Ген, связанный с регенерацией поврежденных нервных клеток, был идентифицирован учеными из Университета штата Пенсильвания и Университета Дьюка. Команда под руководством Мелиссы Роллс, доцента кафедры биохимии и молекулярной биологии Пенсильванского университета, обнаружила, что мутация в одном гене может полностью остановить процесс, с помощью которого аксоны – части нервной клетки, отвечающие за отправку сигналы другим клеткам – вырастают заново после пореза или повреждения. "Мы надеемся, что это открытие откроет дверь для новых исследований, связанных со спинным мозгом и другими неврологическими расстройствами у людей," Роллс сказал. Журнал Cell Reports опубликует раннюю онлайн-копию статьи 1 ноября, а также включит статью в ежемесячный выпуск журнала, который выйдет 29 ноября 2012 года.
Роллс объяснил, что аксоны, которые образуют длинные пучки, отходящие от нервных клеток, в идеале выживают на протяжении всей жизни животного. Чтобы выжить, нервные клетки должны быть эластичными, и в случае травмы или простого износа некоторые из них могут восстанавливать повреждения путем выращивания новых аксонов. Более ранние исследования Rolls и других показали, что микротрубочки – внутриклеточные "шоссе" по которой транспортируются основные строительные блоки – может потребоваться перестройка в качестве важного шага в этом типе ремонта. "Во многих отношениях эта идея имеет смысл: для того, чтобы вырастить новую часть нерва, потребуется сырье, а также необходимо организовать магистрали микротрубочек, чтобы новые материалы доставлялись к месту роста," Роллс сказал. Команда Rolls поэтому начала исследовать роль белков ремоделирования микротрубочек в возобновлении роста аксонов после травмы. В частности, члены команды сосредоточились на наборе белков, которые разделяют микротрубочки на мелкие части. Из этого набора белок под названием спастин стал ключевым игроком в регенерации аксонов.
"Тот факт, что белок спастин играет решающую роль в регенерации, особенно интригует, потому что у людей он кодируется геном болезни, называемым SPG4," Rolls объяснил. "Когда одна копия этого гена нарушается, у пораженных людей развивается наследственная спастическая параплегия (HSP), которая характеризуется прогрессирующей слабостью и спастичностью нижних конечностей, поскольку длинные моторные аксоны в спинном мозге дегенерируют. Таким образом, определение новой функции нейронов для спастина может помочь нам понять это заболевание."
Чтобы изучить роль спастина, Роллс и ее команда выбрали плодовую мушку в качестве своего модельного организма. "На молекулярном уровне многие процессы, связанные с ростом и отрастанием нервных клеток, у человека такие же, как и у плодовых мушек," Роллс сказал. "И, как и все другие животные, включая человека, у плодовых мушек есть две копии каждого гена – по одной от каждого родителя, поэтому разные комбинации каждого гена могут приводить к различным наблюдаемым признакам." Члены команды вывели три генетически разные группы плодовых мух в лаборатории, чтобы наблюдать, как различные комбинации генов спастина могут влиять на поведение нервных клеток после травмы. Первая группа мух имела две нормальные копии гена; у второго была одна нормальная копия и одна мутантная копия; в то время как у третьего были две мутантные копии. Затем во всех трех группах ученые вырезали аксоны нервных клеток мух и наблюдали за процессом регенерации.
"У плодовых мушек с двумя нормальными копиями гена мы заметили, что оторванные аксоны элегантно собираются заново. Этот процесс должен иметь место, если муха должна зажить от травмы нерва, поскольку жизненные события, а также износ, как правило, вызывают такие повреждения," Роллс сказал. "Но, что интересно, в двух других группах – плодовых мушках с двумя или даже одним аномальным геном спастина – повторного роста просто не было, что указывает на то, что то, что мы имеем здесь, является доминирующей проблемой." Роллс объяснил, что доминирующие заболевания возникают, когда нарушена только одна копия гена болезни. Например, болезнь Хантингтона у людей является доминирующим заболеванием, потому что люди, унаследовавшие нормальный ген от одного родителя и аномальный ген от другого родителя, все равно заболевают. Между тем муковисцидоз – рецессивное заболевание: у людей, у которых есть хотя бы одна нормальная копия гена, болезнь вообще не проявляется.
Ученые также обнаружили, что нарушенный ген спастина влияет только на то, как аксоны восстанавливаются после отделения. То есть, похоже, ген не играл роли на стадии развития, когда аксоны собирались впервые. Кроме того, исследователи обнаружили, что, хотя ген воздействовал на аксоны мух, их дендриты – части нейрона, которые получают информацию от других клеток и из внешнего мира – продолжали нормально функционировать и восстанавливать себя.
"Теперь, когда мы знаем, что спастин играет важную роль в регенерации аксонов, а также что этот ген является доминантным, мы открыли возможный путь к изучению заболеваний человека, связанных с поражением нервных клеток," Роллс сказал. "Фактически, наш следующий шаг – исследовать связь между наследственной спастической параплегией (HSP) и регенерацией аксонов." Роллс добавила, что ген SPG4, кодирующий человеческий спастин, является только одним из генов болезни, связанных с HSP, поэтому она и ее коллеги сейчас проверяют, играют ли гены других болезней также роль в регенерации нервных клеток.