Нейрони спілкуються один з одним на з’єднаннях, які називаються синапсами. Коли іони кальцію переміщуються в «активні зони», які заповнені везикулами, що містять хімічні повідомлення, вони починають «спілкуватися». Везикули «зливаються» із зовнішніми мембранами пресинаптичних нейронів завдяки електрично зарядженому кальцію, вивільняючи свій комунікаційний хімічний вантаж до постсинаптичної клітини.
Нове дослідження Інституту навчання та пам’яті Пікавера MIT показує, як нейрони створюють і підтримують цю життєво важливу інфраструктуру.
Кальцієві канали є важливою частиною двигуна на пресинаптичній стороні, яка перетворює електричні сигнали в хімічну синаптичну передачу, оскільки вони є основним визначальним фактором припливу кальцію, який потім викликає злиття везикул. Однак, як вони накопичуються в активних зонах, було незрозуміло.
Це нове дослідження пропонує підказки про те, як активні зони накопичуються та регулюють велику кількість кальцієвих каналів.
Трой Літтлтон, старший автор нового дослідження та професор нейронауки Menicon на факультетах біології, мозку та когнітивних наук Массачусетського технологічного інституту, сказав: «Відомо, що модуляція функції пресинаптичних кальцієвих каналів має значні клінічні ефекти. Розуміння того, як ці канали регулюються, є важливим».
Чи необхідні кальцієві канали для розвитку активних зон?
Відповідь на це питання вчені хотіли визначити в личинках. Слід зазначити, що ген кальцієвого каналу мух (так званий «какофонія» або Cac) настільки важливий, що вони не можуть жити без нього.
Замість того, щоб знищити Cac по всій мушці, вчені застосували техніку для знищення Cac лише в одній популяції нейрони. Вони продемонстрували, що активні зони регулярно розвиваються навіть без Cac.
Вони також використали інший прийом, який штучно подовжує личинкову стадію мухи. Вони виявили, що за додатковий час активна зона продовжить нарощувати свою структуру за допомогою білка під назвою BRP, але накопичення Cac припиняється через звичайні шість днів.
Було також виявлено, що помірні збільшення або зменшення запасу доступного Cac в нейроні не впливають на те, скільки Cac потрапляє в кожну активну зону. На свій подив, вони виявили, що хоча кількість Cac масштабується з розміром кожної активної зони, вона майже не змінюється, якщо вони значно зменшують BRP в активній зоні. Насправді нейрон, здавалося, встановлює постійне обмеження кількості Cac, присутнього для кожної активної зони.
Постдок Массачусетського технологічного інституту Карен Каннінгем сказала: «Це стало показовим, що нейрон мав зовсім інші правила для структурних білків в активній зоні, таких як BRP, які продовжували накопичуватися з часом, порівняно з кальцієвим каналом, який був жорстко регульований і мав обмежену кількість».
Окрім надходження Cac або змін у BRP, інші фактори також повинні так жорстко регулювати рівні Cac. Вони звернулися до alpha2delta.
Генетично маніпулюючи експресією його кількості, вчені виявили, що рівень alpha2delta безпосередньо визначає, скільки Cac накопичується в активних зонах. Подальші експерименти також показали, що загальне постачання Cac нейрона контролює здатність alpha2delta підтримувати рівні Cac.
Це припускає, що замість того, щоб контролювати кількість Cac в активних зонах шляхом його стабілізації, alpha2delta, ймовірно, функціонував вище за течією, під час передачі Cac, щоб постачати та поповнювати запаси Cac до активних зон.
Використовуючи дві різні техніки, вони спостерігали за цим поповненням. Вони також згенерували його вимірювання та його час.
Каннінгем вибрав момент після кількох днів розробки для зображення активних зон і виміряв кількість Cac, щоб визначити ландшафт. Потім вона відбілила цю флуоресценцію Cac, щоб стерти її. Через 24 години вона знову візуалізувала флуоресценцію Cac, щоб виділити лише новий Cac, який був доставлений до активних зон протягом цих 24 годин.
Вона помітила, що Cac був доставлений у майже всі активні зони того дня. І все ж цей один день роботи був насправді незначним у порівнянні з накопиченням за попередні дні. Вона також побачила, що більші активні зони накопичують більше Cac, ніж менші. Крім того, у змінених моделях alpha2delta fly майже не було нових поставок Cac.
Наступним завданням було визначити, з якою швидкістю канали Cac видаляються з активних зон. Для цього вчені використали техніку фарбування фотоконвертованим білком під назвою Maple, поєднаним з білком Cac. Це дозволило їм змінити колір за допомогою спалаху світла у вибраний нею час.
Це показує, скільки Cac накопичилося до певного часу (показано зеленим), а потім блимає індикатор, щоб цей Cac став червоним. Через п'ять днів майже 30 відсотків червоного Cac було замінено новим зеленим Cac. Цей обмін Cac припинився, коли рівні доставки Cac були знижені шляхом мутації alpha2 delta або зменшення біосинтезу Cac.
Каннінгем сказав, «Це означає, що значна кількість Cac обертається щодня в активних зонах і що оборот викликаний новою доставкою Cac».
Літтлтон сказав, «Тепер, коли правила надлишку і поповнення кальцієвих каналів зрозумілі, я хочу знати, чим вони відрізняються, коли нейрони піддаються пластичності — наприклад, коли нова вхідна інформація вимагає від нейронів коригувати свою комунікацію, щоб збільшити або зменшити синаптичну комунікацію».
«Я також прагну відстежити окремі кальцієві канали, які утворюються в тілі клітини, а потім рухаються по нейронному аксону до активних зон, і він хоче визначити, які інші гени можуть впливати на кількість Cac».
Довідка з журналу:
- Карен Л. Каннінгем, Чад В. Саувола, Сара Тавана, Дж. Трой Літтлтон. Регуляція кількості пресинаптичних Ca2+ каналів в активних зонах через баланс доставки та обороту. Неврологія. DOI: 10.7554/eLife.78648
