что в больших активных зонах накапливается больше Cac, чем в меньших. Кроме того, в измененных моделях мух alpha2delta почти не было новых поставок Cac.
Следующей задачей было определить, с какой скоростью удаляются Cac-каналы из активных зон. Для этого ученые использовали метод окрашивания фотоконвертируемым белком Maple, помеченным белком Cac. Это позволяло им менять цвет вспышкой света в выбранное ею время.
Это показывает, сколько Cac накопилось за определенное время (показано зеленым), а затем мигает свет, чтобы этот Cac стал красным. Через пять дней почти 30 процентов красных Cac были заменены новыми зелеными Cac. Этот оборот Cac прекратился, когда уровни доставки Cac были снижены за счет мутации альфа2-дельта или снижения биосинтеза Cac.
Каннингем сказал, «Это означает, что каждый день в активных зонах переворачивается значительное количество Cac, и этот оборот обусловлен поставкой новых Cac».
Литтлтон — сказал, «Теперь, когда правила изобилия и пополнения кальциевых каналов ясны, я хочу знать, как они различаются, когда нейроны подвергаются пластичности — например, когда новая поступающая информация требует, чтобы нейроны корректировали свою связь, чтобы увеличивать или уменьшать синаптическую связь».
«Я также стремлюсь отслеживать отдельные кальциевые каналы, поскольку они образуются в теле клетки, а затем перемещаются вниз по нервному аксону к активным зонам, и он хочет определить, какие другие гены могут влиять на изобилие Cac».
Справочник журнала:
- Карен Л. Каннингэм, Чад В. Саувола, Сара Тавана, Джей Трой Литтлтон. Регуляция количества пресинаптических каналов Ca2+ в активных зонах посредством баланса доставки и оборота. неврология, DOI: 10.7554 / eLife.78648
