Nevroni med seboj komunicirajo na stičiščih, imenovanih sinapse. Ko se kalcijevi ioni premaknejo v »aktivna območja«, ki so poseljena z vezikli, ki vsebujejo kemična sporočila, začnejo »komunicirati«. Vezikli se »zlijejo« z zunanjimi membranami presinaptičnih nevronov zaradi električno nabitega kalcija in sprostijo svoj komunikacijski kemični tovor v postsinaptično celico.
Nova študija Picowerjevega inštituta za učenje in spomin pri MIT razkriva, kako nevroni vzpostavijo in vzdržujejo to vitalno infrastrukturo.
Kalcijevi kanali so ključni del motorja na presinaptični strani, ki transformira električne signale v kemični sinaptični prenos, saj so glavni dejavnik dotoka kalcija, ki nato povzroči fuzijo veziklov. Vendar pa ni bilo jasno, kako se kopičijo v aktivnih conah.
Ta nova študija ponuja namige o tem, kako se aktivna območja kopičijo in uravnavajo obilje kalcijevih kanalov.
Troy Littleton, višji avtor nove študije in meniconski profesor nevroznanosti na oddelkih za biologijo ter možganske in kognitivne znanosti MIT, je dejal, »Znano je, da ima modulacija delovanja presinaptičnih kalcijevih kanalčkov pomembne klinične učinke. Pomembno je razumeti izhodišče, kako so ti kanali regulirani.«
Ali so kalcijevi kanalčki bistveni za razvoj aktivnih con?
Odgovor na to vprašanje so znanstveniki želeli ugotoviti pri ličinkah. Opozoriti je treba, da je gen kalcijevega kanala muhe (imenovan »kakofonija« ali Cac) tako pomemben, da brez njega ne morejo živeti.
Namesto da bi znanstveniki izločili Cac v celotni muhi, so uporabili tehniko za odstranitev Cac v samo eni populaciji nevroni. S tem so dokazali, da se aktivne cone redno razvijajo tudi brez Cac-a.
Uporabili so tudi drugo tehniko, ki umetno podaljšuje stadij ličinke muhe. Ugotovili so, da bo po dodatnem času aktivno območje še naprej gradilo svojo strukturo z beljakovino, imenovano BRP, vendar se kopičenje Cac preneha po običajnih šestih dneh.
Ugotovljeno je bilo tudi, da zmerna povečanja ali zmanjšanja zaloge razpoložljivega Cac v nevronu niso vplivala na to, koliko Cac konča v vsakem aktivnem območju. Na svoje presenečenje so ugotovili, da čeprav se število Cac spreminja z velikostjo vsake aktivne cone, se komaj kaj spremeni, če znatno zmanjšajo BRP v aktivni coni. Pravzaprav se zdi, da nevron vzpostavlja konstantno omejitev količine Cac, ki je prisotna za vsako aktivno cono.
Postdoktorica MIT Karen Cunningham je dejala, "Razkrivalo se je, da ima nevron zelo različna pravila za strukturne beljakovine v aktivni coni, kot je BRP, ki se je sčasoma kopičila, v primerjavi s kalcijevim kanalom, ki je bil strogo reguliran in je imel omejeno številčnost."
Poleg zaloge Cac ali sprememb v BRP morajo tudi drugi dejavniki tako natančno uravnavati ravni Cac. Obrnili so se na alpha2delta.
Z genetsko manipulacijo izražanja njegove količine so znanstveniki ugotovili, da ravni alpha2delta neposredno določajo, koliko Cac se kopiči na aktivnih območjih. Nadaljnji poskusi so tudi razkrili, da celotna zaloga Cac nevrona spremlja sposobnost alpha2delta, da vzdržuje ravni Cac.
Nakazuje, da je alpha2delta, namesto da bi nadzorovala količino Cac na aktivnih območjih s stabilizacijo, verjetno delovala navzgor, med trgovanjem s Cac, za oskrbo in ponovno oskrbo s Cac aktivnih območij.
Z uporabo dveh različnih tehnik so opazovali to ponovno oskrbo. Ustvarili so tudi meritve tega in njegovega časa.
Cunningham je izbral trenutek po nekaj dneh razvoja za slikanje aktivnih con in izmeril številčnost Cac, da bi ugotovil pokrajino. Potem je pobelila tisto Cac fluorescenco, da jo je izbrisala. Po 24 urah je znova vizualizirala Cac fluorescenco, da je poudarila samo nov Cac, ki je bil dostavljen v aktivna območja v teh 24 urah.
Opazila je, da je bil Cac tisti dan dostavljen v skoraj vseh aktivnih conah. Kljub temu je bil tisti en dan dela pravzaprav nepomemben v primerjavi s kopičenjem iz prejšnjih dni. Videla je tudi, da so večje aktivne cone nabrale več Cac kot manjše. Poleg tega v spremenjenih modelih alpha2delta fly ni bilo skoraj nobene nove dostave Cac.
Naslednja naloga je bila ugotoviti, s kakšno hitrostjo se Cac kanali odstranijo iz aktivnih con. Za to so znanstveniki uporabili tehniko obarvanja s fotokonvertibilnim proteinom, imenovanim Maple, označenim s proteinom Cac. To jim je omogočilo, da spremenijo barvo z bliskom svetlobe ob njenem izbranem času.
To pokaže, koliko Cac se je nabralo do določenega časa (prikazano zeleno), nato pa lučka utripa, da se Cac obarva rdeče. Po petih dneh je bilo skoraj 30 odstotkov rdečega Caca zamenjanega z novim zelenim Cac-om. Ta menjava Cac se je ustavila, ko so se ravni dostave Cac zmanjšale z mutacijo alfa2 delta ali zmanjšanjem biosinteze Cac.
Cunningham je rekel, "To pomeni, da se znatna količina Cac vsak dan obrne na aktivnih območjih in da je promet spodbuden z novo dostavo Cac."
Littleton je dejal, "Zdaj, ko so pravila številčnosti in dopolnjevanja kalcijevih kanalov jasna, želim vedeti, kako se razlikujejo, ko so nevroni podvrženi plastičnosti - na primer, ko nove vhodne informacije zahtevajo, da nevroni prilagodijo svojo komunikacijo, da povečajo ali zmanjšajo sinaptično komunikacijo."
"Prav tako si želim slediti posameznim kalcijevim kanalom, ko so narejeni v telesu celice in se nato premaknejo navzdol po nevralnem aksonu do aktivnih con, in želi ugotoviti, kateri drugi geni lahko vplivajo na številčnost Cac."
Referenca dnevnika:
- Karen L Cunningham, Chad W Sauvola, Sara Tavana, J Troy Littleton. Regulacija številčnosti presinaptičnih Ca2+ kanalov v aktivnih območjih z ravnovesjem dostave in prometa. Nevroznanost. DOI: 10.7554/eLife.78648
