Neuroner kommunicerar med varandra vid korsningar som kallas synapser. När kalciumjoner flyttar in i "aktiva zoner", som är befolkade med vesiklar som innehåller kemiska meddelanden, börjar de "kommunicera". Vesikler "fuserar" till de presynaptiska neuronernas yttre membran på grund av det elektriskt laddade kalciumet, vilket frigör deras kommunikationskemiska last till den postsynaptiska cellen.
En ny studie av Picower Institute for Learning and Memory på MIT avslöjar hur neuroner sätter upp och upprätthåller denna viktiga infrastruktur.
Kalciumkanaler är en avgörande del av motorn på den presynaptiska sidan som omvandlar elektriska signaler till kemisk synaptisk transmission eftersom de är den primära bestämningsfaktorn för kalciuminflöde, vilket sedan orsakar vesikelfusion. Hur de ackumuleras i aktiva zoner var dock oklart.
Denna nya studie ger ledtrådar om hur aktiva zoner ackumuleras och reglerar överflöd av kalciumkanaler.
Troy Littleton, en senior författare av den nya studien och Menicon professor i neurovetenskap vid MIT:s avdelningar för biologi och hjärna och kognitiv vetenskap, sa: "Modulation av funktionen hos presynaptiska kalciumkanaler är känd för att ha betydande kliniska effekter. Det är viktigt att förstå grundlinjen för hur dessa kanaler regleras."
Är kalciumkanaler nödvändiga för att aktiva zoner ska utvecklas?
Forskare ville bestämma svaret på denna fråga hos larver. Det bör noteras att flugkalciumkanalgenen (kallad "kakofoni" eller Cac) är så viktig att de inte kan leva utan den.
Istället för att slå ut Cac över hela flugan, använde forskare en teknik för att eliminera Cac i bara en population av neuroner. De visade att aktiva zoner regelbundet utvecklas även utan Cac genom att göra detta.
De använde också en annan teknik som på konstgjord väg förlänger flugans larvstadium. De fann att med extra tid kommer den aktiva zonen att fortsätta att bygga upp sin struktur med ett protein som kallas BRP, men Cac-ackumuleringen upphör efter de normala sex dagarna.
Man fann också att måttliga ökningar eller minskningar av tillgången på tillgängligt Cac i neuronet inte påverkade hur mycket Cac som hamnade i varje aktiv zon. Till sin förvåning fann de att även om antalet Cac skalade med storleken på varje aktiv zon, så förändrades det knappt om de minskade BRP i den aktiva zonen avsevärt. Faktum är att neuronen tycks etablera ett konstant tak för mängden Cac närvarande för varje aktiv zon.
MIT postdoc Karen Cunningham sa, "Det avslöjade att neuronen hade väldigt olika regler för de strukturella proteinerna i den aktiva zonen som BRP som fortsatte att ackumuleras över tiden, jämfört med kalciumkanalen som var hårt reglerad och hade sitt överflöd av ett tak."
Förutom Cac-tillförsel eller förändringar i BRP, måste andra faktorer också reglera Cac-nivåerna så hårt. De vände sig till alpha2delta.
Genom att genetiskt manipulera uttrycket av dess mängd, fann forskare att alfa2delta-nivåer direkt avgjorde hur mycket Cac ackumulerades i aktiva zoner. Ytterligare experiment avslöjade också att neuronens totala Cac-tillförsel övervakar alpha2deltas förmåga att upprätthålla Cac-nivåer.
Det tyder på att istället för att kontrollera Cac-mängden i aktiva zoner genom att stabilisera den, fungerade alpha2delta sannolikt uppströms, under Cac-trafik, för att försörja och återförsörja Cac till aktiva zoner.
Med hjälp av två olika tekniker observerade de denna återförsörjning. De genererade också mätningar av den och dess timing.
Cunningham valde ett ögonblick efter några dagars utveckling att avbilda aktiva zoner och mätte Cac-överflöd för att fastställa landskapet. Sedan blekte hon ut den där Cac-fluorescensen för att radera den. Efter 24 timmar visualiserade hon Cac-fluorescens på nytt för att endast framhäva den nya Cac som levererades till aktiva zoner under de 24 timmarna.
Hon observerade att Cac levererades i nästan alla aktiva zoner den dagen. Ändå var denna ena dags arbete i själva verket obetydlig i jämförelse med ackumulationen från tidigare dagar. Hon såg också att större aktiva zoner samlade mer Cac än mindre. Dessutom fanns det knappast någon ny Cac-leverans i de förändrade alpha2delta flugmodellerna.
Nästa uppgift var att bestämma i vilken takt Cac-kanaler tas bort från aktiva zoner. För att göra det använde forskare en färgningsteknik med ett fotokonverterbart protein som heter Maple taggat till Cac-proteinet. Detta gjorde att de kunde ändra färgen med en ljusblixt vid hennes valda tidpunkt.
Om du gör det visar du hur mycket Cac som ackumulerats vid en viss tid (visas i grönt) och sedan blinkar lampan för att göra Cac rött. Efter fem dagar hade nästan 30 procent av den röda Cac ersatts med ny grön Cac. Denna Cac-omsättning upphörde när Cac-leveransnivåerna reducerades genom att mutera alfa2 delta eller minska Cac-biosyntesen.
Cunningham sa, "Det betyder att en betydande mängd Cac omsätts varje dag i aktiva zoner och att omsättningen föranleds av ny Cac-leverans."
Littleton sade, "Nu när reglerna för kalciumkanalöverflöd och påfyllning är tydliga vill jag veta hur de skiljer sig när neuroner genomgår plasticitet - till exempel när ny inkommande information kräver att neuroner justerar sin kommunikation för att skala upp eller ner synaptisk kommunikation."
"Jag är också angelägen om att spåra individuella kalciumkanaler när de skapas i cellkroppen och sedan flytta ner det neurala axonet till de aktiva zonerna, och han vill avgöra vilka andra gener som kan påverka Cac-överflöd."
Tidskriftsreferens:
- Karen L Cunningham, Chad W Sauvola, Sara Tavana, J Troy Littleton. Reglering av presynaptisk Ca2+-kanalöverflöd vid aktiva zoner genom en balans mellan leverans och omsättning. Neuroscience. DOI: 10.7554 / eLife.78648
