Исследователи из Университета Дьюка заявили, что белок, контролирующий метаморфоз обыкновенной плодовой мухи, может когда-нибудь сыграть роль в устранении травм головного мозга.
Этот белок управляет как ранним развитием, так и отрастанием крошечных ветвей, которые передают информацию от нейрона к нейрону. Эти тонкие структуры, похожие на ветки деревьев, известные как дендриты, отвечают за получение электрических импульсов, которые вспыхивают по всему телу.
Неправильное развитие или повреждение дендритов связано с психическими или психическими заболеваниями у людей, такими как аутизм, шизофрения и синдром ломкой Х-хромосомы.
В нормальных условиях нейронная коммуникация проста, как и соседи, разговаривающие через забор. Но если нейрон поврежден или деформирован, у него часто нет надлежащих дендритов, необходимых для функционирования.
"Одна из основных проблем нервной системы заключается в том, что она не очень хорошо восстанавливается после травмы," сказал Чай Куо, M.D., Ph.D., Джордж В. Брамли доцент кафедры клеточной биологии, нейробиологии и педиатрии. "Нейроны не размножаются, поэтому при травмах происходит потеря функции. Мы хотели бы знать, как его вернуть."
Хотя вызвать такое возобновление роста в человеческом мозге в настоящее время невозможно, регенерация и ветвление дендритов – ответвление дендритов от тела нейрона – являются необходимой частью жизненного цикла дрозофилы дрозофилы. В состоянии личинки (или червя) нервная система мухи настроена на то, что нужно гладкокожему червю: поиск пищи, передвижение и избежание нападения. Однако у взрослого человека с покрытой щетиной кожей нервная система должна быть настроена на полеты, поиск партнеров и откладывание яиц.
До сих пор исследователи не понимали, как сенсорные нейроны дрозофилы могут создавать два отдельных паттерна ветвления дендритов, которые успешно обслуживают различные сенсорные среды, сказал Куо, который также является преподавателем Duke Institute for Brain Sciences (DIBS). Его команда намеревалась найти генетический механизм, который делает возможным. Это исследование, финансируемое Альфредом П. Фонд Слоуна и Джордж & Джин Брамли младший. Эндаумент появится в сети в феврале. 27 выпуск Cell Reports.
Ответ кроется в метаморфозе насекомых от личинок до взрослых особей. Во время этого перехода дрозофила теряет нейроны, которые им не нужны для взрослой жизни. Оставшиеся сенсорные нейроны отрезают свои дендриты и вырастают совершенно другой набор. По словам Куо, процесс регенерации, который контролируется гормоном экдизоном, очень похож на обрезку дерева весной, чтобы освободить место для нового роста.
Чтобы выяснить, как сенсорные нейроны дрозофилы осуществляют это изменение, команда Куо пометила сенсорные нейроны брюшной полости зеленым флуоресцентным белком (GFP) и проследила за ними через метаморфоз, чтобы увидеть, изменилось ли их ветвление дендритов. Фактически, структура и архитектура дендритов на взрослой стадии отличались.
Тест, проведенный бывшим аспирантом Греем Лайонсом, показал, что цистеиновая протеиназа-1 (Cp1) отвечает за регуляцию регенерации дендритов нейронов и иннервацию сенсорного поля взрослого человека. Команда Куо продемонстрировала, что без Cp1 сенсорные дендриты дрозофилы не могут восстанавливаться после обрезки.
Существующая литература также указывает группе Куо на параллель между нервной системой дрозофилы и млекопитающими.
"Мы исследовали, возможно ли, что Cp1 во время метаморфоза перемещается из цитоплазмы в ядро, чтобы расщепить фактор транскрипции, необходимый для развития дендритов, и сделать его новым фактором транскрипции для регенерации," Куо сказал. "И это оказалось правдой."
Версия Cp1 у млекопитающих – это белок, который, как известно, связан с прогрессированием рака и другими заболеваниями, называемый лизосомным белком каптезин-L (Ctsl). Во время клеточного цикла Ctsl может нацеливаться на фактор транскрипции – белок, который связывает определенные последовательности ДНК, называемый Cut-like 1 (Cux1), который играет роль в экспрессии генов. Ctsl преследует Cux1 внутри ядра и расщепляет его, создавая меньший белок с другими транскрипционными свойствами, чем исходный.
"Я считаю, что это открытие удивительно, потому что основным фактором транскрипции, участвующим в том, как сенсорные нейроны мух выращивают дендриты, в первую очередь, является Cut, а Cut-like 1 является его гомологом у млекопитающих," Куо сказал. "Первоначальная идея [Лайонса] по вопросу о сохранении млекопитающих в поисках ответов оказалась большой. Это была интуиция."
Помечая Cut во время метаморфоза дрозофилы, команда Куо наблюдала паттерн связывания белка в ядре. Перед обрезкой дендритов Cut связывает большие капли. Однако после обрезки связывание Cut распространяется, давая ему возможность, по словам Куо, связываться с разными генами во время двух фаз роста дендритов.
Команда перевела это открытие обратно на Cp1, обнаружив, что он проникает в ядро нейрона для расщепления Cut, создавая новый фактор транскрипции, необходимый для регенерации дендритов после обрезки в процессе развития.
По словам Куо, это исследование может также потенциально повлиять на то, как наука и здравоохранение думают о черепно-мозговых травмах и как их лечат. В настоящее время поврежденные нейроны, потерявшие дендриты, не могут нормально общаться со своими соседями, что делает их нефункциональными. По его словам, проблему можно обратить вспять, если помочь нейронам изменить их первоначальную программу развития и вырастить новые дендриты.
"Если мы сможем повлиять на этот контроль окружающей среды, который изменяет программу развития, возможно, мы сможем заставить нейроны интегрироваться и лучше функционировать после травмы," он сказал.